(57)【要約】仮想画像生成システムは、対向する第１および第２の面を有する、平面光学導波管と、画像投影アセンブリからのコリメート光ビームを平面光学導波管の中に内部結合光ビームとして光学的に結合するように構成される、内部結合（ＩＣ）要素と、内部結合光ビームを第１の直交光ビームレットのセットに分割するための平面光学導波管の第１の面と関連付けられた第１の直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素と、内部結合光ビームを第２の直交光ビームレットのセットに分割するための平面光学導波管の第２の面と関連付けられた第２の直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素と、第１および第２の直交光ビームレットのセットを平面光学導波管から出射する外部結合光ビームレットのアレイに分割するための平面光学導波管と関連付けられた射出瞳拡張（ＥＰＥ）要素とを備える。
2020519962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想画像生成システムであって、
平面光学導波管であって、前記平面光学導波管は、複数の基板であって、第１の厚さを有する一次基板と、それぞれ少なくとも１つの第２の厚さを有する少なくとも二次基板とを含む、複数の基板と、前記基板間に配置される少なくとも１つの半反射性界面とを備え、前記第１の厚さは、前記少なくとも１つの第２の厚さのそれぞれの少なくとも２倍である、平面光学導波管と、
内部結合（ＩＣ）要素であって、前記内部結合（ＩＣ）要素は、伝搬のために、画像投影アセンブリからコリメート光ビームを内部結合光ビームとして前記平面光学導波管内で光学的に結合するように構成され、前記少なくとも１つの半反射性界面は、前記内部結合光ビームを前記一次基板内を伝搬する複数の一次光ビームレットに分割するように構成される、内部結合（ＩＣ）要素と、
１つ以上の回折光学要素（ＤＯＥ）であって、前記１つ以上の回折光学要素（ＤＯＥ）は、前記複数の一次光ビームレットを前記平面光学導波管の面から出射する外部結合光ビームレットのアレイにさらに分割するために前記平面光学導波管と関連付けられる、１つ以上の回折光学要素（ＤＯＥ）と
を備える、仮想画像生成システム。
【請求項２】
前記第１の厚さは、前記少なくとも１つの第２の厚さのそれぞれの非倍数である、請求項１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの二次基板は、複数の二次基板を備える、請求項１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項４】
前記複数の二次基板のうちの少なくとも２つは、相互に実質的に等しい第２の厚さを有する、請求項３に記載の仮想画像生成システム。
【請求項５】
前記複数の二次基板のうちの少なくとも２つは、相互に実質的に等しくない第２の厚さを有する、請求項３に記載の仮想画像生成システム。
【請求項６】
前記第１の厚さは、前記第２の厚さのうちの少なくとも１つの非倍数である、請求項５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項７】
前記等しくない第２の厚さのうちの少なくとも２つは、相互の非倍数である、請求項５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項８】
前記第１の厚さおよび前記第２の厚さは、前記外部結合光ビームレットのうちの少なくとも２つの隣接するものの中心間の間隔が前記コリメート光ビームの幅以下であるように選択される、請求項１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項９】
前記第１の厚さおよび前記第２の厚さは、前記外部結合光ビームレットの隣接するものの半分を上回る間隙が縁間に常駐しないように選択される、請求項１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの半反射性界面はそれぞれ、半反射性コーティングを備える、請求項１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの半反射性コーティングは、それぞれ、物理蒸着（ＰＶＤ）、イオン支援蒸着（ＩＡＤ）、およびイオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）のうちの１つを介して、前記基板間に配置される、請求項１０に記載の仮想画像生成システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの半反射性コーティングはそれぞれ、金属（Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｒ等）、誘電体（酸化物、フッ化物、および硫化物）、および半導体（Ｓｉ、Ｇｅ）のうちの１つ以上のものから成る、請求項１０に記載の仮想画像生成システム。
【請求項１３】
前記複数の基板の隣接するものは、異なる屈折率を有する材料から成る、請求項１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの半反射性界面は、前記内部結合光ビームを少なくとも２つの内部結合光ビームレットに分割するように構成され、前記１つ以上のＤＯＥは、それぞれ、前記少なくとも２つの内部結合光ビームレットを少なくとも２つの直交光ビームレットのセットに分割するように構成される直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素を備え、前記少なくとも１つの半反射性界面はさらに、前記少なくとも２つの直交光ビームレットのセットを少なくとも４つの直交光ビームレットのセットに分割するように構成され、前記１つ以上のＤＯＥは、前記少なくとも４つの直交光ビームレットのセットを前記外部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される射出瞳拡張（ＥＰＥ）要素を備える、請求項１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項１５】
前記ＯＰＥ要素およびＥＰＥ要素は、前記光学平面導波管の面上に配置される、請求項１４に記載の仮想画像生成システム。
【請求項１６】
前記少なくとも２つの内部結合光ビームレットは、前記少なくとも２つの内部結合光ビームレットの一部が、ＴＩＲを介して、第２の平行光学経路に沿って、前記平面光学導波管内を伝搬する、前記少なくとも２つの直交光ビームレットのセットとして回折されるように、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、前記ＯＰＥ要素と交差する第１の光学経路に沿って、前記平面光学導波管内を伝搬する、請求項１４に記載の仮想画像生成システム。
【請求項１７】
前記第２の平行光学経路は、前記第１の光学経路に直交する、請求項１６に記載の仮想画像生成システム。
【請求項１８】
前記少なくとも２つの直交光ビームレットのセットは、前記少なくとも２つの直交光ビームレットのセットの一部が、前記平面光学導波管の面から外に外部結合される光ビームレットのセットとして回折されるように、前記ＥＰＥ要素と交差する、請求項１６に記載の仮想画像生成システム。
【請求項１９】
前記ＥＰＥ要素は、凸面波面プロファイルを前記平面光学導波管から出射する前記外部結合光ビームレットアレイ上に付与するように構成され、前記凸面波面プロファイルは、半径の中心を集光点に有し、画像を所与の焦点面に生産する、請求項１４に記載の仮想画像生成システム。
【請求項２０】
前記コリメート光ビームは、入射瞳を画定し、前記外部結合光ビームレットアレイは、前記入射瞳より大きい射出瞳を画定する、請求項１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項２１】
前記射出瞳は、前記入射瞳より少なくとも１０倍大きい、請求項２０に記載の仮想画像生成システム。
【請求項２２】
前記射出瞳は、前記入射瞳より少なくとも１００倍大きい、請求項２０に記載の仮想画像生成システム。
【請求項２３】
前記外部結合光ビームレットアレイは、２次元の外部結合光ビームレットアレイである、請求項１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項２４】
前記コリメート光ビームを生成するように構成される画像投影アセンブリを有するディスプレイサブシステムをさらに備える、請求項１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項２５】
前記画像投影アセンブリは、前記コリメート光ビームを走査するように構成される走査デバイスを備える、請求項２４に記載の仮想画像生成システム。
【請求項２６】
仮想画像生成システムであって、
対向する第１および第２の面を有する平面光学導波管と、
画像投影アセンブリからコリメート光ビームを前記平面光学導波管の中に内部結合光ビームとして光学的に結合するように構成される内部結合（ＩＣ）要素と、
前記内部結合光ビームを第１の直交光ビームレットのセットに分割するために前記平面光学導波管の第１の面と関連付けられた第１の直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素と、
前記内部結合光ビームを第２の直交光ビームレットのセットに分割するために前記平面光学導波管の第２の面と関連付けられた第２の直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素と、
前記第１および第２の直交光ビームレットのセットを前記平面光学導波管から出射する外部結合光ビームレットのアレイに分割するために前記平面光学導波管と関連付けられた射出瞳拡張（ＥＰＥ）要素と
を備える、仮想画像生成システム。
【請求項２７】
前記平面光学導波管は、単一の一体型基板から形成される、請求項２５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項２８】
前記第１のＯＰＥ要素は、前記平面光学導波管の第１の面上に配置され、前記第２のＯＰＥ要素は、前記平面光学導波管の第２の面上に配置される、請求項２５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項２９】
前記ＥＰＥ要素は、前記平面光学導波管の第１および第２の表面のうちの１つ上に配置される、請求項２５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項３０】
前記ＩＣ要素は、前記内部結合光ビームの一部が、ＴＩＲを介して、第２の平行光学経路に沿って、前記平面光学導波管内を伝搬する前記個別の第１の直交光ビームレットのセットおよび前記第２の直交光ビームレットのセットとして偏向されるように、前記画像投影アセンブリからコリメート光ビームを、伝搬のために、内部結合光ビームとして、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、前記第１のＯＰＥ要素および前記第２のＯＰＥ要素と交互に交差する第１の光学経路に沿って、前記平面光学導波管内で光学的に結合するように構成される、請求項２５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項３１】
前記第２の平行光学経路は、前記第１の光学経路に直交する、請求項３０に記載の仮想画像生成システム。
【請求項３２】
前記第１の直交光ビームレットのセットおよび前記第２の直交光ビームレットのセットは、前記第１の直交光ビームレットのセットおよび前記第２の直交光ビームレットのセットの一部が前記平面光学導波管から外に外部結合光ビームレットアレイとして偏向されるように、前記ＥＰＥ要素と交差する、請求項２５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項３３】
前記ＥＰＥ要素は、凸面波面プロファイルを前記平面光学導波管から出射する前記外部結合光ビームレットアレイ上に付与するように構成され、前記凸面波面プロファイルは、半径の中心を集光点に有し、画像を所与の焦点面に生産する、請求項２５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項３４】
前記コリメート光ビームは、入射瞳を画定し、前記外部結合光ビームレットアレイは、前記入射瞳より大きい射出瞳を画定する、請求項２５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項３５】
前記射出瞳は、前記入射瞳より少なくとも１０倍大きい、請求項３４に記載の仮想画像生成システム。
【請求項３６】
前記射出瞳は、前記入射瞳より少なくとも１００倍大きい、請求項３４に記載の仮想画像生成システム。
【請求項３７】
前記ＩＣ要素、ＯＰＥ要素、およびＥＰＥ要素はそれぞれ、回折性である、請求項２５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項３８】
前記外部結合光ビームレットアレイは、２次元の外部結合光ビームレットアレイである、請求項２５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項３９】
前記画像投影アセンブリをさらに備える、請求項２５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項４０】
前記画像投影アセンブリは、前記コリメート光ビームを走査するように構成される走査デバイスを備える、請求項３９に記載の仮想画像生成システム。
【請求項４１】
仮想画像生成システムであって、
平面光学導波管であって、前記平面光学導波管は、複数の基板であって、第１の厚さを有する一次基板と、第２の厚さを有する少なくとも２つの二次基板とを含む、複数の基板と、それぞれ、前記基板間に配置される、少なくとも２つの半反射性界面とを備える、平面光学導波管と、
内部結合（ＩＣ）要素であって、前記内部結合（ＩＣ）要素は、伝搬のために、画像投影アセンブリからコリメート光ビームを内部結合光ビームとして前記平面光学導波管内で光学的に結合するように構成され、前記少なくとも２つの半反射性界面は、前記内部結合光ビームを前記一次基板内を伝搬する複数の一次光ビームレットに分割するように構成される、内部結合（ＩＣ）要素と、
１つ以上の回折光学要素（ＤＯＥ）であって、前記１つ以上の回折光学要素（ＤＯＥ）は、前記複数の一次光ビームレットを前記平面光学導波管の面から出射する外部結合光ビームレットのアレイにさらに分割するために前記平面光学導波管と関連付けられる、１つ以上の回折光学要素（ＤＯＥ）と
を備える、仮想画像生成システム。
【請求項４２】
前記第２の厚さはそれぞれ、前記第１の厚さ未満である、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項４３】
前記第１の厚さは、前記第２の厚さのそれぞれの少なくとも２倍である、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項４４】
前記第２の厚さは、相互に実質的に等しい、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項４５】
前記第１の厚さは、前記第２の厚さのうちの少なくとも１つの非倍数である、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項４６】
前記少なくとも２つの二次基板の２つ以上のものは、相互に実質的に等しくない第２の厚さを有する、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項４７】
前記第１の厚さは、前記第２の厚さのうちの少なくとも１つの非倍数である、請求項４６に記載の仮想画像生成システム。
【請求項４８】
前記等しくない第２の厚さのうちの少なくとも２つは、相互の非倍数である、請求項４６に記載の仮想画像生成システム。
【請求項４９】
前記第１の厚さおよび前記第２の厚さは、前記外部結合光ビームレットのうちの少なくとも２つの隣接するものの中心間の間隔が、前記コリメート光ビームの幅以下であるように選択される、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項５０】
前記第１の厚さおよび前記第２の厚さは、前記外部結合光ビームレットの隣接するものの半分を上回る間隙が、縁間に常駐しないように選択される、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項５１】
前記少なくとも２つの半反射性界面はそれぞれ、半反射性コーティングを備える、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項５２】
前記少なくとも２つの半反射性コーティングは、それぞれ、物理蒸着（ＰＶＤ）、イオン支援蒸着（ＩＡＤ）、およびイオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）のうちの１つを介して、前記基板間に配置される、請求項５１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項５３】
前記少なくとも２つの半反射性コーティングはそれぞれ、金属（Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｒ等）、誘電体（酸化物、フッ化物、および硫化物）、および半導体（Ｓｉ、Ｇｅ）のうちの１つ以上のものから成る、請求項５１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項５４】
前記複数の基板の隣接するものは、異なる屈折率を有する材料から成る、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項５５】
前記少なくとも２つの半反射性界面は、前記内部結合光ビームを少なくとも２つの内部結合光ビームレットに分割するように構成され、前記１つ以上のＤＯＥは、それぞれ、前記少なくとも２つの内部結合光ビームレットを少なくとも２つの直交光ビームレットのセットに分割するように構成される直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素を備え、前記少なくとも２つの半反射性界面は、前記少なくとも２つの直交光ビームレットのセットを少なくとも４つの直交光ビームレットのセットにさらに分割するように構成され、前記１つ以上のＤＯＥは、前記少なくとも４つの直交光ビームレットのセットを前記外部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される射出瞳拡張（ＥＰＥ）要素を備える、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項５６】
前記ＯＰＥ要素およびＥＰＥ要素は、前記光学平面導波管の面上に配置される、請求項５５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項５７】
前記少なくとも２つの内部結合光ビームレットは、前記少なくとも２つの内部結合光ビームレットの一部が、ＴＩＲを介して、第２の平行光学経路に沿って、前記平面光学導波管内を伝搬する、前記少なくとも２つの直交光ビームレットのセットとして回折されるように、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、前記ＯＰＥ要素と交差する第１の光学経路に沿って、前記平面光学導波管内を伝搬する、請求項５５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項５８】
前記第２の平行光学経路は、前記第１の光学経路に直交する、請求項５７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項５９】
前記少なくとも２つの直交光ビームレットのセットは、前記少なくとも２つの直交光ビームレットのセットの一部が、前記平面光学導波管の面から外に外部結合される光ビームレットのセットとして回折されるように、前記ＥＰＥ要素と交差する、請求項５７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項６０】
前記ＥＰＥ要素は、凸面波面プロファイルを前記平面光学導波管から出射する前記外部結合光ビームレットアレイ上に付与するように構成され、前記凸面波面プロファイルは、半径の中心を集光点に有し、画像を所与の焦点面に生産する、請求項５５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項６１】
前記コリメート光ビームは、入射瞳を画定し、前記外部結合光ビームレットアレイは、前記入射瞳より大きい射出瞳を画定する、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項６２】
前記射出瞳は、前記入射瞳より少なくとも１０倍大きい、請求項６１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項６３】
前記射出瞳は、前記入射瞳より少なくとも１００倍大きい、請求項６１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項６４】
前記外部結合光ビームレットアレイは、２次元の外部結合光ビームレットアレイである、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項６５】
前記コリメート光ビームを生成するように構成される画像投影アセンブリを有するディスプレイサブシステムをさらに備える、請求項４１に記載の仮想画像生成システム。
【請求項６６】
前記画像投影アセンブリは、前記コリメート光ビームを走査するように構成される走査デバイスを備える、請求項６５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項６７】
仮想画像生成システムであって、
前置瞳拡張（ＰＰＥ）要素であって、前記前置瞳拡張（ＰＰＥ）要素は、結像要素からコリメート光ビームを受光し、前記コリメート光ビームを初期外部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される、前置瞳拡張（ＰＰＥ）要素と、
平面光学導波管と、
内部結合（ＩＣ）要素であって、前記内部結合（ＩＣ）要素は、前記初期外部結合光ビームレットのセットを前記平面光学導波管の中に内部結合光ビームレットのセットとして光学的に結合するように構成される、内部結合（ＩＣ）要素と、
１つ以上の回折要素であって、前記１つ以上の回折要素は、前記内部結合光ビームレットのセットを前記平面光学導波管の面から出射する最終外部結合光ビームレットのセットに分割するために前記平面光学導波管と関連付けられる、１つ以上の回折要素と
を備える、仮想画像生成システム。
【請求項６８】
前記コリメート光ビームは、入射瞳を画定し、前記初期外部結合光ビームレットのセットは、前記入射瞳より大きい事前拡張瞳を画定し、前記最終外部結合光ビームレットのセットは、前記事前拡張瞳より大きい射出瞳を画定する、請求項６７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項６９】
前記事前拡張瞳は、前記入射瞳より少なくとも１０倍大きく、前記射出瞳は、前記事前拡張瞳より少なくとも１０倍大きい、請求項６８に記載の仮想画像生成システム。
【請求項７０】
前記初期外部結合光ビームレットのセットは、２次元の光ビームレットアレイとして、前記平面光学導波管の中に光学的に結合され、前記最終外部結合光ビームレットのセットは、２次元の光ビームレットアレイとして、前記平面光学導波管の面から出射する、請求項６７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項７１】
前記初期外部結合光ビームレットのセットは、１次元の光ビームレットアレイとして、前記平面光学導波管の中に光学的に結合され、前記最終外部結合されるセットの光ビームレットのセットは、２次元の光ビームレットアレイとして、前記平面光学導波管の面から出射する、請求項６７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項７２】
前記１つ以上の回折要素は、前記内部結合光ビームレットのセットを直交光ビームレットのセットにさらに分割するために前記平面光学導波管と関連付けられる直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素と、前記直交光ビームレットのセットを前記最終外部結合光ビームレットのセットに分割するために前記平面光学導波管と関連付けられる射出瞳拡張（ＥＰＥ）要素とを備える、請求項６７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項７３】
前記ＰＰＥ要素は、
小型平面光学導波管と、
前記コリメート光ビームを初期直交光ビームレットのセットに分割するために前記小型平面光学導波管と関連付けられる小型ＯＰＥ要素と、
前記初期直交光ビームレットのセットを前記小型平面光学導波管の面から出射する初期外部結合光ビームレットのセットに分割するために前記小型平面光学導波管と関連付けられる小型ＥＰＥ要素と
を備える、請求項７２に記載の仮想画像生成システム。
【請求項７４】
前記ＰＰＥ要素はさらに、前記コリメート光ビームを前記平面光学導波管の中に光学的に結合するように構成される小型ＩＣ要素を備える、請求項７３に記載の仮想画像生成システム。
【請求項７５】
前記ＰＰＥ要素は、
前記コリメート光ビームを発散する光ビームレットの初期セットに分割するように構成される回折ビームスプリッタと、
前記発散する光ビームレットの初期セットを前記初期外部結合光ビームレットのセットに再コリメートするように構成されるレンズと
を備える、請求項６７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項７６】
前記回折ビームスプリッタは、１×Ｎビームスプリッタである、請求項７５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項７７】
前記回折ビームスプリッタは、Ｍ×Ｎビームスプリッタである、請求項７５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項７８】
前記レンズは、回折レンズである、請求項７５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項７９】
前記ＰＰＥ要素は、前記コリメート光ビームを前記内部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される、プリズムを備える、請求項６７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項８０】
前記プリズムは、中実プリズムである、請求項７９に記載の仮想画像生成システム。
【請求項８１】
前記プリズムは、空洞プリズムである、請求項７９に記載の仮想画像生成システム。
【請求項８２】
前記プリズムは、前記コリメート光ビームを前記内部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される半反射性プリズム平面を備える、請求項７９に記載の仮想画像生成システム。
【請求項８３】
前記プリズムは、前記コリメート光ビームを前記内部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される複数の平行プリズム平面を備え、前記２つの平行プリズム平面は、前記半反射性プリズム平面を備える、請求項８２に記載の仮想画像生成システム。
【請求項８４】
前記複数の平行プリズム平面は、完全反射性プリズム平面を備え、前記コリメート光ビームの一部は、前記少なくとも１つの半反射性プリズムによって第１の方向に反射され、前記コリメート光ビームの一部は、前記第１の方向における反射のために、前記完全反射性プリズム平面に透過される、請求項８３に記載の仮想画像生成システム。
【請求項８５】
前記プリズムは、前記コリメート光ビームを第１の方向に反射される初期直交光ビームレットのセットに分割するように構成される第１の平行プリズム平面のセットと、前記初期直交光ビームレットを前記第１の方向と異なる第２の方向に反射される内部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される第２の平行プリズム平面のセットとを備える、請求項７９に記載の仮想画像生成システム。
【請求項８６】
前記第１および第２の方向は、相互に直交する、請求項８５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項８７】
前記ＰＰＥ要素は、
前記コリメート光ビームを前記第１の平面光学導波管アセンブリの面から出射する２次元の外部結合光ビームレットのアレイに分割するように構成される第１の平面光学導波管アセンブリであって、前記２次元の外部結合光ビームレットアレイは、ビームレット間間隔を有する、第１の平面光学導波管アセンブリと、
前記２次元の外部結合光ビームレットアレイを前記第２の平面光学導波管アセンブリの面から前記内部結合光ビームレットのセットとして出射する複数の２次元の外部結合光ビームレットのアレイに分割するように構成される第２の平面光学導波管アセンブリであって、前記複数の２次元の外部結合光ビームレットアレイは、前記２次元の外部結合光ビームレットアレイのビームレット間間隔と異なるアレイ間間隔によって相互から空間的にオフセットされる、第２の平面光学導波管アセンブリと
を備える、請求項６７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項８８】
前記２次元の光ビームレットアレイは、Ｎ×Ｎ光ビームレットアレイである、請求項８７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項８９】
前記複数の２次元の外部結合光ビームレットアレイのアレイ間間隔および前記２次元の外部結合光ビームレットアレイのビームレット間間隔は、相互の非倍数である、請求項８７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項９０】
前記複数の２次元の外部結合光ビームレットアレイのアレイ間間隔は、前記２次元の外部結合光ビームレットアレイのビームレット間間隔を上回る、請求項８７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項９１】
前記第１および第２の平面光学導波管アセンブリはそれぞれ、等しくない厚さを有する、請求項８７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項９２】
前記第１の平面光学導波管アセンブリは、
対向する第１および第２の面を有する第１の平面光学導波管と、
第１の内部結合（ＩＣ）要素であって、前記第１の内部結合（ＩＣ）要素は、伝搬のために、前記コリメート光ビームを、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、第１の光学経路に沿って、前記第１の平面光学導波管内で光学的に結合するように構成される、第１の内部結合（ＩＣ）要素と、
第１の射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）要素であって、前記第１の射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）要素は、前記コリメート光ビームを前記第１の平面光学導波管の第２の面から出射する１次元の光ビームレットアレイに分割するために前記第１の平面光学導波管と関連付けられる、第１の射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）要素と、
対向する第１および第２の面を有する第２の平面光学導波管と、
第２のＩＣ要素であって、前記第２のＩＣ要素は、伝搬のために、前記１次元の光ビームレットアレイを、ＴＩＲを介して、前記第１の光学経路と垂直な個別の第２の光学経路に沿って、前記第２の平面光学導波管内で光学的に結合するように構成される、第２のＩＣ要素と、
第２の射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）要素であって、前記第２の射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）要素は、前記１次元の光ビームレットアレイを前記第２の平面光学導波管の第２の面から出射する２次元の光ビームレットアレイに分割するために前記第２の平面光学導波管と関連付けられる、第２の射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）要素と
を備える、請求項８７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項９３】
前記第２の平面光学導波管の第１の面は、前記第１の平面光学導波管の第２の面に添着される、請求項９２に記載の仮想画像生成システム。
【請求項９４】
前記第１および第２の平面光学導波管はそれぞれ、実質的に等しい厚さを有する、請求項９２に記載の仮想画像生成システム。
【請求項９５】
前記第２の平面光学導波管アセンブリは、
対向する第１および第２の面を有する第３の平面光学導波管と、
第３のＩＣ要素であって、前記第３のＩＣ要素は、伝搬のために、前記第１の２次元の光ビームレットアレイを、ＴＩＲを介して、個別の第３の光学経路に沿って、前記第３の平面光学導波管内で光学的に結合するように構成される、第３のＩＣ要素と、
第３のＥＰＥ要素であって、前記第３のＥＰＥ要素は、前記２次元の光ビームレットアレイを前記第３の平面光学導波管の第２の面から出射する複数の２次元の光ビームレットアレイに分割するために前記第３の平面光学導波管と関連付けられる、第３のＥＰＥ要素と、
対向する第１および第２の面を有する第４の平面光学導波管と、
第４のＩＣ要素であって、前記第４のＩＣ要素は、伝搬のために、前記複数の２次元の光ビームレットアレイを、ＴＩＲを介して、前記第３の光学経路と垂直な個別の第４の光学経路に沿って、前記第４の平面光学導波管内で光学的に結合するように構成される、第４のＩＣ要素と、
第４のＥＰＥ要素であって、前記第４のＥＰＥ要素は、前記複数の２次元の光ビームレットアレイを前記第４の平面光学導波管の第２の面から光ビームレットの入力セットとして出射する複数の２次元の光ビームレットアレイに分割するために前記第４の平面光学導波管と関連付けられる、第４のＥＰＥ要素と
を備える、請求項９２に記載の仮想画像生成システム。
【請求項９６】
前記第４の平面光学導波管の第１の面は、前記第３の平面光学導波管の第２の面に添着される、請求項９５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項９７】
前記第３の平面光学導波管の第１の面は、前記第２の平面光学導波管の第２の面に添着される、請求項９６に記載の仮想画像生成システム。
【請求項９８】
前記第１および第２の平面光学導波管はそれぞれ、実質的に等しい厚さを有し、前記第３および第４の平面光学導波管はそれぞれ、実質的に等しい厚さを有する、請求項９５に記載の仮想画像生成システム。
【請求項９９】
前記第１および第２の平面光学導波管の実質的に等しい厚さは、前記第３および第４の平面光学導波管の実質的に等しい厚さと異なる、請求項９７に記載の仮想画像生成システム。
【請求項１００】
前記第３および第４の平面光学導波管の実質的に等しい厚さは、前記第１および第２の平面光学導波管の実質的に等しい厚さを上回る、請求項９９に記載の仮想画像生成システム。
【請求項１０１】
複合現実システムであって、
仮想光ビームを生成するように構成される光源と、
入射部分、出射部分、第１の光誘導光学サブ要素、および第２の光誘導光学サブ要素を有する光誘導光学要素と
を備え、
前記第１の光誘導光学サブ要素は、第１の厚さを有し、
前記第２の光誘導光学サブ要素は、前記第１の厚さと異なる第２の厚さを有する、
複合現実システム。
【請求項１０２】
前記光源および前記光誘導光学要素は、前記仮想光ビームが、
（ａ）前記入射部分を通して、前記光誘導光学要素に入射し、
（ｂ）実質的全内部反射によって、前記光誘導光学要素を通して伝搬し、
（ｃ）複数の仮想光ビームレットに分割する
ように構成され、前記複数の仮想光ビームレットのうちの少なくとも一部は、前記出射部分を通して、前記光誘導光学要素から出射する、請求項１０１に記載のシステム。
【請求項１０３】
前記光誘導光学要素は、実世界光ビームに対して透過性である、請求項１０１に記載のシステム。
【請求項１０４】
前記第１および第２の厚さの第１の比率または前記第２および第１の厚さの第２の比率のいずれも、整数ではない、請求項１０１に記載のシステム。
【請求項１０５】
前記入射部分は、前記第１の光誘導光学サブ要素上の内部結合格子を備え、
前記出射部分は、前記第１の光誘導光学サブ要素上の射出瞳エクスパンダを備え、
前記第２の光誘導光学サブ要素は、前記第１の光誘導光学サブ要素上の射出瞳エクスパンダに覆設されない、
請求項１０１に記載のシステム。
【請求項１０６】
前記第２の光誘導光学サブ要素の第２の厚さは、所定の波長を有する光の実質的全内部反射を促進する、請求項１０１に記載のシステム。
【請求項１０７】
前記所定の波長は、５１５ｎｍ〜５４０ｎｍである、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１０８】
前記所定の波長は、５２０ｎｍまたは５３２ｎｍである、請求項１０７に記載のシステム。
【請求項１０９】
前記所定の波長は、４７５ｎｍまたは６５０ｎｍである、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１１０】
前記第２の光誘導光学サブ要素の第２の厚さは、前記システムの光学軸と略平行な光ビームの実質的全内部反射を前記光学軸に対して斜めの光ビームを上回る程度に促進する、請求項１０１に記載のシステム。
【請求項１１１】
前記第２の光誘導光学サブ要素は、前記第１の光誘導光学サブ要素の実質的に全てに覆設される、請求項１０１に記載のシステム。
【請求項１１２】
前記第２の厚さは、前記仮想光ビームの波長の整数倍数と実質的に等しい、請求項１１１に記載のシステム。
【請求項１１３】
前記第２の厚さは、４７５ｎｍ、５２０ｎｍ、または６５０ｎｍの整数倍数である、請求項１１１に記載のシステム。
【請求項１１４】
前記第１および第２の光誘導光学サブ要素はそれぞれ、前記光誘導光学要素が略平坦シートのスタックを備えるように、個別の略平坦シートを備える、請求項１０１に記載のシステム。
【請求項１１５】
前記光誘導光学要素はまた、前記第１および第２の光誘導光学サブ要素間に屈折率間隙を有する、請求項１１４に記載のシステム。
【請求項１１６】
前記屈折率間隙は、空気層である、請求項１１５に記載のシステム。
【請求項１１７】
前記第２の光誘導光学サブ要素は、光を実質的に同一方向に反射させる２つの反射性表面を備える、請求項１０１に記載のシステム。
【請求項１１８】
前記第２の光誘導光学サブ要素は、光を実質的に反対方向に反射させる２つの反射性表面を備える、請求項１０１に記載のシステム。
【請求項１１９】
第３の光誘導光学サブ要素をさらに備える、請求項１０１に記載のシステム。
【請求項１２０】
複合現実システムであって、
仮想光ビームを生成するように構成される光源と、
入射部分、出射部分、第１の光誘導光学サブ要素、および第２の光誘導光学サブ要素を有する光誘導光学要素と
を備え、
前記第１の光誘導光学サブ要素は、第１の回折率を有し、
前記第２の光誘導光学サブ要素は、前記第１の回折率と異なる第２の回折率を有する、
複合現実システム。
【請求項１２１】
前記光源および前記光誘導光学要素は、前記仮想光ビームが、
（ａ）前記入射部分を通して、前記光誘導光学要素に入射し、
（ｂ）実質的全内部反射によって、前記光誘導光学要素を通して伝搬し、
（ｃ）複数の仮想光ビームレットに分割する
ように構成され、前記複数の仮想光ビームレットのうちの少なくとも一部は、前記出射部分を通して、前記光誘導光学要素から出射する、請求項１２０に記載のシステム。
【請求項１２２】
前記光誘導光学要素は、実世界光ビームに対して透過性である、請求項１２０に記載のシステム。
【請求項１２３】
前記第１および第２の回折率の第１の比率または前記第２および第１の回折率の第２の比率のいずれも、整数ではない、請求項１２０に記載のシステム。
【請求項１２４】
前記入射部分は、前記第１の光誘導光学サブ要素上の内部結合格子を備え、
前記出射部分は、前記第１の光誘導光学サブ要素上の射出瞳エクスパンダを備え、
前記第２の光誘導光学サブ要素は、前記第１の光誘導光学サブ要素上の射出瞳エクスパンダに覆設されない、
請求項１２０に記載のシステム。
【請求項１２５】
前記第２の光誘導光学サブ要素の第２の回折率は、所定の波長を有する光の実質的全内部反射を促進する、請求項１２０に記載のシステム。
【請求項１２６】
前記所定の波長は、５１５ｎｍ〜５４０ｎｍである、請求項１２５に記載のシステム。
【請求項１２７】
前記所定の波長は、５２０ｎｍまたは５３２ｎｍである、請求項１２６に記載のシステム。
【請求項１２８】
前記所定の波長は、４７５ｎｍまたは６５０ｎｍである、請求項１２５に記載のシステム。
【請求項１２９】
前記第２の光誘導光学サブ要素の第２の回折率は、前記システムの光学軸と略平行な光ビームの実質的全内部反射を前記光学軸に対して斜めの光ビームを上回る程度に促進する、請求項１２０に記載のシステム。
【請求項１３０】
前記第２の光誘導光学サブ要素は、前記第１の光誘導光学サブ要素の実質的に全てに覆設される、請求項１２０に記載のシステム。
【請求項１３１】
前記第１および第２の光誘導光学サブ要素はそれぞれ、前記光誘導光学要素が略平坦シートのスタックを備えるように、個別の略平坦シートを備える、請求項１２０に記載のシステム。
【請求項１３２】
前記光誘導光学要素はまた、前記第１および第２の光誘導光学サブ要素間に屈折率間隙を有する、請求項１３１に記載のシステム。
【請求項１３３】
前記屈折率間隙は、空気層である、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１３４】
前記第２の光誘導光学サブ要素は、光を実質的に同一方向に反射させる２つの反射性表面を備える、請求項１２０に記載のシステム。
【請求項１３５】
前記第２の光誘導光学サブ要素は、光を実質的に反対方向に反射させる２つの反射性表面を備える、請求項１２０に記載のシステム。
【請求項１３６】
第３の光誘導光学サブ要素をさらに備える、請求項１２０に記載のシステム。
【請求項１３７】
複合現実システムであって、
仮想光ビームを生成するように構成される光源と、
入射部分、直交瞳エクスパンダ、および複数の射出瞳エクスパンダを有する光誘導光学要素と、
を備え、
前記光源および前記光誘導光学要素は、前記仮想光ビームが、
（ａ）前記入射部分を通して、前記光誘導光学要素に入射し、
（ｂ）実質的全内部反射によって、前記光誘導光学要素を通して伝搬し、
（ｃ）前記直交瞳エクスパンダと相互作用することによって、複数の第１の仮想光ビームレットに分割し、前記複数の第１の仮想光ビームレットは、前記複数の射出瞳エクスパンダの個別のものに入射し、
（ｄ）前記複数の射出瞳エクスパンダと相互作用することによって、複数の第２の仮想光ビームレットに分割する
ように構成され、前記複数の第２の仮想光ビームレットのうちの少なくとも一部は、前記射出瞳エクスパンダを通して、前記光誘導光学要素から出射する、複合現実システム。
【請求項１３８】
前記光誘導光学要素は、実世界光ビームに対して透過性である、請求項１３７に記載のシステム。
【請求項１３９】
前記複数の射出瞳エクスパンダはそれぞれ、前記複数の射出瞳エクスパンダが略平坦シートのスタックを備えるように、略平坦シートを備える、請求項１３７に記載のシステム。
【請求項１４０】
前記直交瞳エクスパンダは、所定の波長を有する光の実質的全内部反射を促進する、請求項１３７に記載のシステム。
【請求項１４１】
前記所定の波長は、５１５ｎｍ〜５４０ｎｍである、請求項１４０に記載のシステム。
【請求項１４２】
前記所定の波長は、５２０ｎｍまたは５３２ｎｍである、請求項１４１に記載のシステム。
【請求項１４３】
前記所定の波長は、４７５ｎｍまたは６５０ｎｍである、請求項１４０に記載のシステム。
【請求項１４４】
前記複数の射出瞳エクスパンダへの光を選択的に遮断する複数の光遮断器をさらに備える、請求項１４３に記載のシステム。
【請求項１４５】
前記複数の光遮断器は、ＬＣシャッタまたはＰＤＬＣ外部結合格子を備える、請求項１４４に記載のシステム。
【請求項１４６】
前記複数の光遮断器のうちの少なくとも１つは、前記直交瞳エクスパンダの縁に隣接して配置される、請求項１４４に記載のシステム。
【請求項１４７】
前記複数の光遮断器のうちの少なくとも１つは、前記直交瞳エクスパンダの中心部分に隣接して配置される、請求項１４４に記載のシステム。
【請求項１４８】
複合現実システムであって、
仮想光ビームを生成するように構成される光源と、
入射部分、直交瞳エクスパンダ、および出射部分を有する光誘導光学要素と
を備え、
前記光源および前記光誘導光学要素は、前記仮想光ビームが、
（ａ）前記入射部分を通して、前記光誘導光学要素に入射し、
（ｂ）実質的全内部反射によって、前記光誘導光学要素を通して伝搬し、
（ｃ）前記直交瞳エクスパンダと相互作用することによって、複数の仮想光ビームレットに分割する
ように構成され、前記複数の仮想光ビームレットのうちの少なくとも一部は、前記出射部分を通して、前記光誘導光学要素から出射する、複合現実システム。
【請求項１４９】
前記直交瞳エクスパンダは、第１の直交瞳サブエクスパンダと、第２の直交瞳サブエクスパンダとを備え、
前記第１および第２の直交瞳サブエクスパンダはそれぞれ、前記個別の第１および第２の直交瞳サブエクスパンダに入射する光ビームを分割する、
請求項１４８に記載のシステム。
【請求項１５０】
前記第１および第２の直交瞳サブエクスパンダはそれぞれ、個別の平坦シートであり、かつ
前記第１および第２の直交瞳サブエクスパンダは、相互の上部にスタックされる、
請求項１４９に記載のシステム。
【請求項１５１】
前記第１の直交瞳サブエクスパンダは、ビームレットを前記第２の直交瞳サブエクスパンダの中に指向するための第１の出射縁を備える、請求項１５０に記載のシステム。
【請求項１５２】
前記第１の出射縁は、ミラーを備える、請求項１５１に記載のシステム。
【請求項１５３】
前記第１の直交瞳サブエクスパンダは、ビームレットを前記第２の直交瞳サブエクスパンダの中に指向するための第２の出射縁を備える、請求項１５１に記載のシステム。
【請求項１５４】
前記第１および第２の出射縁はそれぞれ、個別のミラーを備える、請求項１５３に記載のシステム。
【請求項１５５】
前記直交瞳エクスパンダは、第１および第２の反射性縁を備える、請求項１４８に記載のシステム。
【請求項１５６】
前記第１および第２の反射性縁は、相互に直交する、請求項１５５に記載のシステム。
【請求項１５７】
前記直交瞳エクスパンダはさらに、第３の反射性縁を備える、請求項１５５に記載のシステム。
【請求項１５８】
前記直交瞳エクスパンダは、内部結合格子と、前記内部結合格子の反対に配置される高回折領域とを備える、請求項１４８に記載のシステム。
【請求項１５９】
前記直交瞳エクスパンダは、第１の波長範囲内の光を吸収するように構成される第１の光修正器を備える、請求項１４８に記載のシステム。
【請求項１６０】
前記直交瞳エクスパンダはさらに、第２の波長範囲内の光を吸収するように構成される第２の光修正器を備える、請求項１５９に記載のシステム。
【請求項１６１】
前記第１および第２の光修正器は、相互に直交する、請求項１６０に記載のシステム。
【請求項１６２】
前記直交瞳エクスパンダはさらに、第３の波長範囲内の光を吸収するように構成される、第３の光修正器を備える、請求項１６０に記載のシステム。
【請求項１６３】
前記直交瞳エクスパンダは、「Ｖ」形状を形成する回折光学要素を備える、請求項１４８に記載のシステム。
【請求項１６４】
前記直交瞳エクスパンダは、複数のＰＤＬＣスイッチを備える、請求項１４８に記載のシステム。
【請求項１６５】
複合現実システムであって、
仮想光ビームを生成するように構成される光源と、
入射部分、出射部分、第１の光誘導光学サブ要素、および第２の光誘導光学サブ要素を有する光誘導光学要素と
を備え、
前記第１の光誘導光学サブ要素は、第１の光修正特性を有し、
前記第２の光誘導光学サブ要素は、前記第１の光修正特性と異なる第２の光修正特性を有する、
複合現実システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、仮想現実、拡張現実、および複合現実結像ならびに可視化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、いわゆる「仮想現実」（ＶＲ）または「拡張現実」（ＡＲ）体験のための「複合現実」（ＭＲ）システムの開発を促進しており、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、もしくはそのように知覚され得る様式でユーザに提示される。ＶＲシナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。拡張現実（ＡＲ）シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実世界の可視化（すなわち、実世界視覚的入力に対する透過性）に対する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、実世界視覚的入力に対する透過性を伴う、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。
【０００３】
ＭＲシステムは、典型的には、カラーデータを生成および表示し、これは、ＭＲシナリオの現実性を増加させる。これらのＭＲシステムの多くは、カラー画像に対応する異なる（例えば、一次）色または「フィールド」（例えば、赤色、緑色、および青色）内のサブ画像を高速で連続して順次投影させることによって、カラーデータを表示する。カラーサブ画像を十分に高レート（例えば、６０Ｈｚ、１２０Ｈｚ等）で投影させることは、平滑なカラーＭＲシナリオをユーザの記憶にもたらし得る。
【０００４】
例えば、図１を参照すると、拡張現実場面４が、描写されており、ＡＲ／ＭＲ技術のユーザには、人々、木々、背景における建物、およびコンクリートプラットフォーム８を特徴とする、実世界公園状設定６が見える。これらのアイテムに加え、ＡＲ／ＭＲ技術のエンドユーザはまた、実世界プラットフォーム８上に立っているロボット画像１０と、マルハナバチの擬人化のように見える、飛んでいる漫画のようなアバタキャラクタ１２とを「見ている」と知覚するが、これらの要素１０、１２は、実世界には存在しない。結論からいうと、ヒトの視知覚系は、非常に複雑であって、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、ＶＲ、ＡＲ、および／またはＭＲ技術の生産は、困難である。
【０００５】
いくつかのＶＲ、ＡＲ、および／またはＭＲシステムは、エンドユーザの頭部に少なくとも緩く装着され、したがって、ユーザの頭部が移動すると移動する、頭部装着型ディスプレイ（またはヘルメット搭載型ディスプレイもしくはスマートグラス）を採用する。エンドユーザの頭部の運動が、ディスプレイサブシステムによって検出される場合、表示されているデータは、頭部の姿勢（すなわち、ユーザの頭部の配向および／または場所）の変化を考慮するように更新されることができる。ＡＲ／ＭＲ（すなわち、実および仮想オブジェクト）の同時視認）を可能にする頭部装着型ディスプレイは、いくつかの異なるタイプの構成を有することができる。多くの場合、「ビデオシースルー」ディスプレイと称される、１つのそのような構成では、カメラが、実際の場面の要素を捕捉し、コンピューティングシステムが、仮想要素を捕捉された実場面上に重畳し、不透明ディスプレイが、複合画像を眼に提示する。別の構成は、多くの場合、「光学シースルー」ディスプレイと称され、エンドユーザは、ディスプレイサブシステム内の透明（または半透明）要素を通して見て、環境内の実オブジェクトからの光を直接視認することができる。多くの場合、「結合器」と称される、透明要素は、実世界のエンドユーザの視点にわたってディスプレイからの光を重畳する。
【０００６】
いくつかの頭部装着型ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、エンドユーザの視野内のディスプレイ画面と、画像をディスプレイ画面上に投影する、画像投影アセンブリとを採用する。一実施例として、画像投影アセンブリは、光ファイバ走査ベースの画像投影アセンブリの形態をとってもよく、ディスプレイ画面は、光学導波管ベースのディスプレイの形態をとってもよく、その中に、画像投影アセンブリからの走査およびコリメート光ビームが、内部結合（ＩＣ）要素を介して投入され、光学導波管ベースのディスプレイの表面からユーザの眼に向かって出射し、それによって、例えば、無限遠（例えば、腕の長さ）より近い単一光学視認距離における画像、複数の離散光学視認距離または焦点面における画像、および／または複数の視認距離または焦点面にスタックされた画像層を生産し、立体３Ｄオブジェクトを表す。
【０００７】
頭部装着型ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムでは、固定瞳距離（すなわち、ディスプレイ画面の最終表面およびユーザの片眼または両眼からの距離）を前提として、器具をユーザの片眼（単眼配列の場合）または両眼（双眼配列の場合）に適切に結合するために、ユーザの眼の入射瞳（すなわち、角膜を通して見られるような解剖学的瞳孔の像）がディスプレイ画面の射出瞳（すなわち、ユーザの眼に利用可能な光の円錐の幅）と整合され、それと類似サイズであることが重要である。ユーザの眼の入射瞳より小さいディスプレイ画面の射出瞳は、多くの場合、ビネットまたは口径食画像をもたらすであろう一方、ユーザの眼の入射瞳より大きいディスプレイ画面の射出瞳は、一部の光を無駄にするが、画像のビネットまたは口径食を伴わずに、眼の移動を可能にする。
【０００８】
頭部装着型ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの装着性および快適性を増加させるために、可能な限り、画像源およびある場合には画像投影アセンブリを小型化することが望ましい。そのような画像投影アセンブリは、介入を伴わずに、眼とディスプレイ画面との間の合理的瞳距離を仮定して、一部の眼の入射瞳よりはるかに小さい射出瞳をもたらすであろう。したがって、光学系が、ディスプレイサブシステムの中に組み込まれ、ディスプレイ画面の射出瞳を効果的に拡張させ、ユーザの眼の入射瞳に合致させる。すなわち、ディスプレイ画面の射出瞳は、ユーザの眼の入射瞳（例えば、５〜７ｍｍ）より若干大きい（例えば、１０ｍｍ）「アイボックス」を作成し、そのアイボックス内の眼の移動がディスプレイ画面によって提示される画像の完全ビューを維持することを可能にするはずである。
【０００９】
ディスプレイ画面の射出瞳とユーザの眼の入射瞳を合致させることに加え、角度分解能を最大限にし、被写界深度を最小限にし、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステム内のディスプレイ画面の波面密度の密度を最大限にすることが望ましい。角度分解能を最大限にすることは、より鮮明かつより生き生きとした仮想画像をもたらし、波面密度を最大限にすることは、画像アーチファクトを緩和し（「網戸」効果（グリッド状パターンおよび非均一性）等）、フィールドの深度を最小限にすることは、その上にユーザが現在合焦している仮想コンテンツにユーザがより容易に遠近調節することを可能にする。すなわち、被写界深度が小さいほど、眼が仮想コンテンツに遠近調節することがより容易であって、より自然な視覚的実世界体験を提供する一方、被写界深度が大きいほど、眼が仮想コンテンツに遠近調節することをより困難にし、あまり自然ではなく、おそらく、吐き気をもたらす視覚的体験をもたらす。
【００１０】
したがって、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの装着性を減少させずに、ユーザの眼の入射瞳に合致する、高度に飽和した光ビームレットアレイ射出瞳を生産することが可能である、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムのディスプレイ画面を提供する必要性が残っている。
【００１１】
脳の視覚中枢は、貴重な知覚情報を相互に対する両眼およびその構成要素の運動から得る。相互に対する２つの眼の輻輳・開散運動（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）移動（すなわち、眼の視線をオブジェクト上に収束させ、それを固視するための相互に向かってまたはそこから離れる瞳孔の回転移動）は、眼の水晶体の合焦（または「遠近調節（ａｃｃｍｍｏｄａｔｉｏｎ）」）と緊密に関連付けられる。通常条件下、眼の水晶体の焦点を変化させ、または眼を遠近調節し、異なる距離におけるオブジェクト上に合焦させることは、「遠近調節−輻輳・開散運動反射」として知られる関係下、同一距離への輻輳・開散運動の整合変化を自動的に生じさせるであろう。同様に、輻輳・開散運動の変化は、通常条件下、遠近調節の整合変化を誘起するであろう。本反射に逆らう作用は、大部分の従来の立体視ＶＲ／ＡＲ／ＭＲ構成におけるように、眼精疲労、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。
【００１２】
立体視ウェアラブル眼鏡は、概して、３次元視点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、左右の眼のための２つのディスプレイを特徴とする。そのような構成は、輻輳・開散運動と遠近調節との間の不整合（「輻輳・開散運動−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おり、これは、３次元における画像を知覚するために克服されなければならない。実際、一部のＶＲ／ＡＲ／ＭＲユーザは、立体視構成に耐えることが不可能である。故に、大部分の従来のＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、部分的に、従来のシステムが、輻輳・開散運動−遠近調節衝突を含む、ヒト知覚系の基本側面のうちのいくつかに対処することができないため、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３次元体験／シナリオを提示するために最適に好適ではない。
【００１３】
これらの問題（輻輳・開散運動−遠近調節衝突を含む）に対処するための１つの可能性として考えられるアプローチは、画像を複数の深度平面に投影することである。本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、光が複数の深度平面から生じるように現れるように、複数の光誘導光学要素を使用して、光をユーザの眼に指向する。光誘導光学要素は、デジタルまたは仮想オブジェクトに対応する仮想光を内部結合し、それを全内部反射（「ＴＩＲ」）によって伝搬し、次いで、仮想光を外部結合し、デジタルまたは仮想オブジェクトをユーザの眼に表示するように設計される。ＡＲ／ＭＲシステムでは、光誘導光学要素はまた、実際の実世界オブジェクトからの（例えば、そこから反射する）光に対して透過性であるように設計される。したがって、光誘導光学要素の一部は、ＴＩＲを介した伝搬のために仮想光を反射させながら、実世界オブジェクトからの実世界光に対して透過性であるように設計される。
【００１４】
種々の光学システムは、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシナリオを表示するために、画像を種々の深度に生成する。いくつかのそのような光学システムは、米国実用特許出願第１４／５５５，５８５号（その内容は、参照することによって前述に組み込まれている）に説明される。いくつかのＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、ユーザの頭部に少なくとも緩く結合され、したがって、ユーザの頭部が移動すると移動する、ウェアラブルディスプレイデバイス（例えば、頭部装着型ディスプレイ、ヘルメット搭載型ディスプレイ、またはスマートグラス）を採用する。
【００１５】
ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムにおけるもの等のいくつかの３次元（「３−Ｄ」）光学システムは、仮想オブジェクトを光学的にレンダリングする。オブジェクトは、それらが３−Ｄ空間内の個別の位置に位置する実際の物理的オブジェクトではないという点で「仮想」である。代わりに、仮想オブジェクトは、聴衆の眼に指向される光ビームによって刺激されるとき、視認者および／または聴取者の脳（例えば、視覚中枢）内にのみ存在する。
【００１６】
ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムはまた、仮想デジタルコンテンツをユーザに対して種々の知覚された位置および距離で表示することが可能でなければならない。ＶＲ／ＡＲ／ＭＲ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、ユーザの瞳距離（輻輳・開散運動−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、多数の他の課題を提示する。
【００１７】
さらに、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、真実味のある没入型の享受可能ＶＲ／ＡＲ／ＭＲ体験／シナリオのために要求される写実的画像を生成するために、仮想デジタルコンテンツを鮮明に合焦した状態で表示することが可能でなければならない。眼の水晶体は、画像またはその一部をより良好に合焦させるために、形状を変化させなければならない（すなわち、遠近調節する）。
【００１８】
頭部装着型ディスプレイのサイズ制限もまた、画像分解能限界をもたらす。米国実用特許出願第１４／５５５，５８５号（その内容は、参照することによって前述に組み込まれている）に説明されるもの等の頭部装着型ＶＲ／ＡＲ／ＭＲディスプレイシステムは、光ビーム角度を保存する、光誘導光学要素を通して、ＴＩＲによって透過される光ビームを用いて、画像をユーザに表示する。光ビーム径は、光誘導光学要素を通して、本質的に同一のままである。頭部装着型ディスプレイのサイズ限界は、種々の光学コンポーネント（例えば、光源、光誘導光学要素、レンズ等）のサイズを限定し、これは、頭部装着型ディスプレイによって生成された光ビームの直径を限定する。これらの光ビーム径限界は、上記に説明される分解能およびＦＯＶ限界をもたらす。
【００１９】
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】
【００２０】
本開示の第１の側面によると、仮想画像生成システムは、対向する第１および第２の面を有する、平面光学導波管（単一の一体型基板であってもよい）と、画像投影アセンブリからコリメート光ビームを平面光学導波管の中に内部結合光ビームとして光学的に結合するように構成される、内部結合（ＩＣ）要素とを備える。画像投影アセンブリは、コリメート光ビームを走査するように構成される、走査デバイスを備えてもよい。
【００２１】
仮想画像生成システムはさらに、内部結合光ビームを第１の直交光ビームレットのセットに分割するために平面光学導波管の第１の面と関連付けられた第１の直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素と、内部結合光ビームを第２の直交光ビームレットのセットに分割するために平面光学導波管の第２の面と関連付けられた第２の直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素とを備える。いくつかの実施形態では、第１のＯＰＥ要素は、平面光学導波管の第１の面上に配置され、第２のＯＰＥ要素は、平面光学導波管の第２の面上に配置される。ＩＣ要素は、内部結合光ビームの一部が、ＴＩＲを介して、第２の平行光学経路に沿って、平面光学導波管内を伝搬する、個別の第１の直交光ビームレットのセットおよび第２の直交光ビームレットのセットとして偏向されるように、画像投影アセンブリからコリメート光ビームを、伝搬のために、内部結合光ビームとして、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、第１のＯＰＥ要素および第２のＯＰＥ要素と交互に交差する、第１の光学経路に沿って、平面光学導波管内で光学的に結合するように構成されてもよい。この場合、第２の平行光学経路は、第１の光学経路に直交してもよい。
【００２２】
仮想画像生成システムはさらに、第１および第２の直交光ビームレットのセットを平面光学導波管から出射する外部結合光ビームレットのアレイ（例えば、２次元の外部結合光ビームレットアレイ）に分割するために平面光学導波管と関連付けられる、射出瞳拡張（ＥＰＥ）要素を備える。コリメート光ビームは、入射瞳を画定してもよく、外部結合光ビームレットアレイは、入射瞳より大きい射出瞳を画定してもよく、例えば、入射瞳より少なくとも１０倍大きい、またはさらに、入射瞳より少なくとも１００倍大きい。
【００２３】
いくつかの実施形態では、ＥＰＥ要素は、平面光学導波管の第１および第２の表面のうちの１つ上に配置される。第１の直交光ビームレットのセットおよび第２の直交光ビームレットのセットは、第１の直交光ビームレットのセットおよび第２の直交光ビームレットのセットの一部が、外部結合光ビームレットアレイとして平面光学導波管から外に偏向されるように、ＥＰＥ要素と交差してもよい。いくつかの実施形態では、ＥＰＥ要素は、凸面波面プロファイルを平面光学導波管から出射する外部結合光ビームレットアレイ上に付与するように構成される。この場合、凸面波面プロファイルは、半径の中心を集光点に有し、画像を所与の焦点面に生産してもよい。別の実施形態では、ＩＣ要素、ＯＰＥ要素、およびＥＰＥ要素はそれぞれ、回折性である。
【００２４】
本開示の第２の側面によると、仮想画像生成システムは、第１の厚さを有する一次基板と、第２の厚さを有する少なくとも２つの二次基板とを含む、複数の基板と、それぞれ、基板間に配置される、少なくとも２つの半反射性界面とを備える、平面光学導波管を備える。
【００２５】
いくつかの実施形態では、第２の厚さはそれぞれ、第１の厚さ未満である。例えば、第１の厚さは、第２の厚さのそれぞれの少なくとも２倍であってもよい。別の実施形態では、第２の厚さは、相互に実質的に等しい。代替実施形態では、二次基板のうちの２つ以上のものは、相互に等しくない第２の厚さを有する。この場合、等しくない第２の厚さのうちの少なくとも２つは、相互の非倍数であってもよい。さらに別の実施形態では、第１の厚さは、第２の厚さのうちの少なくとも１つの非倍数であって、第２の厚さのそれぞれの非倍数であってもよい。さらに別の実施形態では、複数の二次基板のうちの少なくとも２つは、相互に実質的に等しくない第２の厚さを有する。
【００２６】
さらに別の実施形態では、半反射性界面はそれぞれ、半反射性コーティングを備え、これは、例えば、それぞれ、物理蒸着（ＰＶＤ）、イオン支援蒸着（ＩＡＤ）、およびイオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）のうちの１つを介して、基板間に配置されてもよい。コーティングはそれぞれ、例えば、金属（Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｒ等）、誘電体（酸化物、フッ化物、および硫化物）、および半導体（Ｓｉ、Ｇｅ）のうちの１つ以上のものから成ってもよい。さらに別の実施形態では、基板の隣接するものは、異なる屈折率を有する材料から成る。
【００２７】
仮想画像生成システムはさらに、伝搬のために画像投影アセンブリからコリメート光ビームを内部結合光ビームとして平面光学導波管内で光学的に結合するように構成される、内部結合（ＩＣ）要素を備える。画像投影アセンブリは、コリメート光ビームを走査するように構成される、走査デバイスを備えてもよい。半反射性界面は、内部結合光ビームを一次基板内を伝搬する複数の一次光ビームレットに分割するように構成される。
【００２８】
仮想画像生成システムはさらに、複数の一次光ビームレットを平面光学導波管の面から出射する外部結合光ビームレットのアレイ（例えば、２次元の外部結合されたビームレットアレイ）にさらに分割するために平面光学導波管と関連付けられる、１つ以上の回折光学要素（ＤＯＥ）を備える。コリメート光ビームは、入射瞳を画定してもよく、外部結合光ビームレットアレイは、入射瞳より大きい射出瞳を画定してもよく、例えば、入射瞳より少なくとも１０倍大きい、またはさらに、入射瞳より少なくとも１００倍大きい。いくつかの実施形態では、一次基板の第１の厚さおよび二次基板の第２の厚さは、外部結合光ビームレットのうちの少なくとも２つの隣接するものの中心間の間隔がコリメート光ビームの幅以下であるように選択される。別の実施形態では、第１の厚さおよび第２の厚さは、外部結合光ビームレットの隣接するものの半分を上回る間隙が縁間に常駐しないように選択される。
【００２９】
いくつかの実施形態では、半反射性界面は、内部結合光ビームを少なくとも２つの内部結合光ビームレットに分割するように構成される。この場合、ＤＯＥは、それぞれ、少なくとも２つの内部結合光ビームレットを少なくとも２つの直交光ビームレットのセットに分割するように構成される、直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素を備え、半反射性界面は、少なくとも２つの直交光ビームレットのセットを少なくとも４つの直交光ビームレットのセットにさらに分割するように構成され、ＤＯＥは、少なくとも４つの直交光ビームレットのセットを外部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される、射出瞳拡張（ＥＰＥ）要素を備える。ＯＰＥ要素およびＥＰＥ要素は、光学平面導波管の面上に配置されてもよい。
【００３０】
少なくとも２つの内部結合光ビームレットは、少なくとも２つの内部結合光ビームレットの一部が、ＴＩＲを介して、第２の平行光学経路に沿って、平面光学導波管内を伝搬する、少なくとも２つの直交光ビームレットのセットとして回折されるように、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、ＯＰＥ要素と交差する第１の光学経路に沿って、平面光学導波管内を伝搬してもよい。第２の平行光学経路は、第１の光学経路に直交してもよい。少なくとも２つの直交光ビームレットのセットは、少なくとも２つの直交光ビームレットのセットの一部が、平面光学導波管の面から外に外部結合される光ビームレットのセットとして回折されるように、ＥＰＥ要素と交差してもよい。いくつかの実施形態では、ＥＰＥ要素は、凸面波面プロファイルを平面光学導波管から出射する外部結合光ビームレットアレイ上に付与するように構成されてもよい。この場合、凸面波面プロファイルは、半径の中心を集光点に有し、画像を所与の焦点面に生産してもよい。
【００３１】
本開示の第３の側面によると、仮想画像生成システムは、第１の厚さを有する一次基板と、それぞれ少なくとも１つの第２の厚さを有する少なくとも１つの二次基板とを含む、複数の基板と、それぞれ、基板間に配置される、少なくとも１つの半反射性界面とを備える、平面光学導波管を備える。
【００３２】
第１の厚さは、少なくとも１つの第２の厚さのそれぞれの少なくとも２倍である。いくつかの実施形態では、第１の厚さは、第２の厚さのそれぞれの非倍数である。別の実施形態では、二次基板は、複数の二次基板を備える。この場合、第２の厚さは、相互に等しくてもよい、または二次基板のうちの２つ以上のものは、相互に等しくない第２の厚さを有してもよい。第１の厚さは、第２の厚さのうちの少なくとも１つの非倍数であってもよい。等しくない第２の厚さのうちの少なくとも２つは、相互の非倍数であってもよい。
【００３３】
いくつかの実施形態では、半反射性界面はそれぞれ、半反射性コーティングを備え、これは、例えば、それぞれ、物理蒸着（ＰＶＤ）、イオン支援蒸着（ＩＡＤ）、およびイオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）のうちの１つを介して、基板間に配置されてもよい。コーティングはそれぞれ、例えば、金属（Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｒ等）、誘電体（酸化物、フッ化物、および硫化物）、および半導体（Ｓｉ、Ｇｅ）のうちの１つ以上のものから成ってもよい。さらに別の実施形態では、基板の隣接するものは、異なる屈折率を有する材料から成る。
【００３４】
仮想画像生成システムはさらに、伝搬のために画像投影アセンブリからコリメート光ビームを内部結合光ビームとして平面光学導波管内で光学的に結合するように構成される、内部結合（ＩＣ）要素を備える。画像投影アセンブリは、コリメート光ビームを走査するように構成される、走査デバイスを備えてもよい。半反射性界面は、内部結合光ビームを一次基板内を伝搬する複数の一次光ビームレットに分割するように構成される。
【００３５】
仮想画像生成システムはさらに、複数の一次光ビームレットを平面光学導波管の面から出射する外部結合光ビームレットのアレイ（例えば、２次元の外部結合されたビームレットアレイ）にさらに分割するために平面光学導波管と関連付けられる、１つ以上の回折光学要素（ＤＯＥ）を備える。コリメート光ビームは、入射瞳を画定してもよく、外部結合光ビームレットアレイは、入射瞳より大きい射出瞳を画定してもよく、例えば、入射瞳より少なくとも１０倍大きい、またはさらに、入射瞳より少なくとも１００倍大きい。いくつかの実施形態では、一次基板の第１の厚さおよび二次基板の第２の厚さは、外部結合光ビームレットのうちの少なくとも２つの隣接するものの中心間の間隔がコリメート光ビームの幅以下であるように選択される。別の実施形態では、第１の厚さおよび第２の厚さは、外部結合光ビームレットの隣接するものの半分を上回る間隙が縁間に常駐しないように選択される。
【００３６】
いくつかの実施形態では、半反射性界面は、内部結合光ビームを少なくとも２つの内部結合光ビームレットに分割するように構成される。この場合、ＤＯＥは、それぞれ、少なくとも２つの内部結合光ビームレットを少なくとも２つの直交光ビームレットのセットに分割するように構成される、直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素を備え、半反射性界面は、少なくとも２つの直交光ビームレットのセットを少なくとも４つの直交光ビームレットのセットにさらに分割するように構成され、ＤＯＥは、少なくとも４つの直交光ビームレットのセットを外部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される、射出瞳拡張（ＥＰＥ）要素を備える。ＯＰＥ要素およびＥＰＥ要素は、光学平面導波管の面上に配置されてもよい。
【００３７】
少なくとも２つの内部結合光ビームレットは、少なくとも２つの内部結合光ビームレットの一部が、ＴＩＲを介して、第２の平行光学経路に沿って、平面光学導波管内を伝搬する、少なくとも２つの直交光ビームレットのセットとして回折されるように、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、ＯＰＥ要素と交差する第１の光学経路に沿って、平面光学導波管内を伝搬してもよい。第２の平行光学経路は、第１の光学経路に直交してもよい。少なくとも２つの直交光ビームレットのセットは、少なくとも２つの直交光ビームレットのセットの一部が、平面光学導波管の面から外に外部結合される光ビームレットのセットとして回折されるように、ＥＰＥ要素と交差してもよい。いくつかの実施形態では、ＥＰＥ要素は、凸面波面プロファイルを平面光学導波管から出射する外部結合光ビームレットアレイ上に付与するように構成されてもよい。この場合、凸面波面プロファイルは、半径の中心を集光点に有し、画像を所与の焦点面に生産してもよい。
【００３８】
本開示の第４の側面によると、仮想画像生成システムは、結像要素からコリメート光ビームを受光し、コリメート光ビームを初期外部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される、前置瞳拡張（ＰＰＥ）要素を備える。仮想画像生成システムはさらに、平面光学導波管と、初期外部結合光ビームレットのセットを平面光学導波管の中に内部結合光ビームレットのセットとして光学的に結合するように構成される、内部結合（ＩＣ）要素と、内部結合光ビームレットのセットを平面光学導波管の面から出射する最終外部結合光ビームレットのセットに分割するために平面光学導波管と関連付けられた１つ以上の回折要素とを備える。回折要素は、内部結合光ビームレットのセットを直交光ビームレットのセットにさらに分割するために平面光学導波管と関連付けられる、直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素と、直交光ビームレットのセットを最終外部結合光ビームレットのセットに分割するために平面光学導波管と関連付けられる、射出瞳拡張（ＥＰＥ）要素とを備えてもよい。
【００３９】
いくつかの実施形態では、コリメート光ビームは、入射瞳を画定し、初期外部結合光ビームレットのセットは、入射瞳より大きい事前拡張瞳を画定し、最終外部結合光ビームレットのセットは、事前拡張瞳より大きい射出瞳を画定する。一実施例では、事前拡張瞳は、入射瞳より少なくとも１０倍大きく、射出瞳は、事前拡張瞳より少なくとも１０倍大きい。いくつかの実施形態では、初期外部結合光ビームレットのセットは、２次元の光ビームレットアレイとして、平面光学導波管の中に光学的に結合され、最終外部結合光ビームレットのセットは、２次元の光ビームレットアレイとして、平面光学導波管の面から出射する。別の実施形態では、初期外部結合光ビームレットのセットは、１次元の光ビームレットアレイとして、平面光学導波管の中に光学的に結合され、最終外部結合される光ビームレットのセットは、２次元の光ビームレットアレイとして、平面光学導波管の面から出射する。
【００４０】
いくつかの実施形態では、ＰＰＥ要素は、小型平面光学導波管と、コリメート光ビームを初期直交光ビームレットのセットに分割するために小型平面光学導波管と関連付けられる、小型ＯＰＥ要素と、初期直交光ビームレットのセットを小型平面光学導波管の面から出射する初期外部結合光ビームレットのセットに分割するために小型平面光学導波管と関連付けられる、小型ＥＰＥ要素とを備える。ＰＰＥはさらに、コリメート光ビームを平面光学導波管の中に光学的に結合するように構成される、小型ＩＣ要素を備えてもよい。
【００４１】
別の実施形態では、ＰＰＥ要素は、コリメート光ビームを発散する光ビームレットの初期セットに分割するように構成される、回折ビームスプリッタ（例えば、１×ＮビームスプリッタまたはＭ×Ｎビームスプリッタ）と、発散する光ビームレットの初期セットを初期外部結合光ビームレットのセットに再コリメートするように構成される、レンズ（例えば、回折レンズ）とを備える。
【００４２】
さらに別の実施形態では、ＰＰＥ要素は、コリメート光ビームを内部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される、プリズム（例えば、中実プリズムまたは空洞プリズム）を備える。プリズムは、コリメート光ビームを内部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される、半反射性プリズム平面を備えてもよい。プリズムは、コリメート光ビームを内部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される、複数の平行プリズム平面を備えてもよい。この場合、平行プリズム平面は、半反射性プリズム平面を備えてもよい。複数の平行プリズム平面は、完全反射性プリズム平面を備えてもよく、その場合、コリメート光ビームの一部は、少なくとも１つの半反射性プリズムによって第１の方向に反射されてもよく、コリメート光ビームの一部は、第１の方向における反射のために、完全反射性プリズム平面に透過されてもよい。プリズムは、コリメート光ビームを第１の方向に反射される初期直交光ビームレットのセットに分割するように構成される、第１の平行プリズム平面のセットと、初期直交光ビームレットを第１の方向と異なる第２の方向に反射される内部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される、第２の平行プリズム平面のセットとを備えてもよい。第１および第２の指向性は、相互に直交してもよい。
【００４３】
さらに別の実施形態では、ＰＰＥ要素は、コリメート光ビームを第１の平面光学導波管アセンブリの面から出射する２次元の外部結合光ビームレットのアレイ（例えば、Ｎ×Ｎ光ビームレットアレイ）に分割するように構成される、第１の平面光学導波管アセンブリと、２次元の外部結合光ビームレットアレイを第２の平面光学導波管アセンブリの面から内部結合光ビームレットのセットとして出射する複数の２次元の外部結合光ビームレットのアレイに分割するように構成される、第２の平面光学導波管アセンブリとを備える。第１および第２の平面光学導波管アセンブリはそれぞれ、等しくない厚さを有してもよい。
【００４４】
２次元の外部結合光ビームレットアレイは、ビームレット間間隔を有し、複数の２次元の外部結合光ビームレットアレイは、２次元の外部結合光ビームレットアレイのビームレット間間隔と異なるアレイ間間隔によって、相互から空間的にオフセットされる。いくつかの実施形態では、複数の２次元の外部結合光ビームレットアレイのアレイ間間隔および２次元の外部結合光ビームレットアレイのビームレット間間隔は、相互の非倍数である。複数の２次元の外部結合光ビームレットアレイのアレイ間間隔は、２次元の外部結合光ビームレットアレイのビームレット間間隔を上回ってもよい。
【００４５】
いくつかの実施形態では、第１の平面光学導波管アセンブリは、対向する第１および第２の面を有する、第１の平面光学導波管と、伝搬のために、コリメート光ビームを、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、第１の光学経路に沿って、第１の平面光学導波管内で光学的に結合するように構成される、第１の内部結合（ＩＣ）要素と、コリメート光ビームを第１の平面光学導波管の第２の面から出射する１次元の光ビームレットアレイに分割するために第１の平面光学導波管と関連付けられる、第１の射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）要素と、対向する第１および第２の面を有する、第２の平面光学導波管と、伝搬のために、１次元の光ビームレットアレイを、ＴＩＲを介して、第１の光学経路と垂直な個別の第２の光学経路に沿って、第２の平面光学導波管内で光学的に結合するように構成される、第２のＩＣ要素と、１次元の光ビームレットアレイを第２の平面光学導波管の第２の面から出射する２次元の光ビームレットアレイに分割するために第２の平面光学導波管と関連付けられる、第２の射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）要素とを備える。この場合、第２の平面光学導波管の第１の面は、第１の平面光学導波管の第２の面に添着されてもよい。第１および第２の平面光学導波管は、それぞれ、実質的に等しい厚さを有してもよい。
【００４６】
第２の平面光学導波管アセンブリは、対向する第１および第２の面を有する、第３の平面光学導波管と、伝搬のために、第１の２次元の光ビームレットアレイを、ＴＩＲを介して、個別の第３の光学経路に沿って、第３の平面光学導波管内で光学的に結合するように構成される、第３のＩＣ要素と、２次元の光ビームレットアレイを第３の平面光学導波管の第２の面から出射する複数の２次元の光ビームレットアレイに分割するために第３の平面光学導波管と関連付けられる、第３のＥＰＥ要素と、対向する第１および第２の面を有する、第４の平面光学導波管と、伝搬のために、複数の２次元の光ビームレットアレイを、ＴＩＲを介して、第３の光学経路と垂直な個別の第４の光学経路に沿って、第４の平面光学導波管内で光学的に結合するように構成される、第４のＩＣ要素と、複数の２次元の光ビームレットアレイを第４の平面光学導波管の第２の面から光ビームレットの入力セットとして出射する複数の２次元の光ビームレットアレイに分割するために第４の平面光学導波管と関連付けられる、第４のＥＰＥ要素とを備えてもよい。この場合、第４の平面光学導波管の第１の面は、第３の平面光学導波管の第２の面に添着されてもよく、第３の平面光学導波管の第１の面は、第２の平面光学導波管の第２の面に添着されてもよい。第１および第２の平面光学導波管は、それぞれ、実質的に等しい厚さを有してもよく、第３および第４の平面光学導波管は、それぞれ、実質的に等しい厚さを有してもよい。この場合、第１および第２の平面光学導波管の実質的に等しい厚さは、第３および第４の平面光学導波管の実質的に等しい厚さと異なってもよい。第３および第４の平面光学導波管の等しい厚さは第１および第２の平面光学導波管の等しい厚さを上回ってもよい。
【００４７】
いくつかの実施形態では、複合現実システムは、仮想光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、入射部分、出射部分、第１の光誘導光学サブ要素、および第２の光誘導光学サブ要素を有する、光誘導光学要素を含む。第１の光誘導光学サブ要素は、第１の厚さを有し、第２の光誘導光学サブ要素は、第１の厚さと異なる第２の厚さを有する。
【００４８】
１つ以上の実施形態では、光源および光誘導光学要素は、仮想光ビームが、入射部分を通して、光誘導光学要素に入射し、実質的全内部反射によって、光誘導光学要素を通して伝搬し、複数の仮想光ビームレットに分割するように構成される。複数の仮想光ビームレットの少なくとも一部は、出射部分を通して、光誘導光学要素から出射してもよい。光誘導光学要素は、実世界光ビームに対して透過性であってもよい。
【００４９】
１つ以上の実施形態では、第１および第２の厚さの第１の比率または第２および第１の厚さの第２の比率のいずれも、整数ではない。入射部分は、第１の光誘導光学サブ要素上の内部結合格子を含んでもよい。出射部分は、第１の光誘導光学サブ要素上の射出瞳エクスパンダを含んでもよい。第２の光誘導光学サブ要素は、第１の光誘導光学サブ要素上の射出瞳エクスパンダに覆設されなくてもよい。
【００５０】
１つ以上の実施形態では、第２の光誘導光学サブ要素の第２の厚さは、所定の波長を有する光の実質的全内部反射を促進する。所定の波長は、５１５ｎｍ〜５４０ｎｍであってもよい。所定の波長は、５２０ｎｍまたは５３２ｎｍであってもよい。所定の波長は、４７５ｎｍまたは６５０ｎｍであってもよい。第２の光誘導光学サブ要素の第２の厚さは、システムの光学軸と略平行な光ビームの実質的全内部反射を光学軸に対して斜めの光ビームを上回る程度に促進してもよい。
【００５１】
１つ以上の実施形態では、第２の光誘導光学サブ要素は、第１の光誘導光学サブ要素の実質的に全てに覆設される。第２の厚さは、仮想光ビームの波長の整数倍数と実質的に等しくてもよい。第２の厚さは、４７５ｎｍ、５２０ｎｍ、または６５０ｎｍの整数倍数であってもよい。
【００５２】
１つ以上の実施形態では、第１および第２の光誘導光学サブ要素はそれぞれ、光誘導光学要素が略平坦シートのスタックを含むように、個別の略平坦シートを含む。光誘導光学要素はまた、第１および第２の光誘導光学サブ要素間に屈折率間隙を有してもよい。屈折率間隙は、空気層であってもよい。
【００５３】
１つ以上の実施形態では、第２の光誘導光学サブ要素は、光を実質的に同一方向に反射させる、２つの反射性表面を含む。第２の光誘導光学サブ要素は、光を実質的に反対方向に反射させる、２つの反射性表面を含んでもよい。本システムはまた、第３の光誘導光学サブ要素を含んでもよい。
【００５４】
別の実施形態では、複合現実システムは、仮想光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、入射部分、出射部分、第１の光誘導光学サブ要素、および第２の光誘導光学サブ要素を有する、光誘導光学要素を含む。第１の光誘導光学サブ要素は、第１の回折率を有する。第２の光誘導光学サブ要素は、第１の回折率と異なる第２の回折率を有する。
【００５５】
１つ以上の実施形態では、光源および光誘導光学要素は、仮想光ビームが、入射部分を通して、光誘導光学要素に入射し、実質的全内部反射によって、光誘導光学要素を通して伝搬し、複数の仮想光ビームレットに分割するように構成される。複数の仮想光ビームレットのうちの少なくとも一部は、出射部分を通して、光誘導光学要素から出射する。光誘導光学要素は、実世界光ビームに対して透過性であってもよい。
【００５６】
１つ以上の実施形態では、第１および第２の回折率の第１の比率または第２および第１の回折率の第２の比率のいずれも、整数ではない。入射部分は、第１の光誘導光学サブ要素上の内部結合格子を含んでもよい。出射部分は、第１の光誘導光学サブ要素上の射出瞳エクスパンダを含んでもよい。第２の光誘導光学サブ要素は、第１の光誘導光学サブ要素上の射出瞳エクスパンダに覆設されなくてもよい。
【００５７】
１つ以上の実施形態では、第２の光誘導光学サブ要素の第２の回折率は、所定の波長を有する光の実質的全内部反射を促進する。所定の波長は、５１５ｎｍ〜５４０ｎｍであってもよい。所定の波長は、５２０ｎｍまたは５３２ｎｍであってもよい。所定の波長は、４７５ｎｍまたは６５０ｎｍであってもよい。
【００５８】
１つ以上の実施形態では、第２の光誘導光学サブ要素の第２の回折率は、システムの光学軸と略平行な光ビームの実質的全内部反射を光学軸に対して斜めの光ビームを上回る程度に促進する。第２の光誘導光学サブ要素は、第１の光誘導光学サブ要素の実質的に全てに覆設されてもよい。
【００５９】
１つ以上の実施形態では、第１および第２の光誘導光学サブ要素はそれぞれ、光誘導光学要素が略平坦シートのスタックを含むように、個別の略平坦シートを含む。光誘導光学要素はまた、第１および第２の光誘導光学サブ要素間に屈折率間隙を有してもよい。屈折率間隙は、空気層であってもよい。
【００６０】
１つ以上の実施形態では、第２の光誘導光学サブ要素は、光を実質的に同一方向に反射させる、２つの反射性表面を含む。第２の光誘導光学サブ要素は、光を実質的に反対方向に反射させる、２つの反射性表面を含んでもよい。本システムはまた、第３の光誘導光学サブ要素を含んでもよい。
【００６１】
さらに別の実施形態では、複合現実システムは、仮想光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、入射部分、直交瞳エクスパンダ、および複数の射出瞳エクスパンダを有する、光誘導光学要素を含む。光源および光誘導光学要素は、仮想光ビームが、入射部分を通して、光誘導光学要素に入射し、実質的全内部反射によって、光誘導光学要素を通して伝搬し、直交瞳エクスパンダと相互作用することによって、複数の第１の仮想光ビームレットに分割し、複数の第１の仮想光ビームレットは、複数の射出瞳エクスパンダの個別のものに入射し、複数の射出瞳エクスパンダと相互作用することによって、複数の第２の仮想光ビームレットに分割するように構成される。複数の第２の仮想光ビームレットのうちの少なくとも一部は、射出瞳エクスパンダを通して、光誘導光学要素から出射する。
【００６２】
１つ以上の実施形態では、光誘導光学要素は、実世界光ビームに対して透過性である。複数の射出瞳エクスパンダはそれぞれ、複数の射出瞳エクスパンダが略平坦シートのスタックを含むように、略平坦シートを含んでもよい。
【００６３】
１つ以上の実施形態では、直交瞳エクスパンダは、所定の波長を有する光の実質的全内部反射を促進する。所定の波長は、５１５ｎｍ〜５４０ｎｍであってもよい。所定の波長は、５２０ｎｍまたは５３２ｎｍであってもよい。所定の波長は、４７５ｎｍまたは６５０ｎｍであってもよい。
【００６４】
１つ以上の実施形態では、本システムはまた、複数の射出瞳エクスパンダへの光を選択的に遮断する、複数の光遮断器を含む。複数の光遮断器は、ＬＣシャッタまたはＰＤＬＣ外部結合格子を含んでもよい。複数の光遮断器のうちの少なくとも１つは、直交瞳エクスパンダの縁に隣接して配置されてもよい。複数の光遮断器のうちの少なくとも１つは、直交瞳エクスパンダの中心部分に隣接して配置されてもよい。
【００６５】
さらに別の実施形態では、複合現実システムは、仮想光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、入射部分、直交瞳エクスパンダ、および出射部分を有する、光誘導光学要素を含む。光源および光誘導光学要素は、仮想光ビームが、入射部分を通して、光誘導光学要素に入射し、実質的全内部反射によって、光誘導光学要素を通して伝搬し、直交瞳エクスパンダと相互作用することによって、複数の仮想光ビームレットに分割するように構成される。複数の仮想光ビームレットのうちの少なくとも一部は、出射部分を通して、光誘導光学要素から出射する。
【００６６】
１つ以上の実施形態では、直交瞳エクスパンダは、第１の直交瞳サブエクスパンダと、第２の直交瞳サブエクスパンダとを含む。第１および第２の直交瞳サブエクスパンダはそれぞれ、個別の第１および第２の直交瞳サブエクスパンダに入射する光ビームを分割する。第１および第２の直交瞳サブエクスパンダはそれぞれ、個別の平坦シートであってもよい。第１および第２の直交瞳サブエクスパンダは、相互の上部にスタックされてもよい。
【００６７】
１つ以上の実施形態では、第１の直交瞳サブエクスパンダは、ビームレットを第２の直交瞳サブエクスパンダの中に指向するための第１の出射縁を含む。第１の出射縁は、ミラーを含んでもよい。第１の直交瞳サブエクスパンダは、ビームレットを第２の直交瞳サブエクスパンダの中に指向するための第２の出射縁を含んでもよい。第１および第２の出射縁はそれぞれ、個別のミラーを含んでもよい。
【００６８】
１つ以上の実施形態では、直交瞳エクスパンダは、第１および第２の反射性縁を含む。第１および第２の反射性縁は、相互に直交してもよい。直交瞳エクスパンダはまた、第３の反射性縁を含んでもよい。
【００６９】
１つ以上の実施形態では、直交瞳エクスパンダは、内部結合格子と、内部結合格子の反対に配置される高回折領域とを含む。直交瞳エクスパンダは、第１の波長範囲内の光を吸収するように構成される、第１の光修正器を含んでもよい。直交瞳エクスパンダはまた、第２の波長範囲内の光を吸収するように構成される、第２の光修正器を含んでもよい。第１および第２の光修正器は、相互に直交してもよい。
【００７０】
１つ以上の実施形態では、直交瞳エクスパンダはまた、第３の波長範囲内の光を吸収するように構成される、第３の光修正器を含む。直交瞳エクスパンダは、「Ｖ」形状を形成する回折光学要素を含んでもよい。直交瞳エクスパンダは、複数のＰＤＬＣスイッチを含んでもよい。
【００７１】
さらに別の実施形態では、複合現実システムは、仮想光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、入射部分、出射部分、第１の光誘導光学サブ要素、および第２の光誘導光学サブ要素を有する、光誘導光学要素を含む。第１の光誘導光学サブ要素は、第１の光修正特性を有する。第２の光誘導光学サブ要素は、第１の光修正特性と異なる第２の光修正特性を有する。
【００７２】
仮想画像生成システムは、第１の厚さを有する一次基板と、第２の厚さを有する少なくとも２つの二次基板とを含む、複数の基板と、それぞれ、基板間に配置される、少なくとも２つの半反射性界面とを備える、平面光学導波管とを備える。第１の厚さは、第２の厚さのそれぞれの少なくとも２倍であってもよい。本システムはさらに、伝搬のために、コリメート光ビームを、内部結合光ビームとして、平面光学導波管内で光学的に結合するように構成される、内部結合（ＩＣ）要素を備える。半反射性界面は、内部結合光ビームを一次基板内を伝搬する複数の一次光ビームレットに分割するように構成される。本システムはさらに、複数の一次光ビームレットを平面光学導波管の面から出射する外部結合光ビームレットのアレイにさらに分割するために平面光学導波管と関連付けられる、１つ以上の回折光学要素（ＤＯＥ）を備える。
【００７３】
仮想像画像生成システムは、結像要素からコリメート光ビームを受光し、コリメート光ビームを初期外部結合光ビームレットのセットに分割するように構成される、前置瞳拡張（ＰＰＥ）要素と、平面光学導波管、初期外部結合光ビームレットのセットを平面光学導波管の中に内部結合光ビームレットのセットとして光学的に結合するように構成される、内部結合（ＩＣ）要素と、内部結合光ビームレットのセットを平面光学導波管の面から出射する最終外部結合光ビームレットのセットに分割するために平面光学導波管と関連付けられた１つ以上の回折要素とを備える。
【００７４】
複合現実システムは、仮想光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、入射部分、出射部分、第１の光誘導光学サブ要素、および第２の光誘導光学サブ要素を有する、光誘導光学要素を含む。第１の光誘導光学サブ要素は、第１の厚さを有し、第２の光誘導光学サブ要素は、第１の厚さと異なる第２の厚さを有する。
【００７５】
本開示の付加的および他の目的、特徴、ならびに利点は、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。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
図面は、本開示の好ましい実施形態の設計および有用性を図示し、類似要素は、共通参照番号によって参照される。本開示の前述および他の利点ならびに目的が得られる方法をより深く理解するために、簡単に前述された本発明のより詳細な説明が、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、本開示の典型的実施形態のみを描写し、したがって、その範囲の限定と見なされるべきではないことを理解した上で、本開示は、付随の図面の使用を通して付加的具体性および詳細とともに説明ならびに記載されるであろう。
【００７７】
【図１】図１は、先行技術の拡張現実生成デバイスによってエンドユーザに表示され得る、３次元拡張現実場面の写真である。
【００７８】
【図２】図２は、本開示のいくつかの実施形態に従って構築される、仮想画像生成システムのブロック図である。
【００７９】
【図３Ａ】図３Ａは、図２の仮想画像生成システムを装着するために使用され得る、１つの技法の平面図である。
【００８０】
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２の仮想画像生成システムを装着するために使用され得る、別の技法の平面図である。
【００８１】
【図３Ｃ】図３Ｃは、図２の仮想画像生成システムを装着するために使用され得る、さらに別の技法の平面図である。
【００８２】
【図３Ｄ】図３Ｄは、図２の仮想画像生成システムを装着するために使用され得る、さらに別の技法の平面図である。
【００８３】
【図４】図４、７、および８は、種々の複合現実システムの詳細な概略図である。
【００８４】
【図５】図５は、図２の仮想画像生成システムにおいて使用されるディスプレイサブシステムのいくつかの実施形態の平面図である。
【００８５】
【図６】図６は、図５のディスプレイサブシステムにおいて使用される一次導波管装置のいくつかの実施形態の概念図である。
【図７】図４、７、および８は、種々の複合現実システムの詳細な概略図である。
【図８】図４、７、および８は、種々の複合現実システムの詳細な概略図である。
【００８６】
【図９】図９は、複合現実システムの焦点面を描写する、略図である。
【００８７】
【図１０】図１０は、複合現実システムの光誘導光学要素の詳細な概略図である。
【００８８】
【図１１】図１１Ａは、種々の実施形態による、眼に入射する光ビームの概略図である。図１１Ｂは、種々の実施形態による、網膜上に水晶体によって集束されるような対応する図１１Ａ内の光ビームのエネルギー分布パターンである。
【図１２】図１２Ａは、種々の実施形態による、眼に入射する光ビームの概略図である。図１２Ｂは、種々の実施形態による、網膜上に水晶体によって集束されるような対応する図１２Ａ内の光ビームのエネルギー分布パターンである。
【図１３】図１３Ａは、種々の実施形態による、眼に入射する光ビームの概略図である。図１３Ｂは、種々の実施形態による、網膜上に水晶体によって集束されるような対応する図１３Ａ内の光ビームのエネルギー分布パターンである。
【図１４】図１４Ａは、種々の実施形態による、眼に入射する光ビームの概略図である。図１４Ｂは、種々の実施形態による、網膜上に水晶体によって集束されるような対応する図１４Ａ内の光ビームのエネルギー分布パターンである。
【図１５】図１５Ａは、種々の実施形態による、眼に入射する光ビームの概略図である。図１５Ｂは、種々の実施形態による、網膜上に水晶体によって集束されるような対応する図１５Ａ内の光ビームのエネルギー分布パターンである。
【００８９】
【図１６Ａ】図１６Ａは、いくつかの実施形態による、眼に入射する光ビームレットの概略図である。
【００９０】
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、いくつかの実施形態による、網膜上に水晶体によって集束されるような図１６Ａにおける光ビームレットのエネルギー分布パターンである。
【００９１】
【図１７Ａ】図１７Ａは、いくつかの実施形態による、ビームレットのアレイを生成する光誘導光学要素の概略図である。
【００９２】
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、いくつかの実施形態による、虹彩によって形成される瞳孔に関連する光ビームレットの概略図である。
【００９３】
【図１８】図１８Ａ−１８Ｃは、種々の実施形態による、網膜上の光ビームレットを示す、概略図である。
【００９４】
【図１９】図１９は、いくつかの実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【００９５】
【図２０】図２０は、いくつかの実施形態による、ビーム倍増管を通して眼の中に伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【００９６】
【図２１】図２１は、いくつかの実施形態による、２つのビーム倍増管を通して眼の中に伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である
【００９７】
【図２２Ａ】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図２２Ｂ】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図２３】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図２４】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図２５】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図２６】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図２７】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図２８】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図２９】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図３０】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図３１】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図３２】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図３３−１】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【図３３−２】図２２Ａ−３３Ｉは、種々の実施形態による、ビーム倍増管を通して伝搬する、光ビームおよびビームレットの概略図である。
【００９８】
【図３４】図３４は、図６の一次導波管装置のいくつかの実施形態の平面図である。
【００９９】
【図３５】図３５は、線３５−３５に沿って得られた図３４の一次導波管装置の断面図である。
【０１００】
【図３６】図３６は、線３６−３６に沿って得られた図３４の一次導波管装置の断面図である。
【０１０１】
【図３７】図３７は、図６の一次導波管装置の別の実施形態の平面図である。
【０１０２】
【図３８】図３８は、図６の一次導波管装置のさらに別の実施形態の平面図である。
【０１０３】
【図３９】図３９Ａ−３９Ｃは、図３４の一次導波管装置の斜視図であって、特に、異なる焦点面における外部結合光ビームレットの放出を示す。
【０１０４】
【図４０Ａ】図４０Ａは、ディスプレイ画面の導波管装置の比較的に疎密な射出瞳の概念図である。
【０１０５】
【図４０Ｂ】図４０Ｂは、図３４の一次導波管装置の修正された実施形態の比較的に稠密な射出瞳の概念図である。
【０１０６】
【図４１】図４１は、図４０Ｂの修正された一次導波管装置のいくつかの実施形態の平面図である。
【０１０７】
【図４２】図４２は、線４２−４２に沿って得られた図４１の一次導波管装置の断面図である。
【０１０８】
【図４３】図４３は、線４３−４３に沿って得られた図４１の一次導波管装置の断面図である。
【０１０９】
【図４４】図４４は、図４０Ｂの修正された一次導波管装置の別の実施形態の平面図である。
【０１１０】
【図４５】図４５は、線４５−４５に沿って得られた図４４の一次導波管装置の第１の変形例の断面図である。
【０１１１】
【図４６】図４６は、線４６−４６に沿って得られた図４４の一次導波管装置の第１の変形例の断面図である。
【０１１２】
【図４７】図４７Ａ−４７Ｄは、図４５の修正された一次導波管装置において採用されるビーム分割技法を図示する、プロファイル図である。
【０１１３】
【図４８】図４８は、線４８−４８に沿って得られた図４４の一次導波管装置の第１の変形例の断面図であって、特に、光ビームレットの重複を示す。
【０１１４】
【図４９】図４９は、線４９−４９に沿って得られた図４４の一次導波管装置の第１の変形例の断面図であって、特に、光ビームレットの重複を示す。
【０１１５】
【図５０】図５０は、線５０−５０に沿って得られた図４４の一次導波管装置の第２の変形例の断面図である。
【０１１６】
【図５１】図５１は、線５１−５１に沿って得られた図４４の一次導波管装置の第２の変形例の断面図である。
【０１１７】
【図５２】図５２は、線５２−５２に沿って得られた図４４の一次導波管装置の第２の変形例の断面図であって、特に、光ビームレットの重複を示す。
【０１１８】
【図５３】図５３は、線５３−５３に沿って得られた図４４の一次導波管装置の第２の変形例の断面図であって、特に、光ビームレットの重複を示す。
【０１１９】
【図５４】図５４は、線５４−５４に沿って得られた図４４の一次導波管装置の第３の変形例の断面図である。
【０１２０】
【図５５】図５５は、線５５−５５に沿って得られた図４４の一次導波管装置の第３の変形例の断面図である。
【０１２１】
【図５６】図５６は、線５６−５６に沿って得られた図４４の一次導波管装置の第４の変形例の断面図である。
【０１２２】
【図５７】図５７は、線５７−５７に沿って得られた図４４の一次導波管装置の第４の変形例の断面図である。
【０１２３】
【図５８】図５８は、図２の仮想画像生成システムにおいて使用されるディスプレイサブシステムの別の実施形態の平面図である。
【０１２４】
【図５９Ａ】図５９Ａおよび５９Ｂは、前置瞳エクスパンダ（ＰＰＥ）で事前に拡張されたディスプレイ画面の一次導波管装置の比較的に稠密な射出瞳の概念図である。
【図５９Ｂ】図５９Ａおよび５９Ｂは、前置瞳エクスパンダ（ＰＰＥ）で事前に拡張されたディスプレイ画面の一次導波管装置の比較的に稠密な射出瞳の概念図である。
【０１２５】
【図６０】図６０は、図６の一次導波管装置と併用される図５９Ａおよび５９ＢのＰＰＥのいくつかの実施形態の平面図である。
【０１２６】
【図６１】図６１は、線６１−６１に沿って得られた図６０の一次導波管装置およびＰＰＥの断面図である。
【０１２７】
【図６２】図６２は、線６２−６２に沿って得られた図６０の一次導波管装置およびＰＰＥの断面図である。
【０１２８】
【図６３】図６３は、図６０のＰＰＥを使用して射出瞳へのコリメート光ビームの入射瞳の事前拡張および従来の拡張の概念図である。
【０１２９】
【図６４】図６４は、図３４の一次導波管装置と併用される図５９Ａおよび５９ＢのＰＰＥの別の実施形態の平面図である。
【０１３０】
【図６５】図６５は、線６５−６５に沿って得られた図６４の一次導波管装置およびＰＰＥの断面図である。
【０１３１】
【図６６】図６６は、線６６−６６に沿って得られた図６４の一次導波管装置およびＰＰＥの断面図である。
【０１３２】
【図６７】図６７Ａおよび６７Ｂは、図６４のＰＰＥの異なる変形例のプロファイル図である。
【０１３３】
【図６８】図６８は、図３４の一次導波管装置と併用される図５９Ａおよび５９ＢのＰＰＥのさらに別の実施形態の平面図である。
【０１３４】
【図６９】図６９は、線６９−６９に沿って得られた図６８の一次導波管装置およびＰＰＥの断面図である。
【０１３５】
【図７０】図７０は、線７０−７０に沿って得られた図６８の一次導波管装置およびＰＰＥの断面図である。
【０１３６】
【図７１】図７１は、図６８のＰＰＥの斜視図である。
【０１３７】
【図７２】図７２は、線７２−７２に沿って得られた図７１のＰＰＥの第１の変形例の断面図である。
【０１３８】
【図７３】図７３は、線７３−７３に沿って得られた図７１のＰＰＥの第１の変形例の断面図である。
【０１３９】
【図７４】図７４は、線７４−７４に沿って得られた図７１のＰＰＥの第２の変形例の断面図である。
【０１４０】
【図７５】図７５は、線７５−７５に沿って得られた図７１のＰＰＥの第２の変形例の断面図である。
【０１４１】
【図７６】図７６は、図３４の一次導波管装置と併用される図３１Ａおよび３１ＢのＰＰＥのさらに別の実施形態の平面図である。
【０１４２】
【図７７】図７７は、線７７−７７に沿って得られた図７６の一次導波管装置およびＰＰＥの断面図である。
【０１４３】
【図７８】図７８は、線７８−７８に沿って得られた図７６の一次導波管装置およびＰＰＥの断面図である。
【０１４４】
【図７９】図７９は、図７６のＰＰＥの斜視図である。
【０１４５】
【図８０】図８０は、図３４の一次導波管装置と併用される図５９Ａおよび５９ＡのＰＰＥのさらに別の実施形態の平面図である。
【０１４６】
【図８１】図８１は、線８１−８１に沿って得られた図８０の一次導波管装置およびＰＰＥの断面図である。
【０１４７】
【図８２】図８２は、線８２−８２に沿って得られた図８０の一次導波管装置およびＰＰＥの断面図である。
【０１４８】
【図８３】図８３は、図８０のＰＰＥの斜視分解図である。
【０１４９】
【図８４】図８４は、図８３のＰＰＥにおいて使用される平面導波管アセンブリのいくつかの実施形態の斜視図である。
【０１５０】
【図８５】図８５Ａおよび８５Ｂは、図８４の平面導波管アセンブリにおいて使用される上部および底部平面直交導波管ユニットの斜視図である。
【０１５１】
【図８６】図８６Ａおよび図８６Ｂは、図８０のＰＰＥの断面図である。
【０１５２】
【図８７Ａ】図８７Ａ−８７Ｃは、図８５Ａおよび８５Ｂの上部および底部平面直交導波管ユニットの伝達関数の平面図である。
【図８７Ｂ】図８７Ａ−８７Ｃは、図８５Ａおよび８５Ｂの上部および底部平面直交導波管ユニットの伝達関数の平面図である。
【図８７Ｃ】図８７Ａ−８７Ｃは、図８５Ａおよび８５Ｂの上部および底部平面直交導波管ユニットの伝達関数の平面図である。
【０１５３】
【図８８】図８８は、２次元ビームレットのアレイを高度に飽和した射出瞳を画定するように蓄積される複数の２次元ビームレットのアレイに分割するために図８０のＰＰＥにおいて使用される上部平面導波管アセンブリによって実施されるビーム分割の種々の生成を図示する、１つの略図である。
【０１５４】
【図８９Ａ】図８９Ａ−８９Ｈは、図８０のＰＰＥを使用した単一の２次元の光ビームレットのアレイからの複数の２次元光ビームレットのアレイの生成を図示する、平面図である。
【図８９Ｂ】図８９Ａ−８９Ｈは、図８０のＰＰＥを使用した単一の２次元の光ビームレットのアレイからの複数の２次元光ビームレットのアレイの生成を図示する、平面図である。
【図８９Ｃ】図８９Ａ−８９Ｈは、図８０のＰＰＥを使用した単一の２次元の光ビームレットのアレイからの複数の２次元光ビームレットのアレイの生成を図示する、平面図である。
【図８９Ｄ】図８９Ａ−８９Ｈは、図８０のＰＰＥを使用した単一の２次元の光ビームレットのアレイからの複数の２次元光ビームレットのアレイの生成を図示する、平面図である。
【図８９Ｅ】図８９Ａ−８９Ｈは、図８０のＰＰＥを使用した単一の２次元の光ビームレットのアレイからの複数の２次元光ビームレットのアレイの生成を図示する、平面図である。
【図８９Ｆ】図８９Ａ−８９Ｈは、図８０のＰＰＥを使用した単一の２次元の光ビームレットのアレイからの複数の２次元光ビームレットのアレイの生成を図示する、平面図である。
【図８９Ｇ】図８９Ａ−８９Ｈは、図８０のＰＰＥを使用した単一の２次元の光ビームレットのアレイからの複数の２次元光ビームレットのアレイの生成を図示する、平面図である。
【図８９Ｈ】図８９Ａ−８９Ｈは、図８０のＰＰＥを使用した単一の２次元の光ビームレットのアレイからの複数の２次元光ビームレットのアレイの生成を図示する、平面図である。
【０１５５】
【図９０Ａ】図９０Ａ−９０Ｄは、図８９Ａおよび８９Ａのビームパターン内の４つの異なるビームレット群と図８９Ａの単一の２次元の光ビームレットのアレイ内の４つの異なる初期ビームレットの対応を図示する、平面図である。
【図９０Ｂ】図９０Ａ−９０Ｄは、図８９Ａおよび８９Ａのビームパターン内の４つの異なるビームレット群と図８９Ａの単一の２次元の光ビームレットのアレイ内の４つの異なる初期ビームレットの対応を図示する、平面図である。
【図９０Ｃ】図９０Ａ−９０Ｄは、図８９Ａおよび８９Ａのビームパターン内の４つの異なるビームレット群と図８９Ａの単一の２次元の光ビームレットのアレイ内の４つの異なる初期ビームレットの対応を図示する、平面図である。
【図９０Ｄ】図９０Ａ−９０Ｄは、図８９Ａおよび８９Ａのビームパターン内の４つの異なるビームレット群と図８９Ａの単一の２次元の光ビームレットのアレイ内の４つの異なる初期ビームレットの対応を図示する、平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０１５６】
続く説明は、拡張現実システムにおいて使用されるべきディスプレイサブシステムおよび方法に関する。しかしながら、本開示は、拡張現実システムにおける用途に非常に適しているが、本開示は、その最も広範な側面では、そのように限定され得ず、任意の導波管ベースの結像システムに適用されてもよいことを理解されたい。例えば、本開示は、仮想現実システムに適用されることができる。したがって、多くの場合、拡張現実システムの観点から本明細書に説明されるが、教本示は、そのような使用のそのようなシステムに限定されるべきではない。
【０１５７】
本開示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。本開示の他の目的、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。
【０１５８】
種々の実施形態が、ここで、当業者が本開示を実践することを可能にするように、本開示の例証的実施例として提供される、図面を参照して詳細に説明されるであろう。着目すべきこととして、図および下記の実施例は、本開示の範囲を限定することを意味するものではない。本開示のある要素は、部分的または完全に、公知のコンポーネント（または方法もしくはプロセス）を使用して実装されてもよく、本開示の理解のために必要なそのような公知のコンポーネント（または方法もしくはプロセス）のそれらの部分のみが、説明され、そのような公知のコンポーネント（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、本開示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コンポーネントの現在公知および将来的に公知となる均等物を包含する。
【０１５９】
光学システムは、ＡＲ／ＭＲシステムから独立して実装されてもよいが、下記の多くの実施形態は、例証的目的のためだけに、ＡＲ／ＭＲシステムに関連して説明される。
【０１６０】
図２を参照すると、本開示に従って構成される仮想画像生成システム１００のいくつかの実施形態が、ここで説明されるであろう。仮想画像生成システム１００は、拡張現実サブシステムとして動作され、エンドユーザ５０の視野内の物理的オブジェクトと混合された仮想オブジェクトの画像を提供してもよい。仮想画像生成システム１００を動作させるときの２つの基本アプローチが存在する。第１のアプローチは、１つ以上の結像機（例えば、カメラ）を採用し、周囲環境の画像を捕捉するものである。仮想画像生成システム１００は、仮想画像を周囲環境の画像を表すデータの中に混合させる。第２のアプローチは、１つ以上の少なくとも部分的に透明な表面を採用し、それを通して周囲環境が、見られ、その上に仮想画像生成システム１００が、仮想オブジェクトの画像を生成するものである。
【０１６１】
仮想画像生成システム１００および本明細書に教示される種々の技法は、拡張現実および仮想現実サブシステム以外の用途でも採用されてもよい。例えば、種々の技法は、任意の投影もしくはディスプレイサブシステムに適用されてもよい、または移動が、頭部ではなく、エンドユーザの手によって行われ得る、ピコプロジェクタに適用されてもよい。したがって、多くの場合、拡張現実サブシステムまたは仮想現実サブシステムの観点から本明細書に説明されるが、本教示は、そのような使用のそのようなサブシステムに限定されるべきではない。
【０１６２】
少なくとも拡張現実用途のために、種々の仮想オブジェクトをエンドユーザ５０の視野内の個別の物理的オブジェクトに対して空間的に位置付けることが望ましくあり得る。仮想オブジェクトはまた、本明細書では、仮想タグまたはタグもしくはコールアウトとも称され、多種多様な形態、基本的に、画像として表されることが可能な任意の種々のデータ、情報、概念、または論理構造のいずれかをとってもよい。仮想オブジェクトの非限定的実施例として、仮想テキストオブジェクト、仮想数字オブジェクト、仮想英数字オブジェクト、仮想タグオブジェクト、仮想フィールドオブジェクト、仮想チャートオブジェクト、仮想マップオブジェクト、仮想計装オブジェクト、または物理的オブジェクトの仮想視覚表現が挙げられ得る。
【０１６３】
仮想画像生成システム１００は、エンドユーザ５０によって装着されるフレーム構造１０２と、ディスプレイサブシステム１０４がエンドユーザ５０の眼５２の正面に位置付けられるように、フレーム構造１０２によって担持されるディスプレイサブシステム１０４と、スピーカ１０６がエンドユーザ５０の外耳道に隣接して位置付けられる（随意に、別のスピーカ（図示せず）がエンドユーザ５０の他方の外耳道に隣接して位置付けられ、ステレオ／成形可能音制御を提供する）ように、フレーム構造１０２によって担持されるスピーカ１０６とを備える。ディスプレイサブシステム１０４は、エンドユーザ５０の眼５２に、高レベルの画質および３次元知覚を伴って、物理的現実に対する拡張として快適に知覚され、かつ２次元コンテンツを提示可能であり得る、光ベースの放射パターンを提示するように設計される。ディスプレイサブシステム１０４は、フレームのシーケンスを高周波数で提示し、単一コヒーレント場面の知覚を提供する。
【０１６４】
図示される実施形態では、ディスプレイサブシステム１０４は、それを通してユーザが実オブジェクトから透明（または半透明）要素を介して直接光を視認することができる「光学シースルー」ディスプレイを採用する。透明要素は、多くの場合、「結合器」と称され、ディスプレイからの光を実世界のユーザの視野にわたって重畳する。この目的を達成するために、ディスプレイサブシステム１０４は、投影サブシステム１０８およびその上に投影サブシステム１０８が画像を投影する部分的に透明なディスプレイ画面１１０を備える。ディスプレイ画面１１０は、エンドユーザ５０の眼５２と周囲環境の間のエンドユーザ５０の視野に位置付けられ、周囲環境からの直接光がディスプレイ画面１１０を通してエンドユーザ５０の眼５２へ透過されるようなものである。
【０１６５】
図示される実施形態では、画像投影アセンブリ１０８は、走査される光を部分的に透明なディスプレイ画面１１０に提供し、それによって、周囲環境からの直接光と組み合わせ、ディスプレイ画面１１０からユーザ５０の眼５２に透過される。図示される実施形態では、投影サブシステム１０８は、光ファイバ走査ベースの投影デバイスの形態をとり、ディスプレイ画面１１０は、導波管ベースのディスプレイの形態をとり、その中に投影サブシステム１０８からの走査される光が、投入され、例えば、無限遠により近い単一光学視認距離において（例えば、腕の長さ）における画像、複数の離散光学視認距離もしくは焦点面における画像、および／または複数の視認距離もしくは焦点面にスタックされ、立体３Ｄオブジェクトを表す、画像層を生成する。ライトフィールド内のこれらの層は、ヒト視覚副系にともに連続して現れるように十分に近接してスタックされてもよい（すなわち、一方の層は、隣接する層の乱信号円錐域内にある）。加えて、または代替として、写真要素が、２つもしくはそれを上回る層を横断して混成され、それらの層がより疎らにスタックされる場合でも、ライトフィールド内の層間の遷移の知覚される連続性を増加させてもよい（すなわち、一方の層は隣接する層の乱信号円錐域外にある）。ディスプレイサブシステム１０４は、単眼または双眼用であってもよい。
【０１６６】
仮想画像生成システム１００はさらに、エンドユーザ５０の頭部５４の位置および移動ならびに／またはエンドユーザ５０の眼の位置および眼間距離を検出するために、フレーム構造１０２に搭載される１つ以上のセンサ（図示せず）を備える。そのようなセンサは、画像捕捉デバイス（カメラ等）、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、および／またはジャイロスコープ）を含んでもよい。
【０１６７】
仮想画像生成システム１００はさらに、ユーザ配向検出モジュール１１２を備える。ユーザ配向検出モジュール１１２は、エンドユーザ５０の頭部５４の瞬間位置位置を検出し、センサから受信された位置データに基づいて、エンドユーザ５０の頭部５４の位置を予測してもよい。エンドユーザ５０の頭部５４の瞬間位置位置の検出は、エンドユーザ５０が見ている具体的実際のオブジェクトの決定を促進し、それによって、その実際のオブジェクトのために生成されるべき具体的テキストメッセージのインジケーションを提供し、さらに、テキストメッセージがストリーミングされるべきテキスト領域のインジケーションを提供する。ユーザ配向モジュール１１２はまた、センサから受信された追跡データに基づいて、エンドユーザ５０の眼５２を追跡する。
【０１６８】
仮想画像生成システム１００はさらに、多種多様な形態のいずれかをとり得る、制御サブシステムを備える。制御サブシステムは、いくつかのコントローラ、例えば、１つ以上のマイクロコントローラ、マイクロプロセッサまたは中央処理ユニット（ＣＰＵ）、デジタル信号プロセッサ、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、他の集積回路コントローラ、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルゲートアレイ（ＰＧＡ）、例えば、フィールドＰＧＡ（ＦＰＧＡＳ）、および／またはプログラマブル論理コントローラ（ＰＬＵ）を含む。
【０１６９】
仮想画像生成システム１００の制御サブシステムは、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）１１６と、１つ以上のフレームバッファ１１８と、３次元データを記憶するための３次元データベース１２０とを備える。ＣＰＵ１１４は、全体的動作を制御する一方、ＧＰＵ１１６は、３次元データベース１２０内に記憶される３次元データからフレームをレンダリングし（すなわち、３次元場面を２次元画像に変換し）、これらのフレームをフレームバッファ１１６内に記憶する。図示されないが、１つ以上の付加的集積回路が、フレームのフレームバッファ１１６の中への読込および／またはそこからの読取ならびにディスプレイサブシステム１０４の画像投影アセンブリ１０８の動作を制御してもよい。
【０１７０】
仮想画像生成システム１００の種々の処理コンポーネントは、分散型サブシステム内に物理的に含有されてもよい。例えば、図３Ａ−３Ｄに図示されるように、仮想画像生成システム１００は、有線導線または無線コネクティビティ１３６等によって、ディスプレイサブシステム１０４およびセンサに動作可能に結合される、ローカル処理およびデータモジュール１３０を備える。ローカル処理およびデータモジュール１３０は、フレーム構造１０２に固定して取り付けられる（図３Ａ）、ヘルメットもしくは帽子５６に固定して取り付けられる（図３Ｂ）、ヘッドホン内に埋設される、エンドユーザ５０の胴体５８に除去可能に取り付けられる（図３Ｃ）、またはベルト結合式構成においてエンドユーザ５０の腰６０に除去可能に取り付けられる（図３Ｄ）等、種々の構成で搭載されてもよい。仮想画像生成システム１００はさらに、有線導線または無線コネクティビティ１３８、１４０等によって、ローカル処理およびデータモジュール１３０に動作可能に結合される、遠隔処理モジュール１３２および遠隔データリポジトリ１３４を備え、これらの遠隔モジュール１３２、１３４が、相互に動作可能に結合され、ローカル処理およびデータモジュール１３０に対してリソースとして利用可能であるようになる。
【０１７１】
ローカル処理およびデータモジュール１３０は、電力効率的プロセッサまたはコントローラならびにフラッシュメモリ等のデジタルメモリを備えてもよく、両方とも、センサから捕捉され、および／または可能性として処理もしくは読出後、ディスプレイサブシステム１０４への通過のために、遠隔処理モジュール１３２および／または遠隔データリポジトリ１３４を使用して取得ならびに／もしくは処理されたデータの処理、キャッシュ、および記憶を補助するために利用されてもよい。遠隔処理モジュール１３２は、データおよび／または画像情報を分析ならびに処理するように構成される、１つ以上の比較的に強力なプロセッサもしくはコントローラを備えてもよい。遠隔データリポジトリ１３４は、比較的に大規模なデジタルデータ記憶設備を備えてもよく、これは、インターネットまたは「クラウド」リソース構成における他のネットワーキング構成を通して利用可能であってもよい。いくつかの実施形態では、全データが、記憶され、全算出は、ローカル処理およびデータモジュール１３０において行われ、任意の遠隔モジュールからの完全に自律的使用を可能にする。
【０１７２】
前述の種々のコンポーネント間の結合１３６、１３８、１４０は、有線もしくは光学通信を提供するための１つもしくはそれを上回る有線インターフェースもしくはポート、または無線通信を提供するためのＲＦ、マイクロ波、およびＩＲ等を介した１つもしくはそれを上回る無線インターフェースもしくはポートを含んでもよい。いくつかの実装では、全ての通信は、有線であってもよい一方、他の実装では、全ての通信は、無線であってもよい。なおもさらなる実装では、有線および無線通信の選択肢は、図３Ａ−３Ｄに図示されるものと異なってもよい。したがって、有線または無線通信の特定の選択肢は、限定と見なされるべきではない。
【０１７３】
図示される実施形態では、ユーザ配向モジュール１１２は、ローカル処理およびデータモジュール１３０内に含有される一方、ＣＰＵ１１４およびＧＰＵ１１６は、遠隔処理モジュール１３２内に含有されるが、代替実施形態では、ＣＰＵ１１４、ＧＰＵ１２４、またはその一部は、ローカル処理およびデータモジュール１３０内に含有されてもよい。３Ｄデータベース１２０は、遠隔データリポジトリ１３４と関連付けられることができる。
【０１７４】
光誘導光学要素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ＭＲシステムの簡単な説明を提供するであろう。
【０１７５】
ＭＲシステムを実装するための１つの可能性として考えられるアプローチは、個別の深度平面から生じるように現れる画像を生成するための深度平面情報を内蔵される、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、コリメート光（略平面波面を伴う光ビーム）がＬＯＥに沿って実質的全内部反射されるにつれて、複数の場所において回折パターンと交差し、ユーザの眼に向かって出射するように、光誘導光学要素（「ＬＯＥ」、例えば、平面導波管）に内蔵される、またはその上にインプリント／エンボス加工され得る。ＤＯＥは、ＬＯＥからそれを通して出射する光が、輻輳され、特定の深度平面から生じるように現れるように構成される。コリメート光は、光学集光レンズ（「集光器」）を使用して生成されてもよい。
【０１７６】
例えば、第１のＬＯＥは、光学無限遠深度平面（０ジオプタ）から生じるように現れる、コリメート光を眼に送達するように構成されてもよい。別のＬＯＥは、２メートル（１／２ジオプタ）の距離から生じるように現れる、コリメート光を送達するように構成されてもよい。さらに別のＬＯＥは、１メートル（１ジオプタ）の距離から生じるように現れる、コリメート光を送達するように構成されてもよい。スタックされたＬＯＥアセンブリを使用することによって、複数の深度平面は、作成され得、各ＬＯＥは、特定の深度平面から生じるように現れる画像を表示するように構成されることが理解され得る。スタックは、任意の数のＬＯＥを含んでもよい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カラー画像をＮ個の深度平面に生成するために使用されてもよい。
【０１７７】
３−Ｄ仮想コンテンツをユーザに提示するために、複合現実（ＭＲ）システムは、Ｚ方向に（すなわち、ユーザの眼から離れるように直交して）種々の深度平面から生じるように現れるように、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、ＸおよびＹ方向において（すなわち、ユーザの眼の中心視軸に直交する２Ｄ平面において）変化し得るだけではなく、また、ユーザが、オブジェクトが非常に近距離または無限距離もしくはそれらの間の任意の距離にあるように知覚し得るように、Ｚ方向においても変化すると考えられ得る。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知覚し得る。例えば、ユーザには、仮想ドラゴンが、無限遠から現れ、ユーザに向かって走って来るのが見え得る。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）における仮想コーヒーカップとが同時に見え得る。
【０１７８】
多平面焦点システムは、画像をユーザの眼からＺ方向において個別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投影させることによって、可変深度の知覚を作成する。ここで図９を参照すると、多平面焦点システムは、フレームを固定深度平面５０２（例えば、図９に示される６つの深度平面５０２）に表示し得ることを理解されたい。ＭＲシステムは、任意の数の深度平面５０２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、６つの固定深度平面５０２をＺ方向に有する。仮想コンテンツを６つの深度平面５０２のうちの１つ以上のものに生成する際、３−Ｄ知覚が、ユーザがユーザの眼から可変距離における１つ以上の仮想オブジェクトを知覚するように作成される。ヒトの眼が、遠く離れているように現れるオブジェクトより距離がより近いオブジェクトに対して敏感であることを前提として、より多くの深度平面５０２が、図９に示されるように、眼のより近くに生成される。他の実施形態では、深度平面５０２は、相互から等距離だけ離れて設置されてもよい。
【０１７９】
深度平面位置５０２は、ジオプタで測定されてもよく、これは、メートル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。例えば、いくつかの実施形態では、深度平面１は、１／３ジオプタ離れてもよく、深度平面２は、０．３ジオプタ離れてもよく、深度平面３は、０．２ジオプタ離れてもよく、深度平面４は、０．１５ジオプタ離れてもよく、深度平面５は、０．１ジオプタ離れてもよく、深度平面６は、無限遠（すなわち、０ジオプタ離れている）を表してもよい。他の実施形態は、深度平面５０２を他の距離／ジオプタに生成してもよいことを理解されたい。したがって、仮想コンテンツを方略的に設置された深度平面５０２に生成する際、ユーザは、仮想オブジェクトを３次元で知覚することが可能である。例えば、ユーザは、別の仮想オブジェクトが、深度平面６における無限遠に現れる間、第１の仮想オブジェクトが、深度平面１に表示されるとき、近接しているように知覚し得る。代替として、仮想オブジェクトは、最初に、深度平面６に表示され、次いで、仮想オブジェクトがユーザに非常に近接して現れるまで、深度平面５等に表示されてもよい。上記の実施例は、例証的目的のために有意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上に集中されてもよい。例えば、表示されることになる仮想コンテンツが、ユーザから０．５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に生成され、ユーザに、コーヒーカップの高度に粒度が高い３−Ｄビューを与え得る。
【０１８０】
いくつかの実施形態では、ＡＲシステムは、多平面焦点システムとして作用してもよい。言い換えると、全６つのＬＯＥが、６つの固定深度平面から生じるように現れる画像が、高速で連続して生成され、光源が、画像情報を、ＬＯＥ１、次いで、ＬＯＥ２、次いで、ＬＯＥ３等に急速に伝達するように、同時に照明されてもよい。例えば、光学無限遠における空の画像を含む、所望の画像の一部が、時間１において投入されてもよく、光のコリメーションを留保するＬＯＥ１０９０（例えば、図９からの深度平面６）が、利用されてもよい。次いで、より近い木の枝の画像が、時間２において投入されてもよく、１０メートル離れた深度平面（例えば、図９からの深度平面５）から生じるように現れる画像を作成するように構成される、ＬＯＥ１０９０が、利用されてもよい。次いで、ペンの画像が、時間３において投入されてもよく、１メートル離れた深度平面から生じるように現れる画像を作成するように構成される、ＬＯＥ１０９０が、利用されてもよい。本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）が入力を全て同一画像の一部であるように知覚するように、高速時系列（例えば、３６０Ｈｚ）方式で繰り返されることができる。
【０１８１】
ＡＲシステムは、Ｚ軸（すなわち、深度平面）に沿って種々の場所から生じるように現れ、３−Ｄ体験／シナリオのための画像を生成する、画像を投影する（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）ために要求される。本願で使用されるように、光ビームは、限定ではないが、光源から照射される光エネルギー（可視および不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現れる画像を生成することは、その画像のためのユーザの眼の輻輳・開散運動および遠近調節に準拠し、輻輳・開散運動−遠近調節衝突を最小限にまたは排除する。
【０１８２】
図４は、画像を単一深度平面に投影させるための基本光学システム４００を描写する。システム４００は、光源４２０と、それと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４９２（ＩＣＧ）を有する、ＬＯＥ４９０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、任意のタイプであってもよい。いくつかの実施形態では、ＩＣＧ４９２は、ＬＯＥ４９０の反射モードアルミ被覆部分である。別の実施形態では、ＩＣＧ４９２は、ＬＯＥ４９０の透過性回折部分である。システム４００が、使用中のとき、光源４２０からの光ビームは、ユーザの眼への表示のために、ＩＣＧ４９２を介して、ＬＯＥ４９０に入射し、実質的全内部反射（「ＴＩＲ」）によって、ＬＯＥ４９０に沿って伝搬する。１つのみのビームが、図４に図示されるが、多数のビームが、同一ＩＣＧ４９２を通して広範囲の角度からＬＯＥ４９０に入射してもよいことを理解されたい。ＬＯＥの中に「入射する」または「取り込まれる」光ビームは、限定ではないが、実質的ＴＩＲによってＬＯＥに沿って伝搬するようにＬＯＥと相互作用する、光ビームを含む。図４に描写されるシステム４００は、種々の光源４２０（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４２０からの光は、光ファイバケーブル（図示せず）を介して、ＬＯＥ４９０に送達されてもよい。
【０１８３】
ここで図５を参照すると、画像投影アセンブリ１０８は、光を生成する（例えば、異なる色の光を画定されたパターンで放出する）、１つ以上の光源１５０を含む。光源１５０は、多種多様な形態のいずれかをとる、例えば、それぞれ、ピクセル情報またはデータの個別のフレーム内で規定された画定されたピクセルパターンに従って、赤色、緑色、および青色のコヒーレントなコリメート光を生成するように動作可能なＲＧＢレーザのセット（例えば、赤色、緑色、および青色光を出力可能なレーザダイオード）であってもよい。レーザ光は、高色飽和を提供し、非常にエネルギー効率的である。
【０１８４】
画像投影アセンブリ１０８はさらに、制御信号に応答して、所定の走査パターンで光を走査する、走査デバイス１５２を備える。走査デバイス１５２は、１つ以上の光ファイバ１５４（例えば、単一モード光ファイバ）を備え、それぞれ、その中に光が光源１５０から受光される、近位端１５４ａと、そこから光がディスプレイ画面１１０に提供される、遠位端１５４ｂとを有する。走査デバイス１５２はさらに、光ファイバ１５４が搭載される、機械的駆動アセンブリ１５６を備える。駆動アセンブリ１５６は、走査パターンに従って支点１５８を中心として各光ファイバ１５４の遠位端１５４ｂを変位させるように構成される。
【０１８５】
この目的を達成するために、駆動アセンブリ１５６は、光ファイバ１５４が搭載される、圧電要素１６０を備え、駆動電子機器１６２は、電気信号を圧電要素１６０に伝達し、それによって、光ファイバ１５４の遠位端１５４ｂを走査パターンに従って振動させるように構成される。したがって、光源１５０および駆動電子機器１６２の動作は、空間的および／または時間的に変動する光の形態でエンコードされる画像データを生成する様式で協調される。光ファイバ走査技法の説明は、米国特許第２０１５／０３０９２６４号（参照することによって明示的に本明細書に組み込まれる）に提供される。
【０１８６】
投影アセンブリ１０８はさらに、走査デバイス１５２からの光をディスプレイ画面１１０の中に結合する、光学結合アセンブリ１６４を備える。光学結合アセンブリ１６４は、走査デバイス１５２によって放出される光をコリメート光ビーム２５０の中にコリメートする、コリメート要素１６６を備える。コリメート要素１６６は、光ファイバ１５４から物理的に分離されるように図５に図示されるが、コリメート要素は、「Ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ  Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒｉｎ  Ｖｉｒｔｕａｌ／Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  Ｒｅａｌｉｔｙ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題された米国特許出願第１５／２８６，２１５号（参照することによって明示的に本明細書に組み込まれる）に説明されるように、「マイクロレンズ」配列において、各光ファイバ１５４の遠位端１５４ｂに物理的に搭載されてもよい。光学結合サブシステム１６４はさらに、下記にさらに詳細に説明されるであろうように、内部結合（ＩＣ）要素１６８、例えば、１つ以上の反射表面、回折格子、ミラー、ダイクロイックミラー、またはプリズムを備え、光がディスプレイ画面１１０内を所望の方向に伝搬することを確実にする角度で、光をディスプレイ画面１１０の端部の中に光学的に結合する。
【０１８７】
下記にさらに詳細に説明されるであろうように、光学結合サブシステム１６４は、コリメート光ビーム２５０をディスプレイ画面１１０の中に光学的に結合し、これは、コリメート光ビーム２５０の瞳サイズを拡張させ、エンドユーザ５０の入射瞳サイズと比例させるであろう。下記に説明される実施形態では、ディスプレイ画面１１０は、「ビーム倍増」として知られる技法を採用し、これは、個別の光ビーム２５０を複数の光ビームレットに倍増することによって、画像投影アセンブリ１０８からの各コリメート光ビーム２５０の小径入射瞳（例えば、約５０ミクロン〜１ｍｍ）を拡張させ、固定瞳距離にわたるユーザの片眼または両眼の入射瞳（例えば、約５ｍｍ〜７ｍｍ）に事実上合致する、光ビームレットアレイ射出瞳をもたらすように具体的に設計される、射出瞳拡張の方法を指す。着目すべきこととして、「ビーム倍増」技法が、ディスプレイ画面１１０において実施されるように本明細書に説明されるが、そのような「ビーム倍増」技法は、ディスプレイ画面１１０から上流の任意の類似基板システム／サブシステムを含む、画像生成システム１００内の任意の場所に適用されることができることを理解されたい。
【０１８８】
コリメート光２５０のビームが所与の充填率を達成するように倍増される必要がある程度は、コリメート光ビーム２５０の元の瞳サイズに依存するであろう。例えば、画像投影アセンブリ１０８によって出力されたコリメート光ビーム２５０の元の瞳サイズが、５００ミクロンである場合、そのような瞳サイズは、所望の充填率を達成するために、１０倍倍増される必要があり得る一方、画像投影アセンブリ１０８によって出力されたコリメート光ビームの元の瞳サイズが、５０ミクロンである場合、そのような瞳孔は、所望の充填率を達成するために、１００倍倍増される必要があり得る。
【０１８９】
好ましくは、ディスプレイ画面の光ビームレットアレイ射出瞳は、光ビームレットで完全に内部充填または飽和され、波面密度を最大限にし、被写界深度を最小限にする。射出瞳内の光ビームレットの内部充填が、あまりに疎密である場合、ディスプレイ画面の波面密度および被写界深度が、損なわれ、光ビームレットの直径が、あまりに小さい場合、ディスプレイ画面の角度分解能が、損なわれるであろう。
【０１９０】
理論上、ディスプレイ画面１１０の厚さは、ディスプレイ画面１１０の中に入力される、単一のコリメート光ビーム２５０から作成された光ビームレットの数を増加させ、それによって、光ビームレットでの射出瞳の内部充填を増加させるように低減されることができる。しかしながら、耐久性および製造限界に起因して、ディスプレイ画面１１０は、薄くされる程度は限られ、それによって、射出瞳の内部充填を限定し得る。また、画像投影アセンブリ１０８からディスプレイ画面１１０の中に透過される、コリメート光ビーム２５０の入射瞳は、光ビームレットでの射出瞳の内部充填を増加させるために、理論上、増加されることができるが、これは、画像投影アセンブリ１０８のサイズの比例増加を要求し、それによって、ＶＲ／ＡＲシステムの装着性に負の様式で影響を及ぼすであろう。重要なこととして、下記に説明される実施形態は、画像投影アセンブリ１０８のサイズの増加を要求せずに、射出瞳の内部充填を増加させる。
【０１９１】
この目的を達成するために、ディスプレイ画面１１０は、エンドユーザ５０の片眼５２（単眼）または両眼５２（双眼）への表示のために、コリメート光ビーム２５０（画像情報を搬送する）の有効入射瞳を拡張させる、瞳エクスパンダ（ＰＥ）としての役割を果たす。ディスプレイ画面１１０は、平面光学導波管１７２と、平面光学導波管１７２の中に光学的に結合される、コリメート光ビーム２５０の有効入射瞳を２次元的に拡張させるために平面光学導波管１７２と関連付けられる、１つ以上の回折光学要素（ＤＯＥ）１７４とを含む、導波管装置１７０の形態をとる。代替実施形態では、導波管装置１７０は、複数の平面光学導波管１７２と、それぞれ、平面光学導波管１７２と関連付けられる、ＤＯＥ１７４とを備えてもよい。
【０１９２】
図６に最良に図示されるように、平面光学導波管１７２は、第１の端部１７６ａと、第２の端部１７６ｂとを有し、第２の端部１７６ｂは、平面光学導波管１７２の長さ１７８に沿って第１の端部１７６ａに対向する。平面光学導波管１７２は、第１の面１８０ａと、第２の面１８０ｂとを有し、少なくとも第１および第２の面１８０ａ、１８０ｂ（集合的に、１８０）は、平面光学導波管１７２の長さ１７８の少なくとも一部に沿って、少なくとも部分的に、内部反射光学経路（実線矢印１８２ａおよび破線矢印１８２ｂによって図示され、集合的に、１８２）を形成する。平面光学導波管１７２は、光が画定された臨界角未満において面１８０に衝打するための実質的全内部反射（ＴＩＲ）を提供する、種々の形態をとってもよい。
【０１９３】
ＤＯＥ１７４（二重鎖線によって図５および６に図示される）は、ＴＩＲ光学経路１８２を中断し、平面光学導波管１７２の長さ１７８の少なくとも一部に沿って延在する、平面光学導波管１７２の内部１８５ａと外部１８５ｂとの間の複数の光学経路（実線矢印１８４ａおよび破線矢印１８４ｂによって図示され、集合的に、１８４）を提供する、多種多様な形態をとってもよい。下記にさらに詳細に説明されるであろうように、光は、内部反射光学経路に沿って、平面光学導波管１７２内を伝搬し、種々の位置において、異なる内部反射光学経路に沿って回折されるか、または平面光学導波管１７２の面１８０ｂから外に回折されるかのいずれかである、光ビームレットに光を分割するためのＤＯＥ１７４と交差する。
【０１９４】
図示される実施形態では、ＤＯＥ１７４は、１つ以上の回折格子を備え、それぞれ、光を異なる方向に進行するいくつかのビームの中に分割および回折させる、光波長のような周期的構造を伴う、光学コンポーネントとして特徴付けられることができる。回折格子は、例えば、基板上にフォトリソグラフ印刷され得る、表面ナノ隆起、ナノパターン、細隙等から成ることができる。ＤＯＥ１７４は、見掛けオブジェクトの位置付けおよび見掛けオブジェクトの焦点面をもたらし得る。これは、フレーム毎、サブフレーム毎、またはさらにピクセル毎に達成されてもよい。
【０１９５】
図６に図示されるように、光は、ＴＩＲ伝搬から生じる少なくともいくつかの反射または「バウンス」を伴って、平面光学導波管１７２に沿って伝搬する。いくつかの実装は、反射を促進し得る、例えば、薄膜、誘電コーティング、金属コーティング等、１つ以上の反射体を内部光学経路内に採用してもよいことに留意されたい。光は、平面光学導波管１７２の長さ１７８に沿って伝搬し、長さ１７８に沿って種々の位置においてＤＯＥ１７４と交差する。ＤＯＥ１７４は、平面光学導波管１７２内に組み込まれる、または平面光学導波管１７２の面１８０のうちの１つ以上のものに当接もしくは隣接してもよい。ＤＯＥ１７４は、少なくとも２つの機能を遂行する。ＤＯＥ１７４は、光の角度を偏移させ、光の一部をＴＩＲから逃散させ、内部１８５ａから、平面光学導波管１７２の面１８０を介して、外部１８５ｂ面に出現させる。ＤＯＥ１７４は、外部結合光を視認距離に集束させる。したがって、平面光学導波管１７２の面１８０を通して見ると、１つ以上の視認距離においてデジタル画像が見える。
【０１９６】
２つの異なる角度のうちの１つにおいて導波管１７２に入射する、コリメート光ビーム２５０は、２つのＴＩＲ光学経路１８２ａ、１８２ｂのうちの１つを辿り、外部光学経路１８５ａ、１８５ｂの２つのセットのうちの１つに沿って、平面光学導波管１７２から出射する光ビームレット２５６をもたらすであろう。すなわち、ＴＩＲ光学経路１８２ａによって表される角度において導波管１７２に入射する、コリメート光ビーム２５０ａは、外部光学経路１８５ａのセットに沿って平面光学導波管１７２から出射する光ビームレット２５６ａをもたらし、ＴＩＲ光学経路１８２ｂによって表される角度において導波管１７２に入射する、コリメート光ビーム２５０ｂは、外部光学経路１８５ｂのセットに沿って平面光学導波管１７２から出射する光ビームレット２５６ｂをもたらすであろう。
【０１９７】
前述から、ディスプレイサブシステム１０４は、１つ以上の仮想オブジェクトの画像をユーザに提示する、ピクセル情報の一連の合成画像フレームを生成することが理解され得る。ディスプレイサブシステムを説明するさらなる詳細は、「Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」と題された米国特許出願第１４／２１２，９６１号と、「Ｐｌａｎａｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｗｉｔｈ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ（ｓ）  ａｎｄ  Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ｓａｍｅ」と題された米国特許出願第１４／６９６，３４７号（参照することによって明示的に本明細書に組み込まれる）とに提供される。
【０１９８】
上記に説明されるように、図４は、画像を単一深度平面に投影させるための基本光学システム４００を描写する。図７は、別の光学システム４００’を描写し、これは、光源４２０と、３つのＬＯＥ４９０と、３つの個別の内部結合格子４９２とを含む。光学システム４００’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４６２（光を個別のＬＯＥに指向するため）と、３つのＬＣシャッタ４６４（ＬＯＥが照明されるときを制御するため）とを含む。システム４００’が、使用中のとき、光源４２０からの光ビームは、３つのビームスプリッタ４６２によって、３つのサブビーム／ビームレットに分割される。３つのビームスプリッタはまた、ビームレットを個別の内部結合格子４９２に向かって再指向する。ビームレットが、個別の内部結合格子４９２を通して、ＬＯＥ４９０に入射後、それらは、実質的ＴＩＲによって、ＬＯＥ４９０に沿って伝搬し、そこで、それらは、ユーザの眼への表示をもたらす、付加的光学構造と相互作用する。光学経路の遠側上の内部結合格子４９２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４９２を通して次のＬＯＥ４９０に通過しないように防止することができる。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタ４６２は、波長フィルタと組み合わせられ、赤色、緑色、および青色ビームレット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ＬＯＥ４９０は、カラー画像を単一深度平面に表示するために要求される。別の実施形態では、ＬＯＥ４９０はそれぞれ、同様の色または異なる色のいずれかのユーザの視野内で側方に角度的に変位される、より大きい単一の深度平面画像面積の一部を提示してもよい（「タイル状にされた視野」）。
【０１９９】
図８は、６つのビームスプリッタ４６２と、６つのＬＣシャッタ４６４と、それぞれ、個別のＩＣＧ４９２を有する、６つのＬＯＥ４９０とを有する、さらに別の光学システム４００’’を描写する。図７の議論の際に前述のように、３つのＬＯＥ４９０は、カラー画像を単一深度平面に表示するために要求される。したがって、本システム４００’’の６つのＬＯＥ４９０は、カラー画像を２つの深度平面に表示することが可能である。
【０２００】
図１０は、ＩＣＧ４９２と、直交瞳エクスパンダ４９４（「ＯＰＥ」）と、射出瞳エクスパンダ４９６（「ＥＰＥ」）とを有する、ＬＯＥ４９０を描写する。
【０２０１】
図４−９に示されるように、深度平面、フィールドタイル、または生成される色の数が、増加するにつれて（例えば、増加されたＭＲシナリオ品質を伴う）、ＬＯＥ４９０およびＩＣＧ４９２の数も、増加する。例えば、単一ＲＧＢカラー深度平面は、３つのＩＣＧ４９２を伴う、少なくとも３つのＬＯＥ４９０を要求する。その結果、任意の画像欠陥（例えば、限定されるビーム径からのぼけ）もまた、ＭＲシナリオ品質を損なわせる付加的機会に伴って倍増される。したがって、容認可能ＭＲシナリオを生成するために要求される光学要素の数の増加は、画質問題を悪化させる。
【０２０２】
上記に議論されるＬＯＥ４９０は、加えて、射出瞳エクスパンダ４９６（「ＥＰＥ」）として機能し、光源４２０の開口数を増加させ、それによって、システム４００の分解能を増加させることができる。光源４２０は、小径／スポットサイズの光を生産するため、ＥＰＥ４９６は、ＬＯＥ４９０から出射する光の瞳の見掛けサイズを拡張させ、システム分解能を増加させる。ＭＲシステム４００の他の実施形態では、本システムはさらに、ＥＰＥ４９６に加え、直交瞳エクスパンダ４９４（「ＯＰＥ」）を備え、光をＸおよびＹ方向の両方に拡張させてもよい。ＥＰＥ４９６およびＯＰＥ４９４についてのさらなる詳細は、上記で参照される米国実用特許出願第１４／５５５，５８５および米国実用特許出願第１４／７２６，４２４号（その内容は、参照することによって前述に組み込まれている）に説明される。
【０２０３】
図１０は、ＩＣＧ４９２と、ＯＰＥ４９４と、ＥＰＥ４９６とを有する、ＬＯＥ４９０を描写する。図１０は、ユーザの眼からのビューに類似する、上方視からのＬＯＥ４９０を描写する。ＩＣＧ４９２、ＯＰＥ４９４、およびＥＰＥ４９６は、体積または表面レリーフを含む、任意のタイプのＤＯＥであってもよい。
【０２０４】
ＩＣＧ４９２は、ＴＩＲによる伝搬のために、光源４２０からの光を取り込むように構成される、ＤＯＥ（例えば、線形格子）である。図１０に描写される実施形態では、光源４２０は、ＬＯＥ４９０の側面に配置される。
【０２０５】
ＯＰＥ４９４は、システム４００を通して伝搬する光ビームが、９０度側方に偏向されるであろうように、側方平面において（すなわち、光経路と垂直に）傾けられる、ＤＯＥ（例えば、線形格子）である。ＯＰＥ４９４はまた、光ビームが、ＯＰＥ４９４を通して部分的に通過し、複数（例えば、１１）のビームレットを形成するように、光経路に沿って、部分的に透過性かつ部分的に反射性である。いくつかの実施形態では、光経路は、Ｘ軸に沿ってあり、ＯＰＥ４９４は、ビームレットをＹ軸に対して屈曲させるように構成される。
【０２０６】
ＥＰＥ４９６は、システム４００を通して伝搬するビームレットが、９０度軸方向に偏向されるであろうように、軸方向平面において（すなわち、光経路と平行またはＹ方向に）傾けられる、ＤＯＥ（例えば、線形格子）である。ＥＰＥ４９６もまた、ビームレットが、ＥＰＥ４９６を部分的に通して通過し、複数（例えば、７つ）のビームレットを形成するように、光経路（Ｙ軸）に沿って部分的に透過性かつ部分的に反射性である。ＥＰＥ４９６はまた、Ｚ方向に傾けられ、伝搬するビームレットの一部をユーザの眼に向かって指向させる。
【０２０７】
ＯＰＥ４９４およびＥＰＥ４９６は両方ともまた、Ｚ軸に沿って少なくとも部分的に透過性であって、実世界光（例えば、実世界オブジェクトから反射する）が、Ｚ方向にＯＰＥ４９４およびＥＰＥ４９６を通して通過し、ユーザの眼に到達することを可能にする。いくつかの実施形態では、ＩＣＧ４９２はまた、Ｚ軸に沿って少なくとも部分的に透過性であって、実世界光を取り込む。
【０２０８】
図１１Ａは、眼６００に入射し、水晶体６０２によって、網膜６０４上の小スポット６１２に集束される、第１の光ビーム６１０を示す。好ましくは、小スポット６１２は、ほぼ網膜６０４上の光受容体のサイズである。第１の光ビーム６１０に対応する第１の画像または画像の第１の部分は、図１１Ｂにおけるグラフ中の第１の光ビーム６１０に対応するエネルギー分布曲線６１４によって示されるように、合焦している。図１１Ａはまた、眼６００に入射し、水晶体６０２によって、網膜６０４上のより大きいスポット６２２に集束される、第２の光ビーム６２０を描写する。第２の光ビーム６２０（より大きいスポット６２２を伴う）に対応する第２の画像または画像の第２の部分は、図１１Ｂにおけるグラフ中の第２の光ビーム６２０に対応するエネルギー分布曲線６２４によって示されるように、あまり合焦していない（例えば、焦点がずれている）。図１１Ｂは、水晶体によって網膜上に集束されるような２つの実世界光ビームのエネルギー分布パターンを描写する。
【０２０９】
図１２Ａは、第２の光ビーム７２０が網膜７０４上の小スポット７２２に集束されるように遠近調節される、水晶体７０２を伴う、眼７００を示す。その結果、第２の光ビーム７１０に対応する第２の画像または画像の第２の部分は、図１２Ｂにおけるグラフ中の第２の光ビーム７２０に対応するエネルギー分布曲線７２４によって示されるように、合焦している。しかしながら、図１２Ａでは、第１の光ビーム７１０は、網膜７０４上のより大きいスポット７１２に集束され、より大きいスポット７１２を網膜７０４上にもたらす。第１の光ビーム７１０（より大きいスポット７１２を伴う）に対応する第１の画像または画像の第１の部分は、図１２Ｂにおけるグラフ中の第１の光ビーム７１０に対応するエネルギー分布曲線７１４によって示されるように、あまり合焦していない（例えば、焦点がずれている）。図１２Ｂは、水晶体によって網膜上に集束されるような２つの実世界光ビームのエネルギー分布パターンを描写する。
【０２１０】
網膜上のビームスポットのサイズは、以下のように、画像の分解能に影響を及ぼす。眼の機能は、複数の光の点源（例えば、放出または反射された）から成る、「３−Ｄ」場面に関連する光情報を収集することである。例えば、木は、太陽からの光を反射させる、数百万の光の点源を含み得る。眼（例えば、その中の水晶体）は、光ビームを網膜上のスポットに屈曲させる。理想的には、網膜上のビームスポットは、光受容体のサイズである。オブジェクト上に良好に合焦される、眼は、オブジェクトからの光ビームを網膜上の可能な限り小さいスポットに集束させるであろう。眼が、オブジェクトに対して焦点がずれているとき、光ビームは、網膜の正面または背後に集束され、スポットは、点の代わりに、円形に近くなる。より広い円形スポットは、網膜上のいくつかの光受容体上に衝突し、視認者の後頭皮質によって解釈される際にぼけた画像をもたらし得る。さらに、より小さいビームスポット（例えば、２〜３ｍｍ直径ビーム）は、スポットサイズ（すなわち、ぼけまたは合焦）を水晶体遠近調節に伴ってより迅速に変化させるであろう。他方では、より大きいビームスポット（例えば、０．５ｍｍ直径ビーム）は、スポットサイズ（すなわち、ぼけまたは合焦）をレンズ遠近調節に伴って変化させないであろう。
【０２１１】
図１３Ａは、第１および第２の光ビーム８１０、８２０が、網膜８０４上の個別のより大きいスポット８１２、８２２に集束されるように遠近調節される、水晶体８０２を伴う、眼８００を示す。その結果、第１および第２の光ビーム８１０、８２０に対応する第１および第２の画像もしくは１つ以上の画像の第１および第２の部分は、図１３Ｂにおけるグラフ中の第１および第２の光ビーム８１０、８２０に対応するエネルギー分布曲線８１４、８２４によって示されるように、合焦している画像と比較して、あまり合焦していない（例えば、焦点がずれている）。図１３Ｂは、水晶体によって網膜上に集束されるような２つの実世界光ビームのエネルギー分布パターンを描写する。図１１Ａ−１３Ｂに示されるように、単一水晶体の解剖学的構造は、異なる入射角を有する２つの光ビームを並行して合焦させることを困難にする。一方のビームが、合焦しているとき、他方のビームは、焦点がずれるであろう。図１３Ａおよび１３Ｂに示されるように、水晶体を２つの光ビームの中間焦点に遠近調節する試みは、２つの焦点がずれた画像または１つ以上の画像の部分をもたらし得る。解剖学的限界の結果、単一水晶体が、光ビームまたは視野（「ＦＯＶ」）の一部を合焦させると、他の光ビームまたはＦＯＶの部分は、焦点がずれるであろう。
【０２１２】
本画像焦点限界が増すにつれ、種々の他の光学的、解剖学的、および技術的限界をもたらす。画像分解能は、ビーム径およびビーム角度（「光学不変量」）の関数であって、これは、分解可能スポットの数に結び付けられる（例えば、レーザスキャナ産業におけるように）。光学不変量は、ピクセルの数によって乗算される、ピクセルによって集光された開口数に関連する。より大きい光ビーム径は、より高い画像分解能をもたらす。より小さい光ビーム径は、増加光ビーム角度を保存し、ＦＯＶを最大限にする能力をもたらす。これらの光学限定は、ビーム径が、画像分解能および光ビーム角度の両方に影響を及ぼし、画質とＦＯＶサイズとの間のトレードオフをもたらすため、ビーム径最適化を困難にする。
【０２１３】
図１４Ａ−１４Ｂは、光ビーム径と画像分解能との間の関係を実証する。図１４Ａに示されるように、最大限サイズのビーム径９１６（例えば、眼９００の瞳孔全体を充填するために十分である、または約２〜３ｍｍ）を有する、光ビーム９１０は、所与の眼９００のための最小スポットサイズ９１２を生成する。小スポットサイズ９１２は、図１４Ｂにおけるエネルギー分布曲線９１４に示されるように、対応する合焦している画像またはその一部をもたらす。図１４Ｂは、水晶体によって網膜上に集束されるような実世界光ビームのエネルギー分布パターンを描写する。光ビーム９１０のより大きい直径は、眼９００が、水晶体９０２の形状を変化させることによって、光ビーム９００を集束させることを可能にする。最大限サイズの光ビームを集束させる能力は、増加された画像分解能をもたらす。しかしながら、より小さいビーム径１０１６（例えば、約０．５ｍｍ）を有する、光ビーム１０１０は、図１５Ａに示されるように、より大きいスポットサイズ１０１２を生成する。より大きいスポットサイズ１０１２は、図１５Ｂにおけるエネルギー分布曲線１０１４に示されるように、対応する焦点がずれた画像またはその一部をもたらす。図１５Ｂは、水晶体によって網膜上に集束されるような実世界光ビームのエネルギー分布パターンを描写する。
【０２１４】
さらに、光ビーム径が、約０．５ｍｍである場合、一部の眼では、開ループ遠近調節となり、その結果、全てのものが、同一の不良焦点レベルで現れるであろう。ピンホールカメラにおけるように、ＦＯＶ全体が、図１５Ａおよび１５Ｂに示されるように、網膜空間が、小さすぎて、その上に表示されるより大きいスポットを分解することができないため、等しくかつ不良に集束されるであろう。さらに、光ビーム径が、約０．５ｍｍである場合、瞳孔は、完全に開放した状態となり、光の点源の周囲の後光等、光学収差をもたらし得る。
【０２１５】
上記に説明されるように、種々の他の光学的、解剖学的、および技術的限界は、頭部装着型ディスプレイの性能限界をもたらす。例えば、より小さい直径（例えば、約０．５ｍｍ）を伴う光ビームは、より大きい直径（例えば、約２〜３ｍｍ）を伴う光ビームと比較して、より低い画像分解能および光学収差をもたらすであろう。他方では、より大きい直径（例えば、約２〜３ｍｍ）を伴う光ビームは、より小さい直径（例えば、約０．５ｍｍ）を伴う光ビームと比較して、より狭いＦＯＶをもたらすであろう。画像分解能とＦＯＶの平衡は、準最適画像分解能およびＦＯＶをもたらす。
【０２１６】
以下の開示は、複数（例えば、アレイ）のより小さい直径の光ビームを使用してより大きい直径光ビームをシミュレート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。これらのビーム倍増システムおよび方法は、図１６Ａに示されるように、瞳孔を通して通過し、網膜１１０４上に衝突する、相互に関連し、相互作用し、クローン化される、ビームレット１１１６の束を生成する。ビームアレイ、相対的間隔、およびビーム径の組み合わせは、密集したエネルギー像を網膜１１０４に生成することができる（図１６Ｂ参照）。図１６Ｂは、光ビームの相互の光学相互作用を含む、水晶体１１０２によって網膜１１０４上に集束されるような実世界光ビームのアレイのエネルギー分布パターンを描写する。ビームアレイの干渉および他の光学性質（例えば、コヒーレント性、位相均一性等）を通して、サイドローブ（一定電力）におけるエネルギーを排除することによって、光エネルギー（例えば、放射照度、ピーク強度等）は、図１６Ｂにおけるグラフ中のビームレット１１１６に対応するエネルギー分布曲線１１１４によって示されるように、グラフの中央に集中される。本集束された光エネルギーは、ひいては、より高い画像分解能を伴って、より集束された画像を生成する。例えば、ビームレット１１１６を横断したコヒーレント性および位相均一性は、比較的に高ピーク値および減衰されたサイドローブを有する、エネルギー分布に対応し得、したがって、比較的に合焦され、外観上鮮明な画像をもたらす役割を果たし得る。実際、クローン化されたより小さい直径ビームレット１１１６のアレイは、より大きい直径ビーム９１０によって生成された鋭的点拡がり関数９１４（図１４Ａおよび１４Ｂ参照）に近似する鋭的点拡がり関数１１１４を伴って、より小さいスポット１１１２を網膜１１０４上に生成する。より小さい直径ビームレット１１１６のアレイは、システムがビーム径限界（回折および／またはデバイスサイズ限界から生じる）を克服することを可能にする。同時に、より小さい直径光ビームのシステムの使用は、より広いＦＯＶをもたらす。
【０２１７】
複数／アレイのビームレット（それぞれ、より小さい直径を伴う）は、はるかに大きい直径の光ビームからの光エネルギーをシミュレートし、画像分解能を増加させる一方、より小さいビーム径に基づいて、より広いＦＯＶを維持する。
【０２１８】
図１７Ａは、ビームレット１２１６のアレイを単一入射光ビーム１２１０から生成する、ＬＯＥ４９０を図式的に描写する（下記に説明されるビーム倍増管参照）。虹彩１２０８によって形成される瞳孔１２０６を通して通過する、ビームレット１２１６の一部は、水晶体１２０２によって集束される。図１７Ａは、複数のビームレット１２１６を描写するが、図１７Ａは、いくつかの実施形態による、２次元ビームレットのアレイを図示しない。図１７Ｂは、虹彩１２０８によって形成される瞳孔１２０６を通して通過するビームレットアレイからの選択ビームレット１２０６を図式的に描写する。
【０２１９】
ビームレットスポットの間隔もまた、画質に影響を及ぼし得る。図１８Ａに示されるように、網膜上のビームレットスポット１３１６は、重複され得、各ビームレットスポット１３１６は、１つを上回る光受容体を被覆する。コヒーレントかつ同相であるとき、図１８Ａに描写されるビームレットスポット１３１６の分布パターンは、合焦し、鮮明に現れる、画像をもたらし得る。しかしながら、各ビームレットスポット１３１６が、１つを上回る光受容体上に衝突するとき、または単一光受容体上に衝突する複数のビームレットスポットの位相差が存在するとき、結果として生じる画像は、外観上、それほど鮮明ではなくなり得る。図１８Ｂおよび１８Ｃは、網膜上の他のビームレットスポット１３１６分布パターンを描写し、各ビームレットスポット１３１６は、ほぼ１つの光受容体を被覆し得る。概して、これらの分布パターンは、図１８Ａのものよりコヒーレント性および位相均一性によってあまり影響され得ないため、非常に合焦し、鮮明に現れる、画像をもたらし得る。故に、ビームアレイアーキテクチャ、相対的ビーム／ビームレット間隔、およびビーム／ビームレット径は、網膜における画像の分解能／鮮明度に影響を及ぼし得る、要因である。
【０２２０】
図１９は、ビーム倍増管１４３０（すなわち、薄いビーム倍増管）を描写し、これは、ＬＯＥ４９０のＯＰＥ４９４および／またはＥＰＥ４９６等の光誘導光学要素であってもよい（図６７参照）。入力ビーム１４１０は、ビーム倍増管１４３０に入射し（例えば、ＩＣＧまたは他の入射部分を介して）、実質的ＴＩＲによって、ビーム倍増管１４３０を辿って進行する。入力ビーム１４１０が、ビーム倍増管１４３０を辿って進行するにつれて、入力ビーム１４１０が外部結合格子（「ＯＣＧ」）１４９８と相互作用する度に、入力ビーム１４１０の一部は、ＯＣＧ１４９８を介して、ビーム倍増管１４３０から出射する。ＯＣＧ１４９８は、光ビームの一部がビーム倍増管１４３０から出射する一方、光ビームの別の部分が実質的ＴＩＲを介して、ビーム倍増管１４３０に沿って伝搬することを可能にするように構成される。ＯＣＧ１４９８は、体積または表面レリーフを含む、任意のタイプの回折光学要素であってもよい。ビーム倍増管１４３０は、単一入力ビーム１４１０を３つの出力ビームレット１４１６にクローン化し、それぞれ、入力ビーム１４１０と同一ピクセル情報をエンコードする。
【０２２１】
ビーム倍増管１４３０は、図１９では、側面図で描写されるが、ビーム倍増管１４３０は、図６７に示されるＯＰＥ４９４および／またはＥＰＥ４９６のような長さおよび幅を有してもよい。さらに、入力ビーム１４１０は、概して、左から右方向に伝搬するように描写されるが、ビーム倍増管１４３０は、光ビームを、限定ではないが、ビームレット１４１６のアレイを生成する、ジグザグパターンを含む、種々のパターンで指向するように構成されてもよい（例えば、図１８Ｂ参照）。
【０２２２】
図２０に示されるように、ビーム倍増管１５３０から出射するビームレット１５１６の一部（すなわち、１つ）のみが、虹彩１５０８によって画定された瞳孔１５０６を通して通過し、水晶体１５０２によって集束される。したがって、ビーム倍増を用いても、ビームレット１５１６の間隔が、ユーザによって知覚される実際のビームの数に影響を及ぼし得る。図２０はまた、ビーム倍増管１５３０の長さあたりの入力ビーム１５１０のバウンスの回数が、ビーム倍増管１５３０の所与の長さから出射するビームレット１５１６の数を決定することを示す。
【０２２３】
図２１は、いくつかの実施形態による、より薄いビーム倍増管１６３０’を描写する。より厚いビーム倍増管１６３０もまた、比較のために描写される。ほぼ同一長さにわたって、各入力光ビーム１６１０（入射角は、２つの倍増管間で保存される）は、より厚いビーム倍増管１６３０と比較して、より薄いビーム倍増管１６３０’において、より多くの回数、バウンスする。入力光ビーム１６１０は、ビーム１６１０がより薄いビーム倍増管１６３０’の各表面に遭遇する前に横断する距離が短いため、より高い空間周波数で往復してバウンスする。故に、より高い密度のビームレットが、より厚いビーム倍増管１６３０と比較して、より薄いビーム倍増管１６３０’から出現する。例えば、各入力光ビーム１６１０は、より薄いビーム倍増管１６３０’内では、１３回バウンスする一方、類似入力光ビーム１６１０は、より厚いビーム倍増管１６３０内では、３回のみバウンスする。より薄いビーム倍増管１６３０’は、より厚いビーム倍増管１６３０と比較して、ビーム倍増管の長さあたりより多くのビーム倍増（すなわち、クローン化）を提供する。さらに、クローン化効率における本線形増加が、２次元（例えば、長さおよび幅）にわたって倍増されるとき、低減されたビーム倍増管厚からのクローン化効率の増加は、指数関数的となる。２次元への倍増ビームレット間の個別の間隔は、必ずしも、同一ではない（但し、対称性が、好ましい）。さらに、より薄いビーム倍増管１６３０’は、増加されたビームにもかかわらず、コヒーレント相互作用を通して重複を減少させ得る。
【０２２４】
図１９−２１に描写されるビーム倍増管は、光を実質的に反対方向に反射させ、実質的ＴＩＲを有効にする、２つの対向する反射性表面を含む。他の実施形態では、ビーム倍増管は、２つを上回る反射性表面を含む。例えば、図２２Ａに描写される多表面ビーム倍増管１７３０は、第１および第２の光誘導光学サブ要素（「ＬＯＳ」）１７３０Ａ、１７３０Ｂを含む。第１のＬＯＳ１７３０Ａは、２つ（すなわち、第１および第２）の対向する反射性表面１７３２、１７３４を有するという点で、図２０に描写されるビーム倍増管１５３０に類似する。図２２Ａに描写される第２のＬＯＳ１７３０Ｂは、光を第１のＬＯＳ１７３０Ａ内の第２の反射性表面１７３４と実質的に同一方向に反射させる、第３の反射性表面１７３６を有する。
【０２２５】
第２のＬＯＳ１７３０Ｂは、入射光ビーム１７１０が、少なくとも部分的に、第１のＬＯＳ１７３０Ａを通して通過し、第２のＬＯＳ１７３０Ｂに入射するように、第１のＬＯＳ１７３０Ａにわたって配置される。入射光ビーム１７１０が、第１のＬＯＳ１７３０Ａを通して通過するにつれて、その一部は、第２の反射性表面１７３４によって部分的に反射される。第２のＬＯＳ１７３０Ｂを通して通過する、入射光ビーム１７１０の一部は、第３の反射性表面１７３６によって、第２の反射性表面１７３４によって反射された入射光ビーム１７１０の一部と実質的に同一方向に反射される。第２のＬＯＳ１７３０Ｂおよびその第３の反射性表面１７３６の追加は、実質的ＴＩＲによって第１および第２のＬＯＳ１７３０Ａ、１７３０Ｂに沿って伝搬するビームレット１７１６の数の倍増をもたらす。
【０２２６】
図２２Ａに描写される第２のＬＯＳ１７３０Ｂの厚さは、第３の反射性表面１７３６から反射するビームレット１７１６の一部が、第２の反射性表面１７３４から反射するビームレット１７１６と実質的に重複するようなものである。ビームレット１７１６の一部が相互に異相である状況に関して、そのような重複は、位相不整合ビームレット間の破壊的干渉の影響を増幅させる役割を果たし得る。加えて、高レベルの重複は、ビームレット１７１６の数の倍増の程度を最小限にする役割を果たし得る。例えば、第２および第３の反射性表面１７３４、１７３６からの第１のバウンスは、ビーム１７１０／ビームレット１７１６の数を１から２に倍増させるが、第２のバウンスは、ビームレット１７１６の数を２から３に倍増させるにすぎない。ビームレット１７１６の少なくとも一部が重複する程度は、入力ビーム１７１０径および／または入力ビーム１７１０分離を調節するによって制御されることができ、両方とも、実質的ＴＩＲの間、実質的に保存される。例えば、ビームレット１７１６の数の中からの２つの隣接するビームレットの縁間の距離は、入力ビーム１７１０の直径を低減させることによって増加され得る。
【０２２７】
図２２Ｂに描写されるビーム倍増管１７３０は、図２２Ａに描写されるビーム倍増管１７３０のような第１および第２のＬＯＳ１７３０Ａ、１７３０Ｂを含む。しかしながら、第２のＬＯＳ１７３０Ｂの厚さは、第３の反射性表面１７３６から反射するビームレット１７１６が、第２の反射性表面１７３４から反射するビームレット１７１６と重複しないように調整／選択されている。その結果、図２２Ｂに描写されるビーム倍増管１７３０は、図２２Ａに描写されるビーム倍増管１７３０より高いビームレット倍増度を有する。例えば、第２および第３の反射性表面１７３４、１７３６からの第１のバウンスは、ビーム１７１０／ビームレット１７１６の数を１から２に倍増させるが、第２のバウンスは、ビームレット１７１６の数を２から４に倍増させる。本パターンを継続すると、第２および第３の反射性表面１７３４、１７３６からの各バウンスは、実質的に指数関数的成長において、ビームレット１７１６の数を２倍にする。
【０２２８】
図２３に描写されるビーム倍増管１８３０は、図２２Ａに描写されるビーム倍増管１７３０のような第１および第２のＬＯＳ１８３０Ａ、１８３０Ｂを含む。ビーム倍増管１７３０、１８３０間の差異は、図２３に描写される第２のＬＯＳ１８３０Ｂが、第３の反射性表面１８３６に加え、第４の反射性表面１８３８を有することである。第３および第４の反射性表面１８３６、１８３８は、第２のＬＯＳ１８３０Ｂの反対側上に配置され、光を実質的に反対方向に反射させる。
【０２２９】
第２のＬＯＳ１８３０Ｂは、入射光ビーム１８１０が、少なくとも部分的に、第１のＬＯＳ１８３０Ａを通して通過し、第２のＬＯＳ１８３０Ｂに入射するように、第１のＬＯＳ１８３０Ａにわたって配置される。入射光ビーム１８１０が、第１のＬＯＳ１８３０Ａを通して通過するにつれて、その一部は、第２の反射性表面１８３４によって部分的に反射される。第２のＬＯＳ１８３０Ｂを通して通過する、入射光ビーム１８１０の一部は、第３の反射性表面１８３６によって、第２の反射性表面１８３４によって反射された入射光ビーム１８１０の一部と実質的に同一方向に反射される。反射されたビームレット１８１６が、第２のＬＯＳ１８３０Ｂから出射する前に、反射されたビームレット１８１６の一部は、第４の反射性表面１８３８によって、第３の反射性表面１８３６に向かって戻るように反射される。第２のＬＯＳ１８３０Ｂ内の第４の反射性表面１８３８の追加は、図２２Ａに描写されるビーム倍増管１７３０と比較してさえ、実質的ＴＩＲによって第１および第２のＬＯＳ１８３０Ａ、１８３０Ｂに沿って伝搬するビームレット１８１６の数のさらなる倍増をもたらす。図２３に示されるように、第４の反射性表面１８３８の追加は、光ビーム１８１０／ビームレット１８１６毎に付加的バウンスをもたらし、それによって、第１および第２のＬＯＳ１８３０Ａ、１８３０Ｂ（すなわち、光倍増管１８３０）との各相互作用において生産されたビームレットの数を倍増させる。
【０２３０】
図２４に描写されるビーム倍増管１９３０は、図２３に描写されるビーム倍増管１８３０のような第１および第２のＬＯＳ１９３０Ａ、１９３０Ｂを含む。ビーム倍増管１８３０、１９３０間の差異は、図２４に描写されるビーム倍増管１９３０が、第３のＬＯＳ１９３０Ｃを含むことである。第２のＬＯＳ１９３０Ｂのように、第３のＬＯＳ１９３０Ｃは、光を実質的に反対方向に反射させる、対向する反射性表面（すなわち、第５および第６の反射性表面１９４０、１９４２）を含む。第５および第６の反射性表面１９４０、１９４２は、第３のＬＯＳ１９３０Ｃの反対側上に配置される。
【０２３１】
第３のＬＯＳ１９３０Ｃは、入射光ビーム１９１０が、第１および第２のＬＯＳ１９３０Ａ、１９３０Ｂを少なくとも部分的に通して通過し、第３のＬＯＳ１９３０Ｃに入射するように、第２のＬＯＳ１９３０Ｂ（したがって、第１のＬＯＳ１９３０Ａ）にわたって配置される。入射光ビーム１９１０が、第１のＬＯＳ１９３０Ａを通して通過するにつれて、その一部は、第２の反射性表面１９３４によって部分的に反射される。同様に、入射光ビーム１９１０が、第２のＬＯＳ１９３０Ｂを通して通過するにつれて、その一部は、第３の反射性表面１９３６によって部分的に反射される。第２のＬＯＳ１９３０Ｂを通して通過する、入射光ビーム１９１０の一部は、第３の反射性表面１９３６によって、第２の反射性表面１９３４によって反射された入射光ビーム１９１０の一部と実質的に同一方向に反射された。同様に、第３のＬＯＳ１９３０Ｃを通して通過する、入射光ビーム１９１０の一部は、第５の反射性表面１９４０によって、それぞれ第２および第３の反射性表面１９３４、１９３６によって反射された入射光ビーム１９１０の一部と実質的に同一方向に反射される。
【０２３２】
反射されたビームレット１９１６が、第２のＬＯＳ１９３０Ｂから出射する前に、反射されたビームレット１９１６の一部は、第４の反射性表面１９３８によって、第３の反射性表面１９３６に向かって戻るように反射される。同様に、反射されたビームレット１９１６が、第３のＬＯＳ１９３０Ｃから出射する前に、反射されたビームレット１９１６の一部は、第６の反射性表面１９４２によって、第５の反射性表面１９４０に向かって戻るように反射される。第３のＬＯＳ１９３０Ｃおよびその第５および第６の反射性表面１９４０、１９４２の追加は、実質的ＴＩＲによって第１、第２、および第３のＬＯＳ１９３０Ａ、１９３０Ｂ、１９３０Ｃに沿って伝搬するビームレット１９１６の数のさらなる倍増をもたらす。図２４に示されるように、第３のＬＯＳ１９３０Ｃの追加は、光ビーム１９１０／ビームレット１９１６毎に、付加的対のバウンスをもたらし、それによって、第１、第２、および第３のＬＯＳ１９３０Ａ、１９３０Ｂ、１９３０Ｃ（すなわち、光倍増管１９３０）との各相互作用において生産されたビームレットの数を倍増させる。
【０２３３】
多表面ビーム倍増管は、積層プロセスを使用して加工されることができる。いくつかの実施形態では、第２の厚さを有する、第２の基板（例えば、第２のＬＯＳ）が、第１の厚さを有する、第１の基板（例えば、第１のＬＯＳ）上に積層される。２つの基板間の界面は、部分反射性（例えば、金属コーティング／半銀被膜ミラー、薄膜コーティング、ダイクロイックミラー、誘電体界面、回折格子、回折要素等）であってもよい。別の実施形態では、別個の導波管／ＬＯＥが、部分反射性界面とともに積層されることができる。
【０２３４】
さらに、第１および第２のＬＯＳ（およびシステム内の任意の複数のＬＯＳの種々の副次的組み合わせ）の厚さ比も、ビームレット重複によるビームレット倍増に影響を及ぼし得る。個別の厚さが、整数倍数または比率（すなわち、係数）である場合、クローン化されたビームレットは、それらが第１および第２のＬＯＳから出射するとき、重複し、ビームレット倍増度を低減させ得る。したがって、いくつかの実施形態（図２２Ｂ参照）では、第１のＬＯＳの第１の厚さは、第２のＬＯＳの第２の厚さの非偶数係数であってもよい。例えば、第１の厚さは、第２の厚さの０．３２５６倍（例えば、０．２または０．５の代わりに）であってもよい。複数のＬＯＳを伴う、準ランダムビームレットアレイは、角度に対して鈍感である、またはＬＯＳ厚さにおいて不完全性であり得る。
【０２３５】
ビーム倍増管はまた、種々の表面の反射性／透過性の程度（例えば、５０／５０以外）を変動させることによって調整されることができる。本および他の技法を使用して、倍増管は、ビームレットを横断してエネルギーの均一分布を有するように調整されることができる。中程度のビーム倍増量（例えば、眼の瞳孔を充填するために十分である）に関して、ビーム倍増管は、眼が異なるビームレットのセットを横断して掃引する際、ビームレット（およびそのグループ）が同一のエネルギー量を有することを確実にするために、２つであることができる。エネルギーの量をビームレットを横断して等化することは、ユーザの眼がＦＯＶを掃引する際の強度の降下（アーチファクト；ウィンキング）を最小限にする。ビームレットの数の指数関数的増加に伴って、ビームレットは、最終的に、ランダムに重複し、それによって、強度アーチファクトを低減させるであろう。
【０２３６】
図２５は、ＦＯＶの中心２０４４に向かって指向されるビームレット２０１６のための大部分の光（例えば、最適ビーム径／エネルギー分布を伴う）を生産するように調整／最適化される、ビーム倍増管２０３０を描写する。例えば、ビーム倍増管２０３０は、ビーム倍増管２０３０から出現するであろうビームレット２０１６の角度の関数として、光強度／エネルギーを変動させるように調整されることができる。ビームレット２０１６は、ビーム倍増管２０３０の表面により垂直となる／直交する（すなわち、より小さい入射角を有する）ように、ＦＯＶ１０の中心２０４４に向かって指向される。本設計は、一部のユーザの眼が、大部分の時間、指向されるであろう、ＦＯＶの中心２０４４におけるアーチファクトを最小限にする一方、同時に、画像を表示するために要求されるエネルギーの量を制御する。トレードオフとして、ビーム倍増管２０３０は、ＦＯＶの周辺部分におけるより偏心したビームレット２０１６に関してはあまり調整／最適化されていない。
【０２３７】
ＦＯＶは、万華鏡的に調整されるビーム倍増管を用いて拡張されてもよい。表面の相対的反射率は、ビーム倍増管が、光学的に重要な領域（例えば、ＦＯＶの中心）における稠密ビーム倍増と、光学的にあまり重要ではない領域（例えば、ＦＯＶの周縁）における疎密ビーム倍増とを有するように、調整されることができる。ＦＯＶは、限定ではないが、瞳孔間距離測定および瞳孔運動追跡を含む、種々のタイプの眼追跡に対して決定されることができる。
【０２３８】
図６７に描写されるＯＰＥ４９４およびＥＰＥ４９６は、相互に被覆／覆設されない。しかしながら、ＯＰＥが、ＥＰＥまたはその一部を覆設する場合、ＬＯＥ４９０からユーザの眼に向かって出射し得る、ビームの複数の反射（すなわち、鏡映ビーム）の増加された機会が存在する。鏡映ビームは、位相偏移され、アーチファクト（例えば、ブルズアイまたはフレネルゾーンアーチファクト「ＦＺＡ」）をもたらし得る。ＦＺＡを低減させる１つの方法は、反射防止性コーティングを使用して、鏡映ビームを低減させることによるものである。ＦＺＡを低減させる別の方法は、薄い導波管ＯＰＥをＥＰＥから分離することである。薄い導波管ＯＰＥの厚さもまた、薄い導波管ＯＰＥがビームレットを１つの波長に関して同相に戻すため（例えば、２π厚関係を使用して）、ＦＺＡが最小限にされるように調整されることができる。ビームレット間の相対的位相差は、波長および走査角度の関数である。薄い導波管ＯＰＥの厚さは、ヒトの眼が最も敏感な緑色光を伴うＦＺＡを最小限にするように調整されることができる。例えば、薄い導波管ＯＰＥは、５１５ｎｍ〜５４０ｎｍ、５２０ｎｍ（緑色）、または５３２ｎｍ（緑色）に関して調整されることができる。他の実施形態では、薄い導波管ＯＰＥは、４７５ｎｍ（青色）光または６５０ｎｍ（赤色）光を伴うＦＺＡを最小限にするように調整されることができる。ヒトの眼は、中心窩の周囲の環状領域において、青色光をより判別することが可能であるため、あるＦＺＡは、青色光に対してより有害であって、青色光に関するそれらのＦＺＡを最小限にすることは、画質を大幅に改良することができる。故に、薄い導波管ＯＰＥは、薄い導波管ＯＰＥの厚さが２π厚関係を有するように調整される場合、ＦＺＡを低減させながら、ＥＰＥを覆設することができる。
【０２３９】
図２６Ａおよび２６Ｂは、光が、隣接する層の中に部分的に透過されるのではなく、界面（屈折率間隙を伴う）における実質的ＴＩＲによって伝搬するであろうことを確実にする、屈折率間隙（例えば、空気間隙）２６０２を有する、ビーム倍増管２６００を描写する。倍増管を通した光経路ビームは、ＯＰＥ１２６０４（例えば、より厚いＬＯＳ）の中への入射から開始し、ＯＣＧ２６０６を介してＯＰＥ１２６０４から外に、ＩＣＧ２６１０を介してＯＰＥ２２６０８の中に、そして、ＯＰＥ２２６０８（例えば、より薄いＬＯＳ）を通る。屈折率間隙２６０２は、本ビーム倍増管２６００を通した光流を制御し、光が、ＯＣＧ２６０６およびＩＣＧ２６１０のみを介して、ＯＰＥ１２６０４とＯＰＥ２２６０８との間を通過することを可能にする。ＯＰＥ１２６０４およびＯＰＥ２２６０８の厚さを変動させることによって、異なる周期的関係が、ＯＰＥ１２６０４およびＯＰＥ２２６０８のために達成されることができる。これは、ビームレットクローン化のための異なる空間周波数を生成するように調整されることができる。上記に説明される可変光学（光修正）特性は、ＬＯＥ厚であるが、他の光学特性（回折率等）もまた、本明細書に説明されるものに類似する効果を達成するように変動されることができる。
【０２４０】
ＯＰＥ１２６０４のための２つの出射縁２６１２、２６１４が、存在する（図２６Ｂ参照）。いくつかの実施形態では、両出射縁は、ＯＰＥ２  ２６０８に結合される。別の実施形態では、ＯＰＥ１  ２６０４の回折効率は、ＯＰＥ１  ２６０４の種々の部分において、光の大部分を、ＯＰＥ２  ２６０８の中に結合される、１つの出射縁（例えば、２６０６）に誘導するように変動されることができる。
【０２４１】
そのようなシステムを使用して、ＯＰＥ（別個の要素として）は、ＬＯＥ４９０から除去され（例えば、図１０参照）、接眼レンズ全体またはその有意な部分を被覆する別個の層４９４の中に伸展されることができる。光は、ＬＯＥ４９０の中に結合され、２つの光学要素間の制御される界面としての倍増のための別個の大ＯＰＥ４９４に入射する。光ビームは、ＯＰＥ４９４を通して段階的に進行し、ＯＰＥ４９４の要素との複数の相互作用に応じて倍増されることができる。ＯＰＥ４９４からの出射ビームレットは、単一ビームではなく、むしろ、ＯＰＥ４９４によるビーム分割からの複数の重畳ビームレットとなる。
【０２４２】
本設計の使用はまた、情報／光エネルギーの全部または大部分が含有される、より小さい領域を含む、大領域を作成することができる。そのようなシステムは、深度切替機構を使用して、光を異なる層（例えば、複数の深度平面層）に送光することができる。層は、ポリマー分散液晶（「ＰＤＬＣ」）切替可能層であることができる。代替として、層は、個別のＬＣシャッタを伴う、導波管であることができる。そのようなシステムは、主要ＬＯＥからのＴＩＲベースの構造を使用して、ＬＣシャッタまたはＰＤＬＣスイッチによって選択され得る、冗長光学情報のための複数の出射ポートを生成することができる。いくつかの実施形態では、単一ＯＰＥは、光／光学情報を複数のＥＰＥ層（例えば、赤色、緑色、および青色光に対応するＥＰＥ）にフィードすることができる。
【０２４３】
図２７は、単一ＯＰＥ２７０２が、２つの空間的に変位されるＯＣＧ２７０８、２７１０を使用して、光／光学情報を２つのＥＰＥ層２７０４、２７０６にフィードする、ビーム倍増管２７００を描写する。ＯＣＧ１  ２７０８は、ＩＣＧ１  ２７１２を通して、ＯＰＥ２７０２をＥＰＥ１  ２７０４に結合する。ＯＣＧ２  ２７１０は、ＩＣＧ２  ２７１４を通して、ＯＰＥ２７０２をＥＰＥ２  ２７０６に結合する。ＯＣＧ２７０８、２７１０は、ＰＤＬＣであることができ、これは、オンにまたはオフにされることができる。代替として、ＬＣシャッタ層（図示せず）が、ＯＰＥ２７０２とＥＰＥ層２７０４、２７０６との間の介在されることができる。いくつかの実施形態では、ＥＰＥ層の数は、ＭＲシステムのための複数の深度層の数に対応するように設定されることができる。代替実施形態では、単一ＯＣＧは、光／光学情報を複数のＥＰＥ層に選択的にフィードするためのシャッタまたはスイッチを伴う、複数のウィンドウに分割されることができる。別の実施形態２８００（図２８）では、ＯＣＧ２８０８、２８１０は、ＯＰＥ２８０２の２つの出射縁において、またはそこから形成されることができる。
【０２４４】
図２９は、「鏡の間」と同様に設計されるＯＰＥ２９０２を伴う、ビーム倍増管２９００を描写する。本独立大ＯＰＥモジュール２９０２では、入力／一次ビーム２９０４は、ＯＰＥ２９０２によって倍増され、倍増ビームレットは、１つ以上のＯＣＧ２９０６を介して、ＯＰＥ２９０２から出射する。４つのＯＰＥ縁のうちの３つ２９０８、２９１０、２９１２は、研磨され、アルミニウムでコーティングされ、それらを反射性にしてもよい。２つの対向するミラー２９０８、２９１２は、ＯＰＥ２９０２を通して伝搬するビームおよびビームレットを反射させ、ＯＰＥ２９０２と相互作用する反射されたビームレットとして、付加的ビームレット（同一光学情報を伴う）を生成する。そのようなＯＰＥ２９０２は、ＯＣＧ２９０６に向かって低回折効率を有するように調整され得るが、ビーム倍増は、ＯＰＥ２９０２を通した複数の通過に伴って、大幅に増加されるであろう。随意に、ＯＰＥ２９０２は、より比較的に高い回折効率２９１４の１つ以上の領域を有し、ビーム／ビームレットがＯＣＧ２９０６を通して出射する前に、ＯＰＥ２９０２を通してビーム長を増加させることによって、ビーム倍増を促進し得る。
【０２４５】
図３０に描写される類似実施形態３０００では、ＯＰＥ３００２の縁のうちの２つ３０１０、３０１２（垂直縁）および第３の縁３００８の小部分のみが、研磨され、アルミニウムでコーティングされ、それらを反射性にする。本処理は、低減されたビームレット倍増をもたらすが、出射３０１６（例えば、ＯＣＧ（図示せず）のため）のための面積の量を２倍にする。本設計は、外部結合のための表面積３０１６を増加させる。
【０２４６】
図２９および３０に描写される実施形態の両方に関して、ＯＰＥ２９０２、３００２は、可変回折効率を用いて、最適化／調整されることができる。例えば、これらの実施形態の両方における領域の左上は、光を上下方向に回折し、ＯＰＥ２９０２、３００２から外に非意図的に結合し得る、ＩＣＧ２９１８、３０１８に向かって戻るように反射される光を最小限にするように調整されることができる。
【０２４７】
図３１に描写されるビーム倍増管３１００は、波長を横断して共有される、ＯＰＥ３１０２を含む。第１のＯＣＧ３１０４は、ＯＣＧ３１０４に結合される青色および赤色吸光体３１０６を用いて、緑色光を外部結合するように調整される。第２のＯＣＧ３１０８は、ＯＣＧ３１０８に結合される緑色吸光体３１１０を用いて、青色および赤色（すなわち、マゼンタ色）光を外部結合するように調整される。
【０２４８】
図３２に描写されるビーム倍増管３２００は、３つの出力領域３２０４、３２０６、３２０８を伴う、ＯＰＥ３２０２を含む。３つの出力領域３２０４、３２０６、３２０８は、合致する吸収体３２１０、３２１２、３２１４とともに、ＯＣＧ３２０４、３２０６、３２０８を使用して、それぞれ、赤色３２０４、緑色３２０６、および青色３２０８光を外部結合するように調整される。ＯＰＥ３２０２内のＤＯＥ３２１６は、約９０度の角度を伴って、「Ｖ」形状３２１８を形成するが、ＤＯＥは、他の実施形態では（例えば、ビームレット密度（図示せず）を修正するため）、異なる角度を伴う、他の形状を形成してもよい。
【０２４９】
図３３Ａ−３３Ｉに描写されるビーム倍増管３３００は、種々の外部結合パターンのためにＯＰＥ３３０２の調整を可能にする、異なるＯＰＥ３３０２領域の種々の「キルト」を図示する。これらのＯＰＥ３３０２の全てにおいて、単一入力／一次ビーム３３０４は、ＯＰＥ３３０２の種々のコンポーネントによって倍増、回折、および／または反射され、種々の外部結合パターンを有する、種々の倍増されるビーム／ビームレット３３０６を形成する。例えば、図３３Ａは、異なる回折性質を有する、３つのセクション３３０８、３３１０、３３１２を含む、ＯＰＥ３３０２を描写する。３つのセクションは、独立して切替可能なＰＤＬＣコンポーネント（例えば、外部結合パターンを変化させるため）であってもよい、またはそれらは、静的コンポーネントであってもよい。図３３Ｃは、回折セクション３３１４ならびに第１および第２のＰＤＬＣコンポーネント３３１６、３３１８（例えば、外部結合パターンを変化させるため）を有する、ＯＰＥ３３０２を描写する。図３３Ｇは、ＯＰＥ３３０２内のＤＯＥ３３２０に図３２におけるＯＰＥ３２０２に類似する「Ｖ」形状３３２２を形成させる、ＯＰＥ３３０２を描写する。
【０２５０】
ここで図３４−３６を参照すると、ディスプレイ画面１１０の１つの具体的実施形態が、説明されるであろう。図３４に示されるように、導波管１７２は、例えば、ガラス、溶融シリカ、アクリル、またはポリカーボネート等の光学的に透明な材料の単一の一体型基板または平面であるが、代替実施形態では、導波管１７２は、同一平面または異なる平面においてともに接合される、光学的に透明な材料の別個の明確に異なる基板または平面から成ってもよい。ＩＣ要素１６８は、コリメート光ビーム２５０を画像投影アセンブリ１０８から面１８０ｂを介して導波管１７２の中に受光するために、導波管１７２の面１８０ｂと密接に関連付けられてもよい（例えば、その中に内蔵される）が、代替実施形態では、ＩＣ要素１６８は、コリメート光ビーム２５０を導波管１７２の中に内部結合光ビームとして結合するために、導波管１７２の他の面１８０ａまたはさらに縁と関連付けられてもよい（例えば、その中に内蔵される）。ＤＯＥ１７４は、上記に簡単に議論されるように、コリメート光ビーム２５０の有効入射瞳を２次元的に拡張させるために、導波管１７２と関連付けられる（例えば、導波管１７２内に組み込まれる、または導波管１７２の面１８０ａ、１８０ｂのうちの１つ以上のものに当接もしくは隣接する）。
【０２５１】
この目的を達成するために、ＤＯＥ１７４は、内部結合光ビーム２５２を直交光ビームレット２５４に分割するために導波管１７２の面１８０ｂと密接に関連付けられる（例えば、その中に内蔵される）、直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素１８６と、直交光ビームレット２５４をエンドユーザ５０の眼５２に向かって導波管１７２の面１８０ｂから出射する外部結合光ビームレット２５６のセットに分割するために導波管１７２の面１８０ｂと密接に関連付けられる（例えば、その中に内蔵される）射出瞳拡張（ＥＰＥ）要素１８８とを備える。導波管１７２が明確に異なる平面から成る、代替実施形態では、ＯＰＥ要素１７４およびＥＰＥ要素１８８は、導波管１７２の異なる平面の中に組み込まれてもよい。
【０２５２】
ＯＰＥ要素１８６は、光を第１の軸（図３４における水平またはｘ−軸）に沿って中継し、第２の軸（図３４における垂直またはｙ−軸）に沿った光の有効瞳を拡張させる。特に、図３５に最良に示されるように、ＩＣ要素１６８は、伝搬のために、コリメート光ビーム２５０を、内部結合光ビームとして、軸２６２と平行な内部反射光学経路に沿って（この場合、垂直またはｙ−軸に沿って）、ＴＩＲを介して、導波管１７２内で光学的に内部結合し、そうすることによって、ＯＰＥ要素１８６と繰り返し交差する。図示される実施形態では、ＯＰＥ要素１８６は、比較的に低回折効率（例えば、５０％未満）を有し、ＯＰＥ要素１８６との各交点において、内部結合光ビーム２５２の一部（例えば、９０％を上回る）が、ＴＩＲを介して、軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って、導波管１７２内を継続して伝搬し、内部結合光ビーム２５２の残りの一部（例えば、１０％未満）が、直交光ビームレット２５４（図３５において破線であるように示される）として、ＴＩＲを介して、軸２６４と平行な内部反射光学経路に沿って（この場合、水平またはｘ−軸に沿って）、ＥＰＥ要素１８８に向かって導波管１７２内を伝搬するように回折されるように、一連の対角線回折要素（ｘ−軸に対して４５度）を備える。軸２６４は、軸２６２（ｙ−軸）に垂直である、または直交するように説明されるが、軸２６４は、代替として、軸２６２（ｙ−軸）に対して斜めに配向されてもよいことを理解されたい。
【０２５３】
類似方式において、ＯＰＥ要素１８６との各交点では、各直交光ビームレット２５４の一部（例えば、９０％を上回る）は、ＴＩＲを介して、軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って、導波管１７２内を継続して伝搬し、個別の直交光ビームレット２５４の残りの一部（例えば、１０％未満）は、ＴＩＲを介して、軸２６２（ｙ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路（破線によって示される）に沿って導波管１７２内を伝搬する、二次光ビームレット２５６として回折される。ひいては、ＯＰＥ要素１８６との各交点では、各二次光ビームレット２５６の一部（例えば、９０％を上回る）は、ＴＩＲを介して、軸２６２（ｙ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って、導波管１７２内を継続して伝搬し、個別の二次光ビームレット２５６の残りの一部（例えば、１０％未満）は、直交光ビームレット２５４と同相において組み合わせられ、ＴＩＲを介して、軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って、導波管１７２内を伝搬する、三次光ビームレット２５８として回折される。
【０２５４】
したがって、内部結合光ビーム２５２を、ＴＩＲを介して、軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って、導波管１７２内を伝搬する、複数の直交光ビームレット２５４に分割することによって、ディスプレイ画面１１０の中に内部結合されるコリメート光ビーム２５０の入射瞳は、ＯＰＥ要素１８６によって、ｙ−軸に沿って垂直に拡張される。
【０２５５】
ＥＰＥ要素１８８、ひいては、第１の軸（図３６における水平ｘ−軸）に沿った光の有効射出瞳をさらに拡張させる。特に、図３６に最良に示されるように、ＥＰＥ要素１８８は、ＯＰＥ要素１８６のように、比較的に低回折効率（例えば、５０％未満）を有し、ＥＰＥ要素１８８との各交点では、各直交光ビームレット２５４の一部（例えば、９０％を上回る）が、それぞれ、軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って、導波管１７２内を継続して伝搬し、各直交光ビームレット２５４の残りの部分は、図３６に図示されるように、導波管１７２の面１８０ｂから出射する（ｚ−軸に沿って）、外部結合光ビームレット２５６として回折される。すなわち、光ビームレットがＥＰＥ要素１８８に衝打する度に、その一部は、導波管１７２の面１８０ｂに向かって回折されるであろう一方、残りの部分は、ＴＩＲを介して、軸２６４（ｘ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って、導波管１７２内を継続して伝搬するであろう。
【０２５６】
したがって、各直交光ビームレット２５４を複数の外部結合光ビームレット２５６に分割することによって、コリメート光ビーム２５０の入射瞳はさらに、ＥＰＥ要素１８８によって、ｘ−軸に沿って水平に拡張され、元の内部結合光ビーム２５２のより大きいバージョンに類似する、外部結合光ビームレット２５６の２次元アレイをもたらす。
【０２５７】
ＯＰＥ要素１８６およびＥＰＥ要素１８８は、ｘ−ｙ平面において重複しないように図３４に図示されるが、ＯＰＥ要素１８６およびＥＰＥ要素１８８は、図３９に図示されるように、ｘ−ｙ平面において相互に完全に重複してもよい、または図３８に図示されるように、ｘ−ｙ平面において相互に部分的に重複してもよいことに留意されたい。両場合において、図３４に図示される実施形態におけるように、ＯＰＥ要素１８６は、ＴＩＲを介して軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って導波管１７２内を伝搬する、内部結合光ビーム２５２を、ＴＩＲを介して軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って導波管１７２内を伝搬する、直交光ビームレット２５４に分割するであろう。これらの場合では、ＯＰＥ要素１８６およびＥＰＥ要素１８８は、それぞれ、導波管１７２の反対面１８０ａ、１８０ｂ上に配置される必要があるであろう。
【０２５８】
導波管１７２の面１８０ｂからの光ビームレット２５６を外部結合する機能に加え、ＥＰＥ要素１８８は、画像または仮想オブジェクトの一部が焦点面に合致する視認距離においてエンドユーザ５０によって見られるように、光ビームレット２５６の出力セットを所与の焦点面に沿って集束させる役割を果たす。例えば、ＥＰＥ要素１８８が、線形回折パターンのみを有する場合、エンドユーザ５０の眼５２に向かって導波管１７２の面１８０ｂから出射する外部結合光線２５６は、図３９Ａに示されるように、略平行であって、これは、光学無限遠における視認距離（焦点面）からの光として、エンドユーザ５０の脳によって解釈されるであろう。しかしながら、ＥＰＥ要素１８８が、線形回折パターン成分および半径方向に対称の回折パターン成分の両方を有する場合、導波管１７２の面１８０ｂから出射する外部結合光ビームレット２５６は、エンドユーザ５０の眼５２の視点からより発散してレンダリングされ（すなわち、凸面曲率が、光波面上に付与され）、眼５２がより近い距離に遠近調節し、結果として生じる画像を網膜上の焦点の中にもたらすことを要求し、図３９Ｂに示されるように、光学無限遠より眼５２に近い視認距離（例えば、４つのメートル）からの光としてエンドユーザ５０の脳によって解釈されるであろう。導波管１７２の面１８０ｂから出射する外部結合光ビームレット２５６は、エンドユーザ５０の眼５２の視点からさらに発散されてレンダリングされ（すなわち、より凸面曲率が、光波面上に付与されるであろう）、眼５２がさらに近い距離に遠近調節し、結果として生じる画像を網膜上の焦点の中にもたらすことを要求し得、図３９Ｃに示されるように、眼５２により近い視認距離（例えば、０．５メートル）からの光としてエンドユーザ５０の脳によって解釈されるであろう。
【０２５９】
導波管装置１７０は、１つのみの焦点面を有するように本明細書に説明されるが、関連付けられたＯＰＥ１７６およびＥＰＥ１７８を伴う、複数の平面光学導波管１７２が、米国特許公開第２０１５／０３０９２６４号および第２０１５／０３４６４９０号（参照することによって明示的に本明細書に組み込まれる）に議論されるように、同時に、または順次、複数の焦点面に画像を生成するために使用されることができることを理解されたい。
【０２６０】
前述のように、ディスプレイ画面１１０の射出瞳の飽和または内部充填を増加させることが望ましい。修正を伴わない場合、ディスプレイ画面１１０の射出瞳は、最適に飽和され得ない。例えば、図４０Ａに図示されるように、コリメート光ビーム２５０の瞳は、外部結合光ビームレット２５６の３×３アレイの射出瞳３００ａまで拡張されてもよいが、これは、性質上、比較的に疎密である（すなわち、外部結合光ビームレット２５６間の間隙は、比較的に大きい）。しかしながら、ディスプレイ画面１１０は、ビーム倍増特徴を用いて、コリメート光ビーム２５０の瞳は、図４０Ｂに図示されるように、外部結合光ビームレット２５６のより飽和した９×９アレイの射出瞳３００ｂまで拡張されるように向上され得る。
【０２６１】
例えば、いくつかの実施形態では、２つのＯＰＥ１８６が、採用され、内部結合光ビーム２５２から取得される直交光ビームレット２５４の数を２倍にし、したがって、導波管１７２の面１８０ｂから出射する、外部結合光ビームレット２５６の２次元アレイの飽和を２倍にする。
【０２６２】
特に、図４１−４３に示されるように、導波管装置１７０ａは、説明される導波管装置１７０に類似するが、導波管装置１７０ａは、ＴＩＲを介して軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って導波管１７２内を伝搬する、内部結合光ビーム２５２を、軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿ったＴＩＲを介した導波管１７２内の伝搬のための第１の直交光ビームレットのセット２５４ａに分割するために、導波管１７２の第１の面１８０ａに隣接して（例えば、その上に）配置される、第１のＯＰＥ要素１８６ａ（図４１に最良に示される）と、ＴＩＲを介して軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って導波管１７２内を伝搬する、内部結合光ビーム２５２を、軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿ったＴＩＲを介した導波管１７２内の伝搬のための第２の直交光ビームレットのセット２５４ｂに分割するために、導波管１７２の第２の面１８０ｂに隣接して（例えば、その上に）配置される、第２のＯＰＥ要素１８６ｂとを備える。図４１に最良に示されるように、第１および第２の直交光ビームレットのセット２５４ａ、２５４ｂは、相互に交互する。
【０２６３】
すなわち、ＴＩＲを介して軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って導波管１７２内を伝搬する、内部結合光ビーム２５２は、導波管１７２の反対面１８０ａ、１８０ｂ上の第１および第２のＯＰＥ要素１８６ａ、１８６ｂと交互に交差するため、内部結合光ビーム２５２の一部は、それぞれ、ＴＩＲを介した軸２６４（ｘ−軸）と平行な交互内部反射光学経路に沿った導波管１７２内の伝搬のために、第１および第２の光ビームレットの一次セット２５４ａ、２５４ｂとして回折される。二次光ビームレット２５６ａ、２５６ｂ（図４１および４２に示される）もまた、それぞれ、ビームレット２５４ａ、２５４ｂから生成され、これは、それぞれ、直交光ビームレット２５４ａ、２５４ｂと同相において組み合わせられる、三次光ビームレット２５８ａ、２５８ｂ（図４１にのみ示される）をさらに作成する。ひいては、第１および第２の光ビームレットの一次セット２５４ａ、２５４ｂは、導波管１７２の面１８０ｂ上のＥＰＥ要素１８８と交差し、その一部は、それぞれ、導波管１７２の面１８０ｂから出射する、第１の外部結合光ビームレットセット２５６ａおよび第２の外部結合光ビームレットセット２５６ｂとして回折される。したがって、直交光ビームレット２５４を２倍にすることは、対応して、ディスプレイ画面１１０によって拡張される射出瞳３００ａの飽和を増加させる（図４０Ｂに示される）。
【０２６４】
別の実施形態では、部分反射性界面が、導波管１７２の中に組み込まれ、導波管１７２内を伝搬する光ビームレットの数を増加させ、したがって、導波管１７２の面１８０ｂから出射する、外部結合光ビームレット２５６の２次元アレイの飽和を増加させる。下記に図示される実施形態では、導波管１７２は、各半反射性界面と交差する光ビームが、ＴＩＲを介して導波管１７２内を伝搬する、複数のビームレットに分割され、それによって、導波管１７２の面１８０ｂから出射する、外部結合光ビームレットの密度を増加させるように、少なくとも１つの対の隣接する基板と、隣接する基板の対のそれぞれの間の半反射性界面とを有する、複数の層化基板を備える。下記に説明される隣接する基板は、正確な縮尺で描かれておらず、簡略化目的のために、相互の倍数であるように図示されることに留意されたい。しかしながら、隣接する基板は、導波管の面から出射する、外部結合光ビームレットの内部充填の密度が、最大限にされるように、相互の非倍数であってもよく、好ましくは、非倍数である。
【０２６５】
特に、図４４−４６を参照すると、導波管装置１７０ｂは、説明される導波管装置１７０に類似するが、導波管１７２は、一次導波管１７２ａと、二次導波管１７２ｂとから成る、合成基板である。導波管装置１７０ｂはさらに、一次導波管１７２ａと二次導波管１７２ｂとの間に配置される、半反射性界面１９０を備える。
【０２６６】
いくつかの実施形態では、半反射性界面１９０は、例えば、金、アルミニウム、銀、ニッケルクロム、クロム等の金属、酸化物、フッ化物、硫化物等の誘電体、シリコン、ゲルマニウム等の半導体、および／または反射性性質を伴う糊または接着剤から成るもの等の半反射性コーティングの形態をとり、物理蒸着（ＰＶＤ）、イオン支援蒸着（ＩＡＤ）、イオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）等の任意の好適なプロセスを介して、一次導波管１７２ａと二次導波管１７２ｂとの間に配置されることができる。半反射性コーティング１９０の反射と透過の比率は、少なくとも部分的に、コーティング１９０の厚さに基づいて選択または決定されてもよい、または半反射性コーティング１９０は、複数の小穿孔を有し、反射と透過の比率を制御してもよい。代替実施形態では、一次導波管１７２ａおよび二次導波管１７２ｂは、導波管１７２ａ、１７２ｂ間の界面が、臨界角（すなわち、光の一部が、半反射性界面を通して透過され、光の残りの部分が、半反射性界面によって反射される、入射角）未満で半反射性界面上に入射する光に関して半反射性であるように、異なる屈折率を有する材料から成る。半反射性界面１９０は、好ましくは、半反射性界面１９０上に入射する光ビームの角度が保存されるように設計される。
【０２６７】
いずれの場合も、図４５に最良に示されるように、ＩＣ要素１６８は、コリメート光ビーム２５０を平面光学導波管１７２の中に内部結合光ビーム２５２として結合し、これは、ＴＩＲを介して、軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って、導波管１７２内を伝搬する。半反射性界面１９０は、内部結合光ビーム２５２を複数の内部結合光ビームレットに分割するように構成される。
【０２６８】
特に、半反射性界面１９０は、内部結合光ビーム２５２を、軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、２つの一次内部結合光ビームレット（この場合、第１の一次内部結合光ビームレット２５２ａ（実線によって示される）および第２の一次内部結合光ビームレット２５２ｂ（破線によって示される）に分割するように構成される。図４５に示されるように、半反射性界面１９０は、ＴＩＲを介して軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って二次導波管１７２ｂ内を伝搬する、二次内部結合光ビームレット２５２’を生成し、そこから、第２の一次内部結合光ビームレット２５２ｂが、作成される。
【０２６９】
一次導波管１７２の厚さは、二次導波管１７２ｂの厚さの倍数（この場合、正確に２倍の厚さ）であるため、２つのみの一次内部結合光ビームレット２５２ａ、２５２ｂが、光ビームレットの再組み合わせに起因して生成されることを理解されたい。しかしながら、一次導波管１７２ａの厚さが二次導波管１７２ｂの厚さの非倍数である、好ましい場合では、付加的一次内部結合光ビームレット２５２が、二次内部結合光ビームレット２５２’と半反射性界面１９０との間の各交点において生成され、同様に、付加的二次内部結合光ビームレット２５２’が、一次内部結合光ビームレット２５２と半反射性界面１９０との間の各交点において生成される。このように、一次内部結合光ビームレット２５２の数は、ＩＣＯ１６８から軸２６２に沿って幾何学的に増加する。
【０２７０】
ＯＰＥ要素１８６は、それぞれ、一次内部結合光ビームレット２５２ａ、２５２ｂを２つの一次直交光ビームレットのセットに分割するように構成される。特に、一次内部結合光ビームレット２５２ａ、２５２ｂは、一次内部結合光ビームレット２５２ａ、２５２ｂの一部が、ＴＩＲを介して、軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って、導波管１７２内を伝搬する２つの一次直交光ビームレットのセット２５４ａ、２５４ｂとして、回折されるように、導波管１７２の面１８０ｂに隣接するＯＰＥ要素１８６と交差する。
【０２７１】
図４６に最良に示されるように、半反射性界面１９０は、２つの直交光ビームレットのセット２５４ａ、２５４ｂを４つの直交光ビームレットのセットに分割するように構成される。特に、半反射性界面１９０は、一次直交光ビームレットのセット２５４ａを、ＴＩＲを介して軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、２つの一次直交光ビームレットのセット２５４ａ（この場合、第１の一次直交光ビームレットのセット２５４ａ（１）（実線によって示される）および第２の一次直交光ビームレットのセット２５４ａ（２）（破線によって示される）に分割する。図４６に示されるように、半反射性界面１９０は、ＴＩＲを介して軸２６４’（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って二次導波管１７２ｂ内を伝搬する、二次直交光ビームレットのセット２５２’を生成し、そこから、第２の一次直交光ビームレットのセット２５４ａ（２）が、作成される。同様に、半反射性界面１９０は、直交光ビームレットのセット２５４ｂを、ＴＩＲを介して軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、さらに２つの一次直交光ビームレットのセット（図示せず）に分割する。
【０２７２】
一次導波管１７２ａの厚さは、二次導波管１７２ｂの厚さの倍数（この場合、正確に２倍の厚さ）であるため、２つのみの一次直交光ビームレット２５４が、各直交光ビームレット２５４から生成されることを理解されたい。しかしながら、一次導波管１７２ａの厚さが二次導波管１７２ｂの厚さの非倍数である、好ましい場合では、付加的一次直交光ビームレット２５４が、二次直交光ビームレット２５４’と半反射性界面１９０との間の各交点において生成され、同様に、付加的二次直交光ビームレット２５４’が、一次内部結合光ビームレット２５４と半反射性界面１９０との間の各交点において生成される。このように、一次直交光ビームレット２５４の数は、ＩＣＯ１６８から軸２６４（ｘ−軸）に沿って幾何学的に増加する。
【０２７３】
ＥＰＥ要素１８８は、直交光ビームレットのそれぞれを外部結合光ビームレットのセット２５６に分割するように構成される。例えば、一次直交光ビームレットのセット２５４（一次直交光ビームレットのセット２５４ａ（１）および２５４ａ（２）のみが、示される）は、一次直交光ビームレット２５４の一部が、導波管１７２の面１８０ｂから出射する、外部結合光ビームレットのセット２５６として回折されるように、導波管１７２の面１８０ｂに隣接するＥＰＥ要素１８８と交差する。したがって、内部結合光ビームレット２５２の数および直交光ビームレット２５４の数の増加は、対応して、ディスプレイ画面１１０によって拡張される射出瞳３００ａの飽和を増加させる（図４０Ｂに示される）。
【０２７４】
図４７Ａ−４７Ｄを参照すると、半反射性界面１９０が、光ビーム（この場合、内部結合光ビーム２５２であるが、同一技法は、直交ビーム２５４にも同様に適用されることができる）を複数のビームレット２５２（この場合、２つの光ビームレット２５２ａおよび２５２ｂ）に倍増させる様式が、ここで説明されるであろう。図４７Ａ−４７Ｄの実施例では、一次導波管１７２ａは、二次導波管１７２ｂの倍数であって、したがって、一次光ビームレット２５２および二次光ビームレット２５２’は、半反射性界面１９０においていくつかの交点を共有し得る。しかしながら、上記に簡単に議論されるように、一次導波管１７２ａは、好ましくは、半反射性界面１９０における共通交点の数が、最小限にされ、それによって、付加的光ビームレット２５２を生成し、外部結合ビームレットの内部充填を最大限にするように、二次導波管１７２ｂの非倍数である。
【０２７５】
半反射性界面１９０との第１の交点Ｐ１では、光ビーム２５２の一部は、半反射性界面１９０を通して、二次導波管１７２ｂの中に、二次光ビームレット２５２’として透過され、これは、導波管１７２の面１８０ａによって、半反射性界面１９０の第２の交点Ｐ２に戻るように反射される一方、光ビーム２５２の一部は、半反射性界面１９０によって、一次導波管１７２ａの中に戻るように、一次光ビームレット２５２ａとして反射され、これは、導波管１７２の面１８０ｂによって、半反射性界面１９０の第３の交点Ｐ３に戻るように反射される（図４７Ａ）。
【０２７６】
半反射性界面１９０との第２の交点Ｐ２では、二次光ビームレット２５２’の一部が、半反射性界面１９０を通して、一次導波管１７２ｂの中に、一次光ビームレット２５２ｂとして透過され、これは、導波管１７２の面１８０ａによって、半反射性界面１９０の第４の交点Ｐ４に戻るように反射される一方、二次光ビームレット２５２’の一部が、半反射性界面１９０によって、二次導波管１７２ｂの中に、二次光ビームレット２５２’として戻るように反射され、これは、導波管１７２の面１８０ａによって、半反射性界面１９０の第３の交点Ｐ３に戻るように反射される（図４７Ｂ）。
【０２７７】
半反射性界面１９０との第３の交点Ｐ３では、一次光ビームレット２５２ａの一部が、半反射性界面１９０を通して、二次導波管１７２ｂの中に透過され、二次光ビームレット２５２’の一部が、半反射性界面１９０によって、二次導波管１７２ｂの中に戻るように反射され、その一部は、偶発的に、二次光ビームレット２５２’としてともに組み合わせられ、導波管１７２の面１８０ｂによって、第４の交点Ｐ４に戻るように反射される（図４７Ｃ）。当然ながら、一次光ビームレット２５２ａおよび二次光ビームレット２５２’は、共通交点Ｐ３を有していない場合があり、その場合、付加的二次光ビームレット２５２’が、生成され得る。さらに、半反射性界面１９０との第３の交点Ｐ３では、二次光ビームレット２５２’の一部が、半反射性界面１９０を通して、一次導波管１７２ａの中に透過され、一次光ビームレット２５２ａの一部が、半反射性界面１９０によって、一次導波管１７２ａの中に戻るように反射され、その一部は、一次光ビームレット２５２ａとしてともに組み合わせられ得、これは、導波管１７２の面１８０ｂによって、半反射性界面１９０の第５の交点Ｐ５に戻るように反射される（図４７Ｃ）。当然ながら、二次光ビームレット２５２’および一次光ビームレット２５２ａは、共通交点Ｐ３を有していない場合があり、その場合、付加的一次光ビームレット２５２が、生成され得る。
【０２７８】
半反射性界面１９０との第４の交点Ｐ４では、一次光ビームレット２５２ｂの一部が、半反射性界面１９０を通して、二次導波管１７２ｂの中に透過され、二次光ビームレット２５２’の一部が、半反射性界面１９０によって、二次導波管１７２ｂの中に戻るように反射され、その一部は、二次光ビームレット２５２’としてともに組み合わせられ得、導波管１７２の面１８０ｂによって、第５の交点Ｐ５に戻るように反射される（図４７Ｄ）。当然ながら、一次光ビームレット２５２ｂおよび二次光ビームレット２５２’は、共通交点Ｐ４を有していない場合があり、その場合、付加的二次光ビームレット２５２’が、生成され得る。さらに、半反射性界面１９０との第４の交点Ｐ４では、二次光ビームレット２５２’の一部が、半反射性界面１９０を通して、一次導波管１７２ａの中に透過され、一次光ビームレット２５２ｂの一部が、半反射性界面１９０によって、一次導波管１７２ａの中に戻るように反射され、その一部は、一次光ビームレット２５２ｂとしてともに組み合わせられ、これは、導波管１７２の面１８０ｂによって、半反射性界面１９０の第６の交点Ｐ６に戻るように反射される（図４７Ｄ）。当然ながら、二次光ビームレット２５２’および一次光ビームレット２５２ｂは、共通交点Ｐ４を有していない場合があり、その場合、付加的一次光ビームレット２５２が、生成され得る。
【０２７９】
したがって、前述から、光エネルギーが、一次導波管１７２ａと二次導波管１７２ｂとの間で伝達され、２つの光ビームレット２５２ａ、２５２ｂを導波管装置１７０内で生成および伝搬することが理解され得る。
【０２８０】
重要なこととして、層化基板の厚さは、各半反射性界面上への光ビームの予期される入射角と連動して、隣接する外部結合ビームレット２５６の縁間に間隙が存在しないように選択される。
【０２８１】
例えば、図４４−４６に図示される実施形態では、二次導波管１７２ｂの厚さは、一次導波管１７２ａの厚さ未満であって、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔは、結果として生じる外部結合光ビームレット２５６の隣接するものの中心間の間隔がコリメート光ビームレット２５０の幅ｗ以下であるように選択される。当然ながら、一次導波管１７２ａが、二次導波管１７２ｂの倍数ではない場合、結果として生じる外部結合光ビームレット２５６の隣接するものの中心間の間隔は、コリメート光ビームレット２５０の幅ｗを上回り得る。
【０２８２】
ＩＣ要素１６８のサイズに対するコリメート光ビーム２５０の幅ｗは、例証目的のために、誇張されていることに留意されたい。実際には、コリメート光ビーム２５０の幅ｗは、コリメート光ビーム２５０の全ての走査角度に適応するために十分な大きさである必要がある、ＩＣ要素１６８のサイズよりはるかに小さいであろう。好ましい実施形態では、隣接する外部結合光ビームレット２５６間の平均間隔は、最悪の場合の走査角度のために最小限にされる。例えば、最悪の場合の走査角度に関して、隣接する外部結合光ビームレット２５６の一部の間には、間隙が存在し得るが、隣接する外部結合光ビームレット２５６の大部分の間には、間隙が存在しないであろう。
【０２８３】
したがって、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔは、最悪の場合の走査角度に基づいて、隣接する外部結合ビームレット２５６間の間隔を最小限にするように選択されてもよい。最悪の場合の走査角度は、半反射性界面１９０上への内部結合光ビーム２５２の最小入射角をもたらすものであることに留意されたい。当然ながら、一次導波管１７２ａが、二次導波管１７２ｂの倍数ではない場合、より多くの外部結合ビームレット２５６が、生成され、それによって、必然的に、隣接する外部結合ビームレット２５６間の平均間隔を減少させるであろう。この場合、比較的に高い最小公倍数を有する厚さ値ｔおよびΔｔを選択することが有益であり得る。例えば、厚さ値ｔおよびΔｔを選択する際、最悪の場合の走査角度のために外部結合ビームレット２５６の量を最大限にするように、厚さ値ｔおよびΔｔの最小公倍数を最大限にすることを求めてもよい。さらに、厚さ値ｔおよびΔｔの選択はまた、隣接する外部結合ビームレット２５６間のコヒーレント光相互作用によって作成される悪影響を最小限にし得る、外部結合ビームレット２５６の非均一／複雑な分布をもたらし得る。
【０２８４】
例えば、内部結合光ビーム２５２と半反射性界面１９０との間の最悪の場合の入射角が、６０度であって、一次導波管１７２ａの厚さｔが、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔの正確に２倍であると仮定される場合、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔは、図４８に図示されるように、隣接する一次内部結合光ビームレット２５２が、その間に間隙を有しておらず、図４９に図示されるように、隣接する一次直交光ビームレット２５４が、その間に間隙を有しておらず、したがって、隣接する外部結合光ビームレット２５６が、その間に間隙を有していないであろうように、内部結合光ビーム２５２の幅ｗの
【化６】
2020519962.tif 000003
となるはずである。
【０２８５】
説明における簡略化目的のために、半反射性界面１９０を通して透過される光の無屈折が、仮定されることを理解されたい。しかしながら、半反射性界面１９０を通して透過される光の実質的屈折が生じる場合、そのような屈折に起因した光の透過の角度は、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔを選択するときに考慮されなければならない。例えば、半反射性界面１９０に対する透過される光の角度が減少するように、光の屈折が大きいほど、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔは、そのような屈折を補償するためにより減少されなければならない。
【０２８６】
また、前述から、ＴＩＲを介して軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、一次内部結合光ビームレット２５２の生成、次いで、軸２６４（ｘ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、一次外部結合光ビームレット２５６の生成は、二次導波管１７２ｂの適切な厚さΔｔを仮定して、ディスプレイ画面１１０の射出瞳を完全に内部充填するであろうことを理解されたい。
【０２８７】
二次導波管１７２ｂの厚さΔｔを減少させ、隣接する一次内部結合光ビームレット２５２、一次直交光ビームレット２５４、および外部結合光ビームレット２５６間の平均間隔をさらに減少させることが望ましい場合、一次導波管１７２ａの厚さｔは、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔをはるかに上回る、例えば、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔを３倍、４倍、５倍、またはさらなる倍数で上回り得る。
【０２８８】
例えば、図５０および５１における導波管装置１７０ｃに関して図示されるように、一次導波管１７２ａの厚さｔは、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔの３倍である。図５０に最良に示されるように、ＩＣ要素１６８は、内部結合光ビーム２５２を導波管１７２の中に結合し、これは、ＴＩＲを介して、軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って、導波管１７２内を伝搬する。半反射性界面１９０は、内部結合光ビーム２５２を３つの内部結合光ビームレットに分割するように構成される。特に、半反射性界面１９０は、内部結合光ビーム２５２を、軸２６２と平行な個別の内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、３つの一次内部結合光ビームレット２５２（第１の一次内部結合光ビームレット２５２ａ（実線によって示される）およびさらに２つの一次内部結合光ビームレット２５２ｂ、２５２ｃ（破線によって示される））に分割する。図５０に示されるように、半反射性界面１９０は、ＴＩＲを介して軸２６４’（ｘ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って二次導波管１７２ｂ内を伝搬する、二次内部結合光ビームレット２５２’を生成し、そこから、２つの一次内部結合光ビームレット２５２ｂ、２５２ｃが、作成される。
【０２８９】
一次導波管１７２ａの厚さは、二次導波管１７２ｂの厚さの倍数（この場合、正確に３倍の厚さ）であるため、３つのみの一次内部結合光ビームレット２５２ａ、２５２ｂ、２５２ｃが、光ビームレットの再組み合わせに起因して生成されることを理解されたい。しかしながら、一次導波管１７２ａの厚さが二次導波管１７２ｂの厚さの非倍数である、好ましい場合では、付加的一次内部結合光ビームレット２５２が、二次内部結合光ビームレット２５２’と半反射性界面１９０との間の各交点において生成され、同様に、付加的二次内部結合光ビームレット２５２’が、一次内部結合光ビームレット２５２と半反射性界面１９０との間の各交点において生成される。このように、一次内部結合光ビームレット２５２の数は、ＩＣＯ１６８から軸２６２（ｙ−軸）に沿って幾何学的に増加する。
【０２９０】
ＯＰＥ要素１８６は、それぞれ、一次内部結合光ビームレット２５２ａ−２５２ｃを３つの一次直交光ビームレットのセットに分割するように構成される。特に、一次内部結合光ビームレット２５２ａ−２５２ｃは、一次内部結合光ビームレット２５２ａ−２５２ｃの一部が、ＴＩＲを介して軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って導波管１７２内を伝搬する、３つの一次直交光ビームレットのセット２５４ａ−２５４ｃとして回折されるように、導波管１７２の面１８０ｂに隣接するＯＰＥ要素１８６と交差する。
【０２９１】
図５１に最良に示されるように、半反射性界面１９０は、３つの直交光ビームレットのセット２５４ａ−２５４ｃを９つの直交光ビームレットのセットに分割するように構成される。特に、半反射性界面１９０は、一次直交光ビームレットのセット２５４ａを、ＴＩＲを介して軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、３つの一次直交光ビームレットのセット２５４ａ（第１の一次内部結合光ビームレットのセット２５４ａ（実線によって示される）およびさらに２つの一次内部結合光ビームレットのセット２５４ｂ、２５４ｃ（破線によって示される）に分割する。図５１に示されるように、半反射性界面１９０は、ＴＩＲを介して軸２６２’（ｙ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って二次導波管１７２ｂ内を伝搬する、二次内部結合光ビームレットのセット２５２’を生成し、そこから、２つの一次内部結合光ビームレットのセット２５４ｂ、２５４ｃが、作成される。同様に、半反射性界面１９０は、直交光ビームレットのセット２５４ｂを、ＴＩＲを介して軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、さらに３つの一次直交光ビームレット（図示せず）のセットに、直交光ビームレットのセット２５４ｃを、さらに３つの一次直交光ビームレット（図示せず）のセットに分割する。
【０２９２】
一次導波管１７２ａの厚さは、二次導波管１７２ｂの厚さの倍数（この場合、正確に３倍の厚さ）であるため、３つのみの一次直交光ビームレットのセット２５４ａ、２５４ｂ、２５４ｃが、光ビームレットの再組み合わせに起因して生成されることを理解されたい。しかしながら、一次導波管１７２ａの厚さが、二次導波管１７２ｂの厚さの非倍数である、好ましい場合では、付加的一次直交光ビームレットのセット２５４が、二次直交光ビームレットのセット２５４’と半反射性界面１９０との間の各交点において生成され、同様に、付加的二次直交光ビームレットのセット２５４’が、一次直交光ビームレットのセット２５４と半反射性界面１９０との間の各交点において生成される。このように、一次直交光ビームレット２５４の数は、ＩＣＯ１６８から軸２６４（ｘ−軸）に沿って幾何学的に増加する。
【０２９３】
ＥＰＥ要素１８８は、９つの直交光ビームレットのセットを外部結合光ビームレットのセット２５６に分割するように構成される。特に、図５１に示されるように、一次直交光ビームレットのセット２５４（一次直交光ビームレットのセット２５４ａ（１）−２５４ａ（３）のみが示される）は、一次直交光ビームレット２５４の一部が、導波管１７２の面１８０ｂから出射する、外部結合光ビームレットのセット２５６として回折されるように、導波管１７２の面１８０ｂに隣接するＥＰＥ要素１８８と交差する。したがって、内部結合光ビームレット２５２の数および直交光ビームレット２５４の数の増加は、対応して、ディスプレイ画面１１０によって拡張される射出瞳３００ａの飽和を増加させる（図４０Ｂに示される）。
【０２９４】
着目すべきこととして、図５０−５１の導波管装置１７０ｃによる射出瞳３００ａのそのような飽和は、導波管装置１７０ｃ内で内部結合されるコリメート光ビーム２５０の幅ｗが、導波管装置１７０ｂ内で内部結合されるコリメート光ビーム２５０の幅より２／３小さい場合、図４５−４６の導波管装置１７０ｂによる射出瞳３００ａの飽和に匹敵する。すなわち、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔは、導波管装置１７０ｂ内で内部結合されるコリメート光ビーム２５０の幅ｗの減少にのみ比例するように下方スケーリングされる必要がある。例えば、内部結合光ビーム２５２と半反射性界面１９０との間の同一の最悪の場合の入射角が６０度であると仮定すると、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔは、図５２に図示されるように、隣接する一次内部結合光ビームレット２５２の縁が、その間に間隙を有さず、図５３に図示されるように、一次直交光ビームレット２５４の縁が、その間に間隙を有さず、したがって、隣接する外部結合光ビームレット２５６の縁が、その間に間隙を有さないであろうように、内部結合光ビーム２５２の幅ｗの
【化１】
2020519962.tif 000004
に下方スケーリングされ得る。
【０２９５】
前述から、一次導波管１７２ａの厚さｔは、図４４−５３に図示される導波管装置１７０ｂ、１７０ｃの中に内部結合されるコリメート光ビーム２５０の幅ｗよりはるかに大きくあり得るが、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔは、コリメート光ビーム２５０の幅ｗより小さくあり得ることが理解され得る。しかしながら、結果として生じる外部結合光ビームレット２５６の隣接するものの中心間の間隔を排除するために要求される、二次導波管１７２ｂの厚さΔｔが、最悪の場合の走査角度を前提として、製造可能性目的のために小さすぎる場合、二次導波管１７２ｂの厚さが、代替として、一次導波管１７２ａと二次導波管１７２ｂとの間の厚さの差異が、図５４および５５の導波管装置１７０ｄに図示されるように、差異厚Δｔと等しくなるように選択されてもよい。
【０２９６】
したがって、この場合、二次導波管１７２ｂの厚さは、一次導波管１７２ａの厚さｔを若干下回る、すなわち、ｔ−Δｔであるように選択されてもよい。図５４に最良に示されるように、ＩＣ要素１６８は、内部結合光ビーム２５２を導波管１７２の中に結合し、これは、ＴＩＲを介して、軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って、導波管１７２内を伝搬する。半反射性界面１９０は、内部結合光ビーム２５２を３つの内部結合光ビームレットに分割するように構成される。特に、半反射性界面１９０は、内部結合光ビーム２５２を、軸２６２と平行な個別の内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、３つの一次内部結合光ビームレット２５２（第１の一次内部結合光ビームレット２５２ａ（実線によって示される）およびさらに２つの一次内部結合光ビームレット２５２ｂ、２５２ｃ（破線によって示される）に分割する。図５４に示されるように、半反射性界面１９０は、ＴＩＲを介して軸２６２’（ｙ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って二次導波管１７２ｂ内を伝搬する、２つの二次内部結合光ビームレット２５２（１）’および（２）’を生成し、そこから、２つの一次内部結合光ビームレット２５２ｂ、２５２ｃが、作成される。
【０２９７】
ＯＰＥ要素１８６は、それぞれ、一次内部結合光ビームレット２５２ａ−２５２ｃを３つの一次直交光ビームレットのセットに分割するように構成される。特に、一次内部結合光ビームレット２５２ａ−２５２ｃは、一次内部結合光ビームレット２５２ａ−２５２ｃの一部が、ＴＩＲを介して軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って導波管１７２内を伝搬する、３つの一次直交光ビームレットのセット２５４ａ−２５４ｃとして回折されるように、導波管１７２の面１８０ｂに隣接するＯＰＥ要素１８６と交差する。
【０２９８】
図５５に最良に示されるように、半反射性界面１９０は、３つの直交光ビームレットのセット２５４ａ−２５４ｃを９つの直交光ビームレットのセットに分割するように構成される。特に、半反射性界面１９０は、一次直交光ビームレットのセット２５４ａを、軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２内を伝搬する、３つの一次直交光ビームレットのセット２５４ａ（第１の一次内部結合光ビームレットのセット２５４ａ（実線によって示される）およびさらに２つの一次内部結合光ビームレットのセット２５４ｂ、２５４ｃ（破線によって示される）に分割する。図５５に示されるように、半反射性界面１９０は、ＴＩＲを介して個別の軸２６４’（ｘ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って二次導波管１７２ｂ内を伝搬する、２つの二次内部結合光ビームレットのセット２５４（１）’および２５４（２）’を生成し、そこから、２つの一次内部結合光ビームレットのセット２５４ｂ、２５４ｃが、作成される。同様に、半反射性界面１９０は、直交光ビームレットのセット２５４ｂを、軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、さらに３つの一次直交光ビームレットのセット（図示せず）に、直交光ビームレットのセット２５４ｃを、さらに３つの一次直交光ビームレットのセット（図示せず）に分割する。
【０２９９】
ＥＰＥ要素１８８は、９つの直交光ビームレットのセットを外部結合光ビームレットのセット２５６に分割するように構成される。特に、図５５に示されるように、一次直交光ビームレットのセット２５４（一次直交光ビームレットのセット２５４ａ（１）−２５４ａ（３）のみが示される）は、一次直交光ビームレット２５４の一部が、導波管１７２の面１８０ｂから出射する、外部結合光ビームレットのセット２５６として回折されるように、導波管１７２の面１８０ｂに隣接するＥＰＥ要素１８８と交差する。したがって、内部結合光ビームレット２５２の数および直交光ビームレット２５４の数の増加は、対応して、ディスプレイ画面１１０によって拡張される射出瞳３００ａの飽和を増加させる（図４０Ｂに示される）。
【０３００】
二次導波管１７２ｂの厚さΔｔが、図４４−５３の導波管装置１７０ｂおよび１７０ｃに関して上記で選択される同一様式において、図５４−５５の実施形態における一次導波管１７２ａと二次導波管１７２ｂとの間の厚さΔｔの差異が、内部結合光ビーム２５２と半反射性界面１９０との間の同一の最悪の場合の入射角が６０度であると仮定して、差異厚Δｔが、隣接する一次内部結合光ビームレット２５２および隣接する一次直交光ビームレット２５４の縁が、その間に間隙を有しておらず、したがって、隣接する外部結合光ビームレット２５６の縁が、その間に間隙を有していないであろうように、内部結合光ビーム２５２の幅ｗの
【化２】
2020519962.tif 000005
であるように選択され得る。したがって、この場合、二次導波管１７２ｂの厚さは、内部結合光ビーム２５２の幅ｗを上回るであろう。
【０３０１】
図４４−５５に図示される前述の導波管装置１７０ａ−１７０ｄが、１つのみの二次導波管１７２ｂを備えるように説明されたが、導波管装置１７０は、複数の二次導波管１７２ｂを有してもよいことを理解されたい。例えば、図５６および５７を参照すると、導波管装置１７０ｅは、一次導波管１７２ａ上に配置される、２つの二次導波管１７２ｂと、４つの半反射性界面１９０とを備え、そのうちの１つは、一次導波管１７２ａと二次導波管１７２ｂのうちの１つとの間に配置され、そのうちの残りの１つは、個別の二次導波管１７２ｂの間に配置される。
【０３０２】
図５６に最良に示されるように、ＩＣ要素１６８は、内部結合光ビーム２５２を導波管１７２の中に結合し、これは、ＴＩＲを介して、軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って、導波管１７２内を伝搬する。半反射性界面１９０は、内部結合光ビーム２５２を３つの内部結合光ビームレットに分割するように構成される。特に、半反射性界面１９０は、内部結合光ビーム２５２を、軸２６２（ｙ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、３つの一次内部結合光ビームレット２５２（第１の一次内部結合光ビームレット２５２ａ（実線によって示される）およびさらに２つの一次内部結合光ビームレット２５２ｂ、２５２ｃ（破線によって示される）に分割する。図５６に示されるように、半反射性界面１９０は、ＴＩＲを介して軸２６２’（ｙ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って個別の２つの二次導波管１７２ｂ内を伝搬する、２つの二次内部結合光ビームレット２５２’を生成し、そこから、２つの一次内部結合光ビームレット２５２ｂ、２５２ｃが、作成される。
【０３０３】
ＯＰＥ要素１８６は、それぞれ、一次内部結合光ビームレット２５２ａ−２５２ｃを３つの一次直交光ビームレットのセットに分割するように構成される。特に、一次内部結合光ビームレット２５２ａ−２５２ｃは、一次内部結合光ビームレット２５２ａ−２５２ｃの一部が、ＴＩＲを介して軸２６４（ｘ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って導波管１７２内を伝搬する、３つの一次直交光ビームレットのセット２５４ａ−２５４ｃとして回折されるように、導波管１７２の面１８０ｂに隣接するＯＰＥ要素１８６と交差する。
【０３０４】
図５７に最良に示されるように、半反射性界面１９０は、３つの直交光ビームレットのセット２５４ａ−２５４ｃを９つの直交光ビームレットのセットに分割するように構成される。特に、半反射性界面１９０は、一次直交光ビームレットのセット２５４ａを、ＴＩＲを介して軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、３つの一次直交光ビームレットのセット２５４ａ（第１の一次直交光ビームレットのセット２５４ａ（実線によって示される）およびさらに２つの一次直交光ビームレットのセット２５４ｂ、２５４ｃ（破線によって示される）に分割する。図５７に示されるように、半反射性界面１９０は、ＴＩＲを介して個別の軸２６４’（ｘ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って個別の２つの二次導波管１７２ｂ内を伝搬する、２つの二次内部結合光ビームレットのセット２５２’を生成し、そこから、２つの一次直交光ビームレット２５２ｂ、２５２ｃが、作成される。同様に、半反射性界面１９０は、直交光ビームレットのセット２５４ｂを、軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って一次導波管１７２ａ内を伝搬する、さらに３つの一次直交光ビームレットのセット（図示せず）に、直交光ビームレットのセット２５４ｃを、さらに３つの一次直交光ビームレットのセット（図示せず）に分割する。いくつかの実施形態では、２つの二次導波管１７２ｂは、厚さが異なり得る。加えて、図４４−５５を参照して上記に説明されたものに類似する理由から、いくつかの実施例では、これらの異なる厚さは、相互の非倍数であってもよい。また、一次導波管１７２ａの厚さは、２つの二次導波管１７２ｂの２つの異なる厚さの一方または両方の非倍数であってもよいということになる。他の実施形態では、２つの二次導波管１７２ｂは、等しい厚さであってもよい。
【０３０５】
ＥＰＥ要素１８８は、９つの直交光ビームレットのセットを外部結合光ビームレットのセット２５６に分割するように構成される。特に、図５７に示されるように、一次直交光ビームレット２５４のセット（一次直交光ビームレットのセット２５４ａ（１）−２５４ａ（３）のみが示される）は、一次直交光ビームレット２５４の一部が、導波管１７２の面１８０ｂから出射する、外部結合光ビームレットのセット２５６として回折されるように、導波管１７２の面１８０ｂに隣接するＥＰＥ要素１８８と交差する。したがって、内部結合光ビームレット２５２の数および直交光ビームレット２５４の数の増加は、対応して、ディスプレイ画面１１０によって拡張される射出瞳３００ａの飽和を増加させる（図４０Ｂに示される）。図５６および５７に図示される導波管装置１７０ｅは、２つの二次導波管１７２ｂを備えるように上記に説明されたが、本明細書に説明される導波管装置１７０ｅおよびその他は、少なくとも２つの（例えば、３つ、４つ、５つ、以上の）二次導波管１７２ｂを有してもよいことを理解されたい。
【０３０６】
前述の実施形態では、コリメーション要素１５４によって出力されたコリメート光ビームの入射瞳は、ディスプレイ画面１１０のＯＰＥ要素１８６およびＥＰＥ要素１８８の組み合わせによってのみ拡張され、ディスプレイ画面１１０の射出瞳の飽和を増加させるためのＯＰＥ要素１８６およびＥＰＥ要素１８８と密接に関連付けられた特徴を含む。続いて、本明細書に説明される、ディスプレイサブシステム１０４’の実施形態では、画像投影アセンブリ１０８はさらに、前置瞳拡張（ＰＰＥ）１９２を含み、これは、図５８に図示される実施形態では、ディスプレイ画面１１０のコリメーション要素１６６とＩＣ要素１６８との間に配置される。
【０３０７】
ＰＰＥ１９２は、第１の瞳拡張段階を表し、１つ以上のビーム倍増技法を使用して、ディスプレイ画面１１０の導波管装置１７０の中への内部結合に先立って、コリメート光ビーム２５０の入射瞳を初期外部結合光ビームレット２５６’のセット（この場合、２次元３×３アレイ）の中間射出瞳３００ａに事前に拡張させるように設計され（図５９Ａに図示されるように、より大きい瞳サイズを有する、従来のコリメート光ビームの入力をエミュレートする）、ディスプレイ画面１１０は、第２の瞳拡張段階を表し、これは、従来の様式で、図５９Ｂに図示されるように、コリメート光ビーム２５０の瞳サイズを最終外部結合光ビームレットのセット２５６（この場合、２次元９×９アレイ）の最終射出瞳３００ｂにさらに拡張させる。
【０３０８】
代替実施形態では、ディスプレイ画面１１０はさらに、前述の向上されたビーム倍増技法を使用して、コリメート光ビーム２５０の瞳サイズをさらにより飽和した最終外部結合光ビームレットのセット２５６の射出瞳に拡張させてもよい。しかしながら、ＰＰＥ１９２の使用は、エンドユーザ５０の眼５２の入射瞳サイズに比例する射出瞳への拡張のために、従来のＰＥの中への入力のために正常瞳サイズの光ビームに拡張され得る、比較的に小瞳サイズの光ビームを出力する、小型画像デバイスに非常に適していることを理解されたい。例えば、ＰＰＥ１９２は、コリメートされたビームの入射瞳を、入射瞳（例えば、５０ｍｉｌ瞳サイズ）より少なくとも１０倍大きい事前拡張瞳（例えば、少なくとも０．５ｍｍ瞳）に拡張させ得、ディスプレイ画面１１０の導波管装置１７０はさらに、コリメート光ビーム２５０の事前拡張瞳を、コリメート光ビーム２５０の事前拡張瞳より少なくとも１０倍大きい射出瞳（例えば、少なくとも５ｍｍ瞳）に拡張させ得る。多段階瞳拡張システムを利用することによって、コリメートされたビームの比較的に小瞳を比較的に大きくかつ飽和した射出瞳に拡張させることと関連付けられる製造制約が、単に、１つのみの瞳拡張デバイス上に課される必要はなく、むしろ、複数の拡張デバイス間に分散され、それによって、システム全体の製造を促進することができる。
【０３０９】
ここで図６０−６３を参照すると、ディスプレイサブシステム１０４’のいくつかの実施形態は、図３４−３６に図示される前述の導波管装置１７０と、図示される実施形態では、ＩＣ要素１６８に搭載される導波管装置１７０の小型バージョンの形態をとる、ＰＰＥ１９２ａとを備える、従来のＰＥを利用する。
【０３１０】
この目的を達成するために、ＰＰＥ１９２ａは、一次導波管装置１７０のＩＣ要素１６８のサイズに比例するサイズを有する、導波管装置１７０’の形態をとる。ディスプレイ画面１１０の一次導波管装置１７０と同様に、小型導波管装置１７０’は、光学的に透明な材料の単一の一体型基板または平面の形態をとる（導波管１７２に関して上記に説明されるように）、平面光学導波管１７２’と、導波管１７２’の中に光学的に結合されるコリメート光ビーム２５０の有効射出瞳を事前に２次元的に拡張させるために導波管１７２’と関連付けられる、１つ以上のＤＯＥ１７４’とを備える。ＰＰＥ１９２ａはさらに、コリメート光ビーム２５０をコリメーション要素１６６から面１８０ｂ’を介して導波管１７２’の中に受光するために導波管１７２’の面１８０ｂ’上に配置される、ＩＣ要素１６８’を備えるが、代替実施形態では、ＩＣ要素１６８’は、コリメート光ビーム２５０を導波管１７２の中に内部結合光ビームとして結合するために、導波管１７２’の他の面１８０ａ’またはさらに縁上に配置されてもよい。ＤＯＥ１７４’は、上記に簡単に議論されるように、導波管１７２’の中に光学的に結合されるコリメート光ビーム２５０の有効入射瞳を事前に２次元的に拡張させるために、導波管１７２’と関連付けられる（例えば、導波管１７２’内に組み込まれる、または導波管１７２’の面１８０ａ’、１８０ｂ’のうちの１つ以上のものに当接もしくは隣接する）。
【０３１１】
この目的を達成するために、ＤＯＥ１７４は、内部結合光ビーム２５２を初期直交光ビームレットのセット２５４’に分割するための直交瞳拡張（ＯＰＥ）要素１８６と、各初期直交光ビームレット２５４’を、導波管１７２’の面１８０ｂ’から出射する、初期外部結合光ビームレットのセット２５６’に分割するための射出瞳拡張（ＥＰＥ）要素１８８’とを備える。図６０−６３に図示される特定の実施形態では、ＯＰＥ要素１８６’およびＥＰＥ要素１８８’は、ｘ−ｙ平面において相互に完全に重複し、したがって、ＯＰＥ要素１８６’は、導波管１７２’の面１８０ａ上に配置され、ＥＰＥ要素１８８’は、導波管１７２’の面１８０ｂ上に配置される。代替として、ＯＰＥ要素１８６’およびＥＰＥ要素１８８’は、ｘ−ｙ平面において全く重複し得ず、その場合、ＯＰＥ要素１８６’およびＥＰＥ要素１８８’は両方とも、導波管１７２’の同一面１８０ｂ上に配置されてもよい。
【０３１２】
ＯＰＥ要素１８６’は、光を第１の軸（図６０における水平またはｘ−軸）に沿って中継し、光の有効射出瞳を第２の軸（図６０における垂直またはｙ−軸）に沿って事前に拡張させる。特に、図６１に最良に示されるように、ＩＣ要素１６８’は、ＴＩＲを介した内部反射光学経路２６２に沿った（この場合、垂直またはｙ−軸に沿った）導波管１７２’内の伝搬のために、コリメート光ビーム２５０を内部結合光ビーム２５２’として光学的に内部結合し、そうすることによって、ＯＰＥ要素１８６’と繰り返し交差する。図示される実施形態では、ＯＰＥ要素１８６’は、比較的に低回折効率（例えば、５０％未満）を有し、ＯＰＥ要素１８６’との各交点において、内部結合光ビーム２５２’の一部（例えば、９０％を上回る）が、ＴＩＲを介して軸２６２（ｙ−軸）と平行な内部反射光学経路に沿って導波管１７２’内を継続して伝搬し、内部結合光ビーム２５２’の残りの部分（例えば、１０％未満）が、ＴＩＲを介して軸２６４と平行な内部反射光学経路に沿って（この場合、水平またはｘ−軸に沿って）ＥＰＥ要素１８８’に向かって導波管１７２’内を伝搬する、初期直交光ビームレット２５４’（図６１では、破線として示される）として回折されるように、一連の対角線回折要素（ｘ−軸に対して４５度）を備える。軸２６４は、軸２６２（ｙ−軸）に垂直である、または直交するように説明されるが、軸２６４は、代替として、軸２６２に対して斜めに配向されてもよいことを理解されたい。
【０３１３】
したがって、内部結合光ビーム２５２’を、平行内部反射光学経路２６４に沿って伝搬する、複数の初期直交光ビームレット２５４’に分割することによって、小型導波管装置１７０’の中に内部結合される、コリメート光ビーム２５０の入射瞳は、ＯＰＥ要素１８６’によって、ｙ−軸に沿って垂直に事前に拡張される。
【０３１４】
ＥＰＥ要素１８８’は、ひいては、第１の軸（図６２における水平ｘ−軸）に沿って光の有効瞳をさらに事前に拡張させる。特に、ＥＰＥ要素１８８’は、ＯＰＥ要素１８６’のように、ＥＰＥ要素１８８’との各交点において、各初期直交光ビームレット２５４’の一部（例えば、９０％を上回る）が、軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って継続して伝搬し、各初期直交光ビームレット２５４’の残りの部分が、図６２に図示されるように、導波管１７２’の面１８０ｂ’から出射する（ｚ−軸に沿って）、初期外部結合光ビームレット２５６’として回折されるように、比較的に低回折効率（例えば、５０％未満）を有する。すなわち、光ビームレットが、ＥＰＥ要素１８８’に衝打する度に、その一部は、導波管１７２’の面１８０ｂに向かって回折されるであろう一方、残りの部分は、軸２６４（ｘ−軸）と平行な個別の内部反射光学経路に沿って継続して伝搬するであろう。
【０３１５】
したがって、各初期直交光ビームレット２５４’を複数の初期外部結合光ビームレット２５６’に分割することによって、内部結合光ビーム２５２の射出瞳はさらに、ＥＰＥ要素１８８’によって、ｘ−軸に沿って水平に事前に拡張され、元の内部結合光ビーム２５２のより大きいバージョンに近い、初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイをもたらす。
【０３１６】
図３４−３６に関して上記に説明されるものと同一様式において、一次導波管装置１７０はさらに、コリメート光ビーム２５０の瞳を２次元的に拡張させる。すなわち、初期外部結合光ビームレット２５６’は、内部結合光ビームレット２５２（１）−２５２（４）として、一次導波管装置１７０のＩＣ要素１６８の中に入力され、これは、ひいては、ＯＰＥ要素１８６によって、４つの直交光ビームレットのセット２５４（１）−２５４（４）に分割され、これはさらに、ＥＰＥ要素１８８によって、エンドユーザ５０の眼５２に向かって導波管１７２の面１８０ｂから出射する、最終外部結合光ビームレット２５６に分割される。
【０３１７】
したがって、図６３に図示されるように、単一コリメート光ビーム２５０は、ＯＰＥ要素１８６’によって、４つの初期直交光ビームレット２５４’の１次元アレイに分割され、これはさらに、ＥＰＥ要素１８８’によって、初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元４×４アレイに分割され、これはさらに、ＯＰＥ要素１７４’によって、直交光ビームレット２５４の２次元４×１６アレイに分割され、これはさらに、最終外部結合光ビームレット２５６の１６×１６アレイに分割される。理解され得るように、ＰＰＥ１９２ａ（すなわち、小型導波管装置１７０’）の使用は、ディスプレイ画面１１０の射出瞳の飽和を最終外部結合光ビームレット２５６の４×４アレイから最終外部結合光ビームレット２５６の１６×１６アレイに増加させる。当然ながら、ＰＰＥ１９２ａは、例えば、２×２アレイ、３×３アレイ、５×５アレイ等の初期外部結合光ビームレット２５６’のより小さいまたはより大きいアレイを作成するように設計されることができ、さらに、例えば、２×３アレイ、３×２アレイ、３×４アレイ、４×３アレイ等の初期外部結合光ビームレット２５６’の非正方形行列を作成するように設計されることができる。重要なこととして、一次導波管装置１７０の導波管１７２の厚さは、小型導波管装置１７０’の導波管１７２’の厚さを上回るであろう。この場合、例証における簡略化目的のために、一次導波管１７２の厚さは、二次導波管１７２’の厚さの４倍である。しかしながら、図４４−５７の実施形態に関して上記に議論されるように、導波管１７２、１７２’の個別の厚さ値の最小公倍数を最大限にし、それによって、最広走査角度のためにもたらされる射出瞳の量を最大限にし、さらに、隣接する外部結合ビームレット２５６間のコヒーレント光相互作用によって作成される悪影響を最小限にし得る、外部結合ビームレット２５６の非均一／複雑な分布をもたらすことが有益であり得ることを理解されたい。
【０３１８】
ここで図６４−６６を参照すると、ディスプレイサブシステム１０４’の別の実施形態は、図３４−３６に図示される前述の導波管装置１７０と、ＰＰＥ１９２ａのように、ＰＰＥ１９２ｂの中に光学的に結合されるコリメート光ビーム２５０の有効入射瞳を２次元的に事前に拡張させるが、ＰＰＥ１９２ａと異なり、導波管ではなく、むしろ、アダプタの形態をとる、ＰＰＥ１９２ｂとを備える、従来のＰＥを利用する。
【０３１９】
特に、ＰＰＥ１９２ｂは、コリメート光ビーム２５０を初期外部結合光ビームレットのセット２５６’に分割する、単一ＤＯＥを利用する、回折ビームスプリッタ１９４を備える。図６５および６６に最良に示されるように、回折ビームスプリッタ１９４は、対向する第１および第２の面１９６ａ、１９６ｂと、面１９６ａ、１９６ｂのうちの１つ、およびこの場合、基板１９６の面１９６ｂと関連付けられた回折格子１９８とを有する、光学平面基板１９６を備える。回折格子１９８は、基板１９６の面１９６ａに入射するコリメート光ビーム２５０を、発散角度において基板１９６の面１９６ｂから出射する、発散する光ビームレットのセット２５４’に分割する。
【０３２０】
回折格子１９８は、奇数の発散する光ビームレット２５４’を単一コリメート光ビーム２５０からまたは偶数の発散する光ビームレット２５４’を単一コリメート光ビーム２５０から生成するように設計されることができる。重要なこととして、コリメート光ビーム２５０が、回折格子１９８と交差するとき、ビームレットが、異なる回折次数において作成される。例えば、図６７Ａに図示されるように、１つの回折格子１９８’は、コリメート光ビーム２５０を、それぞれ、５つの回折次数（−２、−１、０、＋１、＋２）に対応する、５つの発散する光ビームレット２５４’に分割するように設計され、各発散する光ビームレット２５４’は、分離角度θｓだけ隣接する発散する光ビームレット２５４’から分離される。図６７Ｂに図示されるように、別の回折格子１９８’’は、コリメート光ビーム２５０を、それぞれ、４つの回折次数（−３、−１、＋１、＋３）に対応する、４つの発散する光ビームレット２５４’に分割するように設計され、各発散する光ビームレット２５６’は、分離角度２θｓだけ隣接する発散する光ビームレット２５６’から分離される。
【０３２１】
回折格子１９８は、コリメート光ビーム２５０’を発散する光ビームレット２５４’の１次元アレイまたは発散する光ビームレット２５４’の２次元（Ｍ×Ｎ）アレイのいずれかに分割してもよい。図６４−６６に図示される実施形態では、回折格子は、コリメート光ビーム２５０を発散する光ビームレット２５４’の４×４アレイに分割する。当然ながら、ＰＰＥ１９２ｂは、例えば、１×２アレイ、２×１アレイ、２×２アレイ、３×３アレイ、５×５アレイ等の発散する光ビームレット２５４’のより小さいまたはより大きいアレイを作成するように設計されることができ、さらに、例えば、２×３アレイ、３×２アレイ、３×４アレイ、４×３アレイ等の発散する光ビームレット２５４’の非正方形２次元アレイを作成するように設計されることができる。
【０３２２】
重要なこととして、ＰＰＥ１９２ｂは、角度保存拡張をコリメート光ビーム２５０に適用する。すなわち、ＰＰＥ１９２ｂは、基板１９６の面１９６ｂから出射する発散する光ビームレットのセット２５４’をコリメート光ビーム２５０’の元の角度に戻るように屈曲させる。この目的を達成するために、ＰＰＥ１９２ｂは、レンズ２００、本実施形態では、発散する光ビームレット２５４’を初期外部結合光ビームレットのセット２５６’としてコリメート光ビーム２５０’の元の角度に戻るように再集束させる、回折レンズを備える。回折レンズ２００は、ＩＣ要素１６８と別個であるように図示されるが、回折レンズ２００の機能は、ＩＣ要素１６８の中に組み込まれることができる。
【０３２３】
前述から、ＰＰＥ１９２ｂは、コリメート光ビーム２５０の有効入射瞳を２次元的に事前に拡張させることが理解され得る。図３４−３６に関して上記に説明されるものと同一様式において、一次導波管装置１７０はさらに、コリメート光ビーム２５０の瞳を２次元的に拡張させる。すなわち、初期外部結合光ビームレット２５６’の４×４アレイが、図６４−６６に図示されるように、内部結合光ビームレット２５２の４×４アレイ（２５２（１）−２５２（４）のみが示される）として、一次導波管装置１７０のＩＣ要素１６８の中に入力され、これは、ひいては、ＯＰＥ要素１８６によって、直交光ビームレット２５４の４×４アレイ（２５４（１）−２５４（４）のみが示される）に分割され、これはさらに、ＥＰＥ要素１８８によって、エンドユーザ５０の眼５２に向かって導波管１７２の面１８０ｂから出射する、最終外部結合光ビームレット２５６に分割される。着目すべきこととして、図６７Ａの実施形態における分離角度θｓまたは図６７Ｂにおける分離角度２θｓは、レンズ２００との交点における隣接する初期外部結合光ビームレット２５６’間の分離距離ｓが、一次導波管装置１７０から出射する最終外部結合光ビームレット２５６の所望の間隔と等しくなるであろうように選択されるであろう。
【０３２４】
ここで図６８−７３を参照すると、ディスプレイサブシステム１０４のさらに別の実施形態は、図３４−３６に図示される前述の導波管装置１７０と、ＰＰＥ１９２ａのように、ＰＰＥ１９２ｃの中に光学的に結合されるコリメート光ビーム２５０の有効射出瞳を２次元的に事前に拡張させるが、ＰＰＥ１９２ａと異なり、導波管ではなく、むしろ、プリズムの形態をとる、ＰＰＥ１９２ｃとを備える、従来のＰＥを利用する。
【０３２５】
図７１−７３に最良に示されるように、ＰＰＥ１９２ｃは、図示される実施形態では、第１の面２０２ａおよび第２の面２０２ｂを有する、直方体の形態をとる、光学的に透明なプリズム本体２０２と、プリズム本体２０２の内部に配置される、複数のプリズム平面２０４とを備える。複数のプリズム平面２０４は、第１の面２０２ａに対して斜角（この場合、４５度の角度）に配置される、第１の平行プリズム平面のセット２０４ａと、第２の面２０２ｂに対して斜角（この場合、４５度の角度）の第２の平行プリズム平面のセット２０４ｂとを備える。図示される実施形態では、第１の平行プリズム平面のセット２０４ａは、２つのプリズム平面２０２ａ（１）および２０２ａ（２）から成り、第２の平行プリズム平面のセット２０４ｂは、２つのプリズム平面２０２ｂ（１）および２０２ｂ（２）から成るが、代替実施形態では、平行プリズム平面２０４の各セットは、２つを上回るプリズム平面から成ってもよい。
【０３２６】
プリズム本体２０２は、ともに接合され、プリズム本体２０２の全体を作成する、プリズムセクション２０６ａ−２０２ｆを備える。プリズム平面２０４ａ（１）は、プリズムセクション２０６ａと２０６ｂとの間の界面に形成され、プリズム平面２０４ａ（２）は、プリズムセクション２０６ｂと２０６ｃとの間の界面に形成され、プリズム平面２０４ｂ（１）は、プリズムセクション２０６ｄと２０６ｅとの間の界面に形成され、プリズム平面２０４ｂ（２）は、プリズムセクション２０６ｅと２０６ｆとの間の界面に形成される。
【０３２７】
プリズム平面２０４は、プリズム本体２０２の第１の面２０２ａに入射するコリメート光ビーム２５０を、プリズム本体２０２の第２の面２０２ｂから出射する、初期外部結合光ビームレットのセット２５６’（この場合、光ビームレット２５６’の２×２アレイ）に分割するように構成される。
【０３２８】
この目的を達成するために、プリズム平面２０４ａ（１）および２０４ｂ（１）はそれぞれ、例えば、金、アルミニウム、銀、ニッケルクロム、クロム等の金、酸化物、フッ化物、硫化物等の誘電体、シリコン、ゲルマニウム等の半導体、および／または反射性性質を伴う糊または接着剤から成るもの等の半反射性コーティングから形成され、これは、物理蒸着（ＰＶＤ）、イオン支援蒸着（ＩＡＤ）、イオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）等の任意の好適なプロセスを介して、隣接するプリズムセクション２０６間に配置されることができる。半反射性コーティングの反射と透過の比率は、少なくとも部分的に、コーティングの厚さに基づいて、選択または決定されてもよい、または半反射性コーティングは、複数の小穿孔を有し、反射と透過の比率を制御してもよい。したがって、プリズム平面２０４ａ（１）および２０４ｂ（１）はそれぞれ、光ビームの一部を反射させ、光ビームの残りの部分を透過させることによって、光ビームを分割するであろう。対照的に、プリズム平面２０４ａ（２）および２０４ｂ（２）はそれぞれ、好ましくは、完全反射性コーティングから形成され、これは、半反射性コーティングと同一材料から成ってもよい。しかしながら、コーティングの厚さは、プリズム平面２０４ａ（２）および２０４ｂ（２）が完全反射性であるように選択されてもよい。
【０３２９】
代替実施形態では、隣接するプリズムセクション２０６は、個別のプリズムセクション２０６間のプリズム平面２０４が、臨界角未満で半反射性界面上に入射する光に関して半反射性（プリズム平面２０４ａ（１）または２０４ｂ（１）の場合）または完全反射性（プリズム平面２０４ａ（２）および２０４ｂ（２）の場合）であるように、異なる屈折率を有する材料から成ってもよい。いずれの場合も、各プリズム平面２０４は、好ましくは、プリズム平面２０４上に入射する光ビームの角度が保存されるように設計される。
【０３３０】
図７２に最良に示されるように、第１のセットのプリズム平面２０４ａは、光を第１の軸（水平またはｘ−軸）に沿って中継し、光の有効射出瞳を第２の軸（垂直またはｙ−軸）に沿って事前に拡張させる。特に、第１のセットのプリズム平面２０４ａは、プリズム本体２０２の第１の面２０２ａに入射するコリメート光ビーム２５０を２つの直交光ビームレット２５４（１）’および２５４（２）’に分割し、これらの光ビームレット２５４’を第２のセットのプリズム平面２０４ｂに向かって第１の方向に反射させる。すなわち、コリメート光ビーム２５０の一部は、プリズム平面２０４ａ（１）によって直交光ビームレット２５４（１）’として反射され、コリメート光ビーム２５０の残りの部分は、直交光ビームレット２５４（２）’としての反射のために、プリズム平面２０４ａ（１）によってプリズム平面２０４ａ（２）に透過される。
【０３３１】
図７３に最良に示されるように、第２のセットのプリズム平面２０４ｂは、ひいては、第２の軸（水平またはｘ−軸）に沿って光の有効射出瞳をさらに事前に拡張させる。特に、第２のセットのプリズム平面２０４ｂは、直交光ビームレット２５４’のそれぞれを２つの初期外部結合光ビームレット２５６’に分割し、これらの初期外部結合光ビームレット２５６’をプリズム本体２０２の第２の面２０２ｂから外に第１の方向に直交する第２の方向に反射させるが、第２の方向は、第１の方向に非直交であってもよい。すなわち、直交光ビームレット２５４（１）’の一部は、プリズム平面２０４ｂ（１）によって初期外部結合光ビームレット２５６（１）’として反射され、直交光ビームレット２５４（１）’の残りの部分は、初期外部結合光ビームレット２５６（２）’としての反射のために、プリズム平面２０４ｂ（１）によってプリズム平面２０４ｂ（２）に透過される。同様に、直交光ビームレット２５４（２）’の一部は、プリズム平面２０４ｂ（１）によって初期外部結合光ビームレット２５６（３）’として反射され、直交光ビームレット２５４（２）’の残りの部分は、初期外部結合光ビームレット２５６（４）’としての反射のために、プリズム平面２０４ｂ（１）によってプリズム平面２０４ｂ（２）に透過される。したがって、初期外部結合光ビームレット２５６’の２×２アレイが、プリズム本体２０２の第２の面２０２ｂから出射する。
【０３３２】
前述から、ＰＰＥ１９２ｃは、コリメート光ビーム２５０の有効入射瞳を２次元的に事前に拡張させることが理解され得る。図３４−３６に関して上記に説明されるものと同一様式において、一次導波管装置１７０はさらに、コリメート光ビーム２５０の瞳を２次元的に拡張させる。すなわち、初期外部結合光ビームレット２５６’は、図６８−７０に図示されるように、内部結合光ビームレットの２×２アレイ（２５２（１）−２５２（２）のみが示される）として、一次導波管装置１７０のＩＣ要素１６８の中に入力され、これは、ひいては、ＯＰＥ要素１８６によって、４つの直交光ビームレットのセット（２５４（１）−２５４（２）のみが示される）に分割され、これはさらに、ＥＰＥ要素１８８によって、エンドユーザ５０の眼５２に向かって導波管１７２の面１８０ｂから出射する、最終外部結合光ビームレット２５６に分割される。
【０３３３】
プリズム平面２０４間の距離ｄは、好ましくは、隣接する初期外部結合光ビームレット２５６’間の距離ｓが、一次導波管装置１７０から出射する最終外部結合光ビームレット２５６の所望の間隔と等しくなるであろうように選択される。図示される実施形態では、プリズム平面２０４は、プリズム本体２０２の面２０２ａ、２０２ｂに対して４５度の角度で配向され、したがって、距離ｄは、以下、すなわち、ｄ＝ｓ＊ｓｉｎ４５°のように距離ｓの関数としてとして表され得る。一次導波管装置１７０内の導波管１７２の厚さは、最終外部結合光ビームレット２５６の内部充填が促進されるように、ＰＰＥ１９２ｃの平行プリズム平面２０４の各セット内のプリズム平面２０４間の距離ｄの倍数であり得る（この場合、２×平行プリズム平面２０４の間の距離ｄ）。
【０３３４】
図７４および７５に図示されるように、初期外部結合光ビームレット２５６’のより大きいアレイが、プリズム本体２０２のサイズに対するＰＰＥ１９２ｃの平行プリズム平面２０４の各セット内のプリズム平面２０４間の距離を減少させることによって作成されてもよいことを理解されたい。
【０３３５】
例えば、図７４に図示されるように、第１のセットのプリズム平面２０４ａは、プリズム本体２０２の第１の面２０２ａに入射するコリメート光ビーム２５０を３つの直交光ビームレット２５４（１）’−２５４（３）’に分割し、これらの光ビームレット２５４’を第２のセットのプリズム平面２０４ｂに向かって反射させてもよい。すなわち、コリメート光ビーム２５０の一部は、プリズム平面２０４ａ（１）によって直交光ビームレット２５４（１）’として反射され、コリメート光ビーム２５０の残りの部分は、プリズム平面２０４ａ（１）によってプリズム平面２０４ａ（２）に透過され、これは、プリズム平面２０４ａ（１）と２０４ａ（２）との間で繰り返し反射され、その一部は、プリズム平面２０４ａ（１）を通して、直交光ビームレット２５４（２）’および２５４（３）’として戻るように透過されるであろう。
【０３３６】
図７５に図示されるように、第２のセットのプリズム平面２０４ｂは、直交光ビームレット２５４’のそれぞれを３つの初期外部結合光ビームレット２５６’に分割し、これらの初期外部結合光ビームレット２５６’をプリズム本体２０２の第２の面２０２ｂから外に反射させる。したがって、初期外部結合光ビームレット２５６’の３×３アレイが、プリズム本体２０２の第２の面２０２ｂから出射する。すなわち、各直交光ビームレット２５４の一部は、プリズム平面２０４ｂ（１）によって初期外部結合光ビームレット２５６（１）’として反射され、本直交光ビームレット２５４’の残りの部分は、プリズム平面２０４ｂ（１）によってプリズム平面２０４ｂ（２）に透過され、これは、プリズム平面２０４ｂ（１）と２０４ｂ（２）との間で繰り返し反射され、その一部は、プリズム平面２０４ｂ（１）を通して、初期外部結合光ビームレット２５６（２）’および２５６（３）’として戻るように透過されるであろう。
【０３３７】
再び、プリズム平面２０４間の距離ｄは、好ましくは、隣接する初期外部結合光ビームレット２５６’間の距離が、一次導波管装置１７０から出射する最終外部結合光ビームレット２５６の所望の間隔と等しくなるであろうように選択される。図示される実施形態では、プリズム平面２０４は、プリズム本体２０２の面２０２ａ、２０２ｂに対して４５度の角度で配向され、したがって、距離ｄは、以下、すなわち、ｄ＝ｓ＊ｓｉｎ４５°のように距離ｓの関数としてとして表され得る。
【０３３８】
したがって、直交光ビームレット２５４毎に、３つの初期外部結合光ビームレット２５６’が、生成され、それによって、プリズム本体２０２の第２の面２０２ｂから出射する、初期外部結合光ビームレット２５６’の３×３アレイを作成するであろう。当然ながら、ＰＰＥ１９２ｃは、プリズム本体２０２のサイズに対するＰＰＥ１９２ｃの平行プリズム平面２０４の各セット内のプリズム平面２０４間の距離をさらに減少させることによって、例えば、４×４アレイ、５×５アレイ等の初期外部結合光ビームレット２５６’のさらにより大きいアレイを作成するように設計されることができる。
【０３３９】
ＰＰＥ１９２ｃは、初期外部結合光ビームレット２５６’の正方形アレイを生成するように説明されたが、ＰＰＥ１９２ｃは、代替として、プリズム平面２０４ａ（１）と２０４ａ（２）との間の距離をプリズム平面２０４ｂ（１）と２０４ｂ（２）との間の距離と異ならせることによって、例えば、２×３アレイ、３×２アレイ、２×３アレイ、３×２アレイ等の初期外部結合光ビームレット２５６’の非正方形アレイを生成するように設計されることができる。さらに、ＰＰＥ１９２ｃは、初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイを作成するように説明されたが、ＰＰＥ１９２ｃは、１つのみの平行プリズム平面のセット２０４を伴うＰＰＥ１９２ｃを設計することによって、例えば、１×２アレイ、１×３アレイ等の、初期外部結合光ビームレット２５６’の１次元アレイを作成するように設計されることができる。
【０３４０】
さらに、ＰＰＥ１９２ｃは、プリズム本体２０２の面２０２ｂに対して直交角度でプリズム本体２０２から出射する、初期外部結合光ビームレット２５６’を生成するように説明されたが、ＰＰＥ１９２ｃは、プリズム本体２０２の面２０２ｂに対するプリズム平面２０４のセットの一方または両方の配向を変化させることによって、初期外部結合光ビームレット２５６’がプリズム本体２０２の面２０２ｂに対して斜角でプリズム本体２０２から出射するように設計されることができる。
【０３４１】
ここで図７６−７９を参照すると、ディスプレイサブシステム１０４’のさらに別の実施形態は、図３４−３６に図示される前述の導波管装置１７０と、ＰＰＥ１９２ｃのように、プリズムの形態をとるが、ＰＰＥ１９２ｃと異なり、ＰＰＥ１９２ｅの中に光学的に結合されるコリメート光ビーム２５０の有効入射瞳を１次元的に事前に拡張させる、中実プリズムとは対照的に、空洞プリズムを利用する、ＰＰＥ１９２ｅとを備える、従来のＰＥを利用する。
【０３４２】
図７９に最良に示されるように、ＰＰＥ１９２ｅは、光学的に透明な空洞プリズム２０８を備え、これは、第１の三角形プリズムセクション２１０ａと、第２の三角形プリズムセクション２１０ｂとを含む。プリズムセクション２１０ａ、２１０ｂは、相互から離間され、片側がプリズムセクション２１０ａのプリズム平面２１２ａによって、他側がプリズムセクション２１０ｂのプリズム平面２１２ｂによって境界される、開放空間２１２をその間に作成し、プリズム平面２１２ａ、２１２ｂは、相互に平行である。第１のプリズムセクション２１０ａは、プリズム平面２１２ａと反対の第１の面２１４ａと、第２の面２１４ｂとを有する。プリズム平面２１２ａは、第１および第２の面２１４ａ、２１４ｂに対して斜角（この場合、４５度の角度）に配置される。
【０３４３】
プリズム平面２１２は、プリズムセクション２１０の第１の面２０２ａに入射するコリメート光ビーム２５０を、第１のプリズムセクション２１０ａの第２の面２１４ｂから出射する、初期光ビームレットのセット２５６’（この場合、初期外部結合光ビームレット２５６’の１×４アレイ）に分割するように構成される。この目的を達成するために、上記に説明されるＰＰＥ１９２ｃのプリズム平面２０４が部分反射性または完全反射性であるように設計される同一様式で、第１のプリズム平面２１２ａは、部分反射性であるように設計される一方、第２のプリズム平面２１２ｂは、完全反射性であるように設計される。各プリズム平面２１２は、好ましくは、プリズム平面２１２上に入射する光ビームの角度が保存されるように設計される。
【０３４４】
図７９に最良に示されるように、ＰＰＥ１９２ｃは、光の有効射出瞳を第１の軸（水平またはｘ−軸）に沿って１次元的に事前に拡張させる。特に、プリズム平面２１２のセットは、コリメート光ビーム２５０を４つの初期外部結合光ビームレット２５６’に分割し、これらの初期外部結合光ビームレット２５６’をプリズムセクション２１０ｂの第２の面２１４ｂから外に反射させる。したがって、初期外部結合光ビームレット２５６’の１×４アレイが、プリズム本体２１０の第２の面２１４ｂから出射する。すなわち、コリメート光ビーム２５０の一部は、プリズム平面２１２ａによって初期外部結合光ビームレット２５６（１）’として反射され、コリメート光ビーム２５０の残りの部分は、プリズム平面２１２ｂによってプリズム平面２１２ａに透過され、これは、プリズム平面２１２ａとプリズム平面２１２ｂとの間で繰り返し反射され、その一部は、プリズム平面２１２ａを通して初期外部結合光ビームレット２５６（２）’−２５６（４）’として戻るように透過されるであろう。当然ながら、ＰＰＥ１９２ｅは、プリズム２０８のサイズに対するプリズム平面２１２間の距離を減少または増加させることによって、例えば、１×２アレイ、１×３アレイ、１×５アレイ等の初期外部結合光ビームレット２５６’のより小さいまたはより大きい１次元アレイを作成するように設計されることができる。
【０３４５】
前述から、ＰＰＥ１９２ｅは、コリメート光ビーム２５０の有効入射瞳を１次元的に事前に拡張させることが理解され得る。図３４−３６に関して上記に説明されるものと同一様式において、一次導波管装置１７０はさらに、コリメート光ビーム２５０の瞳を２次元的に拡張させる。すなわち、初期外部結合光ビームレット２５６’は、図７６−７８に図示されるように、内部結合光ビームレット２５２（１）−２５２（４）の１×４アレイとして、一次導波管装置１７０のＩＣ要素１６８の中に入力され、これは、ひいては、ＯＰＥ要素１８６によって、直交光ビームレット２５４（１）−２５４（４）の１×４アレイに分割され、これはさらに、ＥＰＥ要素１８８によって、エンドユーザ５０の眼５２に向かって導波管１７２の面１８０ｂから出射する、最終外部結合光ビームレット２５６に分割される。
【０３４６】
プリズム平面２１２間の距離ｄは、好ましくは、隣接する初期外部結合光ビームレット２５６’間の距離ｓが、一次導波管装置１７０から出射する最終外部結合光ビームレット２５６の所望の間隔と等しくなるであろうように選択される。図示される実施形態では、プリズム平面２１２は、プリズム本体２０２の面２１４ａ、２１４ｂに対して４５度の角度で配向され、したがって、距離ｄは、以下、すなわち、ｄ＝ｓ＊ｓｉｎ４５°のように距離ｓの関数として表され得る。重要なこととして、一次導波管装置１７０内の導波管１７２の厚さは、最終外部結合光ビームレット２５６の内部充填が促進されるように、ＰＰＥ１９２ｅのプリズム平面２１２間の距離ｄの倍数となるであろう（この場合、２×プリズム平面２１２間の距離ｄ）。
【０３４７】
プリズム平面２１２間の距離ｄは、単に、プリズム平面２１２を相互に対して位置させることによって設定されるため、最終外部結合光ビームレット２５６間の間隔は、製造限界に関する懸念を伴わずに、恣意的に設定され得ることを理解されたい。すなわち、ＰＰＥ１９２ｅは、光学基板をプリズム平面２１２間において利用せず、むしろ、プリズム平面２１２間の空洞を利用するため、そのような光学基板の最小厚に関連する限界に関して懸念する必要がない。
【０３４８】
ここで図８０−８９を参照すると、ディスプレイサブシステム１０４のいくつかの実施形態は、図３４−３６に図示される前述の導波管装置１７０と、図示される実施形態では、ＩＣ要素１６８に搭載される多層化小型導波管装置２２０の形態をとる、ＰＰＥ１９２ｆとを備える、従来のＰＥを利用する。
【０３４９】
小型導波管装置２２０は、一次導波管装置１７０のＩＣ要素１６８のサイズに比例するサイズを有する。小型導波管装置２２０は、複数の導波管アセンブリ２２２、この場合、上部導波管アセンブリ２２２ａと、底部導波管アセンブリ２２２ｂとを備える。各導波管アセンブリ２２２は、下記にさらに詳細に説明されるであろうように、１つ以上のコリメートされたビームまたはビームレット（底部導波管アセンブリ２２２ｂ内のコリメート光ビーム２５０および上部導波管アセンブリ２２２ｂ内の外部結合光ビームレット２５６’）のそれぞれを外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイ（この場合、４×４アレイ）に分割するように構成される。
【０３５０】
本明細書に説明される特定の小型導波管装置２２０では、図８３に図示されるように、底部導波管アセンブリ２２２ｂは、単一コリメート光ビーム２５０を外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイに分割するように機能する一方、上部導波管アセンブリ２２２ａは、底部導波管アセンブリ２２２ｂからの外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイを複数の外部結合光ビームレット２５６’’の２次元アレイに分割するように機能する。この目的を達成するために、上部導波管アセンブリ２２２ａおよび底部導波管アセンブリ２２２ｂは、上部導波管アセンブリ２２２ａが外部結合光ビームレット２５６’を底部導波管アセンブリ２２２ｂから受光するように、相互に対して配置される。例えば、下記に図示されるであろうように、底部導波管アセンブリ２２２ｂの上部表面２２４ａは、上部導波管アセンブリ２２２ａの底部表面２２４ｂに添着される。
【０３５１】
図８４および８５Ａ−８５Ｂをさらに参照すると、各導波管アセンブリ２２２は、上部直交導波管ユニット２２６ａおよび底部直交導波管ユニット２２６ｂとして構成される、一対の直交導波管ユニットを備え、上部直交導波管ユニット２２６ａの底部表面２２８ｂは、底部直交導波管ユニット２２６ｂの上部表面２２８ａに添着される。直交導波管ユニット２２６は、相互に同じであって、それらが相互に対して直交して配向されることのみ異なる。各直交導波管ユニット２２６は、光学的に透明な材料の単一の一体型基板または平面の形態をとる、平面光学導波管２３０を備える（導波管１７２に関して上記に説明されるように）。個別の直交導波管ユニット２２６の平面光学導波管２３０は、同じサイズであって、それぞれ、上部および底部面２３０ａ、２３０ｂを有する。各直交導波管ユニット２２６はさらに、個別の平面光学導波管２３０の底部面２３０ｂと関連付けられた（例えば、その上に配置される）ＩＣ要素２３２と、それぞれ、平面光学導波管２３０の上部面２３０ａと関連付けられた（例えば、その上に配置される）ＥＰＥ２３４とを備える。
【０３５２】
各ＩＣ要素２３２は、ＴＩＲを介した内部反射光学経路に沿った伝搬のために、１つ以上の光ビームまたはビームレットを個別の平面光学導波管２３０（上部直交導波管ユニット２２６ａの場合、２３６ａ、底部直交導波管ユニット２２６ｂの場合、２３６ｂ）の中に内部結合し、そうすることによって、ＥＰＥ要素２３４と繰り返し交差するように構成される。一次導波管装置１７０のＥＰＥ要素１８８に関して上記に説明されるものと同一様式において、ＥＰＥ要素２３４は、ＥＰＥ要素２３４との各交点において、各光ビームまたはビームレットの一部（例えば、９０％を上回る）が、個別の内部反射光学経路２３６に沿って継続して伝搬し、各光ビームまたはビームレットの残りの部分が、個別の平面光学導波管２３０の上部面２３０ａから出射する、初期外部結合光ビームレット２５６’として回折されるように、比較的に低回折効率（例えば、５０％未満）を有する。図示される実施形態では、ＩＣ要素２３２およびＥＰＥ要素２３４のサイズは、下記にさらに詳細に説明されるであろうように、相互に等しく、コリメート光ビーム２５０の瞳拡張が、最大限にされる一方、また、底部直交導波管ユニット２２６ｂから上部直交導波管ユニット２２６ａへの外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイの内部結合を促進するように、ＩＣ要素２３２およびＥＰＥ要素２３４が関連付けられる、個別の平面光学導波管２３０のサイズに比例する。
【０３５３】
直交導波管ユニット２２６のＩＣ要素２３２は、図８４に図示されるように、個別の導波管アセンブリ２２２の底部面２２４ｂの中に内部結合される、各光ビームまたはビームレット（２５０または２５６’）が、導波管アセンブリ２２２の上部面２２４ａから出射する、初期外部結合光ビームレット２５６’（または２５６’’）の２次元アレイに分割されるように、相互に直交して配向される。
【０３５４】
特に、各導波管アセンブリ２２２のＩＣ要素２３２は、底部直交導波管ユニット２２６ｂと関連付けられたＩＣ要素２３２が、ＴＩＲを介した第１の軸２６２と平行な内部反射光学経路に沿った（この場合、ｙ−軸に沿った）伝搬のために、光を内部結合し、光が、対応するＥＰＥ要素２３４によって第１の軸２６２に沿って拡張される（図８５Ｂ参照）一方、上部直交導波管ユニット２２６ａと関連付けられたＩＣ要素２３２が、ＴＩＲを介した第１の軸２６４に直交する第２の軸２６４と平行な内部反射光学経路に沿った（この場合、ｘ−軸に沿った）伝搬のために、各光ビームまたはビームレットを内部結合し、光が、対応するＥＰＥ要素２３４によってその第２の軸２６４に沿って拡張される（図８５Ａ参照）ように、相互に対して直交して配向される。
【０３５５】
上記に図８３に関して簡単に議論されるように、上部導波管アセンブリ２２２ａの底部面２２４ｂは、底部導波管アセンブリ２２２ａの出力が、上部導波管アセンブリ２２２ａへの入力として提供され、それによって、外部結合光ビームレット２５６’’の複数のアレイを単一コリメート光ビーム２５０から生成するように、底部導波管アセンブリ２２２ｂの上部表面２２４ａに添着される。
【０３５６】
特に、図８６Ａおよび８６Ｂをさらに参照すると、底部導波管アセンブリ２２２ｂは、コリメート光ビーム２５０をコリメーション要素１６６から受光し、底部導波管アセンブリ２２２ｂの上部面２２４ａから出射する、コリメート光ビーム２５０を初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイに分割する。
【０３５７】
すなわち、底部導波管アセンブリ２２２ｂの底部直交導波管ユニット２２６ｂと関連付けられたＩＣ要素２２４は、ＴＩＲを介した軸２６２（ｙ−軸）と平行な第１の内部反射光学経路に沿った個別の平面光学導波管２３０内の伝搬のために、コリメート光ビーム２５０を初期内部結合光ビーム２５２’として光学的に結合し、底部導波管アセンブリ２２２ｂの底部直交導波管ユニット２２６ｂと関連付けられたＥＰＥ要素２２６は、コリメート光ビーム２５０を、個別の底部直交導波管ユニット２２６ｂの上部面２２８ａから出射する、初期外部結合光ビームレット２５６’の１次元アレイに分割する。
【０３５８】
ひいては、底部導波管アセンブリ２２２ｂの上部直交導波管ユニット２２６ａと関連付けられたＩＣ要素２２４は、ＴＩＲを介した軸２６２（ｙ−軸）と平行な第１の内部反射光学経路に直交する個別の軸２６４（ｘ−軸）と平行な第２の内部反射光学経路に沿った個別の平面光学導波管２３０内の伝搬のために、初期外部結合光ビームレット２５６’の１次元アレイを初期直交光ビームレット２５４’として光学的に結合し、底部導波管アセンブリ２２２ｂの上部直交導波管ユニット２２６ａと関連付けられたＥＰＥ要素２２６は、初期直交光ビームレット２５４’を、個別の上部直交導波管ユニット２２６ａの上部面２２８ａから出射する、初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイに分割する。
【０３５９】
上部導波管アセンブリ２２２ａは、初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイを底部導波管アセンブリ２２２ｂから受光し、本初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイを、上部導波管アセンブリ２２２ａの上部面２２４ａから出射する、中間外部結合光ビームレット２５６’’の複数の２次元アレイに分割する。
【０３６０】
すなわち、上部導波管アセンブリ２２２ａの底部直交導波管ユニット２２６ｂと関連付けられたＩＣ要素２２４は、ＴＩＲを介した軸２６２（ｙ−軸）と平行な第１の内部反射光学経路に沿った個別の平面光学導波管２３０内の伝搬のために、初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイを内部結合光ビーム２５２’’の中間セットとして光学的に結合し、上部導波管アセンブリ２２２ａの底部直交導波管ユニット２２６ｂと関連付けられたＥＰＥ要素２２６は、内部結合光ビームレットの中間セット２５２’’を、個別の底部直交導波管ユニット２２６ｂの上部面２２８ａから出射する、初期外部結合光ビームレット２５６’の中間外部結合光ビームレット２５６’’の２次元アレイに分割する。
【０３６１】
ひいては、上部導波管アセンブリ２２２ａの上部直交導波管ユニット２２６ａと関連付けられたＩＣ要素２２４は、ＴＩＲを介した軸２６２（ｙ−軸）と平行な第１の内部反射光学経路に直交する個別の第２の内部反射光学経路２６４（ｘ−軸）に沿った個別の平面光学導波管２３０内の伝搬のために、中間外部結合光ビームレット２５６’’の２次元アレイを中間直交光ビームレット２５４’’として光学的に結合し、上部導波管アセンブリ２２２ａの上部直交導波管ユニット２２６ａと関連付けられたＥＰＥ要素２２６は、中間直交光ビームレット２５４’’を、個別の上部直交導波管ユニット２２６ａの上部面２２８ａから出射する、中間外部結合光ビームレット２５６’’の２次元アレイに分割する。
【０３６２】
したがって、底部導波管アセンブリ２２２ｂは、コリメート光ビーム２５０を初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイに分割し、上部導波管アセンブリ２２２ａは、外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイを中間外部結合光ビームレット２５６’’のいくつかの２次元アレイに分割する。初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイならびに中間外部結合光ビームレット２５６’’の２次元アレイのそれぞれは、ビームレット間間隔ｓ１を有し、中間外部結合光ビームレット２５６’’の２次元アレイは、初期外部結合光ビームレット２５６’および中間外部結合光ビームレット２５６’’の２次元アレイのビームレット間間隔ｓ１と異なるアレイ間間隔ｓ２を有する（例えば、図８９Ａおよび８９Ｂ参照）。アレイ間間隔ｓ２およびビームレット間間隔ｓ１は、下記にさらに詳細に説明されるであろうように、光ビームレット２５６’’が、ＰＰＥ１９２ｆの射出瞳、したがって、ディスプレイ画面１１０の射出瞳の内部充填の密度を最大限にする様式において分散されるように、相互の非倍数である。
【０３６３】
着目すべきこととして、ビームレット間間隔ｓ１は、底部導波管アセンブリ２２２ｂの導波管２３０の個別の厚さによって決定付けられる。同様に、アレイ間間隔ｓ２は、上部導波管アセンブリ２２２ａの導波管２４０の個別の厚さによって決定付けられる。上部および底部導波管アセンブリ２２２の導波管２３０の厚さは、コリメート光ビーム２５０の直径に基づいて、方略的に選択されてもよい。いくつかの実施例では、ビームレット間間隔ｓ１およびアレイ間間隔ｓ２は、相互に異なるが、それぞれ、コリメート光ビーム２５０の直径の倍数であって、ＰＰＥ１９２ｆの射出瞳の内部充填を最大限にし得る。
【０３６４】
したがって、ビームレット間間隔ｓ１は、ｓ１＝ｍ×ｄとなるように、コリメート光ビーム２５０の直径（「ｄ」）の倍数（「ｍ」）であり得る。ｓ１の本値を使用すると、アレイ間間隔ｓ２は、ｓ２＝ｓ１＋ｄによって説明され得る。すなわち、ｓ１およびｓ２は、ｓ２＝（ｍ＋１）×ｄであるように、コリメート光ビーム２５０の直径の連続倍数であり得る。例えば、ビームレット間間隔ｓ１は、コリメート光ビーム２５０の直径の直径の３倍であり得る。ｓ１の本値を使用すると、アレイ間間隔ｓ２は、コリメート光ビーム２５０の直径の４倍であり得る。下記の図示される実施形態に例示されるように、これは、アレイ間間隔ｓ２が、１．３３×ビームレット間間隔ｓ１である結果をもたらす。
【０３６５】
第１および第２の平面光学導波管アセンブリ２２２ａ、２２２ｂは、それぞれ、図８３に図示されるように、等しくない厚さｔ１、ｔ２を有し、そのような厚さは、光学導波管アセンブリ２２２ａ、２２２ｂの個別の直交導波管ユニット２２６ａ、２２６ｂの中に組み込まれる個別の平面光学導波管２３０の厚さによって設定される。例えば、図８６Ａおよび８６Ｂに図示されるように、上部平面光学導波管アセンブリ２２２ａの中に組み込まれる平面光学導波管２３０の厚さは、底部平面光学導波管アセンブリ２２２ｂの中に組み込まれる平面光学導波管２３０の厚さを上回る。好ましくは、第１および第２のビームレット間間隔ｓ１、ｓ２、したがって、第１および第２の平面光学導波管アセンブリ２２２ａ、２２２ｂの厚さｔ１、ｔ２は、相互の非倍数であって、中間外部結合光ビームレット２５２’’の複数のアレイが初期外部結合光ビームレット２５２’の単一アレイから生成されることを確実にする。
【０３６６】
上記に簡単に議論されるように、底部導波管アセンブリ２２２ｂは、コリメート光ビーム２５０を初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイに分割し、上部導波管アセンブリ２２２ａは、外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイを中間外部結合光ビームレット２５６’’のいくつかの２次元アレイに分割する。言い換えると、底部導波管アセンブリ２２２ｂおよび上部導波管アセンブリ２２２ａは、それぞれ、中間外部結合光ビームレット２５２’’の所望のパターンを生産するように畳み込まれる、２つの伝達関数を生成する。
【０３６７】
例えば、図８７Ａに図示されるように、底部導波管アセンブリ２２２ｂ（第１のエクスパンダとして）は、
【化３】
2020519962.tif 000006
となるように、第１の伝達関数ｈ１を有し、式中、ｘは、底部導波管アセンブリ２２２ｂの中への光学入力（直径ａの光ビーム）であって、ｙは、底部導波管アセンブリ２２２ｂからの光学出力である。本実施例では、伝達関数ｈ１は、３ａの距離だけ相互から離間される、直径ａの光ビームレットの４×４アレイをもたらす。同様に、図８７Ｂに図示されるように、上部導波管アセンブリ２２２ａ（第２のエクスパンダとして）は、
【化４】
2020519962.tif 000007
となるように、第２の伝達関数ｈ２を有し、式中、ｘは、上部導波管アセンブリ２２２ａの中への光学入力（直径ａの光ビーム）であって、ｙは、底部導波管アセンブリ２２２ａからの光学出力である。本実施例では、伝達関数ｈ２は、４ａの距離だけ相互から離間される、直径ａの光ビームレットの４×４アレイをもたらす。図８７Ｃに図示されるように、伝達関数ｈ１およびｈ２は、
【化５】
2020519962.tif 000008
となるように、畳み込まれることができる。したがって、コリメート光ビーム２５０（光学入力ｘとして）が、底部導波管アセンブリ２２２ｂの中に入力され得、これは、伝達関数ｈ１をコリメート光ビーム２５０に適用し、それによって、図８７Ａに図示されるビームパターンを有する、中間外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイを生成する。底部導波管アセンブリ２２２ｂによって出力された中間外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイは、上部導波管アセンブリ２２２ａの中に入力され得、これは、伝達関数ｈ２を中間外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイに適用し、それによって、中間外部結合光ビームレット２５６’’の複数の２次元アレイを生成し、その合成は、図８７Ｃに図示される光ビームレットパターンを作成する。
【０３６８】
ここで図８８および８９Ａ−８９Ｈを参照すると、中間外部結合光ビームレット２５６’’の複数の生成は、初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイが上部光学導波管アセンブリ２２２ａを通して伝搬するにつれて急増する。その結果、中間外部結合光ビームレット２５６’’の密度は、この場合、外部結合光ビームレット２５８’の１０×１０アレイ（図８９Ｈに示される）である、外部結合光ビームレット２５８’で完全に充填されるＮ×Ｎのアレイが生成されるまで、ビーム分割の数回の生成を通して、上部平面光学導波管アセンブリ２２２ａの上部面２２４ａを横断して、左から右および上から下に徐々に増加する。図示される実施形態では、中間外部結合光ビームレット２５６（１）’’−２５６（１６）’’の１６の２次元アレイ（この場合、４×４アレイ）を生成する、ビーム分割の７回の生成は、外部結合光ビームレット２５８’の稠密に飽和した１０×１０アレイをもたらす。そこに示されるように、「０」で指定されるビームレットは、初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイのものである一方、「１」−「１６」で指定されるビームレットはそれぞれ、中間外部結合光ビームレット２５６（１）’’−２５６（１６）’’の１６の２次元アレイのものである。着目すべきこととして、文字スキームは、中間外部結合光ビームレット２５６’’が対応する初期外部結合光ビームレット２５６’の理解をより容易にするために図８９Ａ−８９Ｈにおいて使用される。本文字スキーム下では、図８７Ａに図示される底部導波管アセンブリ２２２ｂ（第１のエクスパンダ）によって出力され、図８７Ｂに図示される上部導波管アセンブリ２２２ａ（第２のエクスパンダ）の中に入力される、ビームレット２５６’の４×４アレイ内の各ビームレットは、異なるアルファベット文字（「Ａ」−「Ｐ」）に対応する。このように、上部導波管アセンブリ２２２ａ（第２のエクスパンダ）によって出力される、各ビームレット２５６’’は、中間外部結合光ビームレット２５６（１）’’−２５６（１６）’’の具体的２次元アレイおよび関連ビームレット群（「Ａ」−「Ｐ」）の両方に対応すると見なされ得る。
【０３６９】
特に、中間外部結合光ビームレット２５６（１）’’の２次元アレイは、直接、初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイから生成される（図８９Ａ参照）。第１の生成では、中間外部結合光ビームレット２５６（１）’’の２次元アレイは、それぞれ、ｘ−軸およびｙ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（２）’’の２次元アレイおよび中間外部結合光ビームレット２５６（３）’’の２次元アレイを作り出す（図８９Ｂ参照）。
【０３７０】
第２の生成では、中間外部結合光ビームレット２５６（２）’’の２次元アレイは、ｘ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（４）’’の２次元アレイを作り出し、中間外部結合光ビームレット２５６（２）’’および２５６（３）’’の２次元アレイの両方は、組み合わせられ、それぞれ、ｘ−軸およびｙ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（５）’’の２次元アレイを作り出し、中間外部結合光ビームレット２５６（３）’’の２次元アレイは、ｙ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（６）’’の２次元アレイを作り出す（図８９Ｃ参照）。
【０３７１】
第３の生成では、中間外部結合光ビームレット２５６（４）’’の２次元アレイは、ｘ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（７）’’の２次元アレイを作り出し、中間外部結合光ビームレット２５６（４）’’および２５６（５）’’の２次元アレイの両方は、組み合わせられ、それぞれ、ｘ−軸およびｙ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（８）’’の２次元アレイを作り出し、中間外部結合光ビームレット２５６（５）’’および２５６（６）’’の２次元アレイの両方は、組み合わせられ、それぞれ、ｘ−軸およびｙ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（９）’’の２次元アレイを作り出し、中間外部結合光ビームレット２５６（６）’’の２次元アレイは、ｙ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（１０）’’の２次元アレイを作り出す（図８９Ｄ参照）。
【０３７２】
第４の生成では、中間外部結合光ビームレット２５６（７）’’および２５６（８）’’の２次元アレイの両方は、組み合わせられ、それぞれ、ｘ−軸およびｙ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（１１）’’の２次元アレイを作り出し、中間外部結合光ビームレット２５６（８）’’および２５６（８）’’の２次元アレイの両方は、組み合わせられ、それぞれ、ｘ−軸およびｙ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（１２）’’の２次元アレイを作り出し、中間外部結合光ビームレット２５６（９）’’および２５６（１０）’’の２次元アレイの両方は、組み合わせられ、それぞれ、ｘ−軸およびｙ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（１３）’’の２次元アレイを作り出す（図８９Ｅ参照）。
【０３７３】
第５の生成では、中間外部結合光ビームレット２５６（１１）’’および２５６（１２）’’の２次元アレイの両方は、組み合わせられ、それぞれ、ｘ−軸およびｙ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（１４）’’の２次元アレイを作り出し、中間外部結合光ビームレット２５６（１２）’’および２５６（１３）’’の２次元アレイの両方は、組み合わせられ、それぞれ、ｘ−軸およびｙ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（１５）’’の２次元アレイを作り出す（図８９Ｆ参照）。
【０３７４】
第６の生成では、中間外部結合光ビームレット２５６（１４）’’および２５６（１５）’’の２次元アレイの両方は、組み合わせられ、それぞれ、ｘ−軸およびｙ−軸に沿って、中間外部結合光ビームレット２５６（１６）’’の２次元アレイを作り出す（図８９Ｇ参照）。
【０３７５】
図８９Ｈに図示される光ビームレットパターン内の具体的文字で指定される中間外部結合光ビームレット２５６’’は全て、図８９Ａに図示される初期外部結合光ビームレット２５６’の２次元アレイ内の同一具体的文字を用いて、対応する初期外部結合光ビームレットを追及することができることが理解され得る。例えば、図９０Ａでは、文字「Ａ」で指定される中間外部結合光ビームレット２５６’’の４×４アレイは、文字「Ａ」で指定される単一の初期外部結合光ビームレット２５６ａから導出され得ることが分かる。別の実施例として、図９０Ｂから、文字「Ｄ」で指定される中間外部結合光ビームレット２５６’’の４×４アレイは、文字「Ｄ」で指定される単一の初期外部結合光ビームレット２５６ａから導出され得ることが分かる。さらに別の実施例として、図９０Ｃから、文字「Ｍ」で指定される中間外部結合光ビームレット２５６’’の４×４アレイは、文字「Ｍ」で指定される単一の初期外部結合光ビームレット２５６ａから導出され得ることが分かる。さらに別の実施例として、図９０Ｄから、文字「Ｐ」で指定される中間外部結合光ビームレット２５６’’の４×４アレイは、文字「Ｐ」で指定される単一の初期外部結合光ビームレット２５６ａから導出され得ることが分かる。
【０３７６】
前述から、ＰＰＥ１９２ｆは、コリメート光ビーム２５０の有効入射瞳を２次元的に事前に拡張させることが理解され得る。図３４−３６に関して上記に説明されるものと同一様式において、一次導波管装置１７０はさらに、コリメート光ビーム２５０の瞳を２次元的に拡張させる。すなわち、中間外部結合光ビームレット２５６’’は、図８０−８２に図示されるように、内部結合光ビームレット２５２として、一次導波管装置１７０のＩＣ要素１６８の中に入力され、これは、ひいては、ＯＰＥ要素１８６によって、直交光ビームレット２５４に分割され、これはさらに、ＥＰＥ要素１８８によって、エンドユーザ５０の眼５２に向かって導波管１７２の面１８０ｂから出射する、最終外部結合光ビームレット２５６に分割される。着目すべきこととして、ＰＰＥ１９２ｆは、おそらく、外部結合ビームレット２５８’の飽和した１０×１０  ２次元アレイを上回る射出瞳を提供する、外部結合ビームレット２５６’’の多くの２次元アレイを生成するが、一次導波管装置１７０は、ＰＰＥ１９２ｆが外部結合ビームレット２５８’の１０×１０２次元アレイのみから成る射出瞳を有すると仮定するように設計されてもよい。
【０３７７】
多層化小型導波管装置２２０は、ＰＰＥ１９２ｆとしての使用に適しているが、多層化導波管装置２２０のより大きいバージョンは、一次導波管装置１７０の中に内部結合される（未拡張または事前拡張）コリメート光ビーム２５０の入射瞳を拡張させるために、一次導波管装置１７０として使用されることができることに留意されたい。
【０３７８】
ビーム倍増管は、ＯＰＥおよびＥＰＥとして上記に説明されたが、本明細書に説明される実施形態による、ビーム倍増管は、ＬＯＥ内の任意の場所に配置されることができる。例えば、本明細書に説明されるビーム倍増管は、ＬＯＥの種々の部分の間（例えば、ＩＣＧとＯＰＥとの間）の別個の倍増段階／領域として配置されることができる。さらに、本明細書に説明されるビーム倍増管は、ＩＣＧとして機能することができる。
【０３７９】
ビームおよびビームレットのある数が、図のうちのいくつかに描写されるが、これは、明確にするためのものであることを理解されたい。図に描写される各単一ビームまたはビームレットは、関連情報を搬送し、類似軌道を有する、複数のビームまたはビームレットを表してもよい。
【０３８０】
ＬＯＳおよび反射性表面のある数が、図のうちのいくつかに描写されるが、他の実施形態は、ＬＯＳおよび反射性表面の他の組み合わせを含んでもよい。
【０３８１】
上記に説明されるＭＲシステムは、より選択的に反射性の光学要素から利点を享受し得る、種々の光学システムの実施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ＭＲ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。
【０３８２】
本開示の種々の例示的実施形態が、本明細書に説明される。これらの実施例は、非限定的意味で参照される。それらは、本開示のより広義に適用可能な側面を例証するために提供される。種々の変更が、説明される本開示に行われてもよく、本開示の真の精神および範囲から逸脱することなく、均等物が代用されてもよい。加えて、多くの修正が、特定の状況、材料、組成物、プロセス、プロセス作用、またはステップを本開示の目的、精神、または範囲に適合させるために行われてもよい。さらに、当業者によって理解されるであろうように、本明細書で説明および例証される個々の変形例はそれぞれ、本開示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る、またはそれらと組み合わせられる、離散コンポーネントおよび特徴を有する。全てのそのような修正は、本開示と関連付けられた請求項に記載の範囲内であることが意図される。
【０３８３】
本開示は、本主題のデバイスを使用して実施され得る方法を含む。本方法は、そのような好適なデバイスを提供する作用を含んでもよい。そのような提供は、エンドユーザによって実施されてもよい。言い換えると、「提供する」作用は、単に、エンドユーザが、本主題の方法において必要なデバイスを取得する、それにアクセスする、それに接近する、それを位置付ける、それを設定する、それをアクティブ化する、それに電源を入れる、または別様にそれを提供するように作用することを要求する。本明細書に列挙される方法は、論理的に可能な列挙されたイベントの任意の順序ならびにイベントの列挙された順序で行われてもよい。
【０３８４】
本開示の例示的側面が、材料選択および製造に関する詳細とともに、上記に記載された。本開示の他の詳細に関して、これらは、前述の参照特許および刊行物に関連して理解され、概して、当業者によって公知である、または理解され得る。同じことは、一般または論理的に採用されるような付加的作用の観点から、本開示の方法ベースの側面に関しても当てはまり得る。
【０３８５】
加えて、本開示は、随意に、種々の特徴を組み込む、いくつかの実施例を参照して説明されたが、本開示は、開示の各変形例に関して検討されるように説明または図示されるものに限定されるものではない。種々の変更が、説明される本開示に行われてもよく、均等物（本明細書に列挙されるか、またはある程度の簡潔目的のために含まれないかどうかにかかわらず）は、本開示の真の精神および範囲から逸脱することなく代用されてもよい。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任意の他の述べられた値または述べられた範囲内の介在値が、本開示内に包含されるものと理解されたい。
【０３８６】
また、説明される本発明の変形例の任意の随意の特徴は、独立して、または本明細書に説明される特徴のうちの任意の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検討される。単数形アイテムの言及は、存在する複数の同一アイテムが存在する可能性を含む。より具体的には、本明細書および本明細書に関連付けられた請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｓａｉｄ」、および「ｔｈｅ」は、別様に具体的に述べられない限り、複数の言及を含む。言い換えると、冠詞の使用は、上記の説明ならびに本開示と関連付けられる請求項における本主題のアイテムのうちの「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、任意の随意の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、本文言は、請求項の要素の列挙と関連する「単に」、「のみ」、および同等物等の排他的専門用語の使用、または「消極的」限定の使用のための先行詞としての役割を果たすことが意図される。
【０３８７】
そのような排他的専門用語を使用しなければ、本開示と関連付けられる請求項における用語「〜を備える」は、所与の数の要素がそのような請求項で列挙されるかどうかにかかわらず、任意の付加的要素の包含を可能にするものとする、または特徴の追加は、そのような請求項に記載される要素の性質を変換すると見なされ得る。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、請求項の正当性を維持しながら、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べきである。
【０３８８】
本開示の範疇は、提供される実施例および／または本主題の明細書に限定されるべきではなく、むしろ、本開示と関連付けられた請求項の言語の範囲によってのみ限定されるべきである。
【０３８９】
前述の明細書では、本開示は、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、本開示のより広義の精神および範囲から逸脱することなく、そこに行われてもよいことが明白であろう。例えば、前述のプロセスフローは、プロセスアクションの特定の順序を参照して説明される。しかしながら、説明されるプロセスアクションの多くの順序は、本開示の範囲または動作に影響を及ぼすことなく、変更されてもよい。明細書および図面は、故に、限定的意味ではなく、例証と見なされるべきである。
【０３９０】
前述の明細書では、本開示は、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、本開示のより広義の精神および範囲から逸脱することなく、そこに行われ得ることは、明白となるであろう。例えば、上記に説明されるプロセスフローは、プロセスアクションの特定の順序を参照して説明される。しかしながら、説明されるプロセスアクションの多くの順序は、本開示の範囲または動作に影響を及ぼすことなく、変更されてもよい。明細書および図面は、故に、限定的意味ではなく、例証的意味と見なされるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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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２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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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３３−１】
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【図３３−２】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９Ａ】
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【図３９Ｂ】
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【図３９Ｃ】
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【図４０Ａ】
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【図４０Ｂ】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７Ａ】
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【図４７Ｂ】
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【図４７Ｃ】
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【図４７Ｄ】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９Ａ】
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【図５９Ｂ】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７Ａ】
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【図６７Ｂ】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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【図７９】
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【図８０】
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【図８１】
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【図８２】
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【図８３】
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【図８４】
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【図８５Ａ】
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【図８５Ｂ】
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【図８６Ａ】
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【図８６Ｂ】
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【図８７Ａ】
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【図８７Ｂ】
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【図８７Ｃ】
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【図８８】
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【図８９Ａ】
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【図８９Ｂ】
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【図８９Ｃ】
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【図８９Ｄ】
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【図８９Ｅ】
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【図８９Ｆ】
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【図８９Ｇ】
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【図８９Ｈ】
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【図９０Ａ】
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【図９０Ｂ】
2020519962.tif 000132
【図９０Ｃ】
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【図９０Ｄ】
2020519962.tif 000134
【国際調査報告】
2020519962.tif 000135
2020519962.tif 000136
2020519962.tif 000137