特許 7547420 瞳拡張器の完全性

(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】

(24)【登録日】2024-08-30

(45)【発行日】2024-09-09

(54)【発明の名称】瞳拡張器の完全性

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/01 20060101AFI20240902BHJP

   G03H 1/20 20060101ALI20240902BHJP

   G02B 27/02 20060101ALN20240902BHJP

【ＦＩ】

G02B27/01

G03H1/20

G02B27/02 Z

【請求項の数】 19

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022128963

(22)【出願日】2022-08-12

(65)【公開番号】P2023046260

(43)【公開日】2023-04-03

【審査請求日】2022-10-11

(31)【優先権主張番号】2113447.3

(32)【優先日】2021-09-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】519027213

【氏名又は名称】エンヴィシクス リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100116850

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 隆行

(74)【代理人】

【識別番号】100165847

【弁理士】

【氏名又は名称】関 大祐

(72)【発明者】

【氏名】ティモシー スミートン

(72)【発明者】

【氏名】ジェイミーソン クリスマス

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル バーナム

(72)【発明者】

【氏名】ルイシェン リン

(72)【発明者】

【氏名】ラケッシュ マハルジャン

【審査官】山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１９－５３７２８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／００６３６７２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－１２６１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／２３９４６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－０５２０７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０３８２８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２２４０６２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／０２５５４５９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１０１３１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０９４４９３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／０１０９３５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２１－１１０９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１１３７６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１４－５０３８３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１，２７／０２

Ｂ６０Ｋ ３５／２３

Ｈ０４Ｎ ５／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

システムであって、
空間変調光を出力して画像を形成するように配置された空間光変調器を含む表示装置と、
前記表示装置からの空間変調光を入力ポートで受信し、前記システムの視認窓を拡張するように構成された導波路瞳拡張器と、
観察者の顔を監視して、前記観察者の顔に入射する迷光を検出し、前記導波路瞳拡張器の光学的障害を示す信号を出力する観察者追跡システムと、
前記導波路瞳拡張器の光学的な障害を示す前記信号に応答するように、前記表示装置によって出力される空間変調光を軽減するかオフにするように制御するコントローラと、を含む
システム。

【請求項2】

前記コントローラは、前記空間変調光をオフにするように、前記信号に応答して制御するように構成されている、
請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記コントローラは、光源の駆動信号を低減する、または前記光源をオフにするように前記信号に応答して前記表示装置の前記光源を制御するように構成されている、
請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記観察者追跡システムは、前記観察者の顔に向けられて迷可視光を検出する光検出器を含む、
請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記可視光は、前記表示装置および前記導波路瞳拡張器を含む投影システムの可視レーザ光である、
請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

前記観察者追跡システムは、前記観察者の顔を周期的に照らすように構成された赤外光源を含み、前記光検出器は、迷赤外光を検出するように構成される、
請求項４に記載のシステム。

【請求項7】

前記導波路瞳拡張器は、ガラスからなり、前記ガラスの破砕のリスクを低減するために、前記導波路瞳拡張器の第１の完全反射面が、任意の衝撃を吸収するように配置された比較的大きく安定した構成要素に取り付けられ得るか、またはそれと一体化されるようにさらに構成されている、
請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

任意の衝撃を吸収するように配置された前記構成要素は、熱安定性を改善するように金属を含む、
請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

システムであって、
空間変調光を出力して画像を形成するように配置された空間光変調器を含む表示装置と、
前記表示装置からの空間変調光を入力ポートで受信し、前記システムの視認窓を拡張するように構成された導波路瞳拡張器と、
前記導波路瞳拡張器の光学的な障害によって生じる散乱光を監視し、前記導波路瞳拡張器の光学的障害を示す信号を出力する光検出システムと、
前記導波路瞳拡張器の光学的な障害を示す前記信号に応答するように、前記表示装置によって出力される空間変調光を軽減するかオフにするように制御するコントローラと、を含む
システム。

【請求項10】

前記散乱光は、前記導波路瞳拡張器、前記システムの光学部品、および外部反射部品のうちの１つまたは複数からの散乱光である
請求項９に記載のシステム。

【請求項11】

前記導波路瞳拡張器の光学的な障害の検出に応答して前記システムの１つまたは複数の光学部品を取り囲むように膨張可能な発泡体を放出するように配置された前記膨張可能な発泡体の容器をさらに含む、
請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

前記膨張可能な発泡体は、光吸収性充填材料を含む、
請求項１１に記載のシステム。

【請求項13】

瞳拡張器導波路などの前記システムの壊れやすい光学部品は、流体に浸漬され、
前記導波路とカバーガラスとの間に高屈折率液体が設けられ、および／または
光学的に透明な接着剤が前記導波路瞳拡張器を少なくとも部分的に取り囲む、
請求項１に記載のシステム。

【請求項14】

前記導波路瞳拡張器は、
平行に配置され、光学的に透明な材料を間に有する第１および第２の実質的に平坦な反射面と、
入力光を受けるための入力ポートと、を含み、
前記第１の反射面は完全反射性であり、前記第２の反射面は部分反射性であり、それにより、入射光が、一連の内部反射によって前記入力ポートから前記第２の部分反射面における出力ポートに導かれ、
前記導波路は、ガラスが破損した場合に前記導波路の完全性を維持するように配置された層状ガラス構造によって形成されている、
請求項１に記載のシステム。

【請求項15】

ホログラフィック投影システムを含み、
前記表示装置は、前記画像のホログラムなどの回折パターンを表示し、前記回折パターンに従って空間変調光を出力して、前記画像に対応するホログラフィック再構成を形成するように配置された空間光変調器を含む、
請求項１に記載のシステム。

【請求項16】

表示デバイスおよび導波路瞳拡張器を含むシステムを動作させるための方法であって、
画像の回折パターンを表示装置に表示するステップと、
前記表示装置によって、出力ポートを有する導波路瞳拡張器の入力ポートに空間変調光を出力するステップと、
前記導波路瞳拡張器によって、一連の内部反射によって前記空間変調光を前記出力ポートに導くステップと、
前記導波路瞳拡張器によって、前記出力ポートから前記空間変調光を出力して、前記システムの視認窓に画像を形成するステップと、
観察者追跡システムによって、前記画像の観察者の顔に入射する迷光を監視するステップと、を含み、
迷光の検出に応答して、前記方法は、
前記観察者追跡システムによって、システム障害事象を示す信号を出力するステップをさらに含む
方法。

【請求項17】

前記監視するステップは、
前記観察者追跡システムによって、前記観察者の顔の照明を提供するステップと、前記観察者追跡システムによって、前記観察者の顔に入射する迷光を検出するステップと、を含む、
請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記照明は、パルス赤外線照明などのパルス照明であり、前記観察者の顔に入射する迷光を検出するステップは、前記パルス照明のパルス間の迷光の反射を検出するステップを含む、
請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記システムのコントローラによって、前記表示装置の光源への駆動信号を低減すること、または前記光源をオフにすることによって、前記観察者追跡システムによって出力された前記信号に応答するステップをさらに含む、
請求項１６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、平面導波路瞳拡張器などの瞳拡張器に関する。また、本開示は、プロジェクタ、ホログラフィック投影などの投影方法およびホログラフィック投影方法に関する。いくつかの実施形態は、ヘッドアップディスプレイに関する。いくつかの実施形態は、その破損の場合に機能的および／または構造的完全性を維持する導波路瞳拡張器に関する。

【背景技術】

【0002】

対象物から散乱される光には、振幅と位相の両方の情報が含まれる。この振幅と位相の情報は、例えば、干渉縞を含むホログラフィック記録、または「ホログラム」を形成するための周知の干渉技術によって、感光性プレート上に取り込むことができる。ホログラムは、元の対象物を表す２次元または３次元のホログラフィック再構成、または再生画像を形成するために、適切な光の照射によって再構成され得る。

【0003】

コンピュータ生成ホログラフィは、干渉プロセスを数値的にシミュレートすることができる。コンピュータ生成ホログラムは、フレネルまたはフーリエ変換などの数学的変換に基づく技法によって計算され得る。これらのタイプのホログラムは、フレネル／フーリエ変換ホログラムまたは単にフレネル／フーリエホログラムと呼ばれることがある。フーリエホログラムは、対象物のフーリエ領域／平面表現または対象物の周波数領域／平面表現と考えることができる。コンピュータ生成ホログラムは、例えば、コヒーレント光線追跡またはポイントクラウド技術によって計算することもできる。

【0004】

コンピュータ生成ホログラムは、入射光の振幅および／または位相を変調するように配置された空間光変調器で符号化することができる。光変調は、例えば、電気的にアドレス指定可能な液晶、光学的にアドレス指定可能な液晶、またはマイクロミラーを使用して実現することができる。

【0005】

空間光変調器は、典型的には、セルまたは素子とも呼ばれ得る複数の個別にアドレス指定可能な画素を含む。光変調方式は、バイナリ、マルチレベル、または連続であってもよい。あるいは、装置は連続的（すなわち、画素から構成されていない）であってもよく、したがって、光変調は装置全体にわたって連続的であってもよい。空間光変調器は、変調光が反射して出力されることを意味する反射性であってもよい。空間光変調器は、同様に、変調光が透過において出力されることを意味する透過性であってもよい。

【0006】

ホログラフィックプロジェクタなどのホログラフィック表示装置は、本明細書に記載のシステムを使用して提供することができる。そのようなプロジェクタは、ヘッドアップディスプレイ「ＨＵＤ」に用途を見出している。

【発明の概要】

【0007】

本開示の態様は、添付の独立請求項に定義されている。

【0008】

本明細書では、表示装置および導波路瞳拡張器を含むシステムが開示される。表示装置は、空間変調光を出力して画像を形成するように配置される。導波路瞳拡張器は、一対の平行な平面反射面を含む。導波路瞳拡張器は、入力ポートおよび出力ポートまたは観察面を画定する。入力ポートは、表示装置から空間変調光を受信するように配置される。出力ポートは、空間変調光をシステムの視認窓（viewing window）に出力するように配置される。視認窓は、典型的には、観察者が画像を観察または知覚することができる領域またはボリュームである。一対の平行な反射面は、一連の内部反射によって空間変調光を入力ポートから出力ポートに導くように配置される。一対の平行反射面のうちの第１の反射面は、部分透過性かつ部分反射性であり、一対の平行反射面のうちの第２の反射面は、実質的に完全反射性（すなわち、ほぼ完全なミラー）である。

【0009】

本開示によれば、導波路瞳拡張器は、ガラス構造を含み、ガラス構造は、ガラスの破損などに起因する機械的、構造的および／または光学的障害を受け得る。実施形態では、ガラス構造は、ガラスの破損などの場合に導波路瞳拡張器の完全性を維持するように配置された層状ガラス構造を含む。特に、層状ガラス構造は、ガラス材料の少なくとも１つの層と、導波路瞳拡張器の完全性を維持する特性を有する別の材料の少なくとも１つの層とを含む。以下の説明では、「ガラス」という用語は、シリカベースのガラスまたは結晶性の光学的に透明な材料を含む、壊れやすい（すなわち、衝撃時に破壊可能な）光学的に透明な（固体）材料の任意の形態を指す。

【0010】

本開示では、導波路瞳拡張器の「完全性」への言及は、その構造的完全性を指すことができる。導波路瞳拡張器の構造的完全性は、その中のガラスが破損した場合に（外部）反射面が平行に保たれるときに保持されるとみなされ得る。加えて、導波路瞳拡張器の完全性は、その機能的完全性を指すことができる。導波路瞳拡張器の機能的完全性は、その入力ポートで受け取られた光の少なくとも一部がその中のガラスの破損の場合に観察領域に誘導されるときに保持されるとみなされ得る。

【0011】

実施形態では、導波路瞳拡張器の層状ガラス構造は、ガラス層および光学的に透明な非ガラス層を含む。いくつかの例では、層状ガラス構造は、ポリマーベース層と積層されたまたはポリマーベース層に積層されたガラス層を含む。ポリマーベース層は、ポリマーベースのルーバー、ポリマーベースのポラライザなどを含んでもよい。他の例では、層状ガラス構造は、ガラス層および樹脂層を含む。これらの例では、層状ガラス構造は、第１の反射面と第２の反射面との間に光学的に透明な材料を形成することができる。層状ガラス構造は、低複屈折性を有してもよく、および／または樹脂は、ガラスに屈折率整合した樹脂材料を含んでもよい。層状ガラス構造は、第１および第２のガラス層の内部主面間に樹脂中間層を含んでもよい。層状ガラス構造は、第１のガラス層の外部主面上に完全反射コーティングを有し、第２のガラス層表面の外部主面上に部分反射コーティングを有してもよい。樹脂材料は、第１および第２のガラス層の外側主面間の平行性を維持するように配置されてもよい。例えば、樹脂材料は、ポリビニルブチラールを含んでもよい。

【0012】

他の実施形態では、層状ガラス構造は、強化ガラスの２つ以上の層を含む。これらの例では、層状ガラス構造は、第１の反射面と第２の反射面との間に光学的に透明な材料を形成することができる。いくつかの例では、層状ガラス構造は、圧縮歪み下の第１のガラス層および引張歪み下の第２のガラス層、ならびに任意選択的に、圧縮歪みまたは引張歪み下の第３のガラス層を含む。

【0013】

表示装置および導波路瞳拡張器は、投影システムまたは画像投影システムと呼ばれてもよい。いくつかの実施形態では、投影システムはホログラフィックシステムである。ホログラフィックシステムは、画像の／画像に対応する回折パターン（例えば、ホログラム）を表示し、回折パターンに従って空間変調光を出力するように配置された空間光変調器を含む表示装置を含む。投影システムは、その入力ポートで表示装置から空間変調光を受け取り、投影システムの視認窓を拡張するように構成された導波路瞳拡張器をさらに含む。

【0014】

いくつかの実施形態では、表示装置は、表示装置によって出力される空間変調光を制御するように構成されたコントローラ（例えば、システムコントローラまたはホログラフィックコントローラ）をさらに含む。実施例では、コントローラは、ガラスの破損の検出を示す信号に応答して表示装置の光源を制御する（例えば、オフにする）ように構成される。

【0015】

実施形態では、システムは、システムコントローラ（例えばホログラフィックコントローラ）と通信する観察者追跡システム（または視線追跡システム）をさらに含む。観察者追跡システムは、視認窓内の観察位置（例えば、目の位置）を決定するように配置することができる。観察者追跡システムは、観察者の顔を監視してそこに入射する迷光を検出するようにさらに配置され、その検出時に信号をコントローラに提供するように配置されてもよい。例では、観察者追跡システムは、観察者の顔に向けられて、観察者の顔の上の可視レーザ光などの迷可視光を検出する光検出器を含む。例では、観察者追跡システムは、観察者の顔を周期的に照らすように構成された赤外線光源を含む。光検出器は、迷赤外光を検出するように構成されてもよい。光検出器は、赤外および可視波長の光を検出するように構成されてもよい。

【0016】

導波路瞳拡張器の機械的、構造的または光学的故障のうちの１つまたは複数を示す信号は、視線追跡システムによる投影システムの迷光レーザ光の検出に応答して生成され得る。いくつかの実施形態では、視線追跡システムは、視線追跡に赤外線光を使用するように構成される。実施形態では、視線追跡システムの光検出器は、任意選択的に、視線追跡目的のための赤外線発光のパルスまたはゲート間で可視光に応答するようにさらに構成される。いくつかの実施形態では、波長変換素子、例えば量子ドットは、視線追跡システムの赤外線カメラが非赤外線光、例えば投影システムの可視レーザ光を検出できるように組み込まれる。他の実施形態では、広帯域（すなわち、赤外線および可視）カメラは、視線追跡システムおよび迷光レーザ光検出のために、例えば上述のようにゲート／時系列方式で二重目的である。

【0017】

実施形態では、導波路瞳拡張器は、その第１の完全反射面が、ガラスの飛散のリスクを低減するように任意の衝撃を吸収するように配置された比較的大きく安定した構成要素に取り付けられるか、またはそれと一体化されるようにさらに構成される。実施例では、構成要素は、熱安定性を改善するために金属を含む。

【0018】

実施形態では、システムは、散乱光を監視するための光検出システムをさらに含む。例では、光検出システムは、導波路瞳拡張器、システムの光学部品、およびシステムを取り囲むウインドスクリーンもしくはミラーなどの外部反射部品のうちの１つまたは複数からの散乱光を検出するように構成される。

【0019】

実施形態では、システムは、衝撃または破損事象などの事象の検出に応答して、システムの１つまたは複数の光学部品を取り囲むように発泡体を放出するように配置された膨張可能な発泡体の容器をさらに含む。いくつかの例では、膨張可能な発泡体は、光吸収性充填材料を含む。

【0020】

実施形態では、瞳拡張器導波路などのシステムの壊れやすい光学部品は、（透明な）流体に浸漬され、導波路とカバーガラスとの間に高屈折率（透明）液体が提供され、および／または光学的に透明な接着剤が導波路瞳拡張器を少なくとも部分的に取り囲む。

【0021】

表示装置および導波路瞳拡張器を含むシステムを動作させる方法がさらに提供される。本方法は、画像（例えば、画像のホログラム）に対応する回折パターンを表示装置（例えば、空間光変調器）に表示するステップを含む。本方法は、表示装置によって、出力ポートまたは観察面を有する導波路瞳拡張器の入力ポートに空間変調光を出力するステップをさらに含む。方法は、導波路瞳拡張器によって、一連の内部反射によって空間変調光を出力ポートに誘導するステップと、出力ポートから空間変調光を出力してシステムの視認窓に画像を形成するステップと、をさらに含む。本方法は、観察者追跡システムによって、画像の観察者の顔に入射する迷光を監視するステップをさらに含む。本方法は、観察者追跡システムによって、迷光の検出時に信号を出力するステップをさらに含む。信号は、導波路瞳拡張器の機械的、構造的または光学的障害のうちの１つまたは複数などのシステム障害事象を示す。

【0022】

いくつかの実施形態では、監視は、観察者追跡システムによって、観察者の顔のパルス照明を提供することをさらに含む。いくつかの例では、パルス照明は赤外線（ＩＲ）光である。実施形態では、本方法は、視聴追跡システムによって、観察者の顔に入射する迷可視光（の反射）を検出するステップをさらに含む。ＩＲパルス照明を使用する例では、迷可視光は、ＩＲパルス間で検出されてもよく、任意選択的に、ＩＲ光は、観察者視線追跡のためにＩＲパルス中に検出されてもよい。
実施形態では、本方法は、システムのコントローラによって、観察者追跡システムによって出力された信号に応答するステップをさらに含む。実施例では、応答するステップは、表示装置の光源への駆動信号を低減すること、または光源をオフにすることを含んでもよい。

【0023】

「ホログラム」という用語は、対象物に関する振幅情報もしくは位相情報、またはそれらの何らかの組み合わせを含む記録を指すために使用される。ホログラムの記録は、データ記憶装置（すなわち、メモリ）に記憶されてもよく、振幅および／または位相情報のための搬送波を形成する光（例えば、光信号として）で具体化されてもよい。すなわち、光は、画像ではなくホログラムを伝搬するように、「ホログラムで符号化」または「ホログラムに応じて変調」されると説明され得る。

【0024】

「ホログラフィック再構成」という用語は、ホログラムを照明することによって形成される対象物の光学的再構成を指すために使用される。ホログラフィック再構成は実像であり、ホログラムから空間的に分離されているので、本明細書に開示するシステムは「ホログラフィックプロジェクタ」として説明される。「再生フィールド」という用語は、ホログラフィック再構成が形成され、完全に焦点が合わされる２Ｄ領域を指すために使用される。ホログラムが画素を含む空間光変調器に表示される場合、再生フィールドは複数の回折次数の形態で繰り返され、各回折次数は０次再生フィールドの複製である。０次再生フィールドは、最も明るい再生フィールドであるため、一般に、好適または主再生フィールドに対応する。特に明記しない限り、「再生フィールド」という用語は、０次再生フィールドを指すと解釈されるべきである。「再生平面」という用語は、すべての再生フィールドを含む空間内の平面を指すために使用される。「画像」、「再生画像」、および「画像領域」という用語は、ホログラフィック再構成の光によって照明される再生フィールドの領域を指す。いくつかの実施形態では、「画像」は、「画像スポット」または便宜的にのみ「画像画素」と呼ばれ得る離散スポットを含み得る。

【0025】

「書き込み」および「アドレス指定」という用語は、各画素の変調レベルをそれぞれ決定するそれぞれの複数の制御値をＳＬＭの複数の画素に提供するプロセスを説明するために使用され得る。ＳＬＭの画素は、複数の制御値の受信に応じて光変調分布を「表示する」ように構成されていると言える。したがって、ＳＬＭはホログラムを「表示する」と言うことができ、ホログラムは光変調値またはレベルの配列と考えることができる。

【0026】

許容可能な品質のホログラフィック再構成は、元の対象物のフーリエ変換に関連する位相情報のみを含む「ホログラム」から形成できることが分かっている。そのようなホログラフィック記録は、位相限定ホログラムと呼ぶことができる。実施形態は位相限定ホログラムに関するが、本開示は振幅限定ホログラフィにも同様に適用可能である。

【0027】

本開示はまた、元の対象物のフーリエ変換に関連する振幅および位相情報を使用してホログラフィック再構成を形成することにも同様に適用可能である。いくつかの実施形態では、これは、元の対象物に関連する振幅情報および位相情報の両方を含むいわゆる完全複合ホログラムを使用した複合変調によって達成される。このようなホログラムは、ホログラムの各画素に割り当てられた値（グレーレベル）が振幅と位相の成分を有するため、完全複合ホログラムと呼ばれることがある。各画素に割り当てられた値（グレーレベル）は、振幅成分と位相成分の両方を有する複素数として表される。いくつかの実施形態では、完全複合コンピュータ生成ホログラムが計算される。

【0028】

「位相遅延」の省略形として、位相値、位相成分、位相情報、または単にコンピュータ生成ホログラムまたは空間光変調器の画素の位相を参照することができる。すなわち、記載されている位相値は、実際には、その画素によって提供される位相遅延の量を表す数値（例えば０から２πの範囲）である。例えば、π／２の位相値を有すると記載された空間光変調器の画素は、受信光の位相をπ／２ラジアン遅延させる。いくつかの実施形態では、空間光変調器の各画素は、複数の可能な変調値（例えば、位相遅延値）のうちの１つで動作可能である。「グレーレベル」という用語は、複数の利用可能な変調レベルを指すために使用されてもよい。例えば、「グレーレベル」という用語は、異なる位相レベルが異なるグレーの濃淡を提供しない場合でも、位相限定変調器で利用可能な複数の位相レベルを指すために便宜上使用される場合がある。「グレーレベル」という用語は、便宜上、複合変調器で利用可能な複数の複合変調レベルを指すためにも使用される。

【0029】

したがって、ホログラムは、階調の配列、すなわち、位相遅延値または複素変調値の配列などの光変調値の配列を含む。ホログラムは、空間光変調器に表示され、空間光変調器の画素ピッチに匹敵する、一般にそれ未満の波長を有する光で照射されたときに回折を引き起こすパターンであるため、回折パターンとも考えられる。本明細書では、ホログラムを、レンズまたは格子として機能する回折パターンなどの他の回折パターンと組み合わせることについて言及する。例えば、格子として機能する回折パターンは、再生フィールドを再生平面上で並進させるためにホログラムと組み合わされてもよく、またはレンズとして機能する回折パターンは、ホログラフィック再構成を近距離場の再生平面上に集束させるためにホログラムと組み合わされてもよい。

【0030】

異なる実施形態および実施形態の群は、以下の詳細な説明で別々に開示され得るが、任意の実施形態または実施形態の群の任意の特徴は、任意の実施形態または実施形態の群の他の任意の特徴または特徴の組み合わせと組み合わされてもよい。すなわち、本開示に開示する特徴のすべての可能な組み合わせおよび順列が想定される。

【0031】

特定の実施形態は、以下の図を参照して例としてのみ説明される。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】スクリーン上にホログラフィック再構成を生成する反射ＳＬＭを示す概略図である。

【図2A】Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムの一例の第１の反復を示す図である。

【図2B】Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムの一例の第２およびそれ以降の反復を示す図である。

【図2C】Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムの例の代替的な第２およびそれ以降の反復を示す図である。

【図3】反射ＬＣＯＳ ＳＬＭの概略図である。

【図4】導波路を含む例示的な瞳拡張器を示す図である。

【図5】実施形態による瞳拡張器を含むホログラフィック表示装置を示す図である。

【図6】さらなる実施形態による瞳拡張器を含むホログラフィック表示装置を示す図である。

【図7】実施形態による瞳拡張器の層状構造を示す図である。

【図8】さらなる実施形態による瞳拡張器の層状構造を示す図である。

【図9】また別の実施形態による瞳拡張器の層状構造を示す図である。

【図10】さらに別の実施形態による瞳拡張器の層状構造を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

同じまたは同様の部分を指すために、図面全体を通して同じ符号が使用される。

【0034】

本発明は、以下に記載される実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の全範囲に及ぶ。すなわち、本発明は、異なる形態で具体化することができ、記述された実施形態は説明の目的のために記載されたものであって、それらに限定されると解釈するべきではない。

【0035】

単数形の用語は、特に指定がない限り、複数形を含んでもよい。

【0036】

別の構造体の上側部分／下側部分または他の構造体の上／下に形成されると記述された構造体は、構造体が互いに接触する場合、さらにその間に第３の構造体が配置される場合を含むと解釈するべきである。

【0037】

時間の関係を記述する際に、例えば、事象の時間的順序が「後に」、「続いて」、「次に」、「前に」などと記述されている場合、特に指定しない限り、本開示は連続的および非連続的事象を含むと解釈されるべきである。例えば、説明は、「ちょうど」、「即時」、「直接」などの文言が使用されない限り、連続的ではないケースを含むと解釈されるべきである。

【0038】

本明細書では、「第１の」、「第２の」などの用語を使用して様々な要素を説明することができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるものではない。これらの用語は、ある要素と別の要素とを区別するためにのみ使用される。例えば、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。

【0039】

異なる実施形態の特徴は、互いに部分的にまたは全体的に結合または組み合わされてもよく、互いに様々に相互運用されてもよい。いくつかの実施形態は、互いに独立して実行されてもよく、または相互依存関係で一緒に実行されてもよい。

【0040】

光学構成
図１は、コンピュータ生成ホログラムが単一の空間光変調器で符号化される実施形態を示している。コンピュータ生成ホログラムは、再構成のための対象物のフーリエ変換である。したがって、ホログラムは対象物のフーリエ領域または周波数領域またはスペクトル領域の表現であると言える。この実施形態では、空間光変調器は、シリコン上の反射型液晶「ＬＣＯＳ」デバイスである。ホログラムは空間光変調器で符号化され、ホログラフィック再構成が再生フィールド、例えばスクリーンやディフューザなどの受光面で形成される。

【0041】

光源１１０、例えばレーザまたはレーザダイオードは、コリメートレンズ１１１を介してＳＬＭ１４０を照明するように配置される。コリメートレンズは、光の略平面状の波面をＳＬＭに入射させる。図１では、波面の方向は法線方向ではない（例えば、透明層の平面に対して真の直交から２度または３度離れている）。しかし、他の実施形態では、略平面の波面が法線入射で提供され、ビームスプリッタ配置が入力光路と出力光路を分離するために使用される。図１に示す実施形態では、光源からの光がＳＬＭの鏡面化された背面で反射され、光変調層と相互作用して出口波面１１２を形成するように配置されている。出口波面１１２は、スクリーン１２５に焦点を合わせたフーリエ変換レンズ１２０を含む光学系に適用される。より具体的には、フーリエ変換レンズ１２０は、ＳＬＭ１４０から変調光のビームを受け取り、周波数空間変換を実行して、スクリーン１２５でホログラフィック再構成を生成する。

【0042】

特に、このタイプのホログラフィでは、ホログラムの各画素が全体の再構成に寄与する。再生フィールド上の特定の点（または画像画素）と特定の光変調要素（またはホログラム画素）には１対１の相関関係はない。言い換えれば、光変調層を出る変調光は、再生フィールド全体に分配される。

【0043】

これらの実施形態では、空間におけるホログラフィック再構成の位置は、フーリエ変換レンズの屈折（集束）度数によって決定される。図１に示す実施形態では、フーリエ変換レンズは物理レンズである。すなわち、フーリエ変換レンズは光学的フーリエ変換レンズであり、フーリエ変換は光学的に実行される。どのレンズもフーリエ変換レンズとして機能できるが、レンズの性能により、実行するフーリエ変換の精度が制限される。当業者は、レンズを使用して光学的フーリエ変換を実行する方法を理解している。

【0044】

図１の実施形態は、ホログラフィック再構成または再生画像が観察領域に中継されるホログラフィックシステムの一部として使用することができる。当業者には理解されるように、他の実施形態では、ホログラフィックシステムは、中間ホログラフィック再構成を形成することなく出口波面１１２が視野領域に中継されるホログラフィックシステムで使用されてもよい。これらの実施形態では、眼のレンズがホログラムから画像への変換または変換を行うと言われることがある。

【0045】

ホログラム計算
いくつかの実施形態では、コンピュータ生成ホログラムは、正レンズのフーリエ変換特性を利用することにより遠方場で画像が再構成されるフーリエ変換ホログラム、または単にフーリエホログラムまたはフーリエベースのホログラムである。フーリエホログラムは、再生平面内の所望の光場をフーリエ変換してレンズ平面に戻すことによって計算される。コンピュータで生成されたフーリエホログラムは、フーリエ変換を使用して計算できる。

【0046】

フーリエ変換ホログラムは、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムなどのアルゴリズムを使用して計算できる。さらに、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムを使用して、空間領域（写真など）の振幅のみの情報からフーリエ領域のホログラム（すなわち、フーリエ変換ホログラム）を計算することができる。対象物に関連する位相情報は、空間領域の振幅のみの情報から効果的に「読み出され」る。いくつかの実施形態では、コンピュータ生成ホログラムは、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムまたはその変形を使用して、振幅のみの情報から計算される。

【0047】

Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、平面ＡとＢのそれぞれの光線Ｉ_Ａ（ｘ、ｙ）とＩ_Ｂ（ｘ、ｙ）の強度断面が既知であり、Ｉ_Ａ（ｘ、ｙ）とＩ_Ｂ（ｘ、ｙ）が単一のフーリエ変換によって関連付けられる場合の状況を考慮する。与えられた強度断面で、それぞれ平面ＡとＢの位相分布の近似Ψ_Ａ（ｘ、ｙ）とΨ_Ｂ（ｘ、ｙ）が見つかる。Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、反復プロセスに従ってこの問題の解を見つける。より具体的には、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、空間領域とフーリエ（スペクトルまたは周波数）領域との間で、Ｉ_Ａ（ｘ、ｙ）およびＩ_Ｂ（ｘ、ｙ）を表すデータセット（振幅と位相）を繰り返し転送しながら、空間的およびスペクトル的制約を繰り返し適用する。スペクトル領域の対応するコンピュータ生成ホログラムは、アルゴリズムの少なくとも１回の反復により取得される。このアルゴリズムは収束的であり、入力画像を表すホログラムを生成するように構成されている。ホログラムは、振幅のみのホログラム、位相のみのホログラム、または完全複合ホログラムであってもよい。

【0048】

いくつかの実施形態では、位相のみのホログラムは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、英国特許第２，４９８，１７０号明細書または第２，５０１，１１２号明細書に記載されるようなＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムに基づくアルゴリズムを使用して計算される。しかしながら、本明細書で開示される実施形態は、単なる例として位相限定ホログラムの計算を説明する。これらの実施形態では、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、既知の振幅情報Ｔ［ｘ、ｙ］を生じさせるデータセットのフーリエ変換の位相情報Ψ［ｕ、ｖ］を取り出し、ここで、振幅情報Ｔ［ｘ、ｙ］はターゲット画像（例えば写真）を表す。振幅と位相はフーリエ変換で本質的に結合されるため、変換された振幅と位相には、計算されたデータセットの精度に関する有用な情報が含まれる。したがって、アルゴリズムは、振幅情報と位相情報の両方に関するフィードバックと共に繰り返し使用することができる。しかしながら、これらの実施形態では、位相情報Ψ［ｕ、ｖ］のみがホログラムとして使用されて、画像平面でのターゲット画像のホログラフィック表示を形成する。ホログラムは、位相値のデータセット（例えば２Ｄ配列）である。

【0049】

他の実施形態では、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムに基づくアルゴリズムを使用して、完全複合ホログラムを計算する。完全複合ホログラムは、振幅成分と位相成分を有するホログラムである。ホログラムは、各複素データ値が振幅成分と位相成分を含む複素データ値の配列を含むデータセット（例えば２Ｄ配列）である。

【0050】

いくつかの実施形態では、アルゴリズムは複素データを処理し、フーリエ変換は複素フーリエ変換である。複素データは、（ｉ）実数成分と虚数成分、または（ｉｉ）振幅成分と位相成分を含むとみなすことができる。いくつかの実施形態では、複素データの２つの成分は、アルゴリズムの様々な段階で異なって処理される。

【0051】

図２Ａは、位相限定ホログラムを計算するためのいくつかの実施形態によるアルゴリズムの第１の反復を示している。アルゴリズムへの入力は、画素またはデータ値の２Ｄ配列を含む入力画像２１０であり、各画素またはデータ値は大きさまたは振幅の値である。すなわち、入力画像２１０の各画素またはデータ値は位相成分をもたない。したがって、入力画像２１０は、大きさのみ、または振幅のみ、または強度のみの分布とみなすことができる。そのような入力画像２１０の例は、写真またはフレームの時間シーケンスを含むビデオの１フレームである。アルゴリズムの第１の反復は、ランダム位相分布（またはランダム位相シード）２３０を使用して、入力画像の各画素にランダムな位相値を割り当てることを含むデータ形成ステップ２０２Ａで始まり、セットの各データ要素が振幅と位相を含む開始複素データセットを形成する。開始の複素データセットは、空間領域の入力画像を表していると言える。

【0052】

第１の処理ブロック２５０は、開始複素データセットを受け取り、複素フーリエ変換を実行して、フーリエ変換複素データセットを形成する。第２の処理ブロック２５３は、フーリエ変換された複素データセットを受け取り、ホログラム２８０Ａを出力する。いくつかの実施形態では、ホログラム２８０Ａは位相限定ホログラムである。これらの実施形態では、第２の処理ブロック２５３は、ホログラム２８０Ａを形成するために、各位相値を量子化し、各振幅値を１に設定する。各位相値は、位相限定ホログラムを「表示」するために使用される空間光変調器の画素で表され得る位相レベルに従って量子化される。例えば、空間光変調器の各画素が２５６の異なる位相レベルを提供する場合には、ホログラムの各位相値は２５６の可能な位相レベルのうちの１つの位相レベルに量子化される。ホログラム２８０Ａは、入力画像を表す位相のみのフーリエホログラムである。他の実施形態では、ホログラム２８０Ａは、受信されたフーリエ変換された複素データセットから導出された複素データ値（それぞれ振幅成分および位相成分を含む）の配列を含む完全複素ホログラムである。いくつかの実施形態では、第２の処理ブロック２５３は、各複素データ値を複数の許容可能な複素変調レベルの１つに限定して、ホログラム２８０Ａを形成する。限定するステップは、各複素データ値を複素平面内の最も近い許容可能な複素変調レベルに設定することを含んでもよい。ホログラム２８０Ａは、スペクトル領域またはフーリエ領域または周波数領域の入力画像を表していると言える。いくつかの実施形態では、アルゴリズムはこの時点で停止する。

【0053】

しかしながら、他の実施形態では、図２Ａの点線矢印で表されるようにアルゴリズムは継続する。換言すれば、図２Ａの点線矢印に続くステップは任意選択である（すなわち、すべての実施形態に必須ではない）。

【0054】

第３の処理ブロック２５６は、第２の処理ブロック２５３から修正された複素データセットを受け取り、逆フーリエ変換を実行して逆フーリエ変換された複素データセットを形成する。逆フーリエ変換された複素データセットは、空間領域の入力画像を表していると言える。

【0055】

第４の処理ブロック２５９は、逆フーリエ変換された複素データセットを受け取り、振幅値の分布２１１Ａおよび位相値の分布２１３Ａを抽出する。任意選択で、第４の処理ブロック２５９は、振幅値の分布２１１Ａを評価する。具体的には、第４の処理ブロック２５９は、逆フーリエ変換された複素データセットの振幅値の分布２１１Ａを、それ自体はもちろん振幅値の分布である入力画像２１０と比較することができる。振幅値の分布２１１Ａと入力画像２１０との差が十分に小さい場合には、第４の処理ブロック２５９は、ホログラム２８０Ａが許容可能であると判定することができる。すなわち、振幅値の分布２１１Ａと入力画像２１０との差が十分に小さい場合には、第４の処理ブロック２５９は、ホログラム２８０Ａが入力画像２１０を十分に正確に表していると判定することができる。いくつかの実施形態では、比較のために、逆フーリエ変換された複素データセットの位相値の分布２１３Ａは無視される。振幅値の分布２１１Ａと入力画像２１０とを比較するための任意の数の異なる方法を採用することができ、本開示は特定の方法に限定されないことが理解されるであろう。いくつかの実施形態では、平均二乗差が計算され、平均二乗差がしきい値未満である場合、ホログラム２８０Ａは許容可能とみなされる。第４の処理ブロック２５９が、ホログラム２８０Ａは許容可能でないと判定した場合には、アルゴリズムのさらなる反復が実行され得る。しかし、この比較ステップは必須ではなく、他の実施形態では、実行されるアルゴリズムの反復回数は、予め決定されるか、予め設定されるか、ユーザによって定義される。

【0056】

図２Ｂは、アルゴリズムの第２の反復と、アルゴリズムのさらなる反復を表す。前の反復の位相値の分布２１３Ａは、アルゴリズムの処理ブロックを通してフィードバックされる。入力画像２１０の振幅値の分布が優先され、振幅値の分布２１１Ａは拒否される。第１の反復では、データ形成ステップ２０２Ａは、入力画像２１０の振幅値の分布をランダム位相分布２３０と組み合わせることにより、第１の複素データセットを形成した。しかし、第２およびそれ以降の反復では、データ形成ステップ２０２Ｂは、（ｉ）アルゴリズムの前の反復からの位相値の分布２１３Ａを（ｉｉ）入力画像２１０の振幅値の分布と組み合わせることにより、複素データセットを形成することを含む。

【0057】

次に、図２Ｂのデータ形成ステップ２０２Ｂによって形成された複素データセットは、図２Ａを参照して説明したのと同じ方法で処理され、第２の反復ホログラム２８０Ｂを形成する。したがって、プロセスの説明はここでは繰り返されない。アルゴリズムは、第２の反復ホログラム２８０Ｂが計算されたときに停止してもよい。しかし、アルゴリズムの任意の数のさらなる反復を実行してもよい。第３の処理ブロック２５６は、第４の処理ブロック２５９が必要な場合、またはさらなる反復が必要な場合にのみ必要であることが理解されるであろう。出力ホログラム２８０Ｂは、一般に各反復で改善される。しかし、実際には、通常、測定可能な改善が見られないポイントに到達するか、または追加の処理時間のマイナス効果によって、さらに反復を実行することのプラスの利点が重くなる。したがって、アルゴリズムは反復的で収束的であると説明される。

【0058】

図２Ｃは、第２以降の反復の代替的な実施形態を表す。前の反復の位相値の分布２１３Ａは、アルゴリズムの処理ブロックを通してフィードバックされる。振幅値の分布２１１Ａは拒否され、振幅値の代替的な分布が優先される。この代替的な実施形態では、振幅値の代替的な分布は、前の反復の振幅値の分布２１１から導出される。具体的には、処理ブロック２５８は、前の反復の振幅値の分布２１１から入力画像２１０の振幅値の分布を引き、その差をゲイン係数αでスケーリングし、スケーリングされた差を入力画像２１０から減算する。これは、以下の式によって数学的に表され、下付き文字および数字は反復回数を示す。

【数1】

ここで、
Ｆ’は逆フーリエ変換であり、
Ｆは順フーリエ変換であり、
Ｒ［ｘ、ｙ］は、第３の処理ブロック２５６によって出力される複素データセットであり、
Ｔ［ｘ、ｙ］は、入力または目標画像であり、
∠は位相成分であり、
Ψは位相限定ホログラム２８０Ｂであり、
ηは振幅値２１１Ｂの新しい分布であり、
αは利得係数である。

【0059】

ゲイン係数αは固定でも可変でもよい。いくつかの実施形態では、ゲイン係数αは、入ってくるターゲット画像データのサイズとレートに基づいて決定される。いくつかの実施形態では、ゲイン係数αは反復回数に依存する。いくつかの実施形態では、ゲイン係数αは、反復回数のみの関数である。

【0060】

図２Ｃの実施形態は、他のすべての点で図２Ａおよび図２Ｂの実施形態と同じである。位相限定ホログラムΨ（ｕ、ｖ）は、周波数領域またはフーリエ領域の位相分布を含むと言える。

【0061】

いくつかの実施形態では、フーリエ変換は、空間光変調器を使用して実行される。具体的には、ホログラムデータは、光パワーを提供する第２のデータと組み合わされる。すなわち、空間光変調に書き込まれるデータは、対象物を表すホログラムデータと、レンズを表すレンズデータとを含む。空間光変調器に表示され、光で照射されると、レンズデータは物理レンズをエミュレートし、すなわち、対応する物理光学系と同じ方法で焦点に光をもたらす。したがって、レンズデータは、光学的または集束的なパワーを提供する。これらの実施形態では、図１の物理フーリエ変換レンズ１２０は省略されてもよい。レンズを表すデータを計算する方法は公知である。レンズを表すデータは、ソフトウェアレンズと呼ばれることがある。例えば、位相限定レンズは、その屈折率および空間的に変化する光路長に起因してレンズの各点によって引き起こされる位相遅延を計算することによって形成されてもよい。例えば、凸レンズの中心の光路長は、レンズの縁部の光路長よりも長くなる。振幅限定レンズは、フレネルゾーンプレートによって形成されてもよい。コンピュータ生成ホログラフィの技術分野では、物理的なフーリエレンズを必要とせずにホログラムのフーリエ変換を実行できるように、レンズを表すデータをホログラムと組み合わせる方法も知られている。いくつかの実施形態では、レンズデータは、単純なベクトル加算などの単純な加算によってホログラムと組み合わされる。いくつかの実施形態では、フーリエ変換を実行するために、物理レンズがソフトウェアレンズと共に使用される。あるいは、他の実施形態では、フーリエ変換レンズは、ホログラフィック再構成が遠方場で行われるように完全に省略される。さらなる実施形態では、ホログラムは、格子データ、すなわち画像ステアリングなどの格子の機能を実行するように構成されたデータと同じ方法で組み合わせることができる。この場合も、このようなデータをどのように計算するかは、当分野において既知である。例えば、位相限定格子は、ブレーズド格子の表面上の各点によって引き起こされる位相遅延をモデル化することによって形成することができる。振幅限定格子は、ホログラフィック再構成の角度ステアリングを提供するために、振幅限定ホログラムと単純に重ね合わせることができる。第２のデータ提供レンズおよび／またはステアリングは、画像形成機能または画像形成パターンと呼ばれる場合があるホログラムデータと区別するために、光処理機能または光処理パターンと呼ばれる場合がある。

【0062】

いくつかの実施形態では、フーリエ変換は、物理的フーリエ変換レンズとソフトウェアレンズによって一緒に実行される。すなわち、フーリエ変換に寄与するいくらかの光学的パワーはソフトウェアレンズによって提供され、フーリエ変換に寄与する残りの光学的パワーは物理光学または光学素子によって提供される。

【0063】

いくつかの実施形態では、画像データを受け取り、アルゴリズムを使用してリアルタイムでホログラムを計算するように構成されたリアルタイムエンジンが提供される。いくつかの実施形態では、画像データは一連の画像フレームを含むビデオである。他の実施形態では、ホログラムは、予め計算され、コンピュータメモリに記憶され、ＳＬＭに表示するために必要に応じて呼び出される。すなわち、いくつかの実施形態では、所定のホログラムのリポジトリが提供される。

【0064】

実施形態は、ほんの一例として、フーリエホログラフィおよびＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎタイプのアルゴリズムに関する。本開示は、同様の方法によって計算することができるフレネルホログラフィおよびフレネルホログラムに等しく適用可能である。本開示はまた、点群法に基づくものなどの他の技術によって計算されたホログラムにも適用可能である。

【0065】

光変調
空間光変調器を使用して、コンピュータ生成ホログラムを含む回折パターンを表示することができる。ホログラムが位相限定ホログラムである場合には、位相を変調する空間光変調器が必要である。ホログラムが完全複素ホログラムである場合には、位相と振幅を変調する空間光変調器を使用してもよいし、位相を変調する第１の空間光変調器と振幅を変調する第２の空間光変調器とを使用してもよい。

【0066】

本開示の態様は、ホログラフィック投影システムに限定されない。したがって、空間光変調器などの表示装置を使用して画像を表示することができる。この場合、振幅（のみ）を変調する単一の空間光変調器を使用することができる。

【0067】

いくつかの実施形態では、空間光変調器の光変調素子（すなわち画素）は、液晶を含むセルである。すなわち、いくつかの実施形態では、空間光変調器は、光学活性成分が液晶である液晶デバイスである。各液晶セルは、複数の光変調レベルを選択的に提供するように構成されている。すなわち、各液晶セルは、複数の可能な光変調レベルから選択された１つの光変調レベルで動作するように一度に構成される。各液晶セルは、複数の光変調レベルとは異なる光変調レベルに動的に再構成可能である。いくつかの実施形態では、空間光変調器は反射型液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）空間光変調器であるが、本開示はこのタイプの空間光変調器に限定されない。

【0068】

ＬＣＯＳデバイスは、小さな開口部（例えば幅が数センチメートル）内に光変調素子または画素の高密度配列を提供する。画素は通常、約１０ミクロン以下であり、数度の回折角になり、これは、光学系をコンパクトにできることを意味する。ＬＣＯＳ ＳＬＭの小さな開口部を適切に照明することは、他の液晶デバイスの大きな開口部よりも容易である。ＬＣＯＳデバイスは通常反射型であり、これは、ＬＣＯＳ ＳＬＭの画素を駆動する回路を反射面の下に埋め込むことができることを意味する。その結果、開口率が高くなる。すなわち、画素が密に詰め込まれているので、画素間にデッドスペースはほとんどない。これは、再生フィールドの光学ノイズを低減するので有利である。ＬＣＯＳ ＳＬＭはシリコンバックプレーンを使用し、これは、画素が光学的に平坦であるという利点がある。これは、位相変調デバイスにとって特に重要である。

【0069】

適切なＬＣＯＳ ＳＬＭを、図３を参照して、単なる例として以下に説明する。ＬＣＯＳデバイスは、単結晶シリコン基板３０２を使用して形成される。それは、基板の上面に配置された、ギャップ３０１ａで離間された正方形の平面アルミニウム電極３０１の２Ｄアレイを有する。電極３０１の各々は、基板３０２に埋め込まれた回路３０２ａを介してアドレス指定することができる。各電極は、それぞれの平面鏡を形成する。電極の配列上に配向層３０３が配置され、配向層３０３上に液晶層３０４が配置される。第２の配向層３０５が、例えばガラスの平面透明層３０６上に配置される。例えばＩＴＯの単一の透明電極３０７は、透明層３０６と第２の配向層３０５との間に堆積される。

【0070】

正方形電極３０１の各々は、透明電極３０７の上にある領域および介在する液晶材料と共に、しばしば画素と呼ばれる制御可能な位相変調素子３０８を画定する。有効画素面積、またはフィルファクタは、画素間のスペース３０１ａを考慮して、光学的にアクティブな画素全体の割合である。透明電極３０７に関して各電極３０１に印加される電圧を制御することにより、それぞれの位相変調素子の液晶材料の特性を変えることができ、それにより、それに入射する光に可変遅延を与えることができる。その効果は、波面に位相限定の変調を提供することであり、すなわち、振幅効果は発生しない。

【0071】

説明したＬＣＯＳ ＳＬＭは、空間変調光を反射して出力する。反射型ＬＣＯＳ ＳＬＭには、信号線、ゲート線、およびトランジスタが鏡面の下にあるという利点があり、これにより、高いフィルファクタ（通常９０％を超える）と高い解像度が得られる。反射型ＬＣＯＳ空間光変調器を使用するもう１つの利点は、透過型デバイスを使用する場合に必要な厚さの半分の厚さの液晶層を使用できることである。これにより、液晶のスイッチング速度（動いているビデオ画像を投影するための重要な利点）が大幅に向上する。しかしながら、本開示の教示は、透過性ＬＣＯＳ ＳＬＭを使用して等しく実施されてもよい。

【0072】

導波路瞳／視認窓拡張器
ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）などの投影システムでは、アイボックス領域または視認窓に対応するシステムの射出瞳を拡大することが望ましい。特に、空間光変調器などの表示装置の開口部は、システムの制限開口部である。すなわち、空間光変調器の開口部、より具体的には、光変調画素のアレイを画定する領域のサイズは、システムを出ることができる光線束のサイズ（例えば、空間的範囲）を決定する。これは通常小さい。しかしながら、観察者は、頭を動かして、アイボックス／観察距離の領域／体積内の任意の位置から完全な画像を見ることができる必要がある。これは、アイモーションボックス（ＥＭＢ）または視認窓として知られている。したがって、瞳拡張器を使用して、ＥＭＢまたは視認窓の寸法を拡大することができる。したがって、本開示によれば、システムの射出瞳は導波路瞳拡張器によって拡張されると述べられる。瞳拡張器は、受け取った瞳の大きさを拡張／増加させるとも言える。

【0073】

図４は、平面導波路を含む例示的な瞳拡張器を示す。導波路の一般的な原理は当技術分野で知られており、本明細書では詳細に説明しない。導波路は、内部反射により、一対の平行な反射面の間の層内で光を導波する。瞳拡張器は、第１の部分反射面４２０（例えば、部分反射率／透過率を有するミラー）および第２の完全反射面４１０（例えば、実質的に１００％の反射率を有するミラー）を含む導波路から形成される。第１の反射面４２０は、透過光線が導波路の長さに沿って所望の強度を有するように、距離に応じて可変の反射率を有してもよい。特に、第１の反射面４２０は、その反射率が導波路の長さに沿って減少する反射コーティングを含んでもよい。層は、ガラスまたはパースペックスであってもよい。したがって、導波路は、ガラスまたはＰｅｒｓｐｅｘブロックまたはスラブであってもよい。これは、「バルク光学」または「スラブ導波路」と呼ばれることがある。第１の反射面はガラスブロックの第１の面であってもよく、第２の反射面はガラスブロックの第２の面であってもよく、第１の面は第２の面の反対側にあり、第２の面に平行である。あるいは、層は空気であってもよく、第１および第２の反射面は別個の構成要素、例えば、光が内部反射によって伝搬するエアギャップを形成するように空間的に分離された第１および第２のミラーであってもよい。

【0074】

したがって、図４に示すように、入射光線を含む入射光ビーム４０２（これは、画像（すなわち、写真／画像の光、または単に写真）で符号化された空間変調光、または以下に説明するようにホログラムで符号化された空間変調光を含むことができる）は、その入力ポートを通って導波路に入る。導波路は、入力ポートで受信された光を、視認窓に出力するために出力ポートまたは観察面に導くように配置される。図示する配置では、入力ポートは、導波路の一端付近の第１の部分反射面４２０にギャップを含むが、入力ポートの他の位置も可能である。視認窓は、観察者が本明細書に記載の画像を見ることができる領域またはボリュームである。入射光ビーム４０２の入射角は、光線が第１の部分反射面４２０および第２の完全反射面４１０による内部反射により導波路の長さに沿って伝搬するようなものである。例示的な光線を図４に示す。第１の反射面４２０の段階的反射率により、ある割合の光が第１の反射面４２０を透過して、導波路の長さに沿って複数の出力光線４０４ａ～ｆを提供する。したがって、第１の反射面４２０は、出力ポートまたは観察面を形成する。瞳（または視認窓）は、導波路の長さに沿って複数の出力光線４０４ａ～４０４ｆによって拡大され、その結果、視認窓のサイズが大きくなると言える。各光線４０４ａ～ｆは、入射光ビーム４０２の振幅（強度または輝度）の割合に対応する。傾斜コーティングは、各出力光線４０４ａ～ｆが実質的に同じ振幅を有するように、導波路の長さに沿って第１の反射面４２０の反射率の減少（または逆に透過率の増加）をもたらすことが望ましい。したがって、第１の反射面４２０から見ている距離にあるアイボックスの観察者４３０は、矢印４４０で示すように、拡張視認窓内の任意の位置で画像を見ることができる。

【0075】

光線４０４ａ～ｆは、一般に「レプリカ」と呼ばれることがある。「レプリカ」という用語は、一般に、入力光の伝搬（および振幅の分割）の結果として拡張された射出瞳上で瞳拡張器によって出力される光線を指すと理解されてもよく、「複製」という用語は対応する意味を有する。より詳細には、「レプリカ」という用語は、光が導波路内を伝搬するときに分割され、異なる光路に沿って出力に向けられることを反射するために本明細書で使用されるにすぎない。ホログラムで符号化された空間変調光の場合、空間変調光は、複素光場が複数の異なる光路に沿って導かれるように分割される。「レプリカ」という用語は、瞳拡張器による部分反射透過などの複製事象後の複素光照射野の各出現またはインスタンスを指すために使用される。各レプリカは、異なる光路に沿って移動する。本開示のいくつかの実施形態は、画像ではなくホログラムで符号化された光、すなわち、画像自体ではなく画像のホログラムで空間変調光の伝搬に関する。ホログラフィの当業者は、ホログラムで符号化された光の伝搬に関連する複雑な光場が伝搬距離と共に変化することを理解するであろう。本明細書における「レプリカ」という用語の使用は、伝搬距離とは無関係であり、そのため、複製事象に関連する光の２つの分岐または経路は、分岐が異なる長さであり、複雑な光照射野が各経路に沿って異なるように進化した場合でも、互いの「レプリカ」と依然として呼ばれる。すなわち、２つの複雑な光照射野は、同じ複製事象または一連の複製事象から生じたものであれば、たとえそれらが異なる伝搬距離に関連付けられていても、本開示によれば依然として「レプリカ」とみなされる。

【0076】

図４に示す導波路は、矢印４４０で示すように、光ビームが導波路内を伝搬する長手方向に対応する１次元で視認窓を拡張する。当業者には理解されるように、２つの直交する導波路を使用することにより、必要に応じて２次元に視認窓を拡大することが可能である。

【0077】

本明細書に開示する例示的な実施態様は、上述のように瞳拡張器として導波路を使用するホログラフィック表示装置および方法を含む。しかしながら、本開示は、ホログラフィックディスプレイに限定されない。したがって、他の例示的な実施態様は、上述のような導波路瞳拡張器を使用する画像表示装置および方法を含む。

【0078】

第１の実施形態
図５は、本開示の第１の例示的な実施形態による導波路瞳拡張器を含むホログラフィック表示システムを示す。

【0079】

ホログラフィックシステムは、画像を形成するように配置された表示装置を含む。図示する配置では、表示装置は、２つの単一のカラー画像を形成するように配置されている。図５を参照すると、第１の単色／表示チャネル（例えば、赤色チャネル）は、第１の光源５１０と、第１のコリメートレンズ５１２と、第１の波長の光で空間光変調器（ＳＬＭ）５４０を照明するように配置された第１のダイクロイックミラー５１４と、を含む。第２の単色／表示チャネル（例えば、緑色チャネル）は、第２の光源５２０と、第２のコリメートレンズ５２２と、第２の波長の光でＳＬＭ５４０を照明するように配置された第２のミラー５２４と、を含む。

【0080】

ホログラフィックシステムは、本明細書に記載のシステムを制御するように配置されたホログラフィックコントローラ５０２をさらに含む。第１の単色画像（例えば、赤色画像）の第１の単色コンピュータ生成ホログラムは、ホログラフィックコントローラ５０２によって計算され、例えばディスプレイドライバ５４２によってＳＬＭ５４０に符号化される。ＳＬＭ５４０は、第１のホログラムを表示し、第１のホログラムによって符号化された第１の色の第１の空間変調光を出力するように、第１の色／表示チャネルからの第１の色の光によって照明される。同様に、第２の単色画像（例えば、緑色画像）の第２の単色コンピュータ生成ホログラムは、ホログラフィックコントローラ５０２によって計算され、ＳＬＭ５４０に符号化される。ＳＬＭ５４０は、第２のホログラムを表示し、第２のホログラムによって符号化された第２の色の第２の空間変調光を出力するように、第２の色／表示チャネルからの第２の色の光によって照明される。

【0081】

ホログラフィックシステムは、ＳＬＭ５４０への入射光とＳＬＭ５４０からの出射光とを分離するように配置されたビームスプリッタキューブ５３０をさらに含む。図５の実施形態では、ホログラフィック表示システムは直視構成で配置されている。図示する配置では、レンズ５５０は、ＳＬＭ５４０によって出力された空間変調光の光路に配置されている。レンズ５５０は任意である。観察者５０８は、ＳＬＭ５４０からのホログラムに従って空間変調光を直接見ることができる。いくつかの実施形態では、上述のように、観察者の眼のレンズは、眼の網膜上にホログラフィック再構成を形成する。したがって、表示装置は、眼の網膜に対応する画像面に画像を形成すると言える。これらの実施形態では、観察者はホログラムで符号化された空間変調光を受け取ると言える。言い換えれば、観察者は、画像自体ではなく、画像のホログラムで符号化された光を受け取る。導波路５９０は、本明細書に記載の第１および第２の反射面によって分離された光学的に透明な媒体を含む。したがって、ホログラフィック表示装置は、観察者が表示装置／ＳＬＭを直接見る「直視」構成を有する。

【0082】

第２の実施形態
図６は、本開示の第２の例示的な実施形態による、導波路瞳拡張器を形成する導波路を含むホログラフィック表示システムを示す。

【0083】

図６に示すホログラフィックシステムは、図５のホログラフィックシステムと同様であり、同様に、２つの単一のカラー画像を形成するように配置されている。したがって、第１の単色チャネル（「第１の表示チャネル」とも呼ばれる）は、第１の光源６１０と、第１のコリメートレンズ６１２と、第１のダイクロイックミラー６１４と、を含む。第１のダイクロイックミラー６１４は、空間光変調器（ＳＬＭ）６４０を照明するように、共通光路に沿って第１の波長の光を反射するように配置されている。光の第１の波長は、第１の色（例えば、赤色）の第１の表示チャネルに対応する。第２の単色チャネル（「第２の表示チャネル」とも呼ばれる）は、第２の光源６２０と、第２のコリメートレンズ６２２と、第２のミラー６２４と、を含む。第２のミラー６２４は、ＳＬＭ６４０を照明するように共通光路に沿って第２の波長の光を反射するように配置されている。第２の光の波長は、第２の色（例えば、緑色）の第２の単色チャネルに対応する。図示の実施形態では、ＳＬＭ６４０は、第１および第２の波長の両方の光によって照射される光変調画素（例えばＬＣＯＳ）の単一アレイを含む。他の実施形態では、ＳＬＭ６４０は、それぞれの第１および第２の波長の光によって照射される光変調画素の別個のアレイを含んでもよい。

【0084】

ホログラフィックシステムは、本明細書に記載のシステムを制御するように配置されたホログラフィックコントローラ６０２をさらに含む。第１の単色コンピュータ生成ホログラムは、ホログラフィックコントローラ６０２によって計算され、例えばディスプレイドライバ６４２によってＳＬＭ６４０に符号化される。ＳＬＭ６４０は、第１のホログラムを表示し、空間変調光を出力し、再生平面に配置された受光面６７０上に第１のホログラフィック再構成を形成するように、第１の色／表示チャネルからの第１の色の光によって照明される。第１の色の第１の空間変調光は、ＳＬＭ６４０によって出力されて、スクリーンまたはディフューザなどの受光面６７０上に第１の単色画像（例えば、赤色画像）を形成する。同様に、第２の単色コンピュータ生成ホログラムは、ホログラフィックコントローラ６０２によってＳＬＭ６４０に符号化される。ＳＬＭ６４０は、第２のホログラムを表示し、空間変調光を出力し、再生平面で受光面上に第２のホログラフィック再構成を形成するように、第２の色／表示チャネルからの第２の色の光によって照明される。第２の色の第２の空間変調光は、ＳＬＭ６４０によって出力されて、受光面６７０上に第２の単色画像（例えば、緑色画像）を形成する。

【0085】

図示の構成では、ビームスプリッタキューブ６３０は、ＳＬＭ６４０への入射光とＳＬＭ６４０によって出力される空間変調光とを分離するように配置されている。受光面６７０への出力空間変調光の光路上には、フーリエレンズ６５０およびミラー６６０が設けられている。受光面６７０には、第１／第２の画像が形成されていると言える。第１／第２の画像は、それぞれの第１／第２のホログラムの第１／第２のホログラフィック再構成である。したがって、第１および第２の単色画像を組み合わせた合成カラー画像を受光面６７０上に形成することができる。投影レンズ６８０は、受光面６７２上に形成された第１および第２の画像を導波路６９０の形態の瞳拡張器の入力ポートに投影するように配置されている。観察者６０８は、投影レンズ６８０の屈折力により導波路６９０によって形成された拡張アイボックス「視認窓」からの画像の拡大画像を見ることができる。導波路６９０は、図４を参照して上述したように、第１および第２の反射面によって分離された光学的に透明な媒体を含む。したがって、ホログラフィック表示デバイスは、「間接ビュー」構成を有し、すなわち、観察者は、表示装置／ＳＬＭを直接見るのではなく、受光面６７０上に形成された画像を見る。

【0086】

ホログラフィックシステムは、視線追跡カメラ６０６および視線追跡コントローラ６０４を含む観察者追跡システム（または視線追跡システム）をさらに含む。当技術分野で知られているように、視線追跡カメラは、眼の位置、したがって視認窓内の観察位置を追跡するために、観察者の眼の画像を取り込むように配置される。視線追跡コントローラ６０４は、現在の視野位置を示すフィードバックをホログラフィックコントローラ６０２に提供する。

【0087】

観察者追跡システムからのフィードバック入力だけでなく、ホログラフィックコントローラ６０２は、当技術分野で知られているように、コンピュータ生成ホログラムの生成に使用するための他の外部および内部入力６００を受信することができる。そのような入力は、ホログラフィック表示装置による表示のための画像コンテンツを決定することができる。

【0088】

図５および図６のそれぞれの実施形態に従って示されるホログラフィックシステムでは、表示装置は、単なる例として、第１の単色ホログラムを表示するように配置された第１の色（例えば、赤色）表示チャネルと、第２の単色ホログラムを表示するように配置された第２の色（例えば、緑色）表示チャネルと、を含む。他の例示的な実施態様では、それぞれの単色ホログラムを表示するように構成された３つ以上の表示チャネルが提供されてもよい。例えば、フルカラー合成画像／画像は、それぞれの赤、緑、および青の単色ホログラムを表示することによって形成することができる。他の例示的な実施態様では、単一の表示チャネルのみが提供される。

【0089】

完全性が改善された導波路瞳拡張器
上述したように、空間光変調器などの表示装置を含むシステム（例えば、投影システム）は、視認窓を１つまたは複数の次元に拡張するための１つまたは複数の瞳拡張器を含む。瞳拡張器は、典型的には、図４を参照して上述したように平面平行（主要）反射面を含むバルク光学導波路として実装される。しかしながら、実際には、この種の導波路瞳拡張器は、比較的大きな部品（例えば、最大２つの寸法／主面の寸法はそれぞれ数百ミリメートルである）であり、ガラスなどの光学的に透明な固体材料から形成される。したがって、システムが車両内のヘッドアップディスプレイなどの特定の用途で使用される場合、導波路瞳拡張器は、車両衝突などの衝撃の場合に破損する危険性がある。導波路内のガラスの破損は、瞳拡張器の構造的完全性を損なう可能性がある。例えば、そのような破損ガラスは、望ましくないことに、損傷を引き起こす可能性がある含有されていない大きなガラス破片の生成につながる可能性がある。さらに、導波路のガラスが飛散しても、破片を放出することなく、飛散したガラスは瞳拡張器の機能的完全性を損なう可能性がある。例えば、ガラス内の亀裂は、導波路を通る光の伝搬方向を変化させ、望ましくない反射および散乱をもたらす可能性がある。これは、画質を低下させるだけでなく、観察者に向かってレーザ光を散乱させる可能性があり、危険な場合がある。

【0090】

したがって、本開示の実施形態は、ガラスなどの壊れやすい光学的に透明な（固体の）材料を含むバルク光導波路の改善された完全性を提供する。

【0091】

層状ガラス構造
本開示の第１の態様による導波路瞳拡張器の構造は、本明細書では「層状ガラス構造」と呼ばれるガラスなどの壊れやすい光学的に透明な（固体）材料を含む様々な異なる層状形態をとることができる。例は、図７～図１０を参照して以下に説明される。

【0092】

図７は、第１の例の層状ガラス構造を含む導波路瞳拡張器７００の概略断面図を示す。導波路７００は、図４を参照して上述したように全体的に配置された第１および第２の反射主面７２０、７１０を含む。特に、導波路は、第１の部分反射面７２０に平行に配置され、かつ第１の部分反射面７２０から空間的に分離された、第１の実質的に平坦な部分反射面７２０（例えば、部分的な反射率／透過率を有する）および第２の実質的に平坦な完全反射面７１０（例えば、実質的に１００％の反射率を有する）を含む。第１の例によれば、導波路７００は、ポリマーベース層７４０と積層された、またはポリマーベース層７４０に積層されたガラス層７３０を含む層状ガラス構造を含む。一例では、ポリマーベース層７４０は、例えばポリマー／ベースのルーバーまたはメッシュとして形成された、複数の平行なポリマーベースのラインまたはスラットを含む。別の例では、ポリマーベース層は、円形ポラライザなどのポリマーベースのポラライザを含んでもよい。図示する例では、ポリマーベース層は、第２の部分反射／部分透過面７２０に積層されている。

【0093】

ポリマーベース層７４０をガラス（例えばフロートガラス）層７３０と積層することは、２つの機能を果たす。第１に、ポリマーは、ガラス層７３０が砕けた場合に導波路７００の（構造的）完全性を維持するのに役立つ。第２に、ポリマーベース層７４０のルーバー／ポラライザ配置は、望ましくないグレアを緩和するように機能する。特に、参照により本明細書に組み込まれる英国特許出願公開第ＧＢ２０１６６１６．１号明細書に記載されているように、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）で使用される場合、ホログラフィック投影システムにおける導波路瞳拡張器の視認窓におけるグレアを低減するために、円形ポラライザを導波路の部分反射面に隣接して配置することができる。したがって、ポリマーベースの円形ポラライザを使用することにより、本明細書に記載されるように、グレアを低減すると同時に導波路７００の完全性を維持することが可能である。

【0094】

図８は、第２の例の層状ガラス構造を含む導波路瞳拡張器８００の概略断面図を示す。第１の例と同様に、導波路８００は、光を伝搬するためにそれらの間に光学的に透明な材料と平行に配置された第１および第２の反射主面８２０、８１０を含む。第２の例によれば、光学的に透明な材料は、１つまたは複数のガラス層８３０および樹脂層８４０を含む層状ガラス構造を含む。図示する配置では、層状ガラス構造は、第１のガラス層８３０Ａと第２のガラス層８３０Ｂとの間に挟まれた樹脂層８４０を含む。第１および第２のガラス層８３０Ａ、８３０Ｂは低複屈折であってもよく、樹脂層８４０は屈折率整合樹脂材料を含んでもよい。

【0095】

樹脂層８４０は、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）樹脂中間層を含んでもよい。ＰＶＢは、ガラス材料と容易に屈折率が一致し、比較的自由に流動することができるため、特に好適である。また、層構造はプレスで形成してもよい。

【0096】

樹脂層７４０をガラス層７３０と積層することは、ガラス層７３０が砕けた場合に導波路７００の構造的完全性を維持するのに役立つ。特に、樹脂は、ガラス層７３０に必要な平行度（外面間）を提供するように選択される。さらに、樹脂層の屈折率整合は、導波路７７０の機能的完全性を維持するのを助けることができ、その結果、ガラスのいかなる破損もそこを通る光の伝搬に悪影響を及ぼさない。

【0097】

当業者には理解されるように、図８の第２の例は、導波路の反射面間の光学的に透明な材料内のガラスに１つまたは複数の中間層を追加する。しかしながら、他の形態の層状ガラス構造も可能である。

【0098】

図９は、第３の例の層状ガラス構造を含む導波路瞳拡張器９００の断面を示す。第１および第２の例と同様に、導波路９００は、光を伝搬するためにそれらの間に光学的に透明な材料と平行に配置された第１および第２の反射主面９２０、９１０を含む。第３の例によれば、第１および第２の反射面９２０、９１０の間の光学的に透明な材料は、強化ガラスを含む層状ガラス構造を含む。特に、光学的に透明な材料は、圧縮歪み下で一対の外側ガラス領域または層９３０、９５０の間に配置された引張歪み下で内側ガラス領域または層９４０を形成するように強化されたガラスを含む。

【0099】

光学的に透明な材料を形成するガラスを焼き戻し（Tempering）することは、衝撃時の実質的な破損を防止または緩和し、飛散を低減するように、ガラスを強化するように機能する。当業者には理解されるように、第３の例による強化ガラスの使用は、他の例のうちの１つまたは複数と組み合わせて実施することができる。

【0100】

図１０は、第４の例の層状ガラス構造を含む導波路瞳拡張器１０００の断面を示す。先の例と同様に、導波路１０００は、光を伝搬するためにそれらの間に光学的に透明な材料と平行に配置された第１および第２の反射主面１０２０、１０１０を含む。しかしながら、先の例とは異なり、光学的に透明な材料はエアギャップ１０３０を（主に）含む。この例では、第１および第２の反射面１０２０、１０１０は、それぞれがその上に１つまたは複数の反射コーティングを有する比較的薄い光学的に透明な基板（例えば、ガラス）の形態を成すミラーを含む。この例では、ポリマーベース層、樹脂層および／または強化ガラス層などの別の材料の１つまたは複数の追加の層１０４０Ａ、１０４０Ｂが、エアギャップ１０３０と第１および第２の反射面１０２０、１０１０の一方または両方との間に設けられる。

【0101】

本明細書に記載のバルク光学導波路の使用は、瞳拡張器として効果的に機能し得ることが分かる。第１の態様の上記の例によれば、本開示は、内部のガラスが破損した場合に導波路の完全性を維持するように適合、構成、または配置された導波路瞳拡張器の層状ガラス構造を提案する。これは、ガラスへの損傷の量に依存する特定のシナリオにおいて、安全性の向上ならびに機能性の維持につながる。

【0102】

投影システムにおける実施態様
当業者には理解されるように、図８～図１０を参照して上述した例による層状ガラス構造の層は、従来のガラスまたはエアキャビティと比較して、入力ポートと射出瞳／視認窓との間の導波路の層状構造を通って導かれる光の光路の複屈折を変更することができる。したがって、本開示によるシステム（すなわち、導波路瞳拡張器が実装されている）は、導波路の長さに沿った異なる位置における任意のそのような複屈折およびその効果を考慮するように適合される必要がある。したがって、例えば、図５または図６に示すようなホログラフィック投影システムは、観察者追跡システムを使用して観察者の眼の位置を決定し、ＳＬＭに表示される回折パターンを調整して、光の伝搬（例えば、層状構造の異なる伝搬距離／より多くの層を介して）による波面誤差を補償することができる。

【0103】

いくつかの実施形態では、投影システムの視線追跡システムを利用して、衝突および／または衝突の危険な影響などの障害事象を検出し、安全対策を講じるためにシステムコントローラにフィードバックを提供することができる。例えば、図５および図６を参照して説明した視線追跡システムは、赤外線（ＩＲ）光源を使用して、観察者（例えば、運転者）の顔のパルス照明を提供することができる。ＩＲおよび可視光の両方を検出することができるカメラは、アイトラッキングのためだけでなく、可視光を検出するためにも使用され得る。ＩＲパルスの間の期間では、導波路によって散乱された、またはガラスの破損に起因して散乱された、または衝突の結果として観察者の顔に向けられた可視光が、カメラによって検出され得る。パルスＩＲの期間では、カメラを使用して、衝突の結果として運転者の顔に向けられ、安全上の危険をもたらすレーザ（ＩＲ）光を検出することができる。このような安全上の危険を検出する場合、視線追跡システムは、ホログラフィックコントローラにフィードバック信号を提供することができる。システムコントローラは、例えば、関連するレーザへの駆動信号を低減すること、または関連するレーザをオフにすることなどによって、フィードバック信号に応答することができる。

【0104】

他の安全性の特徴
本明細書に記載のシステムでは、他の安全機構が使用されてもよい。

【0105】

例えば、導波路キャビティ内の異なる透明光学材料に関連する特定の複屈折にシステムを適合させるための上述の技術は、透明プラスチック導波路と共に使用することもできる。製造を容易にするために、透明プラスチック導波路を射出成形することができる。プラスチック材料は、衝撃時の飛散または他の損傷のリスクが低くなるように選択することができる。例えば、透明な光学材料は、ＴＩＲ光学系（例えば軟質ポリマー）に適した透明なポリカーボネートまたはシリコングレードの材料を含むことができる。

【0106】

他の例示的な安全機能は、安全エアバッグと同様に、衝突の検出時に放出される膨張発泡体、任意選択的に黒色充填材を使用することを含むことができる。発泡体は、砕かれた部分の放出を防止し、導波路の平行性および構造的完全性を維持するのをさらに助けることができる。さらに、黒色充填材の使用は、迷光／散乱光を吸収し、それによってそれが観察者の目に到達するのを防ぐことができる。さらなる例によれば、導波路（および任意選択的に他の壊れやすい光学部品）を（透明な）流体に浸漬することができ、高屈折率（透明な）液体を導波路とカバーガラス（例えば湾曲したカバー）との間に使用することができ、または光学的に透明な接着剤（ＯＣＡ）を製造の終わりに導波路の周りにポンピングして保護コーティングを形成することができる。これらのさらなる例の各々において、導波路のガラスは、破砕された部分の放出を防止し、導波路の平行性および構造的完全性を維持するのをさらに助けるために、衝突衝撃からの衝撃を保護および／または抑制することができる。

【0107】

システムは、ガラス破損による散乱光（例えば、レーザ光）を監視し、その位置を検出するように配置された１つまたは複数の光検出器をさらに含むことができる。そのような散乱光は、観察者の目に安全上の危険をもたらす可能性がある。光検出器は、そこから散乱光を直接検出するために導波路瞳拡張器に関連付けられてもよく、または飛散ガラスに起因する車両のフロントガラスなどの他の反射面からの他の散乱光を検出するように配置されてもよい。そのような光検出システムは、安全性を維持するために（例えば、レーザ光源をオフにすることによって）、閉ループフィードバックシステムの一部として光検出信号をシステムコントローラに提供することができる。

【0108】

導波路瞳拡張器は、外面を比較的大きくて安定した対象物、例えば車両内の大きな金属部品に取り付けることができるように適合または構成することができる。特に、第２の完全反射層に対応する外面は、衝突の衝撃を吸収し、飛散のリスクを低減することができる安定した部品に取り付けることができる。導波路を金属の部品に取り付けることは、熱安定性を改善するという追加の利点を有する。さらに、完全反射層は、例えば、金属部品の平面上に完全反射コーティングを設けることによって、それが取り付けられるそのような平面金属部品内に一体化されてもよく、したがって、これは導波路の一部として機能する。（投影システムの）他の光学部品は、発泡体または低屈折率材料を使用して（金属部品に）取り付けられてもよい。

【0109】

当業者には理解されるように、上述したように、層状ガラス構造を有する導波路瞳拡張器を含むシステムにおいて上記の他の安全機能を実装することによって、本開示の教示を組み合わせることが可能である。

【0110】

追加の特徴
実施形態は、単なる例として、電気的に活性化されるＬＣＯＳ空間光変調器を指す。本開示の教示は、例えば、任意の電気的に作動されるＳＬＭ、光学的に作動されるＳＬＭ、デジタルマイクロミラーデバイスまたは微小電気機械デバイスなど、本開示によるコンピュータ生成ホログラムを表示することができる任意の空間光変調器で等しく実施することができる。

【0111】

いくつかの実施形態では、光源はレーザダイオードなどのレーザである。いくつかの実施形態では、検出器は、フォトダイオードなどの光検出器である。いくつかの実施形態では、受光面は、ディフューザなどのディフューザ面またはスクリーンである。本開示のホログラフィック投影システムは、改善されたヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）またはヘッドマウントディスプレイを提供するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、ＨＵＤを提供するために車両に設置されたホログラフィック投影システムを含む車両が提供される。車両は、自動車、トラック、バン、トラック、オートバイ、電車、飛行機、ボート、または船などの自動車であってもよい。

【0112】

ホログラフィック再構成の品質は、画素化空間光変調器を使用する回折性の結果である、いわゆる０次問題によって影響を受ける可能性がある。このようなゼロ次光は「ノイズ」とみなすことができ、例えば鏡面反射光やＳＬＭからのその他の不要な光が含まれる。

【0113】

フーリエホログラフィの例では、この「ノイズ」はフーリエレンズの焦点に集束され、ホログラフィック再構成の中心に明るいスポットをもたらす。ゼロ次光は単純にブロックされるが、これは明るいスポットを暗いスポットに置き換えることを意味する。いくつかの実施形態は、ゼロ次の平行光線のみを除去するための角度選択フィルタを含む。実施形態は、欧州特許第２，０３０，０７２号に記載されているゼロ次を管理する方法も含み、上記特許は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

【0114】

実施形態では、１次再生フィールドのみが利用され、システムは、システムを通る高次再生フィールドの伝搬を制限するように配置されたバッフルなどの物理ブロックを含む。

【0115】

上述の実施形態では、ホログラフィック再構成は複合カラー画像である。いくつかの実施形態では、空間的に分離された色「ＳＳＣ」として知られる手法を使用して、カラーホログラフィック再構成を提供する。他の実施形態では、フレームシーケンシャルカラー「ＦＳＣ」として知られる手法が使用される。

【0116】

ＳＳＣの方法は、３つの単色ホログラムに対して３つの空間的に分離された光変調画素のアレイを使用する。ＳＳＣ法の利点は、３つすべてのホログラフィック再構成が同時に形成され得るため、画像が非常に明るくなり得ることである。しかしながら、空間の制限により、光変調画素の３つの空間的に分離されたアレイが共通のＳＬＭに提供される場合、利用可能な光変調画素のサブセットのみが各色に使用されるため、各単色画像の品質は最適ではない。したがって、比較的低解像度のカラー画像が提供される。

【0117】

ＦＳＣの方法は、共通の空間光変調器のすべての画素を使用して、３つの単色ホログラムを順に表示することができる。単色再構成は、人間の観察者が３つの単色画像の統合から多色画像を知覚するのに十分な速さで循環される（例えば、赤、緑、青、赤、緑、青など）。ＦＳＣの利点は、ＳＬＭ全体が各色に使用されることである。これは、ＳＬＭのすべての画素が各カラー画像に使用されるため、生成される３つのカラー画像の品質が最適であることを意味する。しかしながら、ＦＳＣ法の欠点は、各単色照明事象はフレーム時間の１／３しか発生し得ないため、合成カラー画像の輝度がＳＳＣ法よりも約３倍低いことである。この欠点は、レーザをオーバードライブすることによって、またはより強力なレーザを使用することによって対処できる可能性があるが、これはより多くの電力を必要とし、その結果、コストが高くなり、システムのサイズが大きくなる。

【0118】

本明細書で説明される方法およびプロセスは、コンピュータ可読媒体で実施されてもよい。「コンピュータ可読媒体」という用語は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、バッファメモリ、フラッシュメモリ、およびキャッシュメモリなど、データを一時的または恒久的に保存するように構成された媒体を含む。「コンピュータ可読媒体」という用語は、任意の媒体、または複数の媒体の組み合わせを含むものと解釈すべきであり、それは、命令が、１つまたは複数のプロセッサによって実行されると、機械に、本明細書に記載した方法論の任意の１つまたは複数を全体的または部分的に実行させるように、機械で実行するための命令を格納することができる。

【0119】

「コンピュータ可読媒体」という用語には、クラウドベースのストレージシステムも含まれる。「コンピュータ可読媒体」という用語は、固体メモリチップ、光ディスク、磁気ディスク、またはその適切な組み合わせの例示的な形態の１つまたは複数の有形かつ非一時的なデータリポジトリ（例えば、データボリューム）を含むが、これらに限定されない。いくつかの例示的な実施形態では、実行のための命令は、キャリア媒体によって通信されてもよい。そのようなキャリア媒体の例には、一時的な媒体（例えば、命令を伝達する伝搬信号）が含まれる。

【0120】

添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内のすべての修正および変形を包含する。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】