JP2022516730A - Ａｒ、ｈｍｄ、およびｈｕｄ用途向けの光導波路における不均一な副瞳リフレクタおよび方法 - Google Patents

Ａｒ、ｈｍｄ、およびｈｕｄ用途向けの光導波路における不均一な副瞳リフレクタおよび方法 Download PDF

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Abstract

パターン成長モデルに基づく方法を利用して、拡張現実（ＡＲ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、および／またはヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）用途向けの、光コンバイナ（１００、２００、３００、４００、６００、７００、および８００）または他の構成要素における反射ドット（１０８）のパターンが決定される。成長パターンで配置された反射ドット（１０８）を含む、光コンバイナ（１００、２００、３００、４００、６００、７００、および８００）が提供される。【選択図】図１

Description

本特許文献の開示の一部分は、著作権保護の対象である資料を含む。著作権保有者は、特許商標局の特許ファイルまたは記録に見られるような、特許文献または特許開示のファクシミリ複製を誰が行っても異議を唱えないが、それ以外はいかなる場合でも全ての著作権を保有する。
関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年１月９日付けの「ＡＲ、ＨＭＤ、およびＨＵＤ用途向けの光導波路における不均一な副瞳リフレクタおよび方法（Ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｍ ｓｕｂ－ｐｕｐｉｌ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｆｏｒ ＡＲ， ＨＭＤ ａｎｄ ＨＵＤ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」という名称の、米国仮出願第６２／７９０，４５８号の利益を主張する。上記に特定した特許出願の全内容を、完全に記載されるものとして本明細書に参照により組み込む。
実施形態は光学装置および方法に関する。より詳細には、ただし排他的にではないが、実施形態は、拡張現実画像および／または反射ドットを組み込んだ仮想現実光学構成要素に関する。それに加えてまたはその代わりに、実施形態は、反射ドットを含む光導波路に関する。それに加えてまたはその代わりに、実施形態は、拡張現実（ＡＲ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ならびに／あるいはヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）用途のための光導波路または他の構成要素における、反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つもしくは組み合わせを決定する方法に関する。
光導波路は、多くの拡張現実ディスプレイまたは仮想現実システムにおける基本的構成要素である。
回折技術に依存する既存のシステムでは、光およびイメージの３０％がディスプレイから着用者とは反対方向に回折され、部分反射システムは最大で２０％反射することができる。不要な光およびイメージがディスプレイの反対側から着用者に向けられることを防ぐ、例えば、夜間運用の間は必要な迷光が最小限に抑えられるべきである軍用用途、または着用者の目および顔の表情の視認性が外部に結合されたコンピュータ生成のイメージによって妨げられる一般の拡張現実用途では、改善された光導波路を提供することが必要とされている。
本出願は、ＭＴＦが人間の目に対して最適であることができ、回折効果を実質的に低減することができるように、光導波路における各反射ドットの分布および形状を最適化するために必要とされる分析および技術に対処する。
反射ドットを含む上述の光導波路の非限定例が、「光コンバイナ装置（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）」という名称の２０１６年７月８日付けの米国特許出願第１５／２０６，１１１号であって２０１８年１月１１日に公開された米国出願公開ＵＳ－２０１８－００１１３２２－Ａ１に記載されており、本明細書に完全に記載されるものとしてその全内容を参照により組み込む。
第１の態様によれば、光コンバイナが提供される。光コンバイナは、光透過性基板と、光透過性基板に含まれ、基板の波伝播軸に沿って配設されるパターン化領域とを備えてもよい。パターン化領域は、部分的に光反射性であり部分的に光透過性であってもよい。パターン化領域は、光透過性基板の複数の光透過領域と、光透過性基板の波伝播軸に対して傾斜した複数の光反射領域とを備えてもよい。
部分的に光反射性であり部分的に光透過性であるパターン化領域を、光学基板に含めることによって、製造がより簡単であってより良好な性能を有する、改善された光コンバイナが提供される。
別の態様によれば、拡張現実光コンバイナが提供される。光コンバイナは、光画像を受信し、離れた実世界シーン、および受信した光画像を反射する透明光導波路内に配置された複数の反射要素を通して見る、透明光導波路基板を備えてもよい。複数の反射要素は、光コンバイナが使用中のとき、受信した光画像が反射され、実世界シーンの視界に重畳されて、遠くの実世界シーンを見ると同時に実世界シーンに重畳された光画像を見ることが可能になるように、配置されてもよい。
更に別の態様によれば、拡張現実光学装置が提供される。拡張現実光学装置は、ヘッドマウントディスプレイと、ヘッドマウントディスプレイ上で支持される上述の光コンバイナのうち少なくとも１つとを備えてもよい。
更に他の態様によれば、光線を結合する方法が提供される。一態様では、光線を結合する方法は、第１の光画像光線（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ｒａｙ）を、光学透明導波路基板の長さに沿って、前記光透過性基板のパターン領域に向かって伝播することと、光導波路基板の幅を通して第２の光画像光線を伝送することと、前記光学基板から前記第１の光画像光線を、前記基板に沿った異なる地点で前記パターン領域の反射領域から選択的に反射することと、を含み、前記反射した第１の光画像光線は、前記光透過性基板から伝送された前記第２の光画像光線に重畳する。
第１の光画像光線はコンピュータ生成光線であってもよい。第２の光画像光線は遠くの実世界シーンからのものであってもよい。パターン領域は上述したようなパターン領域であってもよい。
いくつかの実施形態によれば、光コンバイナは、複数の光画像光線を備える光画像を受信し、遠くの実世界シーンを通して見る、透明光導波路基板を備えてもよく、前記透明光導波路基板は、前記遠くの実世界シーンの光線を受信する後面と、前記後面と対向する、前記遠くの実世界シーンの前記光線が前記透明光導波路基板から出ることを可能にする前面と、前記光画像を受信する光画像受信端または側と、前記透明光導波路基板の体積に沿って前記光画像受信側または端から延在する光伝播軸とを有する、多量の光透過性材料を備え、複数の反射要素は、前記受信した光画像を反射するため、前記透明光導波路基板内に配置され、前記複数の反射要素は、光画像波伝播軸に対して同じ角度で傾斜した複数の反射ドットを備え、前記複数の反射ドットは、光画像伝播軸に垂直に横断方向で離隔され、前記光透過性基板の体積に沿って離隔され、前記透明光学基板の複数の横断方向に延在する光透過領域、前記複数の横断方向に延在する光透過領域は、横断方向で離隔された反射ドットを差し挟み、複数の反射ドットおよび複数の横断方向に延在する光透過領域は、横断方向で前記透明光学基板の体積に沿って分配され、それによって、前記光画像受信端または側のより近くに分配された反射ドットによって反射されない光画像光線は、隣接する横断方向で離隔された反射ドットの間で、反射ドットによって反射されることなく、前記光透過性基板の前記体積に沿って異なる地点に配設された反射ドットによって前記光画像受信端または側から更に遠くまで選択的に反射されるまで、前記横断方向に延在する光透過領域を選択的に通過して、前記選択的に反射された光画像光線がともに、受信される光画像の反射画像を形成する。
いくつかの態様によれば、光コンバイナが提供される。光コンバイナは、光透過性基板と、前記光透過性基板に含まれ、前記基板の波伝播軸に沿って配設されるパターン化領域とを備え、前記パターン化領域は、部分的に光反射性であり部分的に光透過性であり、前記パターン化領域は、前記光透過性基板の複数の光透過領域と、複数の光反射性副瞳ドットとを備え、前記複数の光反射性副瞳ドットは、前記光透過性基板の波伝播軸に対して傾斜し、前記パターン化領域は成長パターン領域である。
別の態様によれば、プロセスによって構築される光コンバイナが提供される。プロセスは、光透過性基板を提供することと、前記基板の波伝播軸を横断する少なくとも１つの共通または別個の面内で、前記光透過性基板に少なくとも１つのパターン化領域を組み込むことと、を含んでもよく、前記パターン化領域は、部分的に光反射性であり部分的に光透過性であり、前記基板の波伝播軸を横断して配設される少なくとも１つの共通または別個の面内で、前記光透過性基板に少なくとも１つのパターン化領域を組み込むことは、パターン成長モデルに従って複数の光反射性副瞳ドットのパターンを成長させることによって、複数の光反射性副瞳ドットのパターンを決定するステップと、パターン成長モデルに従って成長させるパターンで、前記共通または別個の面内で前記光透過性基板に前記複数の光反射性副瞳ドットを配置するステップと、を含む。
更に別の態様によれば、光コンバイナに対する複数の光反射性副瞳ドットのパターンを決定する方法が提供される。方法は、ａ）パターン成長モデルに従って第１の時間ｔ－１で、光反射性副瞳ドットの初期成長パターンを提供するステップと、ｂ）第１の時間ｔ－１で、前記初期成長パターンに対してＭＦＴ分析を実施するステップと、ｃ）ステップｂ）で実施した前記ＭＦＴ分析に基づいてアキュータンスＡを決定するステップと、ｄ）第１の時間ｔ－１で、前記初期成長パターンに対してＦＦＴ分析を実施するステップと、ｅ）ステップｄ）で実施した前記ＦＦＴ分析に基づいて回折を決定するステップと、ｆ）第２の時間ｔでステップａ）～ｅ）を繰り返すステップと、ｇ）決定したアキュータンスＡおよび回折に従って、特定の時間で成長パターンを選択するステップと、を含む。
更に別の態様によれば、コンピュータ可読媒体は、光コンバイナに対する複数の光反射性副瞳ドットのパターンを成長させる方法をプロセッサに実施させるように構成された、コンテンツを含み、方法は、ａ）パターン成長モデルに従って第１の時間ｔ－１で、光反射性副瞳ドットの初期成長パターンを提供するステップと、ｂ）第１の時間ｔ－１で、前記初期成長パターンに対してＭＦＴ分析を実施するステップと、ｃ）ステップｂ）で実施した前記ＭＦＴ分析に基づいてアキュータンスＡを決定するステップと、ｄ）第１の時間ｔ－１で、前記初期成長パターンに対してＦＦＴ分析を実施するステップと、ｅ）ステップｄ）で実施した前記ＦＦＴ分析に基づいて回折を決定するステップと、ｆ）第２の時間ｔでステップａ）～ｅ）を繰り返すステップと、ｇ）決定したアキュータンスＡおよび回折に従って、特定の時間で成長パターンを選択するステップと、を含む。
更に別の態様によれば、反射ドットのパターンを成長させるデバイスは、ａ）パターン成長モデルに従って第１の時間ｔ－１で、光反射性副瞳ドットの初期成長パターンを提供し、ｂ）第１の時間ｔ－１で、前記初期成長パターンに対してＭＦＴ分析を実施し、ｃ）ステップｂ）で実施した前記ＭＦＴ分析に基づいてアキュータンスＡを決定し、ｄ）第１の時間ｔ－１で、前記初期成長パターンに対してＦＦＴ分析を実施し、ｅ）ステップｄ）で実施した前記ＦＦＴ分析に基づいて回折を決定し、ｆ）第２の時間ｔでステップａ）～ｅ）を繰り返し、ｇ）決定したアキュータンスＡおよび回折に従って、特定の時間で成長パターンを選択するように構成された、データプロセッサを備える。
本発明をより容易に理解できるようにするため、以下、添付図面を参照する。
一実施形態による、反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つまたは組み合わせが構成可能である、例示の光コンバイナを示す正面斜視図である。 画像プロジェクタとともに使用される、一実施形態による、反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つまたは組み合わせが構成可能である、光コンバイナを示す上面図である。 図２Ａの光コンバイナの正面図である。 一実施形態による、反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つまたは組み合わせが構成可能である、スパースアパーチャリフレクタを示す正面図である。 図３Ａのスパースアパーチャリフレクタの側面図である。 一実施形態による、反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つまたは組み合わせが構成可能である、スパースアパーチャリフレクタを示す正面図である。 図４Ａのスパースアパーチャリフレクタの側面図である。 一実施形態による、拡張現実画像コンバイナが画像をどのように結合するかを全体的に示す概略図である。 一実施形態による、拡張現実画像コンバイナが画像をどのように結合するかを詳細に示す概略図である。 一実施形態による、拡張現実ヘッドマウントディスプレイ眼鏡を示す正面図である。 一実施形態による、拡張現実ヘッドマウントディスプレイヘルメットを示す正面図である。 別の実施形態による、例示の光コンバイナを示す正面斜視図である。 一実施形態による、反射要素が配設される共通面に対して異なる角度で傾けられた光コンバイナの反射要素を示す部分図である。 本発明の技術の実施形態における方法および装置を説明する目的で、異なるアパーチャに対する回折限界ＭＴＦを示すグラフである。 本発明の技術の実施形態における方法および装置を説明する目的で、４００μｍアパーチャおよび１０％ボーダーを有する単一の要素を示す図である。 本発明の技術の実施形態における方法および装置を説明する目的で、図１１（ｂ）の４００μｍおよび１０％アパーチャを有する単一の要素のＭＴＦ対周波数を示す図である。 ４００μｍアパーチャおよび６０％ボーダーを有する単一の要素を示す図である。 図１１（ｄ）の４００μｍおよび６０％アパーチャを有する単一の要素のＭＴＦ対周波数を示す図である。 一実施形態による、３０μｍサイズの六角形の対数グリッドを示す図である。 図１２（ａ）の対数グリッドのＭＴＦ対周波数を示す図である。 図１２（ａ）の対数グリッドの回折を示す図である。 一実施形態による、副瞳リフレクタのパターンを生成する方法を示す図である。 一実施形態による、図１３のパターン生成方法によって生成される、高性能を提供する分配されたリフレクタドット形状の一例のパターンを示す図である。 人間の目の場合のＭＦＴ対空間周波数と比較した、図１４（スパースアパーチャリフレクタ）の反射ドットの生成パターンの場合のＭＦＴ対特定周波数を示す図である。 ２．５ｍｍ×２．５ｍｍの瞳孔ウィンドウ全体に対する相対強度対角度を示すことによって、図１４のランダムな要素の正味の回折を示す図である。 パターン成長に対するチューリング拡散方程式の基本を示す方程式図である。 生産量低下および拡散パラメータを変動させることによって修正される、図１７を利用することによって修正される図１３の方法によって生成される、一実施形態による成長パターンリフレクタを示す図である。 人間の目の場合のＭＦＴ対特定周波数と比較した、図１８（スパースアパーチャリフレクタ）の反射ドットの生成パターンの場合のＭＦＴ対特定周波数を示す図である。 反射率対角度を示すことによって、図１８のランダムな要素の回折を示す図である。 生産量低下および拡散パラメータを変動させることによって修正される、図１７を利用することによって修正される図１３の方法によって生成される、別の実施形態による成長パターンリフレクタを示す図である。 人間の目の場合のＭＦＴ対特定周波数と比較した、図２１（スパースアパーチャリフレクタ）の反射ドットの生成パターンの場合のＭＦＴ対特定周波数を示す図である。 反射率対角度を示すことによって、図２１のランダムな要素の回折を示す図である。 コンピュータシステムの形態の機械の一実施形態を示す模式図である。
以下の記載では、限定ではなく説明目的で、本発明の徹底的な理解を提供するために、特定の実施形態、手順、技術などの具体的な詳細について説明する。しかしながら、本発明はこれらの具体的な詳細から逸脱する他の実施形態で実施されてもよいことが、当業者には明白となるであろう。
本出願に記載する技術的特徴は、反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つもしくは組み合わせが、拡張現実（ＡＲ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、および／またはヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）用途のために構成される、光導波路または他の構成要素に関連する装置の様々な実施形態を構築するのに使用することができる。
本出願に記載する技術的特徴は、拡張現実（ＡＲ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、および／またはヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）用途のために、光コンバイナにおける反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つもしくは組み合わせを構成する、方法の様々な実施形態を構築するのに使用することができる。
最初に、本発明の技術のいくつかの態様による、反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つもしくは組み合わせが構成可能である反射ドットを含む光導波路の例であり、本明細書に完全に記載されるものとしてその全内容を参照により組み込む、「光コンバイナ装置（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）」という名称の２０１８年１月１１日に公開された米国出願公開ＵＳ－２０１８－００１１３２２－Ａ１に記載されている、光導波路を参照する。この目的のため、次に添付図面を参照する。図１は、一実施形態による、例示の光コンバイナの正面図を示している。光コンバイナ１００は光透過性導波路基板１０５から形成される。基板１０５は、導波路基板の長さに沿って延在する波伝播軸１０６を有する。基板１０５の光受信端または側に入る光画像光線は、基板を通って伝播軸１０６に沿って伝播する。
基板１０５は、ガラスまたはプラスチックなどであるがそれらに限定されない、光導波路基板材料から作られた透明基板である。基板後面に入る光線１５０は、基板材料を通過し、基板前面から出る。基板の一方の側に位置し、基板の前面を通して見ている観察者は、基板材料を見通し、基板の他方の側に位置する物体、シーンなどを観察することができる。
パターン化領域１０７は光透過性基板の体積に含まれる。パターン化領域１０７は、部分的に光反射性であり部分的に光透過性である。パターン化領域１０７は、光透過性基板１０５の複数の光透過領域１０９と、光透過性基板の波伝播軸１０６に対して傾斜した複数の光反射領域１０８とを備える。明瞭にするため、全ての反射領域が図示されるとは限らず、また全ての図示される反射領域１０８および透明領域１０９に参照番号が付されているとは限らない。基板の端部で捕捉される光画像光線１４０は、伝播軸１０６に沿って伝播し、パターン化領域１０７に入り、傾斜した光反射領域１０８によって、基板１０５に沿った異なる地点で選択的に反射される。反射された光画像光線１４２は基板１０５の前面を出る。
例証を簡単にするため、光線１４０は真っ直ぐの光線としてのみ示される。導波路を真っ直ぐ通過するのではなく導波路に沿って跳ね返る、図示されない他の無数の光線がある（図２Ａ、図２Ｂ、および図６に、跳ね返る光線の例が示される）。いくつかの実施形態では、パターン化領域１０７は規則的パターン化領域である。他のいくつかの実施形態では、パターン領域１０７は、不規則パターン化領域、または規則的パターン領域および不規則パターン化領域の組み合わせである。
パターン化領域は様々な形態を取ることができる。いくつかの実施形態では、パターン領域１０７の光反射領域１０８は、例えば図１に示されるような、光透過性基板１０５に分配される複数の光反射性要素であり、光透過領域１０９は、複数の反射要素がない光透過性基板材料１０５の領域である。他のいくつかの実施形態では、パターン領域１０７は、光透過領域が、基板に含まれる反射性材料層または体積に形成された複数のアパーチャまたは開口部を備え、光反射領域が光反射性材料を備える、リバース設計である。
図１の光コンバイナでは、光反射領域１０８は、反射ドットである光反射要素を備える。説明および視覚化を簡単にするため、図１および他の添付図面では、反射ドットは拡大されて示され、縮尺通りではない。更に、全ての反射ドットが示されるわけではない。実際には、例えば、一般的に、基板には数千の小さい反射ドットがあり、ドットは人間の目には簡単に見えないように十分に小さいので、光コンバイナの透過性能を実質的に妨げない。いくつかの実施形態では、光反射要素は、反射ドットではなく、反射性の記号、文字など、他のタイプの離散的な反射要素であってもよい。
いくつかの実施形態では、反射ドットまたは他の要素の少なくともいくつかはそれぞれ全反射性である。他のいくつかの実施形態では、反射ドットまたは他の反射要素の少なくともいくつかはそれぞれ部分反射性である。例えば、反射ドットの少なくともいくつかはそれぞれ、５～１００％の反射率を有する。いくつかの実施形態では、反射要素の少なくともいくつかの反射率は同じである。いくつかの実施形態では、反射要素の少なくともいくつかの反射率は異なる。
光反射ドットはそれぞれ、単一の反射性金属層、または反射性酸化物もしくは他の材料の複数層などであるがそれらに限定されない、反射性材料で作られる。反射ドット材料は、知られている堆積技術によって堆積されてもよい。いくつかの実施形態では、射出成形をオーバーモールドされた反射層および光３Ｄ印刷とともに使用して、パターン領域を含む光学基板を形成してもよい。図１の実施形態では、反射ドットは、基板の長さに沿って離隔された複数の別個の面１１５、１２０、１２５、１３０に分配される。各面１１５、１２０、１２５、１３０は、基板１０５の上面と下面との間に延在し、図１に示されるように、伝播軸１０６に対して傾斜される。各面の反射ドットは、図１に示される正方形ドットの長方形マトリックスなど、規則的なパターンおよび形状を有する。しかしながら、他の実施形態では、面の１つまたは複数における反射ドットのパターンは、他の規則的な形状のマトリックスもしくはパターンを有することができ、または不規則なパターンを有することができる。更に、より詳細に後述するように、各反射ドットあるいは少なくともいくつかの反射ドットの、形状、サイズ、傾き、および／または間隔は、同じであることができ、または互いに異なることができる。
それに加えて、いくつかの実施形態では、反射ドット１０８は、各別個の面１１５、１２０、１２５、１３０を超えて延在する基板の体積部分に分配する。例として、図１は、反射ドット１０８が別個の面１１５、１２０、１２５、１３０に分配され、また面の間の基板の中間領域を占めることを示している。光コンバイナのいくつかの実施形態では、反射ドット１０８は別個の面には分配されず、それよりもむしろ、導波路基板の長さに沿って離隔された別個の体積部分全体に分配される。
いずれの場合も、反射要素が異なる実施形態においてどのように正確に分配されるかにかかわらず、反射要素は、基板１０５の長さに沿って離隔された群を形成することができる。例えば、図１では、反射ドットの第１の群１０１は、基板１０５の長さに沿って伝播する光画像光線を部分的に反射するように配置される。導波路に沿って更に離隔された反射要素の後続の群１０２、１０３、１０４は、反射要素の第１の群によって反射されない光画像光線を反射するように配置される。
別個の面および／または別個の体積部分の周りに分配される反射ドットの各群は、それらの間の光透過性基板のギャップとともに、部分反射性の個々のリフレクタとして集合的に動作する。図１は４つのかかる個々のリフレクタを示している。しかしながら、他の実施形態では、光コンバイナは、単一のリフレクタから多数のリフレクタまで、任意の数のかかるリフレクタを有してもよい。
光コンバイナ１００は、各リフレクタの面積全体にコーティングされた複雑な一連の反射層を有するリフレクタではなく、反射要素で作られた非常に単純な構造である。
光画像コンバイナとしての光コンバイナの動作は非常に単純であり、画像を形成する光線が導波路基板に沿って移動すると、その一部が第１のリフレクタの反射ドットに衝突し、目に向かって向け直される。ドットは第１のリフレクタの小さい面積を占めるのみなので、光線の大部分はドットに当たらない。例えば、ドットが面積全体の５％を占める場合、全体反射率も約５％であり、画像エネルギーの９５％は次のリフレクタまで通過し、その次も同様である。反射ドットは、基板内へと真っ直ぐ伝播してきた光線１４０を反射するが、広い「跳ね返り」を介して到達し、視射角で反射ドットに衝突する他の光線１４０も反射する（例えば、近付いてくる光線および反射ドットからの反射の跳ね返りの、例えば図２Ａ、図２Ｂ、および図６に示される光コンバイナを参照）。
いくつかの実施形態では、第１のリフレクタ（ドット群１０１）は比較的低い反射率（小さいドット面積）を有し、後続のものはより高い反射率（より大きいドット面積）を有して、導波路基板に沿って反射率が更に増加する。ドット面積対光透過性ギャップの比は、各リフレクタに対して選択された反射率を得るように変動される。
更に他のいくつかの実施形態では、全ての反射ドット１０８は、別個の面および／または別個の体積部分を占めるのではなく、導波路の長さに沿って延在する基板体積全体を通して分配される。かかる実施形態では、反射ドット１０８およびそれらの間の光透過性ギャップまたは領域は、基板体積を通して延在する、１つの連続する部分反射性リフレクタを効率的に形成する。図９は、一実施形態による、１つのかかる光コンバイナ９００を示している。反射ドット１０８は、基板１０５の体積全体を通して分配されて示されている。上述したように、例証を簡単にするため、全ての反射ドットが示されているわけではない。更に、図９に示されるドットの特定のパターンは単なる一例のドットパターンである。反射ドット１０８は依然として、連続的なリフレクタに沿って相対反射率が低から高に増加するように配置される。
光コンバイナの更に他のいくつかの実施形態では、光学基板は非透明基板である。
図２Ａおよび図２Ｂはそれぞれ、一実施形態による、光画像生成装置とともに使用される光コンバイナの上面図および正面図を示している。光コンバイナ２００は、ガラスもしくはプラスチックのスラブ２０５（平らな平行面）、またはニアアイディスプレイ向けの他の光透過性導波路である。代替実施形態では、導波路は湾曲しており、面は必ずしも平行でなくてもよい。光コンバイナ２００は光コンバイナ１００と類似しているが、製作を簡単にするため、各部分反射性リフレクタは、反射ドットまたは他のタイプの反射要素の表面パターンで作られたスパースアパーチャ反射面である。図２Ａおよび図２Ｂに示される、４つのかかるリフレクタ２１５、２２０、２２５、２３０のアレイがあるが、光コンバイナ２００は、任意の数、一般的には３つおよび６つを有することができる。リフレクタ２１５はアレイで最も低い反射率を有し、リフレクタ２２０は次に高い反射率を有し、リフレクタ２２５は次に高い反射率を有し、リフレクタ２４０は最も高い反射率を有する。例として、いくつかの実施形態では、第１のリフレクタ２１５は約５～７％の反射率を有し、第２のリフレクタ２２０は約１０％の反射率を有し、第３のリフレクタ２２５は２０％の反射率を有し、第４のリフレクタ２３０は約８０％の反射率を有する。
スパースアパーチャ表面リフレクタ２１５～２３０は、複数の反射ドット（ドット１０８など）、または表面に形成され、多くの異なる構成を有することができる、他の反射要素を備える。いくつかの実施形態では、反射ドットまたは他の要素は、任意の形状であり、無作為の位置で表面にマトリックス状に配置される。反射ドットは、決定論的形式で、またはランダム関数に従って、表面周辺に位置付けられてもよい。
図２Ａおよび図２Ｂでは、光画像光線１４０を生成する光源は画像プロジェクタ２６５である。プロジェクタ２６５から発する単一の光線２７５が、プリズム２７０を使用して導波路基板２０５にどのように光結合されるかを示す、単純化された状況が図２Ａおよび図２Ｂに示される。しかしながら、図１に光線１４０として示されるものなど、導波路の端部への直接入射を含む、他の光結合方法が可能である。他の実施形態では、プロジェクタ２６５の代わりに、またはそれに加えて、他の光生成装置が使用されてもよい。
１つのかかるスパースアパーチャリフレクタ表面は、図３Ａおよび図３Ｂに更に詳細に示されており、これらの図はそれぞれ、（図２Ａおよび図２Ｂの光コンバイナにおけるリフレクタ２１５～２３０のうち１つまたは複数として使用される）一実施形態による、スパースアパーチャリフレクタシステムの平面図および側面図を示している。製作を簡単にするため、スパースアパーチャリフレクタシステム３３０は、規則的なＸＹピッチ３０５上の反射ドット１８０または他の要素の単純なマトリックス３５０を有する。図３Ａに示されるマトリックスにおける黒い正方形の領域はそれぞれ、複数の反射ドットを含む。例として、各正方形は、サイズが約２０ミクロンである数百のより小さい正方形を含む。図３Ａおよび図３Ｂでは、反射マトリックス３５０は、他のリフレクタと組み合わされると光導波路基板２０５の一部を形成する、別個の光透過性基板上で保持される。他のいくつかの実施形態では、反射マトリックス３５０は、導波路基板２０５の中間領域の表面上に直接形成される（例えば、図２Ａおよび図２Ｂの中間領域２４５～２６０を参照）。スパースアパーチャリフレクタ表面３３０の高さＡは、一般的には３５～５０ｍｍであるがそれに限定されず、所望の特定の光コンバイナ特性に応じて変動する。スパースアパーチャリフレクタ表面の幅Ｂは、光コンバイナに必要なリフレクタの数に従って、また光導波路基板の厚さに従って決定される。反射ドットまたは他の要素の厚さＴ１は変動し、ただし一般的には０．１～１マイクロメートル（μｍ）であるがそれに限定されない。
図４Ａおよび４Ｂはそれぞれ、（図２Ａおよび図２Ｂの光コンバイナにおけるリフレクタ２１５～２３０のうち１つまたは複数として使用される）別の実施形態によるスパースアパーチャリフレクタシステムの平面図および側面図を示している。スパースアパーチャリフレクタシステム４００は、反射ドットまたは他の要素の配置およびパラメータの点で、システム３００とは異なる。図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、リフレクタシステムの前面にパターニングされる反射ドットはいくつかの異なる形状を有する。ドット形状は、規則的な形状および／または無作為の形状である。例として、図４Ａおよび図４Ｂでは、第１のドット４２０は任意の形状を有し、第２のドット４１５は任意の形状を有する。反射ドットは異なる分離距離を有する。反射ドット厚さも異なる反射ドットに対して変動してもよい。光コンバイナの性能および結像は、ドットの形状（規則的もしくは無作為の形状）、ドット特徴の最小寸法、ドット特徴の最大寸法、表面全体にわたる無作為化の程度、ドット反射材料の厚さ、ドット間の最小分離、ドット間の最大分離、およびドットが占める面積の割合を含むがそれらに限定されない、様々なリフレクタパラメータを最適化することによって、制御し改善することができる。いくつかの実施形態では、少なくともいくつかの反射ドットまたは他の要素は、完全もしくは実質的に反射性の前面と完全もしくは実質的に吸収性の後面とを有する。図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、いくつかの反射ドットまたは要素は、埋没レリーフリフレクタ４６０と凸状レリーフリフレクタ４５５とを含む。
本明細書に記載する光コンバイナのいくつかの実施形態では、光学基板の反射要素１０８などの少なくともいくつかは互いから異なる角度で傾けられ、および／あるいは反射要素の少なくともいくつかは互いに平行に傾けられる。また、更なるいくつかの実施形態では、反射要素のいくつかは、反射要素によって占められる面に対して個別に傾けられる。例として、図１０は、一実施形態による、光学基板において反射要素が占めている共通面１０００に対して、異なる角度で傾けられた反射要素（この場合、長方形の反射ドット）１００２、１００８を示す、光コンバイナの部分図である。第１の反射ドット１００２は、ｘ軸で共通面１０００に対して第１の角度１００４で傾けられ、第２の反射ドット１００８は、ｘ軸で共通面に対して第２の角度１０１０で傾けられ、第２の角度１０１０は第１の角度１００４とは異なる。また、第１の反射ドット１００２は、ｚ軸で共通面１０００に対して第３の角度１００６で傾けられ、第２の反射ドット１００８は、ｚ軸で共通面１０００に対して第４の角度１０１２で傾けられ、第４の角度１０１２は第３の角度１００６とは異なる。他の実施形態では、反射要素の少なくともいくつかは、ｘ、ｙ、ｚ面（もしくはそれらの任意の組み合わせ）で異なるように、または同じように傾けることができる。
記載する実施形態の光コンバイナは、知られている導波路リフレクタを上回る多くの利点を有する。実施形態の光コンバイナは、リフレクタを通って移動する際の慎重な偏光制御を要する、知られているコンバイナとは異なり、入力される偏光に影響を受けにくい。実施形態の光コンバイナは、反射率が広範囲の入射角にわたって維持されることを確保するのに慎重な設計を要する、知られているコンバイナとは異なり、本質的に広い光帯域幅を有する。実施形態の光コンバイナは、反射性材料の単一層を使用して反射ドットまたは他の要素のパターンを製作することができるので、より単純である。対照的に、知られているコンバイナでは、各リフレクタアレイは、１つの反射表面を作るのに、２０～３０の別個の慎重に堆積させた層を要することになる。光コンバイナは、反射膜の非常に複雑な複数層および脆弱な多重層によって製造が困難である、知られているコンバイナと比較して、簡単に製作され堅牢である。
いくつかの態様では、光コンバイナは、拡張現実画像および実世界シーンを組み合わせるのに使用することができる。図５によって示されるように、拡張現実画像コンバイナ５１５は、実世界シーン５０５を光学的に投影されたコンピュータ生成画像５１０と重ね合わせ、組み合わされた画像を観察者の目５００に中継する光学構造である。光コンバイナ５１５は、図１～図４を参照して上記に記載した光コンバイナのいずれか１つである。複数の反射ドットは、光コンバイナが使用中のとき、受信したコンピュータ生成光画像が反射され、実世界シーンの視界に重畳されるような形で配置される。
拡張現実画像コンバイナで画像がどのように組み合わされるかをより適切に例証するために、一実施形態による、拡張現実光コンバイナシステムの単純化した概略図である、図６を参照する。この図は、導波路内に含まれる光学的に投影されたコンピュータグラフィック光線がどのように観察者の目に中継されるか、また実世界シーンからの光線がどのように通過するかを実証する。光コンバイナ６００は、図１～図４を参照して上記に記載した光コンバイナのいずれか１つであることができる。しかしながら、説明を簡単にするため、図６は、３つの離隔されたスパースリフレクタを示し、各スパースリフレクタ上の４つの反射ドットのみを示すように、大幅に単純化されている。例として、投影画像６１５から出ているガイドされた光線６２０、６２５、６３０は、光導波路基板の光受信端で捕捉され、観察者の目６０５に向かって中継される。特に、導波路に捕捉された投影画像６１５から出ている例示のガイドされた光線６２０は、スパースエリアリフレクタｎ＝１ ６３５に形成された反射要素を出て観察者の目６０５に向かって中継される。更に、投影画像６１５から出て導波路に捕捉された例示のガイドされた光線６２５は、スパースエリアリフレクタ６３５の透明領域およびそれに続くスパースエリアリフレクタｎ＝２ ６４０の透明領域を通過する。更にまた、導波路に捕捉された投影画像６１５から出ている例示のガイドされた光線６３０は、スパースエリアリフレクタｎ＝２に形成された反射要素を出て観察者の目６０５に向かって中継される。実際のシーンから出ている任意の光束６５０は光コンバイナを通過する。
いくつかの態様では、光コンバイナの１つまたは複数はヘッドマウントディスプレイに組み込まれる。いくつかの実施形態では、一対の光コンバイナが、眼鏡またはゴーグル形状の拡張現実ヘッドマウントディスプレイに含まれる。図７は、一実施形態による、一対のヘッドマウントディスプレイ眼鏡の正面図を示している。眼鏡またはゴーグルタイプのヘッドマウントディスプレイ７００は、双眼視界に対するコンピュータ形成画像を生成する処理モジュール７０５を有する。左目の光コンバイナおよび投影システム７１０、ならびに右目の光コンバイナおよび投影システム７１５が、ヘッドマウントディスプレイに含まれる。各システム７１０、７１５の光コンバイナは、図１～図６を参照して、または参照せずに本明細書に記載する実施形態の光コンバイナのいずれか１つである。光画像プロジェクタ２６５および光結合２７０は、例えば、プロジェクタシステムの一部を形成してもよい。光学機械フレーム７２０は、光学部品をしっかりと適正な幾何学的配置で保持する。
いくつかの実施形態では、形成される画像は単眼視界向けのものであり、光コンバイナおよび投影システム７１０、７１５の一方のみがヘッドマウントディスプレイに含まれる。
いくつかの実施形態では、光コンバイナの１つまたは複数が組み込まれるヘッドマウントディスプレイは、ヘルメット形状の拡張現実ヘッドマウントディスプレイである。図８は、一実施形態による、ヘッドマウントディスプレイヘルメットの正面図を示している。ヘルメットヘッドマウントディスプレイ８００は、双眼視界に対するコンピュータ形成画像を生成する処理モジュール８０５を有する。左目の光コンバイナおよび投影システム８１５、ならびに右目の光コンバイナおよび投影システム８２０が、ヘッドマウントディスプレイに含まれる。各システム８１５、８２０の光コンバイナは、図１～図６を参照して、または参照せずに本明細書に記載する実施形態の光コンバイナのいずれか１つである。光画像プロジェクタ２６５および光結合２７０は、例えば、プロジェクタシステムの一部を形成してもよい。光学機械サブフレーム８１０は、光学部品をしっかりと適正な幾何学的配置で保持する。光学機械サブフレーム８１０は、ヘルメットの機械的に堅牢なシェル８３５によって支持される。
いくつかの実施形態では、形成される画像は単眼視界向けのものであり、光コンバイナおよび投影システム８１５、８２０の一方のみがヘッドマウントディスプレイに含まれる。
次に、本発明の技術の態様による、拡張現実（ＡＲ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、および／またはヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）用途向けの、図１～図１０に示される上述した実施形態の光導波路における共通または別個の面内の反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つもしくは組み合わせを構成する方法を参照する。また、かかる方法に従って、反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つもしくは組み合わせが構成される、光コンバイナおよび／またはその構成要素を参照する。
光導波路における反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つもしくは組み合わせを構成する方法は、上記図１～図１０に関連して上述したニアアイ光導波路の上述の実施形態における反射ドットを構成することに限定されず、他の実施形態では、方法は、他の光導波路および／または光コンバイナにおける反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つもしくは組み合わせを構成するが、コンピュータ生成画像を反射または部分的に反射するのに、１つもしくは複数の共通または別個の面におけるパターニングされた反射ドットに依存する、またはそれを利用できるものであってもよいことが認識されるであろう。更に、本発明の技術のいくつかの実施形態の方法による、反射ドットの形状、サイズ、および分布の任意の１つもしくは組み合わせが構成される光コンバイナおよび装置は、図１～図１０に関連した上述したニアアイ光導波路の実施形態とは異なるが、コンピュータ生成画像を反射または部分的に反射するのに、１つもしくは複数の共通または別個の面におけるパターニングされた反射ドットに依存する、またはそれを利用できる、光導波路および／または光コンバイナであってもよいことが認識されるであろう。
定義：副瞳リフレクタ／副瞳サイズは、寸法が、人間の目の最小の一般的な瞳孔サイズ未満、即ち＜２ｍｍであることを意味する。領域が半反射性であるために、寸法は＜４００ミクロンの寸法（例えば、直径＜４００ミクロンの円、または辺が＜４００ミクロンの正方形）でなければならない。光学基板の各反射ドットは光学アパーチャを形成する。反射ドットの傾きまたは傾斜を考慮に入れて、モデリングに従って計算されたアパーチャから反射ドットの形状および寸法を決定するため、単純な幾何学形状を使用することができる。複数の反射ドットがあるので、複数の副瞳光学アパーチャがある。したがって、以下の方策をモデリングに採用するのが有利である。既に上述したように、反射ドットの形状は、規則的または不規則な形状であってもよく、添付図面に示される形状にいかなる形でも限定されない。
副瞳サイズの反射ドットを含む透明リフレクタ表面上に画像を形成するプロセスは、透視画像および反射画像の両方の回折効果を最小限に抑え、ならびに両方の条件に対するモジュラー伝達関数（ｍｏｄｕｌａｒ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）（ＭＴＦ）を慎重に分析するのに特別な処理を要する。
任意のアパーチャ形状のＭＴＦを計算するために、イメージングシステムの光学伝達関数が次式によるフーリエ変換で与えられることに注目する。
ＯＴＦ＝｜Ｈ（ｆ，η）｜ｅ－ｉθ（ｆ，η）＝ＭＴＦｅ－ｉθ（ｆ，η） （１）
θ（ｆ，η）は、位相伝達関数（ＰＴＦ）であり、配向角ηの空間周波数ｆに依存する。このことにより、各空間周波数において画像面上の位置の詳細が対象面上のその詳細に対してどの程度シフトされるかが分かる。画像面の軸が対称点の拡散関数の対称軸と同じである場合、全ての周波数に関してＰＴＦはゼロである。本明細書に完全に記載されるものとしてその全内容を参照により組み込む、Ｃ．Ｗ．ａ．Ｏ．Ｂｅｃｋｌｕｎｄ，Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｏ Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＳＰＩＥ，２０１０を参照のこと。
インパルス関数ｈ（ｆ，η）のフーリエ変換係数Ｈ（ｆ，η）は、ＭＴＦである。式［２］を参照のこと。
インパルス関数ｈ（ｆ，η）自体は、回折限界システムのアパーチャの回折パターンに関連する。これは、ＰＳＦを決定するのに高速フーリエ変換ＦＦＴも使用できることを意味する。
ｈ（ｆ，η）＝［ＦＦＴ｜Ｐ（ｘ，ｙ）｜］２ （２）
式中、Ｐ（ｘ，ｙ）はアパーチャ関数である。絶対二乗は、Ｈ（ｆ，η）の演算がアパーチャ関数のＦＦＴを取り消さないことを意味する。概して、ＭＴＦは、ＰＳＦのフーリエ変換によって与えられる。ＰＳＦは、瞳関数のフーリエ変換の絶対値の二乗である。式［２］を参照のこと。即ち、回折限界ＯＴＦは回折アパーチャＰ（ｘ，ｙ）の２Ｄ自己相関である。
したがって、フーリエ変換の方策によって、規定する任意の瞳関数のいずれに対してもＭＴＦを計算することが可能になる。本明細書に完全に記載されるものとしてその全内容を参照により組み込む、Ｇ．Ｂｏｒｅｍａｎ，Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＳＰＩＥ，２００１による事例が、図１１（ａ）に示されている。該図は、異なるアパーチャに対する回折限界ＭＴＦであり（ｙ軸はＭＴＦのパーセンテージを表し、ｘ軸は空間周波数を表す）、小さい範囲の単純なアパーチャ（円、正方形、および隠された円の関心アパーチャ）が示され、辺ａの正方形アパーチャは直径ａの円形アパーチャに対するＭＴＦの上方にｙ＝－ｘの線として見えている。調べてみると、正方形はより大きい面積を含み、したがってより多くの空間周波数を利用でき、より平坦なＭＴＦ応答を提供するようになることが分かる。正方形と同じ面積の円は、単純に、（ａが増加するので）より高いカットオフ周波数を有するが、同じロールオフ曲線を依然として示すであろう。
Ｍａｔｌａｂ（登録商標）などの数学的ソフトウェアパッケージでモデル化するため、モデル空間から始め、各空間点を表すピクセルサンプリングレート（解像度）、例えば１ミクロン当たり１０ピクセルを規定する。
換算：ＭＴＦのカットオフ周波数は次式から導き出すことができる。
Figure 2022516730000002
式中、Ｆ／＃＝ＥＦＬ／Ｄは人間の目のＥＦＬ（～２４．２ｍｍ）、Ｄはアパーチャアレイの直径であり、ＭＴＦスケールの場合、波長はｍｍで表され（ｌｐ／ｍｍを提供するため）、ＥＦＬ＝有効焦点長（約２４．２ｍｍとして上記に与えられている）である。
回折面に関して、ＦＦＴアレイが一方向でＮ個のピクセルを含む場合、周波数範囲は±Ｎ／２である（これは、ナイキストの定理による周波数スペクトルの基本である）。したがって、空間周波数スケールは次式の通りである。
Figure 2022516730000003
注目すべき点は、回折パターンの空間寸法が、距離ＥＦＬの分変位されることにより、元のアパーチャ／画像と同じスケールにはならない点である。空間範囲は次式によって与えられる式（４）の逆数である。
Figure 2022516730000004
空間ステップサイズは次式によって与えられる。
Figure 2022516730000005
角度スケールは次式によって簡単に得られる。
Figure 2022516730000006
ＭＴＦに関して、次式によってｌｐ／ｍｍ（ｍｍ当たりのＬＰＳ）をｌｐ／°に変換することもできる。
Figure 2022516730000007
式中、ｘは視界幅の物理的範囲、θは目に対する角度である。これは、人間の目の角度分解性能と比較する際に有用である。
ＦＦＴを計算する場合、最大要素サイズに比例するパディング境界を提供することが重要である。それが提供できないと、以下の図１１（ｂ）～図１１（ｅ）が示すように、カットオフ周波数を下回る誤った詳細がもたらされる。
図１１（ｂ）は、図１１（ａ）による理論上の結果に対するテスト用の特徴である、ａ／２のオブスキュレーションを有するアパーチャである、一実施形態による、４００μｍアパーチャおよび１０％ボーダーを有する単一の要素を示している。図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）の４００μｍおよび１０％アパーチャを有する単一の要素のＭＴＦ対周波数を示している。図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、アレイのパディングが不十分なアパーチャがカットオフ周波数を下回る誤ったＭＴＦの詳細を生み出す事例を示している。
図１１（ｄ）は、一実施形態による、４００μｍアパーチャおよび６０％ボーダーを有する単一の要素を示している。図１１（ｅ）は、図１１（ｄ）の４００μｍおよび６０％アパーチャを有する単一の要素のＭＴＦ対周波数を示している。図１１（ｄ）および図１１（ｅ）は、図１１（ａ）の理論上のプロットと合致する、アレイのパディングが適切なアパーチャがカットオフ周波数を下回る適正なＭＴＦプロファイルを生み出す事例を示している。
このように、ＦＦＴボーダーパディングを＞６０％に増加させる効果によって、図１１（ａ）のａ／２のオブスキュレーションを有するアパーチャと合致するＭＴＦプロファイルがもたらされる。
次に、この分析を拡張して、ＭＴＦおよび回折の際の異なる形状および配置の、例えば不均一な分布の六角形のリフレクタの効果を考慮することができる。図１２（ａ）は、一実施形態による、３０μｍサイズの六角形の対数グリッドを示している。グリッドは、１４．４８６６％の反射率および１５７の要素を有する。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の対数グリッドのＭＴＦ対周波数を示している。図１２（ｃ）は、図１２（ａ）の対数グリッドの回折を示している。
以下の問題が特定されている。少なくともいくつかの実施形態によって、画像を副瞳サイズの反射領域によって人間の目に向け直すことが可能になり、このサイズの限定によって、回折ならびにＭＴＦおよび画像強度の劣化などのアーチファクトを最小限に抑えるために、反射領域の慎重な分布を要する。
技術的解決策が提供されている。今日まで、ニアアイディスプレイにおける副瞳サイズの反射ドット／形状のパターンを使用して、結像のための反射表面を生成する、知られている試みは行われていない。本出願は、取り組むべき新しいパターニング整形技術を包含する。更なる新規性は、ＭＴＦに基づいて、カメラシステムの主観的な画像鮮鋭度を決定する測定基準である、アキュータンスをディスプレイに適用することによるものである。
ＭＴＦの最適化は、式（３）のカットオフ周波数によって明らかなように、かかる小さい反射要素をＭＴＦに使用した結果を理解することから始まる。人間の目は、一般的に、２～３ｍｍの瞳孔径に対して最大３０サイクル／θの角周波数をほぼ分解することができるが（本明細書に完全に記載されるものとしてその全内容を参照により組み込む、Ａ．Ｇｕｉｒａｏ ｅｔ ａｌ，“Ａｖｅｒａｇｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｕｍａｎ Ｅｙｅ ａｓ ａ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｇｅ ｉｎ ａ Ｎｏｒｍａｌ Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ”，ｐｐ２０３－２１３，ＯＫＳ，Ｊａｎｕａｒｙ １９９９，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１を参照のこと）（詳細の一分に対応）、８サイクル／θでピークに達する。これは、１９ｌｐ／ｍｍのピークおよび７１ｌｐ／ｍｍのカットオフを示唆する。
式（３）は、コンピュータ生成画像の全詳細を反射するのに、０．５ｍｍ以下の副瞳リフレクタサイズが適切であろうことを示唆する。しかしながら、プロジェクタディスプレイ自体は、基本的に解像度が更に限定される。偏光光学系および平行ミラーを有する従来のＬＣＯＳプロジェクタ設計（当該分野で良く知られている）は、一般的に、最大９ｌｐ／θを達成することができるが、これは主に、ディスプレイパネルの解像度だけではなく、光学的および光学機械的な制約によるものである。
したがって、最適化は、アキュータンスを計算することによって、人間の目の応答に更に関連して改善することができる。これは、人間の目によって知覚される画像の輝度に対する鮮鋭度である（その全内容を本明細書に組み込む、Ｃ．Ｗ．ａ．Ｏ．Ｂｅｃｋｌｕｎｄ，Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｏ Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＳＰＩＥ，２０１０、およびその全内容を本明細書に組み込む、Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ－Ｃｕｒｒｅｎｔ ｖ５．２，Ａｃｕｔａｎｃｅ ａｎｄ ＳＱＦ（Ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ），ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ Ｉｍａｔｅｓｔ（登録商標）ａｔ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｍａｔｅｓｔ．ｃｏｍ／ｄｏｃｓ／ｓｑｆ／を参照のこと）。
この比較的新しい測定基準は、レンズ性能を人間の目と比較するのに、カメラ結像システムに使用されるので、これは、ディスプレイイメージングならびにＨＭＤに対する測定基準の新しい適用例であり、これまででは最初の適用例である。
Figure 2022516730000008
式中、ＣＳＦ（ｆ）は、人間の目のコントラスト感度関数、ｆは、考慮される周波数範囲（単位サイクル／θ）の上限であり、目が対応している最高周波数または反射アパーチャの最高周波数のどちらか高い方である。
回折の最小化
回折曲線から、区分ごとに現在の動径座標ｒを乗算しながら、原点から外側に積分することにより、回折曲線の係数に基づいて重み付けられた面積が得られ、それによって、外縁部により多くのエネルギー（光）があるほど、積分の結果として得られる値が大きくなることに注目する。これは、回折を最小限に抑えるのに用いることができる、数値的測定基準の基礎を形成する。全ての光エネルギーが回折されない理想的な事例では、光は原点にあって、ｒ＝０なので、回折被積分関数は０となる。
Figure 2022516730000009
副瞳リフレクタの最適パターン
瞳孔サンプリング領域内に２つの同一の点源がない場合、回折は最小限に抑えられることが示される。また、反射ドットがより大きければ、ＭＴＦは大きくなることが示される。したがって、形状および分布が非周期的である一方で、所与の長さを可能にする、形状の範囲を作成することが可能である。
パターン生成によって、ランダム位置の他にランダム地点を追加することが可能になった場合、非常に高い性能を提供する下記のような分配されたリフレクタ形状を見出すことができる。図１４は、ランダム位置の他にランダム地点を追加することを可能にする、図１３のパターン生成方法によって生成される、高性能を提供する実施形態による分配されたリフレクタドット形状の一例のパターンを示している。パターンは、無作為に分配された１００μｍ～４００μｍサイズのランダムな多角形を備える。グリッドの反射率は３０％であり、８０の要素（多角形）がある。図１５は、人間の目の場合のＭＦＴ対特定周波数と比較した、図１４（スパースアパーチャリフレクタ）の反射ドットの生成パターンの場合のＭＦＴ対特定周波数を示している。図１６は、反射率対角度を示すことによって、図１４のランダムな要素の回折を示している。
最適化戦略に関して、２つの良く知られている心理視覚的原理にも注目する。
輝度の変化は色の変化よりも重要である。人間の網膜は、約１億２０００万個の輝度に反応する杆細胞を含むが、色に反応する錐状体細胞は約６００万個しかない。低周波数の変化は高周波数の変化よりも重要である。人間の目は、物体の縁部のように、低周波数の光の変化を判断するのに優れている。複雑なパターンまたはテクスチャの微細な詳細のように、高周波数の光の変化を判断する正確性はそれよりも低い。高周波数パターンはカモフラージュされた物の低周波数縁部を分断するので、カモフラージュは部分的に役立つ。これは、以下に基づく追加の戦略を提案する。
１．準連続的なリフレクタ形状（チューリング成長モデルのようなもの）。
２．より大きい正味の反射面積が達成されるように、特定の色および角度に対して最適化された、反射性コーティング（誘電性）を有する部分反射性の分布。
いくつかの実施形態では、最も有用な方法は、擬似ランダム環境におけるパターン「成長」を可能にするチューリング反応拡散モデルを適用するものである。これはアラン・チューリングにちなんで名付けられたものであり、元々は、動物のカモフラージュなどのパターン形成を数学的に説明するのに使用された。図１３は、一実施形態による、副瞳リフレクタのパターンを生成するのに使用することができる、パターン成長を最適化するかかる方法を示している。成長パターン１３０１が最初に提供されると（非限定例として、図１４または図１８は、パターンを成長させるための分布に対する例示の開始点を与える）、第１のプロセス１３０２および第２のプロセス１３０５の両方が進行する。いくつかの実施形態では、第１のプロセスおよび第２のプロセスは連続して実施されるが、他の実施形態では、並行して実施されてもよい。別個の出力および計算が、プロセス１３０２および１３０５にそれぞれ提供される。プロセス１３０２は、ステップ１３０３でＭＦＴ分析を実施することを含む。その後、プロセス１３０２は、ステップ１３０４でアキュータンスＡを計算することを含む（式９を参照）。ステップ１３０４で計算されたアキュータンスＡｔが現在の最大値Ａｔ－１よりも大きい場合（ステップ１３０８を参照）、パターンが保持されることが可能である（ステップ１３１０を参照）。そうではなく、計算されたアキュータンスＡｔがＡｔ－１以下の場合（ステップ１３０８を参照）、第１のプロセスは成長パターン１３０１を提供するステップに戻り、プロセスは再び開始される。第２のプロセス１３０５は、ステップ１３０６でＦＦＴ分析を実施することを含む（式１０を参照）。その後、プロセス１３０５は回折Ｄ（ｒ）を計算することを更に含む。いくつかの実施形態では、これは、積分回折および／または径方向重み付きであってもよい（ステップ１３０７を参照）。ステップ１３０７で計算されたＤ（ｒ）が現在の最小値Ｄｔ－１よりも小さい場合（ステップ１３０９を参照）、ステップ１３０１で提供された成長パターンが、光コンバイナにおける反射ドットのパターンとして使用するように保持／選択され（第１のプロセス１３０２も、同じパターンが保持されてもよいと決定するものと仮定（ステップ１３０４、１３０７、１３１０を参照））、そうではなく、計算された回折ＤｔがＤｔ－１以下の場合（ステップ１３０９を参照）、第２のプロセスは成長パターン１３０１を提供するステップに戻り、プロセスはそこで再び開始される。ここで、ｔは現在時間であり、ｔ－１は以前の時間である。したがって、ＡｔがＡｔ－１よりも大きく、かつＤｔがＤｔ－１よりも小さい場合、光コンバイナで使用する成長パターンが選択される。選択された成長パターンに従って配置された反射ドットを有する光コンバイナによって、既存の光コンバイナと比較して、回折ならびにＭＴＦおよび画像強度の劣化などのアーチファクトが低減される。
成長パターン化されたリフレクタ（チューリング拡散アルゴリズム）
次に、成長パターンリフレクタを製作するために反射ドットのパターンを成長させる、本発明の技術のいくつかの方策に従って採用されてもよい、反応－拡散モデル化プロセスを更に詳細に参照する。
基本的な説明は、本明細書に完全に記載されるものとしてその全内容を参照により組み込む、Ｋｅｓｔｒｅｌｓ ａｎｄ Ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ，Ｈｉｓｔｏｒｉｅｓ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｆｒｏｍ Ｋｅｌｅ Ｗ．Ｃａｂｌｅ，Ａｌａｎ Ｔｕｒｉｎｇ’ｓ Ｒｅａｃｔｉｏｎ－Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ－Ｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｍｐｌｅｘ，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １ ２０１０，（ｈｔｔｐｓ：／／ｐｈｙｌｏｇｅｎｏｕｓ．ｗｏｒｄｐｒｅｓｓ．ｃｏｍ／２０１０／１２／０１／ａｌａｎ－ｔｕｒｉｎｇｓ－ｒｅａｃｔｉｏｎ－ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ－ｍｏｄｅｌ－ｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ－ｏｆ－ｔｈｅ－ｃｏｍｐｌｅｘ／）に見出すことができ、ある範囲の異なる非対称パターンを制御された形で成長させることができる。非対称性は回折効果を低減するのに活用される。図１７は、一実施形態による、Ｋｅｓｔｒｅｌｓ ａｎｄ Ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ文献から取ったパターン成長に対するチューリング拡散方程式の基本を示す方程式図である。
図１７は、アラン・チューリングの１９５２年の文献“Ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｍｏｒｐｈｏｇｅｎｅｓｉｓ”（本明細書に完全に記載されるものとしてその全内容を参照により組み込む文献、Ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｍｏｒｐｈｏｇｅｎｅｓｉｓ，Ａｌａｎ Ｍａｔｈｉｓｏｎ Ｔｕｒｉｎｇ，Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ：１４ Ａｕｇｕｓｔ １９５２ ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０９８／ｒｓｔｂ．１９５２．００１２，Ｖｏｌｕｍｅ ２３７，Ｉｓｓｕｅ ６４１ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ：Ｒｏｙａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙを参照のこと）によって元々規定されたような、パターン形成に対する反応－拡散プロセスをもたらす、原理上の数学的関係の概要を示している。これは、２つの均質に分配された反応性化合物（「モルフォゲン」と称される）ｕおよびｖが特定の空間（本発明の場合、例えば、瞳孔サイズの面積）を占める、二成分反応－拡散システムである。モルフォゲンは両方とも、組織内で元々生成された位置から広がる（「拡散する」）ことができる（ここでは、プロセスをランダム分布から始める）。一方のモルフォゲンｕはゆっくり拡散し、近接部位における展開の活性化体として役立つ。第２のモルフォゲンｖは、第１のものの阻害体であり、発生した位置からより迅速に広がるので、より広い範囲で作用する。これら２つのモルフォゲンの相互作用（または「反応」）によって、展開中の空間パターンの自律的生成が可能になる。広がりの速度は、活性化体および阻害体それぞれに対して、拡散係数ＤｕおよびＤｖ、ならびにラプラシアン空間演算子ΔｕおよびΔｖによって決定される。反応は、Ｆ（ｕ，ｖ）およびＧ（ｕ，ｖ）によって支配される生成と、ｄｕｕおよびｄｖｖによって支配される劣化との両方を含む。非線形力学系に対して、Ｆ（ｕ，ｖ）およびＧ（ｕ，ｖ）が得られる（本明細書に完全に記載されるものとしてその全内容を参照により組み込む、Ｐｈｙｓｉｃａ Ａ：Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｖｏｌｕｍｅ ４１９，１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１５，Ｐａｇｅｓ ４８７－４９７，Ｐａｔｔｅｒｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ａｎ ａｃｔｉｖａｔｏｒ－ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｐｏｗｅｒ－ｌａｗ ｃｏｕｐｌｉｎｇ，Ｆ．Ａ．ｄｏｓ Ｓ．ＳｉｌｖａＲ．Ｌ．Ｖｉａｎａ Ｓ．Ｒ．Ｌｏｐｅｓ，ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．Ｏｒｇ／１０．１０１６／ｊ．ｐｈｙｓａ．２０１４．０９．０５９，Ｅｌｓｅｖｉｅｒを参照のこと）。
Figure 2022516730000010
式中、ρｕおよびρｖはそれぞれ、活性化体および阻害体の生産率である。代替の反応－拡散成長モデルの例は、例えば、本明細書に完全に記載されるものとしてその全内容を参照により組み込む、やはり同様のパターンをもたらす、Ｈｅａｒｎ ＤＪ（２０１９）Ｔｕｒｉｎｇ－ｌｉｋｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｎ ａ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｒｅａｃｔｉｏｎ－ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｒｅｃｒｅａｔｅｓ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｖａｓｃｕｌａｒ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｓｔｅｍｓ．ＰＬｏＳ ＯＮＥ １４（７）：ｅ０２１９０５５．ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１３７１／ｊｏｕｒｎａｌ．ｐｏｎｅ．０２１９０５５に見出すことができる。
他のいくつかの実施形態では、他の反応－拡散モデルが採用されてもよい。更に、他の実施形態において、他のタイプの成長パターンも採用されてもよい。
図１８～図２３は、生産量低下および拡散パラメータを変動させることによって修正される、図１７を利用することによって修正される図１３の方法を使用して生成される、成長パターンリフレクタの例を示している。図１８は、反射率２９％の成長パターンリフレクタを示し、図１９は、人間の目の場合のＭＦＴ対特定周波数と比較した、図１８（スパースアパーチャリフレクタ）の反射ドットの生成パターンの場合のＭＦＴ対特定周波数を示している。図２０は、反射率対角度を示すことによって、図１８のランダムな要素の回折を示している。図２１は、反射率４４％の成長パターンリフレクタを示している。図２２は、人間の目の場合のＭＦＴ対特定周波数と比較した、図２１（スパースアパーチャリフレクタ）の反射ドットの生成パターンの場合のＭＦＴ対特定周波数を示している。図２３は、反射率対角度を示すことによって、図２１のランダムな要素の回折を示している。図２２のＭＴＦプロットを図１９と比較すると、ＭＴＦ応答は、単純な幾何学形状の場合よりも正味の反射率に対する感度がはるかに低いことが分かり、かかる非対称でフィラメント状のパターニングの有用性が示されている。
上述のチューリング反応拡散モデル（および実施形態の他の反応－拡散モデル）に基づいた成長モデルは、少なくとも２つの反応化合物（ｕ，ｖ）を有するが、他の実施形態では、パターンをもたらす反応をモデル化する、３つおよび４つの化合物などであるがそれらに限定されない、２つを超える化合物が存在してもよい。
本発明の技術の他の態様では、必ずしもチューリング反応拡散モデルではないパターン成長モデルを利用することによって、反射ドットのパターンが提供される。いくつかの実施形態では、パターン成長モデルは反応拡散モデル化プロセスに基づく。いくつかの実施形態では、反応拡散モデルプロセスは、特定のクラスタを与える経験的に見出される特定の範囲にわたる劣化および拡散パラメータの乱数を使用する、乱数シードから開始される。非限定例として、図１４または図１８は、反射ドットのパターンを成長させる分布の一例の開始点を与える。いくつかの実施形態では、拡散パラメータが固定され、他のいくつかの実施形態では、拡散パラメータは反復する。いくつかの実施形態では、生産および劣化係数は、触媒または母集団を提供するため、数パーセント無作為に変動する。図１３は、いくつかの実施形態による、副瞳リフレクタドットのパターンを生成するのに使用することができる、また図１７に表される反応－拡散プロセスなどであるがそれに限定されない反応拡散モデル化プロセスを利用する、パターン成長の最適化方法を示している。
本発明の技術の態様によれば、光コンバイナまたは光導波路における反射ドットのパターンは、図１１～図２３を参照して本明細書に記載する任意の１つもしくは複数の実施形態による、反射ドットのパターンを生成する方法に従って決定される。
いくつかの実施形態では、図１～図１０を参照して本明細書に記載する、光導波路またはシステム１００、２００、３００、４００、６００、７００、および８００の実施形態の任意の１つもしくは複数における共通または別個の面内の反射ドットのパターンは、図１１～図２３を参照して本明細書に記載する任意の１つもしくは複数の実施形態による、反射ドットのパターンを生成する方法に従って決定される。
例えば、いくつかの実施形態では、図２の光コンバイナ２００のスパースアパーチャリフレクタ２１５、２２０、２２５、２３０の任意の１つまたは複数における反射ドット１０８のパターンは、図１１～図２３を参照して本明細書に記載する実施形態による、反射ドットのパターンを生成する方法の任意の１つまたは複数に従って決定される。いくつかの実施形態では、スパースアパーチャリフレクタ２１５、２２０、２２５、２３０の１つまたは複数は成長パターンリフレクタであり、それによって、リフレクタドットのパターンは、生産量低下および拡散パラメータを変動させることによって修正される、図１７を利用することによって修正される図１３を参照して記載される実施形態を含む、本明細書に記載するパターンを成長させる方法の実施形態のうち任意の１つに従って決定される。
また、例として、いくつかの実施形態では、図３のスパースアパーチャリフレクタ３３０におけるリフレクタドットのパターンは、図１１～図２３を参照して本明細書に記載する実施形態による、反射ドットのパターンを生成する方法の任意の１つまたは複数に従って決定される。いくつかの実施形態では、スパースアパーチャリフレクタ３３０の１つまたは複数は成長パターンリフレクタであり、それによって、リフレクタドットのパターンは、生産量低下および拡散パラメータを変動させることによって修正される、図１７を利用することによって修正される図１３を参照して記載される実施形態を含む、本明細書に記載するパターンを成長させる方法の実施形態のうち任意の１つに従って決定される。例として、図３Ａに示される黒い正方形はそれぞれ、本明細書に記載する反射ドットのパターンを成長させる方法のうち任意の１つに従って提供される、成長パターンに対応するパターンで配置された、複数の反射ドットに対応することができる。例えば、図３Ａに示される黒い正方形はそれぞれ、図１８または図２１に示される成長パターングリッドなどであるがそれに限定されない、成長パターンに従って配置された複数の反射ドットであってもよい。
また、更に例として、いくつかの実施形態では、光コンバイナ１００の別個の面１１５、１２０、１２５、１３０の任意の１つまたは複数におけるリフレクタドット１０８のパターンは、図１１～図２３を参照して本明細書に記載する実施形態による、反射ドットのパターンを生成する方法の任意の１つまたは複数に従って決定される。いくつかの実施形態では、光コンバイナ１００の共通または別個の面１１５、１２０、１２５、１３０の任意の１つもしくは複数における反射ドット１０８のパターンは、生産量低下および拡散パラメータを変動させることによって修正される、図１７を利用することによって修正される図１３を参照して記載される実施形態を含む、本明細書に記載するパターンを成長させる方法の実施形態の任意の１つもしくは複数に従って決定される、成長パターンである。
更にまた、いくつかの実施形態では、図１０の別個の面１０００を含む光コンバイナの別個の面の任意の１つまたは複数におけるリフレクタドットのパターンは、図１１～図２３を参照して本明細書に記載する実施形態による、反射ドットのパターンを生成する方法の任意の１つまたは複数に従って決定される。いくつかの実施形態では、別個の面１０００を含む共通または別個の面の任意の１つもしくは複数における反射ドット１０８のパターンは、生産量低下および拡散パラメータを変動させることによって修正される、図１７を利用することによって修正される図１３を参照して記載される実施形態を含む、本明細書に記載するパターンを成長させる方法の任意の１つもしくは複数に従って決定される、成長パターンである。
本発明の技術のいくつかの態様によれば、光学基板に成長パターンで反射ドットを配置する方法の任意の１つは、光コンバイナの更なる最適化戦略に使用することができる。
光導波路の場合、画像を構成する光線角度を互いに対して維持する必要があり、この反射面、即ちパターンを含む面に関して、互いに対して平行である必要がある。製造の便宜上、一連の別個の平行な面に限定されるが、各反射要素が互いに平行である限り、最適化される任意の場所に分配することができる（例として、図９を参照）。
更に他の態様によれば、本明細書に開示する実施形態の光コンバイナはいずれも、光反射性副瞳ドットが、上述のパターン成長モデルの任意の１つによって成長するパターンに対応するパターンで配置される、プロセスによって構築される。光コンバイナの構築の非限定例は、図３Ａ、図３Ｂ、ならびに図４Ａ、および図４Ｂを参照して上述している。
少なくともいくつかの実施形態の固有の特徴によって、従来の誘電性コーティングではより大きい入射角で困難およびアーチファクトが生じる二次的画像形成を抑制する、吸収または反射防止コーティングを有することができる、小さい反射性の特徴（ドット）を用いた導波路イメージングが可能になる。
イメージング解像度（ＭＴＦ）が大幅に改善された最適なリフレクタ構成を決定する新しい技術は、人間の視覚により適合され、回折効果を低減させた。
図２４は、コンピュータシステム４４０１の形態である機械の一実施形態の模式的表現であり、本明細書で考察する方法論の任意の１つまたは複数を機械に実施させる一連の命令が含まれ、本明細書において記載または想到されるパターン成長モデルの任意の１つによる、複数の反射ドットのパターンを決定する方法の任意の１つを含むがそれに限定されない、本明細書に記載するプロセスの任意の１つもしくは組み合わせを実施するのに使用されるコンピュータ実装方法ステップを含んでいる。様々な例示の実施形態では、機械は独立型デバイスとして動作し、他の機械に接続（例えば、ネットワーク化）されるか、あるいはヘッドマウントディスプレイまたはヘッドアップディスプレイ自体に統合されてもよい。ネットワーク化された展開では、機械は、サーバ－クライアントネットワーク環境におけるサーバまたはクライアント機械の資格において、あるいはピアツーピア（または分配）ネットワーク環境におけるピアマシンとして動作してもよい。機械は、ロボット構造マーキングデバイス、基地局、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットＰＣ、セットトップボックス（ＳＴＢ）、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯電話、ポータブル音楽プレーヤー（例えば、ムービングピクチャーエキスパーツグループオーディオレイヤ３（ＭＰ３）プレーヤーなどのポータブルハードドライブ音声デバイス）、ウェブアプライアンス、ネットワークルータ、スイッチもしくはブリッジ、または機械によって行われるべき動作を指定する命令セットを（逐次もしくは別の方法で）実行することができる任意の機械であってもよい。更に、単一の機械のみが示されているが、「機械」という用語は、個々にまたは併せて命令セット（もしくは複数のセット）を実行して、本明細書で考察する方法論の任意の１つもしくは複数を実施する、機械の任意の集合体を含むようにも解釈されるべきである。
コンピュータシステム４４０１の実施形態は、バス４４２０を介して互いと通信する、プロセッサまたは複数のプロセッサ４４０５（例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィックス処理装置（ＧＰＵ）、または両方）と、メインメモリ４４１０およびスタティックメモリ４４１５とを含む。コンピュータシステム４４０１は更に、ビデオディスプレイ４４３５（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ））を含んでもよい。コンピュータシステム４４０１はまた、英数字入力デバイス４４３０（例えば、キーボード）と、カーソル制御デバイス（例えば、マウス）と、音声認識もしくは生体検証ユニット（図示なし）と、ドライブユニット４４３７（ディスクドライブユニットとも呼ばれる）と、信号生成デバイス４４４０（例えば、スピーカー）と、ネットワークインターフェースデバイス４４４５とを含んでもよい。コンピュータシステム４４０１は更に、データを暗号化するデータ暗号化モジュール（図示なし）を含んでもよい。
ドライブユニット４４３７は、本明細書に記載する方法論または機能の任意の１つもしくは複数を具体化または利用する、１つもしくは複数の命令セットおよびデータ構造（例えば、命令４４５５）が格納される、コンピュータまたは機械可読媒体４４５０を含む。命令４４５５はまた、コンピュータシステム４４０１による実行中、完全にまたは少なくとも部分的に、メインメモリ４４１０内および／またはプロセッサ４４０５内に常駐してもよい。メインメモリ４４１０およびプロセッサ４４０５はまた、機械可読媒体を構築してもよい。
命令４４５５は更に、多数の良く知られている転送プロトコルの任意の１つ（例えば、ハイパーテキスト転送プロトコル（ＨＴＴＰ））を利用して、ネットワークインターフェースデバイス４４４５を介して、ネットワークを通じて送信または受信されてもよい。機械可読媒体４４５０は、例示の実施形態では単一の媒体として示されているが、「コンピュータ可読媒体」という用語は、１つもしくは複数の命令セットを格納する、単一の媒体または複数の媒体（例えば、集中型もしくは分散型データベース、ならびに／または関連するキャッシュおよびサーバ）を含むものと解釈されるべきである。「コンピュータ可読媒体」という用語はまた、機械によって実行される命令セットを格納、符号化、または保持することができ、本出願の方法論の任意の１つもしくは複数を機械に実施させるか、あるいはかかる命令セットによって利用されるかまたはかかる命令セットと関連付けられる、データ構造を格納、符号化、または保持することができる、任意の媒体を含むものと解釈されるべきである。「コンピュータ可読媒体」という用語は、したがって、固体メモリ、光学および磁気媒体、ならびに搬送波信号を含むがそれらに限定されないものと解釈されるべきである。かかる媒体はまた、非限定的に、ハードディスク、フロッピーディスク、フラッシュメモリカード、デジタルビデオディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）などを含んでもよい。本明細書に記載する例示の実施形態は、コンピュータにインストールされたソフトウェアを備える動作環境で、ハードウェアで、またはソフトウェアとハードウェアの組み合わせで実現されてもよい。
コンピュータシステム４４０１の全ての構成要素が必ずしも必須ではなく、したがって、必要であれば、入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス（例えば、入力デバイス４４３０）など、コンピュータシステム４４０１の一部を除去することができる。当業者であれば、インターネットサービスは、インターネットサービスに結合された１つまたは複数のコンピューティングデバイスにインターネットアクセスを提供するように構成されてもよく、コンピューティングデバイスは、１つまたは複数のプロセッサ、バス、メモリデバイス、ディスプレイデバイス、入出力デバイスなどを含んでもよいことを認識するであろう。更に、当業者であれば、インターネットサービスは、本明細書に記載するような開示の実施形態のうち任意のものを実現するために利用されてもよい、１つまたは複数のデータベース、レポジトリ、サーバなどに結合されてもよいことを理解することができる。
本明細書で使用するとき、「モジュール」という用語は、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）、電子回路、１つもしくは複数のソフトウェアまたはファームウェアプログラムを実行するプロセッサ（共有、専用、もしくはグループ）、組み合わせ論理回路、および／あるいは記載する機能性を提供する他の好適な構成要素のいずれかも指してもよい。
以下の特許請求の範囲における全てのミーンズまたはステッププラスファンクション要素の対応する構造、材料、動作、および等価物は、具体的に特許請求されるものとして他の請求される要素との組み合わせで機能を実施する、任意の構造、材料、または動作を含むものとする。本発明の技術の記載は、例証および説明の目的で提示してきたが、排他的であるか、または本発明の技術を開示される形態に限定しようとするものではない。本発明の技術の範囲および趣旨から逸脱することなく、多くの修正および変形が当業者には明白となるであろう。本発明の技術およびその実用的用途の原理を最良に説明し、他の当業者が、想到される特定の使用に適合されるような様々な修正を含む様々な実施形態に関して、本発明の技術を理解できるようにするために、例示の実施形態を選択し記載した。
本発明の技術の態様を、本発明の技術の実施形態による、方法、装置（システム）、およびコンピュータプログラム製品のフローチャート図および／またはブロック図を用いて上記に記載している。フローチャート図および／またはブロック図における各ブロック、ならびにフローチャート図および／またはブロック図におけるブロックの組み合わせは、コンピュータプログラム命令によって実現できることが理解されるであろう。コンピュータプログラム命令は、機械を作成するのに、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサに提供されてもよく、それによって、コンピュータまたは他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサを介して実行する命令は、フローチャートおよび／またはブロック図のブロックにおいて指定された機能／動作を実現する手段を作成する。
これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、または他のデバイスに特定の方式で機能するように指令することができる、コンピュータ可読媒体に格納されてもよく、それによって、コンピュータ可読媒体に格納された命令は、フローチャートおよび／またはブロック図のブロックにおいて指定された機能／動作を実現する命令を含む、製品を作成する。
コンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、または他のデバイスにロードされて、一連の動作ステップをコンピュータ、他のプログラマブル装置、または他のデバイス上で実施させて、コンピュータ実装プロセスを生成してもよく、それによって、コンピュータまたは他のプログラマブル装置上で実行する命令は、フローチャートおよび／またはブロック図のブロックにおいて指定された機能／動作を実現するプロセスを提供する。
図面中のブロック図は、本発明の技術の様々な実施形態による、システム、方法、およびコンピュータプログラム製品の可能な実現例のアーキテクチャ、機能性、および動作を示している。これに関して、ブロック図は、指定された論理機能を実現する１つまたは複数の実行可能命令を備える、モジュール、セグメント、またはコードの部分を表してもよい。また、いくつかの代替実現例では、ブロックに示される機能は、図面に示される以外の順序で行われてもよいことが注目されるべきである。例えば、連続して示される２つのブロックは、関与する機能性に応じて、実際には実質的に同時に実行されてもよく、またはブロックは場合によっては逆の順序で実行されてもよい。また、ブロック図および／またはフローチャート図の各ブロック、ならびにブロック図および／またはフローチャート図におけるブロックの組み合わせは、指定された機能もしくは動作を実施する特定用途向けのハードウェアベースのシステム、または特定用途向けのハードウェアとコンピュータ命令との組み合わせによって実現できることが注目される。
本明細書全体を通して、「一実施形態」または「ある実施形態」などの参照は、実施形態と関連して記載される特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、「一実施形態では」または「ある実施形態では」または「一実施形態によれば」という語句（あるいは類似の意味を有する他の語句）が、本明細書全体を通して様々な場所に出現するが、必ずしも全てが同じ実施形態を指すとは限らない。更に、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において、任意の好適な形で組み合わされてもよい。更に、本明細書における考察の文脈に応じて、単数形の用語はその複数形を含んでもよく、複数形の用語はその単数形を含んでもよい。同様に、ハイフンで結ばれた用語（例えば、「オンデマンド（ｏｎ－ｄｅｍａｎｄ）」）は、その用語のハイフンで結ばれていない形（例えば、「オンデマンド（ｏｎ ｄｅｍａｎｄ）」）と、場合によっては交換可能に使用されることがあり、大文字の入力（例えば、「ソフトウェア（Ｓｏｆｔｗａｒｅ）」）は、その用語の大文字ではない形（例えば、「ソフトウェア（ｓｏｆｔｗａｒｅ）」）と交換可能に使用されることがあり、複数形はアポストロフィを有してもしくは有さずに示されることがあり（例えば、ＰＥ’ｓもしくはＰＥｓ）、イタリック体の用語（例えば、「Ｎ＋１」）は、そのイタリック体ではない形（例えば、「Ｎ＋１」）と交換可能に使用されることがある。かかる場合によっては交換可能な使用は、互いに不一致であると見なされるべきではない。
また、いくつかの実施形態は、タスクまたは一連のタスクを実施する「ための手段」に関して記載されることがある。「～ための手段」は、本明細書では、プロセッサ、メモリ、カメラなどのＩ／Ｏデバイス、またはそれらの組み合わせなど、構造に関して表現されてもよいことが理解されるであろう。あるいは、「～ための手段」は、機能または方法ステップを説明するアルゴリズムを含んでもよく、更に他の実施形態では、「～ための手段」は、数式、文に関して、またはフローチャートもしくは信号図として表現される。
本明細書で使用する専門用語は、特定の実施形態のみについて記載するためのものであり、本発明を限定しようとするものではない。本明細書で使用するとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈によって別段の明示がない限り、複数形も含むものとする。更に、「備える」および／または「備えている」という用語は、本明細書で使用するとき、提示された特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを指定するが、１つもしくは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在あるいは追加を除外しないことが、理解されるであろう。
任意の開示が本明細書に組み込まれ、かかる組み込まれた開示が本開示と部分的および／または全体的に矛盾する場合、矛盾、ならびに／またはより広範な開示、ならびに／またはより広範な用語の定義の範囲で、本開示が優先する。かかる組み込まれた開示が互いに対して部分的および／または全体的に矛盾する場合、矛盾の範囲で、より新しい開示が優先する。
本明細書で使用する専門用語は、直接または間接的、全体的または部分的、一時的または恒久的、即時または遅延、同期または非同期、活動または休止を示唆することができる。例えば、ある要素が別の要素「上」にあるか、別の要素に「接続」または「結合」されるものと示された場合、その要素は、直接他の要素上にあるか、他の要素に直接接続または結合されることが可能であり、ならびに／あるいは間接および／または直接の変形例を含んで、介在要素が存在してもよい。対照的に、ある要素が別の要素に「直接接続」または「直接結合」されるものと示された場合、介在要素は存在しない。本明細書は例証であって限定ではない。技術の多くの変形例が、本開示を精査することによって当業者には明白となるであろう。
本明細書で言及される全ての刊行物（以下に列挙するものを含む）、特許、および特許出願は、個々の刊行物、特許、または特許出願の全体が参照により組み込まれるものと具体的に個別に示された場合と同じ範囲で、全体が参照により組み込まれる。
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Claims (28)

  1. 光透過性基板と、
    前記光透過性基板に含まれ、前記基板の波伝播軸に沿って配設されたパターン化領域と、を備え、
    前記パターン化領域が、部分的に光反射性であり部分的に光透過性であり、
    前記パターン化領域が、前記光透過性基板の複数の光透過領域と複数の光反射性副瞳ドットとを備え、前記複数の光反射性副瞳ドットが前記光透過性基板の波伝播軸に対して傾斜し、
    前記パターン化領域が成長パターン領域である、
    光コンバイナ。
  2. 前記成長パターン領域が反応拡散モデルに従って決定される、請求項１に記載の光コンバイナ。
  3. 前記反応拡散モデルがチューリングリーチ拡散モデルを含む、請求項２に記載の光コンバイナ。
  4. 前記光透過性基板が光導波路基板を含む、請求項１に記載の光コンバイナ。
  5. 前記光透過性基板がニアアイ光導波路基板を含む、請求項４に記載の光コンバイナ。
  6. プロセスによって構築される光コンバイナであって、前記プロセスが、
    光透過性基板を提供することと、
    前記基板の波伝播軸を横断する少なくとも１つの共通または別個の面内で、前記光透過性基板に少なくとも１つのパターン化領域を組み込むことであって、前記パターン化領域が、部分的に光反射性であり部分的に光透過性である、少なくとも１つのパターン化領域を組み込むこととを含み、
    前記基板の前記波伝播軸を横断する前記少なくとも１つの共通または別個の面内で、前記光透過性基板に前記少なくとも１つのパターン化領域を組み込むことが、
    パターン成長モデルに従って複数の光反射性副瞳ドットのパターンを成長させることによって、前記複数の光反射性副瞳ドットの前記パターンを決定するステップと、
    前記パターン成長モデルに従って成長させる前記パターンで、前記共通または別個の面内で前記光透過性基板に前記複数の光反射性副瞳ドットを配置するステップと、を含む、光コンバイナ。
  7. パターン成長モデルに従って複数の光反射性副瞳ドットのパターンを成長させることによって、前記複数の光反射性副瞳ドットの前記パターンを決定する前記ステップが、反応拡散成長モデルに従って前記複数の光反射性副瞳ドットの前記パターンを成長させることによって、前記複数の光反射性副瞳ドットの前記パターンを決定することを含む、請求項６に記載の光コンバイナ。
  8. 反応拡散成長モデルに従って前記複数の光反射性副瞳ドットの前記パターンを成長させることによって、前記複数の光反射性副瞳ドットの前記パターンを決定する前記ステップが、チューリング反応拡散成長モデルに従って前記複数の光反射性副瞳ドットの前記パターンを成長させることによって、前記複数の光反射性副瞳ドットの前記パターンを決定することを含む、請求項７に記載の光コンバイナ。
  9. 光透過性基板を提供することが、光学的にニアアイ光導波路基板である光導波路基板を提供することを含む、請求項１に記載の光コンバイナ。
  10. パターン成長モデルに従って複数の光反射性副瞳ドットのパターンを成長させることによって、前記複数の光反射性副瞳ドットの前記パターンを決定する前記ステップが、
    ａ）パターン成長モデルに従って第１の時間ｔ－１で、光反射性副瞳ドットの初期成長パターンを提供するステップと、
    ｂ）前記第１の時間ｔ－１で、前記初期成長パターンに対してＭＦＴ分析を実施するステップと、
    ｃ）ステップｂ）で実施した前記ＭＦＴ分析に基づいてアキュータンスＡを決定するステップと、
    ｄ）前記第１の時間ｔ－１で、前記初期成長パターンに対してＦＦＴ分析を実施するステップと、
    ｅ）ステップｄ）で実施した前記ＦＦＴ分析に基づいて回折を決定するステップと、
    ｆ）第２の時間ｔでステップａ）～ｅ）を繰り返すステップと、
    ｇ）決定した前記アキュータンスＡおよび回折に従って、特定の時間で前記成長パターンを選択するステップと、を含む、請求項６に記載の光コンバイナ。
  11. 前記パターン成長モデルが反応拡散成長モデルを含み、
    ステップｄ）で実施した前記ＦＦＴ分析に基づいて回折を決定する前記ステップが、ステップｄ）で実施した前記ＦＦＴ分析に基づいて、径方向で重み付けられた回折を積分することを含む、請求項１０に記載の光コンバイナ。
  12. 前記決定したアキュータンスＡおよび回折に従って、特定の時間で前記成長パターンを選択するステップ（ｇ）が、
    前記第２の時間ｔで決定された前記アキュータンスＡが以前の前記第１の時間ｔ－１の前記アキュータンスＡよりも大きい場合、および現在の第２の時間ｔの積分回折が以前の前記第１の時間ｔ－１の前記積分回折よりも小さい場合、前記現在の第２の時間で得られる前記成長パターンを選択することを含む、請求項１１に記載の光コンバイナ。
  13. 前記決定したアキュータンスＡおよび回折に従って、現在の第２の時間ｔで前記成長パターンを選択するステップ（ｇ）が、
    前記現在の第２の時間ｔで決定された前記アキュータンスＡが前記以前の第１の時間ｔ－１の前記アキュータンスＡ以下の場合、および前記現在の第２の時間ｔの前記積分回折が前記以前の第１の時間ｔ－１の前記積分回折以上である場合、現在の第２の時間ｔで決定された前記アキュータンスＡが前記以前の第１の時間ｔ－１の前記アキュータンスＡよりも大きく、および前記現在の第２の時間ｔの前記積分回折が前記以前の第１の時間ｔ－１の前記積分回折よりも小さくなるまで、後続のそれぞれの時間、ステップ（ａ）から（ｆ）を繰り返すことを更に含む、請求項１２に記載の光コンバイナ。
  14. 前記反応拡散成長モデルがチューリング反応拡散成長モデルである、請求項１３に記載の光コンバイナ。
  15. 光コンバイナに対する複数の光反射性副瞳ドットのパターンを決定する方法であって、コンピュータにおいて、
    ａ）パターン成長モデルに従って第１の時間ｔ－１で、光反射性副瞳ドットの初期成長パターンを提供するステップと、
    ｂ）前記第１の時間ｔ－１で、前記初期成長パターンに対してＭＦＴ分析を実施するステップと、
    ｃ）ステップｂ）で実施した前記ＭＦＴ分析に基づいてアキュータンスＡを決定するステップと、
    ｄ）前記第１の時間ｔ－１で、前記初期成長パターンに対してＦＦＴ分析を実施するステップと、
    ｅ）ステップｄ）で実施した前記ＦＦＴ分析に基づいて回折を決定するステップと、
    ｆ）第２の時間ｔでステップａ）～ｅ）を繰り返すステップと、
    ｇ）決定した前記アキュータンスＡおよび回折に従って、特定の時間で前記成長パターンを選択するステップと、を含む、方法。
  16. 前記パターン成長モデルが反応拡散成長モデルを含む、請求項１５に記載の方法。
  17. ステップｄ）で実施した前記ＦＦＴ分析に基づいて回折を決定する前記ステップが、ステップｄ）で実施した前記ＦＦＴ分析に基づいて、径方向で重み付けられた回折を積分することを含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記決定したアキュータンスＡおよび回折に従って、特定の時間で前記成長パターンを選択するステップ（ｇ）が、
    前記第２の時間ｔで決定された前記アキュータンスＡが以前の前記第１の時間ｔ－１の前記アキュータンスＡよりも大きい場合、および現在の第２の時間ｔの積分回折が以前の前記第１の時間ｔ－１の前記積分回折よりも小さい場合、前記現在の第２の時間で得られる前記成長パターンを選択することを含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記決定したアキュータンスＡおよび回折に従って、現在の第２の時間ｔで前記成長パターンを選択するステップ（ｇ）が、
    前記現在の第２の時間ｔで決定された前記アキュータンスＡが前記以前の第１の時間ｔ－１の前記アキュータンスＡ以下の場合、および前記現在の第２の時間ｔの前記積分回折が前記以前の第１の時間ｔ－１の前記積分回折以上である場合、現在の第２の時間ｔで決定された前記アキュータンスＡが前記以前の第１の時間ｔ－１の前記アキュータンスＡよりも大きく、および前記現在の第２の時間ｔの前記積分回折が前記以前の第１の時間ｔ－１の前記積分回折よりも小さくなるまで、後続のそれぞれの時間、ステップ（ａ）から（ｆ）を繰り返すことを更に含む、請求項１８に記載の光コンバイナ。
  20. 前記反応拡散成長モデルがチューリング反応拡散成長モデルである、請求項１９に記載の光コンバイナ。
  21. 前記パターン成長モデルがランダム生成パターン成長モデルを含む、請求項１５に記載の方法。
  22. 光コンバイナに対する複数の光反射性副瞳ドットのパターンを成長させる方法をプロセッサに実施させるように構成された内容を含む、コンピュータ可読媒体であって、前記方法が、
    ａ）パターン成長モデルに従って第１の時間ｔ－１で、光反射性副瞳ドットの初期成長パターンを提供するステップと、
    ｂ）前記第１の時間ｔ－１で、前記初期成長パターンに対してＭＦＴ分析を実施するステップと、
    ｃ）ステップｂ）で実施した前記ＭＦＴ分析に基づいてアキュータンスＡを決定するステップと、
    ｄ）前記第１の時間ｔ－１で、前記初期成長パターンに対してＦＦＴ分析を実施するステップと、
    ｅ）ステップｄ）で実施した前記ＦＦＴ分析に基づいて回折を決定するステップと、
    ｆ）第２の時間ｔでステップａ）～ｅ）を繰り返すステップと、
    ｇ）決定した前記アキュータンスＡおよび回折に従って、特定の時間で前記成長パターンを選択するステップと、を含む、コンピュータ可読媒体。
  23. 前記パターン成長モデルが反応拡散成長モデルを含む、請求項２２に記載のコンピュータ可読媒体。
  24. ステップｄ）で実施した前記ＦＦＴ分析に基づいて回折を決定する前記ステップが、ステップｄ）で実施した前記ＦＦＴ分析に基づいて、径方向で重み付けられた回折を積分することを含む、請求項２３に記載のコンピュータ可読媒体。
  25. 前記決定したアキュータンスＡおよび回折に従って、特定の時間で前記成長パターンを選択するステップ（ｇ）が、
    前記第２の時間ｔで決定された前記アキュータンスＡが以前の前記第１の時間ｔ－１の前記アキュータンスＡよりも大きい場合、および現在の第２の時間ｔの積分回折が以前の前記第１の時間ｔ－１の前記積分回折よりも小さい場合、前記現在の第２の時間で得られる前記成長パターンを選択することを含む、請求項２４に記載のコンピュータ可読媒体。
  26. 前記決定したアキュータンスＡおよび回折に従って、現在の第２の時間ｔで前記成長パターンを選択するステップ（ｇ）が、
    前記現在の第２の時間ｔで決定された前記アキュータンスＡが前記以前の第１の時間ｔ－１の前記アキュータンスＡ以下の場合、および前記現在の第２の時間ｔの前記積分回折が前記以前の第１の時間ｔ－１の前記積分回折以上である場合、現在の第２の時間ｔで決定された前記アキュータンスＡが前記以前の第１の時間ｔ－１の前記アキュータンスＡよりも大きく、および前記現在の第２の時間ｔの前記積分回折が前記以前の第１の時間ｔ－１の前記積分回折よりも小さくなるまで、後続のそれぞれの時間、ステップ（ａ）から（ｆ）を繰り返すことを更に含む、請求項２５に記載のコンピュータ可読媒体。
  27. 前記反応拡散成長モデルがチューリング反応拡散成長モデルである、請求項２６に記載のコンピュータ可読媒体。
  28. 前記パターン成長モデルがランダム生成パターン成長モデルを含む、請求項２２に記載のコンピュータ可読媒体。
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