特許 6978493 射出瞳エクスパンダを伴う光学システムのためのシステムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6978493

(24)【登録日】2021年11月15日

(45)【発行日】2021年12月8日

(54)【発明の名称】射出瞳エクスパンダを伴う光学システムのためのシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20211125BHJP

   G02B 26/10 20060101ALI20211125BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/02 Z

   G02B26/10 109Z

   G02B26/10 C

【請求項の数】27

【全頁数】37

(21)【出願番号】特願2019-513795(P2019-513795)

(86)(22)【出願日】2017年9月19日

(65)【公表番号】特表2019-530895(P2019-530895A)

(43)【公表日】2019年10月24日

(86)【国際出願番号】US2017052314

(87)【国際公開番号】WO2018057528

(87)【国際公開日】20180329

【審査請求日】2020年9月18日

(31)【優先権主張番号】62/397,759

(32)【優先日】2016年9月21日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】514108838

【氏名又は名称】マジック リープ， インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｍａｇｉｃ Ｌｅａｐ，Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】マクナマラ， ジョン グラハム

【審査官】 堀部 修平

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１５／０８１３１３（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特表２０１５−５２８９１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０２３１５６８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／０１ − ２７／０２

Ｇ０２Ｂ ２６／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学システムであって、前記光学システムは、
画像投影システムであって、前記画像投影システムは、光のコヒーレントビームを可視スペクトル範囲内の複数の波長において放出するように構成されている、画像投影システムと、
第１の縁と、第２の縁と、前記第１の縁と前記第２の縁との間に配置されている一対の反射表面とを含む導波管であって、前記一対の反射表面は、間隙高さｄを有する間隙によって分離されており、前記導波管は、屈折率ｎを有する材料を含み、前記一対の反射表面は、反射率ｒを有し、前記画像投影システムから放出されるビームは、入力角度θにおいて前記導波管の中に結合されている、導波管と、
前記複数の波長からの波長、前記間隙高さｄ、前記屈折率ｎ、前記反射率ｒから成る群から選択される少なくとも１つのパラメータを変動させるように構成されている制御システムと
を備え、
前記少なくとも１つのパラメータの変動は、方程式２ｎｄｃｏｓθ＝ｍλが前記入力角度θの値に対して満たされるように前記入力角度θの変動と相関されており、ｍは、整数であり、λは、前記ビームの波長である、光学システム。

【請求項2】

前記画像投影システムは、ある走査レートにおいて放出されるビームの前記入力角度θを変動させるように構成されている、請求項１に記載の光学システム。

【請求項3】

前記制御システムは、前記走査レートに略等しい変調レートにおいて前記少なくとも１つのパラメータを変調させるように構成されている、請求項２に記載の光学システム。

【請求項4】

前記少なくとも１つのパラメータは、前記複数の波長からの波長である、請求項１に記載の光学システム。

【請求項5】

前記少なくとも１つのパラメータは、前記間隙高さｄである、請求項１に記載の光学システム。

【請求項6】

前記少なくとも１つのパラメータは、前記屈折率ｎである、請求項１に記載の光学システム。

【請求項7】

前記少なくとも１つのパラメータは、前記反射率ｒである、請求項１に記載の光学システム。

【請求項8】

前記画像投影システムは、ファイバを含む、請求項１に記載の光学システム。

【請求項9】

前記放出されるビームは、コリメートされている、請求項１に記載の光学システム。

【請求項10】

前記複数の波長は、赤色スペクトル領域内の波長と、緑色スペクトル領域内の波長と、青色スペクトル領域内の波長とを含む、請求項１に記載の光学システム。

【請求項11】

前記導波管は、音響光学材料を含む、請求項１に記載の光学システム。

【請求項12】

前記導波管は、圧電材料を含む、請求項１に記載の光学システム。

【請求項13】

前記導波管は、電気光学材料を含む、請求項１に記載の光学システム。

【請求項14】

前記導波管は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を含む、請求項１に記載の光学システム。

【請求項15】

前記導波管は、前記放出されるビームを拡張および増大させる射出瞳エクスパンダとして構成されている、請求項１に記載の光学システム。

【請求項16】

前記導波管は、前記ビームを１ｍｍより大きいスポットサイズまで拡張させるように構成されている、請求項１に記載の光学システム。

【請求項17】

前記光学システムは、拡張現実（ＡＲ）デバイス内に統合されている、請求項１に記載の光学システム。

【請求項18】

前記光学システムは、仮想現実（ＶＲ）デバイス内に統合されている、請求項１に記載の光学システム。

【請求項19】

前記光学システムは、接眼ディスプレイデバイス内に統合されている、請求項１に記載の光学システム。

【請求項20】

前記光学システムは、フレーム、１つ以上のレンズ、または、耳掛け部のうちの少なくとも１つを含むアイウェア内に統合されている、請求項１に記載の光学システム。

【請求項21】

光学システムであって、前記光学システムは、
画像投影システムであって、前記画像投影システムは、光のコヒーレントビームを可視スペクトル範囲内の複数の波長において放出するように構成されている、画像投影システムと、
複数のスタックされた導波管であって、各導波管は、第１の縁と、第２の縁と、前記第１の縁と前記第２の縁との間に配置されている一対の反射表面とを含み、前記一対の反射表面は、間隙高さｄを有する間隙によって分離されており、前記導波管は、屈折率ｎを有する材料を含み、前記一対の反射表面は、反射率ｒを有する、導波管と、
前記複数の波長からの波長、前記間隙高さｄ、前記屈折率ｎ、前記反射率ｒから成る群から選択される少なくとも１つのパラメータを変動させるように構成されている制御システムと
を備え、
前記画像投影システムから放出されるビームは、入力角度θにおいて前記導波管の中に結合されており、前記少なくとも１つのパラメータの変動は、方程式２ｎｄｃｏｓθ＝ｍλが前記入力角度θの値に対して満たされるように前記入力角度θの変動と相関されており、ｍは、整数であり、λは、前記ビームの波長である、光学システム。

【請求項22】

各導波管は、関連付けられた深度平面を有し、各導波管から放出されるビームは、その導波管の関連付けられた深度平面から生じるように現れる、請求項２１に記載の光学システム。

【請求項23】

前記複数のスタックされた導波管からの複数の異なる導波管は、複数の異なる関連付けられた深度平面を有する、請求項２１に記載の光学システム。

【請求項24】

前記光学システムは、拡張現実（ＡＲ）デバイス内に統合されている、請求項２１に記載の光学システム。

【請求項25】

前記光学システムは、仮想現実（ＶＲ）デバイス内に統合されている、請求項２１に記載の光学システム。

【請求項26】

前記光学システムは、接眼ディスプレイデバイス内に統合されている、請求項２１に記載の光学システム。

【請求項27】

前記光学システムは、フレーム、１つ以上のレンズ、または、耳掛け部のうちの少なくとも１つを含むアイウェア内に統合されている、請求項２１に記載の光学システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（参照による援用）
本願は、２０１６年９月２１日に出願され“ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＯＰＴＩＣＡＬ ＳＹＳＴＥＭＳ ＷＩＴＨ ＥＸＩＴ ＰＵＰＩＬ ＥＸＰＡＮＤＥＲ”と題された米国仮特許出願第６２／３９７，７５９号の利益を主張するものであり、該米国仮特許出願は、その全体が参照により本明細書中に援用される。

【0002】

本開示は、仮想現実および拡張現実結像および可視化システムに関する。

【背景技術】

【0003】

現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進しており、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、またはそのように知覚され得る様式でユーザに提示される。仮想現実または「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い、拡張現実または「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。例えば、図１を参照すると、拡張現実場面１０００が、描写されており、ＡＲ技術のユーザには、人々、木々、背景における建物、コンクリートプラットフォーム１１２０を特徴とする、実世界公園状設定１１００が見える。これらのアイテムに加え、ＡＲ技術のユーザはまた、これらの要素が実世界内に存在しないにもかかわらず、実世界プラットフォーム１１２０上に立っているロボット像１１１０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１１３０を「見ている」と知覚する。結論から述べると、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またはＡＲ技術の生産は、困難である。本明細書に開示されるシステムおよび方法は、ＶＲおよびＡＲ技術に関連する種々の課題に対処する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

本明細書に開示される主題の革新的側面は、画像投影システムと、導波管と、制御システムとを備える、光学システム内に実装される。画像投影システムは、光のコヒーレントビームを可視スペクトル範囲内の複数の波長において放出するように構成される。導波管は、第１の縁と、第２の縁と、第１および第２の縁の間に配置される一対の反射表面とを備える。一対の反射表面は、間隙高さｄを有する間隙によって分離される。導波管は、屈折率ｎを有する材料を含む。一対の反射表面は、反射率ｒを有する。画像投影システムから放出されるビームは、入力角度θにおいて導波管の中に結合される。入力光は、第１または第２の縁のうちの１つを通して、または反射表面のうちの１つを通して、結合されることができる。制御システムは、複数の波長からの波長、間隙高さｄ、屈折率ｎ、および反射率ｒから成る群から選択される、少なくとも１つのパラメータを変動させるように構成される。少なくとも１つのパラメータの変動は、入力角度θの変動と相関される。

【0005】

光学システムの種々の実施形態では、画像投影システムは、ある走査レートにおいて放出されるビームの入力角度θを変動させるように構成されることができる。制御システムは、走査レートと略等しい変調レートにおいて少なくとも１つのパラメータを変調させるように構成されることができる。制御システムは、少なくとも１つのパラメータを変調させるように構成されることができ、変調レートは、方程式２ｎｄｓｉｎθ＝ｍλが入力角度θの全ての値に関して満たされるように構成され、ｍは、整数であって、λは、ビームの波長である。種々の実施形態では、少なくとも１つのパラメータは、複数の波長からの波長であることができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのパラメータは、間隙高さｄであることができる。種々の実施形態では、少なくとも１つのパラメータは、屈折率ｎであることができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのパラメータは、反射率ｒであることができる。種々の実施形態では、画像投影システムは、ファイバを備えることができる。種々の実施形態では、放出されるビームは、コリメートされることができる。複数の波長は、赤色、緑色、および青色スペクトル領域内の波長を含むことができる。導波管は、音響光学材料、圧電材料、電気光学材料、または微小電気機械（ＭＥＭＳ）を備えることができる。導波管は、放出されるビームを拡張および増大させる射出瞳エクスパンダとして構成されることができる。導波管は、ビームを１ｍｍを上回るスポットサイズに拡張させるように構成されることができる。本明細書で議論される光学システムの種々の実施形態は、フレーム、１つ以上のレンズ、または耳掛け部のうちの少なくとも１つを備える、拡張現実（ＡＲ）デバイス、仮想現実（ＶＲ）デバイス、接眼ディスプレイデバイス、またはアイウェア内に統合されることができる。

【0006】

本明細書に開示される主題の革新的側面は、画像投影システムと、複数のスタックされた導波管と、制御システムとを備える、光学システム内に実装される。画像投影システムは、光のコヒーレントビームを可視スペクトル範囲内の複数の波長において放出するように構成される。複数のスタックされた導波管の各導波管は、第１の縁と、第２の縁と、第１および第２の縁の間に配置される一対の反射表面とを備える。一対の反射表面は、間隙高さｄを有する間隙によって分離される。導波管は、屈折率ｎを有する材料を含む。一対の反射表面は、反射率ｒを有する。制御システムは、複数の波長からの波長、間隙高さｄ、屈折率ｎ、および反射率ｒから成る群から選択される、少なくとも１つのパラメータを変動させるように構成される。画像投影システムから放出されるビームは、入力角度θにおいて導波管の中に結合される。入力光は、第１または第２の縁のうちの１つを通して、または反射表面のうちの１つを通して、結合されることができる。少なくとも１つのパラメータの変動は、入力角度θの変動と相関される。

【0007】

種々の実施形態では、複数のスタックされた導波管の各導波管は、関連付けられた深度平面を有することができる。各導波管から放出されるビームは、その導波管の関連付けられた深度平面から生じるように現れる。複数のスタックされた導波管からの異なる導波管は、異なる関連付けられた深度平面を有することができる。上記で議論された光学システムの種々の実施形態は、フレーム、１つ以上のレンズ、または耳掛け部のうちの少なくとも１つを備える、拡張現実（ＡＲ）デバイス、仮想現実（ＶＲ）デバイス、接眼ディスプレイデバイス、またはアイウェア内に統合されることができる。

【0008】

本明細書に説明される主題の１つ以上の実装の詳細が、付随の図面および以下の説明に記載される。他の特徴、側面、および利点は、説明、図面、および請求項から明白となるであろう。本概要または以下の発明を実施するための形態のいずれも、本発明の主題の範囲を定義または限定することを主張するものではない。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
光学システムであって、
画像投影システムであって、前記画像投影システムは、光のコヒーレントビームを可視スペクトル範囲内の複数の波長において放出するように構成される、画像投影システムと、
第１の縁と、第２の縁と、前記第１の縁および第２の縁の間に配置される一対の反射表面とを備える導波管であって、前記一対の反射表面は、間隙高さｄを有する間隙によって分離され、前記導波管は、屈折率ｎを有する材料を含み、前記一対の反射表面は、反射率ｒを有し、前記画像投影システムから放出されるビームは、入力角度θにおいて前記導波管中に結合される、導波管と、
前記複数の波長からの波長、前記間隙高さｄ、前記屈折率ｎ、および前記反射率ｒから成る群から選択される少なくとも１つのパラメータを変動させるように構成される制御システムであって、前記少なくとも１つのパラメータの変動は、前記入力角度θの変動と相関される、制御システムと
を備える、光学システム。
（項目２）
前記画像投影システムは、ある走査レートにおいて放出されるビームの入力角度θを変動させるように構成される、項目１に記載の光学システム。
（項目３）
前記制御システムは、前記走査レートと略等しい変調レートにおいて前記少なくとも１つのパラメータを変調させるように構成される、項目１および２のいずれかに記載の光学システム。
（項目４）
前記制御システムは、前記少なくとも１つのパラメータを変調させるように構成され、前記変調レートは、方程式２ｎｄｓｉｎθ＝ｍλが前記入力角度θの全ての値に関して満たされるように構成され、ｍは、整数であって、λは、前記ビームの波長である、項目１−３のいずれかに記載の光学システム。
（項目５）
前記少なくとも１つのパラメータは、前記複数の波長からの波長である、項目１−４のいずれかに記載の光学システム。
（項目６）
前記少なくとも１つのパラメータは、前記間隙高さｄである、項目１−５のいずれかに記載の光学システム。
（項目７）
前記少なくとも１つのパラメータは、前記屈折率ｎである、項目１−６のいずれかに記載の光学システム。
（項目８）
前記少なくとも１つのパラメータは、前記反射率ｒである、項目１−７のいずれかに記載の光学システム。
（項目９）
前記画像投影システムは、ファイバを備える、項目１−８のいずれかに記載の光学システム。
（項目１０）
前記放出されるビームは、コリメートされる、項目１−９のいずれかに記載の光学システム。
（項目１１）
前記複数の波長は、赤色、緑色、および青色スペクトル領域内の波長を含む、項目１−１０のいずれかに記載の光学システム。
（項目１２）
前記導波管は、音響光学材料を含む、項目１−１１のいずれかに記載の光学システム。
（項目１３）
前記導波管は、圧電材料を含む、項目１−１２のいずれかに記載の光学システム。
（項目１４）
前記導波管は、電気光学材料を含む、項目１−１３のいずれかに記載の光学システム。
（項目１５）
前記導波管は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を備える、項目１−１４のいずれかに記載の光学システム。
（項目１６）
前記導波管は、前記放出されるビームを拡張および増大させる射出瞳エクスパンダとして構成される、項目１−１５のいずれかに記載の光学システム。
（項目１７）
前記導波管は、前記ビームを１ｍｍを上回るスポットサイズまで拡張させるように構成される、項目１−１６のいずれかに記載の光学システム。
（項目１８）
拡張現実（ＡＲ）デバイス内に統合される、項目１−１７のいずれかに記載の光学システム。
（項目１９）
仮想現実（ＶＲ）デバイス内に統合される、項目１−１８のいずれかに記載の光学システム。
（項目２０）
接眼ディスプレイデバイス内に統合される、項目１−１９のいずれかに記載の光学システム。
（項目２１）
フレーム、１つ以上のレンズ、または耳掛け部のうちの少なくとも１つを備える、アイウェア内に統合される、項目１−２０のいずれかに記載の光学システム。
（項目２２）
光学システムであって、
画像投影システムであって、前記画像投影システムは、光のコヒーレントビームを可視スペクトル範囲内の複数の波長において放出するように構成される、画像投影システムと、
複数のスタックされた導波管であって、各導波管は、
第１の縁と、第２の縁と、前記第１の縁および第２の縁の間に配置される一対の反射表面とを備え、前記一対の反射表面は、間隙高さｄを有する間隙によって分離され、前記導波管は、屈折率ｎを有する材料を含み、前記一対の反射表面は、反射率ｒを有する、導波管と、
前記複数の波長からの波長、前記間隙高さｄ、前記屈折率ｎ、および前記反射率ｒから成る群から選択される、少なくとも１つのパラメータを変動させるように構成される、制御システムと
を備え、前記画像投影システムから放出されるビームは、入力角度θにおいて前記導波管の中に結合され、前記少なくとも１つのパラメータの変動は、前記入力角度θの変動と相関される、光学システム。
（項目２３）
各導波管は、関連付けられた深度平面を有し、各導波管から放出されるビームは、導波管の関連付けられた深度平面から生じるように現れる、項目２３に記載の光学システム。
（項目２４）
前記複数のスタックされた導波管からの異なる導波管は、異なる関連付けられた深度平面を有する、項目２２−２３のいずれかに記載の光学システム。
（項目２５）
拡張現実（ＡＲ）デバイス内に統合される、項目２２−２４のいずれかに記載の光学システム。
（項目２６）
仮想現実（ＶＲ）デバイス内に統合される、項目２２−２５のいずれかに記載の光学システム。
（項目２７）
接眼ディスプレイデバイス内に統合される、項目２２−２６のいずれかに記載の光学システム。
（項目２８）
フレーム、１つ以上のレンズまたは耳掛け部のうちの少なくとも１つを備える、アイウェア内に統合される、項目２２−２７のいずれかに記載の光学システム。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、人物によって視認されるある仮想現実オブジェクトおよびある実際の現実オブジェクトを伴う、拡張現実シナリオの例証を描写する。

【0010】

【図2】図２は、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図式的に図示する。

【0011】

【図3】図３は、複数の深度平面を使用して３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図式的に図示する。

【0012】

【図4】図４は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図式的に図示する。

【0013】

【図5】図５は、導波管によって出力され得る、例示的出射ビームを示す。

【0014】

【図6】図６は、導波管装置と、光を導波管装置へまたはそこから光学的に結合するための光学結合器サブシステムと、多焦点立体ディスプレイ、画像、またはライトフィールドの生成において使用される、制御サブシステムとを含む、光学システムを示す、概略図である。

【0015】

【図7】図７は、角度θにおいて導波管上に入射し、複数回の全内部反射によって導波管を通して伝搬する、入力光ビームを受信する、導波管を図示する。

【0016】

【図8A-1】図８Ａ−１は、インコヒーレント光源からの光を受信する導波管の実施形態から出力された光を図示する。図８Ｂ−１は、図８Ａ−１に描写される導波管から出力された光の点拡がり関数を図示する。

【0017】

【図8A-2】図８Ａ−２は、コヒーレント光源からの光を受信する導波管の実施形態から出力された光を図示する。図８Ｂ−２は、図８Ａ−２に描写される導波管から出力された光の点拡がり関数を図示する。

【0018】

【図8A-3】図８Ａ−３は、コヒーレント光源からの光を受信する導波管の実施形態から出力された光を図示する。図８Ｂ−３は、図８Ａ−３に描写される導波管から出力された光の点拡がり関数を図示する。

【図8B-1】図８Ａ−１は、インコヒーレント光源からの光を受信する導波管の実施形態から出力された光を図示する。図８Ｂ−１は、図８Ａ−１に描写される導波管から出力された光の点拡がり関数を図示する。

【図8B-2】図８Ａ−２は、コヒーレント光源からの光を受信する導波管の実施形態から出力された光を図示する。図８Ｂ−２は、図８Ａ−２に描写される導波管から出力された光の点拡がり関数を図示する。

【図8B-3】図８Ａ−３は、コヒーレント光源からの光を受信する導波管の実施形態から出力された光を図示する。図８Ｂ−３は、図８Ａ−３に描写される導波管から出力された光の点拡がり関数を図示する。

【0019】

【図8C】図８Ｃは、コヒーレント入力光源からの光を受信する導波管の実施形態から出力された均一位相を有する連続波面を伴う、光ビームを図示し、出力光ビームを形成する、ビーム間の光学経路長差は、入射光の波長の整数倍である。

【0020】

【図9A】図９Ａは、入力角度のコサインに対する導波管の屈折率「ｎ」の変動を示す、グラフを図式的に図示する。

【0021】

【図9B】図９Ｂは、入力角度のコサインに対する導波管の反射表面「ｄ」間の間隔の変動を示す、グラフを図式的に図示する。

【0022】

【図9B-1】図９Ｂ−１は、各層が可変反射率を有する、３つの層を含む導波管の実施形態を図示する。

【0023】

【図9C】図９Ｃは、入力角度のコサインに対する入射光の波長λの変動を示す、グラフを図式的に図示する。

【0024】

【図10】図１０は、可変入射角度において入射する光のための位相同期ビームレットアレイを出力するように構成される複数の空間的に多重化されたホログラフィック構造を備える、導波管の実施形態を図示する。

【0025】

図面は、ある例示的実施形態を図示するために提供され、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。同様の番号は、全体を通して同様の部分を指す。

【発明を実施するための形態】

【0026】

（概要）
３次元（３Ｄ）ディスプレイが、深度の真の感覚、より具体的には、表面深度のシミュレートされた感覚を生成するために、ディスプレイの視野内の点毎に、その仮想深度に対応する遠近調節応答を生成することが望ましくあり得る。ディスプレイ点に対する遠近調節応答が、収束および立体視の両眼深度キューによって決定されるようなその点の仮想深度に対応しない場合、ヒトの眼は、遠近調節衝突を体験し、不安定な結像、有害な眼精疲労、頭痛、および遠近調節情報の不在下では、表面深度のほぼ完全な欠如をもたらし得る。

【0027】

ＶＲおよびＡＲ体験は、複数の深度平面に対応する画像が視認者に提供されるディスプレイを有する、ディスプレイシステムによって提供されることができる。画像は、深度平面毎に異なってもよく（例えば、場面またはオブジェクトの若干異なる提示を提供する）、視認者の眼によって別個に集束され、それによって、異なる深度平面上に位置する場面に関する異なる画像特徴に合焦させるために要求される眼の遠近調節に基づいて、および／または合焦からずれている異なる深度平面上の異なる画像特徴を観察することに基づいて、ユーザに深度キューを提供することに役立ち得る。本明細書のいずれかに議論されるように、そのような深度キューは、信用できる深度の知覚を提供する。

【0028】

図２は、ウェアラブルディスプレイシステム８０の実施例を図示する。ディスプレイシステム８０は、ディスプレイ６２と、ディスプレイ６２の機能をサポートするための種々の機械的および電子的モジュールおよびシステムとを含む。ディスプレイ６２は、フレーム６４に結合されてもよく、これは、ディスプレイシステムユーザ、装着者、または視認者６０によって装着可能であって、ディスプレイ６２をユーザ６０の眼の正面に位置付けるように構成される。いくつかの実施形態では、スピーカ６６が、フレーム６４に結合され、ユーザの外耳道に隣接して位置付けられる（いくつかの実施形態では、示されない別のスピーカが、ユーザ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）。ディスプレイ６２は、有線導線または無線コネクティビティ等によって、ローカルデータ処理モジュール７１に動作可能に結合６８され、これは、フレーム６４に固定して取り付けられる、ユーザによって装着されるヘルメットまたは帽子に固定して取り付けられる、ヘッドホンに内蔵される、または別様にユーザ６０に除去可能に取り付けられる（例えば、リュック式構成において、ベルト結合式構成において）等、種々の構成において搭載され得る。

【0029】

ローカル処理およびデータモジュール７１は、ハードウェアプロセッサおよび不揮発性メモリ（例えば、フラッシュメモリ）等のデジタルメモリを備えてもよく、その両方とも、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得る。データは、ａ）画像捕捉デバイス（例えば、カメラ）、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、全地球測位システム（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等の（例えば、フレーム６４に動作可能に結合される、または別様にユーザ６０に取り付けられ得る）センサから捕捉されるデータ、および／またはｂ）場合によっては処理または読出後にディスプレイ６２の通過のために、遠隔処理モジュール７２および／または遠隔データリポジトリ７４を使用して入手および／または処理されるデータを含んでもよい。ローカル処理およびデータモジュール７１は、これらの遠隔モジュールがローカル処理およびデータモジュール（７１）へのリソースとして利用可能であるように、通信リンク７６および／または７８によって、有線または無線通信リンク等を介して、遠隔処理モジュール７２および／または遠隔データリポジトリ７４に動作可能に結合されてもよい。加えて、遠隔処理モジュール７２および遠隔データリポジトリ７４は、相互に動作可能に結合されてもよい。

【0030】

いくつかの実施形態では、遠隔処理モジュール７２は、データおよび／または画像情報を分析および処理するように構成される、１つ以上のプロセッサを備えてもよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ７４は、デジタルデータ記憶設備を備え得、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、全てのデータが、記憶され、全ての算出が、ローカル処理およびデータモジュールにおいて実施され、遠隔モジュールからの完全に自律的な使用を可能にする。

【0031】

ヒト視覚系は、複雑であって、深度の現実的知覚を提供することは、困難である。理論によって限定されるわけではないが、オブジェクトの視認者は、輻輳・開散運動移動（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）と遠近調節（ａｃｃｍｍｏｄａｔｉｏｎ）の組み合わせに起因して、オブジェクトを３次元として知覚し得ると考えられる。相互に対する２つの眼の輻輳・開散運動（例えば、瞳孔が、相互に向かって、またはそこから離れるように移動し、眼の視線を収束させ、オブジェクトを固視するような瞳孔の回転）は、眼の水晶体の合焦（または「遠近調節」）と緊密に関連付けられる。通常条件下、焦点を１つのオブジェクトから異なる距離における別のオブジェクトに変化させるための眼のレンズの焦点の変化または眼の遠近調節は、「遠近調節−輻輳・開散運動反射」として知られる関係下、輻輳・開散運動の整合変化を自動的に同一距離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。遠近調節と輻輳・開散運動との間のより良好な整合を提供するディスプレイシステムは、３次元画像のより現実的かつ快適なシミュレーションを形成し得る。

【0032】

図３は、複数の深度平面を使用して３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。図３を参照すると、ｚ−軸上の眼３０２および３０４からの種々の距離におけるオブジェクトは、それらのオブジェクトが合焦するように、眼３０２および３０４によって遠近調節される。眼３０２および３０４は、特定の遠近調節された状態をとり、オブジェクトをｚ−軸に沿った異なる距離に合焦させる。その結果、特定の遠近調節された状態は、特定の深度平面におけるオブジェクトまたはオブジェクトの一部が、眼がその深度平面に対して遠近調節された状態にあるとき、合焦するように、関連付けられた焦点距離を有する、深度平面３０６のうちの特定の１つと関連付けられると言え得る。いくつかの実施形態では、３次元画像は、眼３０２および３０４毎に、画像の異なる提示を提供することによって、また、深度平面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによって、シミュレートされてもよい。例証を明確にするために、別個であるように示されるが、眼３０２および３０４の視野は、例えば、ｚ−軸に沿った距離が増加するにつれて、重複し得ることを理解されたい。加えて、例証を容易にするために、平坦であるように示されるが、深度平面の輪郭は、深度平面内の全ての特徴が特定の遠近調節された状態における眼と合焦するように、物理的空間内で湾曲され得ることを理解されたい。理論によって限定されるわけではないが、ヒトの眼は、典型的には、有限数の深度平面を解釈し、深度知覚を提供することができると考えられる。その結果、知覚された深度の高度に真実味のあるシミュレーションが、眼にこれらの限定数の深度平面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによって達成され得る。

【0033】

（導波管スタックアセンブリ）
図４は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。ディスプレイシステム１００は、複数の導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０を使用して、３次元知覚を眼／脳に提供するために利用され得る、導波管のスタックまたはスタックされた導波管アセンブリ１７８を含む。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム１００は、図２に示されるシステム８０に対応してもよく、図４は、そのシステム８０のいくつかの部分をより詳細に図式的に示す。例えば、いくつかの実施形態では、導波管アセンブリ１７８は、図２のディスプレイ６２の中に統合されてもよい。

【0034】

図４を継続して参照すると、導波管アセンブリ１７８はまた、複数の特徴１９８、１９６、１９４、１９２を導波管の間に含んでもよい。いくつかの実施形態では、特徴１９８、１９６、１９４、１９２は、レンズであってもよい。導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０および／または複数のレンズ１９８、１９６、１９４、１９２は、種々のレベルの波面曲率または光線発散を用いて画像情報を眼に送信するように構成されてもよい。各導波管レベルは、特定の深度平面と関連付けられてもよく、その深度平面に対応する画像情報を出力するように構成されてもよい。画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８は、それぞれ、眼３０４に向かった出力のために各個別の導波管を横断して入射光を分散させるように構成され得る、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の中に画像情報を投入するために利用されてもよい。光は、画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８の出力表面から出射し、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の対応する入力縁の中に投入される。いくつかの実施形態では、光の単一ビーム（例えば、コリメートされたビーム）が、各導波管の中に投入され、特定の導波管と関連付けられた深度平面に対応する特定の角度（および発散量）において眼３０４に向かって指向される、クローン化されたコリメートビームの場全体を出力してもよい。

【0035】

いくつかの実施形態では、画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８はそれぞれ、それぞれの対応する導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の中への投入のための画像情報を生成する、離散ディスプレイである。いくつかの他の実施形態では、画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８は、例えば、画像情報を１つ以上の光学導管（光ファイバケーブル等）を介して、画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８のそれぞれに送り得る、単一の多重化されたディスプレイの出力端である。

【0036】

コントローラ２１０が、スタックされた導波管アセンブリ１７８および画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８の動作を制御する。いくつかの実施形態では、コントローラ２１０は、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０への画像情報のタイミングおよび提供を調整する、プログラミング（例えば、非一過性コンピュータ可読媒体内の命令）を含む。いくつかの実施形態では、コントローラは、単一の一体型デバイスまたは有線または無線通信チャネルによって接続される分散型システムであってもよい。コントローラ２１０は、いくつかの実施形態では、処理モジュール７１または７２（図２に図示される）の一部であってもよい。

【0037】

導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって各個別の導波管内で光を伝搬するように構成されてもよい。導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０はそれぞれ、主要な上部表面および底部表面およびそれらの主要な上部表面と底部表面との間に延在する縁を伴う、平面である、または別の形状（例えば、湾曲）を有してもよい。図示される構成では、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０はそれぞれ、光を再指向させ、各個別の導波管内で伝搬させ、導波管から画像情報を眼３０４に出力することによって、光を導波管から抽出するように構成される、光抽出光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０を含んでもよい。抽出された光はまた、外部結合光と称され得、光抽出光学要素はまた、外部結合光学要素と称され得る。抽出された光のビームは、導波管によって、導波管内で伝搬する光が光再指向要素に衝打する場所において出力される。光抽出光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、例えば、反射および／または回折光学特徴であってもよい。説明を容易にし、図面を明確にするために、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の底部主要表面に配置されて図示されるが、いくつかの実施形態では、光抽出光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、上部主要表面および／または底部主要表面に配置されてもよく、および／または導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の容積内に直接配置されてもよい。いくつかの実施形態では、光抽出光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、透明基板に取り付けられ、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０を形成する、材料の層内に形成されてもよい。いくつかの他の実施形態では、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０は、モノリシック材料部品であってもよく、光抽出光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、その材料部品の表面上および／または内部に形成されてもよい。

【0038】

図４を継続して参照すると、本明細書に議論されるように、各導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０は、光を出力し、特定の深度平面に対応する画像を形成するように構成される。例えば、眼の最近傍の導波管１８２は、そのような導波管１８２の中に投入されるにつれて、コリメートされた光を眼３０４に送達するように構成されてもよい。コリメートされた光は、光学無限遠焦点面を表し得る。次の上方の導波管１８４は、眼３０４に到達し得る前に、第１のレンズ１９２（例えば、負のレンズ）を通して通過する、コリメートされた光を送出するように構成されてもよい。第１のレンズ１９２は、眼／脳が、その次の上方の導波管１８４から生じる光を光学無限遠から眼３０４に向かって内向きにより近い第１の焦点面から生じるように解釈するように、若干の凸面波面曲率を生成するように構成されてもよい。同様に、第３の上方の導波管１８６は、眼３０４に到達する前に、その出力光を第１のレンズ１９２および第２のレンズ１９４の両方を通して通過させる。第１および第２のレンズ１９２および１９４の組み合わせられた屈折力は、眼／脳が、第３の上方の導波管１８６から生じる光が次の上方の導波管１８４からの光であったよりも光学無限遠から人物に向かって内向きにさらに近い第２の焦点面から生じるように解釈するように、別の漸増量の波面曲率を生成するように構成されてもよい。

【0039】

他の導波管層（例えば、導波管１８８、１９０）およびレンズ（例えば、レンズ１９６、１９８）も同様に構成され、スタック内の最高導波管１９０を用いて、人物に最も近い焦点面を表す集約焦点力のために、その出力をそれと眼との間のレンズの全てを通して送出する。スタックされた導波管アセンブリ１７８の他側の世界１４４から生じる光を視認／解釈するとき、レンズ１９８、１９６、１９４、１９２のスタックを補償するために、補償レンズ層１８０が、スタックの上部に配置され、下方のレンズスタック１９８、１９６、１９４、１９２の集約力を補償してもよい。そのような構成は、利用可能な導波管／レンズ対と同じ数の知覚される焦点面を提供する。導波管の光抽出光学要素およびレンズの集束側面は両方とも、静的であってもよい（例えば、動的または電気活性ではない）。いくつかの代替実施形態では、一方または両方とも、電気活性特徴を使用して動的であってもよい。

【0040】

図４を継続して参照すると、光抽出光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、導波管と関連付けられた特定の深度平面のために、光をその個別の導波管から再指向し、かつ本光を適切な量の発散またはコリメーションを伴って出力するように構成されてもよい。その結果、異なる関連付けられた深度平面を有する導波管は、関連付けられた深度平面に応じて、異なる量の発散を伴う光を出力する、異なる構成の光抽出光学要素を有してもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に議論されるように、光抽出光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、光を具体的角度で出力するように構成され得る、立体特徴または表面特徴であってもよい。例えば、光抽出光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、立体ホログラム、表面ホログラム、および／または回折格子であってもよい。回折格子等の光抽出光学要素は、２０１５年６月２５日に公開された米国特許公開第２０１５／０１７８９３９号（参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に説明されている。いくつかの実施形態では、特徴１９８、１９６、１９４、１９２は、レンズではなくてもよい。むしろ、それらは、単に、スペーサであってもよい（例えば、クラッディング層および／または空隙を形成するための構造）。

【0041】

いくつかの実施形態では、光抽出光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、回折パターンまたは「回折光学要素」（また、本明細書では、「ＤＯＥ」とも称される）を形成する、回折特徴である。好ましくは、ＤＯＥは、ビームの光の一部のみがＤＯＥの各交差部で眼３０４に向かって偏向される一方、残りが、全内部反射を介して、導波管を通して移動し続けるように、比較的に低回折効率を有する。画像情報を搬送する光は、したがって、複数の場所において導波管から出射する、いくつかの関連出射ビームに分割され、その結果、導波管内でバウンスする本特定のコリメートされたビームに関して、眼３０４に向かって非常に均一なパターンの出射放出となる。

【0042】

いくつかの実施形態では、１つ以上のＤＯＥは、能動的に回折する「オン」状態と有意に回折しない「オフ」状態との間で切替可能であってもよい。例えば、切替可能なＤＯＥは、ポリマー分散液晶の層を備えてもよく、その中で微小液滴は、ホスト媒体中に回折パターンを備え、微小液滴の屈折率は、ホスト材料の屈折率に実質的に整合するように切り替えられることができる（その場合、パターンは、入射光を著しく回折させない）、または微小液滴は、ホスト媒体のものに整合しない屈折率に切り替えられることができる（その場合、パターンは、入射光を能動的に回折させる）。

【0043】

いくつかの実施形態では、深度平面および／または被写界深度の数および分布は、視認者の眼の瞳孔サイズおよび／または配向に基づいて、動的に変動されてもよい。いくつかの実施形態では、カメラ５００（例えば、デジタルカメラ）が、眼３０４の画像を捕捉し、眼３０４の瞳孔のサイズおよび／または配向を決定するために使用されてもよい。カメラ５００は、装着者６０が見ている方向（例えば、眼姿勢）を決定する際に使用するために、または装着者のバイオメトリック識別のために（例えば、虹彩識別を介して）、画像を取得するために使用されることができる。いくつかの実施形態では、カメラ５００は、フレーム６４に取り付けられてもよく（図２に図示されるように）、処理モジュール７１および／または７２と電気通信してもよく、これは、カメラ５００からの画像情報を処理し、例えば、ユーザ６０の眼の瞳孔直径および／または配向を決定してもよい。いくつかの実施形態では、１つのカメラ５００が、眼毎に利用され、各眼の瞳孔サイズおよび／または配向を別個に決定し、それによって、各眼への画像情報の提示がその眼に動的に調整されることを可能にしてもよい。いくつかの他の実施形態では、片眼３０４のみの瞳孔直径および／または配向（例えば、一対の眼あたり単一のカメラ５００のみを使用して）が、決定され、視認者６０の両眼に対して類似すると仮定される。

【0044】

例えば、被写界深度は、視認者の瞳孔サイズと反比例して変化してもよい。その結果、視認者の眼の瞳孔のサイズが減少するにつれて、被写界深度は、その平面の場所が眼の焦点深度を越えるため判別不能である１つの平面が、判別可能となり、瞳孔サイズの低減および被写界深度の相当する増加に伴って、より合焦して現れ得るように増加する。同様に、異なる画像を視認者に提示するために使用される、離間される深度平面の数は、減少された瞳孔サイズに伴って減少されてもよい。例えば、視認者は、一方の深度平面から他方の深度平面への眼の遠近調節を調節せずに、第１の深度平面および第２の深度平面の両方の詳細を１つの瞳孔サイズにおいて明確に知覚することが可能ではない場合がある。しかしながら、これらの２つの深度平面は、同時に、遠近調節を変化させずに、別の瞳孔サイズにおいてユーザに合焦するには十分であり得る。

【0045】

いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムは、瞳孔サイズおよび／または配向の決定に基づいて、または特定の瞳孔サイズおよび／または配向を示す電気信号の受信に応じて、画像情報を受信する導波管の数を変動させてもよい。例えば、ユーザの眼が、２つの導波管と関連付けられた２つの深度平面間を区別不能である場合、コントローラ２１０は、これらの導波管のうちの１つへの画像情報の提供を停止するように構成またはプログラムされてもよい。有利には、これは、システムへの処理負担を低減させ、それによって、システムの応答性を増加させ得る。導波管のためのＤＯＥがオンおよびオフ状態間で切替可能である実施形態では、ＤＯＥは、導波管が画像情報を受信するとき、オフ状態に切り替えられてもよい。

【0046】

いくつかの実施形態では、出射ビームに視認者の眼の直径未満の直径を有するという条件を満たさせることが望ましくあり得る。しかしながら、本条件を満たすことは、視認者の瞳孔のサイズの変動性に照らして、困難であり得る。いくつかの実施形態では、本条件は、視認者の瞳孔のサイズの決定に応答して出射ビームのサイズを変動させることによって、広範囲の瞳孔サイズにわたって満たされる。例えば、瞳孔サイズが減少するにつれて、出射ビームのサイズもまた、減少し得る。いくつかの実施形態では、出射ビームサイズは、可変開口を使用して変動されてもよい。

【0047】

図５は、導波管によって出力された出射ビームの実施例を示す。１つの導波管が図示されるが、導波管アセンブリ１７８内の他の導波管も同様に機能し得、導波管アセンブリ１７８は、複数の導波管を含むことを理解されるであろう。光４００が、導波管１８２の入力縁３８２において導波管１８２の中に投入され、ＴＩＲによって導波管１８２内を伝搬する。光４００がＤＯＥ２８２に衝突する点では、光の一部は、導波管から出射ビーム４０２として出射する。出射ビーム４０２は、略平行として図示されるが、また、導波管１８２と関連付けられた深度平面に応じて、ある角度（例えば、発散出射ビーム形成）において眼３０４に伝搬するように再指向されてもよい。略平行出射ビームは、眼３０４からの遠距離（例えば、光学無限遠）における深度平面に設定されるように現れる画像を形成するように光を外部結合する、光抽出光学要素を伴う導波管を示し得ることを理解されるであろう。他の導波管または他の光抽出光学要素のセットは、より発散する、出射ビームパターンを出力してもよく、これは、眼３０４がより近い距離に遠近調節し、網膜に合焦させることを要求し、光学無限遠より眼３０４に近い距離からの光として脳によって解釈されるであろう。

【0048】

図６は、導波管装置と、光を導波管装置へまたはそこから光学的に結合するための光学結合器サブシステムと、制御サブシステムとを含む、光学ディスプレイシステム１００の別の実施例を示す。光学ディスプレイシステム１００は、多焦点立体、画像、またはライトフィールドを生成するために使用されることができる。光学システムは、１つ以上の一次平面導波管１（１つのみのが図６に示される）と、一次導波管１の少なくともいくつかのそれぞれと関連付けられた１つ以上のＤＯＥ２とを含むことができる。平面導波管１は、図４を参照して議論される導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０に類似することができる。光学システムは、分散導波管装置を採用し、光を第１の軸（図６の図では、垂直またはＹ−軸）に沿って中継してもよい。種々の実施形態では、分散導波管装置は、第１の軸（例えば、Ｙ−軸）に沿って光の有効射出瞳を拡張させ、および／または視認者がその眼を光学ディスプレイシステムを視認するように位置付け得るエリア（本明細書では、アイボックスとも称される）を拡張させるように構成されてもよい。分散導波管装置は、例えば、分散平面導波管３と、分散平面導波管３と関連付けられた少なくとも１つのＤＯＥ４（二重破線によって図示される）とを含んでもよい。分散平面導波管３は、少なくともいくつかの点において、それと異なる配向を有する一次平面導波管１と類似または同じであってもよい。同様に、少なくとも１つのＤＯＥ４は、少なくともいくつかの点において、ＤＯＥ２と類似または同じであってもよい。例えば、分散平面導波管３および／またはＤＯＥ４は、それぞれ、一次平面導波管１および／またはＤＯＥ２と同一材料から成ってもよい。図４または６に示される光学ディスプレイシステム１００の実施形態は、図２に示されるウェアラブルディスプレイシステム８０の中に統合されることができる。

【0049】

中継され、射出瞳が拡張された光は、分散導波管装置から１つ以上の一次平面導波管１の中に光学的に結合される。一次平面導波管１は、好ましくは、第１の軸に直交する、第２の軸（例えば、図６の図では、水平またはＸ−軸）に沿って、光を中継する。着目すべきこととして、第２の軸は、第１の軸に対して非直交軸であることができる。種々の実施形態では、一次平面導波管１は、その第２の軸（例えば、Ｘ−軸）に沿って、光の有効射出瞳を拡張させ、および／または視認者が光学ディスプレイシステムを視認し得るアイボックスを拡張させるように構成されることができる。例えば、分散平面導波管３は、光を垂直またはＹ−軸に沿って中継および拡張させ、光を水平またはＸ−軸に沿って中継および拡張させる、一次平面導波管１にその光を通過させることができる。

【0050】

光学システムは、単一モード光ファイバ９の近位端の中に光学的に結合され得る、１つ以上の有色光源（例えば、赤色、緑色、および青色レーザ光）１１０を含んでもよい。光ファイバ９の遠位端は、圧電材料の中空管８を通して螺合または受容されてもよい。遠位端は、固定されない可撓性カンチレバー７として、管８から突出する。圧電管８は、４つの象限電極（図示せず）と関連付けられることができる。電極は、例えば、管８の外側、外側表面または外側周縁、または直径に鍍着されてもよい。コア電極（図示せず）もまた、管８のコア、中心、内側周縁、または内径に位置する。

【0051】

例えば、ワイヤ１０を介して電気的に結合される、駆動電子機器１２は、対向する対の電極を駆動し、圧電管８を独立して２つの軸において屈曲させる。光ファイバ７の突出する遠位先端は、機械的共鳴モードを有する。共鳴の周波数は、光ファイバ７の直径、長さ、および材料性質に依存し得る。圧電管８をファイバカンチレバー７の第１の機械的共鳴モードの近傍で振動させることによって、ファイバカンチレバー７は、振動させられ、大偏向を通して掃引し得る。

【0052】

２つの軸において共振振動を刺激することによって、ファイバカンチレバー７の先端は、２次元（２−Ｄ）走査を充填する面積内において２軸方向に走査される。光源１１の強度をファイバカンチレバー７の走査と同期して変調させることによって、ファイバカンチレバー７から発せられる光は、画像を形成する。そのような設定の説明は、米国特許公開第２０１４／０００３７６２号（参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に提供されている。

【0053】

光学結合器サブシステムのコンポーネント６は、走査ファイバカンチレバー７から発せられる光をコリメートする。コリメートされた光は、鏡面表面５によって、少なくとも１つの回折光学要素（ＤＯＥ）４を含有する、狭分散平面導波管３の中に反射される。コリメートされた光は、全内部反射によって分散平面導波管３に沿って（図６の図に対して）垂直に伝搬し、そうすることによって、ＤＯＥ４と繰り返し交差する。ＤＯＥ４は、好ましくは、低回折効率を有する。これは、光の一部（例えば、１０％）をＤＯＥ４との交差部の各点においてより大きい一次平面導波管１の縁に向かって回折させ、光の一部をＴＩＲを介して分散平面導波管３の長さを辿ってそのオリジナル軌道上で継続させる。

【0054】

ＤＯＥ４との交差部の各点において、付加的光が、一次導波管１の入口に向かって回折される。入射光を複数の外部結合セットに分割することによって、光の射出瞳は、分散平面導波管３内のＤＯＥ４によって垂直に拡張されることができ、および／またはアイボックスも、拡張されることができる。分散平面導波管３から外部結合された本垂直に拡張された光は、一次平面導波管１の縁に進入する。

【0055】

一次導波管１に進入する光は、ＴＩＲを介して、一次導波管１に沿って（図６の図に対して）水平に伝搬する。光は、複数の点においてＤＯＥ２と交差するにつれて、ＴＩＲを介して、一次導波管１の長さの少なくとも一部に沿って水平に伝搬する。ＤＯＥ２は、有利には、線形回折パターンおよび半径方向対称回折パターンの総和である、位相プロファイルを有し、光の偏向および集束の両方を生成するように設計または構成され得る。ＤＯＥ２は、有利には、ビームの光の一部のみが、ＤＯＥ２の各交差部で視認者の眼に向かって偏向される一方、光の残りが、ＴＩＲを介して、導波管１を通して伝搬し続けるように、低回折効率（例えば、１０％）を有し得る。

【0056】

伝搬する光とＤＯＥ２との間の交差部の各点において、光の一部は、一次導波管１の出射表面に向かって回折され、光がＴＩＲから逃散し、一次導波管１の出射表面から発せられることを可能にする。いくつかの実施形態では、ＤＯＥ２の半径方向対称回折パターンは、加えて、焦点深度から生じるように現れるように、発散を回折された光に付与し、それによって、個々のビームの光波面を成形（例えば、曲率を付与する）し、そしてビームを設計される焦点深度に合致する角度に操向する。

【0057】

故に、これらの異なる経路は、異なる角度におけるＤＯＥ２の多重度、焦点深度、および／または射出瞳において異なる充填パターンをもたらすことによって、光を一次平面導波管１の外部で結合させることができる。射出瞳における異なる充填パターンは、有利には、複数の深度平面を伴うライトフィールドディスプレイを生成するために使用されることができる。導波管アセンブリ内の各層またはスタック内の層のセット（例えば、３層）が、個別の色（例えば、赤色、青色、緑色）を生成するために採用されてもよい。したがって、例えば、第１の３つの層のセットが、それぞれ、赤色、青色、および緑色光を第１の焦点深度において生成するために採用されてもよい。第２の３つの層のセットが、それぞれ、赤色、青色、および緑色光を第２の焦点深度において生成するために採用されてもよい。複数のセットが、種々の焦点深度を伴うフル３Ｄまたは４Ｄカラー画像ライトフィールドを生成するために採用されてもよい。

【0058】

（ＡＲシステムの他のコンポーネント）
多くの実装では、ＡＲシステムは、ウェアラブルディスプレイシステム８０（または光学システム１００）に加え、他のコンポーネントを含んでもよい。ＡＲデバイスは、例えば、１つ以上の触知デバイスまたはコンポーネントを含んでもよい。触知デバイスまたはコンポーネントは、触覚をユーザに提供するように動作可能であってもよい。例えば、触知デバイスまたはコンポーネントは、仮想コンテンツ（例えば、仮想オブジェクト、仮想ツール、他の仮想構造）に触れると、圧力および／またはテクスチャの感覚を提供してもよい。触覚は、仮想オブジェクトが表す物理的オブジェクトの感覚を再現してもよい、または仮想コンテンツが表す想像上のオブジェクトまたはキャラクタ（例えば、ドラゴン）の感覚を再現してもよい。いくつかの実装では、触知デバイスまたはコンポーネントは、ユーザによって装着されてもよい（例えば、ユーザウェアラブルグローブ）。いくつかの実装では、触知デバイスまたはコンポーネントは、ユーザによって保持されてもよい。

【0059】

ＡＲシステムは、例えば、１つ以上の物理オブジェクトを含んでもよく、これは、ユーザによって操作可能であって、ＡＲシステムへの入力またはそれとの相互作用を可能にする。これらの物理的オブジェクトは、本明細書では、トーテムと称され得る。いくつかのトーテムは、例えば、金属またはプラスチック片、壁、テーブルの表面等、無生物オブジェクトの形態をとってもよい。代替として、いくつかのトーテムは、生物オブジェクト、例えば、ユーザの手の形態をとってもよい。本明細書に説明されるように、トーテムは、実際には、任意の物理的入力構造（例えば、キー、トリガ、ジョイスティック、トラックボール、ロッカスイッチ）を有していなくてもよい。代わりに、トーテムは、単に、物理的表面を提供してもよく、ＡＲシステムは、ユーザにトーテムの１つ以上の表面上にあるように見えるように、ユーザインターフェースをレンダリングしてもよい。例えば、ＡＲシステムは、トーテムの１つ以上の表面上に常駐するように見えるように、コンピュータキーボードおよびトラックパッドの画像をレンダリングしてもよい。例えば、ＡＲシステムは、トーテムとしての役割を果たす、アルミニウムの薄い長方形プレートの表面上に見えるように、仮想コンピュータキーボードおよび仮想トラックパッドをレンダリングしてもよい。長方形プレート自体は、任意の物理的キーまたはトラックパッドまたはセンサを有していない。しかしながら、ＡＲシステムは、仮想キーボードまたは仮想トラックパッドを介して行われた選択または入力として、長方形プレートを用いたユーザ操作または相互作用またはタッチを検出し得る。

【0060】

本開示のＡＲデバイス、ＨＭＤ、およびディスプレイシステムと使用可能な触知デバイスおよびトーテムの実施例は、米国特許公開第２０１５／００１６７７７号（参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に説明される。

【0061】

（射出瞳エクスパンダを伴う光学システム）
全内部反射を介して導波管を通して伝搬する内部結合された光を出力するように構成される、導波管（例えば、平面導波管１）を備える、光学システム（例えば、ウェアラブルディスプレイシステム８０または光学システム１００）は、射出瞳を通してシステムから出射する光線がユーザによって視認され得るように構成される、射出瞳と関連付けられることができる。ユーザの眼の瞳孔サイズより大きい射出瞳は、一部の光を無駄にするが、ユーザの頭部または眼の側方移動においてある程度の公差を可能にする。光学システムはまた、アイボックスと関連付けられることができ、これは、ユーザが、光学システムの全視野（ＦＯＶ）および／または全分解能を犠牲にせずに、自身の眼を設置し得る、体積に対応する。

【0062】

光学システム（例えば、ウェアラブルディスプレイシステム８０または光学システム１００）の種々の実施形態は、光学システムから出射する光ビームのサイズを増加させるように構成される、付加的導波管（例えば、図６に図示される分散導波管装置３）を含むことができる。光学システムから出射する光ビームのサイズの増加は、有利には、光学システムの射出瞳のサイズを拡張させることができる。射出瞳のサイズの拡張は、光学システムがユーザによって直接視認されるように構成されるとき、および／または接眼ディスプレイ用途において有用であり得る。射出瞳のサイズの拡張はまた、光学システムを視認するとき、眼の眼精疲労を緩和する際に有利であり得る。

【0063】

光学システム（例えば、ウェアラブルディスプレイシステム８０または光学システム１００）の種々の実施形態は、２つの反射表面、すなわち、第１の反射表面および第２の反射表面を有する、導波管（例えば、平面導波管１）を備えることができる。角度θにおいて第１の反射表面上に入射する入射光ビームは、第１および第２の反射表面における全内部反射を介して導波管を通して伝搬するように、導波管の中に結合されることができる。第１および第２の反射表面における全内部反射の各発生は、入射光ビームのコピーを生産すると見なされ得る。故に、入射光ビームの複数のコピーが、光ビームが導波管を通して伝搬するにつれて生産されることができる。導波管を通して伝搬する入射光ビームは、第２の反射表面を通して導波管から外部結合されることができる。内部結合された光ビームの各コピーは、内部結合された光ビームの万華鏡様コピーまたは鏡像と見なされ得る。故に、導波管の第２の反射表面から結合される光は、内部結合された光ビームのコピーである複数の光ビームを含む、ビームレットアレイを含むと見なされ得る。複数の光ビームはそれぞれ、内部結合された光ビームのビーム直径と等しいビーム直径を有することができる。ビームレットアレイの複数の光ビームはそれぞれ、内部結合された光ビームが全内部反射される反射表面のある側上に配置される、仮想源から生じるように現れることができる。故に、導波管の各反射表面は、入射光ビームを放出する、入力光源の鏡像コピーのセットを生産する。鏡像コピーのセットは、個別の反射表面のある側上にあるように現れる。これは、角度θにおいて導波管７１０の第１の反射表面７１２ｂ上に入射し、導波管７１０の第１の反射表面７１２ｂおよび第１の反射表面７１２ｂと反対の第２の反射表面７１２ａにおける複数回の全内部反射によって、導波管７１０を通して伝搬する、内部結合された光ビーム７０１を図示する、図７を参照して以下にさらに説明される。反射された光ビーム７０２、７０３、７０４、７０５、および７０６は、表面７１２ａおよび／または７１２ｂに対する法線に対して角度θにおいて表面７１２ａおよび／または７１２ｂから反射される。上記に議論されるように、各反射されたビーム７０２、７０３、７０４、７０５、および７０６は、内部結合された光ビーム７０１のコピーと見なされ得る。各反射されたビーム７０２、７０３、７０４、７０５、および７０６の一部は、第２の反射表面７１２ａを通して導波管７１０から出射し、複数の光ビームを含む、ビームレットアレイを形成することができ、複数の光ビーム内の各光ビームは、内部結合された光ビームのコピーである。例えば、複数の光ビーム内の各光ビームは、同一画像情報を備えることができる。種々の実施形態では、ビームレットアレイ内の各反射されたビーム７０２、７０３、７０４、７０５、および７０６の部分は、内部結合された光ビーム７０１のサイズと等しいサイズを有することができる。図７は、導波管（例えば、平面導波管１）を備える光学システム（例えば、ウェアラブルディスプレイシステム８０または光学システム１００）によって生産される、２次元ビームレットアレイの簡略化された１次元バージョンを図示する。本２次元ビームレットアレイは、例えば、導波管（例えば、平面導波管１）の第１／第２の反射表面の平面に沿って延在してもよい。

【0064】

例えば、導波管７１０の２つの表面のうちの１つ（例えば、図７に図示されるような第２の反射表面７１２ａ）を視認する、ヒトの眼等の枢動可能光学システムは、導波管７１０から出射する、反射されたビーム７０２、７０３、７０４、７０５、および７０６のうちの１つ以上のものの一部を受信することができる。いくつかのそのような実施形態では、枢動可能光学システムは、（ｉ）内部結合された光ビーム７０１および導波管７１０と垂直な平面７１５上に位置する源（例えば、７０１ｐ、７０３ｐ、７０５ｐ）から放出されるように表面７１２ａに向かって内部結合されたビーム７０１（例えば、反射されたビーム７０３および７０５）と平行方向に伝搬する他の反射されたビームと、（ｉｉ）平面７１５上に位置する源（例えば、７０２ｐ、７０４ｐ、７０６ｐ）から放出されるように表面７１２ｂに向かって反射されたビーム７０２（例えば、反射されたビーム７０４および７０６）と平行方向に伝搬する反射されたビームとを知覚することができる。複数の源７０１ｐ、７０２ｐ、７０３ｐ、７０４ｐ、７０５ｐ、および７０６ｐは、内部結合された光ビームが放出される、入力源の鏡映コピーである。図７に図示されるように、源７０１ｐ、７０３ｐ、および７０５ｐは、導波管７１０の下方に位置するように知覚されることができ、源７０２ｐ、７０４ｐ、および７０６ｐは、導波管７１０の上方に位置するように知覚されることができる。源７０１ｐ、７０３ｐ、および７０５ｐは、相互から等距離であることができる。源７０２ｐ、７０４ｐ、および７０６ｐもまた、相互から等距離であることができる。入力光源が、コヒーレントである場合、複数の鏡映源７０１ｐ、７０２ｐ、７０３ｐ、７０４ｐ、７０５ｐ、および７０６ｐによって生産された光学波面は、相互に相互作用し、ファブリ・ペロー干渉計、ブラッグ回折格子、および薄膜光学によって生産された干渉パターンに類似し得る、角度選択的干渉パターンを生産することができる。連続点源７０１ｐ、７０３ｐ、および７０５ｐ（または７０２ｐ、７０４ｐ、および７０６ｐ）間の距離ｓは、表面７１２ａと７１２ｂとの間の距離に対応する導波管の厚さ「ｄ」と導波管７１０の屈折率「ｎ」との積の２倍に等しくあることができる。故に、連続点源７０１ｐ、７０３ｐ、および７０５ｐ（または７０２ｐ、７０４ｐ、および７０６ｐ）間の距離ｓは、方程式ｓ＝２ｎｄを使用して計算されることができる。図７に描写されるように、同一方向に沿って伝搬し、複数の仮想源７０１ｐ、７０３ｐ、および７０５ｐ（または７０２ｐ、７０４ｐ、および７０６ｐ）によって生産される、ビームレットアレイ内の２つの隣接する光ビーム間の距離ｂ（本明細書では、ビームレット間間隔とも称される）は、方程式ｂ＝２ｎｄｓｉｎθによって与えられ、式中、角度θは、内部結合された光ビームの入射角である。いかなる一般性も失うことなく、入力光源からの光は、反射表面７１２ａまたは７１２ｂのうちの１つを通して、または反射表面７１２ａまたは７１２ｂ間の縁のうちの１つを通して、導波管７１０の中に結合されることができる。内部結合された光ビームがプロジェクタ（例えば、図６に図示されるファイバカンチレバー７を含む、投影システム）によって導波管７１０の中に導入される、種々の実施形態では、角度θは、走査角度であることができる。ビームレットアレイの隣接する光ビーム間の光学経路長、Γは、方程式Γ＝２ｎｄｃｏｓθによって与えられる。

【0065】

導波管から出力されたビームレットアレイの点拡がり関数（ＰＳＦ）は、内部結合された光ビーム７０１を出力する、入力光源の特性に依存し得る。これは、図８Ａ−１、８Ａ−２、８Ａ−３、８Ｂ−１、８Ｂ−２、および８Ｂ−３を参照して本明細書に説明される。図８Ａ−１は、例えば、ＬＣＯＳプロジェクタ等のインコヒーレント入力光源から出力された光を受信するように構成される、導波管７１０の実施形態を図示する。導波管７１０の実施形態を照明する、インコヒーレント入力光源は、ビーム直径「ａ」を有する、光のインコヒーレントビームを出力する。導波管７１０から出射する、ビームレットアレイは、光ビーム８０１ａ、８０１ｂ、および８０１ｃを含む。入力光源は、インコヒーレントであるため、光ビーム８０１ａ、８０１ｂ、および８０１ｃは、導波管から出射する光ビーム８０１ａ、８０１ｂ、および８０１ｃ間の位相関係が決定され得ないように、互いに対して相互にインコヒーレントである。加えて、図８Ａ−１に図示される実施形態に関して、２つの隣接する光ビーム間（例えば、８０１ａと８０１ｂとの間または８０１ｂとビーム８０１ｃとの間）のビームレット間間隔ｂは、入力光ビームのビーム直径「ａ」と略同一である、出力ビームレットアレイ内の各光ビームのビーム直径を上回る。図８Ｂ−１は、インコヒーレント入力光源からの光を受信する図８Ａ−１に図示される導波管７１０の実施形態から出力される、ビームレットアレイの個々のビームの回折パターン８０５ａを図示する。図８Ｂ−１に図示される回折パターン８０５ａは、中心ピークと、２つのサイドローブとを有する。各サイドローブはまた、ピークを含む。回折パターン８０５ａの第１のサイドローブの最大値間の幅θ_ａは、インコヒーレント光源によって駆動される導波管７１０を含む、光学システムの開口サイズの測定値を提供することができ、比λ／ａに比例し、λは、入射光の波長であって、「ａ」は、ビーム直径である。図８Ａ−１に図示されるようにインコヒーレント入力光源からの光を受信する、導波管７１０の実施形態から出力されたビームレットアレイに関する点拡がり関数（ＰＳＦ）は、回折パターン８０５ａの幅θ_ａと等しく、「ａ」と等しいビーム直径を有する単一ビームによって生産される、広回折エンベロープに匹敵する。ＰＳＦは、光学システムが点源を形成する画像を表す。完璧な光学システムのＰＳＦは、エアリーパターンであって、これは、減少強度の同心環によって囲繞される中心スポットまたはピークまたは明るい領域から成る。中心スポットと連続同心環との間の空間は、低減された強度を有する。サイズｄを有する開口または瞳からの大距離では、中心スポットの中心と交差する軸と中心スポットと第１の同心環との間の低減された強度の領域との間の角度θは、方程式

【化1】

によって与えられ、式中、λは、光の波長である。故に、中心スポットのサイズがより小さくなるにつれて、瞳サイズは、より大きくなる。したがって、エアリーパターン（またはＰＳＦ）は、光学システムの瞳サイズの測定値を提供することができる。任意の理論に賛同するわけではないが、より大きい瞳サイズを伴うシステムは、より狭いＰＳＦを有する。

【0066】

図８Ａ−２は、コヒーレント入力光源から出力された光を受信するように構成される、導波管７１０の実施形態を図示する。導波管７１０の実施形態を照明する、コヒーレント入力光源は、ビーム直径「ａ」を有する、光のコヒーレントビームを出力する。導波管７１０から出射する、ビームレットアレイは、光ビーム８０２ａ、８０２ｂ、および８０２ｃを含む。入力光源は、コヒーレントであるため、光ビーム８０２ａ、８０２ｂ、および８０２ｃは、導波管から出射する光ビーム８０２ａ、８０２ｂ、および８０２ｃ間の位相関係が決定的であるように、互いに対して相互にコヒーレントである。加えて、図８Ａ−２に図示される実施形態に関して、２つの隣接する光ビーム間（例えば、８０２ａと８０２ｂとの間または８０２ｂとビーム８０２ｃとの間）のビームレット間間隔ｂは、入力光ビームのビーム直径「ａ」と略同一である、出力ビームレットアレイ内の各光ビームのビーム直径を上回る。図８Ｂ−２は、コヒーレント光ビーム８０２ａ、８０２ｂ、および８０２ｃ間の光学干渉によって生産された干渉パターン８０５ｂを図示する。図８Ｂ−２に図示される干渉パターン８０５ｂは、中心ピークと、４つのサイドローブとを有する。各サイドローブはまた、ピークを含む。干渉パターン８０５ｂの第１のサイドローブの最大値間の幅θ_ｂは、比λ／ｂに比例し、λは、入射光の波長であって、ｂは、ビームレット間間隔である。コヒーレント入力光源からの光を受信する図８Ａ−２に図示される導波管７１０の実施形態から出力される、ビームレットアレイに関する点拡がり関数（ＰＳＦ）は、干渉パターンとアレイの個々のビームの回折エンベロープとの積であって、これは、パターン８０５ａによって描写される。故に、コヒーレント入力光源からの光を受信する、図８Ａ−２に図示される導波管７１０の実施形態から出力される、ビームレットアレイに関するＰＳＦは、ビームレットアレイのコヒーレントビーム間の相互の相互作用によって生産された干渉パターンによって角度フィルタリングされる、「ａ」と等しいビーム直径を有する単一ビームによって生産される、回折エンベロープに対応する。ビームレットアレイのコヒーレントビーム間の相互の相互作用によって生産された干渉パターンのフィルタ点間の間隔は、ビームの光学波長λに正比例し、ビームレット間間隔ｂに反比例する。コヒーレント入力光源からの光を受信する図８Ａ−２に図示される導波管７１０の実施形態から出力される、ビームレットアレイに関する開口サイズは、インコヒーレント入力光源によって駆動される導波管７１０を含む、光学システムの開口サイズを上回り得る。

【0067】

図８Ａ−３は、コヒーレント入力光源から出力された光を受信するように構成される、導波管７１０の実施形態を図示する。導波管７１０の実施形態を照明する、コヒーレント入力光源は、ビーム直径「ａ」を有する、光のコヒーレントビームを出力する。導波管７１０から出射する、ビームレットアレイは、光ビーム８０３ａ、８０３ｂ、および８０３ｃを含む、複合ビームである。入力光源は、コヒーレントであるため、光ビーム８０３ａ、８０３ｂ、および８０３ｃは、導波管から出射する光ビーム８０３ａ、８０３ｂ、および８０３ｃ間の位相関係が決定的であるように、互いに対して相互にコヒーレントである。加えて、図８Ａ−３に図示される実施形態に関して、２つの隣接する光ビーム間（例えば、８０３ａと８０３ｂとの間または８０３ｂとビーム８０３ｃとの間）のビームレット間間隔ｂは、入力光ビームのビーム直径「ａ」と略同一である、出力ビームレットアレイ内の各光ビームのビーム直径と略等しくなるように調節され、光学経路長差Γ＝２ｎｄｃｏｓθは、波長λの整数倍である。入射角および導波管７１０の厚さおよび屈折率が波長λの整数倍である、コヒーレント光源によって駆動される導波管７１０の本実施形態に関して、ビームレットアレイの種々のコヒーレントビームは、融合し、均一位相を伴う連続波面を形成する。図８Ｂ−３に図示される干渉パターン８０５ｃと曲線８０５ａによって図示される個々のビームの回折エンベロープとの積によって取得される、対応するＰＳＦは、複合ビーム内のビームレットの数とビームレットアレイ内の各個々のビームのビーム直径「ａ」の積と等しい、直径「Ａ」を伴う単一ビームによって生産されたより狭い回折エンベロープに匹敵する。

【0068】

図８Ｃは、コヒーレント入力光源からの光を受信する、導波管７１０の実施形態から出力された均一位相を有する連続波面８１５を伴う、光ビーム８１０を図示し、光学経路長差Γ＝２ｎｄｃｏｓθは、波長λの整数倍である。上記に議論されるように、光ビーム８１０のビーム直径「Ａ」は、入力光ビームのビーム直径「ａ」を上回る。コヒーレント入力光源からの光が、光学経路長差Γ＝２ｎｄｃｏｓθが入射光の波長λの整数倍であるように、屈折率「ｎ」および厚さ「ｄ」を有する、導波管上に角度θにおいて入射する、光学システムでは、導波管は、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）として機能するように構成されることができる。光学経路長差Γ＝２ｎｄｃｏｓθが入射光の波長λの整数倍ではない、光学システムは、必ずしも、システムの射出瞳を拡張させる必要はないが、代わりに、システムのアイボックスを拡張させることができる。アイボックスの拡張は、有利には、ユーザの頭部または眼の側方移動に対するシステム（例えば、ウェアラブルディスプレイシステム８０または光学システム１００）の公差を増加させることができる。

【0069】

走査プロジェクタ（例えば、図６に図示されるファイバカンチレバー７を含む、投影システム）からの光が光ガイド（例えば、平面導波管１）の中に内部結合される、光学システム（例えば、光学システム１００）の実施形態では、プロジェクタの開口サイズは、小さくあり得る。例えば、プロジェクタの出力開口サイズは、２５ミクロン以上かつ５０ミクロン以下、３５ミクロン以上かつ７５ミクロン以下、５０ミクロン以上かつ１００ミクロン以下、またはその間の値であることができる。そのような光学システムの種々の実施形態は、複雑なレンズベースの光学システムを採用し、プロジェクタの開口サイズに対応する、入力開口を拡張させることができる。例えば、射出瞳を拡張させるために採用される光学システムは、約２００ミクロン以上かつ約１ｍｍ以下、約２５０ミクロン以上かつ約９５０ミクロン以下、約３００ミクロン以上かつ約９００ミクロン以下、約３５０ミクロン以上かつ約８５０ミクロン以下、約４００ミクロン以上かつ約８００ミクロン以下、約４５０ミクロン以上かつ約７５０ミクロン以下、約５００ミクロン以上かつ約７００ミクロン以下、約５５０ミクロン以上かつ約６５０ミクロン以下、約６００ミクロン以上かつ約６５０ミクロン以下、またはその間の値の出力開口を達成するように構成されてもよい。

【0070】

レンズベースの射出瞳エクスパンダシステムは、所望の出力開口サイズを達成することができるが、それらは、嵩張りかつ重く、それらを接眼ディスプレイシステムと統合されるために非実践的なものにし得る。上記に議論されるように、屈折率「ｎ」および厚さ「ｄ」を有する、導波管は、入射光の波長λの整数倍である、導波管から出力されたビームレットアレイの隣接するビーム間の光学経路長差Γ＝２ｎｄｃｏｓθが、射出瞳を拡張させ得るとき、ＥＰＥとして機能することができる。故に、導波管は、重量または嵩張りに寄与することなく光学システムの射出瞳を増加させる、コンパクトな方法を提供することができる。

【0071】

しかしながら、図８Ａ−１から８Ｃに記載されたように、導波管を含む、光学システムは、入力光が導波管の中に内部結合される入射角度、導波管の屈折率「ｎ」および厚さ「ｄ」が、導波管から出力されたビームレットアレイの隣接するビーム間の光学経路長差Γ＝２ｎｄｃｏｓθが波長λの整数倍であるように構成されるときのみ、射出瞳エクスパンダとして機能することができる。走査プロジェクタ（例えば、図６に図示されるファイバカンチレバー７を含む光源）からの光は、導波管を射出瞳エクスパンダとして採用する光学システム上に入射し、入力光が導波管の中に内部結合される入射角度θは、光学システムの視野（ＦＯＶ）に対応する立体角Θを掃引する走査プロジェクタの走査角度に伴って変動する。例えば、入力角度θは、立体角Θ約３０度〜約５０度で変動することができる。走査プロジェクタが、ファイバ（例えば、図６に図示されるファイバカンチレバー７を含む、光源）を備える場合、入力角度θが変動する周波数は、ファイバが旋回する周波数と等しくあり得る。ファイバを備える走査プロジェクタの種々の実施形態では、ファイバは、１１，０００〜３０，０００旋回／秒し得る。したがって、そのような実施形態における入力角度θは、周波数約０．１ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚにおいて変動し得る。

【0072】

入力光が導波管の中に内部結合される入射角度が、立体角Θ内で変動するにつれて、導波管から出力されたビームレットアレイは、図８Ａ−２および８Ｂ−２を参照して上記に説明されるように、集束スポットの離散２次元（２Ｄ）グリッドによって角度フィルタリングされる。集束スポットは、隣接するビーム間の光学経路長差が光の波長の整数倍であるという位相同期条件を満たす、角度のセットに対応し得る。集束スポットの離散２次元（２Ｄ）グリッドによるビームレットアレイの角度フィルタレーションは、導波管の光学および機械的性質（例えば、屈折率「ｎ」および厚さ「ｄ」）が、ビームレットアレイの隣接するビーム間の光学経路長差が光の波長の整数倍であるように対応して変動しない場合、入射角が立体角Θ内で変動するにつれて、明るく緊密に集束されたピクセルに対応する干渉最大値と、暗いまたはブランクピクセルに対応する干渉最小値とを生産することができる。したがって、導波管から出力されたビームレットアレイの強度は、導波管の光学および機械的性質（例えば、屈折率「ｎ」および厚さ「ｄ」）が、ビームレットアレイの隣接するビーム間の光学経路長差が光の波長の整数倍であるように対応して変動しない場合、入射角が最大明度と最小明度との間の立体角Θ内で変動するにつれて、断続的に変動し得る。故に、入射角が変動するが、導波管の機械的性質および／または入射光の波長が、ビームレットアレイの隣接するビーム間の光学経路長差が全ての入射角度に関して光の波長の整数倍ではないように同一のままである光学システムの実施形態を通して投影される画像は、画像が黒色メッシュによって篩に掛けられたかのように現れ得る。

【0073】

光学信号源としての小開口サイズを伴う走査プロジェクタと、射出瞳エクスパンダとしての導波管とを含む光学システムでは、ディスプレイシステムおよび／または入力ビームの光学および／または機械的性質のうちの１つ以上のものを制御し、投影された画像の強度を閾値を上回る強度レベルに維持することが有利である。光学および／または機械的性質は、導波管の反射表面間の間隔（厚さ「ｄ」とも称される）、導波管の屈折率「ｎ」、または入力光学信号の波長λを含むことができる。ディスプレイシステムおよび／または入力ビームの光学および／または機械的性質は、集束スポットの離散２次元（２Ｄ）グリッドが角度偏移され得、プロジェクタの全ての走査角度が、コンパクトな緊密に集束されたＰＳＦ（図８Ｂ−３に描写されるＰＳＦに類似する）を有するビームレットアレイを生産するであろうような様式において、入力ビームの走査角度の変動と同期するように制御されることができる。

【0074】

走査入力ビームを複数の光ビームを含む規則的２次元ビームレットアレイに分裂させる導波管を備える光学システムによって生産された出力ビームは、導波管の物理的または光学性質および／または走査入力ビームの波長のうちの１つ以上のものが、おおよそ走査レートの周波数において変動されるとき、ビームレットアレイの複数の光ビームの個々のもののビーム直径を上回るビーム直径を有することができる。導波管の物理的または光学性質および／または走査入力ビームの波長のうちの１つ以上のものを走査レートの周波数において変動させることは、有利には、出力ビームが均一位相を伴う連続波面を有するように、ビームレットアレイ内の光ビーム間の相対的位相偏移を制御することができる。光学システムのそのような実施形態は、より大きいビーム直径を伴う出力ビームを形成および操向可能な光学位相アレイとして機能すると見なされ得る。そのような光学システムでは、プロジェクタの走査技術は、入力ビームを導波管の角度フィルタグリッド（集束スポットの２Ｄグリッドに対応する）の好ましい角度間で操向することができ、導波管の物理的または光学性質および／または走査入力ビームの波長のうちの１つ以上のものを走査レートの周波数において変動させるために採用される変調技術は、角度フィルタグリッドを入力ビームの異なる角度間で操向させることを担う。種々の実施形態では、導波管は、導波管の物理的または光学性質および／または走査入力ビームの波長のうちの１つ以上のものを走査レートの周波数において（例えば、１つ以上のホログラフィック構造を利用することによって）動的に変動させずに、導波管から出力されたビームレットアレイが、均一位相およびビームレットアレイ内の個々のビームのビーム直径より大きいビーム直径を伴う連続波面を有する光ビームを形成するように構成されることができる。入力光ビームの異なる走査角度に関するビームレットアレイの種々の光ビーム間の位相同期を動的または非動的に達成することができるシステムおよび方法は、以下に議論される。

【0075】

（１．動的位相同期）
種々の技法および方法が、導波管の物理的または光学性質および／または走査入力ビームの波長のうちの１つ以上のものを走査レートの周波数において変動させ、以下に議論される、入力光ビームの異なる走査角度に関するビームレットアレイの種々の光ビーム間の位相同期を動的に達成するために使用されることができる。種々の実施形態では、光学システムは、導波管の物理的または光学性質（例えば、屈折率、導波管の反射表面間の距離）および／または入力ビームの波長のうちの１つ以上のものを制御するように構成される制御システムを備えることができる。制御システムは、フィードバックループを含み、ビームレットアレイの個々の光ビーム間の位相同期を継続的に維持することができる。

【0076】

（１．１．屈折率）
上記に議論されるように、ビームレットアレイの個々の光ビーム間の位相同期を維持するために、光学経路長差Γ＝２ｎｄｃｏｓθは、波長λの整数倍であるべきである。故に、導波管の材料の屈折率が、光学経路長差Γ＝２ｎｄｃｏｓθが全ての入力角度θに関して波長λの整数倍であるように、走査レートの周波数（またはθが変動する周波数）において変動される場合、ビームレットアレイの個々の光ビーム間の位相同期は、全ての入力角度θに関して維持されることができる。図９Ａは、走査角度θのコサインに対する導波管の屈折率「ｎ」の変動を示す、グラフを図式的に図示する。図９Ａの点９０１ａ、９０１ｂ、および９０１ｃは、項２ｎ_０ｄｃｏｓθ_ｍ、２ｎ_０ｄｃｏｓθ_ｍ＋１、および２ｎ_０ｄｃｏｓθ_ｍ＋２が、それぞれ、ｍλ、（ｍ＋１）λ、および（ｍ＋２）λと等しく、ｍが、整数である、走査角度θ_ｍ、θ_ｍ＋１、およびθ_ｍ＋２における屈折率値ｎ_０を指す。図９Ａの点９０１ｄは、項

【化2】

がｍλと等しく、ｍが整数であるような走査角度θ_ｍ＋１における屈折率値

【化3】

を有する。
図９Ａの点９０１ｅは、項

【化4】

が（ｍ＋１）λと等しく、ｍが整数であるような走査角度θ_ｍ＋２における屈折率値

【化5】

を有する。図９Ａでは、ｍは、

【化6】

が

【化7】

と略等しいような大値を有すると見なされる。２ｎｄｃｏｓθが波長λの整数倍である、屈折率「ｎ」の可能性として考えられる値のうちのいくつかのみが、図９Ａに描写される。２ｎｄｃｏｓθが波長λの整数倍である屈折率「ｎ」の他の値も、可能性として考えられる。走査角度θ_ｍとθ_ｍ＋１（またはθ_ｍ＋１とθ_ｍ＋２）との間の走査角度に関して、屈折率の値は、２ｎｄｃｏｓθが波長λの整数倍のままであるように変化されることができる。屈折率「ｎ」の値の小変化に関して、走査角度θ_ｍとθ_ｍ＋１（またはθ_ｍ＋１とθ_ｍ＋２）との間の屈折率「ｎ」の変動は、図９Ａに描写されるように、線形であることができる。種々の実施形態では、屈折率は、基本屈折率の約２５％以下の量Δｎだけ変動されることができる。基本屈折率は、上記で議論された屈折率値ｎ_０に対応することができる。例えば、屈折率は、基本屈折率の約１０％以下、約１５％以下、約２０％以下の量Δｎだけ変動されることができる。上記に議論されるように、屈折率の変動は、走査角度θの変動と同期されることができる。別の実施例として、屈折率は、おおよそ０．００１〜約０．０１の量Δｎだけ変動されることができる。屈折率の変動は、図９Ａに描写されるように、周期的であることができる。

【0077】

導波管の材料の屈折率は、限定ではないが、電場または光学場のパラメータの変動、導波管の材料の温度の変動、導波管内に含まれる種々の材料の化学組成および／または濃度の変動、ピエゾ光学効果等を含む、種々の技法によって変動されることができる。例えば、導波管は、結晶性および／または液晶材料を含むことができ、その屈折率は、いくつかの異なる電気光学効果を介して、電場の印加に伴って変動されることができる。別の実施例として、導波管は、液体溶液を備えることができ、その屈折率は、その溶液の混合および相対的濃度を制御することによって、変動されることができる。別の実施例として、導波管は、化学活性基板を備えることができ、その屈折率は、導波管を構成する材料内の化学反応率および／またはその結果を制御することによって、変動されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、導波管を構成する材料内の化学反応率および／またはその結果は、電場の印加、光学場の印加、または両方によって制御されることができる。別の実施例として、いくつかの実施形態では、導波管を構成する材料内の化学反応率および／またはその結果は、化学ポンプの使用によって制御されることができる。光学波長の変化はまた、屈折率の変化を生産することができる。故に、種々の実施形態では、屈折率の変化は、導波管上に入射する光の波長λと相関されることができる。例えば、入射光の波長λは、限定ではないが、導波管の入射光の変調、非線形性、および／または分散を含む、種々の要因に起因して変動し得る。例えば、種々の実施形態では、入射光の波長λは、変調に起因して、非変調入射光の波長λ_{ｏｐｔｉｃａｌ}の約１％〜１０％の量Δλを変化させることができる。故に、光の材料の屈折率を変動させるように構成される、コントローラは、屈折率が変化されることになる量Δｎを計算するとき、入射光の波長λの変化を考慮するように構成されることができる。種々の実施形態では、コントローラは、入力光ビームの異なる走査角度に関するビームレットアレイの種々の光ビーム間の位相同期が達成され得るように、入射光の波長λの変化に基づいて、動的に、入射光の波長λの変化を計算し、屈折率が変化されることになる量Δｎを計算するように構成される、フィードバックループを含むことができる。

【0078】

（１．２．反射体平面間隔）
導波管の種々の実施形態は、反射表面（例えば、導波管７１０の反射表面７１２ａおよび７１２ｂ）間の空間（導波管の厚さとも称される）が、固定される必要はないが、代わりに、変動され得るように構成されることができる。例えば、導波管の種々の実施形態では、反射表面（例えば、導波管７１０の反射表面７１２ａおよび７１２ｂ）間の空間は、流体または空気によって占有されることができる。導波管は、光学経路長差Γ＝２ｎｄｃｏｓθが全ての入力角度θに関して波長λの整数倍であるように、反射表面の一方または両方を相互に対して移動させ、流体または空気を含む反射表面間の距離および／または空間の厚さを走査レートの周波数（またはθが変動する周波数）において変動させる、コントローラを備えることができる。図９Ｂは、走査角度θのコサインに対する導波管の反射表面間の間隔「ｄ」の変動を示す、グラフを図式的に図示する。図９Ｂの点９０５ａ、９０５ｂ、および９０５ｃは、項２ｎｄ_０ｃｏｓθ_ｍ、２ｎｄ_０ｃｏｓθ_ｍ＋１、２ｎｄ_０ｃｏｓθ_ｍ＋２が、それぞれ、ｍλ、（ｍ＋１）λ、および（ｍ＋２）λと等しく、ｍが整数であるような走査角度θ_ｍ、θ_ｍ＋１、およびθ_ｍ＋２における導波管の反射表面間の間隔ｄ_０の値を指す。図９Ｂの点９０５ｄにおける導波管の反射表面間の間隔は、項

【化8】

が、ｍλと等しく、ｍが整数であるような走査角度θ_ｍ＋１における

【化9】

である。図９Ｂの点９０５ｅにおける導波管の反射表面間の間隔は、項

【化10】

が、（ｍ＋１）λと等しく、ｍが整数であるような走査角度θ_ｍ＋２における

【化11】

である。図９Ｂでは、ｍは、

【化12】

が

【化13】

と略等しいような大値を有すると見なされる。２ｎｄｃｏｓθが波長λの整数倍である、導波管の反射表面間の間隔「ｄ」の可能性として考えられる値のうちのいくつかのみが、図９Ｂに描写される。２ｎｄｃｏｓθが波長λの整数倍である、導波管の反射表面間の間隔「ｄ」の他の値も、可能性として考えられる。走査角度θ_ｍとθ_ｍ＋１（またはθ_ｍ＋１とθ_ｍ＋２）との間の走査角度に関して、導波管の反射表面間の間隔「ｄ」の値は、２ｎｄｃｏｓθが波長λの整数倍のままであるように変化されることができる。導波管の反射表面間の間隔「ｄ」の値の小変化に関して、走査角度θ_ｍおよびθ_ｍ＋１（またはθ_ｍ＋１とθ_ｍ＋２）との間の導波管の反射表面間の間隔「ｄ」の変動は、図９Ｂに描写されるように、線形であることができる。導波管の反射表面間の間隔「ｄ」は、導波管の反射表面間の基本間隔の約２５％以下の量Δｄだけ変動されることができる。例えば、導波管の反射表面間の間隔「ｄ」は、導波管の反射表面間の基本間隔の約１０％以下、約１５％以下、約２０％以下の量Δｄだけ変動されることができる。別の実施例として、導波管の反射表面間の間隔「ｄ」は、約１ミクロン以下の量Δｄだけ変動されることができる。種々の実施形態では、導波管の反射表面間の基本間隔は、上記に議論される間隔ｄ_０に対応し得る。

【0079】

上記に議論されるように、導波管の反射表面間の間隔「ｄ」の変動は、走査角度θの変動と同期されることができる。導波管の反射表面間の間隔の変動は、図９Ｂに描写されるように、周期的であることができる。導波管の反射表面間の間隔は、限定ではないが、機械的方法、電気機械的方法、音響光学方法、電磁方法、圧電方法等を含む、種々の技法によって変化されることができる。例えば、導波管は、一対の反射表面と、反射表面間の距離を制御するように構成される、コントローラとを備える、微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスとして構成されることができる。別の実施例として、導波管は、２つの表面によって境界される、音響光学材料を含むことができる。導波管の２つの表面は、音響ドライバによって生成された音響定常波によって誘発される、音響光学材料中の密度変動によって、反射性となるように構成されることができる。そのような実施形態では、２つの表面間の間隔は、音響定常波を生成する音響ドライバの周波数を変化させることによって、変動されることができる。

【0080】

別の実施形態では、導波管は、相互から離間される、複数の層を備えることができる。複数の層はそれぞれ、反射状態と透過状態との間で切り替えられるように構成されることができる。任意の所望の間隔をそれらの間に伴う、一対の反射表面は、選択的に、複数の層のうちの２つを反射状態であるように構成し、残りの複数の層を透過状態であるように構成することによって、取得されることができる。そのような実施形態では、複数の層はそれぞれ、電磁制御システムを使用して、反射状態と透過状態との間で切り替えられることができる。これは、３つの層９０７ａ、９０７ｂ、および９０７ｃを備える、導波管９０７を描写する、図９Ｂ−１を参照して以下により詳細に説明される。第３の層９０７ｃは、第１の層９０７ａと第２の層９０７ｂとの間に配置される。第１の層９０７ａは、反射状態に維持されることができる。第２の層９０７ｂを透過状態に、第３の層９０７ｃを反射状態に構成することによって、一対の導波管９０７の反射表面間の間隔は、ｄ１であるように選択されることができる。第２の層９０７ｂを反射状態に、第３の層９０７ｃを透過状態に構成することによって、一対の導波管９０７の反射表面間の間隔は、ｄ１＋ｄ２であるように選択されることができる。このように、導波管の反射表面間の間隔は、変動されることができる。付加的層が、導波管内に含まれ、より大きい範囲の間隔の変動を提供することができる。

【0081】

導波管のいくつかの実施形態では、反射表面は、圧電材料を含むことができる。そのような実施形態では、反射表面間の間隔は、電場の印加を介して導波管の機械的拡張または縮小を誘発することによって、変動されることができる。

【0082】

（１．３．波長）
導波管の種々の実施形態は、光学経路長差Γ＝２ｎｄｃｏｓθが全ての入力角度θに関して波長λの整数倍であるように、入射光（例えば、光ビーム７０１）の波長が走査レートの周波数（またはθが変動する周波数）において変動され得るように構成されることができる。図９Ｃは、走査角度θのコサインに対する入射光の波長λの変動を示す、グラフを図式的に図示する。図９Ｃの点９１０ａ、９１０ｂ、および９１０ｃは、項２ｎｄｃｏｓθ_ｍ、２ｎｄｃｏｓθ_ｍ＋１、および２ｎｄｃｏｓθ_ｍ＋２が、それぞれ、ｍλ_０、（ｍ＋１）λ_０、および（ｍ＋２）λ_０と等しく、ｍが整数であるような走査角度θ_ｍ、θ_ｍ＋１、およびθ_ｍ＋２における波長λ_０の値を指す。図９Ｃの点９１０ｄにおける波長λは、項２ｎｄｃｏｓθ_ｍ＋１が、ｍλ_０と等しく、ｍが整数であるような走査角度θ_ｍ＋１における

【化14】

である。図９Ｃの点９１０ｅにおける波長λは、項

【化15】

が、（ｍ＋１）λ_０と等しく、ｍが整数であるような走査角度θ_ｍ＋２における

【化16】

である。図９Ｃでは、ｍは、

【化17】

が

【化18】

と略等しいような大値を有するとみなされる。２ｎｄｃｏｓθが波長λの整数倍である、入射光の波長λの可能性として考えられる値のうちのいくつかのみが、図９Ｃに描写される。２ｎｄｃｏｓθが波長λの整数倍である、入射光の波長λの他の値も、可能性として考えられる。走査角度θ_ｍとθ_ｍ＋１（またはθ_ｍ＋１とθ_ｍ＋２）との間の走査角度に関して、入射光の波長λの値は、２ｎｄｃｏｓθが波長λの整数倍のままであるように変化されることができる。入射光の波長λの値の小変化に関して、走査角度θ_ｍとθ_ｍ＋１（またはθ_ｍ＋１とθ_ｍ＋２）との間の入射光の波長λの変動は、図９Ｃに描写されるように、線形であることができる。入射光の波長λは、基本波長の約２５％以下の量Δλだけ変動されることができる。例えば、入射光の波長λは、基本波長の約１０％以下、約１５％以下、約２０％以下の量Δλだけ変動されることができる。別の実施例として、入射光の波長λは、約１ｎｍ〜約１０ｎｍの量Δλだけ変動されることができる。種々の実施形態では、基本波長は、上記に議論される波長λ_０に対応し得る。

【0083】

上記に議論されるように、入射光の波長λの変動は、走査角度θの変動と同期されることができる。入射光の波長λの変動は、図９Ｃに描写されるように、周期的であることができる。入射光の波長λは、同調可能レーザを採用することによって、変動されることができる。例えば、光学源（例えば、図６の光源／画像源１１）は、例えば、レーザの波長λが電流および／または電圧の印加によって変動され得る、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザ等の同調可能レーザを含むことができる。別の実施例として、光学源（例えば、図６の光／画像源１１）から出力された光の波長λは、光学源の温度を変動させることによって、変動されることができる。

【0084】

上記に議論されるように、光学波長の変化はまた、屈折率の変化を生産することができる。故に、種々の実施形態では、導波管上に入射する光の波長λの変化は、屈折率「ｎ」の変化と相関されることができる。例えば、入射光の波長λを変動させるように構成される、コントローラは、導波管の材料の屈折率の変化を考慮するように構成されることができる。種々の実施形態では、コントローラは、入力光ビームの異なる走査角度に関するビームレットアレイの種々の光ビーム間の位相同期が達成され得るように、導波管の屈折率Δｎの変化に基づいて、入射光の波長λの変化を動的に計算するように構成される、フィードバックループを含むことができる。

【0085】

一般に、動的位相同期に関して、位相同期条件を満たす角度間の角度間隔（ラジアン単位）は、導波管の幅によって除算される光の波長と略等しい。おおよそ１００〜１０００ミクロンの導波管幅およびビーム直径に関する角度偏移は、約０．００１〜０．０１ラジアン（または約０．１％〜１％のパーセンテージ変化）となり得る。位相同期を維持するために、角度偏移は、約０．００１〜約０．０１の範囲内の量だけ導波管の屈折率を減少させる、おおよそ１ミクロンだけ反射表面間の間隔（または導波管の幅）を増加または減少させる、または約１〜約１０ｎｍの範囲内で入射光の波長を増加または減少させることによって、補償されることができる。

【0086】

（２．非動的位相同期）
位相同期はまた、上記に議論される動的アプローチのいずれかを使用せずに達成されることができる。例えば、導波管は、複数のホログラフィック構造を備えることができ、複数のホログラフィック構造はそれぞれ、入射角度毎に、位相同期出力を提供する。故に、位相同期出力は、導波管の反射表面間の間隔、導波管の屈折率、または入射光の波長を入力ビームの走査レートにおいて能動的に同時変調させずに、入力ビームの入射角度が変動するにつれて取得されることができる。

【0087】

第１の入射角度に関する位相同期出力を提供する、複数のホログラフィック構造のうちの第１のものは、第１の入射角度においてホログラフィック媒体の第１の側からホログラフィック媒体上に入射する第１の基準ビームと、第１の側と反対のホログラフィック媒体の第２の側からホログラフィック媒体上に入射する第２の基準ビームとに干渉することによって、厚いホログラフィック媒体上に記録されることができる。第１の基準ビームは、走査プロジェクタから出力された光ビームの特性を有するように構成されることができる。例えば、第１の基準ビームは、いくつかの実施形態では、コリメートされることができる。第１の基準ビームは、約１００ミクロン以下（例えば、９０ミクロン以下、８０ミクロン以下、７０ミクロン以下、６０ミクロン以下、５０ミクロン以下、４０ミクロン以下、３０ミクロン以下、２５ミクロン以下、２０ミクロン以下、またはその間の値の）ビーム直径を有することができる。第２の基準ビームは、第１の基準ビームが第１の入射角度において導波管上に入射するときに導波管から出力される、位相同期されるビームレットアレイの特性を有するように構成されることができる。例えば、第２の基準ビームは、図８Ａ−３および／または図８Ｃに描写されるビームレットアレイに類似する均一位相を伴う連続波面を有する、コリメートされたビームであることができる。第２の基準ビームのビーム直径は、約２００ミクロン以上かつ約１０ｍｍ以下であることができる。例えば、第２の基準ビームのビーム直径は、約２５０ミクロン以上かつ約９５０ミクロン以下、約３００ミクロン以上かつ約９００ミクロン以下、約３５０ミクロン以上かつ約８５０ミクロン以下、約４００ミクロン以上かつ約８００ミクロン以下、約４５０ミクロン以上かつ約７５０ミクロン以下、約５００ミクロン以上かつ約７００ミクロン以下、約５５０ミクロン以上かつ約６５０ミクロン以下、約６００ミクロン以上かつ約６５０ミクロン以下、またはその間の値であることができる。

【0088】

複数のホログラフィック構造は、第１の基準ビームの入射角を変動させることによって、同一ホログラフィック媒体上に記録される。例えば、第１の基準ビームの入射角は、約±３０度間で継続的に変動されることができる。別の実施例として、第１の基準ビームの入射角は、約１度以下（例えば、０．９度以下、０．８度以下、０．７度以下、０．６度以下、０．５度以下、０．４度以下、０．３度以下、０．２度以下、０．１度以下、０．０５度以下、またはその間の値の）離散ステップにおいて、約±３０度間で変動されることができる。第２の基準ビームの入射角もまた、第１の基準ビームの入射角の変動に対応して変動されることができる。

【0089】

故に、少なくとも１つのホログラフィック構造が、第１の基準ビームの入射角と第２の基準ビームの入射角の組み合わせ毎に、ホログラフィック媒体上に記録される。このように記録される複数のホログラフィック構造を備える、導波管は、走査プロジェクタによって掃引される立体角Θ内の異なる角度θにおいて入射する入力ビームに関して位相同期ビームレットアレイを出力するように構成されることができる。さらに、出力ビームレットアレイの直径は、入力ビームの直径を上回り得る。そのような実施形態では、角度選択性は、入力光の入射角が変動されるにつれて、ビームレットアレイの種々のビーム間の位相を動的に同期させることが必要ではないように、導波管の中に内蔵される。したがって、そのような実施形態では、導波管の１つ以上のパラメータ（例えば、屈折率、導波管の反射表面間の間隔）および／または入射光の波長λは、導波管から出力されたビームレットアレイの種々の光ビーム間の位相同期を達成するために、走査レートの周波数において変動される必要はない。

【0090】

図１０は、角度選択性が、入力光の入射角が変動されるにつれて、ビームレットアレイの種々のビーム間の位相を動的に同期させることが必要ではないように、導波管の中に内蔵される、導波管１０１０の実施形態を図示する。導波管１０１０は、層１０１２ａ、１０１２ｂ、１０１２ｃ、１０１２ｄのスタックを備える。層の各スタックは、１つ以上のホログラフィック構造を含むことができる。ホログラフィック構造は、体積ホログラムおよび／または空間的に多重化されたブラッグ回折格子を備えることができる。種々の実施形態では、複数のホログラムは、導波管の容積内で重畳または多重化されることができる。そのような実施形態では、導波管は、層のスタックを備える必要はない。各ホログラフィック構造は、上記に議論されるように、走査プロジェクタによって掃引される立体角Θ内の角度θにおいて入射する入力ビームに関して位相同期されるビームレットアレイを出力するように構成されることができる。図１０は、導波管１０１０の表面に対する法線に近接する角度において入射する入力光ビーム１００１に関して、導波管１０１０によって出力される、位相同期されるビームレットアレイ１０１５を描写するが、導波管１０１０はまた、導波管１０１０の表面に対する法線に近接する角度と異なる角度において入射する入力ビームに関して位相同期されるビームレットアレイを放出するように構成されることができる。

【0091】

本明細書に説明される、および／または添付される図に描写されるプロセス、方法、およびアルゴリズムはそれぞれ、具体的かつ特定のコンピュータ命令を実行するように構成される、１つ以上の物理的コンピューティングシステム、ハードウェアコンピュータプロセッサ、特定用途向け回路、および／または電子ハードウェアによって実行される、コードモジュールにおいて具現化され、それによって完全または部分的に自動化され得る。例えば、コンピューティングシステムは、具体的コンピュータ命令とともにプログラムされた汎用コンピュータ（例えば、サーバ）または専用コンピュータ、専用回路等を含むことができる。コードモジュールは、実行可能プログラムにコンパイルおよびリンクされる、動的リンクライブラリ内にインストールされ得る、または解釈されるプログラミング言語において書き込まれ得る。いくつかの実装では、特定の動作および方法が、所与の機能に特有の回路によって実施され得る。

【0092】

さらに、本開示の機能性のある実装は、十分に数学的、コンピュータ的、または技術的に複雑であるため、（適切な特殊化された実行可能命令を利用する）特定用途向けハードウェアまたは１つ以上の物理的コンピューティングデバイスは、例えば、関与する計算の量または複雑性に起因して、または結果を実質的にリアルタイムで提供するために、機能性を実施する必要があり得る。例えば、ビデオは、多くのフレームを含み、各フレームは、数百万のピクセルを有し得、具体的にプログラムされたコンピュータハードウェアは、商業的に妥当な時間量において所望の画像処理タスクまたは用途を提供するようにビデオデータを処理する必要がある。

【0093】

コードモジュールまたは任意のタイプのデータは、ハードドライブ、ソリッドステートメモリ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、光学ディスク、揮発性または不揮発性記憶装置、同一物の組み合わせ、および／または同等物を含む、物理的コンピュータ記憶装置等の任意のタイプの非一過性コンピュータ可読媒体上に記憶され得る。本方法およびモジュール（またはデータ）はまた、無線ベースおよび有線／ケーブルベースの媒体を含む、種々のコンピュータ可読伝送媒体上で生成されたデータ信号として（例えば、搬送波または他のアナログまたはデジタル伝搬信号の一部として）伝送され得、種々の形態（例えば、単一または多重化アナログ信号の一部として、または複数の離散デジタルパケットまたはフレームとして）をとり得る。開示されるプロセスまたはプロセスステップの結果は、任意のタイプの非一過性有形コンピュータ記憶装置内に持続的または別様に記憶され得る、またはコンピュータ可読伝送媒体を介して通信され得る。

【0094】

本明細書に説明される、および／または添付される図に描写されるフロー図における任意のプロセス、ブロック、状態、ステップ、または機能性は、プロセスにおいて具体的機能（例えば、論理または算術）またはステップを実装するための１つ以上の実行可能命令を含む、コードモジュール、セグメント、またはコードの一部を潜在的に表すものとして理解されたい。種々のプロセス、ブロック、状態、ステップ、または機能性は、組み合わせられる、再配列される、追加される、削除される、修正される、または別様に本明細書に提供される例証的実施例から変更されることができる。いくつかの実施形態では、付加的または異なるコンピューティングシステムまたはコードモジュールが、本明細書に説明される機能性のいくつかまたは全てを実施し得る。本明細書に説明される方法およびプロセスはまた、任意の特定のシーケンスに限定されず、それに関連するブロック、ステップ、または状態は、適切な他のシーケンスで、例えば、連続して、並行して、またはある他の様式で実施されることができる。タスクまたはイベントが、開示される例示的実施形態に追加される、またはそれから除去され得る。さらに、本明細書に説明される実装における種々のシステムコンポーネントの分離は、例証を目的とし、全ての実装においてそのような分離を要求するものとして理解されるべきではない。説明されるプログラムコンポーネント、方法、およびシステムは、概して、単一のコンピュータ製品においてともに統合される、または複数のコンピュータ製品にパッケージ化され得ることを理解されたい。多くの実装変形例が、可能である。

【0095】

本プロセス、方法、およびシステムは、ネットワーク（または分散）コンピューティング環境において実装され得る。ネットワーク環境は、企業全体コンピュータネットワーク、イントラネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）、クラウドコンピューティングネットワーク、クラウドソースコンピューティングネットワーク、インターネット、およびワールドワイドウェブを含む。ネットワークは、有線または無線ネットワークまたは任意の他のタイプの通信ネットワークであり得る。

【0096】

本開示のシステムおよび方法は、それぞれ、いくつかの革新的側面を有し、そのうちのいかなるものも、本明細書に開示される望ましい属性に単独で関与しない、またはそのために要求されない。上記に説明される種々の特徴およびプロセスは、相互に独立して使用され得る、または種々の方法で組み合わせられ得る。全ての可能な組み合わせおよび副次的組み合わせが、本開示の範囲内に該当することが意図される。本開示に説明される実装の種々の修正が、当業者に容易に明白であり得、本明細書に定義される一般原理は、本開示の精神または範囲から逸脱することなく、他の実装に適用され得る。したがって、請求項は、本明細書に示される実装に限定されることを意図されず、本明細書に開示される本開示、原理、および新規の特徴と一貫する最も広い範囲を与えられるべきである。

【0097】

別個の実装の文脈において本明細書に説明されるある特徴はまた、単一の実装における組み合わせにおいて実装されることができる。逆に、単一の実装の文脈において説明される種々の特徴もまた、複数の実装において別個に、または任意の好適な副次的組み合わせにおいて実装されることができる。さらに、特徴がある組み合わせにおいて作用するものとして上記に説明され、さらに、そのようなものとして最初に請求され得るが、請求される組み合わせからの１つ以上の特徴は、いくつかの場合では、組み合わせから削除されることができ、請求される組み合わせは、副次的組み合わせまたは副次的組み合わせの変形例を対象とし得る。いかなる単一の特徴または特徴のグループも、あらゆる実施形態に必要または必須ではない。

【0098】

とりわけ、「〜できる（ｃａｎ）」、「〜し得る（ｃｏｕｌｄ）」、「〜し得る（ｍｉｇｈｔ）」、「〜し得る（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」、および同等物等、本明細書で使用される条件文は、別様に具体的に記載されない限り、または使用されるような文脈内で別様に理解されない限り、概して、ある実施形態がある特徴、要素、および／またはステップを含む一方、他の実施形態がそれらを含まないことを伝えることが意図される。したがって、そのような条件文は、概して、特徴、要素、および／またはステップが、１つ以上の実施形態に対していかようにも要求されること、または１つ以上の実施形態が、著者の入力または促しの有無を問わず、これらの特徴、要素、および／またはステップが任意の特定の実施形態において含まれる、または実施されるべきかどうかを決定するための論理を必然的に含むことを示唆することを意図されない。用語「〜を備える」、「〜を含む」、「〜を有する」、および同等物は、同義語であり、非限定的方式で包括的に使用され、付加的要素、特徴、行為、動作等を除外しない。また、用語「または」は、その包括的意味において使用され（およびその排他的意味において使用されず）、したがって、例えば、要素のリストを接続するために使用されると、用語「または」は、リスト内の要素のうちの１つ、いくつか、または全てを意味する。加えて、本願および添付される請求項で使用されるような冠詞「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、別様に規定されない限り、「１つ以上の」または「少なくとも１つ」を意味するように解釈されるべきである。

【0099】

本明細書で使用されるように、項目のリスト「〜のうちの少なくとも１つ」を指す語句は、単一の要素を含む、それらの項目の任意の組み合わせを指す。ある実施例として、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡおよびＢ、ＡおよびＣ、ＢおよびＣ、ならびにＡ、Ｂ、およびＣを網羅することが意図される。語句「Ｘ、Ｙ、およびＺのうちの少なくとも１つ」等の接続文は、別様に具体的に記載されない限り、概して、項目、用語等がＸ、Ｙ、またはＺのうちの少なくとも１つであり得ることを伝えるために使用されるような文脈で別様に理解される。したがって、そのような接続文は、概して、ある実施形態が、Ｘのうちの少なくとも１つ、Ｙのうちの少なくとも１つ、およびＺのうちの少なくとも１つがそれぞれ存在するように要求することを示唆することを意図されない。

【0100】

同様に、動作は、特定の順序で図面に描写され得るが、これは、望ましい結果を達成するために、そのような動作が示される特定の順序で、または連続的順序で実施される、または全ての図示される動作が実施される必要はないと認識されるべきである。さらに、図面は、フローチャートの形態で１つ以上の例示的プロセスを図式的に描写し得る。しかしながら、描写されない他の動作も、図式的に図示される例示的方法およびプロセス内に組み込まれることができる。例えば、１つ以上の付加的動作が、図示される動作のいずれかの前に、その後に、それと同時に、またはその間に実施されることができる。加えて、動作は、他の実装において再配列される、または再順序付けられ得る。ある状況では、マルチタスクおよび並列処理が、有利であり得る。さらに、上記に説明される実装における種々のシステムコンポーネントの分離は、全ての実装におけるそのような分離を要求するものとして理解されるべきではなく、説明されるプログラムコンポーネントおよびシステムは、概して、単一のソフトウェア製品においてともに統合される、または複数のソフトウェア製品にパッケージ化され得ることを理解されたい。加えて、他の実装も、以下の請求項の範囲内である。いくつかの場合では、請求項に列挙されるアクションは、異なる順序で実施され、依然として、望ましい結果を達成することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A-1】

【図8A-2】

【図8A-3】

【図8B-1】

【図8B-2】

【図8B-3】

【図8C】

【図9A】

【図9B】

【図9B-1】

【図9C】

【図10】