JP2023513723A - 統合ｉｒのための光学素子、深度感知のための可視カメラ、およびこれを組み込んだシステム - Google Patents

Abstract

マルチスペクトル光学撮像デバイスは、その一方が光の偏光を変更する、第１の状態と第２の状態との間で切り替えられるように構成された切り替え可能素子と、切り替え可能素子から光を受けるように配置された幾何学的位相素子とを含む。幾何学的位相素子は、切り替え可能素子の第１の状態に応答して、偏光に基づいて、第２の波長帯域の光の伝播方向を実質的に変更することなく、その伝播方向を変更するために、第１の波長帯域の光を回折するように構成されている。関連する光シャッタおよびマルチスペクトル光検出器についても論じられる。【選択図】図１Ａ

Description

優先権の主張
本出願は、いずれの２０２０年２月１２日に米国特許商標庁に出願された米国仮特許出願第６２／９７５，６９２号および米国仮特許出願第６２／９７５，６８５号の優先権を主張し、これらの開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

いくつかの拡張現実（ＡＲ）システムは、頭部追跡カメラ、深度センサ、フォトビデオカメラ、および視線追跡センサを含むがこれらに限定されない、複数の光学センサを採用する。しかしながら、このような異なる光学センサの使用は、高いコスト、複雑さ、質量、体積、および消費電力をもたらす可能性がある。例えば、各センサはそれ自体の回路およびコンピュータとのインターフェースを必要とする可能性があるため、システムの複雑さが高くなり得る。

ピクセル化デジタルカメラとも呼ばれるマルチスペクトル撮像センサは、波長帯域が典型的に可視光写真およびビデオ用の赤色、緑色、および青色フィルタを含む、従来のデジタルカメラのカラーフィルタモザイクなど、異なる波長に別々のピクセルを割り当てることができる。加えて、いくつかのカメラは、赤外（ＩＲ）波長にピクセルを割り当てることができる。これらの多くは、三次元（３Ｄ）深度感知のためにＩＲピクセルを採用する。

いくつかの撮像センサシステムは、アクティブＩＲ照明を採用する。いくつかの撮像センサシステムは、アクティブ照明を採用する。能動照明を採用する３Ｄセンサのカテゴリは、光検知測距（ＬＩＤＡＲ）などの飛行時間センサ、および構造化光センサを含むことができる。場合によっては、アクティブＩＲ照明は、可視光撮像に適したセンサと組み合わせられてもよい。例えば、物体またはシーンの二次元（２Ｄ）画像および３Ｄ深度を判定できるように、ＩＲ照明の連続高強度パルスおよびピクセルレベル信号処理とともに広帯域マルチスペクトルセンサ（ＣＭＯＳカメラなど）が組み込まれてもよい。いくつかのシステムは、３Ｄ深度マップに重ねられたパッシブ撮像を組み合わせてもよい。

いくつかのアクティブＩＲ照明用途では、広帯域マルチスペクトルセンサは、可視光、次いでＩＲ光を交互に順次遮断する、電気的に切り替え可能なシャッタと組み合わされてもよい。一例では、切り替え可能なデバイスは、液晶（ＬＣ）セルおよび２つの直線偏光子を含むことができ、これにより、偏光子またはＬＣスイッチのいずれかが波長依存性である。別の例では、切り替え可能素子は、分布ブラッグ反射器とも呼ばれる切り替え可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）であってもよく、ホログラフィックポリマー分散液晶を使用して形成されてもよい。さらに別の例では、切り替え可能なデバイスは、１つ以上の切り替え可能なコレステリックＬＣ反射偏光子を含むことができる。

特に各センサがそれぞれのレンズおよび関連する機械的インターフェース、ハウジング、および電気配線を含む場合、複数のセンサの質量もまた重要であり得る。これらのセンサの結果的な体積もまた重要であり得、例えばこれは、ＡＲグラス用の眼鏡形状因子での使用を制限する可能性がある。

本開示のいくつかの実施形態によれば、撮像システムは、本明細書では波長帯域とも呼ばれる、特定動作波長の外側の光（例えば、可視スペクトル内の光）の伝播方向に実質的に影響を与えることなく、特定動作波長内の光（例えば、ＩＲまたはＵＶ光など、可視スペクトル外の光）の伝播方向を選択的に変更するように構成された、少なくとも１つの切り替え可能素子または層および少なくとも１つの切り回折素子または層を含む１つ以上の光学素子を備える。

（１つまたは複数の）回折層は、波長および偏光選択性であってもよく、特定動作波長内の入射光の偏光および伝播方向の両方を変更するように構成されてもよい。例えば、（１つまたは複数の）回折層は、その偏光または伝播方向を変更することなく１つの波長範囲または帯域内の光（例えば、約４００ｎｍから約７００ｎｍの間の波長を有する可視スペクトル内の光）を透過させるように構成されてもよいが、別の波長範囲または帯域内の光（例えば、可視スペクトル外の光）の偏光および伝播方向を偏光するように構成されてもよく、その逆であってもよい。

（１つまたは複数の）切り替え可能層は、そこに入射する光の偏光に異なる影響を及ぼす状態間で（印加された電気信号に応答して）独立して切り替えられてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、（１つまたは複数の）切り替え可能層は、光の偏光を実質的に変更しない第１の状態（例えば、「オフ」状態）と、光の偏光を（例えば、直交偏光状態に）変更する第２の状態（例えば、「オン」状態）との間で切り替えられてもよい。

いくつかの実施形態では、（１つまたは複数の）回折層は、切り替え可能層の状態に応答して可視スペクトル外の光を画像センサに向けてまたはそこから離れる方へ配向するように構成されてもよい。例えば、（１つまたは複数の）回折層は、可視スペクトル外の光を画像センサから離れる、場合によっては撮像システムの（１つまたは複数の）光学素子から離れる１つ以上の方向に回折する、１つ以上の反射格子を含んでもよい。したがって、いくつかの実施形態は、光学素子の出力において追加のフィルタリング（例えば、角度フィルタリング）および／または位相差層を使用することなく、特定動作波長内の光を（１つまたは複数の）所望の方向に配向するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、（１つまたは複数の）切り替え可能層は、ある偏光状態から直交状態に完全に切り替えることができず、したがって、これを通過する特定動作波長内の光を変調するために使用され得る。すなわち、（１つまたは複数の）切り替え可能層は、特定動作波長内の入射光の偏光に対する影響に関する中間状態（「オフ」状態と「オン」状態との間）を含むことができる。

いくつかの実施形態では、（１つまたは複数の）切り替え可能層および／または（１つまたは複数の）回折層は、液晶（ＬＣ）層などの（ただしこれに限定されない）複屈折材料または層を含むことができる。（１つまたは複数の）切り替え可能層は、印加された電圧に応答してゼロ位相差と半波位相差（または他の位相差）との間で電気的に切り替え可能な複屈折液晶層を含むことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるようなＧＰ素子は、誘電体またはプラズモニックメタサーフェスなどの液晶材料から製造され得ない幾何学的位相面または素子を含むことができる。

いくつかの実施形態では、（１つまたは複数の）回折層は、幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）および／または偏光格子（ＰＧ）などの１つ以上の幾何学的位相（ＧＰ）素子を含むことができる。（１つまたは複数の）回折層は、特定動作波長内の入射光を、任意の１つの偏光状態で実質的に吸収することなく、異なる偏光状態および／または異なる伝播方向を有する少なくとも２つのビーム（例えば、ゼロ次出力光と一次出力光）に偏光および回折することができる。例えば、（１つまたは複数の）回折層は、特定動作波長内の光の第１の偏光を透過させるように構成され、特定動作波長内の光の第２の異なる偏光を反射するように構成された、またはその逆の、ビームスプリッタを提供してもよい。第１および第２の偏光は、それぞれ可視スペクトル外の光の右旋円偏光および左旋円偏光を含み得る。

いくつかの実施形態では、（１つまたは複数の）回折層は、特定動作波長内の入射光を画像センサから離れる方向の一次ビームに、および切り替え可能層に入力するためのゼロ次ビームに回折するように配置および構成された、第１の回折層を含むことができる。第２の回折層は、切り替え可能層の状態に応答して、切り替え可能層から出力されたビームを画像センサから離れる方へ回折するように配置および構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、（１つまたは複数の）回折層は、１つ以上のブラッグ領域偏光格子（ブラッグＰＧまたはＢＰＧ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、回折次数は、入力偏光状態にかかわらず、逆掌性でほぼ円偏光されてもよい。

いくつかの実施形態では、撮像システムの有効視野を広げるために、回折層と切り替え可能層との１つ以上のペアが光学素子に含まれてもよい。

いくつかの実施形態では、入力偏光状態および出力偏光状態の両方を制御するために、リターダおよび／または偏光子が（１つまたは複数の）回折層のいずれかの側に任意選択的に追加されてもよい。入射光は、いくつかの実施形態では偏光されなくてもよいが、他の実施形態では（例えば、リターダおよび／または偏光子によって）偏光されてもよい。

いくつかの実施形態では、（１つまたは複数の）切り替え可能層および（１つまたは複数の）回折層は、モノリシック構造を有する光学素子を画定することができる。モノリシック光学素子の層は、互いに直接重なってもよく、またはその間に１つ以上の透明層を含んでもよい。

本開示のいくつかの実施形態によれば、マルチスペクトル光学撮像デバイスは、第１の状態と第２の状態との間で切り替えられるように構成された切り替え可能素子であって、第１および第２の状態の一方が光の偏光を変更する、切り替え可能素子と、切り替え可能素子から光を受けるように配置された幾何学的位相素子とを含む。幾何学的位相素子は、切り替え可能素子の第１の状態に応答して、第２の波長帯域の光の伝播方向を実質的に変更することなく、偏光に基づいてその伝播方向を変更するために、第１の波長帯域の光を回折するように構成されている。

いくつかの実施形態では、幾何学的位相素子は、切り替え可能素子の第２の状態に応答して、その伝播方向を実質的に変更することなく、第１および第２の波長帯域の光を同時に透過させるように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、幾何学的位相素子は、切り替え可能素子の第１および第２の状態とは無関係に、その伝播方向および偏光を実質的に変更することなく、第２の波長帯域の光を透過させるように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、マルチスペクトル光学撮像デバイスは、第１の波長帯域の光が第１の偏光に直交する第２の偏光を含むように、切り替え可能素子に光を提供するように配置された少なくとも１つの光学素子をさらに含んでもよい。

いくつかの実施形態では、幾何学的位相素子は、切り替え可能素子の第１の状態に応答してその伝播方向を変更するために第１の波長帯域の光の第１の偏光を回折するように構成されてもよく、切り替え可能素子の第２の状態に応答してその伝播方向を実質的に変更することなく、第２の波長帯域および第１の波長帯域の光の第２の偏光を同時に透過させるように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、幾何学的位相素子は第２の幾何学的位相素子であってもよく、少なくとも１つの光学素子は、第１および第２の波長帯域を含む無偏光光を受けるように配置された第１の幾何学的位相素子であってもよい。第１の幾何学的位相素子は、切り替え可能素子から離れる方へ第１の波長帯域の第１の偏光を回折し、その伝播方向を実質的に変更することなく、第２の波長帯域および第１の波長帯域の第２の偏光を切り替え可能素子に向かって同時に透過させるように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、第１および／または第２の幾何学的位相素子は、ブラッグ偏光格子であってもよい。

いくつかの実施形態では、ブラッグ偏光格子は、第１の波長帯域の第１の偏光を反射性の一次方向に回折し、第１の波長帯域の第２の偏光をゼロ次方向に向かって透過させるように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、幾何学的位相素子からの光を受けるために、カメラが配置されてもよい。カメラは、第１および第２の波長帯域の光を検出するように構成された画像センサを含むことができる。

いくつかの実施形態では、画像センサは、切り替え可能素子の第１および第２の状態に応答して、第１および第２の画像データをそれぞれ捕捉するように構成されてもよい。信号プロセッサは、第１および第２の画像データの差分に基づいて、第１の波長帯域の光のための画像データを計算するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、画像センサは、第２の状態における切り替え可能素子の順次動作中に、照明源の有効化および無効化に応答して、第２および第３の画像データをそれぞれ捕捉するように構成されてもよい。照明源は、第１の波長帯域を含む発光を出力するように構成されてもよい。信号プロセッサは、第２および第３の画像データの減差分に基づいて、第１の波長帯域の光のための画像データを計算するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、切り替え可能素子は第１の切り替え可能素子であってもよく、幾何学的位相素子は第１の幾何学的位相素子であってもよい。第２の切り替え可能素子および第２の幾何学的位相素子は、幾何学的位相素子とカメラとの間に配置されてもよい。第２の切り替え可能素子は、光の偏光をそれぞれ変更する状態と変更しない状態との間で切り替えられるように構成されてもよい。第２の幾何学的位相素子は、第２の切り替え可能素子の状態に応答して、第１の視野を画定するために第１の波長帯域の光の第１の偏光を第１の方向の画像センサに向かって配向し、第２の視野を画定するために第１の波長帯域の第２の偏光を第２の方向の画像センサに向かって配向するように、それぞれ構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光学素子は、無偏光光を受けるように配置された偏光子と、切り替え可能素子に光を提供するために偏光子からの偏光光の偏光を変更するように構成されたリターダとを含むことができる。

いくつかの実施形態では、幾何学的位相素子は、第１の視野を画定するために切り替え可能素子の第１の状態に応答して、第１の波長帯域の第１の偏光を第１の方向の画像センサに向かって配向し、第２の視野を画定するために切り替え可能素子の第２の状態に応答して、第１の波長帯域の第２の偏光を第２の方向の画像センサに向かって配向するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、幾何学的位相素子は第１の幾何学的位相素子であってもよい。マルチスペクトル撮像デバイスは、切り替え可能素子の第１および第２の状態と同期して第１の波長帯域を含む発光を出力するように構成された照明源と、照明源からの光を受けるように配置された第２の幾何学的位相素子とをさらに含むことができる。第２の幾何学的位相素子は、第１の照明野を画定するために第１の波長帯域の発光の第１の偏光を第１の方向に配向し、第２の照明野を画定するために第１の波長帯域の発光の第２の偏光を第２の方向に配向するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、第１の幾何学的位相素子は、切り替え可能素子の第１の領域から光を受けるように配置されてもよく、照明源は、第１の領域に隣接する切り替え可能素子の第２の領域に発光を提供するように配置されてもよく、第２の幾何学的位相素子は、切り替え可能素子の第２の領域からの発光を受けるように配置されてもよい。

いくつかの実施形態では、切り替え可能素子は第１の切り替え可能素子であってもよく、第２の切り替え可能素子は、照明源からの発光を受け、幾何学的位相素子に発光を提供するように配置されてもよい。第２の切り替え可能素子は、第１の切り替え可能素子の第１および第２の状態に応答して、発光の偏光をそれぞれ変更する状態と変更しない状態との間で切り替えられるように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、照明源およびカメラは、その間に視差を提供するように構成された距離だけ分離されてもよく、発光は、構造化光パターンを提供してもよい。

いくつかの実施形態では、第２の幾何学的位相素子は、構造化光パターンの発光を提供するために線形に変化する光軸配向を含むことができる。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光学素子、切り替え可能素子、第１の幾何学的位相素子、およびカメラは、第１の光センサを画定することができ、照明源および第２の幾何学的位相素子は、第１の光源を画定することができる。マルチスペクトル光学撮像デバイスは、第２の光センサと、第２の光センサの動作と同期して第１の波長帯域を含む発光を出力するように構成された第２の光源とをさらに含むことができる。第２の光源および第２の光センサは、その間に視差を提供するように構成された距離だけ分離されてもよい。

いくつかの実施形態では、第２の幾何学的位相素子は、発光のためのレンズ度数を提供するために非線形に変化する光軸配向を含むことができる。

いくつかの実施形態では、マルチスペクトル光学撮像デバイスは、第１の波長帯域を含む光を放射するように構成され、切り替え可能素子に光を提供するように配置された照明源をさらに含んでもよい。幾何学的位相素子は、第１の照明野を画定するために第１の波長帯域の発光の第１の偏光を第１の方向に配向し、第２の照明野を画定するために第１の波長帯域の発光の第２の偏光を第２の方向に配向するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、マルチスペクトル光学撮像デバイスは、眼鏡形状因子に実装されてもよい。

いくつかの実施形態では、第２の波長帯域は、可視光スペクトル内の光を含むことができ、第１の波長帯域は、可視光スペクトル外の光を含むことができる。

いくつかの実施形態では、第１の波長帯域は赤外光を含む。

いくつかの実施形態では、切り替え可能素子および幾何学的位相素子は、モノリシック構造を画定するために積層された光学フィルムであってもよい。

いくつかの実施形態によれば、光シャッタは、第１の反射ブラッグ偏光格子と、第１の反射ブラッグ偏光格子上の液晶層と、切り替え可能液晶層上の第２の反射ブラッグ偏光格子とを含む。液晶層は、第１の状態と第２の状態との間で切り替えられるように構成され、第１および第２の状態の一方が光の偏光を変更する。第１および第２の反射ブラッグ偏光格子は、第１の波長帯域の光の第１の偏光を反射性の一次方向に回折し、第２の波長帯域の光の伝播方向を実質的に変更することなく、第１の波長帯域の光の第２の偏光をゼロ次方向に透過させるように、それぞれ構成される。

いくつかの実施形態では、第１および第２の反射ブラッグ偏光格子は、液晶層の第１および第２の状態とは無関係に第２の波長帯域の光を透過させるようにそれぞれ構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、第２の反射ブラッグ偏光格子は、液晶層の第１の状態に応答して第１の波長帯域の第１の偏光を回折するように構成されてもよく、液晶層の第２の状態に応答して第１の波長帯域の第２の偏光を透過させるように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、第１の偏光は、第２の偏光に直交してもよく、第１のブラッグ偏光格子は、第１の波長帯域の光が第２の偏光を含むように、液晶層に光を提供するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、第１の波長帯域の光は、第２の偏光を含んでもよく、第１の偏光を実質的に含まなくてもよい。

いくつかの実施形態では、第１および第２の偏光は、逆掌性の円偏光であってもよい。

いくつかの実施形態では、第２の波長帯域は、可視光スペクトル内の光を含むことができ、第１の波長帯域は、赤外スペクトル内の光を含むことができる。

いくつかの実施形態によれば、マルチスペクトル光学撮像検出器は、第１および第２の波長帯域の光を検出するように構成された画像センサを含むカメラと、光シャッタとを含む。光シャッタは、その偏光に基づいて、それぞれ第１の波長帯域の光を画像センサに向かって、またはそこから離れる方へ選択的に透過または回折するように、ならびにその偏光とは無関係に第２の波長帯域の光を画像センサに向かって透過させるように構成された、切り替え可能液晶層および幾何学的位相素子を含む。

いくつかの実施形態では、切り替え可能液晶層は、光の直交する第１および第２の偏光をそれぞれ出力するために、第１の状態と第２の状態との間で切り替えられるように構成されてもよい。切り替え可能液晶層の第１の状態に応答して、幾何学的位相素子は、第１の波長帯域の光の第１の偏光を画像センサから離れる方へ回折するように構成されてもよい。切り替え可能液晶層の第２の状態に応答して、幾何学的位相素子は、第２の波長帯域および第１の波長帯域の光の第２の偏光を画像センサに向かって同時に透過させるように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、画像センサは、切り替え可能素子の第１および第２の状態に応答してそれぞれ一致する第１および第２の画像データを捕捉するように構成されてもよく、第１の波長帯域の光のための画像データの計算は、第１および第２の画像データの差分に基づいてもよい。

いくつかの実施形態では、画像センサは、第２の状態における切り替え可能素子の順次動作中に、第１の波長帯域の光を含む発光を提供する照明源の有効化および無効化にそれぞれ応答して、一致する第２および第３の画像データを捕捉するように構成されてもよく、第１の波長帯域の光のための画像データの計算は、第２および第３の画像データの差分に基づいてもよい。

いくつかの実施形態では、幾何学的位相素子は第２の反射ブラッグ偏光格子であってもよく、光シャッタは第１の反射ブラッグ偏光格子をさらに含んでもよく、切り替え可能液晶層は第１の反射ブラッグ偏光格子と第２の反射ブラッグ偏光格子の間にあってもよい。第１および第２の反射ブラッグ偏光格子は、第１の波長帯域の光の第１の偏光を反射性の一次方向に回折し、第１の波長帯域の光の第２の偏光をゼロ次方向に透過させるようにそれぞれ構成されてもよい。

いくつかの実施形態による他のデバイス、装置、および／または方法は、以下の図面および詳細な説明を検討することで、当業者に明らかとなるだろう。上記の実施形態のあらゆる組み合わせに加えて、すべてのこのような追加の実施形態がこの説明に含まれ、本発明の範囲に含まれ、添付の請求項によって保護されることが意図される。

本開示のいくつかの実施形態による光シャッタを提供する光学素子における層の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による光シャッタを提供する光学素子における層の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による光シャッタを提供する光学素子における層の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による光シャッタを提供する光学素子における層の配置を示す概略図である。 本開示のさらなる実施形態による光シャッタを提供する光学素子における層の配置を示す概略図である。 本開示のさらなる実施形態による光シャッタを提供する光学素子における層の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、統合された深度センサおよびフォトビデオカメラを提供する光学素子における層の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、統合された深度センサおよびフォトビデオカメラを提供する光学素子における層の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、統合された深度センサおよびフォトビデオカメラを提供する光学素子における層の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、統合された深度センサおよびフォトビデオカメラに可変動眼視野を提供する光学素子の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、統合された深度センサおよびフォトビデオカメラに可変動眼視野を提供する光学素子の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、統合された深度センサおよびフォトビデオカメラに可変動眼視野を提供する光学素子の配置を示す概略図である。 組み合わされた写真／ビデオおよび深度画像センサ用途とは無関係に、本開示のいくつかの実施形態による可変動眼視を提供する光学素子の配置を示す概略図である。 組み合わされた写真／ビデオおよび深度画像センサ用途とは無関係に、本開示のいくつかの実施形態による可変動眼視を提供する光学素子の配置を示す概略図である。 組み合わされた写真／ビデオおよび深度画像センサ用途とは無関係に、本開示のいくつかの実施形態による可変動眼視を提供する光学素子の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、統合された照明源、深度センサ、およびフォトビデオカメラに可変動眼視野を提供する光学素子における層の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、統合された照明源、深度センサ、およびフォトビデオカメラに可変動眼視野を提供する光学素子における層の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、可変動眼視野用途のために構成された例示的なシステムを示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、可変動眼視野用途のために構成された例示的なシステムを示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、照明源に可変照明野を提供する光学素子における層の配置を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、構造化光深度センサ用途のために構成された例示的なシステムを示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、構造化光深度センサ用途のために構成された例示的なシステムを示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、ステレオカメラベースの深度センサ用途のために構成された例示的なシステムを示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、ステレオカメラベースの深度センサ用途のために構成された例示的なシステムを示す概略図である。 回折面の入射側に対する透過回折次数および反射回折次数を示す概略図である。

以下の詳細な説明では、本開示の実施形態の完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細が記載される。しかしながら、本開示はこれらの具体的な詳細なしに実践され得ることが、当業者によって理解されるだろう。いくつかの例では、本開示を曖昧にしないように、周知の方法、手順、構成要素、および回路は詳細に記載されていない。本明細書に開示されるすべての実施形態は、別々に実施することができ、または任意の方法および／または組み合わせで組み合わせることができることが意図される。一実施形態に関して記載される態様は、これに関して具体的に記載されていないが、異なる実施形態に組み込まれてもよい。すなわち、すべての実施形態および／または任意の実施形態の特徴は、本明細書の例において具体的に記載されたものを超えて、様々な方法および／または組み合わせで組み合わせることができる。

本開示の実施形態は、複数の光学センサを利用する光学システムにおいて、（システム能力を犠牲にして）センサを排除すること、および／またはより少ないセンサを使用できるように機能を統合することによって、コスト、質量、体積、および出力を低減することができるという認識に起因し得る。特に、いくつかの用途では、フォトビデオセンサはあまり頻繁に使用されない可能性があり、したがって、他のセンサの１つ以上と組み合わせる候補であり得る。例えば、（画像センサおよび画像センサ上に光を配向または集束させるように構成された１つ以上のレンズを含み得る、本明細書ではカメラとも呼ばれる）フォトビデオセンサは、比較的広い視野を有することができるが、その視野は、同時位置特定およびマッピング（ＳＬＡＭ）追跡には不十分であり得る。

本開示のいくつかの実施形態は、フォトビデオカメラを深度センサと統合するために使用され得る、電気的に切り替え可能な光シャッタなどの光学素子を提供する。深度センサ技術は一般に赤外（ＩＲ）光を必要とし得るが、このような機能は、カラーカメラと統合することが困難であり得る。例えば、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサは、周囲ＩＲがカラーピクセル（特に赤色）の追加の信号に寄与し、カラーバランス／レンダリングのエラーを有する写真または画像をもたらすため、典型的にＩＲ遮断フィルタを含む携帯電話に見られるカメラに使用することができる。より具体的には、織物用の特定の染料はＩＲを吸収することができないため、このような物体を含む撮像画像は、実際よりも赤く見える可能性があり、したがって、ＩＲを吸収するためにはＩＲ吸収剤が必要とされ得る。

また、（深度を確立するためにカメラ間の視差を使用することができる）ステレオカメラ、（例えば、ＨｏｌｏＬｅｎｓ（登録商標）およびＸＢｏＸ Ｏｎｅ（登録商標）Ｋｉｎｅｃｔ（登録商標）で使用されるような）飛行時間カメラ、および（例えば、ＸＢｏＸ ３６０（登録商標）で使用されるような）構造化光カメラを含むいくつかの技術は、深度感知に使用することができる。飛行時間カメラおよび構造化光カメラは、動作のためにＩＲ光または紫外（ＵＶ）光（すなわち、人間の視覚の可視スペクトル外の光）の放射を必要とし得る。すなわち、飛行時間カメラおよび構造化光カメラで使用されるセンサは、システムが、現実世界の物体から反さされたときに光学センサによって撮像される光（例えば、ＩＲまたはＵＶ光）を能動的に放射するという点において、アクティブであり得る。いくつかの例では、ＩＲまたはＵＶ光は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサに集束されてもよい。構造化光センサでは、ピクセルアーキテクチャは、深度センサに固有ではなくてもよい（可視スペクトル外の光を検出するためにセンサが必要とされるという事実を除く）。飛行時間センサでは、ピクセルアーキテクチャは、例えば、戻り信号の位相が検出光から決定される場合に異なる可能性がある。
ａ．本明細書に記載される実施形態は、同じセンサを使用して複数の撮像用途（例えば、深度感知およびフォトビデオ撮像）を可能にする光学素子を提供することができる。主にＰＧ（および特にブラッグＰＧ）を回折層として使用する例を参照して示されるが、本開示の実施形態はＰＧに限定されず、以下でＰＧとして記載される要素（ブラッグＰＧを含む）は本開示の実施形態によるＧＰ素子によってより一般的に実装されてもよく、ＰＧは、線形位相プロファイルまたは一定の周期性を有するＧＰ素子の具体例であることが、理解されるだろう。しかしながら、別の実施形態では、非線形位相プロファイルまたは変化する周期性を有するＧＰ素子が使用されてもよい。
ｂ．また、主にその偏光または伝播方向を変更することなく可視光を透過させるように構成され、可視スペクトル外の光の偏光および／または伝播方向を変更するように構成された光学素子の例を参照して示されるが、本開示の実施形態はそのように限定されないことが理解されるだろう。例えば、別の実施形態は、可視スペクトル外の光を透過させるように構成され、可視光の偏光および／または伝播方向を変更するように構成された光学素子を含んでもよい。さらなる実施形態は、その伝播方向を実質的に変更することなく広い波長帯域の光を透過させるように構成され、１つ以上の特定波長帯域の光偏光および／または伝播方向を選択的に変更するように構成された、またはその逆の、光学素子を含むことができる。「波長範囲」および「波長帯域」という用語は、本明細書では交換可能に使用され得る。

図１Ａから図１Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による光シャッタを提供する光学素子１００、１００’における層の配置を示す。光学素子１００、１００’は、第１のＧＰ素子（例えば、第１のブラッグ偏光格子ＰＧ１として示される偏光格子１０１）、切り替え可能光学層または素子（例えば、液晶（ＬＣ）セル１０３として示される）、および第２のＧＰ素子（例えば、第２のブラッグ偏光格子ＰＧ２として示される偏光格子１０２）を含む。光学素子１００、１００’は、特定の動作波長範囲の光（不可視光、例えばＩＲ光を参照して例として示される）を可視光（ＶＩＳ）の伝播方向に向かって（図１Ａおよび図１Ｃ）またはそこから離れる方へ（図１Ｂおよび図１Ｄ）配向するように構成されている。

切り替え可能光学層または素子１０３は、第１の状態と第２の状態との間で切り替えられるように構成され、第１および第２の状態の少なくとも一方が光の偏光を変更する。図１Ａおよび図１Ｃは、通過する光の偏光に実質的に影響を及ぼさない第１の（「オフ」）状態の切り替え可能光学層１０３を示し、図１Ｂおよび図１Ｄは、通過する光の偏光を変更する第２の（「オン」）状態の切り替え可能光学層１０３を示し、これらは半波（λ／２）位相差を提供するものとして本明細書の例に示されている。図１Ｃおよび図１Ｄは、層１０１、１０３、１０２がモノリシック構造１００’を画定するために互いに直接積層されている構成を示すが、いくつかの実施形態では、（例えば、層のうちの２つ以上の間に）介在層（例えば、透明スペーサ層および／または電極層）が存在してもよいことが理解されるだろう。すなわち、本開示のいくつかの実施形態は、反射ＰＧまたはＧＰＨ１０１、偏光スイッチ１０３、および反射ＰＧ／ＧＰＨ１０２を含むことができ、これは後続の透過およびフィルタリング層ではなくむしろ反射に基づいて光を減衰し、偏光に依存しない。

図１Ａから図１Ｄの例では、ＧＰ素子１０１および１０２はブラッグＰＧ（ＢＰＧ）によって実装されるが、本開示の実施形態は、ＧＰ素子１０１および／または１０２としてのＢＰＧの使用に限定されないことが理解されるだろう。いくつかの実施形態では、ＢＰＧ１０１および／または１０２は、線形に変化して膜内に固定される光軸配向（ネマチックダイレクタプロファイルとも呼ばれる）でＬＣ材料の１つ以上の副層を光配向表面パターン上に連続的にコーティングすることによって形成される固定ポリマー膜であってもよく、面内方向に沿って（すなわち、素子１０１、１０２の表面に沿った、またはこれによって画定される１つ以上の方向に）周期的な格子周期を形成する。光軸配向プロファイルはまた、素子１０１、１０２の厚さにわたってＬＣ材料のキラリティによって誘発されるねじれのため、面外方向に（すなわち、素子１０１、１０２の表面によって画定される以外の１つ以上の方向に、例えば表面に垂直な方向に）変化し得る。１つ以上の副層は、各々独立して制御可能な厚さおよび／またはねじれ角を有することができる。格子周期、厚さ、および／または副層ねじれ率は格子傾斜角を決定することができ、これは副層の１つ以上について異なってもよい。

格子傾斜角（その決定因子のうちの１つ以上を含む）は、ＧＰ素子１０１および／または１０２が、その伝播方向を実質的に変更することなく別の特定波長帯域の光を透過させながら、光の偏光に基づいてその伝播方向を変更するために特定波長帯域の光を回折するように構成され得るように、波長および偏光選択性を提供するように構成されてもよい。例えば、ＧＰ素子１０１および／または１０２は、特定波長帯域内の光の１つの偏光を１つ以上の一次方向（図１１に示される一次方向のうちの１つなど）に回折するように構成されてもよいが、特定波長帯域内の異なる光の偏光（および／または特定波長帯域外の任意の偏光の光）をゼロ次方向（図１１に示される透過性のゼロ次方向など）に向かって透過させるように構成されてもよい。

より具体的には、ＢＰＧ１０１および１０２は、ＵＶ光またはＩＲ光などの不可視（ｎｏｎ－ＶＩＳ）光のために強い偏光選択性を有することができる。したがって、ＢＰＧ１０１および１０２は、直交偏光を実質的に含まない不可視光出力を提供するために、不可視光の１つの偏光を透過させ、不可視光の直交偏光を回折することができる。例えば、ＢＰＧ１０１および１０２は、数百から１程度のコントラスト比で、伝播方向を変更することなく一方の円掌性の不可視偏光光（例として右旋円偏光光を参照して示される）を透過させ、直交円偏光の不可視光（例として左旋円偏光光を参照して示される）を回折するように構成されてもよい。ブラッグＰＧ１０１および／または１０２によって回折された光（この例では、不可視光）は、主に一次のうちの１つ（ｍ＝＋１またはｍ＝－１のいずれか）に伝播することができ、残りの（例えば、非回折の）光は零次（ｍ＝０）に伝播することができ、入力光の偏光は、回折光と非回折光との間の比を強く選択する。対照的に、いくつかのラマン・ナス（例えば、従来の）ＰＧは逆に作用する可能性があり、回折光は両方の一次（ｍ＝＋１およびｍ＝－１）に伝播することができ、入力光の偏光は、これら２つの一次の間の比を強く選択し、非回折光に対して影響をほとんど及ぼさない。

格子傾斜角に応じて、ＢＰＧ１０１および／または１０２（および／または本明細書に記載される他の回折光学素子）は、図１１に示される回折光学素子１１００によって示されるように、その一次回折光をそれぞれ反射または透過させる、反射回折格子または透過回折格子のいずれかであり得る。本明細書で使用される場合、反射型または反射格子は、（入射角θ_ｉｎを参照して示される）特定波長帯域の入射光を、本明細書では反射回折次数１１０１とも呼ばれる（反射ゼロ次角θ^ｒ _ｍ＝０または方向に対する反射一次角θ^ｒ _ｍ＝±１または方向を参照して示される）入射光と同じ格子の側の一次方向に回折するように構成されてもよい。透過格子は、特定波長帯域の入射光を、本明細書では透過回折次数１１０２とも呼ばれる（透過ゼロ次角θ^ｔ _ｍ＝０または方向に対する透過一次角θ^ｔ _ｍ＝±１または方向を参照して示される）入射光と反対の格子の側の一次方向に回折するように構成されてもよい。透過ゼロ次角θ^ｔ _ｍ＝０または方向は、入射光の伝播方向と実質的に同様であってもよく、本明細書では透過光と呼ばれてもよい。回折光学素子１１００は、伝播方向を（例えば、透過ゼロ次角θ^ｔ _ｍ＝０または方向に）実質的に変更することなく光を回折するように、または光の偏光に基づいて伝播方向を（例えば、透過一次角θ^ｔ _ｍ＝±１または方向のいずれか、もしくは反射一次角θ^ｔ _ｍ＝１または方向のいずれかに）変更するように構成されてもよい。回折光学素子１１００は、本明細書に記載されるＧＰ素子、ＰＧ、および／またはＢＰＧ（例えば、１０１、１０２、４０２、６０１、および／または６０２）のいずれかを含むことができる。

ＢＰＧ１０１および／または１０２の別の特性は、これらの効率（入射光のパーセンテージで表される、透過または反射回折次数に配向された光の割合）が、入力光の１つの偏光で１００％に近づくことができることである。ＢＰＧ１０１および／または１０２の効率は、比較的広いスペクトル帯域幅または波長範囲に対して高くまたは低くなるように、および比較的広い角度帯域幅または動眼視野（例えば、視野）に対して高くまたは低くなるように設計または構成することができる。

したがって、ＢＰＧ１０１および／または１０２は波長選択性であってもよく、それらの偏光に応じて伝播方向または伝播角度を変更するように他の波長の光を回折しながら、伝播方向または伝播角度に実質的に影響を与えることなく、ある波長の光の透過を可能にする。例えば、ＢＰＧ１０１および／または１０２の光軸配向は、（例えば、特定の傾斜角、周期、厚さ、および／またはキラルねじれを画定するように）特定波長帯域外の光の伝播方向に実質的に影響を与えることなく、特定波長帯域の光の伝播方向を変更するように構成されてもよい。波長および角度帯域幅は、ほぼあらゆる入力波長または角度範囲に対して回折効率を最大化または最小化するように調整することができる。本明細書に記載されるいくつかの実施形態では、ＢＰＧ１０１および／または１０２は、１つの円偏光のＩＲ光では高い反射効率を有するように構成することができるが、直交偏光を有するＩＲ光およびすべての偏光を有する可視光では透過させるように構成することができる。

本開示の実施形態によるＢＰＧは、いくつかの点でＳＢＧとは異なる場合がある。例えば、ＢＰＧは、ＳＢＧとは異なるタイプの材料から形成されてもよい。また、ＢＰＧは、異なるタイプの位相に基づいて機能することができ、ＢＰＧは幾何学的位相（パンチャラトナム・ベリー位相とも呼ばれる）によって機能し、ＳＢＧは従来の伝播位相（光路長差とも呼ばれる）によって動作する。ＳＢＧは切り替え可能であり、熱的に不安定であり得るが、ＢＰＧは典型的に固定されており（すなわち、固定または不変の光軸配向を有する）、一般に、本明細書に記載されるように動作中に典型的に遭遇する温度変化に反応しない。ＳＢＧは、ＢＰＧと比較して、偏光選択性が強くない場合がある。また、ＳＢＧは、本明細書で使用されるＢＰＧと比較して、角度帯域幅および効率が制限される場合がある。

図１Ａから図１Ｄの例を参照すると、光シャッタ１００、１００’は、２つのＢＰＧ１０１および１０２の間に切り替え可能なＬＣセル１０３を含む。ＢＰＧ１０１および１０２は、特定波長帯域の光の直交偏光をゼロ次方向に透過させながら、（以下の例では不可視光および円偏光を参照して記載される）特定波長帯域の光の１つの偏光を反射一次回折方向に強く（例えば、＞８０％）回折するように構成されている。ＢＰＧ１０１および１０２はまた、任意の偏光の別の波長帯域の光（以下の例では可視光を参照して記載される）を透過させるようにも構成される。

ＬＣセル１０３は、ＬＣ層に印加される電気信号によって制御される、２つの状態を有する。第１の状態（例えば、「オン」状態）では、ＬＣセル１０３の正味位相差効果は、ある円偏光掌性からその直交掌性に不可視光を変換するのに十分であり（例えば、半波（λ／２）位相差）、第２の状態では、正味位相差は、不可視光偏光をあまり変化させない（例えば、ゼロ波位相差）。ＬＣセル１０３は主に単一素子スイッチとしてとして本明細書に記載されているが、本開示の実施形態はこれに限定されない。例えば、ＬＣセル１０３は、位相差挙動を改善するために、１つ以上の複屈折補償膜をさらに含むサブアセンブリであってもよい。

ＢＰＧ１０１および１０２は、可視光を透過させながら、その偏光に基づいて不可視光を一次方向に回折する、波長選択反射偏光子として機能するように構成されている。図１Ａから図１Ｄの光シャッタ構成１００、１００’は、ＢＰＧ１０１に入射する無偏光入力光（可視および不可視の両方）で動作するように構成されている。可視光は、ＬＣセル１０３の状態とは無関係に、偏光および／または伝播方向を実質的に変更することなく（すなわち、シャッタ素子の界面フレネル反射および／または吸収によって引き起こされる可能性のある偶発的な損失を除く）３つすべての素子１０１、１０３、１０２を透過する。不可視（例えば、ＵＶまたはＩＲ）光の１つの偏光（左旋円偏光として示される）は、ＢＰＧ１０１によってＬＣセル１０３から離れて一次回折方向に強く反射され、直交円偏光（右旋円偏光として示される）は、ＬＣセル１０３内に透過する。

光シャッタ１００、１００’の電子状態に応じて、ＢＰＧ１０１によって透過される不可視光には２つの挙動が可能である。図１Ａおよび図１Ｃに示されるように、第１の状態（ＬＣセル１０３が「オフ」状態）では、ＬＣセル１０３は、これを通過する光の偏光を変更せず、したがってＬＣセル１０３から出玉される不可視光は、右旋円偏光を有する。ＢＰＧ１０２は、伝播方向および／または偏光を実質的に変更することなく、（その偏光とは無関係に）可視光と同時に不可視光の右旋円偏光を透過させるように構成され、これにより、ＬＣセル１０３の状態に応答して光シャッタ１００、１００’の出力として可視光および不可視光（特に、不可視光の右旋円偏光）の両方を提供する。図１Ｂおよび図１Ｄに示されるように、第２の状態（ＬＣセル１０３が「オン」状態）では、ＬＣセル１０３は、これを通過する光の偏光を変更し、したがってＬＣセル１０３から出力される不可視光は、左旋円偏光を有する。ＢＰＧ１０２は、不可視光の左旋円偏光を反射性の一次方向（例えば、ＬＣセル１０３および第１のＢＰＧ１０１を通って戻る）に強く反射するように構成され、これにより、光シャッタ１００、１００’から出力される不可視光を抑制する。いくつかの実施形態では、傾斜角および／または格子周期方位は、ＢＰＧ１０１が第２のＢＰＧ１０２から受けた光をＬＣセル１０３に戻るように反射しないように構成されている。

図２Ａおよび図２Ｂは、本開示のさらなる実施形態による光シャッタを提供する光学素子２００における層の配置を示す概略図である。図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、光学素子２００は、それぞれ第１および第２の状態（例えば、ＬＣセル１０３がオフおよびオン状態）における、図１Ｃおよび図１Ｄのモノリシック構造１００’を含む。図２Ａおよび図２Ｂの実施形態は、それぞれ図１Ｃおよび図１Ｄに示されるのと同様に動作し、光学素子２００の外側を伝播する不可視光を制限するように構成された、光吸収ビームダンプ２０４または他の遮光構造をさらに含む。より具体的には、（図２Ａに示されるように）ＬＣセル１０３のオフ状態および（図２Ｂに示されるように）ＬＣセル１０３のオン状態の両方で、ＢＰＧ１０１によって反射性の一次方向に回折される不可視光（ここでは、不可視光の左旋円偏光）は、素子２００を超えて伝播しないように、ビームダンプ２０４によって集光されるかまたは別途遮断される。より一般的には、図２Ａおよび図２Ｂは、遮光構造２０４が、デバイス２００外の特定波長帯域の光の反射偏光の漏れを防止するために、反射一次回折方向に配置され得ることを示している。

図３Ａから図３Ｃは、本明細書ではマルチスペクトル光学撮像検出器とも呼ばれる、本開示のいくつかの実施形態による、統合された深度センサおよびフォトビデオカメラを提供する光学素子３００、３００’における層の配置を示す概略図である。特に、図３Ａから図３Ｃの例は、特定波長範囲または動作帯域の光をレンズ３０４に向かって（図３Ａ）またはそこから離れる方へ（図３Ｂ）配向するように配置された、図１Ａから図１Ｄの光シャッタ１００、１００’を画定する素子１０１、１０３、１０２を示している。いくつかの実施形態では幾何学的位相レンズなどのＧＰ素子であり得るレンズ３０４は、光シャッタ１００、１００から出力された光を、例としてＣＭＯＳ画像センサとして示される画像センサ３０５上に集束させるか、または別途配向するように構成されている。レンズ３０４および画像センサ３０５は、本明細書では、まとめてカメラと呼ばれてもよく、レンズ３０４は、幾何学的位相素子（例えば、第２のＢＰＧ１０２または後述されるＰＧ４０２）からの光を画像センサ３０５に配向するように配置される。図３Ｃは、光学素子の層（１０１、１０３、１０２、および任意選択的に３０４）が、モノリシック構造３００’を画定するために互いに直接順次積層されている構成を示すが、いくつかの実施形態では、介在層（例えば、透明スペーサ層および／または電極層）が（例えば、層のうちの２つ以上の間に）存在してもよいことが理解されるだろう。

画像センサ３０５は、複数の波長帯域の光を検出または捕捉するように動作可能である。例えば、画像センサ３０５は、可視スペクトル内の可視光（例えば、約４００ｎｍから約７００ｎｍの間の波長を有する光）およびＩＲ光（例えば、約７００ｎｍから約１０００ｎｍ以上の波長を有する光）の両方から画像を生成するために、これらの両方を検出するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、画像センサ３０５は、ＩＲ光検出に加えて、またはこれに代えて、４００ｎｍ未満の波長を有する光（例えば、ＵＶ光）を検出するように動作可能であってもよい。より一般的には、画像センサ３０５は、可視スペクトル内および／または可視スペクトル外の波長帯域を含む、複数の波長帯域の光を検出するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、画像センサは、複数の画像センサによって画定されたピクセルのサブピクセル、例えば赤色、緑色、または青色サブピクセルを表すことができる。したがって、画像センサ３０５は、いくつかの実施形態では、その上に赤色、緑色、または青色カラーフィルタを含むことができる。図面ではＣＭＯＳ画像センサを参照して示されているが、本開示の実施形態は、特定のタイプの画像センサに限定されないことが理解されるだろう。例えば、画像センサ３０５は、いくつかの実施形態では、電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよい。

第１の偏光格子１０１、「オン」状態の切り替え可能光学層１０３、および／または第２の偏光格子１０２は、（１つまたは複数の）特定動作波長帯域内の入射光の偏光（本明細書の例では、ＩＲまたはＵＶ光を含む不可視光）を変更するように構成されてもよいが、その動作波長外の光（本明細書の例では可視光）が影響を受けずに通過することを可能にしてもよい。第１の偏光格子１０１および第２の偏光格子１０２はまた、その（１つまたは複数の）特定動作波長帯域内の入射光の伝播方向も偏光するように構成されている。特に、第１の偏光格子１０１および第２の偏光格子１０２は、入射光を、異なる伝播方向を有するゼロ次および非ゼロ次（例えば、一次）ビームに回折するように構成されている。

本開示の実施形態は、いずれの特定のタイプの解説層にも限定されないが、本明細書に記載される例では、ＧＰ素子１０１および１０２は、ＰＧによって、または具体的にはブラッグＰＧによって実装される。ブラッグＰＧは、高い回折効率（例えば、およそまたは最大１００％）で、より高い角度帯域幅（典型的なフォトビデオまたは深度センサの全視野をサポートする）および大きな回折角（例えば、ゼロ次ビームと一次ビームとの間で最大約９０°以上）を提供することができる。いくつかの実施形態では、ブラッグＰＧのうちの１つ以上は、例えば、その開示が参照により本明細書に組み込まれる、Ｅｓｃｕｔｉらの米国特許第１０，８５９，７４０号明細書に記載されるように、ＬＣ材料を使用して形成されてもよい。ブラッグＰＧは、反応性メソゲンとも呼ばれるバルクのキラルネマチック液晶ポリマー（ＬＣＰ）ネットワーク材料を使用して形成されてもよい。いくつかの例では、ブラッグＰＧは、とりわけ、偏光体積格子（ＰＶＧ）と呼ばれ得る。

切り替え可能光学層１０３の状態（例えば、「オン」または「オフ」）は、１つ以上の外部コントローラまたはプロセッサによって制御することができる。いくつかの実施形態では、切り替え可能光学層１０３は、例えば、その開示が参照により本明細書に組み込まれる、Ｅｓｃｕｔｉらの米国特許第８，５３７，３１０号明細書に記載されるように、ＬＣ材料を使用して形成されてもよい。本開示の実施形態にしたがって使用され得るＬＣ材料は、本明細書に記載される特定の「オン」（半波位相差）または「オフ」（ゼロ位相差）状態に限定することなく、ねじれネマチック、垂直配向、ブルー相などを含むがこれらに限定されない。

図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、動作中、ブラッグＰＧ１０１は反射格子であり、これは、スペクトル帯域幅は比較的小さくてもまたは狭くてもよいが（例えば、動作波長帯域は、約５０ｎｍ以下、例えば約２５ｎｍ以下であってもよい）、角度帯域幅（回折効率が高い視野）は比較的高いことを意味する。より一般的には、ＰＧ１０１のスペクトル帯域幅は、温度による発光源のスペクトル出力のドリフトを考慮して、所望の発光源（レーザなど）のスペクトル帯域幅に基づいて構成することができる。

図３Ａおよび図３Ｂの例では、ブラッグＰＧ１０１は、無偏光入力光（特定波長帯域内および特定波長帯域外の両方）を受け、ゼロ次ビームとしての特定波長帯域内の光（この例では、右旋円偏光、ＲＨＣ）の第２の異なる偏光（例えば、直交偏光）を切り替え可能光学層１０３（例えば、半波（λ／２）ＬＣスイッチ）に向かって透過させながら、特定波長帯域内の光（この例では、左旋円偏光、ＬＨＣ）の第１の偏光を一次ビーム（「混合偏光」とラベル付けされる）に反射または回折する。本明細書の例では、特定波長帯域内の光は、例として不可視（例えば、ＩＲ）光および円偏光（ＬＨＣ、ＲＨＣ）を参照して記載されるが、本明細書に記載される光学素子／層は、そのそれぞれの特性（例えば、格子傾斜角、周期、厚さ、および／またはキラルねじれ）に基づいて任意の特定波長帯域および／または偏光で動作するように構成されてもよい。

図３Ａでは、切り替え可能光学層１０３は「オフ」状態（例えば、電圧が印加されていない）のＬＣセルである。ＬＣ分子の配向は、特定波長帯域内のＲＨＣ偏光不可視光がその偏光を変更せずにλ／２ＬＣセル１０３を通過して、ブラッグＰＧ１０２に入射するようになっている。ブラッグＰＧ１０２は、ブラッグＰＧ１０１と同じであってもよいが、光軸の周りで１８０度回転されてもよい（すなわち、ブラッグＰＧ１０１に対して逆平行配向である）。特定波長帯域内のＲＨＣ偏光不可視光は、その偏光および伝播方向を実質的変更せずにブラッグＰＧ１０２を通過し、レンズ３０４によって画像センサ３０５に向かって集束または別途配向される。本明細書の例に示されるように、光学素子の層は、「白色」可視光（例えば、約４００ｎｍから約７００ｎｍの波長を有する）が実質的に影響を受けずに層スタック１００、１００’を通過するように、レンズ３０４もまた画像センサ３０５による撮像のために可視光を集束または別途配向し得るように、構成される。

したがって、図３Ａでは、画像センサ３０５は、特定波長帯域内の不可視光（例えば、ＩＲ光）および可視光の両方に基づいて画像を生成するように構成されている。構造化光深度感知用途では、以下でより詳細に記載されるように、ＩＲ信号から白色可視光の効果を低減するために、数学的フレーム差分を使用することができる。飛行時間深度感知用途では、白色光は、本質的に一定の信号となり、したがって、ＩＲ変調信号からフィルタリングすることができる。

図３Ｂでは、図３Ａと同様に、ブラッグＰＧ１０１は、特定波長帯域内のＬＨＣ偏光不可視光（例えば、ＩＲ光）をレンズ３０４／画像センサ３０５から離れる方へ（例えば、反射一次ビームに）回折し、特定波長帯域内の残りのＲＨＣ偏光不可視光をλ／２ＬＣスイッチ１０３に向かって透過させる。切り替え可能光学層１０３は、これを通過するＲＨＣ偏光不可視光の偏光が特定波長帯域内のＬＨＣ偏光不可視光に変換されるように、「オン」状態（例えば、電圧が印加されている）にある。より具体的には、λ／２ＬＣセル１０３のＬＣ分子の配向は、ブラッグＰＧ１０２に入射する特定波長帯域内のＬＨＣ偏光不可視光を提供するために、ＲＨＣ偏光不可視光を半波長λ／２（すなわち、１８０°）だけ遅らせてもよい。ブラッグＰＧ１０２は、特定波長帯域内のＬＨＣ偏光不可視光をレンズ３０４／画像センサ３０５から離れる方へ（例えば、反射一次ビームに）回折するように構成されている。ブラッグＰＧ１０２は、特定波長帯域内の不可視光の実質的にすべてがレンズ３０４から離れる方へ、したがって画像センサ３０５から離れる方へ配向されるように、入射偏光ビームを最大１００％の効率で回折することができる。また、ブラッグＰＧ１０１に対する逆平行配向のため、ブラッグＰＧ１０２は、光学素子３００、３００’内のさらなる伝播を低減および／または回避するために、ＬＨＣ偏光ＩＲ光を光学素子３００、３００’から離れる方へ（例えば、実質的に「オフブラッグ」角度で、すなわち格子１０１および／または１０２によって影響を受けない角度で意図的に）回折してもよい。

より一般的には、第１のＧＰ素子または偏光格子１０１、切り替え可能光学層１０３、および第２のＧＰ素子または偏光格子１０２の配置は、切り替え可能光学層１０３の状態応じて、第１の波長帯域の光（例えば、ＩＲ光または可視スペクトル外の他の光）を、画像センサに向かうかまたはそこから離れる異なる方向または角度に配向するように構成されている。

いくつかの用途では、仮想オブジェクトが地形と正しく相互作用するようにプログラムされるように表面再構成が必要な場合があり、これは同時表面再構成と呼ばれてもよい。テレプレゼンス用途では、画像を第三者に送信して完全に再構成することができるように、深度センサ情報をフォトビデオカメラのカラー画像と組み合わせることが有利であり得る。これは、カラー画像を深度情報で「ドレープする」と言うことができる。例えば、画像ドレープは航空宇宙用途で使用することができ、これにより、航空写真が３Ｄマップ情報上にドレープされる。

本開示の実施形態では、同じ画像センサ上でＩＲ光および可視光の両方を撮像するために、同じ光学素子が使用される。したがって、（可視光からの）カラー画像データを撮像プロセスの一部として捕捉することができ、（ＩＲ光からの）深度情報またはデータもまたカラー画像と一致し、すなわち考慮すべき視差または偏向誤差がない。

本開示のいくつかの実施形態は、フレーム間画像差分のために順次捕捉された一致する画像データを利用することができる。例えば、画像センサ３０５は、例えば連続する画像フレームにおいて、結合された色および深度画像データ（図３Ａに示されるように、可視光および不可視光の両方の捕捉に基づく）ならびに色画像データ（図３Ｂに示されるように、可視光のみの捕捉に基づく）を順次捕捉するように構成されてもよい。信号プロセッサは、（図３Ａで捕捉された）結合された色および深度画像データから（図３Ｂで捕捉された）色画像データを減じることによって、深度画像データ（例えば、ＩＲまたは他の不可視光に基づく）を計算するように構成されてもよい。

別の例として、画像センサ３０５は、ＩＲまたは他の不可視光を出力するように構成された照明源、例えば以下に記載される照明源６００または８００の有効化および無効化と連携して、結合された色および深度画像データを（例えば、連続する画像フレームで）順次捕捉するように構成されてもよい。信号プロセッサは、照明源をそれぞれオンおよびオフにして捕捉された画像フレームの結合された色および深度画像データの差分に基づいて、深度画像データ（例えば、ＩＲまたは他の不可視光に基づく）を計算するように構成されてもよい。

ピクセルごとに複数の画像センサ（例えば、赤色、緑色、および青色サブピクセル）を含む実施形態では、深度情報は、複数のサブピクセルによって捕捉されてもよく、（例えば、赤色、緑色、および青色サブピクセルの各々におけるＩＲ光漏れのため）、これにより、（赤色、緑色、および青色サブピクセルの各々による可視光の一部のみの検出に起因して）フォトビデオ画像よりも高い解像度を有するＩＲ画像を提供することができる。
ａ．本開示の実施形態は、深度センサの動眼視野（例えば、視野）を変更するように構成された光学素子をさらに提供することができる。特に、地形の深度画像捕捉を参照して上述したが、視野を変更するためにカメラを所望の方向に「向ける」こと（例えば、ＡＲグラスにおいて、ハンドジェスチャを捕捉するために深度カメラ画像を下に向けること）ができることは、有利であり得る。これをカバーするためにはるかに大きい深度視野を生成するのではなく、いくつかの実施形態では、光学素子の層スタックにＰＧとＬＣスイッチとの１つ以上の交互のペアを追加することによって、ＩＲ光（または、より一般的には可視スペクトル外の光）の視野にバイアスを掛けることができる。

図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、統合された深度センサおよびフォトビデオカメラに可変動眼視野を提供する光学素子の配置を含むマルチスペクトル光学撮像検出器を示す。光学素子４００、４００’は、図１Ａから図１Ｄを参照して論じられた構成と同様に、ブラッグＰＧ１０１、ＬＣセル１０３、およびブラッグＰＧ１０２によって実装された第１の偏光格子、切り替え可能光学層、および第２の偏光格子を含む。光学素子４００、４００’は、第２の切り替え可能光学層４０３と、透過格子として機能する、例として第３の偏光格子４０２として示される、ＧＰ素子とをさらに含む。偏光格子４０２は、第１の偏光を有する特定波長帯域内の光（例えば、ＬＨＣ光）の方向を変更するように構成されてもよいが、第２の異なる偏光（例えば、逆偏光または直交偏光）を有する特定波長帯域内の光の伝播方向を変更することはできない。幾何学的位相レンズなどのＧＰ素子であってもよいレンズ３０４は、限定ではなく例としてＣＭＯＳ画像センサとして示される、画像センサ３０５上に光を集束または配向するように構成されている。図４Ａは、これを通過する光の偏光に影響を及ぼさない第１の（「オフ」）状態の切り替え可能光学層４０３を示し、図４Ｂは、特定波長帯域内でこれを通過する光の偏光を変更する第２の（「オン」）状態の切り替え可能光学層４０３を示す。図４Ｃは、光学素子の層（１０１、１０３、１０２、４０３、および４０２、ならびに、任意選択的に３０４）が、モノリシック構造４００’を画定するために互いに直接順次積層されている構成を示すが、いくつかの実施形態では、介在層（例えば、透明スペーサ層および／または電極層）が（例えば、層のうちの２つ以上の間に）存在してもよいことが理解されるだろう。

図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、動作中、ブラッグＰＧ１０１および１０２は反射格子であり、その各々は、図１Ａおよび図１Ｂを参照して上述したように、切り替え可能光学層１０３の状態に応じて、特定波長帯域内の光を、画像センサ３０５に向かうかまたはそこから離れる異なる方向または角度に回折することによって、特定波長帯域内の光（例えば、ＩＲ光などの不可視光）の透過がカメラレンズ３０４に入射するのを遮断または防止するように構成されている。光学素子は、（図４Ａに示されるように）「オフ」状態においてブラッグＰＧ１０２から受けた入射光の偏光（ＲＨＣ偏光不可視光として示される）に影響を及ぼさない第２の切り替え可能光学層４０３（例えば、λ／２ＬＣスイッチ）と、第３のＰＧ４０２とをさらに含む。（図４Ｂに示されるように）「オン」状態では、第２の切り替え可能光学層４０３は、第３のＰＧ４０２への入力のために、入射光を直交偏光に変換する（特定波長帯域内のＬＨＣ偏光不可視光を提供するために、特定波長帯域内のＲＨＣ偏光光を半波長λ／２（すなわち、１８０°）だけ遅らせるように示されている）。

第３のＰＧ４０２は、視野を１つ以上の方向に回折するように構成された透過格子である。特に、第３のＰＧ４０２は、それぞれ第２の切り替え可能光学層４０３の状態に応答して、第１の視野を画定するために特定波長帯域内の光の１つの偏光を第１の方向の画像センサ３０５に向かって回折または別途配向し、第２の視野を画定するために（例えば、伝播方向に実質的に影響を及ぼして、または及ぼさずに）特定波長帯域内の別の（例えば、直交する）光の偏光を第２の異なる方向の画像センサ３０５に向かって回折または別途配向するように構成されてもよい。

図４Ａおよび図４Ｂの例では、第３のＰＧ４０２は、第２の切り替え可能素子４０３が「オフ」状態にあるときに、画像センサ３０５の１つの視野を画定するために特定波長帯域内のＲＨＣ偏光光を透過させ、第２の切り替え可能素子４０３が「オン」状態にあるときに、特定波長帯域内のＬＨＣ偏光光の伝播方向（したがって、特定波長帯域内の不可視光に対する画像センサ３０５の視野）を変更するように構成されている。より詳細には、透過格子４０２の角度帯域幅は、少なくともセンサレンズ３０４の視野と同じ大きさになるように構成されてもよい。透過格子４０２の入射角は、「通常」（例えば、本明細書に記載されるように光学素子のない）センサ視野の外側にあるか、または通常センサ視野とわずかに重なるように、実質的に軸から外れていてもよい。図４Ｂに示されるように、この広い視野からの光は、第２の切り替え可能素子４０３の状態に基づいて、またはこれに応じて、センサレンズ３０４の光軸に向かって回折することができる。例えば、ＡＲグラス用途では、深度画像は、上述のように、ジェスチャ認識のために着用者の手に向けられてもよい。

いくつかの実施形態では、透過格子４０２はブラッグＰＧとして実装されてもよい。誘電体またはプラズモニックメタサーフェスなどの液晶材料から製造することができない幾何学的位相表面または素子を含む、非ブラッグＰＧ（ラマン・ナスＰＧなど）または幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）を含む他の光学層もまた、透過格子４０２として使用され得る。また、単一の切り替え可能な光学素子４０３と透過格子４０２のペアを含むように示されているが、いくつかの実施形態は、深度画像を部屋の回りで走査することができ、図７Ａから図１０Ｂに示されるシステムなどのシステムの有効視野を拡大できるように、切り替え可能素子４０３と透過格子４０２の複数のペアを含んでもよい。同様に、一次元（例えば、方位角または水平次元）で視野を変更する動作に関連して示されているが、本明細書に記載される実施形態は、別の次元（例えば、仰角または垂直次元）で、および／または複数の次元（例えば、各々がそれぞれの次元で視野を変更するように構成された、切り替え可能素子４０３と透過格子４０２の複数のペアを使用することによって）で視野を変更するために同様に使用され得ることが、理解されるだろう。

本開示の実施形態は、いくつかの従来の配置に対して大きな利点を提供することができる。例えば、本明細書に記載されるような波長選択回折素子（ＢＰＧを含む、ＧＰ素子など）は、可視光の伝播が光シャッタ素子によって実質的に影響を受けないことを可能にするように構成されてもよく、したがって、いくつかの従来の配置とは対照的に、高い透過率（例えば、ＧＰ素子の高い回折効率のため、およそまたは最大１００％）を維持することができる。加えて、本明細書に記載されるようないくつかの反射ＢＰＧ配置は、望ましくない偏光および／または波長帯域の光がカメラに到達するのを遮光性または素子が防止する必要性を排除することができ、無偏光入力光を必要としない場合がある。また、本明細書に記載されるように、フレーム間差分は、特定波長帯域内の信号（例えば、ＩＲ信号）を決定または分離するために使用することができ、これは、特にＩＲ信号検出用途において、（ＩＲ信号遮断に依存し得るいくつかの従来の配置と比較して）より堅牢であり、改善されたコントラストを提供することができる。

図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、（組み合わされた写真／ビデオおよび深度画像センサ用途とは無関係に）可変動眼視野を提供する光学素子の配置を含むマルチスペクトル光学撮像検出器を示す。光学素子５００、５００’は、図４Ａから図４Ｃを参照して上述されたのと同様に、切り替え可能光学層４０３と、透過格子として機能する偏光格子（または幾何学的位相ホログラム）４０２とを含む。光学素子５００、５００’は、無偏光入射光を受け、切り替え可能光学層４０３に入射する所望の偏光の偏光光（線形偏光光を参照して示される）を提供するように位置決めされた、偏光子素子４０１－１およびリターダ素子（１／４波長（λ／４）リターダとして示される）４０１－２をさらに含む。偏光子４０１－１と切り替え可能光学層４０３との間に示されているが、いくつかの実施形態では、リターダ素子４０１－２は、切り替え可能光学層４０３とＰＧ４０２との間に設けられてもよい。幾何学的位相レンズなどのＧＰ素子であってもよいレンズ３０４は、限定ではなく例としてＣＭＯＳ画像センサとして示される、画像センサ３０５上に光を集束または配向するように構成されている。

図５Ａは、これを通過する光の偏光に実質的に影響を及ぼさない第１の（「オフ」）状態の切り替え可能光学層４０３を示し、図５Ｂは、これを通過する光の偏光を変更する第２の（「オン」）状態の切り替え可能光学層４０３を示す。図５Ｃは、光学素子の層（４０１－１、４０１－２、４０３、および４０２、ならびに任意選択的に３０４）が、モノリシック構造５００’を画定するために互いに直接順次積層されている構成を示すが、いくつかの実施形態では、介在層（例えば、透明スペーサ層および／または電極層）が（例えば、層のうちの２つ以上の間に）存在してもよいことが理解されるだろう。

図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、動作中、偏光子４０１－１およびリターダ素子４０１－２は、動眼視野の切り替えを容易にするために切り替え可能光学層４０３および透過格子４０２の光を事前調整するように機能する。図４Ａを参照して同様に論じられたように、切り替え可能光学層４０３（例えば、λ／２ＬＣスイッチ）は、（図５Ａに示されるように）「オフ」状態において、リターダ４０１－２から受けた入射光の偏光（特定の波長範囲内のＲＨＣ偏光光として示される。ここでは不可視（例えば、ＩＲ）光）に影響を与えず、透過格子４０２は、切り替え可能光学層４０３の「オフ」状態に応答して第１の視野を画定するために、特定波長帯域内のＲＨＣ偏光光を第１の方向の画像センサ３０５に向かってレンズ３０４まで回折または別途配向する。

（図５Ｂに示されるように）「オン」状態において、切り替え可能光学層４０３は、特定の波長範囲内のＬＨＣ偏光光を提供するために、入射光を直交偏光（ＲＨＣ偏光光をλ／２（すなわち、１８０°）だけ遅らせるように示されている）に変換し、これは、切り替え可能光学層４０３の「オン」状態に応答して第２の視野を画定するために、特定波長帯域内のＬＨＣ偏光光の伝播方向を第２の異なる方向の画像センサ３０５に向かって変更するため、透過格子４０２（上述のように、ＧＰ素子、またはブラッグＰＧなどのＰＧによって実装され得る）によって回折される。具体的には示されていないが、回折層４０２と切り替え可能光学層４０３との１つ以上の追加のペアが光学素子５００、５００’に含まれてもよく、第１および第２の視野とは異なるそれぞれの視野を提供するために同様に動作する。したがって、図５Ａおよび図５Ｂの実施形態は、頭部追跡センサを含む（ただしこれに限定されない）任意の画像センサの有効動眼視野（それぞれの視野によって集合的に画定される）を拡大するために使用することができる。

本開示のいくつかの実施形態は、カメラの前に切り替え可能な「窓」を提供することができる。切り替え可能窓は、例えば、着用者の目（眼鏡用途の場合）または他のセンサに対して、例えば対域内レーザ光の損傷を低減するために使用することができる。本明細書に記載されるような切り替え可能窓は、ＬＣスイッチある偏光状態から直交状態に完全に切り替わる必要がないという点においてバイナリである必要がなく、したがって、通過する光信号を変調するために使用することができる。

ＲＨＣ偏光光および不可視（例えば、ＩＲ）波長帯域に基づく動作を参照して本明細書に記載されるが、本開示の実施形態は、任意の特定の偏光状態または波長帯域に基づく動作に限定されないことが理解されるだろう。例えば、本明細書に記載される層および／または素子は、本明細書に記載されるＰＧのいずれかによって回折される光の偏光状態が直交偏光状態となり得るように構成および配置することができ、ＬＣスイッチは、画像センサに向かうかまたはそこから離れる所望のスペクトル範囲の光を相応に回折するように構成および配置することができる。例えば、図３Ａおよび図３Ｂでは、ブラッグＰＧ１０２は、ＬＣスイッチ１０３が「オン」状態に移行するまで光学素子／スタックがＬＨＣ偏光ＩＲ光を画像センサ３０５から離れる方へ反射／回折するように、ＬＨＣ偏光光に応答して動作するように構成することができる。

本開示のさらなる実施形態は、図６Ａから図１０Ｂのシステムを参照して示される。これらのシステムはＡＲ用途を参照して示されているが、本開示の実施形態は決してこのような用途に限定されず、自律車両またはドローンを含むがこれらに限定されない様々な他の用途に使用され得ることが理解されるだろう。

図６Ａおよび図６Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、統合された光源、深度センサ、およびフォトビデオカメラに可変動眼視野を提供する光学素子６００、６００’における層の配置を示す。例えば、図６Ａまたは図６Ｂの光学素子６００、６００’は、１対のＡＲグラス内のカメラおよび飛行時間深度センサの統合を提供するように実装されてもよい。

図６Ａに示されるように、光学素子６００は、図５Ａから図５Ｃを参照して上記で論じられた実施形態５００、５００’と同様に、偏光子素子４０１－１と、無偏光入射光を受けて切り替え可能光学層４０３（例えば、λ／２ＬＣスイッチ）に入射する所望の偏光の偏光光を提供するように位置決めされたリターダ素子４０１－２（例えば、λ／４リターダ）と、透過格子として機能する偏光格子（または幾何学的位相ホログラム）４０２と、画像センサ３０５（限定ではなく例としてＣＭＯＳ画像センサとして示される）上に光を集束させるように構成されたレンズ３０４とを含む。光学素子は、光源６０５（例えば可視波長範囲を超える光を容赦するように構成された、例えばＩＲ光源）と、ＬＣスイッチ４０３を通過した後に光源から放射された光を受けるように配置されたＧＰ素子または偏光格子６０２とをさらに含む。ＧＰ素子６０２は、一般的な位相プロファイルを有してもよく、または線形位相プロファイル（例えば、ブラッグＰＧ）を有する偏光格子であってもよく、またはＰＧのスタックのような一連のＧＰ素子であってもよい。飛行時間深度センサ用途では、光源６０５およびセンサ３０５は、電気的統合を低減または最小化するために、１対のＡＲグラス（例えば、図７Ａおよび図７Ｂに示されるＡＲグラス）の同じ側に位置決めされてもよい。

図６Ａの例示的なシステムでは、統合された光源およびカメラ６００は、やはり光源６０５から放射された光の偏光を変更するために、（図５Ａおよび図５Ｂに示されるような）画像センサ３０５の視野を変更するために使用されるのと同じＬＣスイッチ４０３を利用する。したがって、共有ＬＣスイッチ４０３の状態（「オン」状態において光源からの発光の偏光を変更する）に応じて、ＧＰ素子６０２は、発光を第１の方向に（または偏光されずに通過するように）配向するか、または発光を（その偏光に応じて）第２の方向に再配向し、その一方で戻り光の画像センサ３０５への再配向も制御する。すなわち、ＬＣスイッチ４０３とＧＰ素子６０２との組み合わせは、光学層４０３の状態に基づいて、画像センサ３０５の視野と同期して光源６０５の照明野を変更することができる。

追加の切り替え可能光学層およびＧＰ素子のペアは、異なる方向／角度への発光の伝播を制御するために、図示される層上に積層されてもよく、したがって、それぞれの切り替え可能光学層４０３の状態に応じて、複数の照明野および／または視野（例として、図７Ｂでは３つの照明野および３つの視野として示される）の間で切り替えを可能にすることが理解されるだろう。例えば、図６Ｂは、ＬＣスイッチ４０３および６０３の状態に応答して追加の照明野を提供するために、光源６０５とＬＣスイッチ４０３とＧＰ素子６０２との間に位置決めされた素子の追加のペア（具体的には、ＧＰまたはＰＧ素子６０１およびＬＣスイッチ６０３）を含む、統合された光源およびカメラ６００’を示す。素子の追加のペア（具体的には、ＧＰまたはＰＧ素子６０６および同じＬＣスイッチ６０３）は、ＬＣスイッチ４０３および６０３の状態に応じて追加の視野を提供するために、画像センサ３０５とＰＧ４０２との間に位置決めされる。図６Ｂの統合された光源およびカメラ６００’では、回折素子６０１および６０６は、一致または対応する照明野および視野を生成するように構成されてもよく、回折素子６０２および４０２は、一致または対応する照明野および視野を生成するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、ＧＰ素子６０２または６０１のうちの１つ以上は、光源からの光を任意の所望のパターンに成形する（例えば、光をセンサの視野内に拡散する）ために、レンズ度数を組み込むこともできる（例えば、ＧＰ素子は非線形位相プロファイルを有してもよい）。また、発光が反射されて画像センサ３０５に戻るのを低減または防止するために、マスキングまたは遮光（例えば、図２Ａおよび図２Ｂの素子２０４）が採用されてもよい。いくつかの実施形態では、このようなマスクまたは遮光は、光源の出口にある別個の窓として実装されてもよく、これは共有ＬＣスイッチ４０３を汚染する指紋も防ぐことができる。

図７Ａおよび図７Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、飛行時間深度センサ用途などの可変動眼視野用途のために構成された例示的なシステム７００を示す。特に、図７Ａおよび図７Ｂは、１対のＡＲグラスを画定するフレームまたは形状因子６９９における図６Ａまたは図６Ｂの統合された光源およびカメラ６００、６００’の実装を示す。図７Ｂに示されるように、光学素子６００、６００’の光源６０５から放射された光は、Ａ、Ｂ、およびＣと指して示される、本開示の実施形態による複数の異なる照明野にわたって配向することができる。図７Ｂの光学素子６００、６００’によって画像センサ３０５に配向されるような戻り光または反射光の視野は、Ａ’、Ｂ’、およびＣ’として示されている。図７Ｂに示されるように、同じ（１つまたは複数の）切り替え可能光学層４０３および／または６０３が光源６０５および画像センサ３０５の視野を制御するので、両方の動作は、光源６０５によって放射された光による照明野が、ＬＣスイッチ４０３および／または６０３の状態に基づいて画像センサ３０５によって検出された視野に対応するように、同期または調整される。例えば、図７Ａ～図７Ｂの構成では、照明野Ａ（および対応する視野Ａ’）は、ＬＣスイッチ４０３が「オフ」状態にあるときに制御されてもよく、照明野Ｂ（および対応する視野Ｂ’）または照明野Ｃ（および対応する視野Ｃ’）のいずれかは、ＬＣスイッチ４０３が「オン」状態にあるときに制御されてもよい。上述のように、追加の切り替え可能光学層およびＧＰ素子のペアは、１つ以上の次元（例えば、方位角および仰角）において、追加の照明野／視野間の切り替えを可能にするために積層されてもよい。

図８は、本開示のいくつかの実施形態による、照明源に可変照明野を提供する光学素子８００における層の配置を示す概略図である。図９Ａおよび図９Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、構造化光深度センサ用途のために構成された例示的なシステム９００を示す。図９Ａおよび図９Ｂの文脈では、本明細書に記載される光学素子は、１対のＡＲグラス内のカメラおよび構造化光深度センサの統合を提供する。

図９Ａおよび図９Ｂに示されるように、システム９００は、（図５Ａおよび図５Ｂを参照して上記で論じられたような）光学素子／センサ５００’を含み、光学素子／センサ５００’はＡＲグラスフレーム６９９の片側に位置決めされる。システム９００は、ＡＲグラスフレーム６９９の反対側に位置決めされた光学素子／照明源８００をさらに含む。

図８に示されるように、光学素子／照明源８００は、可視波長範囲の外側の光を放射するように構成された光源６０５（例えば、ＩＲ光源）を含む。光学素子８００は、構造化光パターンを有する光を出力することができ、切り替え可能光学層６０３（発光の偏光を変更するために、オン状態とオフ状態との間で切り替えられるように構成されている）とＧＰ素子または偏光格子６０１（（切り替え可能光学層６０３の状態に依存し得る）光源６０５からの発光の偏光および／または伝播方向を異なるように変更するように構成されている）との１つ以上のペアを含むことができる。光学素子／照明源８００の光源６０５、切り替え可能層６０３、およびＧＰ素子６０１は、光学素子／センサ５００’から離間するように（例えば、ＡＲグラスフレーム６９９の反対側に）位置決めされてもよい。ＧＰ素子６０１は、一般的な位相プロファイルを有してもよく、または線形位相プロファイル（例えば、ブラッグＰＧ）を有する偏光格子であってもよく、またはＰＧのスタックのような一連のＧＰ素子であってもよい。

構造化光用途では、光源６０５と画像センサ３０５との間の距離または間隔は、深度を観察するために必要であり得る、戻り信号の視差を導入する（すなわち、光源６０５および画像センサ３０５は、構造化光深度センサ内に同軸に位置決めされてはならない）。より一般的には、構造化光用途では、光源６０５／エミッタ８００と画像センサ３０５／検出器５００’との間の分離は、視差の検出に有利であり得る。しかしながら、このような分離は、システムの両端に（例えば、図９Ａおよび図９Ｂに示されるように、ＡＲグラスフレーム６９９の両側または両端に）ある必要はなく、むしろシステムの同じ側、または別途より近傍においてより適度に分離されてもよいことが理解されるだろう。

特に、図９Ａ～図９Ｂの例示的なシステム９００では、光学素子／照明源８００のＬＣスイッチ６０３の状態は、光学素子／照明源８００のそれぞれの照明野（Ａ、Ｂ、Ｃ）が光学素子／センサ５００’のそれぞれの視野（Ａ’、Ｂ’、Ｃ’）に対応するように、光学素子／センサ５００’のＬＣスイッチ４０３と同期するように制御される。いくつかの実施形態では、単一の照明野および視野が使用されてもよい。別の実施形態では、それぞれのＬＣスイッチ（例えば、６０３、４０３）の状態に応じて複数の光源照明野および対応するセンサ視野（図９Ｂの例では３つの照明野／視野として示される）の間の切り替えを提供するために、ＬＣスイッチおよびＧＰ素子層の複数のペアが積層されてもよく、カバレージエリアを拡大するためにセンサ５００’および照明源８００の「走査」を効果的に可能にする。

いくつかの実施形態では、照明源８００の（１つまたは複数の）ＧＰ素子のうちの１つ以上は、光源６０５からの光を任意の所望のパターンに成形する（例えば、光をセンサの視野内に拡散する）ために、レンズ度数を組み込むことができる（例えば、ＧＰ素子６０１は、非線形に変化するそれぞれの光軸配向を有する非線形位相プロファイルを有してもよい）。いくつかの実施形態では、ＧＰ素子６０１は、例えば、前方地形の物体に入射する光が、一連の点または線もしくは深度を判定できるようなセンサ画像から処理することができる任意の形状で照明されるように、構造化パターンで発光を提供するように構成された回折格子を組み込んでもよい（例えば、線形に変化するそれぞれの光軸配向を有する線形位相プロファイルを有してもよい）。

また、光学素子／照明源８００は、第２の異なる回折パターンを提供するように構成されたＬＣスイッチおよびＧＰ素子のさらなる（１つまたは複数の）ペアを含むことができる。例えば、光源６０５からの発光は、例えば交互に、照明の第１のパターンに一連の点を提供するための第１の回折パターンと、照明の第２のパターンに第１のパターンのギャップを埋める同様の一連のギャップを提供するための第２の回折パターンとを用いて回折されてもよい。このような複数の照明パターンは、処理アルゴリズムまたは回路がそれぞれの照明パターン内の特徴（例えば、点）をより容易に区別すること（例えば、特異的でより疎なパターンをより密なパターンと区別すること）を可能にしながら、高解像度の深度画像が第１の画像と第２の画像との間で達成されることを可能にすることができる。このような実装の利点は、低解像度カメラのコストが比較的低いこと、およびカメラおよびレンズのサイズが比較的小さいことを含み得る。例えば、フォトビデオカメラが使用されない場合、カメラの解像度はあまり重要ではない可能性がある。すなわち、本開示の実施形態は、（より高い解像度の画像またはパターンと比較して）パターンを相関させる際の曖昧さを低減しながら、それぞれのパターンを捕捉する画像の解像度を高めるために照明の第１のパターンに照明の第２のパターンを点在させるため、構造化光パターンの放射を変更するように構成されてもよい。

本開示のさらなる実施形態では、センサ画像は、ＳＬＡＭ追跡ならびに深度感知のために使用することができる。例えば、第２の回折パターンを提供するために（上述の）ＬＣスイッチとＧＰ素子とのさらなる（１つまたは複数の）ペアを使用する代わりに、ＬＣスイッチとＧＰ素子とのさらなる（１つまたは複数の）ペアは、平面照明パターン（例えば、地形をＩＲ光で均一に照明する非構造化照明パターン）を提供することができる。得られた画像は、連続する画像フレーム間の撮像画像のテクスチャおよび特徴の変化を検出するためにＳＬＡＭ処理アルゴリズムまたは回路によって使用され得るグレースケール画像を提供することができる。すなわち、本開示の実施形態は、構造化光センサの機能がＳＬＡＭ頭部追跡と組み合わせられるように、本明細書に記載される切り替え構成を使用して、均一なパターンから構造化パターンに（またはその逆に）発光を変化させるように構成されてもよい。より一般的には、３つ以上のタイプのカメラ／センサの統合（例えば、フォトビデオカメラ、深度センサ、およびＳＬＡＭカメラの統合）が、本開示の実施形態によって達成され得る。

図９Ａ～図９Ｂをさらに参照すると、３つの異なる照明野にわたって光学素子／照明源８００から放射された光が、Ａ、Ｂ、およびＣとして示されている。光学素子／センサ５００’によって画像センサ３０５に向けられた戻り光または反射光の視野は、Ａ’、Ｂ’、およびＣ’として示されている。図９Ｂに示されるように、照明源／エミッタ８００およびセンサ／検出器５００’内のそれぞれのＬＣスイッチ６０３および４０３の動作を調整することによって、照明源スタック６０１、６０３およびセンサスタック４０１－１、４０１－２、４０３、４０２内のＬＣスイッチ６０３および４０３のそれぞれの状態に基づいて、対応するエミッタ照明野／検出器視野Ａ／Ａ’、Ｂ／Ｂ’、およびＣ／Ｃ’のペアが生成される。上述のように、切り替え可能光学層およびＧＰ素子の追加のペアは、１つ以上の次元（例えば、方位角および仰角）において、３つ以上の照明野／視野間の切り替えを可能にするために積層されてもよい。いくつかの実施形態では、総照明野／視野は、１２０度の方位角および仰角など、極端に大きくなり得る。より大きな照明野／視野は、カメラの入射瞳を制限する（どのくらいの光が捕捉されるかに影響を及ぼす、すなわちシステムの有効ｆ値を増加させる）斜角による制限を有する場合がある。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、ステレオカメラベースの深度センサ用途のために構成された例示的なシステム１０００、１０００’を示す概略図である。図１０Ａおよび図１０Ｂの例では、本明細書に記載される光学素子５００’、８００は、１対のＡＲグラス内のステレオカメラおよび構造化光深度センサの統合を提供する。システム１０００は、各々がＡＲグラスフレーム６９９の両側または両端にある第２の照明源８００’’とセンサ５００’’とのペア（８００’’／５００’’とも呼ばれる）と組み合わせて、（図９Ａおよび図９Ｂと同様に）各々がＡＲグラスフレーム６９９の両側または両端にある第１の照明源８００とセンサ５００’とのペア（８００／５００’とも呼ばれる）を含む。言い換えると、図１０Ａおよび図１０Ｂのシステム１０００、１０００’は、対で接合された２つの照明源８００、８００’および２つのカメラ５００’、５００’’を含み、第１の照明源８００は第２のセンサ５００’’と同じ側にあり、第２の照明源８００’’は第１のセンサ５００’と同じ側にある。各光学素子／センサ５００、５００’は、図５Ａから図５Ｃを参照して上記で論じられたのと同じように動作することができる。各照明源８００、８００’’は、構造化光パターンを有する可視波長範囲外の光を放射するように構成されてもよく（例えば、ＩＲ光源）、図８を参照して上記で論じられたのと同様に、発光の偏光を変更するためにオン状態とオフ状態との間で切り替えられるように構成されている切り替え可能光学層６０３と、発光の偏光および／または伝播方向を（例えば、切り替え可能光学層６０３の状態に応じて）異なるように変更するように構成されたＧＰ素子６０１との１つ以上のペアを含むことができる。各照明源８００、８００’’の光源６０５、切り替え可能層６０３、およびＧＰ素子６０１は、その対になった光学素子／センサ５００’、５００’’から離間するように（例えば、ＡＲグラスフレーム６９９の両側に）位置決めされる。各照明源８００、８００’’とその対になった光学素子／センサ５００’、５００’’との間の間隔または距離は、その間に視差を導入するのに十分であり得る。

図１０Ａでは、立体視覚を使用して深度情報を提供するために、前方視認光学素子／センサ５００、５００’を使用することができる。すなわち、ステレオカメラベースの技術を使用して、パッシブ情報を達成することができる。光学素子８００、８００’’、５００’５００’’のＬＣスイッチとＧＰ素子とのペアの数は、フレーム９００の各側または各端部上で同じであってもよく、例えば図１０Ｂに示されるように、角度および切り替えのペアの集合的な組み合わせに基づいて、各側の数を減らすことができる。特に、図１０Ｂは、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤで示されるように、本開示の実施形態による、４つの異なる照明野にわたって２つの照明源／エミッタ８００、８００’’から放射された光を示す。検出器５００’、５００’’のそれぞれの画像センサ３０５に向けられる戻り光または反射光の視野はＡ’、Ｂ’、Ｃ’、およびＤ’として示されている。図１０Ｂに示されるように、エミッタ照明野／検出器視野の第１のペアＡ／Ａ’、Ｂ／Ｂ’、およびＣ／Ｃ’は、ＡＲグラスフレーム６９９の反対側の照明源およびセンサの第１のペア８００および５００’によって生成され、エミッタ照明野／検出器視野の第２のペアＤ／Ｄ’は、ＡＲグラスフレーム６９９の反対側の照明源およびセンサの第２のペア８００’’および５００’’によって生成される。

図１０Ｂの例示的なシステム１０００’では、第１および第２の検出器５００’、５００’’は、より広い総視野Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’を集合的に画定してシステムのカバレージを増加させるように、外向きに（すなわち、ＡＲグラスフレーム６９９の周辺に向かって）傾斜している。このように拡大したカバレージは、例えば連続的な追跡のためのフレーム間相関を改善するために、より大きな画像または地形のより大きな部分を捕捉するため、ＳＬＡＭ追跡用途では有用であろう。この例では、第１および第２の照明源８００、８００’’は、第１および第２の検出器５００’、５００’’の視野をサポートするかまたはこれに対応する照明野Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを集合的に画定するために、内向きに（すなわち、ＡＲグラスフレーム６９９の中心に向かって）傾斜している。

検出器５００’、５００’’の視野が（例えば、図１０Ａの例示的なシステム１０００に示されるように）前方向に設定されているとき、第１の（例えば、左の）検出器５００’視野に第２の（例えば、右の）検出器５００’’の視野が重なる可能性があるため、追加の深度情報は、第１および第２の検出器５００’、５００’’によって捕捉された画像間の物体の視差を使用して達成することができる。この機能のために、第１および／または第２の照明源８００、８００’’によって提供される発光は必要とされないかも知れない。しかしながら、第１および／または第２の照明源８００、８００’’からの発光が使用される場合、第１および／または第２の照明源８００、８００’’によって提供される発光のそれぞれのパターンは、第１および第２の検出器５００’、５００’’によって捕捉された画像がグレースケールであるか、または別途視野内の物体のテクスチャを示すように、（構造化光パターンではなく）実質的に均一であってもよい。

本明細書に記載されるような深度およびフォトビデオカメラの組み合わせを提供する光学素子のさらなる利点は、外部較正基準を使用して較正する能力を含み得る。カメラは、角度対ピクセルについて較正することができるため、既知のテストパターンの深度は、センサにおける標的に向かい合う角度および単純な形状を使用して計算することができる。構造化光パターンの視差を捕捉することができ、２つの計算の間で深度推定を比較することができる。ステレオカメラを含む実施形態では、ステレオ視差から決定された深度を構造化光視差から決定された深度と比較することもできる。

光源６０５、切り替え可能光学層６０３、およびＧＰ素子６０１を含む素子スタックを参照して図６Ａから図１０Ｂの例示的なシステムに示されているものの、追加の偏光子、リターダ、および／または他の光学層などの介在素子もまた存在し得ることが理解されるだろう。例えば、ＧＰ素子６０１の特性に応じて、所望の回折角を提供するために、発光の特定の偏光が必要とされ得る。したがって、光源６０５が偏光光を放射する場合（例えば、光源６０５がレーザまたは他の偏光光源である場合）、発光に所望の入力偏光を提供するために、光源６０５と切り替え可能光学層６０３との間に波長板（例えば、円偏光を提供するための１／４波長板）が含まれてもよい。同様に、光源６０５が偏光光を放射しない場合（例えば、光源６０５がＬＥＤまたは他の無偏光光源である場合）、発光に所望の入力偏光を提供するために、光源６０５と切り替え可能光学層６０３との間に偏光子が含まれてもよい。

本開示の実施形態は、偏光格子などの回折光学素子を参照して記載されてきた。ＰＧは、光学異方性を有する薄膜をパターニングすることによって形成された回折光学素子である。より具体的には、ＰＧは、他の特徴の中でも、光軸自体と同一平面（例えば、Ｘ－Ｙ平面）にある少なくとも１つの方向に沿って線形に変化する（例えば、φ（ｘ）＝πｘ／Λ）局所光軸を有し、均質な異方性を有する。ＰＧは、高い回折効率、限られた回折次数、および／または偏光選択性を提供することができる。光配向および液晶（ＬＣ）材料を使用して、ＰＧは、切り替え可能ＬＣおよび重合性ＬＣの両方において、高品質で製造することができる。後者の場合、ＰＧは、単一の配向層を有するＬＣの複数の副層として形成することができる。低分子量重合性ＬＣ（ＬＣＰ）とも呼ばれる反応性メソゲンにキラルドーパントを添加することによって、各層内のキラルねじれを達成することができる。このキラルねじれは、高回折効率の帯域幅を調整するために使用することができる。

光と回折格子との相互作用は、材料および幾何学的パラメータの両方の複雑な組み合わせによって影響を受ける可能性がある。特定の格子構成の光学的挙動の領域を識別するために無次元パラメータＱを使用することは、回折格子の分野では一般的であり得る。
Ｑ＝２πλｄ／Λ^２ｎ

ここで、λは光の真空波長、ｄは格子厚、Λは光学素子の格子周期（例えば、ピッチ）、およびｎは平均屈折率である。この枠組みでは、ブラッグ領域はＱ＞１として定義することができ、ラマン・ナス領域はＱ＜１として定義することができ、Ｑ～１は両方の特性を有する混合領域を指すことができる。

本明細書に記載される実施形態は、最大約９０°の大きな回折角θ（すなわち、λがΛに近づく）および高効率の両方を有するＰＧを提供する。ブラッグＰＧは、動作波長に対して達成されたブラッグ条件（Ｑ＞１）がこれを可能にし得るように選択された格子周期Λ、厚さｄ、および／または平均屈折率ｎを有する材料（ＬＣ材料など）で形成することができる。ブラッグＰＧは、ブラッグ領域内で動作する偏光格子を指し、これは、（いくつかの非ブラッグＰＧと比較して）より高い回折効率を有し、（いくつかの非ブラッグＰＧの複数の回折次数ではなく）単一の回折次数で動作するように設計されている。（１つまたは複数の）ブラッグＰＧは、特定動作波長内の光を、本明細書では分離角とも呼ばれる、互いから約４５°を超える、互いから約６０°を超える、または互いから最大およそ９０°の方向に回折するように構成することができる。より具体的には、本発明の実施形態は、ブラッグ領域に必要とされる大きな厚さを達成するために、個別に被覆および重合された、複数の積層複屈折副層（これを通過する光の動作波長未満のそれぞれの厚さを有することができる）を採用することができる。

いくつかの実施形態では、ブラッグＰＧは、重合反応性ＬＣモノマー層として記載することができるバルクネマチックＬＣ層、またはＬＣポリマー（ＬＣＰ）層を使用して形成されてもよい。ＬＣＰ層は、従来の液晶ポリマーとは異なる。本発明のいくつかの実施形態で採用されるＬＣＰ薄膜は、被覆または別途形成される表面の特性によって配向され、続いて配向にしたがって光軸は移行を固定するために剛性ポリマーネットワークに重合される、低分子量反応性ＬＣ分子を含む。特に、ブラッグＰＧの周期的パターンは、ＬＣＰ層に直接ではなく、光配向層の表面に記録することができる。逆に、いくつかの従来の液晶ポリマーは、液晶成分を有する高分子量ポリマーであってもよく、ブラッグＰＧの周期的パターンは典型的に、例えば、光誘起分子再配向を介して材料に直接記録される。

幾何学的位相（ＧＰ）素子は、線形、非線形、および連続または不連続光軸変動を含むがこれらに限定されない、１つ以上の次元および／または任意の方法で変動する光軸配向を有する回折異方性光学素子であり、これにより、（光路長差効果から生じる）動態ではなく、幾何学的位相（または偏光状態の変化から生じるパンチャラトナム・ベリー位相）を制御するように入射光の偏光に影響を及ぼす。

ＧＰ素子は、その表面に沿ったその格子周期Λの一次元または二次元変動を有する偏光格子のより複雑なバージョンと考えることができる。別の観点から、ＰＧは、線形位相プロファイル、例えばφ（ｘ）＝πｘ／Λまたはφ（ｘ）＝πｙ／Λを実装するＧＰＨの単なる特定例と見なすことができ、ここでΛは一定の格子周期である。いくつかの実施形態では、幾何学的位相素子の表面に沿った位置の関数としての１つ以上の次元における局所光軸配向の非線形変動（例えば、φ（ｘ）＝ｋπｘ^２）は、ＧＰ素子の全体的な効果がレンズ効果を提供することであり得るように、連続的に変化する周期性を有するパターンを画定することができる。

いくつかの例では、変動する光軸配向は、ホログラフィ技術を使用して記録媒体または他の配向表面をパターニングすることによって生成されてもよく、この場合、ＧＰ素子は、幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）素子、または単にＧＰＨと呼ばれてもよい。しかしながら、本明細書に記載されるような幾何学的位相素子は、ホログラフィ干渉および様々な他の形態のリソグラフィを含む様々な方法によって作成することもでき、したがって、本明細書に記載されるような「ホログラム」は、ホログラフィ干渉、または「ホログラフィ」による作成に限定されない。

本発明の実施形態は、本明細書では液晶（ＬＣ）材料を参照して記載されている。本明細書で使用されるとき、液晶は、ネマチック相、キラルネマチック相、スメクチック相、強誘電相および／または別の相を有することができる。加えて、いくつかの光重合性ポリマーは、本明細書に記載されるＧＰ素子を作成するための配向層として使用することができる。

本明細書で使用されるとき、「リターダ」および「波長板」という用語は交換可能に使用することができ、以下の追加の用語もまた、別途指示されない限り同等であると見なされることが理解されるだろう：一軸、二軸、または不均質である、任意の「位相差板」、「補償膜」、および「複屈折板」。本明細書に記載されるようなリターダは、広帯域（すなわち、無彩色）または狭帯域（すなわち、有彩色）であってもよい。したがって、本明細書に記載されるようなリターダは、旋光度または複屈折位相差、もしくはこれらの任意の組み合わせを介して偏光変化を達成することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるようなリターダは、これを通過する光の伝播方向に著しく影響を及ぼすこと、またはこれを変更することはない。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるようなリターダは、印加された電圧に反応することができる。

本明細書で使用されるとき、「透過性」または「透明」基板または素子は、入射光の少なくとも一部を通過させることができることが理解されるだろう。言い換えると、本明細書に記載される透過性または透明素子は、完全に透明である必要はなく、等方性または二色性の吸収特性を有してもよく、および／または入射光の一部を別途吸収してもよい。透明基板またはスペーサは、いくつかの実施形態ではガラス基板であってもよい。対照的に、本明細書に記載されるような「反射」基板は入射光の少なくとも一部を反射することができる。

周囲の媒体（例えば、空気）と接触するすべての表面に反射防止コーティンを塗布してもよいことも、理解されるだろう。本明細書に記載される光学素子／層は、場合によっては素子／層の間に空気ギャップのないモノリシック構造を画定するために互いに積層されてもよく、別の場合には、間に空気ギャップを伴って配置されてもよいことも、理解されるだろう。

本明細書で使用されるとき、「ゼロ次」光は、入射光の入射角と実質的に等しいかまたは反対の角度で伝播することができる。対照的に、「一次」光などの「非ゼロ次光」は、（例えば、入射光と平行ではない方向に）入射光の入射角とは異なる角度で伝播することができる。本明細書で記載されるような「部分的にコリメートされた」光は、互いに実質的に平行に伝播する光線またはビームを表すことができるが、ある程度の発散（例えば、光源からの距離によるビーム径の差）を有してもよい。

本明細書で使用されるとき、「平行」偏光格子配置は、同じ複屈折率ｎ（ｘ）を有する第１および第２の偏光格子を含み、すなわち、第１および第２の偏光格子のそれぞれの複屈折パターンは、実質的に同様の配向を有する。対照的に、「逆平行」偏光格子配置は、逆の複屈折率、すなわちｎ（ｘ）およびｎ（－ｘ）を有する第１および第２の偏光格子を含む。言い換えると、第２の偏光格子は、第１の偏光格子の複屈折パターンに対して約１８０度反転または回転した複屈折パターンを有する。

本発明の実施形態は、本明細書では液晶（ＬＣ）材料を参照して記載されている。液晶は、分子の規則正しい配列が存在する液体を含むことができる。典型的に、液晶（ＬＣ）分子は、長尺の（棒状）または平坦な（円盤状）形状を有する、異方性であり得る。異方性分子の規則性の結果として、バルクＬＣは、その機械、電気、磁気、および／または光学特性の異方性など、その物理特性における異方性を示すことが多い。棒状または円盤状の性質の結果として、ＬＣ分子の配向の分布は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの光学用途において重要な役割を果たすことができる。これらの用途では、ＬＣ配向は、配向表面によって規定され得る。配向表面は、ＬＣが制御可能な方法で表面に対して配向されるように処理することができる。

また、「重合性液晶」は、重合することができる比較的低分子量の液晶材料を指すことができ、本明細書では「反応性メソゲン」とも呼ばれ得る。対照的に、「非反応性液晶」は、重合することができない比較的低分子量の液晶材料を指すことができる。しかしながら、本発明の実施形態は、本明細書に記載される特定の材料に限定されず、本明細書に記載されるように機能するあらゆる材料層を使用して実装され得ることが理解されるだろう。

第１、第２、第３などの用語は、様々な要素、構成要素、領域、層、および／または部分を説明するために本明細書で使用され得るが、これらの要素、構成要素、領域、層、および／または部分がこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されるだろう。これらの用語は、ある要素、構成要素、領域、層、または部分を別の領域、層、または部分と区別するためにのみ使用される。したがって、以下で論じられる第１の要素、構成要素、領域、層、または部分は、本発明の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、または部分と呼ぶことができる。

「真下（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下方（ｂｅｌｏｗ）」、「より下（ｌｏｗｅｒ）」、「下（ｕｎｄｅｒ）」、「上方（ａｂｏｖｅ）」、「より上（ｕｐｐｅｒ）」などの空間的相対用語は、本明細書では、図に示されるように、ある要素または特徴と別の（１つまたは複数の）要素または（１つまたは複数の）特徴との関係を説明するために、説明を容易にするために使用することができる。空間的相対用語は、図に示される配向に加えて、使用中または動作中のデバイスの異なる配向を包含するように意図されることが理解されるだろう。例えば、図中のデバイスが反転された場合、他の要素または特徴の「真下」または「下方」または「下」にあると記載される要素は、他の要素または特徴の「上方」に配向されることになる。したがって、「下方」および「下」という用語は、上方および下方の両方の配向を包含することができる。デバイスは、他の配向（９０度回転または他の配向）であってもよく、本明細書で使用される空間的相対記述子は、相応に解釈される。加えて、層が２つの層の「間」にあると言及されるとき、これは２つの層の間にある唯一の層であってもよく、または１つ以上の介在層が存在してもよいことも理解されるだろう。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、本発明を限定するように意図するものではない。本明細書で使用されるとき、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別途指定しない限り、複数形も含むように意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用されるとき、言及された特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはこれらの群の存在または追加を除外しないことが、さらに理解されるだろう。本明細書で使用されるとき、「および／または」という用語は、関連する列挙された項目の１つ以上のあらゆる構成要素を含む。

ある素子または層が別の素子または層の「上にある」、「接続されている」、「結合されている」、または「隣接している」と言及されるとき、これは別の素子または層の直接上に、接続、結合、または隣接することができ、もしくは介在素子または層が存在してもよいことが理解されるだろう。対照的に、ある素子が別の素子または層の「直接上にある」、「直接接続されている」、「直接結合されている」、または「直接隣接している」と言及されるとき、介在素子または層は存在することができない。

別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書で定義されているものなどの用語は、関連技術および／または本明細書の文脈におけるその意味と一致する意味を有すると理解されるべきであり、本明細書で明確にそのように定義されない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されないことが、さらに理解されるだろう。

上記の説明および図面に関連して、多くの異なる実施形態が本明細書に開示されている。これらの実施形態のすべての組み合わせおよび部分的組み合わせを文字通りに説明および例示することは、過度にくどく難解となることが理解されるだろう。したがって、図面を含む本明細書は、本明細書に記載される本発明の実施形態ならびにこれらを作成および使用する方法およびプロセスのすべての組み合わせおよび部分的組み合わせの完全な書面による説明を構成すると解釈されるべきであり、このような組み合わせまたは部分的組み合わせに対する請求項をサポートするものである。

図面および明細書では、本開示の実施形態が開示されており、特定の用語が使用されているものの、これらは一般的かつ説明的な意味でのみ使用され、限定を目的としておらず、本発明の範囲は、以下の請求項に明記される。

Claims (36)

1. マルチスペクトル光学撮像デバイスであって、
   第１の状態と第２の状態との間で切り替えられるように構成された切り替え可能素子であって、前記第１の状態と第２の状態の一方が光の偏光を変更する、切り替え可能素子と、
   前記切り替え可能素子から前記光を受けるように配置された幾何学的位相素子であって、前記幾何学的位相素子は、前記切り替え可能素子の前記第１の状態に応答して、第２の波長帯域の光の伝播方向を実質的に変更することなく、前記偏光に基づいてその伝播方向を変更するために、第１の波長帯域の光を回折するように構成されている、幾何学的位相素子と
   を備えるマルチスペクトル光学撮像デバイス。
2. 前記幾何学的位相素子は、前記切り替え可能素子の前記第２の状態に応答して、その伝播方向を実質的に変更することなく、前記第１および第２の波長帯域の光を同時に透過させるように構成されている、請求項１に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
3. 前記切り替え可能素子の前記第１および第２の状態とは無関係に、前記幾何学的位相素子は、その伝播方向および偏光を実質的に変更することなく、前記第２の波長帯域の光を透過させるように構成されている、請求項２に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
4. 前記第１の波長帯域の光が第１の偏光に直交する第２の偏光を含むように、前記切り替え可能素子に光を提供するように配置された少なくとも１つの光学素子をさらに備え、
   前記幾何学的位相素子は、前記切り替え可能素子の前記第１の状態に応答してその伝播方向を変更するために前記第１の波長帯域の光の前記第１の偏光を回折するように構成されており、
   前記幾何学的位相素子は、前記切り替え可能素子の前記第２の状態に応答してその伝播方向を実質的に変更することなく、前記第２の波長帯域および前記第１の波長帯域の光の前記第２の偏光を同時に透過させるように構成されている、請求項２に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
5. 前記幾何学的位相素子は第２の幾何学的位相素子であり、
   前記少なくとも１つの光学素子は、前記第１および第２の波長帯域を含む無偏光光を受けるように配置された第１の幾何学的位相素子であり、
   前記第１の幾何学的位相素子は、前記切り替え可能素子から離れる方へ前記第１の波長帯域の前記第１の偏光を回折し、その伝播方向を実質的に変更することなく、前記第２の波長帯域および前記第１の波長帯域の前記第２の偏光を前記切り替え可能素子に向かって同時に透過させるように構成されている、
   請求項４に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
6. 前記第１および／または第２の幾何学的位相素子はブラッグ偏光格子である、請求項５に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
7. 前記ブラッグ偏光格子は、前記第１の波長帯域の前記第１の偏光を反射性の一次方向に回折し、前記第１の波長帯域の前記第２の偏光をゼロ次方向に向かって透過させるように構成されている、請求項６に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
8. 前記幾何学的位相素子から光を受けるように配置されたカメラであって、前記カメラは、前記第１および第２の波長帯域の光を検出するように構成された画像センサを備える、カメラ
   をさらに備える、請求項４に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
9. 前記画像センサは、前記切り替え可能素子の前記第１および第２の状態に応答してそれぞれ第１および第２の画像データを捕捉するように構成されており、
   前記第１および第２の画像データの差分に基づいて前記第１の波長帯域の光のための画像データを計算するように構成された信号プロセッサをさらに備える、請求項８に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
10. 前記画像センサは、前記第２の状態における前記切り替え可能素子の順次動作中に、照明源の有効化および無効化に応答して、それぞれ第２および第３の画像データを捕捉するように構成されており、前記照明源は、前記第１の波長帯域を含む発光を出力するように構成されており、
    前記第２および第３の画像データの差分に基づいて前記第１の波長帯域の光のための画像データを計算するように構成された信号プロセッサをさらに備える、請求項８に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
11. 前記切り替え可能素子は第１の切り替え可能素子であり、前記幾何学的位相素子は第１の幾何学的位相素子であり、
    前記幾何学的位相素子と前記カメラとの間に配置された第２の切り替え可能素子および第２の幾何学的位相素子
    をさらに備え、
    前記第２の切り替え可能素子は、前記光の偏光をそれぞれ変更する状態と変更しない状態との間で切り替えられるように構成されており、
    前記第２の幾何学的位相素子は、前記第２の切り替え可能素子の前記状態に応答して、第１の視野を画定するために前記第１の波長帯域の光の前記第１の偏光を第１の方向の前記画像センサに向かって配向し、第２の視野を画定するために前記第１の波長帯域の前記第２の偏光を第２の方向の前記画像センサに配向するように、それぞれ構成されている、請求項８に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
12. 前記少なくとも１つの光学素子は、無偏光光を受けるように配置された偏光子と、前記切り替え可能素子に前記光を提供するために前記偏光子からの偏光光の偏光を変更するように構成されたリターダとを備える、請求項８に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
13. 前記幾何学的位相素子は、第１の視野を画定するために前記切り替え可能素子の前記第１の状態に応答して、前記第１の波長帯域の前記第１の偏光を第１の方向の前記画像センサに向かって配向し、第２の視野を画定するために前記切り替え可能素子の前記第２の状態に応答して、前記第１の波長帯域の前記第２の偏光を第２の方向の前記画像センサに向かって配向するように構成されている、請求項１２に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
14. 前記幾何学的位相素子は第１の幾何学的位相素子であり、
    前記切り替え可能素子の前記第１および第２の状態と同期して前記第１の波長帯域を含む発光を出力するように構成された照明源と、
    前記照明源からの前記発光を受けるように配置された第２の幾何学的位相素子と
    をさらに備え、
    前記第２の幾何学的位相素子は、第１の照明野を画定するために前記第１の波長帯域の発光の前記第１の偏光を第１の方向に配向し、第２の照明野を画定するために前記第１の波長帯域の発光の前記第２の偏光を第２の方向に配向するように構成されている、請求項１３に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
15. 前記第１の幾何学的位相素子は、前記切り替え可能素子の第１の領域から前記光を受けるように配置されており、
    前記照明源は、前記第１の領域に隣接する前記切り替え可能素子の第２の領域に前記発光を提供するように配置されており、
    前記第２の幾何学的位相素子は、前記切り替え可能素子の前記第２の領域から前記発光を受けるように配置されている、請求項１４に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
16. 前記切り替え可能素子は第１の切り替え可能素子であり、
    前記照明源から前記発光を受け、前記発光を前記第２の幾何学的位相素子に提供するように構成された第２の切り替え可能素子
    をさらに備え、
    前記第２の切り替え可能素子は、前記第１の切り替え可能素子の前記第１および第２の状態に応答して、前記発光の偏光をそれぞれ変更する状態と変更しない状態との間で切り替えられるように構成されている、請求項１４に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
17. 前記照明源および前記カメラは、その間に視差を提供するように構成された距離だけ分離されており、前記発光は構造化光パターンを含む、請求項１６に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
18. 前記第２の幾何学的位相素子は、前記構造化光パターンの発光を提供するために線形に変化する光軸配向を含む、請求項１７に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
19. 前記少なくとも１つの光学素子、前記切り替え可能素子、前記第１の幾何学的位相素子、および前記カメラは第１の光センサを画定し、前記照明源および前記第２の幾何学的位相素子は第１の光源を画定し、
    第２の光センサと、
    前記第２の光センサの動作と同期して前記第１の波長帯域を含む発光を出力するように構成された第２の光源と
    をさらに備え、
    前記第２の光源および前記第２の光センサは、その間に視差を提供するように構成された距離だけ分離している、請求項１７に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
20. 前記第２の幾何学的位相素子は、前記発光のためのレンズ度数を提供するために非線形に変化する光軸配向を含む、請求項１４に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
21. 前記第１の波長帯域を含む光を放射するように構成され、前記切り替え可能素子に前記光を提供するように配置された照明源
    をさらに備え、
    前記幾何学的位相素子は、第１の照明野を画定するために前記第１の波長帯域の発光の第１の偏光を第１の方向に配向し、第２の照明野を画定するために前記第１の波長帯域の発光の第２の偏光を第２の方向に配向するように構成されている、請求項１に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
22. 前記マルチスペクトル光学撮像デバイスは、眼鏡形状因子に実装される、請求項１に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
23. 前記第２の波長帯域は、可視光スペクトル内の光を含み、前記第１の波長帯域は、可視光スペクトル外の光を含む、請求項１に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
24. 前記第１の波長帯域は赤外光を含む、請求項２３に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
25. 前記切り替え可能素子および前記幾何学的位相素子は、モノリシック構造を画定するために積層された光学フィルムを備える、請求項１に記載のマルチスペクトル光学撮像デバイス。
26. 光シャッタであって、
    第１の反射ブラッグ偏光格子と、
    前記第１の反射ブラッグ偏光格子上の液晶層と、
    前記切り替え可能液晶層上の第２の反射ブラッグ偏光格子と
    を備え、
    前記液晶層は、第１の状態と第２の状態との間で切り替えられるように構成されており、前記第１および第２の状態の一方が光の偏光を変更し、
    前記第１および第２の反射ブラッグ偏光格子は、前記光の第１の波長帯域の第１の偏光を反射性の一次方向に回折し、第２の波長帯域の光の伝播方向を実質的に変更することなく、前記第１の波長帯域の光の第２の偏光をゼロ次方向に透過させるようにそれぞれ構成されている、光シャッタ。
27. 前記第１および第２の反射ブラッグ偏光格子は、前記液晶層の前記第１および第２の状態とは無関係に前記第２の波長帯域の光を透過させるようにそれぞれ構成されている、請求項２６に記載の光シャッタ。
28. 前記第２の反射ブラッグ偏光格子は、前記液晶層の前記第１の状態に応答して前記第１の波長帯域の前記第１の偏光を回折するように構成されており、前記液晶層の前記第２の状態に応答して前記第１の波長帯域の前記第２の偏光を透過させるように構成されている、請求項２７に記載の光シャッタ。
29. 前記第１の偏光は、前記第２の偏光に直交し、前記第１のブラッグ偏光格子は、前記第１の波長帯域の光が前記第２の偏光を含み、前記第１の偏光を実質的に含まないように、前記液晶層に前記光を提供するように構成されている、請求項２８に記載の光シャッタ。
30. 前記第１および第２の偏光は逆掌性の円偏光を含む、請求項２９に記載の光シャッタ。
31. 前記第２の波長帯域、可視光スペクトル内の光を含み、前記第１の波長帯域は、赤外スペクトル内の光を含む、請求項２６から３０のいずれか一項に記載の光シャッタ。
32. マルチスペクトル光学撮像検出器であって、
    第１および第２の波長帯域の光を検出するように構成された画像センサを備えるカメラと、
    その偏光に基づいて、それぞれ前記第１の波長帯域の光を前記画像センサに向かって、またはそこから離れる方へ選択的に透過または回折するように、ならびにその偏光とは無関係に前記第２の波長帯域の光を前記画像センサに向かって透過させるように構成された、切り替え可能液晶層および幾何学的位相素子を備える光シャッタと
    を備えるマルチスペクトル光学撮像検出器。
33. 前記切り替え可能液晶層は、前記光の直交する第１および第２の偏光をそれぞれ出力するために、第１の状態と第２の状態との間で切り替えられるように構成されており、
    前記切り替え可能液晶層の前記第１の状態に応答して、前記幾何学的位相素子は、前記第１の波長帯域の光の前記第１の偏光を前記画像センサから離れる方へ回折するように構成されており、
    前記切り替え可能液晶層の前記第２の状態に応答して、前記幾何学的位相素子は、前記第２の波長帯域および前記第１の波長帯域の光の前記第２の偏光を前記画像センサに向かって同時に透過させるように構成されている、請求項３２に記載のマルチスペクトル光学撮像検出器。
34. 前記画像センサは、前記切り替え可能素子の前記第１および第２の状態に応答してそれぞれ一致する第１および第２の画像データを捕捉するように構成されており、前記第１の波長帯域の光のための画像データの計算は、前記第１および第２の画像データの差分に基づいている、請求項３３に記載のマルチスペクトル光学撮像検出器。
35. 前記画像センサは、前記第２の状態における前記切り替え可能素子の順次動作中に、前記第１の波長帯域の光を含む発光を提供する照明源の有効化および無効化にそれぞれ応答して、一致する第２および第３の画像データを捕捉するように構成されており、前記第１の波長帯域の光のための画像データの計算は、前記第２および第３の画像データの差分に基づいている、請求項３３に記載のマルチスペクトル光学撮像検出器。
36. 前記幾何学的位相素子は第２の反射ブラッグ偏光格子を備え、前記光シャッタは第１の反射ブラッグ偏光格子をさらに備え、前記切り替え可能液晶層は、前記第１および第２の反射ブラッグ偏光格子の間にあり、
    前記第１および第２の反射ブラッグ偏光格子は、前記第１の波長帯域の光の前記第１の偏光を反射性の一次方向に回折し、前記第１の波長帯域の光の前記第２の偏光をゼロ次方向に透過させるようにそれぞれ構成されている、請求項３３に記載のマルチスペクトル光学撮像検出器。

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