JP2023046296A - コンパクトヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】第１の瞳孔複製器及び第２の瞳孔複製器を備える車両用のヘッドアップディスプレイを提供する。
【解決手段】第１の瞳孔複製部は、第１の方向に延びる。第１の瞳孔複製器は、ヘッドアップディスプレイの制限開口を画定する画素アレイを有する空間光変調器からホログラフィック光照射野を受光するように配置される。ホログラフィック光照射野は、空間光変調器に表示されたホログラムに従って空間的に変調された複素光照射野である。第２の瞳孔複製器は、第１の方向及び第１の方向に垂直な第２の方向に延在する。第２の瞳孔複製器は、出力部を形成する第１の主面と、第１の主面に平行な第２の主面とを含む。第１の瞳孔複製器は、第２の瞳孔複製器の第２の主面に実質的に平行で隣接する平面層内に配置される。
【選択図】図９

Description

本開示は、特に発散光線束を含む回折光照射野のための瞳孔拡張又は複製に関する。より詳細には、本開示は、導波路瞳孔拡張器を備える表示システム、及び導波路を使用する瞳孔拡張の方法に関する。いくつかの実施形態は、第１及び第２の導波路瞳孔拡張器を使用する二次元瞳孔拡張に関する。いくつかの実施形態は、画像生成ユニット及びヘッドアップディスプレイ、例えば自動車用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）に関する。

物体から散乱された光は、振幅及び位相情報の両方を含む。この振幅及び位相情報は、例えば、干渉縞を含むホログラフィック記録又は「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板上に取り込むことができる。ホログラムは、元の物体を表す２次元若しくは３次元ホログラフィック再構成、又は再生画像を形成するために、適切な光による照明によって再構成することができる。

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、フレネル変換又はフーリエ変換などの数学的変換に基づく技術によって計算することができる。これらの種類のホログラムは、フレネル／フーリエ変換ホログラム又は単にフレネル／フーリエホログラムと呼ばれ得る。フーリエホログラムは、物体のフーリエ領域／平面表現又は物体の周波数領域／平面表現と考えられ得る。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又は点群技術によって計算されてもよい。

コンピュータ生成ホログラムは、入射光の振幅及び／又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され得る。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又はマイクロミラーを使用して達成され得る。

空間光変調器は、典型的には、セル又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、又は連続であってもよい。あるいは、装置は連続的（すなわち、画素で構成されていない）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、変調された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、変調光が透過して出力される透過手段であってもよい。

ホログラフィックプロジェクタが、本明細書に記載のシステムを使用して備えられ得る。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」に用途を見出される。

本開示の態様は、添付の独立請求項に定義されている。

概して、本開示は画像投影に関する。本発明は、画像投影の方法及び表示装置を備える画像プロジェクタに関する。本開示はまた、画像プロジェクタと観察システムとを備える投影システムに関し、画像プロジェクタは、表示装置から観察システムに光を投影又は中継する。本開示は、単眼及び両眼の観察システムに等しく適用可能である。観察システムは、観察者の１つ又は複数の眼を含むことができる。観察システムは、光パワー（例えば、人間の眼の１つ又は複数のレンズ）を有する光学素子と、観察面（例えば、ヒトの眼の網膜）とを備える。プロジェクタは、「光エンジン」と呼ばれてもよい。表示装置及び表示装置を使用して形成（又は知覚）される画像は、互いに空間的に分離されている。画像は、表示面上に形成されるか、又は観察者によって知覚される。いくつかの実施形態では、画像は虚像であり、表示面は虚像面と呼ばれることがある。他の実施形態では、画像はホログラフィック再構成によって形成された実像であり、画像は観察面に投影又は中継される。画像は、表示装置に表示された回折パターン（例えば、ホログラム）を照明することによって形成される。

表示装置は画素を備える。表示装置の画素は、光を回折させる回折パターン又は構造（ｓｒｕｃｔｕｒｅ）を表示し得る。回折光は、表示装置から空間的に分離された面に結像してもよい。十分に理解されている光学系に従って、最大回折角の大きさは、画素のサイズ及び光の波長などの他の要因によって決定される。

実施形態では、表示装置は、液晶オンシリコン（「ＬＣＯＳ」）空間光変調器（ＳＬＭ）などの空間光変調器である。光は、ＬＣＯＳからカメラ又は眼などの観察エンティティ／システムに向かって、ある範囲の回折角（例えば、０から最大回折角まで）にわたって伝播する。いくつかの実施形態では、拡大技術を使用して、利用可能な回折角の範囲をＬＣＯＳの従来の最大回折角を超えて増加させることができる。

いくつかの例では、（表示されたホログラムから形成された）画像が眼に伝播される。例えば、自由空間内に、又は表示装置と観察者との間のスクリーン若しくは他の受光面上に形成された中間ホログラフィック再構成／画像の空間的に変調された光は、観察者に伝播され得る。

いくつかの他の例では、ホログラム（の光）自体が眼に伝播される。例えば、ホログラムで／ホログラムによって「符号化」されていると非公式に言うことができるホログラムの空間的に変調された光（ホログラフィック再構成、すなわち画像にまだ完全に変換されていない）は、観察者の眼に直接伝播される。実画像又は虚像は、観察者によって知覚され得る。これらの実施形態では、表示装置と観察者との間に形成された中間ホログラフィック再構成／画像は存在しない。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転換又は変換を行うと言われることがある。投影システム又は光エンジンは、観察者が表示装置を効果的に直接見るように構成され得る。

本明細書では、「複素光照射野」である「光照射野」に言及する。「光照射野」という用語は、少なくとも２つの直交する空間方向、例えばｘ及びｙにおいて有限サイズを有する光のパターンを単に示す。「複素」という用語は、本明細書では、単に光照射野の各点における光が振幅値及び位相値によって定義することができ、したがって複素数又は一対の値によって表され得ることを示すために使用される。ホログラム計算のために、複素光照射野は、複素数の２次元配列であってもよく、複素数は、光照射野内の複数の離散位置における光強度及び位相を定義する。本明細書に開示される方法によれば、複素光照射野は、ホログラム面と画像面との間で、例えば＋ｚ及び－ｚ方向になど、前方及び後方に伝播される。光伝播は、波動光学の当業者によく知られているいくつかの異なる手法又は数学的変換のいずれか１つを使用してシミュレーション又はモデル化され得る。

よく理解されている光学系の原理によれば、眼又は他の観察エンティティ／システムによって見ることができる表示装置から伝播する光の角度の範囲は、表示装置と観察エンティティとの間の距離によって変化する。例えば、１メートルの観察距離では、ＬＣＯＳからの狭い範囲の角度のみが瞳孔を通って伝播し、所与の眼の位置に対する網膜に画像を形成することができる。所与の眼の位置に対する網膜に画像を形成するために眼の瞳孔を通って首尾よく伝播することができる、表示装置から伝播される光線の角度の範囲は、観察者に「見える」画像の部分を決定する。言い換えれば、画像のすべての部分が、観察面上のいずれの１つの点からも見えるわけではない（例えば、アイモーションボックス（ｅｙｅ－ｍｏｔｉｏｎ ｂｏｘ）などの観察窓内のいずれの１つの眼の位置など）。

いくつかの実施形態では、観察者によって知覚された画像は、表示装置の上流に現れる虚像である。すなわち、観察者は、画像が表示装置よりも自分たちからさらに遠方にあるように知覚する。したがって、概念的には、観察者が「表示装置サイズの窓」を通して虚像を見ていると考えられてもよく、「表示装置サイズの窓」は、例えば１メートルなどの比較的長い距離で、例えば、直径１ｃｍなど、非常に小さくてもよい。また、ユーザは、それも非常に小さくてもよい、眼の瞳孔（複数可）を通して表示装置サイズの窓を観察している。したがって、視野は小さくなり、見ることができる特定の角度範囲は、いつでも、眼の位置に大きく依存する。

瞳孔拡張器は、眼の瞳孔を通して首尾よく伝播して画像を形成することができる表示装置から伝播される光線の角度範囲をどのように増加させるかという問題に対処する。表示装置は一般的に（相対的に）小さく、投影距離は（相対的に）長い。いくつかの実施形態では、投影距離は、表示装置（すなわち、画素のアレイのサイズ）の入射瞳及び／又は開口の直径若しくは幅よりも、例えば少なくとも２桁など、少なくとも１桁大きい。本開示の実施形態は、画像そのものではなく、画像のホログラムを人間の眼に伝播させる構成に関する。言い換えれば、観察者が受光した光は、画像のホログラムに従って変調される。しかしながら、本開示の他の実施形態は、例えば、スクリーン上に（又はさらに自由空間内に）形成されたホログラフィック再構成又は「再生画像」の光が人間の眼に伝播される、いわゆる間接ビューによって、ホログラムではなく画像が人間の眼に伝播される構成に関することができる。

瞳孔拡張器の使用により、観察領域（すなわち、ユーザのアイボックス（ｅｙｅ－ｂｏｘ））が横方向に増加し、したがって、ユーザが画像を見ることが依然として可能でありながら、１つ又は複数の眼がいくらか移動できるようになる。当業者には理解されるように、撮像システムでは、観察領域（ユーザのアイボックス）は、観察者の眼が画像を知覚することができる領域である。本開示は、非無限の虚像距離、すなわち近距離虚像に関する。

従来、２次元瞳孔拡張器は、各々が一対の対向する反射面を使用して形成された１つ又は複数の１次元光導波路を備え、表面からの出力光は、観察者が見るための観察窓、例えばアイボックス又はアイモーションボックスを形成する。表示装置（例えば、ＬＣＯＳからの空間的に変調された光）から受け取った光は、少なくとも１つの次元で視野（又は観察領域）を増加させるために、導波路又は各導波路によって複製される。具体的には、導波路は、入射波面の振幅の分割による余分な光線又は「レプリカ」の生成により、観察窓を拡大する。

表示装置は、５ｃｍｓ未満又は２ｃｍｓ未満など、１０ｃｍｓ未満とすることができる１次元を有するアクティブ領域又は表示領域を有することができる。表示装置と観察システムとの間の伝播距離は、１．５ｍよりも大きい、又は２ｍよりも大きいなど、１ｍよりも大きくてもよい。導波路内の光伝播距離は、最大１．５ｍ又は最大１ｍなど、最大２ｍであってもよい。この方法は、１５ｍｓ未満又は１０ｍｓ未満など２０ｍｓ未満で、画像を受信し、十分な品質の対応するホログラムを決定することが可能であり得る。

本開示による回折又はホログラフィック光照射野の例としてのみ説明される、いくつかの実施形態では、ホログラムは、各チャネルが画像の異なる部分（すなわち、サブ領域）に対応する、複数のチャネルに光を送るように構成される。ホログラムは、空間光変調器などの表示装置に表示するなどして表すことができる。適切な表示装置に表示されると、ホログラムは、観察システムによって画像に変換可能な光を空間的に変調することができる。回折構造によって形成されたチャネルは、単にそれらが画像情報を有するホログラムによって符号化された光のチャネルであることを反映するために、本明細書では「ホログラムチャネル」と呼ばれる。各チャネルの光は、画像又は空間領域ではなくホログラム領域にあると言える。いくつかの実施形態では、ホログラムはフーリエ又はフーリエ変換ホログラムであり、したがってホログラム領域はフーリエ又は周波数領域である。ホログラムは、同様に、フレネル又はフレネル変換ホログラムであってもよい。ホログラムは、本明細書では、ホログラムから再構成され得る画像が有限のサイズを有し、複数の画像サブ領域に任意に分割できることを単に反映するために、光を複数のホログラムチャネルにルーティングするものとして説明され、各ホログラムチャネルは各画像サブ領域に対応する。重要なことに、この例のホログラムは、照明されると、画像コンテンツをどのように分配するかによって特徴付けられる。具体的には、ホログラムは、画像コンテンツを角度で分割する。すなわち、画像上の各点は、照明されると、ホログラムによって形成される空間的に変調された光の固有の光線角度、少なくとも、ホログラムが二次元であるために固有の一対の角度に関連付けられる。誤解を避けるために、このホログラム挙動は従来のものではない。この特殊な種類のホログラムによって形成された空間的に変調された光は、照明されると、複数のホログラムチャネルに任意に分割されてもよく、各ホログラムチャネルは、（二次元の）光線角度の範囲によって定義される。以上から、空間的に変調された光において考慮され得る任意のホログラムチャネル（すなわち、光線角度のサブ範囲）は、画像のそれぞれの部分又はサブ領域に関連付けられることが理解されよう。すなわち、画像のその部分又はサブ領域を再構成するのに必要なすべての情報は、画像のホログラムから形成される空間的に変調された光の角度のサブ範囲内に含まれる。空間的に変調された光が全体として観察される場合、複数の離散光チャネルの証拠は必ずしも存在しない。しかしながら、いくつかの配置では、複数の空間的に分離されたホログラムチャネルは、ホログラムが計算される対象画像の領域を意図的に空白又は空にする（すなわち、画像コンテンツが存在しない）ことによって形成される。

それにもかかわらず、ホログラムは依然として識別され得る。例えば、ホログラムによって形成された空間的に変調された光の連続部分又はサブ領域のみが再構成される場合、画像のサブ領域のみが見えるはずである。空間的に変調された光の異なる連続部分又はサブ領域が再構成される場合、画像の異なるサブ領域が見えるはずである。この種類のホログラムのさらなる識別特徴は、任意のホログラムチャネルの断面積の形状が、少なくともホログラムが計算された正しい平面ではサイズが異なり得るが、入射瞳の形状に実質的に対応する（すなわち、実質的に同じ）ことである。各光／ホログラムチャネルは、異なる角度又は角度範囲でホログラムから伝播する。これらは、この種類のホログラムを特徴付ける又は識別する例示的な方法であるが、他の方法が使用されてもよい。要約すると、本明細書に開示されるホログラムは、ホログラムによって符号化された光内に画像コンテンツがどのように分散するかによって特徴付けられ、識別可能である。やはり、誤解を避けるために、本明細書では、光を向けるか、又は画像を複数のホログラムチャネルに角度分割するように構成されたホログラムへの言及は、例としてのみ行われ、本開示は、任意の種類のホログラフィック光照射野、又はさらに任意の種類の回折型又は回折光照射野の瞳孔拡張にも等しく適用可能である。

概して、入力光照射野に対して瞳孔拡張を提供するシステムが本明細書に開示されており、入力光照射野は、発散光線束を含む回折又はホログラフィック光照射野である。上述したように、瞳孔拡張（「画像複製」又は「複製」若しくは「瞳複製」とも呼ばれる）は、入力光線（又は光線束）の１つ又は複数のレプリカを作成することによって、観察者が画像を見ることができる（又は、観察者の眼が画像を形成するホログラムの光を受光することができる）領域のサイズを増大できるようにする。瞳孔拡張は、１つ又は複数の次元で提供され得る。例えば、２次元の瞳孔拡張を提供することができ、各次元は互いに実質的に直交している。

システムは、コンパクトで合理化された物理的形態で提供され得る。これにより、システムは、スペースが制限され、不動産価値が高いものを含む、広範囲の現実世界の用途に適していることが可能になる。例えば、車両又は自動車用ＨＵＤなどのヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）に実装され得る。

本開示によれば、発散光線束を含み得る回折光又は回折型光に対して瞳孔拡張が提供される。回折型光又は回折光は、ホログラムなどの回折構造（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を表示するように配置された空間光変調器（ＳＬＭ）などの画素化表示装置などの表示装置によって出力され得る。回折光照射野は、「光錐」によって画定され得る。したがって、（２次元平面上に定義される）回折光照射野のサイズは、対応する回折構造（すなわち、表示装置）からの伝播距離と共に増大する。

空間光変調器は、ホログラムを表示するように配置され得る。回折光又は発散光は、画像又はホログラフィック再構成の光ではなく、ホログラムで／ホログラムによって符号化された光を含み得る。したがって、そのような実施形態では、瞳孔拡張器は、観察者に送達される光が画像自体ではなく画像のホログラムに従って空間的に変調されることを伝えるために、ホログラムを複製するか、又はホログラムの少なくとも１つの複製品を形成すると言うことができる。すなわち、回折光照射野が観察者に伝播される。

いくつかの実施形態では、２つの一次元導波路瞳孔拡張器が設けられ、各一次元導波路瞳孔拡張器は、空間光変調器の射出瞳（又は射出瞳の光）の複数のレプリカ又はコピーを形成することによってシステムの射出瞳のサイズを効果的に増大させるように配置される。射出瞳は、光がシステムによって出力される物理的領域であると理解され得る。各導波路瞳孔拡張器は、システムの射出瞳のサイズを拡張するように配置されるとも言える。各導波路瞳孔拡張器は、システムによって出力される光を見る／受け取るために、観察者の眼を配置することができるアイボックスのサイズを拡大／増大するように配置されるとも言える。

本開示では、「レプリカ」という用語は、複素光照射野が複数の異なる光路に沿って向けられるように空間的に変調された光が分割されることを反映するために使用されるにすぎない。「レプリカ」という用語は、瞳孔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又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る光、すなわち、画像自体ではなく画像のホログラムで空間的に変調される光の伝播に関する。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播に関連付けられた複素光照射野が伝播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、伝播距離とは無関係であるため、複製事象に関連付けられた光の２つの分岐又は経路は、分岐が異なる長さであっても、依然として互いの「レプリカ」と呼ばれ、その結果、複素光照射野は、各経路に沿って異なって進展している。すなわち、２つの複素光照射野は、同じ複製事象又は一連の複製事象から生じたとすれば、異なる伝播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」と見なされる。

第１の態様によれば、第１の導波路瞳孔拡張器を備える表示システムが提供される。第１の導波路瞳孔拡張器は、入力ポートと、出力ポートと、第１の対の平行面と、第２の対の平行面とを備える。第１の対の平行面は、第２の対の平行面に直交する。第１の対の平行面は、入力ポートから出力ポートへの回折又は発散（例えばホログラフィック）光照射野をそれらの間の内部反射によって導光するように配置される。第１の対の平行面の第１の面は、光照射野が各内部反射で分割され、光照射野の複数のレプリカが出力ポートを形成する第１の面の領域を透過するように、部分的に透過反射性である。第２の対の平行面はまた、入力ポートから出力ポートへ少なくとも１つの内部反射によって光照射野を導光するように配置される。入力ポートは、第１の対の平行面の第１の面上に／第１の面によって、又は第２の面上に／第２の面によって形成されてもよい。

本開示による「回折光照射野」又は「回折型光照射野」は、回折によって形成された光照射野である。回折光照射野は、対応する回折パターンを照明することによって形成され得る。本開示によれば、回折パターンの例はホログラムであり、回折光照射野の例はホログラフィック光照射野又は画像のホログラフィック再構成を形成する光照射野である。ホログラフィック光照射野は、再生面上の画像の（ホログラフィック）再構成を形成する。ホログラムから再生面に伝播するホログラフィック光照射野は、ホログラムで符号化された光又はホログラム領域の光を含むと言える。回折光照射野は、回折構造の最小特徴サイズ及び（回折光照射野の）光の波長によって決定される回折角によって特徴付けられる。本開示によれば、「回折光照射野」は、対応する回折構造から空間的に分離された平面上に再構成を形成する光照射野であるとも言える。回折構造からの回折光照射野を観察者に伝播するための光学システムが本明細書に開示される。回折光照射野は画像を形成し得る。いくつかの実施形態では、回折光照射野は発散光線束を含む。いくつかの実施形態では、回折光照射野によって形成された画像は虚像である。

いくつかの実施形態では、第１の対の平行／相補的な面は細長い又は伸長された面であり、第１次元に沿って比較的長く、第２次元に沿って比較的短く、例えば２つの他の次元のそれぞれに沿って比較的短く、各次元はそれぞれの他の次元のそれぞれに実質的に直交する。第１の対の平行面の間の／第１の対の平行面からの光の反射／透過のプロセスは、光を第１の導波路瞳孔拡張器内で伝播させるように配置され、光伝播の一般的な方向は、第１の導波路瞳孔拡張器が比較的長い方向（すなわち、その「細長い」方向）である。

いくつかの実施形態では、第２の対の平行面は細長い面であり、第１次元に沿って比較的長く、第２の次元に沿って比較的短く、例えば２つの他の次元のそれぞれに沿って比較的短く、各次元はそれぞれの他の次元のそれぞれに実質的に直交する。

第２の対の平行面もまた、少なくとも１つの内部反射によって入力ポートから出力ポートに光照射野を導光するように配置されている結果として、第１の導波路瞳孔拡張器は、第１の導波路瞳孔拡張器内の光の伝播中に、回折光照射野の光が第２の対の平行面を通して確実に失われないようにする。これは、第１の導波路瞳孔拡張器が比較的薄い場合、特に、その比較的短い次元の一方又は両方に沿った第１の導波路瞳孔拡張器のサイズが、第１の導波路瞳孔拡張器を通って伝播するときに、回折光又は発散光によって画定される光照射野の実質的にサイズ以下である場合に特に有利であり得る。

本明細書では、回折光を使用して画像を形成し、例えばヘッドアップディスプレイによって自動車産業における現実世界の用途に適したアイボックスサイズ及び視野を提供するシステムが開示される。回折光は、回折構造、例えばフーリエ又はフレネルホログラムなどのホログラムから画像のホログラフィック再構成を形成する光である。回折及び回折構造の使用は、高密度の非常に小さい画素（例えば、１マイクロメートル）を有する表示装置を必要とし、これは、実際には、小さい表示装置（例えば、１ｃｍ）を意味する。本発明者らは、例えば発散する（コリメートされていない）光線束を含む回折光などの回折光照射野を２Ｄ瞳孔拡張に提供する方法の問題に対処してきた。

態様では、表示システムは、回折光又は発散光を提供又は形成するように配置された、例えば空間光変調器（ＳＬＭ）又は液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）ＳＬＭなどの画素化表示装置などの表示装置を備える。そのような態様では、空間光変調器（ＳＬＭ）の開口は、システムの制限開口である。すなわち、空間光変調器の開口、より具体的には、ＳＬＭ内に含まれる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。本開示によれば、システムの射出瞳は、システムの射出瞳（光回折のための画素サイズを有する小型表示装置によって制限される）が少なくとも１つの瞳孔拡張器の使用によって空間的範囲の大型化、巨大化、又は拡大を反映するように拡張されると述べられている。

回折又は発散光照射野は、光照射野の伝播方向に実質的に直交する方向に画定された「光照射野サイズ」を有すると言える。光は回折／発散するので、光照射野サイズは伝播距離と共に増大する。いくつかの実施形態では、第１の導波路瞳孔拡張器内の光照射野のサイズは、第１の導波路瞳孔拡張器のサイズを超える、すなわち、光照射野のサイズは、少なくとも１つの次元で第１の導波路瞳孔拡張器のサイズよりも大きい。言い換えれば、光照射野サイズは、第１の導波路瞳孔拡張器内の光照射野の内部反射中に、実質的に第１の対の平行面の第１の面と第２の面との間に画定された「第１の間隔サイズ」及び第２の対の平行面の第１の面と第２の面との間に画定された「第２の間隔サイズ」のうちの少なくとも一方以上であってよい。言い換えれば、光照射野のサイズは、少なくとも１つの次元において、第１の導波路瞳孔拡張器の厚さ以上であってもよい。本開示によれば、第２の対の平行面は、第１の対の平行面の面間の内部反射の結果として、光照射野の反射を提供して、それを第１の導波路瞳孔拡張器内に保持し、それが出力ポートを介して第１の導波路瞳孔拡張器のみを確実に出るように構成される。

いくつかの実施形態では、回折光照射野は、ホログラムに従って空間的に変調される。言い換えれば、そのような態様では、回折光照射野は「ホログラフィック光照射野」を含む。ホログラムは、画素化表示装置に表示されてもよい。ホログラムは、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）であってもよい。これは、フーリエホログラム、フレネルホログラム、点群ホログラム、又は任意の他の適切な種類のホログラムであってもよい。ホログラムは、任意選択的に、ホログラム光のチャネルを形成するために計算されてもよく、各チャネルは、観察者が見ることを意図した（虚像であれば、知覚される）画像の異なるそれぞれの部分に対応する。画素化表示装置は、複数の異なるホログラムを連続して又は順番に表示するように構成され得る。本明細書に開示される態様及び実施形態のそれぞれは、複数のホログラムの表示に適用され得る。

第１の導波路瞳孔拡張器の出力ポートは、第２の導波路瞳孔拡張器の入力ポートに結合され得る。第２の導波路瞳孔拡張器は、第２の導波路瞳孔拡張器の第３の対の平行面の間の内部反射によって、第１の導波路瞳孔拡張器によって出力される光照射野のレプリカの一部、好ましくは大部分、好ましくはすべてを含む回折光照射野をその入力ポートからそれぞれの出力ポートに案内するように配置され得る。第３の対の平行面の第１の面は、光照射野が各内部反射で分割され、光照射野の複数のレプリカが出力ポートを形成する第２の導波路瞳孔拡張器上の第１の面の領域を透過するような部分的透過反射性であり得る。

第１の導波路瞳膨張器は、第１の方向に瞳孔拡張又は複製を提供するように配置されてもよく、第２の導波路瞳孔拡張器は、第２の異なる方向に瞳孔拡張又は複製を提供するように配置されてもよい。第２の方向は、第１の方向に略直交し得る。第２の導波路瞳孔拡張器は、第１の導波路瞳孔拡張器が第１の方向に提供した瞳孔拡張を保存し、第２の異なる方向に第１の導波路瞳孔拡張器から受け取るレプリカの一部、好ましくは大部分、好ましくはすべてを拡張する（又は、複製する）ように配置され得る。第２の導波路瞳孔拡張器は、第１の導波路瞳孔拡張器から直接又は間接的に光照射野を受けるように配置され得る。１つ又は複数の他の要素が、第１の導波路瞳孔拡張器と第２の導波路瞳孔拡張器との間の光照射野の伝播経路に沿って備えられ得る。

第１の導波路瞳孔拡張器は実質的に細長くてもよく、第２の導波路瞳孔拡張器は実質的に平面であってもよい。第１の導波路瞳孔拡張器の細長い形状は、第１の次元に沿った長さによって画定されてもよい。第２の導波路瞳孔拡張器の平面又は長方形形状は、第１の次元に沿った長さ及び第１の次元に実質的に直交する第２の次元に沿った幅又は横幅によって画定されてもよい。その第１の次元に沿った第１の導波路瞳孔拡張器のサイズ又は長さは、それぞれその第１の又は第２の次元に沿った第２の導波路瞳孔拡張器の長さ又は幅に対応する。その入力ポートを含む第２の導波路瞳孔拡張器の第３の対の平行面の第１の面は、第２の導波路瞳孔拡張器が第１の導波路瞳孔拡張器によって出力されたレプリカの各々を受け取るように配置されるように、第１の導波路瞳孔拡張器上の第１の対の平行面の第１の面上の出力ポートによって画定される領域に対応するように形状設定、サイズ設定、及び／又は配置されてもよい。

第１及び第２の導波路瞳孔拡張器は、第１の方向及び第１の方向に垂直な第２の方向に集合的に瞳孔拡張を提供することができ、任意選択的に、第１及び第２の方向を含む平面は、第２の導波路瞳孔拡張器の平面に実質的に平行である。言い換えれば、第２の導波路瞳孔拡張器の長さ及び幅をそれぞれ画定する第１及び第２の次元は、導波路瞳孔拡張器が瞳孔拡張を提供するそれぞれ第１及び第２の方向（又はそれぞれ第２及び第１の方向に）に平行であってもよい。第１の導波路瞳孔拡張器と第２の導波路瞳孔拡張器との組み合わせは、一般に「瞳孔拡張器」と呼ばれてもよい。

第１及び第２の導波路拡張器によって提供される拡張／複製は、表示システムの射出瞳を２つの方向のそれぞれに拡張する効果を有すると言える。拡張された射出瞳によって画定された領域は、観察者が入力回折又は発散光照射野の光を受光することができる、拡張されたアイボックス領域を画定することができる。アイボックス領域は、観察面上に位置する、又は観察面を画定すると言われる場合がある。

射出瞳が拡張される２つの方向は、第１及び第２の導波路瞳孔拡張器が複製／拡張を提供する第１及び第２の方向と同一平面上にあるか、又は平行であってもよい。あるいは、光コンバイナなどの他の要素、例えば車両のウインドスクリーン（又は、ウインドシールド）を含む配置では、射出瞳は、風防などの他の要素からの射出瞳であると見なされてもよい。こうした配置では、射出瞳は、第１及び第２の導波路瞳孔拡張器が複製／拡張を提供する第１及び第２の方向と同一平面、又は平行でなくてもよい。例えば、射出瞳は、第１及び第２の導波路瞳孔拡張器が複製／拡張を提供する第１及び第２の方向に対して実質的に垂直であってもよい。

観察面、及び／又はアイボックス領域は、第１及び第２の導波路瞳孔拡張器が複製／拡張を提供する第１及び第２の方向と同一平面又は平行でなくてもよい。例えば、観察面は、第１及び第２の導波路瞳孔拡張器が複製／拡張を提供する第１及び第２の方向に対して実質的に垂直であってもよい。

いくつかの実施形態では、第１の導波路瞳孔拡張器と第２の導波路瞳孔拡張器との間に導波路結合器が設けられてもよい。導波路結合器は、第１の導波路瞳孔拡張器によって出力される光照射野の複数のレプリカの一部又はすべてを直接的又は間接的に受け取るように構成され得る。導波路結合器は、複数のレプリカの一部又はすべてを出力し、それらを第２の導波路瞳孔拡張器に向かって直接的又は間接的に透過するようにさらに構成されてもよい。

導波路結合器は、第１の導波路瞳孔拡張器によって出力された光照射野の複数のレプリカの一部、好ましくは大部分、好ましくはすべてを受け取るように構成される入力ポートを備える受光面を有することができる。導波路結合器の受光面は、第１の導波路瞳孔拡張器の第１の対の平行面に平行になるように配置されてもよいが、これは必須ではない。光照射野のレプリカの導波路結合器への適切な入射角を確保するために、１つ又は複数の他の要素を設けることができる。導波路結合器は、光照射野の複数のレプリカの一部、好ましくは大部分、好ましくはすべてを第２の導波路瞳孔拡張器に向かって透過するように構成される出力ポートを備える透過面をさらに備え得る。

導波路結合器は、第４の対の平行反射面をさらに備えてもよく、第４の対の平行面は、少なくとも１つの内部反射によって導波路結合器の受光面から透過面に向かって光照射野を案内するように配置される。第４の対の平行面は、第１の導波路瞳孔拡張器の第２の対の平行面に実質的に対応してもよい。例えば、第４の対の平行面内の第１の面は、第２の対の平行面内の第１の面と同一平面上にあってもよく、及び／又は第４の対の平行面内の第２の面は、第２の対の平行面内の第２の面と同一平面上にあってもよい。

第２の対の平行面の２つの面の間の分離のサイズを含む第２の間隔サイズは、第４の対の平行面の２つの面の間の分離のサイズに実質的に等しくてもよい。したがって、第４の対の平行面と第２の対の平行面との間の対応関係は、第１の導波路瞳孔拡張器及び導波路結合器が共通の平面又は層を占めることを決定することができる。

第１の導波路瞳孔拡張器及び任意選択的に導波路結合器は、第１の平面又は層を占めるように配置されてもよい。第２の導波路瞳孔拡張器は、第２の異なる平面又は層を占めるように配置されてもよい。第２の層は、第１の層に実質的に平行であってもよい。第２の導波路瞳孔拡張器の形状及びサイズは、第２の層上／内の面積又は「専有領域」（ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）を画定すると言える。第１の層及び第２の層は実質的に平行であるため、第２の瞳孔複製器の「専有領域」は、第１の層上に画定されるものとして説明することもできる。第１の導波路瞳孔拡張器及び任意選択的に導波路結合器は、第２の層上の第２の導波路瞳孔拡張器の専有領域のサイズ以下である第１の層の領域内に配置されてもよい。１つ又は複数の追加の要素、例えばミラーも、第１の層のその領域内に配置されてよい。

第１及び第２の層は、第２の層上の第２の導波路瞳孔拡張器の専有領域が、第１の導波路瞳孔拡張器及び任意選択的に導波路結合器も配置される第１の層の領域に重なるように、互いに対して配置され得る。言い換えれば、そのような配置では、第２の層上の第２の導波路瞳孔拡張器の「平面」又は「俯瞰」図を採用することにより、観察者は、第１の導波路瞳孔拡張器によって占有され、任意選択的に導波路結合器及び／又は１つ若しくは複数の追加要素によっても占有される第１の層の領域を見ることができない。

導波路結合器は、第１の導波路瞳孔拡張器と第２の導波路瞳孔拡張器との間の空間又は間隙を実質的に満たす形状を有し得る。例えば、導波管結合器は、略三角形状であってもよい。

第１及び第２の導波路瞳孔拡張器内で内部反射を達成するための適切な発射条件を提供するために、第１の導波路瞳孔拡張器の細長い次元は、第２の導波路瞳孔拡張器の第１及び第２の次元に対して傾斜してもよい。そのような傾斜は、導波路結合器が少なくとも部分的に占有するように配置され得る本質的に三角形形状の間隙を作成し得る。

表示システムは、第１の導波路瞳孔拡張器と第２の導波路瞳孔拡張器との間、例えば導波路結合器と第２の導波路瞳孔拡張器との間の光照射野のレプリカの光路を折り返すように配置された要素をさらに備えてもよい。要素は、折り返しミラーを備えてもよい。折り返しミラーは、第１の導波路瞳孔拡張器及び任意選択的に導波路結合器も占有する第１の層を占有するように配置されてもよい。折り返しミラーは、第１の層から第２の層に光を向けるように配置されてもよい。折り返しミラーは、第２の導波路瞳孔拡張器内で内部反射を達成するための適切な発射条件を提供するように配置され得る。折り返しミラーの使用は、第２の層が第１の層に重なることを可能にし、それによってコンパクトで体積の小さいシステムを可能にし得る。

第２の層上の第２の導波路瞳孔拡張器の専有領域が、第１の導波路瞳孔拡張器、及び任意選択的に導波路結合器も配置される第１の層の領域に重なる実施形態では、第２の導波路瞳孔拡張器は、専有領域のそれぞれの第１及び第２の次元、又は軸を画定すると言える。第１の導波路瞳孔拡張器によって出力される光は、専有領域の第１及び第２の次元のうちの一方に平行になるように配置されてもよい。第１の導波路瞳孔拡張器の細長い次元は、専有領域の前記第１及び第２の次元のそれぞれ他方に対して傾斜するように配置され得る。

いくつかの実施形態によれば、制御装置は、表示システム内に配置され得る。例えば、制御装置は、第１の導波路瞳孔拡張器と第２の導波路瞳孔拡張器との間など、第１の導波路瞳孔拡張器の下流に配置されてもよく、開口の配列を備え、各開口は透過状態と非透過状態との間で選択的に動作可能である。

したがって、制御装置は、第１の導波路瞳孔拡張器と第２の導波路瞳孔拡張器との間でどの光が透過され、どの光が透過されないかを動的に選択的に制御するように構成され得る。いくつかの態様では、制御装置は、第１の導波路瞳孔拡張器からの出力回折光照射野のレプリカのいくつかが第２の導波路瞳孔拡張器に向かって透過されることを許可し、特定の他のものがそうすることを防止するように制御可能である。制御装置は、所与の回折光照射野のすべてのレプリカが第２の導波路瞳孔拡張器に透過されることを可能にするように制御され得るが、すべてが完全に同時にではない。例えば、レプリカの透過は、ずらされてもよく、又は順序付けられてもよく、又は別の方法で時間制御されてもよい。例えば、これにより、制御装置、したがって表示システムは、観察者の頭部の動き、したがってアイボックスの動きに適応することができる。代替的又は追加的に、観察者がほぼ確実に複数の観察開口、すなわち２つの眼を有するという事実に適応することにも有用であり得、したがって、眼は互いに物理的に変位し、異なるそれぞれの固有の視野を有するため、人間の脳は本質的に各眼に対して少なくともわずかに異なる視野を期待し、それらの２つの眼が全く同時に同一の画像コンテンツに対応するホログラフィック光を確実に受光しないようにする。

一連の制御装置の開口は、第１の導波路瞳孔拡張器の細長い方向に延在し得る。開口は、物理的に個別の開口であってもよく、又は制御装置のソフトウェア制御部分であってもよい。したがって、制御装置内の開口のサイズ、数、及び位置は、動的に可変であり得る。制御装置は、透過状態と非透過状態との間で独立して切り替え可能な複数の液晶セル又は領域を備えることができる。

制御装置は、第１の導波路瞳孔拡張器と導波路結合器との間、又は導波路結合器と第２の導波路瞳孔拡張器との間、又は折り返しミラーと第２の導波路瞳孔拡張器との間に配置されてもよい。

いくつかの実施形態では、第１の導波路瞳孔拡張器及び導波路結合器は互いに接合され得る。いくつかの実施形態では、第１の導波路瞳孔拡張器、導波路結合器、及び制御装置は、互いに接合され得る。任意のそのような態様では、接合は、それぞれの構成部品間の任意の適切な種類の取り付けを含むことができる。表示システムの構成部品を互いに接合することにより、表示システムの全体的な機械的及び熱的安定性を高めることができる。また、構成部品間の光学的位置合わせを強化及び確実にすることができ、したがって、システムを通って観察者への光の正確な伝播を確実にすることができる。

各「導波路瞳孔拡張器」は、瞳の光を複製して瞳孔拡張を実行する。

第２の態様によれば、光エンジンは、第１の層及び第２の層を含む積層又は層状構成で配置される。第１の層は、第１の瞳孔複製器及び導波路結合器を備える。第１の瞳孔複製器は、瞳を有する回折構造から回折光照射野を受け取るように配置される。第１の瞳孔複製器は、実質的に細長い。第２の層は、第２の瞳孔複製器を含む。第２の瞳孔複製器は、実質的に細長い。第２の瞳孔複製器は、入力部を形成するように配置された第１の主面と、光エンジンの出力部を形成するように配置された第２の主面とを備える。導波路結合器は、第１の瞳孔複製器の出力を第２の瞳孔複製器の入力に結合するように配置される。第１の層及び第２の層は、実質的に平行であり、互いに隣接している。

第１の瞳孔複製器は、回折構造の瞳孔を第１の方向に複製するように配置されてもよく、第２の瞳孔複製器は、回折構造の瞳孔を第２の方向に複製するように配置されてもよい。第１の方向は、第２の方向に対して実質的に垂直であり得る。

第１の瞳孔複製器及び導波路結合器は、第２の瞳孔複製器の専有領域内に配置されてもよく、専有領域は、その層に実質的に垂直な方向に見たときにそれぞれの層が占有する領域を含む。

第１の瞳孔複製器は、それらの間の導光及び瞳孔複製を提供するように配置された対向する面の一次対を含み得る。

導波路結合器は、それぞれ入力面及び出力面を含む対向する面の一次対を含むことができ、入力面及び出力面は互いにある角度を成している。

第１の瞳孔複製器及び導波路結合器は、実質的に同一平面上にあってもよい。

第１の層の第１の瞳孔複製器及び導波路結合器は、第２の層に実質的に平行な平面内で回折光照射野を導波するように配置されてもよく、「導波路」は、内部反射によって光を伝播することを意味する。

第２の層は、第１及び第２の軸によって画定されてもよく、第１の瞳孔複製器の細長い次元は、第２の層の第１及び第２の軸の少なくとも一方に対して角度付けられる。第２の層の第１の軸又は第２の軸に対する第１の瞳孔複製器の細長い次元の角度は、第１の瞳孔複製器によって受光される回折光の入射角に実質的に等しくてもよい。

第２の瞳孔複製器は、実質的に四辺形の断面形状を有し得る。

第２の瞳孔複製器の入力部は、細長くてもよく、第２の層の第１の軸に対応してもよい。

第２の瞳孔複製器の第１の主面及び第２の主面は、それらの間の導光及び瞳孔複製を提供するように配置された対向する面の一次対を形成し得る。

第２の層の第２の瞳孔複製器は、第１の層に実質的に平行な平面内で回折光照射野を導波するように配置され得る。

第１の瞳孔複製器及び導波路結合器は、第２の瞳孔複製器の第１の主面に固定され得る。

第１の瞳孔複製器及び導波路結合器はそれぞれ、その平面内に回折光照射野を閉じ込めるように配置された対向する面の二次対を備えてもよく、「閉じ込める」とは、回折光がそこを通って出るのを防ぐことを意味する。対向する面の各二次対の少なくとも１つの面は、反射構成要素（例えば、ミラーコーティング）を備えてもよく、対向する面の各二次対の少なくとも１つの面は、反射構成要素を介して共通の基板に固定されてもよい。共通基板は、第２の瞳孔複製器又は光エンジンを収容する車両の構成要素であってもよい。

第１の瞳孔複製器及び導波路結合器は、互いに接合され得る。

光エンジンは、制御装置をさらに備えてもよい。制御装置は、第１の瞳孔複製器から第２の瞳孔複製器にどの瞳孔複製器が中継されるかを決定するように配置された複数の独立して制御される開口を備え得る。第１の瞳孔複製器、導波路結合器、及び／又は制御装置は、互いに接合されてもよい。

第３の態様によれば、車両用のヘッドアップディスプレイは、第１の瞳孔複製器と、第２の瞳孔複製器と、導波路結合器とを備える。第１の瞳孔複製部は、第１の方向に延びる。第１の瞳孔複製器は、ヘッドアップディスプレイの制限開口を画定する画素アレイを有する空間光変調器からホログラフィック光照射野を受光するように配置される。ホログラフィック光照射野は、空間光変調器に表示されたホログラムに従って空間的に変調された複素光照射野である。第２の瞳孔複製器は、第１の方向及び第１の方向に垂直な第２の方向に延在する。第２の瞳孔複製器は、出力部を形成する第１の主面と、第１の主面に平行な第２の主面とを含む。導波路結合器は、第１の瞳孔複製器の出力を第２の瞳孔複製器の入力に光学的に結合するように配置される。第１の瞳孔複製器及び導波路結合器は、第２の瞳孔複製器の第２の主面に実質的に平行で隣接する平面層内に配置される。任意選択的に、第１の瞳孔複製器及び導波路結合器は、第２の瞳孔複製器の第２の主面又はヘッドアップディスプレイを収容する車両の構造フレームワークに取り付けられてもよい。

第１の瞳孔複製器を備える第１の層を備える光エンジンも提供され、第１の瞳孔複製器は実質的に平坦であり、入力を形成するように配置された第１の主面と、出力を形成するように配置された第２の主面とを備える。光エンジンは、第２の瞳孔複製器と、第２の瞳孔複製器の出力を第１の瞳孔複製器の入力に結合するように配置された導波路結合器とを含む第２の層をさらに備え、第２の瞳孔複製器は実質的に細長く、導波路結合器は実質的に平面であり、第１の層は第１及び第２の軸によって画定され、第２の瞳孔複製器の細長い次元は、第２の層の光専有領域が第１の層の光専有領域内に含まれるように、第１及び第２の軸の少なくとも一方に対して角度付けられる。

第１の層の表面積は、第１の瞳孔複製器の主面のそれぞれの表面積と実質的に等しいか又はそれより大きくてもよく、例えばわずかに大きくてもよい。言い換えれば、第１の層は、第１の瞳孔複製器のみを備えてもよく、又は第１の瞳孔複製器を備えることに加えて、他の物質、及び／又は１つ若しくは複数の他の構成要素を含んでもよい。

第１の瞳孔複製器は、四辺形の形状であってもよい。四辺形の長さ及び幅はそれぞれ、光エンジンの第１の層を画定する第１及び第２の軸に実質的に平行であってもよい。

第１の層及び第２の層は、実質的に平行であり、隣接していてもよい。したがって、第１及び第２の層は、コンパクトで省スペースの形態で設けられ得る。

第１の瞳孔複製器は、第１の方向に複製するように配置されてもよく、第２の瞳孔複製器は、第２の方向に複製するように配置されてもよく、第２の瞳孔複製器は、第２の層に角度付けられる。

各層の光専有領域は、第１の層及び第２の層に垂直な方向に見たときに、各層が占有する専有領域又は面積として定義することができる。

第２の瞳孔複製器は、第２の層の光専有領域が第１の層の光専有領域内に含まれるように、第２の層に角度付けられてもよい。したがって、２つの層は、第１の層の断面積を超えない断面積を有する形態で一緒に設けられてもよい。

第１の方向及び第１の方向に垂直な第２の方向に延びる第１の瞳孔複製器を備える光エンジンも提供され、第１の瞳孔複製器は、出力部を形成する第１の主面と、第１の主面に平行な第２の主面とを備える。光エンジンは、第１の方向に延在し、空間光変調器から回折光照射野を受光するように配置された第２の瞳孔複製器と、第１の瞳孔複製器と第２の瞳孔複製器との間の導波路結合器とをさらに備え、第２の瞳孔複製器及び導波路結合器は、第１の瞳孔複製器の第２の主面に実質的に平行で隣接する平面上に配置される。

第２の瞳孔複製器（代わりに「瞳孔拡張器」と呼ばれてもよい）は、それらの間に導光及び第１の方向に瞳孔複製を提供するように配置された対向する面の一次対を備え得る。導波路結合器は、それぞれ入力部及び出力部を形成する対向する面の一次対を備えてもよく、入力面及び出力面は互いにある角度を成している。入力面及び出力面は、頂点又は角で互いに交わる又は接触することができる。

第２の瞳孔複製器及び導波路結合器はそれぞれ、その平面内に回折光照射野を閉じ込めるように配置された対向する面の二次対をそれぞれ備えてもよい。したがって、回折光又は発散光が第２の瞳孔複製器又は導波路に入力されると、その対向する面の二次対からの光の漏れを防止するように配置される。第２の瞳孔複製器及び導波路結合器の各々について、対向する面のそれぞれの二次対は、対向する面の対応する一次対に対して実質的に垂直に配置されてもよい。

第１の瞳孔拡張器は、それらの間に導光及び第２の方向に瞳孔複製を提供するように配置された対向する面の一次対を備え得る。

第２の瞳孔複製器及び導波路結合器は、第１の瞳孔複製器の第２の主面に固定され得る。

（第２の瞳孔複製器及び導波路結合器の）対向する面の各二次対の少なくとも１つの面は、共通の基板に固定され得る。共通基板は、第２の瞳孔複製器であってもよい。

光エンジンは、車両ＨＵＤなどのヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の一部を形成することができる。対向する面の各二次対の少なくとも１つの面は、ＨＵＤが設けられる車両の別の構成要素又は一部分に接合されてもよい。したがって、共通基板は、光エンジンを収容する車両の構成要素であってもよい。例えば、自動車のシャーシであってもよい。

第２の瞳孔複製器及び導波路結合器を共通の基板に接合することは、例えばコンパクトな形態、例えば比較的平坦で流線形の形態で確実に提供されることによって、製造コストを低減し、光エンジンの堅牢性を確保するのに役立つ。

第２の瞳孔複製器及び導波路結合器は、第１の瞳孔複製器の専有領域内に配置され得る。光エンジンは、第１の層及び第２の層を備える積層／層状構成で配置されてもよく、第１の層は第１の瞳孔複製器及び導波路結合器を備え、第２の層は第２の瞳孔複製器を備え、又はその逆も可能である。

第１の層及び第２の層は、実質的に平行であり、隣接していてもよい。

第２の瞳孔複製器及び導波路結合器は、第１の瞳孔複製器の平面と実質的に平行な平面内で光を伝播するように配置され得る。

第２の瞳孔複製器は、第１の方向に回折光照射野を複製するように配置されてもよく、第１の瞳孔複製器は、第２の方向に回折光照射野を複製するように配置されてもよい。

第２の瞳孔複製器は、第１の瞳孔拡張器の平面に平行な平面内で導波するように配置された第１の対の対向する面を備え得る。

第２の瞳孔拡張器は、回折光照射野が対向する面の第２の対を通って第１の瞳孔拡張器を出るのを防止するように配置された第２の対の対向する面を備え得る。

第２の対の対向する面は、第１の対の対向する面に対して垂直であってもよい。第２の対の対向する面の少なくとも１つの面は、第２の瞳孔複製器内に内部反射を提供するように配置された反射コーティングを含み得る。

第１の方向に延在し、空間光変調器（ＳＬＭ）からの回折光照射野を受光するように配置された第１の瞳孔複製器と、第１の方向及び第１の方向に垂直な第２の方向に延在する第２の瞳孔複製器とを備え、第２の瞳孔複製器は、出力部を形成する第１の主面及び第１の主面に平行な第２の主面と、第１の瞳孔複製器の出力部を第２の瞳孔複製器の入力部に光学的に結合するように配置された導波路結合器とを備え、第１の瞳孔複製器及び導波路結合器は、第２の瞳孔複製器の第２の主面に固定されている、光エンジンも提供される。

第２の瞳孔複製器の第２の主面に固定された第１の瞳孔複製器及び導波路結合器を提供することによって、光エンジンは、コンパクトで流線形で堅牢な形態で設けられ得る。例えば、構成要素を互いに固定することにより、例えば車両内の移動又は振動環境などの不安定な環境に光エンジンが設けられたときにそうでなければ起こり得る潜在的な損傷から光エンジンを保護することができる。

第１の瞳孔複製器及び導波路結合器は、共通の平面又は共通の層内に設けられ得る。ＳＬＭ、及び任意選択で光源もまた、その共通の層内に設けられ得る。第２の瞳孔複製器は、第２の異なる層内に設けられ得る。

上記の態様のいずれかの表示装置を備えるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムも提供される。ＨＵＤシステムは、自動車車両を含むがこれに限定されない車両に実装され得る。ＨＵＤシステムは、ウインドスクリーン又はウインドシールドなどの光コンバイナをさらに備えてもよい。いくつかの態様では、表示システムは、出力光を光コンバイナに向けるように配置されてもよく、光コンバイナは、出力光を意図された観察者のアイボックスに向ける（又は、向け直す）ように配置され得る。アイボックスは、第２の導波路瞳孔拡張器によって画定される平面に対して実質的に直交してもよい。

回折光照射野のための瞳孔拡張を提供する方法であって、回折光照射野を第１の導波路瞳孔拡張器内に向けることを含み、第１の導波路瞳孔拡張器は、入力ポートと、出力ポートと、第１の対の平行面と、第２の対の平行面とを備え、第１の対の平行面は第２の対の平行面と直交し、方法は、第１の対の平行面の間の内部反射によって入力ポートから出力ポートに回折光照射野を案内することをさらに含み、第１の対の平行面の第１の面は、光照射野が各内部反射において分割され、光照射野の複数のレプリカが出力ポートを形成する第１の面の領域を透過するように部分的に透過反射性であり、第２の対の平行面はまた、少なくとも１つの内部反射によって入力ポートから出力ポートに光照射野を導光するように配置される、方法がまた提供される。

「ホログラム」という用語は、対象物に関する振幅情報若しくは位相情報、又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物体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、本明細書に開示されるシステムは「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レプリカである。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、好ましい、又は一次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」、及び「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」又は便宜的にのみ「画像画素」と呼ばれ得る離散スポットを含み得る。

「符号化」、「書き込み」、又は「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る。ＳＬＭの画素は、複数の制御値の受信に応答して光変調分布を「表示」するように構成されていると言うことができる。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又はレベルの配列と考えられ得る。

許容可能な品質のホログラフィック再構成は、元の物体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」から形成され得ることが分かっている。こ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ばれてもよい。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等しく適用可能である。

本開示はまた、元の物体のフーリエ変換に関連する振幅及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、元の物体に関する振幅情報と位相情報の両方を含む、いわゆる完全複素ホログラムを使用した複素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（階調）が振幅及び位相成分を有するため、完全複素ホログラムと呼ばれてもよい。各画素に割り当てられた値（階調）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てもよい。いくつかの実施形態では、完全複素コンピュータ生成ホログラムが計算される。

「位相遅延」の省略表現として、位相値、位相成分、位相情報、又は単に、コンピュータ生成ホログラム又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、記載される任意の位相値は、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（例えば、０～２πの範囲の）数である。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。「階調」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得る。例えば、「階調」という用語は、異なる位相レベルが異なる灰色の階調を提供しない場合であっても、位相限定変調器において複数の利用可能な位相レベルを指すために便宜上使用され得る。「階調」という用語はまた、複素変調器における複数の利用可能な複素変調レベルを指すために便宜上使用され得る。

したがって、ホログラムは、階調の配列、すなわち、位相遅延値又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明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、レンズ又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、又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。

以下の詳細な説明では、異なる実施形態及び実施形態のグループを別々に開示することができるが、任意の実施形態又は実施形態のグループの任意の特徴を、任意の実施形態又は実施形態のグループの任意の他の特徴又は特徴の組み合わせと組み合わせることができる。すなわち、本開示において開示された特徴のすべての可能な組み合わせ及び置換が想定される。

特定の実施形態は、以下の図を参照して単なる例として説明される。

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型ＳＬＭを示す概略図である。 例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムの第１の反復を示す。 例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムの第２の反復及びその後の反復を示す。 例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ型アルゴリズムの代替的な第２の反復及びその後の反復を示す。 反射型ＬＣＯＳ ＳＬＭの概略図である。 複数の画像領域を含む画像（下）及び複数のホログラム要素を含む対応するホログラム（上）を示す。 ホログラフィックに符号化された光を複数の離散ホログラムチャネル内にルーティング又はチャネリングすることを特徴とするホログラムを示す。 異なる光路を通って眼までの図４Ｂの各ホログラムチャネルの光コンテンツの経路を定めるように配置されたシステムを示す。 ビームを二次元に拡張するために配置された一対の積層画像複製器の斜視図を示す。 ２次元瞳孔拡張器を備える改良された表示システムを示す。 回折構造によって出力される回折光錐を示す。 ２層式瞳孔拡張器を示す。 図９の２層式瞳孔拡張器の拡大図を示す。 空間光変調器（ＳＬＭ）をさらに含む、図１０の２層式瞳孔拡張器の平面図を示す。 瞳孔拡張器を含むヘッドアップディスプレイシステムを示す。

同じ又は同様の部分を指すために、図面全体を通して同じ参照符号が使用される。

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、異なる形態で具現化されてもよく、例示の目的のために上述の実施形態に限定されると解釈されるべきではない。

単数形の用語は、特に明記しない限り、複数形を含み得る。

別の構造の上部／下部又は他の構造の上／下に形成されると記載された構造は、構造が互いに接触する場合、さらに、それらの間に第３の構造が配置される場合を含むと解釈されるべきである。

時間関係を説明する際に、例えば、イベントの時間的順序が「後」、「後続」、「次」、「前」などと説明される場合、本開示は、特に明記しない限り、連続的及び非連続的なイベントを含むと解釈されるべきである。例えば、「ちょうど」、「即時」、又は「直接」などの表現が使用されない限り、説明は連続的でない場合を含むと解釈されるべきである。

本明細書では、「第１」、「第２」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、ある要素を別の要素と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。

異なる実施形態の特徴は、部分的又は全体的に互いに結合又は組み合わせられてもよく、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、又は共依存関係で一緒に実行されてもよい。

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す。コンピュータ生成ホログラムは、再構成のための物体のフーリエ変換である。したがって、ホログラムは、物体のフーリエ領域又は周波数領域又はスペクトル領域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オンシリコン「ＬＣＯＳ」装置である。ホログラムは空間光変調器上で符号化され、ホログラフィック再構成が再生フィールド、例えばスクリーン又はディフューザなどの受光面で形成される。

光源１１０、例えばレーザ又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。コリメートレンズにより、光の略平面波面がＳＬＭに入射する。図１では、波面の方向はオフノーマルである（例えば、透明層の平面に対して真に直交することから２～３度離れている）。しかしながら、他の実施形態では、略平面波面が垂直入射で提供され、ビームスプリッタ配置が入力光路と出力光路とを分離するために使用される。図１に示す実施形態では、配置が、光源からの光がＳＬＭのミラー後面から反射され、光変調層と相互作用して出口波面１１２を形成するようなものである。出口波面１１２は、スクリーン１２５にその焦点を有する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、ＳＬＭ １４０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。

特に、この種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（又は画像画素）と特定の光変調素子（又はホログラム画素）との間に１対１の相関関係はない。換言すれば、光変調層を出る変調光は、再生フィールドにわたって分散される。

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力（集束力）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。任意のレンズはフーリエ変換レンズとして作用することができるが、レンズの性能は、それが実行するフーリエ変換の精度を制限する。当業者は、レンズを使用して光学フーリエ変換を実行する方法を理解している。

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、フーリエ変換ホログラム、又は単にフーリエホログラム若しくはフーリエベースのホログラムであり、正レンズのフーリエ変換特性を利用することによって遠方場で画像が再構成される。フーリエホログラムは、再生平面内の所望の光照射野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。計算機生成フーリエホログラムは、フーリエ変換を使用して計算され得る。

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され得る。さらに、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムを使用して、空間領域の振幅限定情報（写真など）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。対象物に関する位相情報は、空間領域における振幅限定情報から効果的に「検索」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アルゴリズム又はその変形を使用して振幅限定情報から計算される。

Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、平面Ａ及び平面Ｂ内それぞれの光ビームの強度断面Ｉ_Ａ（ｘ、ｙ）及びＩ_Ｂ（ｘ、ｙ）が既知であり、Ｉ_Ａ（ｘ、ｙ）及び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ときの状況を考慮する。所与の強度断面を用いて、平面Ａ及び平面Ｂ内の位相分布Ψ_Ａ（ｘ、ｙ）及びΨ_Ｂ（ｘ、ｙ）に対する近似値がそれぞれ見出される。Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、反復プロセスに従うことによってこの問題の解を見出す。より具体的には、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、Ｉ_Ａ（ｘ、ｙ）及びＩ_Ｂ（ｘ、ｙ）を表すデータセット（振幅及び位相）を空間領域とフーリエ（スペクトル又は周波数）領域との間で繰り返し転送しながら、空間的制約及びスペクトル制約を繰り返し適用する。スペクトル領域内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回の反復によって得られる。アルゴリズムは収束し、入力画像を表すホログラムを生成するように配置される。ホログラムは、振幅限定ホログラム、位相限定ホログラム、又は完全複素ホログラムであってもよい。

いくつかの実施形態では、位相限定ホログラムは、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号又は第２，５０１，１１２号に記載されているような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、本明細書に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を計算することを記載している。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］をもたらすデータセットのフーリエ変換の位相情報Ψ［ｕ、ｖ］を検索し、振幅情報Ｔ［ｘ、ｙ］は目標画像（例えば写真）を表す。大きさ及び位相はフーリエ変換において本質的に組み合わされるため、変換された大きさ及び位相は、計算されたデータセットの精度に関する有用な情報を含む。したがって、アルゴリズムは、振幅情報及び位相情報の両方に対するフィードバックを用いて反復的に使用され得る。しかしながら、これらの実施形態では、画像平面でターゲット画像を表すホログラフィックを形成するために、位相情報Ψ［ｕ、ｖ］のみがホログラムとして使用される。ホログラムは、位相値のデータセット（例えば２Ｄアレイ）である。

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、完全複素ホログラムを計算する。完全複素ホログラムは、大きさ成分と位相成分とを有するホログラムである。ホログラムは、複素データ値の配列を含むデータセット（例えば２Ｄアレイ）であり、各複素データ値は、大きさ成分及び位相成分を含む。

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）実数成分及び虚数成分、又は（ｉｉ）大きさ成分及び位相成分を含むと考えられ得る。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るように処理される。

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の反復を示す。アルゴリズムへの入力は、画素又はデータ値の二次元配列を含む入力画像２１０であり、各画素又はデータ値は、大きさ又は振幅の値である。すなわち、入力画像２１０の各画素又はデータ値は、位相成分を有していない。したがって、入力画像２１０は、大きさのみ又は振幅のみ又は強度のみの分布と考えることができる。そのような入力画像２１０の例は、写真又はフレームの時系列を含むビデオの一フレームである。アルゴリズムの第１の反復は、開始複素データセットを形成するために、ランダム位相分布（又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で開始し、セットの各データ要素は、大きさ及び位相を含む。開始複素データセットは、空間領域における入力画像を表すと言える。

第１の処理ブロック２５０は、開始複素データセットを受信し、フーリエ変換複素データセットを形成するために複素フーリエ変換を実行する。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上に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、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限定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、受け取ったフーリエ変換複素データセットから導出された複素データ値（各々が振幅成分及び位相成分を含む）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うちの１つに制約してホログラム２８０Ａを形成する。制約するステップは、各複素データ値を複素平面内の最も近い許容複素変調レベルに設定するステップを含むことができる。ホログラム２８０Ａは、スペクトル領域又はフーリエ領域又は周波数領域における入力画像を表すと言える。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。

しかしながら、他の実施形態では、アルゴリズムは、図２Ａの点線矢印によって表されるように継続する。言い換えれば、図２Ａの点線矢印に続くステップは任意である（すなわち、すべての実施形態に必須ではない）。

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、空間領域における入力画像を表すと言える。

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、大きさの値の分布２１１Ａ及び位相の値の分布２１３Ａを抽出する。任意選択的に、第４の処理ブロック２５９は、大きさの値の分布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大きさの値の分布２１１Ａを、それ自体が、もちろん、大きさの値の分布である入力画像５１０と比較することができる。大きさの値の分布２１１Ａと入力画像２１０との間の差が十分に小さい場合、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、大きさの値の分布２１１Ａと入力画像２１０との間の差が十分に小さい場合、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、逆フーリエ変換された複素データセットの位相の値の分布２１３Ａは、比較の目的のために無視される。大きさの値の分布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が利用されてもよく、本開示は任意の特定の方法に限定されないことが理解されよう。いくつかの実施形態では、平均二乗差が計算され、平均二乗差が閾値未満である場合、ホログラム２８０Ａは許容可能と見なされる。第４の処理ブロック２５９がホログラム２８０Ａを許容できないと判定した場合、アルゴリズムのさらなる反復が実行されてもよい。しかしながら、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、予め決定されているか、予め設定されているか、又はユーザ定義である。

図２Ｂは、アルゴリズムの第２の反復及びアルゴリズムの任意のさらなる反復を表す。前の反復の位相の値の分布２１３Ａは、アルゴリズムの処理ブロックを介してフィードバックされる。大きさの値の分布２１１Ａは、入力画像２１０の大きさ値の分布を優先して拒絶される。第１の反復では、データ形成ステップ２０２Ａは、入力画像２１０の大きさの値の分布とランダム位相分布２３０とを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。しかしながら、第２及び後続の反復では、データ形成ステップ２０２Ｂは、（ｉ）アルゴリズムの以前の反復からの位相の値の分布２１３Ａと、（ｉｉ）入力画像２１０の大きさ値の分布とを組み合わせることによって複素データセットを形成することを含む。

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を参照して説明されたものと同じ方法で処理されて、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することができる。しかしながら、アルゴリズムの任意の回数のさらなる反復が実行されてもよい。第３の処理ブロック２５６は、第４の処理ブロック２５９が必要とされるか、又はさらなる反復が必要とされる場合にのみ必要とされ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、反復ごとに良好になる。しかしながら、実際には、通常、重要な改善が観察されないところに到達するか、又はさらなる反復を実行することの正の利点が追加の処理時間の負の効果を上回る。したがって、アルゴリズムは、反復的かつ収束的であると説明される。

図２Ｃは、第２及びその後の反復の代替の実施形態を表す。前の反復の位相の値の分布２１３Ａは、アルゴリズムの処理ブロックを介してフィードバックされる。大きさの値の分布２１１Ａは、大きさ値の代替的な分布の優先のために拒絶される。この代替的な実施形態では、大きさ値の代替的な分布は、以前の反復の大きさの値の分布２１１から導出される。具体的には、処理ブロック２５８は、以前の反復の大きさの値の分布２１１から入力画像２１０の大きさ値の分布を減算し、その差を利得係数αでスケールを変更し、スケールを変更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、下付き文字及び数字は反復回数を示す。

式中、
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、入力又は目標画像であり、
∠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、新しい大きさの値の分布２１１Ｂであり、
αは利得係数である。

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

図２Ｃの実施形態は、他のすべての点で図２Ａ及び図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、周波数領域又はフーリエ領域における位相分布を含むと言える。

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、物体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、光で照明されると、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、光学的又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既知である。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、その屈折率及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、凸レンズの中心における光路長は、レンズの縁における光路長よりも大きい。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得る。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、ホログラフィック再構成が遠方場で行われるように、フーリエ変換レンズは完全に省略される。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配置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方法は、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及び／又はステアリングは、画像形成機能又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、光処理機能又は光処理パターンと呼ばれる場合がある。

いくつかの実施形態では、フーリエ変換は、物理フーリエ変換レンズとソフトウェアレンズと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つかの光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パワーは１つ又は複数の物理光学系によって提供される。

いくつかの実施形態では、画像データを受信し、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配置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、画像フレームのシーケンス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。

実施形態は、単なる例として、フーリエホログラフィ及びＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ型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及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。

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、位相を変調する空間光変調器が必要となる。ホログラムが完全複素ホログラムである場合、位相及び振幅を変調する空間光変調器を使用してもよく、又は位相を変調する第１の空間光変調器及び振幅を変調する第２の空間光変調器を使用してもよい。

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、光学活性構成要素が液晶である液晶装置である。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る。すなわち、各液晶セルは、任意の時点で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、本開示はこの種類の空間光変調器に限定されない。

ＬＣＯＳ装置は、小さな開口（例えば、幅数センチメートル）内に光変調素子又は画素の高密度配列を提供する。画素は、典型的には数度の回折角をもたらす約１０ミクロン以下であり、光学系をコンパクトにすることができることを意味する。ＬＣＯＳ ＳＬＭの小さな開口を適切に照明することは、他の液晶装置の大きな開口よりも容易である。ＬＣＯＳ装置は、典型的には反射性であり、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。言い換えれば、画素は密集しており、すなわち、画素間にデッドスペースがほとんどない。これは、再生フィールドにおける光学的ノイズを低減するので有利である。ＬＣＯＳ ＳＬＭは、画素が光学的に平坦であるという利点を有するシリコンバックプレーンを使用する。これは、位相変調装置にとって特に重要である。

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装置は、単結晶シリコン基板３０２を用いて形成される。これは、基板の上面に配置された、ギャップ３０１ａによって離間された正方形の平面アルミニウム電極３０１の二次元アレイを有する。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、それぞれの平面ミラーを形成する。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が配置されている。第２の配向層３０５は、例えばガラスの平面透明層３０６上に配置される。例えばＩＴＯ製単一透明電極３０７が、透明層３０６と第２の配向層３０５との間に配置される。

正方形電極３０１の各々は、透明電極３０７の上を覆う領域及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、すなわちフィルファクタは、画素間の空間３０１ａを考慮して、光学的に活性な全画素の割合である。透明電極３０７に対して各電極３０１に印加される電圧を制御することによって、それぞれの位相変調素子の液晶材料の特性を変化させることができ、それによってそこに入射する光に可変遅延をもたらすことができる。効果は、波面に位相限定変調を与えることであり、すなわち振幅効果は生じない。

記載されたＬＣＯＳ ＳＬＭは、空間的に変調された光を反射して出力する。反射型ＬＣＯＳ ＳＬＭには、信号線、ゲート線、及びトランジスタが鏡面の下にあるという利点があり、その結果、フィルファクタが高く（通常は９０％を超える）、分解能が高くなる。反射型ＬＣＯＳ空間光変調器を使用する別の利点は、液晶層の厚さを、透過型装置を使用した場合に必要となる厚さの半分にすることができることである。これにより、液晶のスイッチング速度が大幅に向上する（動画像の投影にとって重要な利点）。しかしながら、本開示の教示は、透過型ＬＣＯＳ ＳＬＭを使用して同様に実装することができる。

光のチャネリング
本開示の光学系は、任意の回折光照射野での瞳孔拡張に適用可能である。いくつかの実施形態では、回折光照射野はホログラフィック光照射野、すなわち、画像自体ではなく画像のホログラムに従って空間的に変調された複素光照射野である。いくつかの実施形態では、ホログラムは、画像コンテンツを角度的に分割／チャネル化する特殊な種類のホログラムである。この種類のホログラムは、本開示と互換性のある回折光照射野の一例としてのみ本明細書でさらに説明される。他の種類のホログラムが、本明細書に開示される表示システム及び光エンジンと併せて使用されてもよい。

図７以降の説明からさらに理解されるように、導波路瞳孔拡張器を備える表示システム及び方法が以下に説明される。当業者によく知られているように、導波路は、比較的小さい発光体、例えば、本明細書に記載された配置で使用される比較的小さいＳＬＭ又は他の画素化された表示装置などの、比較的小さい発光体によって、その上に（又は、中に）放射された光が、発光体から離れて比較的長い距離などの距離に配置される人間の観察者又は他の観察システムによって観察することができる面積を増加させるために使用することができるので、導波路は「瞳孔拡張器」であると見なされてもよい。導波路は、観察者に向かって光が出力される透過点の数を増やすことによってこれを達成する。結果として、光は、複数の異なる観察者の位置から見ることができ、例えば、観察者は、依然として発光体からの光を見ることができる一方で、頭部、したがって視線を動かすことができる。したがって、観察者の「アイボックス」又は「アイモーションボックス」は、導波路瞳孔拡張器を使用して拡大されていると言える。これは、例えば、限定はしないが、ヘッドアップディスプレイ、例えば、限定はしないが、自動車用ヘッドアップディスプレイなどの多くの有用な用途を有する。

本明細書に記載の表示システムは、少なくとも１次元、例えば２次元で瞳孔拡張を提供するために、回折光照射野などの光を導波路瞳孔拡張器を通して案内するように構成されてもよい。回折光照射野は、ＬＣＯＳ ＳＬＭなどの空間光変調器（ＳＬＭ）によって出力された光を含むことができる。例えば、その回折光照射野は、ＳＬＭによって表示されるホログラムによって符号化される光を含み得る。例えば、その回折光照射野は、ＳＬＭによって表示されるホログラムに対応するホログラフィック再構成される画像の光を含むことができる。ホログラムは、限定はしないが、点群ホログラム、フレネルホログラム、又はフーリエホログラムなどのコンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）を含んでもよい。ホログラムは、「回折構造」又は「変調パターン」であると呼ばれることがある。ＳＬＭ又は他の表示装置は、当業者によく知られている方法で、ホログラムと、ソフトウェアレンズ又は回折格子などの１つ又は複数の他の要素とを含む回折パターン（又は、変調パターン）を表示するように配置されてもよい。

ホログラムは、回折光照射野のチャネリングを提供するために計算され得る。これは、英国特許第２１０１６６６．２号、英国特許出願特許第２１０１６６７．０号、及び英国特許第２１１２２１３．０号のそれぞれに詳細に記載されており、これらはすべて参照により本明細書に組み込まれる。一般的に言えば、ホログラムは、ホログラフィック再構成される画像に対応するように計算することができる。ホログラムが対応するその画像は、「入力画像」又は「ターゲット画像」と呼ばれることがある。ホログラムは、ＳＬＭに表示され、適切に照明されると、空間的に変調された光の円錐を含む光照射野（ＳＬＭによって出力される）を形成するように計算することができる。いくつかの実施形態では、円錐は、画像のそれぞれの連続領域に対応する空間的に変調された光の複数の連続光チャネルを含む。しかしながら、本開示はこの種のホログラムに限定されない。

本明細書では「ホログラム」又は「コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）」を参照しているが、ＳＬＭは、連続して又は結果に従って複数の異なるホログラムを動的に表示するように構成されてもよいことが理解されよう。本明細書に記載のシステム及び方法は、複数の異なるホログラムの動的表示に適用可能である。

図４Ａ～図５は、本明細書に開示される瞳孔拡張器と共に使用することができるＳＬＭなどの表示装置に表示することができる種類のホログラムの例を示す。しかしながら、この例は、本開示に関して限定するものと見なされるべきではない。

図４Ａは、８つの画像領域／成分Ｖ１～Ｖ８を含む投影のための画像４５２を示す。図４Ａは、例としてのみ８つの画像成分を示しており、画像４５２は任意の数の成分に分割することができる。図４Ａはまた、例えば、適切な観察システムのレンズによって変換されたときに画像４５２を再構成することができる符号化された光パターン４５４（すなわち、ホログラム）を示す。符号化された光パターン４５４は、第１から第８の画像成分／領域Ｖ１からＶ８に対応する第１から第８のサブホログラム又は成分Ｈ１からＨ８を含む。図４Ａは、ホログラムが画像コンテンツを角度ごとに分解する方法をさらに示す。したがって、ホログラムは、それが実行する光のチャネリングによって特徴付けられ得る。これを図４Ｂに示す。具体的には、この例のホログラムは、複数の個別の領域に光を向ける。図示の例では、個別の領域はディスクであるが、他の形状も想定される。最適なディスクのサイズ及び形状は、導波路を伝播した後、観察システムの入射瞳のサイズ及び形状に関連し得る。

図５は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように計算されたホログラムを表示する表示装置を含む、観察システム５００を示す。

観察システム５００は、この配置ではＬＣＯＳ ５０２を備える表示装置を備える。ＬＣＯＳ ５０２は、ホログラムを含む変調パターン（又は「回折パターン」）を表示し、開口５０４として作用する瞳孔、レンズ５０９、及び観察面として作用する網膜（図示せず）を含む眼５０５に向かってホログラフィック符号化された光を投影するように配置される。ＬＣＯＳ ５０２を照明するように配置された光源（図示せず）がある。眼５０５のレンズ５０９は、ホログラムから画像への変換を実行する。光源は、任意の適切な種類のものであってもよい。例えば、レーザ光源を備えてもよい。

観察システム５００は、ＬＣＯＳ ５０２と眼５０５との間に位置付けられた導波路５０８をさらに備える。導波路５０８の存在は、示されている比較的大きい投影距離であっても、ＬＣＯＳ ５０２からのすべての角度コンテンツが眼によって受け取られることを可能にする。これは、導波路５０８が、周知であり、したがって本明細書では簡単に説明されている方法で、瞳孔拡張器として作用するからである。

要するに、図５に示す導波路５０８は、実質的に細長い形成を含む。この例では、導波路５０８は屈折材料の光学スラブを含むが、他の種類の導波路も周知であり、使用されてもよい。導波路５０８は、ＬＣＯＳ ５０２から例えば斜めの角度で投影される光円錐（すなわち、回折光照射野）と交差するように位置する。この例では、導波路５０８のサイズ、場所、及び位置は、光円錐内の８つの光線束の各々からの光が確実に導波路５０８に入るように構成される。光円錐からの光は、その第１の平面（ＬＣＯＳ ５０２の最も近くに位置する）を介して導波路５０８に入り、導波路５０８の長さに沿って少なくとも部分的に案内された後、その第２の平面を介して、第１の表面（眼の最も近くに位置する）の実質的に反対側に放射される。よく理解されるように、第２の平面は、部分的に反射性であり、部分的に透過性である。言い換えれば、各光線が第１の平面から導波路５０８内を進行して第２の平面に当たると、光の一部は導波路５０８から透過され、一部は第２の平面によって反射されて第１の平面に戻る。第１の平面は反射性であり、それにより、導波路５０８内から第１の平面に当たるすべての光は、第２の平面に向かって反射されて戻る。したがって、光の一部は、透過される前に導波路５０８の２つの平面間で単に屈折されてもよく、他の光は反射されてもよく、したがって、透過される前に導波路５０８の平面間で一回又は複数の反射（又は「跳ね返り」）を受けてもよい。

図５は、導波路５０８の長さに沿って合計９回の「跳ね返り」点Ｂ０～Ｂ８を示す。図４Ａに示すような画像のすべての点（Ｖ１～Ｖ８）に関する光は、導波路５０８の第２の平面からの各「跳ね返り」で導波路から透過されるが、画像の一方の角度部分（例えば、Ｖ１～Ｖ８のうちの１つの光）からの光のみが、それぞれの「跳ね返り」点Ｂ０～Ｂ８から眼５０５に到達することを可能にする軌道を有する。さらに、画像の異なる角度部分Ｖ１～Ｖ８からの光は、それぞれの「跳ね返り」点から眼５０５に到達する。したがって、図５の例では、符号化された光の各角度チャネルは、導波路５０８から一度だけ眼に到達する。

上述した方法及び配置は、様々な異なるアプリケーション及び観察システムで実装することができる。例えば、それらは、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）又は拡張現実（ＡＲ）ＨＭＤなどの頭部又はヘルメット装着装置（ＨＭＤ）に実装されてもよい。

知覚される画像を形成するために眼が受信された変調光を変換することを必要とする虚像が本明細書で概して論じられているが、本明細書に記載の方法及び配置は、実像に適用することができる。

二次元瞳孔拡張
図５に示す配置は、一次元で瞳孔拡張を提供する単一の導波路を含むが、瞳孔拡張は、複数の次元、例えば二次元で提供することができる。さらに、図５の例は、それぞれが画像の異なる部分に対応する光のチャネルを作成するために計算されたホログラムを使用するが、本開示及び以下に説明するシステムは、そのようなホログラムの種類に限定されない。

図６は、光ビーム６０２を二次元に拡張するために配置された２つの複製器６０４、６０６を含むシステム６００の斜視図を示す。

図６のシステム６００では、第１の複製器６０４は、互いに平行に積層され、図５の導波路５０８と同様に複製又は瞳孔拡張を提供するように配置された第１の対の面を含む。第１の対の面は、互いに同様に（場合によっては、同一に）サイズ設定及び形状設定され、一方向に実質的に細長い。コリメート光ビーム６０２は、第１の複製器６０４上の入力部に向けられている。当業者によく知られている、２つの表面間の内部反射、及び一方の表面上の複数の出力点（図６に示すように、上面）の各々からの光の部分透過のプロセスにより、光ビーム６０２の光は、第１の複製器６０４の長さに沿って第１の方向に複製される。したがって、第１の複数のレプリカ光ビーム６０８は、第１の複製器６０４から第２の複製器６０６に向かって放射される。

第２の複製器６０６は、互いに平行に積層され、第１の複数の光ビーム６０８のコリメート光ビームの各々を受光するように配置され、さらに、それらの光ビームの各々を第１の方向に実質的に直交する第２の方向に拡張することによって複製、すなわち瞳孔拡張を提供するように配置された第２の対の面を含む。第１の対の面は、互いに同様に（場合によっては、同一に）サイズ設定及び形状設定され、実質的に長方形である。長方形の形状は、第１の方向に沿った長さを有し、第１の複数の光ビーム６０８を受光し、第２の直交方向に沿った長さを有し、その第２の方向に複製を提供するために、第２の複製器に実装される。２つの表面間の内部反射及び一方の面上（図６に示すように、上面）の複数の出力点のそれぞれからの光の部分的な透過のプロセスにより、第１の複数の光ビーム６０８内の各光ビームの光は第２の方向に複製される。したがって、第２の複数の光ビーム６１０が第２の複製器６０６から放射され、第２の複数の光ビーム６１０は、第１の方向及び第２の方向のそれぞれに沿った入力光ビーム６０２のレプリカを含む。したがって、第２の複数の光ビーム６１０は、レプリカ光ビームの二次元グリッド又は配列を含むと見なされてもよい。

したがって、図６の第１及び第２の複製器６０４、６０５が組み合わさって二次元複製器（又は、「２次元瞳孔拡張器」）を提供すると言うことができる。
改良された二次元瞳孔拡張器
本発明者らは、実際の用途における瞳孔拡張器の有用性及び効率の限界を特定した。例えば、当業者は、瞳孔拡張の使用を必要とする多くの実用的な用途が物理的空間の制約を有することを認識するであろう。例えば、自動車のヘッドアップディスプレイでは、瞳孔拡張器が車両のダッシュボードの下などの限られた空間に設けられることが望ましい場合がある。また、そのような空間は、移動又は振動する不安定な環境であることが多く、これは多くの従来の瞳孔拡張器にとって問題である。さらに、瞳孔拡張器は、通常、他の光学素子を含むより大きな表示システム又は観察システムの一部として提供され、これらのすべては限られた空間内に物理的に拘束されなければならない場合がある。しかしながら、既知の瞳孔拡張器は、一般に、提供される瞳孔拡張の程度（又は、範囲）と空間内の物理的体積、及び２次元瞳孔拡張器が占有するその周囲環境への適合性との間で非最適な妥協を行う必要がある。

さらに、本発明者らは、光照射野が小型表示装置からのホログラフィック光照射野などの回折光照射野である場合に、瞳孔を複製／拡張するために導波路を使用することに関連する技術的問題を特定した。従来の画像化とは異なり、ホログラフィは回折を包含し、画像が眼でのホログラフィック再構成によって形成される場合、コリメート光ではなく、回折／発散光を導波路内で伝播することが有利である。重要な問題は、回折に必要な画素サイズが小さいために必要な表示装置が非常に小さいため、投影距離を（相対的に）大きくする必要があり、したがって光照射野のサイズ（断面次元）も大きくなることである。特に、本発明者らは、細長い導波路の２つの相補的な表面、すなわち瞳孔の複製／拡張に寄与しない他の２つの細長い表面からの単純な内部反射を使用することによって、この次元でホログラフィック光照射野を効果的に「折り返し」、（ホログラム領域ではあるが）すべての画像コンテンツを保持することが可能であることを見出した。さらに、本発明者らは、ホログラフィック光照射野をさらに折り返すために導波路結合器を利用し、それによって最適な（すなわち、少量）パッケージングを容易にするコンパクトな積層構成を考案した。

本発明者らは、効率、堅牢性、及びコンパクト性のバランスを高めるホログラフィ用の２次元瞳孔拡張器を提供することを可能にすることを認識した。本明細書に開示される二次元瞳孔拡張器は、ユーザが、二次元瞳孔拡張器が使用される発光体（ＳＬＭ又は別の画素化装置など）によって出力された光のすべて（又は、少なくとも必要な部分）を受け取ることを可能にすることによって、ユーザが広い視野を有することを可能にし、また、従来達成可能であるよりも大きなアイボックスをユーザに提供し、したがって、ユーザが頭を動かし、依然として必要な光を見ることを可能にする。これはすべて、コンパクトで堅牢で空間効率的な方法で提供される。これは、図７以降からさらに理解することができる。

図７は、第１の導波路瞳孔拡張器７０２と、導波路結合器７０４（これは、いくつかの実施形態では、任意である）と、第２の導波路瞳孔拡張器７０６とを備える改良されたシステム７００を示す。

第１の導波路瞳孔拡張器７０２は三次元要素を備える。第１の導波路瞳孔拡張器７０２は、互いに直交する三対の面を有する略直方体形状であり、第１の導波路瞳孔拡張器７０２は、一次元に沿って比較的長く、他の二次元の各々に沿って比較的短い。しかしながら、本開示は、図７に示す第１の導波路瞳孔拡張器７０２の特定のサイズ又は形状に限定されない。

第１の導波路瞳孔拡張器７０２は、第１の対の平行な細長い面７０８ａ、７０８ｂを備え、これらはそれぞれ、図７に示す特定の配置における上面及び下面として示されている。第１の導波路瞳孔拡張器７０２は、第２の対の平行な細長い面７１０ａ、７１０ｂを備え、これらは、図７に示す特定の配置における側面として示されている。第１の導波路瞳孔拡張器７０２は、やはり互いに平行な一対の比較的小さい端面７１２ａ、７１２ｂをさらに備える。「上部」、「下部」、「側面」、及び「端部」という相対的な用語は、理解を容易にし、便宜上、図７の説明において本明細書で使用されるが、本開示はこれらの相対的な用語に限定されず、システム７００は、本明細書で説明されるように依然として機能しながら、任意の適切な方法で移動、回転、又は並進することができることが理解されよう。

上部細長い面７０８ａの入力ポートは、入力光７１４を受け取るように配置されている。上部細長い面７０８ａはまた、上部細長い面７０８ａの入力ポートとは実質的に反対側の端部に出力ポート（図７には具体的に示されていない）を備え、出力ポートは、上部細長い面７０８ａに沿って画定された複数の透過点のうちの最後の透過点である。

図７では入力光７１４が単一の線で示されているが、本発明者らは、入力光７１４がコリメートされていない、及び／又は発散光線束を含む必要性／要望を認識している。したがって、実施形態では、入力光７１４は、回折光又は発散光を含む。入力光７１４は、ＳＬＭから直接的又は間接的に受光されてもよく、例えば、ＳＬＭと第１の導波路瞳孔拡張器７０２との間には、１つ又は複数の他の光学素子があってもよい。

第１の対の平行な細長い面の７０８ａ、７０８ｂは、図５及び図６に関連して上述したものと同様の方法で導波路瞳孔拡張器（又は、複製器）として機能するように配置される。下面７０８ｂの内面は反射性であり、上面７０８ａは部分的に透過反射性である。したがって、第１の対の平行な細長い面７０８ａ、７０８ｂは、第１の導波路瞳孔拡張器７０２の細長い方向に沿って第１の対の平行な細長い面７０８ａ、７０８ｂの間で光を内部反射又は「跳ね返り」して、入力ポートと出力ポートとの間で上面７０８ａ上の複数の透過点の各々からいくらかの光を透過するように配置される。したがって、ホログラムの光は、第１の方向に複製又は拡張される。端的に言えば、ホログラムは複製されているとも言える。

しかしながら、本発明者らは、入力光７１４が回折光又は発散光（すなわち、発散光線束を含む光）である場合、光円錐のサイズ、すなわち、本明細書の図８に示すように、円錐の端部又は口部が画定する回折光照射野のサイズ「Ｌ」が、光がその光路に沿って伝播するにつれて増加するように、（コリメート光内に含まれる１つ又は複数の平行ビームとは対照的に）拡張光円錐を含むことを認識した。これは、回折／発散光の確立された原理であり、例えば、図８のＳＬＭ ８０４から放射されるものとして示されている光円錐８０２から理解することができる。そこに示されるように、光円錐８０２は、光軸「Ａ」（光が放射されるＳＬＭ ８０４の面上の中心点に実質的に垂直に延びる）と、その軸「Ａ」（すなわち、図８に示す例では、光軸「Ａ」の上又は下である）に対して正又は負の方向の光円錐８０２の最外部又は限界との間に画定された角度である回折角θで放射される。回折光照射野のサイズ「Ｌ」は、十分に確立された三角法の原理に基づいて、回折角θと、そのサイズ「Ｌ」が測定されるＳＬＭ ８０４からの距離「ｄ」の両方に依存することが分かる。

したがって、本発明者らは、回折／発散光が従来の配置で第１の画像複製器の細長い面に入力された場合、光円錐のサイズ、すなわち、円錐の端部又は口部によって画定される回折光照射野のサイズ「Ｌ」が、そのより短い次元のうちの１つに沿った瞳孔複製器のサイズを超えるリスクがあることをさらに認識した。言い換えれば、図７に示す第１の導波路瞳孔拡張器７０２が従来の配置である場合、回折光照射野のサイズ「Ｌ」は、上部７０８ａと下部７０８ｂとの間のその伝播経路に沿ったある点で、第１の導波路瞳孔拡張器７０２の横の厚さを超えるリスクがある。それが起こった場合、従来の瞳孔拡張器では、入力光円錐７１４からの光の少なくとも一部は、側面の一方又は両方を通って漏れ、したがって意図された観察者に正しく到達しない。

したがって、本発明者らは、第２の対の平行面（図７の例では、一対の細長い側面７１０ａ、７１０ｂ）もまた、少なくとも１つの内部反射によって入力ポートから出力ポートに向かって光照射野を案内するように配置されている、改良された第１の導波路瞳孔拡張器７０２を提供した。このような内部反射は、回折光照射野のサイズがそうでなければ一次元又は複数次元で第１の導波路瞳孔拡張器７０２のサイズを超えるサイズに拡張される場合であっても、空間的に変調された光円錐の光が第１の導波路瞳孔拡張器内に閉じ込められたままであることを可能にし、光は、図７に示される例では、瞳孔拡張のために特に意図された細長い面、すなわち上部細長い面７０８ａ上に画定された複数の透過点を介してのみ透過される。したがって、画像関連情報（例えば、画像に対応するホログラムの符号化光）などの所望の情報を含む光は、第１の導波路瞳孔拡張器７０２の二次面を通して失われない。要するに、本発明者らは、良質の画像の眼での再構成に必要なすべての回折／ホログラフィック光コンテンツを保持するために、回折／ホログラフィック光照射野をこの方向に（他の対向する面からの追加の反射を使用して）効果的に「折り返す」ことが可能であることを見出した。

本発明者らは、少なくともいくつかの実施形態では、第１の導波路瞳孔拡張器７０２内の光が、第１の対の対向する面によって反射／透過されることに加えて、第２の対の対向する面によって内部的に反射するように、光発射条件が能動的に制御されるべきであることを認識した。例えば、図７の例から、入力光７１４は、入力光７１４が入る面７０８ａの法線に対して画定される入射角（ＡＯＩ）で第１の導波路瞳孔拡張器７０２に入るべきであることが分かる。そのような角度は、少なくとも第１の対の対向する面の間の伝播が確立されるために必要である。

本発明者らは、第１の導波路瞳孔拡張器７０２の比較的薄い厚さと入射角（ＡＯＩ）との組み合わせが、第１の導波路瞳孔拡張器７０２が第１の方向（例えば、垂直な暗い／白いバンドがない）に高品質の瞳孔拡張を提供することを可能にすることを見出した。

第１の導波路結合器７０４は、本明細書に記載の導波路として機能するために、任意の適切な材料で形成されてもよい。実施形態では、第１の導波路結合器７０４の屈折率「ｎ」と空気との間の固有の差は、第２の対の平行面が内部反射（例えば、総内部反射）を提供することを可能にし、したがって、回折光が第１の対の平行面の反射／透過面上の出力ポートから制御された方法で透過される場合を除いて、回折光を第１の導波路結合器７０４の内部に保持することを可能にする。他の実施形態では、第２の対の平行面の少なくとも１つの面は、所望の内部反射及び光トラップを達成するために、別の材料によってコーティング又は他の方法で追加されてもよい。これは、後続の図に関連して以下でさらに説明される。

第１の導波路瞳孔拡張器７０２から出力される光は、上部細長い面７０８ａ上の対応する複数の透過点（特に図７には示されていない）から出力される複数のレプリカ光ビームを含む。出力光は、ある角度（図７には具体的に示されていない）で透過点から放出され、出力光ビームの各々は、それぞれの他のビームの各々と実質的に平行である。これは、本明細書に開示され、以下でさらに説明される改良されたシステムの一実施形態を示す図１０に示す光路から見ることができる。図７に戻ると、いくつかの実施形態では、図７に示す導波路結合器７０４及び第２の導波路瞳孔拡張器７０６が必要とされないように、瞳孔拡張が一方向のみに提供される。

したがって、入力ポートと、出力ポートと、第１の対の平行面と、第２の対の平行面とを備える第１の導波路瞳孔拡張器を備える表示システムが提供され、第１の対の平行面は第２の対の平行面に直交し、第１の対の平行面は、入力ポートから出力ポートへの回折光照射野をそれらの間の内部反射によって導光するように配置され、第１の対の平行面の第１の面は、光照射野が各内部反射で分割され、光照射野の複数のレプリカが出力ポートを形成する第１の面の領域を透過するように部分的に透過反射性であり、第２の対の平行面も、入力ポートから出力ポートへの光照射野を少なくとも１つの内部反射によって導光するように配置される。第２の対の平行面は、部分的な透過を可能にすることによって瞳孔複製を提供するように配置されておらず、任意選択的に、その両面は、出力ポートへの完全な導光、すなわち１００％（又は１００％近く）の反射のために配置されてもよい。

本明細書で開示される改良された第１の導波路瞳孔拡張器７０２は、回折光照射野がそこを通って伝播され、それによって一次元に拡張されることを可能にする。したがって、例えば、ホログラムの光、すなわち、ＳＬＭ又は他の表示装置に表示されるホログラムによって空間的に変調されているが、ホログラフィック再構成画像を形成するように変換されていない光は、改良された第１の導波路瞳孔拡張器７０２によって伝播及び拡張され得る。第１の導波路瞳孔拡張器によって形成される各「レプリカ」、すなわち出力光ビームは、光がホログラムに従って空間的に変調されるため、実質的にホログラムのレプリカである。非公式に、光はホログラムを用いて「符号化」されていると言える。

第１の導波路瞳孔拡張器がコンパクトな形態（本明細書の図７から図１１に示す比較的薄い細長い形態など）で提供される実施形態では、第１の導波路瞳孔拡張器は、それが含まれる表示システムの全体的なサイズ及び重量を低減するので有利である。

瞳孔拡張が二次元で必要とされる実施形態では、第１の導波路瞳孔拡張器７０２は、複数の出力光ビームが、第１の方向に実質的に垂直な第２の方向に瞳孔拡張を提供するように配置された第２の導波路瞳孔拡張器７０６の受光面７１６ｂに向けて（以下でさらに説明するように、例えば１つ又は複数の他の構成要素を介して、直接的又は間接的に）誘導されるように配向される。

図７の例では、第２の導波路瞳孔拡張器７０６は三次元要素を備える。第２の導波路瞳孔拡張器７０６は、実質的に平面形状であり、三対の互いに直交する面を有し、第２の導波路瞳孔拡張器７０６は、二次元に沿って比較的長く、その第３の次元に沿って比較的短い。しかしながら、本開示は、図７に示す第２の導波路瞳孔拡張器７０６の特定のサイズ又は形状に限定されない。

第２の導波路瞳孔拡張器７０６は、第１の対の平行な矩形（又は、四辺形、若しくは平面）面７１６ａ、７１６ｂを備え、これらはそれぞれ、図７に示す特定の配置における上面及び下面として示されている。これらは、第２の導波路瞳孔拡張器の「主面」又は「主表面」と呼ばれてもよい。平行な矩形面７１６ａ、７１６ｂの各々は、比較的大きな表面積を有し、矩形の長さ及び幅は、第２の導波路瞳孔拡張器７０６の第１及び第２の細長い次元に沿って画定される。第２の導波路瞳孔拡張器７０６は、一対の平行な細長い側面７１８及び一対の平行な細長い端面７２０をさらに備え、これらはすべて表面積が比較的小さい。

第１の導波路瞳孔拡張器７０２及び第２の導波路瞳孔拡張器７０６は、第１の導波路瞳孔拡張器７０２からの複数の出力光ビームが、この非限定的な例では第２の導波路瞳孔拡張器７０６の下面７１６ｂである受光面７１６ｂに向けられるように互いに対して配向される。好ましくは、それらは、複数の入力ポートが下面７１６ｂの一端に沿って／その近くに画定されるように、下面７１６ｂのその端に向けられ、それらの入力ポートは、第１の導波路瞳孔拡張器７０２からの複数の出力光ビームを受け取る。システム７００は、光ビームが入力ポートを介して、下面７１６ｂの表面法線に対して斜めの角度で第２の導波路瞳孔拡張器７０６に入るように構成されている。さらに、第２の導波路瞳孔拡張器７０６は、好ましくは、第１の導波路瞳孔拡張器からの出力光ビームの各々を受け取るため、第１の導波路瞳孔拡張器７０２が一方向に提供した瞳孔拡張を保持するため、そして、第２の導波路瞳孔拡張器７０６の第２の細長い次元によって画定された第２の実質的に直交する方向にそれらの光ビームの各々を拡張するために、サイズ設定及び配向設定される。

下面７１６ｂの内面は反射性であり、上（透過）面７１６ａは部分的に透過反射性である。このため、二面間での内部反射と、上面７１６ａ上の複数の出力点それぞれからの光の一部透過との過程により、第２の導波路瞳孔拡張器７０６の入力ポートを介して受光された各光ビームの光が第２の方向に拡張（又は、複製）される。したがって、第２の複数の光ビームが導波路瞳孔拡張器７０６から放射され、第２の複数の光ビームは、第１の方向及び第２の方向のそれぞれに沿った入力光ビーム７１４の複数のレプリカを含む。したがって、第２の複数の光ビームは、レプリカ光ビームの２次元グリッド又は配列を含むと見なされ得る。入力回折／発散光がホログラムの光、すなわち、ホログラムに従って空間的に変調され、ホログラフィック再構成画像を形成するためにまだ変換されていない光である実施形態では、各レプリカは、実際にはホログラムのレプリカである。

当業者は、例えば、第２の導波路瞳孔拡張器の厚さ及び入射角ＡＯＩが、レプリカが完全に一体に綴じ合わされる、すなわち接合される、最適な二次元瞳孔拡張のために決定され得る方法を理解するであろう。

さらなる技術的進歩において、第１の導波路瞳孔拡張器７０２と第２の導波路瞳孔拡張器７０６との間に導波路結合器７０４が設けられる。導波路結合器７０４は、第１の導波路瞳孔拡張器７０２と第２の導波路瞳孔拡張器７０６との間で光を結合又は誘導するように配置される。導波路結合器７０４の形状は、物理的構成及び／又は任意の所与の表示システムの制約に応じて変化し得るが、図７～図１１の例示的な配置では、導波路結合器７０４は断面が実質的に三角形である。導波路結合器７０４は、比較的大きな表面積を有し、導波路結合器７０４の「主面」を形成すると言うことができる、２つの三角形形状の平行面７２２を含む。この例では、それらは直角三角形形状であるが、これは限定的と見なされるべきではない。それはまた、２つの三角形の面７２２の間に接続壁又は側面を形成し、比較的表面積が小さい３つの実質的に長方形の面７２４を有し、その結果、それらは導波路結合器７０４の「小面」を形成すると言うことができる。

導波路結合器７０４は、第１の導波路瞳孔拡張器７０２から出力される複数のレプリカ光を受け取り、それらを第２の導波路瞳孔拡張器７０６に向けて出力するように配置されている。図７に見られるように、この例示的な配置では、複数のレプリカ光線は、第１の小面７２４によって受け取られ、第２の異なる小面７２４によって出力され、第２の導波路瞳孔拡張器７０６の下面７１６ｂに複数のレプリカ光線を向ける。導波路結合器７０４は、第１及び第２の導波路瞳孔拡張器７０２、７０６の所望の又は必要な相対的位置決めに応じて、任意の適切な形状を有することができる。図７に示す特定の配置では、所望の内部反射及び瞳孔拡張を達成するために、導波路瞳孔拡張器７０２、７０６の各々に光を入力するための角度要件などの要因は、本質的に、２つの導波路瞳孔拡張器７０２、７０６の間に存在する三角形形状のギャップをもたらす。導波路結合器７０４は、そのギャップを占有し、２つの導波路瞳孔拡張器７０２、７０６間の伝播中に光が失われないように、２つの導波路瞳孔拡張器７０２、７０６間で光を結合又は誘導するように構成される。

入力光７１４が回折光又は発散光を含む実施形態では、第１の導波路瞳孔拡張器７０２によって出力されるレプリカの各々はまた、回折光又は発散光を含む。したがって、各レプリカは、コリメートされていない光の円錐を含み、円錐の口部で画定される光照射野は、光の伝播距離が増加するにつれてサイズが増加する。結果として、光が第１の導波路瞳孔拡張器７０２と第２の導波路瞳孔拡張器７０６との間を制御されずに移動した場合、その光の一部が第２の導波路瞳孔拡張器７０６上の入力ポートによって画定される領域から発散して失われるか、又は少なくとも端部観察者に正しく到達しない危険性がある。例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システム、特に車両ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムでは、物理的なコンパクトさがしばしば必要とされるため、第２の導波路瞳孔拡張器７０６の表面積を増加させることは多くの用途で望ましくない。

したがって、本発明者らは、２つの導波路瞳孔拡張器７０２、７０６の間に導波路結合器７０４を提供することが、導波路結合器７０４を、いずれにせよ２つの導波路瞳孔拡張器の間に必要とされるギャップに適合するように適切に形成、成形、及びサイズ設定することができ、そのギャップ内で非常に有用で重要な光制御機能を提供することができるため、効率的で有利な解決策であることを認識した。本発明者らは、瞳孔拡張器システム内に追加の構成要素を含めることは反直感的である可能性があるが、特にコンパクトさ及び／又は軽量化が有利である環境にシステムを組み込むことを意図する場合、導波路結合器の存在及び本明細書に記載の導波路結合器がもたらす利点は、追加の構成要素を導入することの潜在的な欠点を上回る可能性があることをさらに認識した。さらに、少なくともいくつかの実施形態では、導波路結合器がシステムの全体サイズを大幅に増加させないように、導波路結合器は、第１及び第２の導波路瞳孔拡張器の間に本質的に存在する必要があるギャップに嵌合するように形成することができることを認識している。

例えば、導波路結合器７０４の面は、それらのレプリカの一部又はすべてを受け取るため、第１の導波路瞳孔拡張器の出力面に対応するように、又は少なくとも第１の導波路瞳孔拡張器７０２からの複数の出力光線に対応するように、サイズ設定及び形状設定され得る。これは、本明細書の図１０及び図１１の配置から最も明確に分かる。これらの配置では、図７の場合と同様に、導波路結合器７０４の断面形状は、実質的に直角三角形である。導波路結合器７０４（三角法の用語では、この例では「斜辺」側にある小面）の第１の小面７２４は、第１の導波路瞳孔拡張器７０２からの光を受け取るように配置されている。光は、導波路結合器７０４を通って進み、第２の導波路瞳孔拡張器７０６に向かって第２の小面７２４から出力される。図１０及び図１１の例示的な配置では、導波路結合器７０４から出力された光は、ミラー１００２を介して、第２の導波路瞳孔拡張器７０６に向かって間接的に案内され、これについては以下でさらに説明する。しかしながら、本開示では、導波路結合器７０４から第２の導波路瞳孔拡張器７０６への光の直接移動、及び任意の適切な他の１つ又は複数の要素を介したそれらの間の光の間接移動も考えられる。

導波路結合器７０４は、その中に光を保持し、それを第２の導波路瞳孔拡張器７０６に向けることを可能にする任意の適切な１つ又は複数の材料で形成される。入力光７１４、したがって第１の導波路瞳孔拡張器７０２によって出力される複数のレプリカが回折光又は発散光を含む実施形態では、導波路結合器７０４の１つ又は複数の面は、光を第２の導波路結合器７０６に向けて導くように意図される出力ポートなどの指定された領域を除いて導波路結合器７０４から発散光が漏れるのを防止するために内部反射を提供するように配置されてもよい。したがって、図１０及び図１１の例示的な配置では、出力ポートを含まない三角形の主面７２２及び／又は小面７２４のうちの１つ又は複数は、内部反射を提供するように構成されてもよく、その結果、光は、それを介して第２の導波路瞳孔拡張器７０６に向かって移動するように意図されている他の小面（「出力面」と呼ばれる場合がある）を介した場合を除いて光が漏れることができない。光がそれを介して第２の導波路瞳孔拡張器７０６に向かって移動するように意図される出力面は、透過面を備えてもよい。

導波路結合器７０４の出力面は、第２の導波路結合器７０６上の入力ポートに対応するように位置する、サイズ設定される、及び／又は形状設定されてもよい。導波路結合器７０４と第２の導波路瞳孔拡張器７０６との間で、第２の方向の瞳孔拡張のために、複数のレプリカ光線を第２の導波路瞳孔拡張器７０６に適切に向けるために、１つ又は複数の他の要素を使用することもできる。ここでも、これは図１０及び図１１から最も明確に見ることができ、導波路結合器７０４から出力された光線は、ミラー１００２に向けられ、ミラーは、光線を第２の導波路瞳孔拡張器７０６の受光側（これらの例では、下側）の一端に近接して位置する領域に向けて反射し、そこから光線は上記の反射及び透過を受けて、二次元瞳孔拡張を達成する。レプリカ光線が第２の導波路瞳孔拡張器７０６に到達することを確実にするのと同様に、導波路結合器７０４は、レプリカ光線が所望の角度でそれに確実に到達できるようにする。これにより、第２の導波路瞳孔拡張器７０６において内部反射が達成可能であり、第２の導波路瞳孔拡張器７０６の出力が対応して正確に配向されることが保証され得る。これは、表示システムの全体的な補正機能を保証するのに役立ち、例えば、所望の観察者アイボックスの正確な位置決めを保証するのに役立つ。本発明者らは、導波路結合器が２Ｄ瞳孔拡張における水平暗／白色帯域を最小限に抑えるのに有意に役立つことを見出した。

上述したように、多くの実際の用途では、瞳孔拡張システムをより大きなシステム、例えば車両に実装するために、コンパクトで空間効率の良い配置で瞳孔拡張を提供することが望ましく、場合によっては必要である。コンパクトさはまた、瞳孔拡張システムが提供されるべき環境が、移動する、振動する、又は他の不安定な環境、例えば車両である場合にも有益であり得る。本発明者らは、上述した、導波路瞳孔拡張器の１つ又は複数、及び任意選択で導波路結合器も、非常にコンパクトで効率的な方法で配置され得ることを認識した。例えば、彼らは、第１の導波路瞳孔拡張器及び導波路結合器を、任意選択的にターンミラー（又は、「折り返しミラー」）などの別の適切な光学素子と共に、第２の導波路瞳孔拡張器（これは、第１の方向の瞳孔拡張を保持し、第２の実質的に直交する方向に瞳孔拡張を加えるように配置されているため、第１の導波路瞳孔拡張器よりも必然的に大きい）の「専有領域」によって画定される物理的領域内に配置することが可能であり、回折／発散入力光線に対してさえ、本明細書に記載の２次元瞳孔拡張の効率及び有効性を提供することが可能であることを認識している。

したがって、少なくともいくつかの事例では、本発明者らによってなされた認識に従って、表示システム（又は、光エンジン）を提供することができ、第１の導波路瞳孔拡張器、導波路結合器、及び任意選択的に１つ又は複数の他の要素は、第１の層、例えば、下層内に設けることができ、第２の導波路瞳孔拡張器は、第２の層、例えば、コンパクトな二次元瞳孔拡張システムの上層内に設けることができる。コンパクトな２次元瞳孔拡張システムは、第２の導波路瞳孔拡張器の主面の断面積に等しいか、又は実質的に等しい断面積を有することができる。場合によっては、コンパクトな２次元瞳孔拡張システムは、第２の導波路瞳孔拡張器の主面の断面積よりもわずかに大きい、例えば所定の閾値又は許容レベル内よりも大きい断面積を有することができる。

コンパクトな２次元瞳孔拡張システムは、観察システム、光エンジン、又は表示システム、例えば、画像又はホログラムを表示することができるＳＬＭ又は他の画素化表示装置を含むヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムの一部を形成することができる。少なくとも場合によっては、ＳＬＭ又は他の表示装置はまた、第２の導波路瞳孔拡張器の専有領域内にあるように配置されてもよい。例えば、ＳＬＭ又は他の表示装置は、第１の導波路瞳孔拡張器及び導波路結合器並びに任意選択的に１つ又は複数の他の光学素子と共に、下層内に設けられてもよく、第２の導波路瞳孔拡張器は、第２の上層（の少なくとも一部）を形成する。第１の導波路瞳孔拡張器、導波路結合器、及び設けられる任意の他の光学素子を介して、表示装置から第２の導波路瞳孔拡張器に進行する光の光路はまた、第２の導波路拡張器の断面積によって画定される物理的専有領域内に入るように、又は少なくとも第２の導波路瞳孔拡張器が含まれる層によって画定される物理的専有領域内に入るように位置してもよい。第１の導波路瞳孔拡張器及び導波路結合器が含まれる第１の層は、第２の導波路瞳孔拡張器が含まれる第２の層と連続していてもよい。例えば、第１及び第２の層は互いに当接してもよい。例えば、第１及び第２の層は互いに取り付けられてもよい。例えば、第１及び第２の層は互いに接合されてもよい。接合は、コンパクトで効率的な二次元瞳孔拡張を提供するために、本明細書に開示されているように、二次元瞳孔拡張システムにおける光伝播が起こることを可能にする任意の適切な材料を介して提供され得る。これは、図９～図１２でさらに理解することができる。

図１０は、図７に示す同様の配置に関して上記で詳細に説明したものと同様の方法で機能する第１の導波路瞳孔拡張器７０２、導波路結合器７０４、及び第２の導波路瞳孔拡張器７０６を含む例示的な配置を示す。したがって、図１０の配置は、上述のように本発明者らによってなされた認識を具体化する。図１０（及び図７）では、導波路結合器７０４の主面７２２は、第１の導波路瞳孔拡張器７０２内の第２の対の細長い平行面７１０ａ、７１０ｂと同一平面上にあり、これは（上述したように）第１の導波路瞳孔拡張器７０２内に光を閉じ込めるための内部反射を提供するように配置され、それによって、第１の導波路瞳孔拡張器７０２の他の第１の対の平行な細長い面７０８ａ、７０８ｂの一方の面に画定された出力ポートを介してのみ確実に漏れるようにする。次に、それを介して光が入り及び出る第１の導波路瞳孔拡張器７０２の第１の対の平行な細長い面７０８ａ、７０８ｂは、第１の導波路瞳孔拡張器７０２から複数のレプリカ光を受光するように構成される導波路結合器７０４の小「入力」面７２４と実質的に平行になるように配置されている。三角法の用語では、この小面７２４は、この例では、導波路結合器の主面によって画定される実質的に直角の三角形の「斜辺」である。これにより、第１の導波路瞳孔拡張器７０２及び導波路結合器７０４を第１の比較的薄い層の一部として設けることができる。また、図１０の第１の比較的薄い層内には、「ターンミラー」と呼ばれる場合があるミラー１００２が設けられている。ミラー１００２は、導波路結合器７０４から出力される光の方向を変えるように配置される。ミラー１００２は、図示の方法で光を向け直すことができる光学素子の一例であり、この作業を実行するために、代わりに１つ又は複数の他の要素を使用することができることが理解されよう。

図１０に示す配置では、ミラー１００２は、第１の導波路瞳孔拡張器７０２及び導波路結合器７０４が位置する層／平面から離れるように光を向け、代わりに第１層に実質的に平行な第２層に光を向けるように構成されており、第２の導波路瞳孔拡張器７０６はその第２層内に位置する。ミラー１００２は、第１の層内に適切に配置され、図示の例では第１の層の上に位置する第２の層に光を向けるように傾斜しているが、この相対的な位置決めは本開示を限定するものと見なされるべきではない。図１１に示す平面図からさらにより明確に分かるように、第１層内に含まれる第１の導波路瞳孔拡張器７０２、導波路結合器７０４及びミラー１００２は、この例示的な配置では、すべて、第２の導波路瞳孔拡張器７０６の主面の断面積によって画定される第２の層の物理的専有領域内にある。図１１はまた、同じ専有領域内の、第１の層内に設けられたＳＬＭ １１０２を示す。図１１では、ＳＬＭ １１０２によって出力された光は、図示されていないが好ましくは同じ専有領域内に入る１つ又は複数の適切な光学素子によって第１の導波路瞳孔拡張器７０２の入力ポートに向けられている。

ミラー１００２が図１０及び図１１に示されているが、第１の導波路瞳孔拡張器７０２及び導波路結合器７０４が位置する第１の層から、第２の導波路瞳孔拡張器７０６が位置する第２の、好ましくは平行な層に光レプリカを向けるためにミラー又は他の光学素子が必要とされない代替的な配置が考えられる。例えば、導波路結合器７０４の１つ又は複数の面は、光が第１の層と同一平面上にない方向に導波路結合器７０４によって直接出力され、第２の導波路瞳孔拡張器７０６の適切な入力ポート領域に光を向けるように形成又はコーティング又は別の方法で配置されてもよい。

また、図１１から、導波路瞳孔拡張器７０２、７０６の正しい入力角及び出力角を保証するために、例えばその内部反射を達成するために、第１の導波路瞳孔拡張器７０２の細長い次元は、第２の導波路瞳孔拡張器７０６の主面を画定する次元の各々に対して傾斜していることが分かる。本発明者らは、第１の導波路瞳孔拡張器７０２がこのように傾斜しているとき、それを第２の導波路瞳孔拡張器７０６の主面の物理的専有領域内に位置させることが可能であることを認識した。対照的に、第１の導波路瞳孔拡張器７０２がこの平面上で傾斜していない場合、図１０及び図１１から、代わりに第２の導波路瞳孔７０６をその平面上で傾斜させる必要があり、そうでなければ光学性能が損なわれることが分かる。したがって、下層上の第１の導波路瞳孔拡張器７０２の傾斜は、パッケージングを最適化する、すなわち構成要素の最下層が構成要素の最上層の専有領域内に入ることを可能にすることによって容積を最小化する技術的進歩をもたらす。そのような傾斜は、第１の導波路瞳孔拡張器と第２の導波路瞳孔拡張器の専有領域の周囲との間に略三角形のギャップを自然に作成する。したがって、この固有の三角形のギャップ形状は、図１１に示され、本明細書で詳細に上述したように、略三角形の導波路結合器７０４に適している。

本明細書の図９に示すように、第１の導波路瞳孔拡張器７０２及び導波路結合器７０４を含む第１の層、並びに任意選択のミラー１００２は、第２の導波路瞳孔拡張器７０６を含む第２の層に直接隣接して又は隣接して設けることができる。場合により、第２の層に当接する第１の層内の任意の面（複数可）に反射コーティングを設けることができる。いくつかの実施形態では、第１の導波路瞳孔拡張器７０２の第２の対の平行面７１０ａ、７１０ｂ及び導波路結合器７０４の三角形の主面７２２は、（当業者によく知られているように）屈折率差及び適切な入射角に基づく全内部反射による導光をもたらす。しかしながら、他の実施形態では、回折光の回折角を補完する第１の導波路瞳孔拡張器７０２及び導波路結合器７０４内の内部反射をそれぞれ実現するために、第１の導波路瞳孔拡張器７０２の第２の対の平行面７１０ａ、７１０ｂ及び／又は導波路結合器７０４の三角形の主面７２２に適切なミラーコーティングを行うことができる。

本明細書の図１２に示すように、本発明者らによる認識は、本明細書に記載の二次元瞳孔拡張システムを含む又は備えるシステムを非常にコンパクトで安定した形態で提供することを可能にする。例えば、図１２は、互いに当接する複数の略四辺形の層を備えるＨＵＤパッケージ１２０２として提供されるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムを示し、例えば、それらは任意の適切な方法で互いに接合されてもよい。ＨＵＤパッケージ１２０２は、第１の層及び第２の層において図１１に示され、図１１に関連して上述された要素を備える。また、ＨＵＤパッケージは、これらの層内に、及び／又はＨＵＤパッケージ１２０２内の１つ又は複数のそれぞれの他の層（複数可）に当接する第３（又は後続）の実質的に平行で比較的薄い（平坦な）層内に、追加の要素を備えてもよい。結果として、ＨＵＤパッケージ１２０２は、様々な異なる環境に組み込まれ得るコンパクトで規則的な形状で形成される。例えば、図１２の例では、自動車のダッシュボード１２０３の下に位置して示されているが、これは本開示を限定するものと見なされるべきではない。ＨＵＤパッケージ１２０２の規則的な形状及び層状の構成のために、ユーザ、例えば製造業者にとって、所望の向き及び位置でその周囲にそれを組み込むことは比較的簡単である。例えば、図１２において、ＨＵＤパッケージ１２０２は、その層の主面が実質的に水平であるように配向され、その結果、光は、光がウインドスクリーン１２０４から、実質的に垂直な平面内に画定される観察者のアイボックス１２０６に向けて反射されるか、さもなければ確実に向け直されるために、適切な角度で車両のウインドスクリーン１２０４に向けられる。しかしながら、他の例では、ＨＵＤパッケージ１２０２は、最適なパッケージング、例えば最小容積を提供するために水平面に対して傾斜される。

ここで説明するような２次元瞳孔拡張（又は、瞳孔複製）システムを、その構成要素が依然として正しい光伝播角度を保証しながら互いに可能な限り近くに位置するコンパクトな形態、例えば規則的な形状のコンパクトな形態で提供することは、製造の財務費用を単純化及び削減する点でさらに有益である。言い換えれば、第１及び第２の導波路瞳孔拡張器、及び適用可能な場合には導波路結合器を別々に製造してその後にそれらを一緒に配置するのではなく、例えば単一の層状構成要素として一緒に製造することがより簡単で費用効率が高い。さらに、第１の導波路瞳孔拡張器を薄い細長い形状で作製するなど、導波路瞳孔拡張器の物理的サイズを縮小することは、製造効率の観点及び財務費用の観点の両方から有益である。これは、次に、従来の、あまりコンパクトでない、及び／又はより不規則なシステム配置で可能であるよりも、より高品質の光学面又は光学材料を使用することを可能にし得る。さらに、本明細書に記載の２次元瞳孔拡張システムの規則的でコンパクトな形状は、例えば車両内などの困難な環境に位置する場合に、従来の２次元瞳孔拡張システムで典型的に達成可能なものよりも物理的に安定かつ堅牢であることを可能にする。

本明細書に開示された改善されたシステムは、従来の観察システムでは達成できなかった、回折又は発散光が、１つ又は複数の導波路瞳孔拡張器を介して少なくとも１つの次元で複製されることを可能にする。結果として、ホログラムによって符号化された光を含むがこれに限定されない回折構造によって出力された光は、観察者に伝送される前に１つ又は複数の次元で複製又は拡張することができる。そのような拡張により、観察者はより大きなアイボックスを有することができ、そのアイボックス内に、必要な光を依然として捕捉しながら眼（複数可）を位置することができ、それによって観察者がより多数の異なる眼の位置から画像（ホログラムに対応する画像など）を見る又は知覚することが可能になる。

導波路開口
本明細書に記載の配置及び方法は、単一の観察開口、又は入射瞳を有する観察システム、及び複数の入射瞳を有する観察システム、例えば、最も一般的であるがこれに限定されないが、２つの眼を有する人間の観察者にも適用可能である。

本発明者らは、少なくとも場合によっては、観察システムが複数の入射瞳を有する場合に起こり得る効果を考慮すべきであることを認識した。換言すれば、本発明者らは、共通の回折光照射野の複数のレプリカがどのように及びいつ観察者又は他の観察システムに到達するかに関する制御を提供することが適切であり得ることを認識した。例えば、少なくとも場合によっては、同一の回折光照射野の２つのレプリカが観察者の左眼と右眼の両方に同時に到達することを防止することが適切であり得る。これは、人間の脳は、それらの眼が互いに物理的に変位していることを考慮すると、両眼が同時に同一のコンテンツを受信することを期待しないからである。本発明者らは、観察者の両眼の異なるそれぞれの位置（これに対応して、任意の多入射瞳観察システム内の２つ以上の入射瞳の異なるそれぞれの位置）を考慮することができるように制御が行われて、画像又は画像の一部（又は、同じ画像又は画像の一部に関連するホログラフィック光）が実質的に同時に両眼で同様に受け取られないようにすることができることを認識した。これは、本明細書の図４Ａ～図５に関して説明したホログラムの種類に特に関連してより詳細に説明され（同時係属中の英国特許出願第２１０８４５６．１号を参照）、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、本開示は、以下でさらに説明する導波路開口の使用を含み、フーリエホログラム、点群ホログラム、又はフレネルホログラムを含むがこれらに限定されない任意の種類のホログラムによって変調される回折光照射野を含むがこれらに限定されない、任意の種類の回折又は発散光照射野のための瞳孔拡張に適用可能である。

したがって、いくつかの実施形態では、制御装置が表示システム内に設けられ、システム内の回折光のレプリカの少なくともいくつかの透過を制御するように配置される。制御装置は、システムの１つ又は複数の構成要素が出力するように構成される開口、又は特定の光路の選択的な遮断及び透過を可能にするように構成され得るため、「開口」又は「導波路開口」と呼ばれることがある。それは、光を透過させる１つ又は複数の「オープンゾーン」と、光を遮断する（すなわち、非透過性である）１つ又は複数の「クローズドゾーン」とを選択的に有することによってそうするように構成される。「ゾーン」は、「開口」と呼ばれることがあるが、物理的に別個の又は離散的な構成でなくてもよいが、ソフトウェア制御されてもよく、したがって位置及び形態が動的に可変であってもよいことを理解されたい。例えば、オープンゾーンとクローズドゾーンとの比は、任意の所与のゾーンのサイズ及び位置であり得るように、動的に可変であり得る。制御装置のオープン及びクローズドゾーンの特定の構成が採用される期間は、「段階」と呼ばれることがある。制御装置は、動的に、多くの場合非常に高速で、それぞれの位相間で循環又は変化するように制御することができる。

いくつかの実施形態では、制御装置は、第１の導波路瞳孔拡張器の下流、例えばすぐ下流に設けられる。例えば、制御装置は、第１の導波路瞳孔拡張器と（存在する場合）導波路結合器との間に設けられてもよく、より一般的には、第１の導波路瞳孔拡張器と第２の導波路瞳孔拡張器との間に設けられてもよい。いくつかの実施形態では、制御装置は、第１の導波路瞳孔拡張器と第２の導波路瞳孔拡張器との間に制御装置を設ける代わりに、又はそれに加えて、第２の導波路瞳孔拡張器の下流に設けられてもよい。

本明細書の図１０及び図１１に示す実施形態に戻ると、制御装置は、第１の導波路瞳孔拡張器７０２及び（存在する場合）導波路結合器７０４と実質的に同じ層内に設けられてもよい。例えば、制御装置は、第１の導波路瞳孔拡張器７０２及び／又は導波路結合器７０４に固定、例えば接合されてもよい。

例えば、制御装置は、第１の導波路瞳孔拡張器７０２と導波路結合器７０４との間に位置し得る細長い構造を備えてもよい。制御装置は、第１の導波路瞳孔拡張器７０２に実質的に平行に配置されてもよく、及び／又は第１の導波路瞳孔拡張器７０２が出力するように構成されている回折光照射野のレプリカの一部、好ましくは大部分、好ましくはすべてを遮断することを可能にする細長いサイズを有してもよい。制御装置は、観察者に到達するホログラムコンテンツを制御するために、例えば、どのホログラムコンテンツが観察者の眼の各々に到達するかを動的に制御するために、これらのレプリカの少なくともいくつかの前方への透過を選択的に透過又は遮断するように制御され得る。制御装置は、レプリカを何も透過しない、又はすべて透過する、あるいは選択された数を透過することを可能にすることの間で切り替え可能であり得る。

いくつかの実施形態では、制御装置は、観察者の眼の位置に基づいて特定のレプリカを選択的に通過させるカスタマイズされた光のシャッタリングを実現するように配置された実質的に平坦な液晶表示パネルを備える。眼の位置は、任意の適切なセンサ及び／又はフィードバック手段を介して制御装置のコントローラに知られてもよい。制御装置は、それが動作するように構成されている導波路瞳孔拡張器と実質的に同一平面上にあってもよい。

実施形態では、制御装置はまた、入力回折光照射野の個々のレプリカ内の回折光照射野のどの部分が任意の所与の時間に観察者に到達するかを選択的に制御するように構成可能である。例えば、回折光によって画定される光円錐内の回折角の１つ又は複数のどの範囲が透過され、どの範囲が遮断されるかを動的に制御するように構成されてもよい。

制御装置は、上記では「導波路開口」と呼ばれているが、本明細書に記載の機能を提供するために、任意の適切な制御装置を使用することができる。導波路開口などの制御装置は、任意の適切な材料で形成されてもよい。例えば、それは、それぞれ不透明と透過性であることの間で切り替えることができる液晶装置の配列などの１つ又は複数の液晶装置を備えてもよい。例えば、制御装置は、電圧、光、又は熱が加えられたときに光透過特性を変更することができる「スマートガラス」又は「切り替え可能ガラス」を備えることができる。制御装置は、任意の適切なプロセッサ又はコントローラによって制御されてもよい。その構成は、例えば、異なるそれぞれの対象画像に対応するホログラフィック光を透過させるために、及び／又は観察者又は観察システムの動きに対応するために、表示装置上の複数の異なるホログラムの動的表示と調整又は同期させるために、迅速に変更することができる。

本明細書に開示される制御装置は、任意の数の異なる形態をとることができる。いくつかの実施形態では、制御装置は、画素などの複数の個別に制御可能な受光／処理素子、例えば２Ｄ配列を備える。いくつかの実施形態では、制御装置は、画素化液晶装置又はディスプレイを備える。いくつかの実施形態では、要素又は画素は、連続したグループで動作可能であり、透過性及び非透過性の「シャッタゾーン」を形成する。画素の各グループは、第１のモード、例えば透過モードと第２のモード、例えば反射モードとの間で切り替え可能であってもよい。当業者は、画素のグループ又はゾーン（各ゾーンは光に対して異なる応答を有する）のサイズ及び位置をリアルタイムなどの動作において変更することができるように、画素化表示装置を制御し得る方法に精通している。実施形態では、各ゾーンは、制御装置の画素サイズよりも大きい。したがって、各ゾーンは複数の画素を含むことができる。当業者は、再構成可能光シャッタを実現するために、偏光子及び波長板などの光学部品が画素化液晶装置と組み合わせてどのように実装され得るかに等しく精通している。単なる例として、制御装置は偏光選択を利用してもよいが、光の他の特性に基づく他の方式も同様に適用可能である。いくつかの実施形態では、制御装置は、画素化液晶ディスプレイと、任意選択的に、第１の偏光を有する光を透過し、第２の偏光を有する光を吸収又は反射するように集合的に構成された他の光学素子とを備え、任意選択的に、第１の偏光及び第２の偏光は逆又は相補的である。誤解を避けるために、画像を形成する光の偏光及び波長などの特性に応じて、任意の数の異なる光学系を使用して制御装置を形成することができ、したがって、本開示は制御装置の構造によって限定されない。したがって、本明細書に開示される制御装置は、その構造ではなくその機能によって定義されることが理解されよう。

制御装置は動的に再構成可能である。読者は、遮断／非透過又は非遮断／透過である制御装置の総面積が一般にその動作中に一定ではないことを理解すべきである。いくつかの実施形態では、制御装置は画素化されている。すなわち、制御装置は、個別に制御可能な画素の配列を備える。各画素は、例えば、透過状態と非透過状態との間で構成可能な液晶を含むことができる。画素の縁部と理想的な開口ゾーンの縁部との間の位置合わせの不完全性は、過度に多くの光又は過度に少ない光を通過させることによって対処することができる。

上記の例は、限定と見なされるべきではない。例えば、観察システムは、３つ以上の観察開口、又は入射瞳を有することができる。例えば、制御装置の動作は、任意の適切な「位相シーケンス」又はタイミング方式に従って制御することができる。例えば、制御装置は、選択的に休止していてもよい。

実施形態では、２つ以上のホログラム、又は２つ以上の他の回折パターンが互いに交絡してもよい。換言すれば、２つのホログラムは、観察者が２つの対応する画像が実質的に同時に形成されていると知覚するように、迅速に連続して交互に表示されてもよい。

制御装置のいくつかの相は、他のいくつかのそれぞれの相よりも多くの光コンテンツを送達することができる。同様に、制御装置の複数の相が互いに交絡している場合、両眼は、各相において、又は合計で、互いに同じ量の光コンテンツを受け取る必要はない。例えば、一方の眼は、それらの相対位置及び／又は他の要因に応じて、それぞれの他方の眼よりも多くの光コンテンツを見ることが可能であり得る。

本明細書に記載の導波路開口などの制御装置を備える表示システムは、複数の異なる回折パターンを表示し、複数の対応する異なる回折又は発散光照射野を次々に及び／又は異なるそれぞれの時間に出力するように構成され得る。したがって、そのようなシステム内の表示装置は、異なるそれぞれのホログラムを時々迅速に連続して表示するように構成され得る。制御装置は、回折光照射野の変化及び／又は観察要件の変化に対応するために、動的に適応可能であるように構成することができる。

システムは、画像のビデオレートシーケンスなどの画像のシーケンスに対応する回折パターンを表示するように構成されてもよい。各画像は、５０又は６０Ｈｚなどのフレームレートを有するフレームシーケンスのフレームに対応することができる。各フレームは、複数のサブフレームを備え得る。サブフレームレートは、例えば、フレームレートの４倍又は８倍であってもよい。表示されるホログラムは、連続するサブフレームごとに変更されてもよい。各サブフレームは、個々の表示イベントと考えることができる。各サブフレームは、画像又は画像の少なくとも一部に対応し得る。実施形態は、光が表示イベントごとに両眼に送達されることを示しているが、本開示はこの点に限定されない。例えば、光エンジンは、表示イベントごとに１つの眼／入射瞳のみに光を送達するように構成されてもよい。導波路開口（すなわち、開閉開口／開口部のサイズ及び／又は分布）の構成は、すべての表示イベント又はｎ個の表示イベントごとに変更することができ、ｎは整数である。いくつかの実施形態では、表示イベント／開口構成ごとに１つの角度範囲の光のみが１つの眼に送達される。いくつかの実施形態では、制御システムは、各眼／入射瞳に順番に光を送達するように構成される。

いくつかの実施形態では、ターゲット画像のホログラムは、例えば、観察者の眼の入射瞳の特定のサイズ及び位置に対して、観察開口の特定のサイズ及び位置に対して計算され得る。入射瞳径や位置などの制約が変化した場合、その時点で再構成される目標画像（したがって、観察者が見る又は知覚する画像コンテンツは）が同じままであっても、ホログラムを再計算してもよい。各ホログラムは、２つのホログラムが同じ目標画像を表す場合でも、同じ数又はサイズのゾーンを有する必要はない。

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装置又は微小電気機械装置など、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装することができる。

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又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）を提供するために使用することができる。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表示システムを備える車両が提供される。車両は、自動車、トラック、バン、貨物車、オートバイ、電車、飛行機、ボート、又は船などの自動車両であってもよい。

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。そのような０次光は「ノイズ」と見なすことができ、例えば鏡面反射光、及びＳＬＭからの他の不要な光を含む。

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輝点をもたらす。０次光は単に遮断されてもよいが、これは輝点を暗点に置き換えることを意味する。いくつかの実施形態は、０次のコリメート光線のみを除去するための角度選択フィルタを含む。実施形態はまた、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、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を含む。

いくつかの実施形態では、ホログラムのサイズ（各方向の画素数）は、ホログラムが空間光変調器を満たすように、空間光変調器のサイズに等しい。すなわち、ホログラムは、空間光変調器の全画素を使用する。他の実施形態では、ホログラムは空間光変調器よりも小さい。より具体的には、ホログラム画素の数は、空間光変調器で利用可能な光変調画素の数よりも少ない。これらの他の実施形態のいくつかでは、ホログラムの一部（すなわち、ホログラムの画素の連続したサブセット）が未使用の画素で繰り返される。この技術は、空間光変調器の表面積がいくつかの「タイル」に分割され、その各々がホログラムの少なくともサブセットを表す「タイリング」と呼ばれることがある。したがって、各タイルは、空間光変調器よりも小さいサイズである。いくつかの実施形態では、画質を向上させるために「タイリング」の技術が実装される。具体的には、いくつかの実施形態は、ホログラフィック再構成に入る信号コンテンツの量を最大化しながら、画像画素のサイズを最小化するためにタイリングする技術を実装する。いくつかの実施形態では、空間光変調器に書き込まれるホログラフィックパターンは、少なくとも１つのタイル全体（すなわち、完全なホログラム）と、タイルの少なくとも１つの部分（すなわち、ホログラムの画素の連続的なサブセット）とを含む。

実施形態では、一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播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。

実施形態では、ホログラフィック再構成はカラーである。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。

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配列が共通の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。

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ような十分な速さで循環される（例えば、赤色、緑色、青色、赤色、緑色、青色などである。）。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、各単色照明イベントはフレーム時間の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、又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。

例は可視光でＳＬＭを照明することを説明しているが、当業者は、例えば本明細書に開示されるように、光源及びＳＬＭを等しく使用して赤外線又は紫外線を向けることができることを理解するであろう。例えば、当業者は、情報をユーザに提供する目的で赤外光及び紫外光を可視光に変換する技術を認識するであろう。例えば、本開示は、この目的のために蛍光体及び／又は量子ドット技術を使用することに及ぶ。

いくつかの配置は、単なる例として２Ｄホログラフィック再構成を説明している。他の配置では、ホログラフィック再構成は３Ｄホログラフィック再構成である。すなわち、いくつかの配置では、各コンピュータ生成ホログラムは３Ｄホログラフィック再構成を形成する。

本明細書に記載の方法及びプロセスは、コンピュータ可読媒体上で具現化することができる。「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）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、バッファメモリ、フラッシュメモリ、及びキャッシュメモリなど、データを一時的又は永続的に記憶するように配置された媒体を含む。「コンピュータ可読媒体」という用語はまた、命令が、１つ又は複数のプロセッサによって実行された場合に、機械に、本明細書に記載の方法論のうちの任意の１つ又は複数を全体的又は部分的に実行させるように、機械によって実行するための命令を記憶することができる任意の媒体、又は複数の媒体の組み合わせを含む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、クラウドベースのストレージシステムも包含する。「コンピュータ可読媒体」という用語は、ソリッドステートメモリチップ、光ディスク、磁気ディスク、又はそれらの任意の適切な組み合わせの例示的な形態の１つ又は複数の有形かつ非一時的なデータリポジトリ（例えば、データ量）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伝達されてもよい。このようなキャリア媒体としては、例えば、トランジェント媒体（例えば、命令を伝達する伝播信号）が挙げられる。

添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変形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及びそれらの均等物の範囲内のすべての修正及び変形を包含する。

以下の番号が付けられた項目も開示される。

項目１．瞳孔を画定する回折構造から回折光照射野を受光するように配置された第１の瞳孔複製器と、導波路結合器とを備える第１の層であって、第１の瞳孔複製器が実質的に細長い、第１の層と、
第２の瞳孔複製器を備える第２の層であって、第２の瞳孔複製器は実質的に平面であり、入力部を形成するように配置された第１の主面と、光エンジンの出力部を形成するように配置された第２の主面とを備え、導波路結合器は、第１の瞳孔複製器の出力部を第２の瞳孔複製器の入力部に結合するように配置される、第２の層と、
を備え、
第１の層及び第２の層は、実質的に平行であり、互いに隣接している、
光エンジン。

項目２．第１の瞳孔複製器及び導波路結合器が、第２の瞳孔複製器の専有領域内に配置される、項目１に記載の光エンジン。

項目３．第１の瞳孔複製器が、それらの間の導光及び瞳孔複製を提供するように配置された対向する面の一次対を備える、項目１又は２のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目４．導波路結合器が、それぞれ入力面及び出力面を含む対向する面の一次対を備え、入力面及び出力面が互いにある角度を成している、項目１から３のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目５．第１の瞳孔複製器及び導波路結合器が実質的に同一平面上にある、項目１から４のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目６．第１の層の第１の瞳孔複製器及び導波路結合器が、第２の層に実質的に平行な平面内で回折光照射野を導波するように配置される、項目１から５のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目７．第２の層が第１及び第２の軸によって画定され、第１の瞳孔複製器の細長い次元が第２の層の第１及び第２の軸の少なくとも一方に対して傾斜する、項目１から６のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目８．第２の層の第１の軸又は第２の軸に対する第１の瞳孔複製器の細長い次元の角度は、第１の瞳孔複製器によって受光された回折光の入射角に実質的に等しい、項目７に記載の光エンジン。

項目９．第２の瞳孔複製器が実質的に四辺形の断面形状を有する、項目１から８のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目１０．第２の瞳孔複製器の入力が細長く、第２の層の第１の軸に対応する、項目１から９のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目１１．第２の瞳孔複製器の第１及び第２の主面が、それらの間の導光及び瞳孔複製を提供するように配置された対向する面の一次対を形成する、項目１から１０のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目１２．第２の層の第２の瞳孔複製器が、第１の層に実質的に平行な平面内で回折光照射野を導波するように配置される、項目１から１１のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目１３．第１の瞳孔複製器及び導波路結合器が第２の瞳孔複製器の第２の主面に固定される、項目１から１２のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目１４．第１の瞳孔複製器及び導波路結合器がそれぞれ、その平面内に回折光照射野を閉じ込めるように配置された対向する面のそれぞれの二次対を備える、項目１から１３のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目１５．対向する面の各二次対の少なくとも一方の面が反射構成要素を備え、対向する面の各二次対の少なくとも一方の面が、反射構成要素を介して共通の基板に固定される、項目１４に記載の光エンジン。

項目１６．共通の基板が、第２の瞳孔複製器又は光エンジンを収容する車両の構成要素である、項目１５に記載の光エンジン。

項目１７．第１の瞳孔複製器及び導波路結合器が一緒に接合される、項目１から１６のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目１８．光エンジンが制御装置をさらに備え、制御装置が、どの瞳孔レプリカが第１の瞳孔複製器から第２の瞳孔複製器に中継されるかを決定するように配置された複数の独立して制御される開口を備え、任意選択的に、第１の瞳孔複製器、導波路結合器、及び制御装置が一緒に接合される、項目１から１７のいずれか一項に記載の光エンジン。

項目１９．車両用のヘッドアップディスプレイであって、
第１の方向に延在し、ヘッドアップディスプレイの制限開口を画定する画素アレイを有する空間光変調器からホログラフィック光照射野を受光するように配置された第１の瞳孔複製器であって、ホログラフィック光照射野が、空間光変調器に表示されたホログラムに従って空間的に変調された複素光照射野である、第１の瞳孔複製器と、
第１の方向及び第１の方向に垂直な第２の方向に延在する第２の瞳孔複製器であって、出力部を形成する第１の主面と、第１の主面に平行な第２の主面とを備える、第２の瞳孔複製器と、
第１の瞳孔複製器の出力部を第２の瞳孔複製器の入力部に光学的に結合するように配置された導波路結合器と、
を備え、
第１の瞳孔複製器及び導波路結合器は、第２の瞳孔複製器の第２の主面に実質的に平行で隣接する平面層内に配置される、ヘッドアップディスプレイ。

項目２０．第１の瞳孔複製器及び導波路結合器が、第２の瞳孔複製器の第２の主面又はヘッドアップディスプレイを収容する車両の構造フレームワークに取り付けられる、項目１９に記載のヘッドアップディスプレイ。

Claims (23)

1. 光エンジンであって、
   瞳孔を画定する回折構造から回折光照射野を受光するように配置された第１の瞳孔複製器を備える第１の層であって、前記第１の瞳孔複製器が実質的に細長いものと、
   第２の瞳孔複製器を備える第２の層であって、前記第２の瞳孔複製器は、実質的に平面であり、入力部を形成するように配置された第１の主面と、前記光エンジンの出力部を形成するように配置された第２の主面とを備えるものと、を備え、
   前記第１の層及び第２の層は、実質的に平行であり、互いに隣接し、
   前記第２の瞳孔複製器は、第１の方向及び第２の方向に延在する前記第１の層上の専有領域を画定し、前記第１の瞳孔複製器は、前記第１の瞳孔複製器によって出力された光が前記専有領域の前記第１の方向と第２の方向にうちの一方に平行であるように配置されている
   光エンジン。
2. 前記第１の瞳孔複製器が、前記第２の瞳孔複製器の前記専有領域内に配置されている
   請求項１に記載の光エンジン。
3. 前記第１の層が、前記第１の瞳孔複製器の出力部を前記第２の瞳孔複製器の前記入力部に結合するように配置された導波路結合器をさらに備える
   請求項１又は２に記載の光エンジン。
4. 前記導波路結合器が、それぞれ入力面及び出力面を備える対向する面の一次対を備え、前記入力面及び前記出力面が互いにある角度を成している
   請求項３に記載の光エンジン。
5. 前記第１の瞳孔複製器及び導波路結合器が実質的に同一平面上にある
   請求項３又は４に記載の光エンジン。
6. 前記第１の層の前記第１の瞳孔複製器及び導波路結合器が、前記第２の層に実質的に平行な平面内で前記回折光照射野を導波するように配置されている
   請求項３から５のいずれか一項に記載の光エンジン。
7. 前記第２の層の前記第２の瞳孔複製器が、前記第１の層に実質的に平行な平面内で前記回折光照射野を導波するように配置されている
   請求項３から６のいずれか一項に記載の光エンジン。
8. 前記第１の瞳孔複製器及び前記導波路結合器が、前記第２の瞳孔複製器の前記第１の主面に固定されている
   請求項３から７のいずれか一項に記載の光エンジン。
9. 前記第１の瞳孔複製器及び前記導波路結合器がそれぞれ、その平面内に前記回折光照射野を閉じ込めるように配置された対向する面のそれぞれの二次対を備える
   請求項３から８のいずれか一項に記載の光エンジン。
10. 対向する面の各二次対の少なくとも一方の面が反射構成要素を備え、対向する面の各二次対の前記少なくとも一方の面が、前記反射構成要素を介して共通の基板に固定されている
    請求項９に記載の光エンジン。
11. 前記共通の基板が、前記第２の瞳孔複製器又は前記光エンジンを収容する車両の構成要素である
    請求項１０に記載の光エンジン。
12. 前記第１の瞳孔複製器及び前記導波路結合器が一緒に接合されている
    請求項３から１１のいずれか一項に記載の光エンジン。
13. 前記光エンジンが制御装置をさらに備え、前記制御装置が、どの瞳孔レプリカが前記第１の瞳孔複製器から前記第２の瞳孔複製器に中継されるかを決定するように配置された複数の独立して制御された開口を備え、任意選択的に、前記第１の瞳孔複製器、前記導波路結合器、及び前記制御装置が一緒に接合されている
    請求項３から１２のいずれか一項に記載の光エンジン。
14. 前記第２の層が第１及び第２の軸によって画定され、前記第１の瞳孔複製器の細長い次元が前記第２の層の前記第１及び第２の軸の少なくとも一方に対して傾斜する
    請求項１から１３のいずれか一項に記載の光エンジン。
15. 前記第１の瞳孔複製器の前記細長い次元が、前記専有領域の前記第１及び第２の方向のそれぞれの他方に対して傾斜するように配置されている
    請求項１から１４のいずれか一項に記載の光エンジン。
16. 前記第２の層の前記第１の軸又は第２の軸に対する前記第１の瞳孔複製器の前記細長い次元の角度が、前記第１の瞳孔複製器によって受光された回折光の入射角に実質的に等しい
    請求項１４又は１５に記載の光エンジン。
17. 前記第２の瞳孔複製器が実質的に四辺形の断面形状を有する
    請求項１から１６のいずれか一項に記載の光エンジン。
18. 前記第２の瞳孔複製器の前記入力部が細長く、前記第２の層の前記第１の軸に対応する
    請求項１から１７のいずれか一項に記載の光エンジン。
19. 前記第２の瞳孔複製器の前記第１及び第２の主面が、それらの間の導光及び瞳孔複製を提供するように配置された対向する面の一次対を形成する
    請求項１から１８のいずれか一項に記載の光エンジン。
20. 前記第１の瞳孔複製器が、それらの間の導光及び瞳孔複製を提供するように配置された対向する面の一次対を備える
    請求項１から１９のいずれか一項に記載の光エンジン。
21. 車両用のヘッドアップディスプレイであって、
    第１の方向に延在し、前記ヘッドアップディスプレイの制限開口を画定する画素の配列を有する空間光変調器からホログラフィック光照射野を受光するように配置された第１の瞳孔複製器であって、ホログラフィック光照射野が、前記空間光変調器に表示されたホログラムに従って空間的に変調された複素光照射野であるものと、
    前記第１の方向及び前記第１の方向に垂直な第２の方向に延在する第２の瞳孔複製器であって、前記第２の瞳孔複製器が、出力部を形成する第１の主面と、前記第１の主面に平行な第２の主面とを備えるものと、を備え、
    前記第１の瞳孔複製器は、前記第２の瞳孔複製器の前記第２の主面に実質的に平行で隣接する平面層内に配置され、
    前記第１の瞳孔複製器は、前記第１の瞳孔複製器によって出力された光が前記第１の方向及び第２の方向のうちの一方に平行であるように配置されている
    ヘッドアップディスプレイ。
22. 前記第１の瞳孔複製器が、前記第２の瞳孔複製器の前記第２の主面又は前記ヘッドアップディスプレイを収容する前記車両の構造フレームワークに取り付けられ、任意選択的に、前記ヘッドアップディスプレイは、前記第１の瞳孔複製器の前記出力部を前記第２の瞳孔複製器の入力部に光学的に結合するように配置された導波路結合器をさらに備え、前記導波路結合器は、前記第１の瞳孔複製器の前記平面層内に配置されている
    請求項２１に記載のヘッドアップディスプレイ。
23. 前記第１の瞳孔複製器が、前記第１の瞳孔複製器によって出力された光が前記第１及び第２の方向の一方に平行になるように配置されている
    請求項２１又は２２に記載のヘッドアップディスプレイ。

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