JP7217300B2 - 瞳孔拡張方法 - Google Patents

Description

本開示は、導波路瞳孔拡張器などの瞳孔拡張器に関する。より具体的には、本開示は、ヘッドアップディスプレイの画像生成ユニットのためのスラブ導波路瞳孔拡張器に関する。本開示は、プロジェクタ、およびホログラフィック投影などの投影方法にも関する。一部の実施形態は、ヘッドアップディスプレイ、およびヘッドアップディスプレイのビューウィンドウまたはアイモーションボックスを増加させる方法に関する。

オブジェクトから散乱される光は、振幅および位相の双方の情報を含んでいる。この振幅および位相情報は、たとえば、感光板上で周知の干渉技法により捕捉されて、干渉縞を含むホログラフィック記録、または「ホログラム」を形成することができる。ホログラムは、適切な光の照射により再構成されて、元のオブジェクトを表す２次元または３次元のホログラフィック再構成、または再生画像を形成し得る。

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し得る。あるコンピュータ生成ホログラムは、フレネル変換またはフーリエ変換などの数学的変換に基づく技法によって計算され得る。これらのタイプのホログラムを、フレネル／フーリエ変換ホログラム、または単にフレネル／フーリエホログラム、と呼ぶことがある。フーリエホログラムは、オブジェクトのフーリエ領域／平面の表現、またはオブジェクトの周波数領域／平面の表現と見なされる場合がある。また、コンピュータ生成ホログラムは、たとえば、コヒーレントレイトレーシングまたは点群技術によって計算される場合もある。

コンピュータ生成ホログラムは、入射光の振幅および／または位相を変調するように配置される空間光変調器上で符号化され得る。光変調は、たとえば、電気的にアドレス指定可能な液晶、光学的にアドレス指定可能な液晶またはマイクロミラーを用いて達成され得る。

空間光変調器は、典型的には、セルまたはエレメントと呼ばれることもある複数の個々にアドレス指定可能なピクセルを備える。光変調スキームは、バイナリ、マルチレベルまたは連続である。あるいは、デバイスが連続式であり得（すなわち、ピクセルで構成されない）、よって光変調がデバイス全体に渡って連続的であることもある。空間光変調器は、変調された光が反射において出力されることを意味する反射性であり得る。空間光変調器は、同時に、変調された光が透過において出力されることを意味する透過性であり得る。

ホログラフィックプロジェクタなどのホログラフィック・ディスプレイデバイスは、本明細書に記載のシステムを用いて提供され得る。このようなプロジェクタは、ヘッドアップディスプレイ「ＨＵＤ」にアプリケーションを見出している。

本明細書は、光学スラブと、光学ウェッジとを備える導波路を開示している。光学スラブは、第１の屈折率ｎ_１＞１を有する。光学スラブは、１対の対向する表面と、入力ポート、より単純には「入力」、とを備える。対向する表面対は、平行構成で配置される。すなわち、光学スラブの第１の表面と第２の表面とは、略平行である。第１の表面は、光を光学スラブ内へ、光が一連の内部反射によって対向する第１の表面と第２の表面との間へ導かれるような角度で受け入れるように配置される入力（ポート）を備える。したがって、実施形態では、第１の表面が入力（ポート）において第２の表面と平行ではない。光学ウェッジは、第２の屈折率ｎ_２を有し、ここで、１＜ｎ_２＜ｎ_１である。

光学ウェッジは、ウェッジ構成で配置される１対の対向する表面を備える。すなわち、光学ウェッジの第１の表面と第２の表面とは、非平行である。光学ウェッジは、比較的厚い一端と、比較的薄い一端とを有する。光学ウェッジの第１の表面は、光学スラブの第２の表面に当接し－かつ光学スラブの第２の表面に略平行であって－ある界面を形成し、該界面は、界面に沿った複数の点において、光学スラブにより光学ウェッジ内へ導かれる光が複数回に渡って分割されるような部分的透過を可能にする。概して、光学ウェッジの第１の表面と第２の表面との間には、（ウェッジの第１の表面に対して略垂直方向の）ウェッジの第２の表面と第１の表面との間の距離または離隔が、導波路の入力端からの距離の増大に伴って減少するように、鋭角が存在する。したがって、第２の表面は、概して先細になっていて、導波路の出力端における１点または頂点で第１の表面と出合う。ウェッジのこの角度は、導波路の射出瞳が光の複数の分割によって拡張されるように、界面で受け取られる光が光学ウェッジの第２の表面から逃げることを可能にする。光は、スラブの第１の表面と周囲媒体（たとえば、空気）との界面における全内部反射によって導波路内に閉じ込められる。

光学スラブの対向する第１および第２の表面は、スラブの導光面である。すなわち、これらは、光学系当業者には一般的な方法で光をスラブの一端から他端へ伝播するために、内部反射により両者間で光を跳ね返す表面である。この点で、光学スラブの第１および第２の表面は、光学スラブの主要面であると言われることがある。本明細書において、スラブという用語は、第１および第２の表面が略平面であり、かつ略平坦であることを反映して使用される。当業者は、光学スラブが、実際の光路が２つの導光面間のジグザグであるとしても光が誘導される一般的方向を示す伝搬軸または伝搬方向を有することについて精通しているであろう。光学スラブの導光面対は、各跳ね返りでの入射角が一定であるように略平行である。

光学ウェッジの第１の表面（下面）は、光学スラブの第２の表面（上面）に当接する。光学スラブの第１の表面（下面）および光学ウェッジの第２の表面（上面）は、空気などの低屈折率材料との界面を形成する。光学スラブ材料の屈折率は、光学ウェッジ材料の屈折率より高い。スラブとウェッジとの界面は、光線の複数のレプリカを生成する。ウェッジの角度の付いた第２の表面（上面）は、光線レプリカが導波路から出ることを可能にする。導波路の射出瞳は、光線の複数のレプリカを形成することによって拡張される。ウェッジの第１の表面（下面）は、光を受け取り、ウェッジの第２の表面（上面）は、光を透過する。この点で、光学ウェッジの第１および第２の表面は、光学ウェッジの主要面であると言われることがある。本明細書において、「ウェッジ」という用語は、コンポーネントが厚い一端を有し、その厚さが先細って薄い一端に至ることを反映して使用される。テーパは、線形であっても非線形であってもよい。ウェッジという用語は、上面と下面との間に角度があることも反映している。この角度は、一定であっても、ウェッジに沿った距離によって変わってもよい。ウェッジの第１の表面（下面）への入射角は、ウェッジの第２の表面（上面）への入射角とは異なる。本明細書に記載する、湾曲したウェッジ面を用いる実施形態において、ウェッジの第１の表面（下面）への光入射角は、ウェッジの第２の表面（上面）への光入射角より大きい。

実施形態において、光学スラブの第１の表面（下面）からの反射は、全内部反射の条件を満たし、すなわち、入射角は、スラブと空気との間の臨界角より大きい。実施形態において、光学スラブの第２の表面（上面）からの反射は、全内部反射の条件を満たさず、よって、一部の光は、スラブとウェッジとの界面によって透過される。これは、１＜ｎ_２＜ｎ_１であることにより、スラブ－ウェッジ界面の臨界角がスラブ－空気界面の臨界角より大きいことに起因する。光は、スラブ－ウェッジ界面から跳ね返る度に分割される。実施形態では、複数の分割が提供されて瞳孔が拡張される。光学ウェッジは、導波路から光を抽出する、または導波路からの光を結合するように機能する。光学ウェッジの底面は、空気より高い屈折率を有することから、スラブ内の全内部反射の条件を破る。光学ウェッジの上面の透過率は、下面に対して上面を傾けることにより増大される。本開示の導波路は、製造が複雑でなく、かつデカップリングコンポーネントの上面からの望ましくない反射の強度を低減するという技術的進歩を提供する。

導波路瞳孔拡張器の問題点は、光が跳返りごとに分割され続けることから、各レプリカの強度が同じでないことにある。発明者は、ウェッジの上面を湾曲させることによってこの問題に取り組んだ。具体的には、光学ウェッジの対向する第１および第２の表面間の角度は、入力（ポート）からの距離に伴って変わる。実施形態によれば、光学ウェッジの対向する第１および第２の表面間の角度は、入力端へ向かって大きくなり、出力端へ向かって減少する。言い替えれば、ウェッジの角度は、入力端へ向かってより鋭くなり、出力端へ向かって鋭角が緩くなる（または、浅くなる）。したがって、レプリカ間の強度の差は、補償されることが可能である。言い替えれば、曲率は、少なくとも部分的に、跳返りごとのレプリカの強度低下を補償する。場合によっては、各分割における透過光の強度を略同じにすることができる。曲率による本明細書に記載するような補償は、当業者にはフレネルの式についてのその理解から認識されるように、導波路に沿った距離に伴う入射角の変化（たとえば、減少）が透過率を変えることに起因する。実施形態によっては、光学ウェッジの第２の表面は、導波路の凹面を形成する。他の実施形態において、光学ウェッジの第２の表面は、導波路の凸面を形成する。

本明細書では、導波路の曲面がヘッドアップディスプレイの傾斜したカバーガラスまたはグレアトラップを形成する導波路を備えるヘッドアップディスプレイを開示している。したがって、本開示の導波路は、ヘッドアップディスプレイ上面の太陽光反射を処理するという追加的な目的を果たす。

他の実施形態において、ウェッジの上面は、略平坦である。すなわち、光学ウェッジの対向する第１および第２の表面間の角度は、入力（ポート）からの距離に伴って略一定である。

実施形態によっては、光学ウェッジの屈折率は、入力（ポート）からの距離に伴って変化し、場合により、入力（ポート）からの距離に伴って増加する。光学ウェッジの屈折率が入力からの距離に伴って増加する場合、光学ウェッジの屈折率と光学スラブの屈折率との対応する差は、入力からの距離に伴って減少し、よって、スラブ－ウェッジ界面における反射量は、距離に伴って相応に減少する。したがって、ウェッジとスラブとの界面で透過される光の比率は、スラブの入力（ポート）からの距離に伴って変わる。この屈折率勾配は、少なくとも部分的に、入力（ポート）からの距離に伴う各レプリカの強度の低下を補償し得る。

ある代替実施形態では、光学スラブと光学ウェッジとの間に屈折率整合流体層が挟まれている。屈折率整合流体の屈折率は、入力（ポート）からの距離に伴って変わり得る。屈折率整合流体の屈折率は、入力（ポート）からの距離に伴って増加し得る。この場合も、これは、入力からの距離が増大するにつれて、残りの光が、スラブ－ウェッジ界面でスラブ内へ反射されるのではなく、より高い比率で透過されることを促進する。界面に沿った距離に伴う屈折率の変化は、少なくとも部分的に、入力（ポート）からの距離に伴う各レプリカの強度の低下を補償し得る。

他の実施例において、光学ウェッジは、少なくとも部分的な強度補正を実行する－漸変不透明コーティングなどの－漸変コーティングをさらに備える。漸変コーティングは、二色性であってもよい。言い替えれば、漸変コーティングは、少なくとも部分的に、導波路に沿った距離に伴う各レプリカの強度低下を補償する。たとえば、漸変コーティングの不透明度は、導波路に沿った距離に伴って減少し得る。

実施形態によっては、光学スラブは、出力（または出口）ポートを備える。出力ポートは、対向する入力ポートなどの入力ポートに対して相補的であってもよい。出力ポートは、光学スラブの入力ポートとは反対端にあってもよい。スラブの入力ポートからもう一方の端へ透過している（すなわち、スラブ内部に残っている）光は、たとえば望ましくない後方反射を防止するために、出力ポートを介して光学スラブから除去されてもよい。したがって、光学スラブは、光学スラブから光を射出するように配置される出力ポートを含むと言われることがある。より具体的には、出力ポートは、光学ウェッジ内へ透過されていない光を射出する。

また、本明細書には、導波路と、パターンを表示するように配置される画像生成ユニットとを含むディスプレイシステム－たとえば、画像プロジェクタ－も開示されていて、入力（ポート）により受け取られる光は、画像生成ユニットにより表示されるパターンの光である。

ディスプレイシステムは、さらに、画像生成ユニットと導波路との間に光学システムを備えてもよい。光学システムは、コリメーションレンズ、縮小望遠鏡などの望遠鏡を形成するように配置される１対のレンズ、および空間フィルタを含むグループから選択される少なくとも１つを備えてもよい。実施形態によっては、導波路は、コリメートされた光または略コリメートされた光を受け取るように配置される。

画像生成ユニットは、ホログラフィックプロジェクタであってもよい。表示されるパターンは、フーリエまたはフレネルホログラムなどのホログラムである。これらの実施形態は、ディスプレイデバイス、たとえば空間光変調器と、目視者との間にスクリーンがないことを特徴とする。これらの実施形態は、目視者が直にディスプレイデバイスを見るという理由で、「直視型」と呼ばれることがある。これらの構成では、目視者の目がホログラムのフーリエ変換を実行する、と言われることがある。

表示されるパターンは、ホログラムから形成されるホログラフィックに再構成されたピクチャなどのホログラムに対応するピクチャであってもよい。したがって、導波路が受け取る光は、画像の光である。ピクチャの光線は、導波路によって複製される、と言ってもよい。要するに、ピクチャは、導波路によって複製されると言われることがある。ピクチャは、拡散スクリーンなどのスクリーン上に形成されてもよい。

本明細書には、瞳孔拡張方法も開示されている。本方法は、入力ポートを介して光を光学スラブ内へ受け入れる第１のステップを含み、該光学スラブは、第１の屈折率、ｎ_１＞１を有する。本方法は、光を、一連の内部反射によって光学スラブの対向する第１および第２の表面間へ導く第２のステップを含み、対向する第１および第２の表面は、平行構成で配置される。本方法は、光学ウェッジの第１の表面と光学スラブの第２の表面との間に、界面に沿った複数のポイントで光学ウェッジへの光の部分的な透過を可能にする界面を形成することにより、光を複数回分割する第３のステップを含み、光学ウェッジは、第２の屈折率ｎ_２を有し、かつ１＜ｎ_２＜ｎ_１である。本方法は、導波路の射出瞳が光の複数の分割によって拡張されるべく、光学ウェッジにより界面を介して（すなわち、第１の表面を介して）受け取られる光が光学ウェッジの第２の表面を介して逃げるように、光学ウェッジの対向する第１および第２の表面をウェッジ構成で配置する第４のステップを含む。

「ホログラム」という用語は、オブジェクトに関する振幅情報もしくは位相情報、またはこれらの何らかの組合せを含む記録を指して使用される。「ホログラフィック再構成」という用語は、ホログラムを照射することにより形成される、オブジェクトの光学的再構成を指して使用される。本明細書に開示しているシステムは、ホログラフィック再構成が実像であって、ホログラムから空間的に分離されることから、「ホログラフィックプロジェクタ」として記述される。「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その中に形成され、かつ完全に焦点を合わせられる２Ｄエリアを指して使用される。ホログラムがピクセルを含む空間光変調器上に表示される場合、再生フィールドは、複数の回折次数の形で反復され、ここで、各回折次数は、ゼロ次再生フィールドのレプリカである。ゼロ次再生フィールドは、最も明るい再生フィールドであることから、概して、好ましい、または主たる再生フィールドに相当する。別段の明示的指摘のない限り、「再生フィールド」という用語は、ゼロ次の再生フィールドを指すものと理解されるべきである。「再生平面」という用語は、全ての再生フィールドを含む空間における平面を指して使用される。「画像」、「再生画像」および「画像領域」といった用語は、ホログラフィック再構成の光により照射される再生フィールドのエリアを指す。実施形態によっては、「画像」は、「画像スポット」または単に便宜的に「画像ピクセル」と称され得る離散スポットを含み得る。

「書込み」および「アドレス指定」という用語は、ＳＬＭの複数のピクセルに、各々が各ピクセルの変調レベルを決定する複数の制御値を個々に提供するプロセスを説明するために使用されることがある。ＳＬＭのピクセルは、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ると言ってもよい。したがって、ＳＬＭは、ホログラムを「表示する」と言ってもよく、ホログラムは、光変調値または光変調レベルのアレイと見なされてもよい。

許容可能な品質のホログラフィック再構成は、元のオブジェクト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」から形成可能であ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、位相型ホログラムと呼ばれることがある。実施形態は、位相型ホログラムに関連するが、本開示は、振幅型ホログラフィにも等しく適用可能である。

また、本開示は、元のオブジェクトのフーリエ変換に関連する振幅および位相情報を用いてホログラフィック再構成を形成することにも等しく適用可能である。実施形態によっては、これは、元のオブジェクトに関連する振幅および位相情報の双方を含むいわゆる完全複合ホログラムを用いる複素変調により達成される。このようなホログラムは、ホログラムの各ピクセルに割り当てられる値（グレーレベル）が振幅および位相成分を有するという理由で、完全複合ホログラムと呼ばれることがある。各ピクセルに割り当てられる値（グレーレベル）は、振幅成分および位相成分の双方を有する複素数として表されてもよい。実施形態によっては、完全複合コンピュータ生成ホログラムが計算される。

コンピュータ生成ホログラムまたは空間光変調器のピクセルの位相値、位相成分、位相情報、または単に位相は、「位相遅延」の省略表現として参照されてもよい。すなわち、記述される位相値はいずれも、実際には、そのピクセルによりもたらされる位相遅れの量を表す（たとえば、０から２πまでの範囲の）数値である。たとえば、π／２の位相値を有すると記述される空間光変調器のピクセルは、受信される光の位相をπ／２ラジアン遅らせる。実施形態によっては、空間光変調器の各ピクセルは、複数の可能な変調値（たとえば、位相遅延値）のうちの１つにおいて動作可能である。「グレーレベル」という用語は、複数の利用可能な変調レベルを指して使用され得る。たとえば、「グレーレベル」という用語は、異なる位相レベルが異なるグレーシェードを提供しない場合でも、位相型変調器における利用可能な複数の位相レベルを指して便宜的に使用され得る。また、「グレーレベル」という用語は、複素変調器における利用可能な複数の複素変調レベルをも指して便宜的に使用され得る。

したがって、ホログラムは、グレーレベルのアレイ－すなわち、位相遅延値または複素変調値のアレイなどの光変調値のアレイ、を備える。また、ホログラムは、空間光変調器上に表示されかつ空間光変調器のピクセルピッチに匹敵する、概してこれより短い、波長を有する光で照射されると回折を引き起こすパターンであることから、回折パターンとも見なされる。本明細書では、ホログラムを、レンズまたは格子として機能する回折パターンなどの他の回折パターンと組み合わせることに言及する。たとえば、格子として機能する回折パターンは、再生平面上の再生フィールドを平行移動させるためにホログラムと組み合わされてもよく、または、レンズとして機能する回折パターンは、ホログラフィック再構成の焦点をニアフィールドにおける再生平面合わ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、異なる実施形態および実施形態グループが別個に開示されることがあるが、任意の実施形態または実施形態グループの特徴は、いずれも、任意の実施形態または実施形態グループの他の任意の特徴または特徴の組合せと組み合わされてもよい。すなわち、本開示においては、開示される特徴の全ての可能な組合せおよび置換が想定される。

以下の図を参照して、特定の実施形態を単に例示として説明する。

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ＳＬＭを示す略図である。 ある例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎタイプのアルゴリズムの第１の反復を示す。 該例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎタイプのアルゴリズムの第２の後続反復を示す。 該例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎタイプのアルゴリズムの代替的な第２の後続反復を示す。 反射ＬＣＯＳ ＳＬＭの略図である。 導波路を備える瞳孔拡張器の一例を示す。 瞳孔拡張用のスラブ型導波路を示す。 例示的な瞳孔拡張器を備えるホログラフィック・ディスプレイシステムを示す。 瞳孔拡張器のジオメトリを示す。 瞳孔拡張器のジオメトリを示す。 瞳孔拡張器のジオメトリを示す。 例示的な瞳孔拡張器を備えるホログラフィック・ディスプレイシステムを示す。 実施形態による線形勾配ウェッジを備える導波路を示す。 本開示の導波路による光の伝搬を示す。 実施形態による湾曲ウェッジを備える導波路を示す。 実施形態によるウェッジおよび屈折率整合層を備える導波路を示す。 湾曲したカバーガラスを備えるヘッドアップディスプレイを示す。 湾曲したカバーガラスを備えるヘッドアップディスプレイを示す。

諸図を通じて、同じ参照番号は、同一または類似の部品を指して使用される。

本発明は、以下に記述する実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲全体に及ぶ。すなわち、本発明は、異なる形態で具現され得、よって例示を目的として提示される記載の実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。

単数形の用語は、別段の指定のない限り、複数形を包含し得る。

別の構造体の上部分／下部分または他の構造体の上／下に形成されると記載されている構造体は、これらの構造体が互いに接触している事例、かつさらには、第３の構造体が間に配置されている事例を含むものと解釈されるべきである。

時間関係の記述において－たとえば、イベントの時間順序が「後」、「後続」、「次」、「前」などのように記述される場合－、本開示は、別段の指摘のない限り、連続イベントおよび非連続イベントを包含するものと理解されるべきである。たとえば、この記述は、「ちょうど」、「即時」または「直」などの言い回しが使用されていない限り、連続的でない事例を包含するものと理解されるべきである。

本明細書では、様々なエレメントについて記述する場合に、「第１の」、「第２の」、他の用語を用いることがあるが、これらのエレメントは、これらの用語によって限定されるべきものではない。これらの用語は、あるエレメントを別のエレメントから区別するためにのみ使用される。たとえば、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく、第１のエレメントは、第２のエレメントと呼ばれる可能性もあり、かつ同様に、第２のエレメントが第１のエレメントと呼ばれる可能性もある。

異なる実施形態の特徴は、部分的または全体的に互いに結合または組み合わされてもよく、かつ互いに様々に相互運用されてもよい。実施形態の中には、互いに独立して実行され得るものもあれば、共依存関係で共に実行され得るものもある。

光学的配置
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上で符号化される一実施形態を示す。コンピュータ生成ホログラムは、再構成用オブジェクトのフーリエ変換である。したがって、ホログラムは、オブジェクトのフーリエ領域または周波数領域またはスペクトル領域表現であると言ってもよい。この実施形態において、空間光変調器は、反射型液晶オンシリコン「ＬＣＯＳ」デバイスである。ホログラムは、空間光変調器上で符号化され、かつホログラフィック再構成は、再生フィールド、たとえばスクリーンまたはディフューザなどの受光面、で形成される。

光源１１０、たとえばレーザまたはレーザダイオード、は、コリメーティングレンズ１１１を介してＳＬＭ１４０を照射するように配置される。コリメーティングレンズは、概して平坦な光の波面をＳＬＭ上へ入射させる。図１において、波面の方向は、法線を外れている（たとえば、透明層の平面に対する真の直交から２度または３度外れている）。しかしながら、他の実施形態では、概して平坦な波面が法線入射で提供され、ビームスプリッタ配置を用いて入力光路と出力光路とが分離される。図１に示す実施形態において、該配置は、光源からの光がＳＬＭのミラー化された背面から反射され、光変調層と相互作用して射出波面１１２を形成するという類のものである。射出波面１１２は、その焦点をスクリーン１２５に有する、フーリエ変換レンズ１２０を含む光学系に印加される。より具体的には、フーリエ変換レンズ１２０は、ＳＬＭ１４０から変調光ビームを受け取り、周波数－空間変換を実行してスクリーン１２５にホログラフィック再構成を生成する。

注目すべきことに、このタイプのホログラフィでは、ホログラムの各ピクセルが再構成全体に寄与する。再生フィールド上の特定のポイント（または、画像ピクセル）と特定の光変調エレメント（または、ホログラムピクセル）との間に、１対１の相関関係はない。言い替えれば、光変調層を出る変調光は、再生フィールド全体に分散される。

これらの実施形態において、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視度（集束能力）によって決定される。図１に示す実施形態において、フーリエ変換レンズは、物理的レンズである。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。どんなレンズもフーリエ変換レンズとして機能することができるが、レンズ性能は、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、レンズを用い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
実施形態によっては、コンピュータ生成ホログラムは、正レンズのフーリエ変換特性を利用することにより遠方場で画像が再構成されるフーリエ変換ホログラム、または単にフーリエホログラムまたはフーリエベースのホログラムである。フーリエホログラムは、再生平面における所望される光フィールドを、元のレンズ平面へフーリエ変換することによって計算される。コンピュータ生成フーリエホログラムは、フーリエ変換を用いて計算されてもよい。

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用いて計算されてもよい。さらに、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、（写真などの）空間領域における振幅限定情報から、フーリエ領域におけるホログラム（すなわち、フーリエ変換ホログラム）を計算するために使用されてもよい。オブジェクトに関連する位相情報は、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。実施形態によっては、コンピュータ生成ホログラムは、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムまたはその変形を用いて、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およびＢの各々における光ビームの輝度断面Ｉ_Ａ（ｘ，ｙ）およびＩ_Ｂ（ｘ，ｙ）が知られていて、Ｉ_Ａ（ｘ，ｙ）およびＩ_Ｂ（ｘ，ｙ）が、１つのフーリエ変換によって関連づけられるときの状況について考慮する。所与の輝度断面で、平面ＡおよびＢにおける位相分布の近似値、Ψ_Ａ（ｘ，ｙ）およびΨ_Ｂ（ｘ，ｙ）が各々求められる。Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムでは、反復プロセスに従うことによって、この問題の解決策が見つかる。より具体的には、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、空間領域とフーリエ（スペクトルまたは周波数）領域との間で、Ｉ_Ａ（ｘ，ｙ）およびＩ_Ｂ（ｘ，ｙ）を表すデータセット（振幅および位相）を繰り返し転送する間に、空間制約およびスペクトル制約を反復的に適用する。スペクトル領域における、対応するコンピュータ生成ホログラムは、アルゴリズムを少なくとも１回反復することによって得られる。アルゴリズムは、収束性であって、入力画像を表現するホログラムを生成するように構成される。ホログラムは、振幅型ホログラムであっても、位相型ホログラムまたは完全複合ホログラムであってもよい。

実施形態によっては、位相型ホログラムは、参照によりその全体が開示に含まれる英国特許第２，４９８，１７０号明細書または英国特許第２，５０１，１１２号明細書に記載されているものなどの、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムに基づくアルゴリズムを用いて計算される。しかしながら、本明細書に開示する実施形態は、位相型ホログラムの計算を単に例示として説明する。これらの実施形態において、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、既知の振幅情報Ｔ［ｘ，ｙ］を生じさせるデータセットの、フーリエ変換の位相情報Ψ［ｕ，ｖ］を検索し、該振幅情報Ｔ［ｘ，ｙ］は、標的画像（たとえば、写真）を表す。フーリエ変換では、本来、大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）と位相とが組み合わされることから、変換される大きさおよび位相は、計算されるデータセットの精度についての有用な情報を含む。したがって、アルゴリズムは、振幅情報および位相情報の双方に関するフィードバックを伴って、反復的に使用されてもよい。しかしながら、これらの実施形態では、画像平面で標的画像のホログラフィック表現を形成するために、位相情報Ψ［ｕ，ｖ］のみをホログラムとして用いる。ホログラムは、位相値のデータセット（たとえば、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用いて完全複合ホログラムが計算される。完全複合ホログラムは、大きさ成分と位相成分とを有するホログラムである。このホログラムは、複素データ値のアレイを含むデータセット（たとえば、２Ｄアレイ）であり、各複素データ値は、大きさ成分と位相成分とを含む。

実施形態によっては、アルゴリズムは、複素データを処理し、かつフーリエ変換は、複素フーリエ変換である。複素データは、（ｉ）実数成分および虚数成分、または（ｉｉ）大きさ成分および位相成分を含むものと見なされてもよい。実施形態によっては、複素データのこれらの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、一部の実施形態による、位相型ホログラムを計算するための一アルゴリズムの第１の反復を示す。アルゴリズムに対する入力は、ピクセルまたはデータ値の２Ｄアレイを含む入力画像２１０であり、各ピクセルまたはデータ値は、大きさ値、すなわち振幅値である。すなわち、入力画像２１０の各ピクセルまたはデータ値は、位相成分を有していない。したがって、入力画像２１０は、大きさ限定分布、すなわち振幅限定分布、あるいは輝度限定分布と見なされてもよい。このような入力画像２１０の一例は、写真であり、または、時系列のフレームを含む動画の一フレームである。アルゴリズムの第１の反復は、データ形成ステップ２０２Ａで始まり、該ステップは、開始用の複素データセットを形成するために、ランダム位相分布（またはランダム位相シード）２３０を用いて入力画像の各ピクセルにランダム位相値を割り当てることを含み、該セットの各データエレメントは、大きさおよび位相を含む。開始用の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ってもよい。

第１の処理ブロック２５０は、開始用複素データセットを受信し、かつ複素フーリエ変換を実行してフーリエ変換された複素データセットを形成する。第２の処理ブロック２５３は、フーリエ変換された複素データセットを受信して、ホログラム２８０Ａを出力する。実施形態によっては、ホログラム２８０Ａは、位相型ホログラムである。これらの実施形態において、第２の処理ブロック２５３は、各位相値を量子化し、かつ各振幅値を１に設定して、ホログラム２８０Ａを形成する。各位相値は、位相型ホログラムを「表示」するために使用される空間光変調器のピクセル上で表現され得る位相レベルに従って量子化される。たとえば、空間光変調器の各ピクセルが、異なる２５６の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型フーリエホログラムである。他の実施形態において、ホログラム２８０Ａは、受信されたフーリエ変換複素データセットから導出された、（各々が振幅成分および位相成分を含む）複素データ値のアレイを含む完全複合ホログラムである。実施形態によっては、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、各複素データ値を、複数の許容可能な複素変調レベルうちの１つに制限する。制限するステップは、各複素データ値を、複素平面内の最も近い許容可能な複素変調レベルに設定することを含んでもよい。ホログラム２８０Ａは、スペクトル領域、またはフーリエ領域、または周波数領域における入力画像を表すと言ってもよい。実施形態によっては、アルゴリズムは、この時点で停止する。

しかしながら、他の実施形態において、アルゴリズムは、図２Ａの点線矢印が表すように継続する。言い替えれば、図２Ａの点線矢印に続くステップは、任意選択である（すなわち、全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信して逆フーリエ変換を実行し、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ってもよい。

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信して、大きさ値の分布２１１Ａ、および位相値の分布２１３Ａを抽出する。場合により、第４の処理ブロック２５９は、大きさ値の分布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値の分布２１１Ａを、当然ながらそれ自体が大きさ値の分布である入力画像５１０と比較してもよい。大きさ値の分布２１１Ａと入力画像２１０と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断してもよい。すなわち、大きさ値の分布２１１Ａと入力画像２１０と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を表すに足る精密さであると判断してもよい。一部の実施形態において、逆フーリエ変換された複素データセットの位相値の分布２１３Ａは、この比較の目的に関しては無視される。大きさ値の分布２１１Ａと入力画像２１０との比較については、任意の異なる数の方法が使用されてもよく、本開示が如何なる特定の方法にも限定されないことは認識されるであろう。実施形態によっては、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、許容可能であると見なされる。第４の処理ブロック２５９が、ホログラム２８０Ａを許容不可であると判断した場合、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、この比較するステップは必須ではなく、よって他の実施形態において、実行されるアルゴリズムの反復数は、予め決定されるか、予め設定され、またはユーザによって規定される。

図２Ｂは、アルゴリズムの第２の反復、およびそれ以降のアルゴリズムの反復を表す。先行する反復の位相値の分布２１３Ａは、アルゴリズムの処理ブロックを介してフィードバックされる。大きさ値の分布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の反復において、データ形成ステップ２０２Ａは、入力画像２１０の大きさ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の反復およびその後の反復において、データ形成ステップ２０２Ｂは、（ｉ）アルゴリズムの先行する反復からの位相値の分布２１３Ａを、（ｉｉ）入力画像２１０の大きさ値の分布と組み合わせることにより、複素データセットを形成することを含む。

図２Ｂのデータ形成ステップ２０２Ｂにより形成される複素データセットは、次に、図２Ａを参照して説明した方法と同じように処理されて、第２の反復のホログラム２８０Ｂを形成する。よって、ここでは、プロセスの説明を省く。アルゴリズムは、第２の反復のホログラム２８０Ｂが計算されると停止してもよい。しかしながら、アルゴリズムは、さらに何回もの反復を実行してもよい。第３の処理ブロック２５６は、第４の処理ブロック２５９が必要とされる場合、またはさらなる反復が必要とされる場合にのみ必要になることが理解されるであろう。出力ホログラム２８０Ｂは、概して、反復されるごとに良くなる。しかしながら、実際には、目に見える改善が認められなくなる時点、または、処理時間が増えることの悪影響がさらなる反復の実行による利益を上回る時点に達することが常である。アルゴリズムが反復的かつ収束的であるとされる所以は、ここにある。

図２Ｃは、第２の反復、およびその後の反復の代替実施形態を表す。先行する反復の位相値の分布２１３Ａは、アルゴリズムの処理ブロックを介してフィードバックされる。大きさ値の分布２１１Ａは、代替的な大きさ値分布を優先して拒絶される。この代替実施形態において、代替的な大きさ値分布は、先行する反復の大きさ値分布２１１Ａから導出される。具体的には、処理ブロック２５８が、入力画像２１０の大きさ値分布を、先行する反復の大きさ値分布２１１Ａから減算し、この差を利得係数αでスケーリングし、かつスケーリングされた差を入力画像２１０から減算する。これは、以下の数式によって数学的に表され、下付きの文字および数字は、反復回数を示す。

ここで、
Ｆ’は、逆フーリエ変換であり、
Ｆは、順フーリエ変換であり、
Ｒ［ｘ，ｙ］は、第３の処理ブロック２５６により出力される複素データセットであり、
Ｔ［ｘ，ｙ］は、入力画像または標的画像であり、
∠は、位相成分であり、
Ψは、位相型ホログラム２８０Ｂであり、
ηは、新しい大きさ値分布２１１Ｂであり、
αは、利得係数である。

利得係数αは、定数であっても、変数であってもよい。実施形態によっては、利得係数αは、入ってくる標的画像データのサイズおよびレートに基づいて決定される。実施形態によっては、利得係数αは、反復回数に依存する。実施形態によっては、利得係数αは、単に反復回数の関数である。

図２Ｃの実施形態における他の全ての点は、図２Ａおよび図２Ｂと同じである。位相型ホログラムΨ（ｕ，ｖ）は、位相分布を周波数領域またはフーリエ領域に含むと言ってもよい。

実施形態によっては、フーリエ変換は、空間光変調器を用いて実行される。具体的には、ホログラムデータは、屈折力を規定する第２のデータと組み合わされる。すなわち、空間光変調用に書き込まれるデータは、オブジェクト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。レンズデータは、空間光変調器上に表示されかつ光で照射されると、物理的レンズを模倣し、つまりは、対応する物理的光学素子と同じ方法で光を焦点に当てる。したがって、レンズデータは、屈折力、または集束力を規定する。これらの実施形態では、図１の物理的フーリエ変換レンズ１２０が省かれてもよい。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。たとえば、位相型レンズは、レンズの屈折率および空間的に異なる光路長に起因してレンズの各点で生じる位相遅延を計算することにより形成されてもよい。たとえば、凸レンズの中心における光路長は、レンズ縁部における光路長より長い。振幅型レンズは、フレネルゾーンプレートによって形成されてもよい。コンピュータ生成ホログラフィの技術分野では、物理的なフーリエレンズを必要とすることなく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。実施形態によっては、レンズ効果データは、単純なベクトル加算などの簡単な加算によってホログラムと組み合わされる。実施形態によっては、物理的レンズがソフトウェアレンズと併用されてフーリエ変換が実行される。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視野で行われるように、フーリエ変換レンズが完全に省かれる。さらなる実施形態において、ホログラムは、同じ方法で格子データと、すなわち、画像ステアリングなどの格子機能を実行するように構成されるデータと、組み合わされてもよい。このようなデータを計算する方法もやはり、技術上知られている。たとえば、位相型格子は、ブレーズド格子の表面の各点で生じる位相遅延をモデル化することにより形成されてもよい。振幅型格子は、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、単に振幅型ホログラムに重ね合わされてもよい。レンズ効果および／またはステアリングを規定する第２のデータは、画像形成機能または画像形成パターンと呼ばれ得るホログラムデータと区別して、光処理機能または光処理パターンと呼ばれることがある。

実施形態によっては、フーリエ変換は、物理的なフーリエ変換レンズおよびソフトウェアレンズにより共同で実行される。すなわち、フーリエ変換に寄与する屈折力の一部は、ソフトウェアレンズにより提供されて、フーリエ変換に寄与する残りの屈折力は、１つまたは複数の物理的光学素子によって提供される。

実施形態によっては、画像データを受信し、かつアルゴリズムを用いてホログラムをリアルタイムで計算するように構成されるリアルタイムエンジンが提供されている。実施形態によっては、画像データは、一連の画像フレームを含む動画である。他の実施形態において、ホログラムは、予め計算され、コンピュータのメモリに記憶されて、ＳＬＭ上へ表示するために必要に応じて再現される。すなわち、実施形態によっては、予め決められたホログラムのリポジトリが提供されている。

実施形態は、単に例示として、フーリエホログラフィ、およびＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎタイプのアルゴリズムに関する。本開示は、同様の方法で計算され得るフレネルホログラフィおよびフレネルホログラムに等しく適用可能である。本開示は、点群方式に基づくものなどの他の技法で計算されるホログラムにも適用可能である。

光変調
空間光変調器は、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ために使用されてもよい。ホログラムが位相型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になる。ホログラムが完全複合ホログラムである場合は、位相および振幅を変調する空間光変調器が使用されてもよく、または、位相を変調する第１の空間光変調器と、振幅を変調する第２の空間光変調器とが使用されてもよい。

実施形態によっては、空間光変調器の光変調素子（すなわち、ピクセル）は、液晶を含むセルである。すなわち、実施形態によっては、空間光変調器は、液晶デバイスであって、光学活性成分が液晶である。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、どの時点においても、複数の可能な光変調レベルから選択される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から、異なる光変調レベルに動的に再構成可能である。実施形態によっては、空間光変調器は、反射型液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）空間光変調器であるが、本開示は、このタイプの空間光変調器に限定されない。

ＬＣＯＳデバイスは、（たとえば、幅数センチメートルの）小開口内に光変調素子、またはピクセル、の高密度アレイを設ける。ピクセルは、典型的には約１０ミクロン以下であって、回折角度が数度になり、光学系を小型にすることができる。他の液晶デバイスの大開口を照射するより、ＬＣＯＳ ＳＬＭの小開口を適切に照射するほうが容易である。ＬＣＯＳデバイスは、典型的には反射型であり、これは、ＬＣＯＳ ＳＬＭのピクセルを駆動する回路を反射面の下に埋め込めることを意味する。その結果、開口率が高くなる。言い替えれば、ピクセルが密に詰まっているということで、ピクセル間にデッドスペースがほとんどないことを意味する。これは、再生フィールドの光学ノイズを低減するという理由で、有利である。ＬＣＯＳ ＳＬＭは、ピクセル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用いる。このことは、位相変調デバイスにとって特に重要である。

以下、図３を参照して、適切なＬＣＯＳ ＳＬＭを単に例示として説明する。ＬＣＯＳデバイスは、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る、間隙３０１ａで離隔された平面四角形のアルミニウム電極３０１の２Ｄアレイを有する。電極３０１は各々、基板３０２に埋め込まれる回路３０２ａを介してアドレス指定されることが可能である。電極は各々、個々の平面ミラーを形成する。電極アレイ上には、配向層３０３が配置され、配向層３０３上に液晶層３０４が配置される。第２の配向層３０５は、たとえばガラスである平坦な透明層３０６上に配置される。透明層３０６と第２の配向層３０５との間には、たとえばＩＴＯ製である単一の透明電極３０７が配置される。

方形電極３０１は各々、上方領域である透明電極３０７および介在する液晶材料と共に、ピクセルと呼ばれることが多い、制御可能な位相変調素子３０８を画定する。有効ピクセル領域、すなわちフィルファクタは、光学的に活性な全ピクセルの、ピクセル間スペース３０１ａを考慮した割合である。透明電極３０７に関連して各電極３０１へ印加される電圧を制御することにより、個々の位相変調素子の液晶材料の特性が変えられ得、これにより位相変調素子上の入射光に可変遅延がもたらされる。その効果は、波面に位相限定の変調をもたらすことにあり、すなわち振幅効果は生じない。

説明しているＬＣＯＳ ＳＬＭは、空間変調光を反射させて出力する。反射型ＬＣＯＳ ＳＬＭには、信号線、ゲート線およびトランジスタが鏡面より下にあり、よってフィルファクタが高くなり（典型的には、９０％より高い）、かつ解像度が高くなるという利点がある。反射型ＬＣＯＳ空間光変調器を用いるもう１つの利点は、液晶層の厚さを、透過デバイスを用いる場合に必要となる厚さの半分にできることにある。これにより、液晶のスイッチング速度は、大幅に向上する（動画を投影するための大きな利点となる）。しかしながら、本開示の教示は、透過型ＬＣＯＳ ＳＬＭを用いて等しく実装されてもよい。

導波路瞳孔／ビューウィンドウ拡張器
ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤｓ）などのホログラフィック投影システムにおいて、投影システムから放出される光を首尾良く見るために、ユーザの両目を位置決めすることができる面積または容積は、アイモーションボックス（ＥＭＢ）、アイボックス、またはより一般的にはビューウィンドウとして知られる。これに対応する投影システムの、アイボックスに向かって光を放射する部分は、射出瞳として知られる。概して、アイボックス領域またはビューウィンドウに対応する射出瞳は、拡大することが望ましい。具体的には、目視者は、頭をあちこちに動かすことができて、アイボックス／ビューイング距離における限られた面積内の任意の位置から完全な画像を見ることができなければならない。したがって、ＥＭＢ、アイボックスまたはビューウィンドウを拡大するために、瞳孔拡張器が使用されてもよい。典型的には、瞳孔拡張器は、入射波面の振幅を分割して余分な光線を生成することにより、ＥＭＢを拡大する。

図４は、導波路を備える瞳孔拡張器の一例を示す。本例では、導波路が２つの反射面を備えているが、以下の説明は、光がスラブにより、スラブの上面と下面との間の内部反射によって内部に導かれるスラブ構成にも等しく適用可能である。導波路の一般原理は、技術上既知であり、よって本明細書では詳述しない。導波路は、光を、内部反射により、１対の平行な反射面間の層に導く。瞳孔拡張器は、第１の傾斜付き／部分反射面４２０（たとえば、距離と共に変化する反射率を有する傾斜付きミラー）と、第２の全反射面４１０（たとえば、ほぼ１００％の反射率を有するミラー）とを備える導波路から形成される。具体的には、第１の反射面４２０は、スラブの長さに沿って反射率が減少する反射コーティングを含む。その層は、ガラスまたはパースペックスであってもよい。したがって、導波路は、ガラス製またはパースペックス製のブロックまたはスラブであってもよい。第１の反射面は、ガラスブロックの第１の面であり得、かつ第２の反射面は、ガラスブロックの第２の面であり得、第１の面は、第２の面に対向しかつこれと平行である。あるいは、この層は、空気であってもよく、よって、第１および第２の反射面は、別個のコンポーネント－たとえば、空隙を形成すべく空間的に分離されていて、空隙内を光が内部反射によって伝搬する第１および第２のミラー、であってもよい。

したがって、図４に示すように、入力光線を含む入力光ビーム４０２（ピクチャで符号化された空間変調光（すなわち、ピクチャ／画像の光、または単にピクチャ）を含むものもあれば、後述するようなホログラムで符号化された空間変調光を含むものもある）は、導波路に、その入力ポートを介して入る。導波路は、入力ポートで受信される光をビューウィンドウへ導くように配置される。図示されている配置では、入力ポートは、導波路の一端の近くで第１の部分反射面４２０内に間隙を備えているが、入力ポートの位置は、他にも可能である。ビューウィンドウは、本明細書で記述しているように、目視者がその中で画像を見得る面積または容積である。入力光ビーム４０２の入射角は、光線が、第１の部分反射面４２０および第２の全反射面４１０による内部反射により導波路の長さに沿って伝搬する類のものである。光線の例を、図４に示す。第１の反射面４２０の段階的反射率に起因して、ある割合の光は、第１の反射面４２０を透過し、導波路の長さに沿って複数の出力光線４０４ａ～ｆ（入力光線を複製することから、本明細書では「レプリカ」と呼ばれる）を提供する。したがって、第１の反射面４２０は、画面を形成する。瞳孔（または、ビューウィンドウ）は、導波路により形成されるレプリカによって拡張されると言われている。具体的には、導波路の長さに沿って複数のレプリカ４０４ａ～ｆを形成することにより、ビューウィンドウのサイズが増大される。各レプリカ４０４ａ～ｆは、入力光ビーム４０２の振幅（輝度または明るさ）の割合に対応する。各レプリカ４０４ａ～ｆが略同じ振幅を有するように、グレーディングによって、導波路の長さに沿った第１の反射面４２０の反射率が低減される（または、逆に透過率が増大される）ことが望ましい。したがって、アイボックスにおいて第１の反射面４２０からの視距離に右目４３０Ｒおよび左目４３０Ｌを有する目視者は、矢印４４０が示すように、拡張されたビューウィンドウ内の任意の位置で画像を見ることができる。

図４に示す導波路は、矢印４４０が示すように、ビューウィンドウを一次元的に－光ビームが導波路内を伝播する長さ方向に対応して－拡張する。当業者には認識されるように、必要であれば、直交する２つの導波路を用いることにより、ビューウィンドウを二次元的に拡張することも可能である。

導波路の第１の反射面４２０は、必要な段階的反射率を提供するために、多数の薄膜（たとえば、２５枚以上の薄膜）を含むコーティングで被覆されてもよい。具体的には、先に述べたように、このような薄膜または類似のコーティングは、各レプリカ４０４ａ～ｆの明るさ（光線輝度）が略一定であるように、伝搬距離に伴って反射率を低下させ、よって透過率を上昇させる必要がある。伝搬する光ビームの振幅は、レプリカ４０４ａ～ｆの出力に起因して、かつ第２の反射面４１０からの不完全な反射などの他の任意の光学的損失に起因して、伝搬距離に伴って減少する。したがって、第１の反射面４２０のグレーディングは、見られる画像がビューウィンドウを通じて（すなわち、全てのビュー位置において）均一な明るさを有するように、各レプリカ４０４ａ～ｆが略同じ輝度を有することを保証しながら、伝搬する光ビームの伝搬距離に伴う輝度の降下を考慮して設計される。

図５は、ピクチャの光またはホログラムの光などの入力光５１０を受信するように配置される入力ポート５０１を備えるスラブ導波路５００を示す。スラブは、空気より高い屈折率を有する材料から製造される。スラブ５００内へ受け入れられる光は、下面５０３ｂと、対向する上面５０３ａとの間の一連の内部反射によって導かれる。下面５０３ｂは、ミラーなどの略完全反射体であってもよく、上面５０３ａは、ほぼ反射性であってもよい。上面５０３ａは、幾分かの光を透過させ得る。したがって、光は、概して、内部反射によりスラブに沿って伝搬するが、上面５０３ａの部分的透過率に起因して、光線の一連のレプリカ、Ｒ０～Ｒ７、が形成される。図５に示す光の分割（または、光線のレプリカ）は、導波路の射出瞳を拡張するように機能する。光線レプリカにより達成される瞳孔拡張は、右目５３０Ｒおよび左目５３０Ｌを有する目視者が、なおもピクチャの光を受信しながら、すなわち、なおもピクチャまたはホログラムを見ることができながら、ビューウィンドウ面積（または容積）内で（矢印５４０が示すように）移動することを可能にする。図４を参照して述べたように、上面の反射率は、各レプリカ、Ｒ０～Ｒ７、の輝度が略同じになるように、入力ポートからの距離に伴って減少する。上面５０３ａのいわゆる段階的反射率は、多層の誘電体コーティングによって提供されてもよい。実際には、高品質のディスプレイ－具体的にはフルカラーディスプレイに適する誘電体コーティングを製造することは、困難である。

本開示は、スラブに基づく改良された導波路を提供する。誤解を避けるために記すと、本開示による例示的なシステム構成を示す図６、図７Ｂおよび図８は、反射コーティングを備えるスラブではなく２つのミラーによって形成される導波路を、単なる例として示している。図５において、光屈折の効果は、単純さを保全するために完全には示されていないが、当業者には良く理解されるであろう。

第１のシステム例
図６は、第１の例示的なシステム構成による導波路瞳孔拡張器を形成する導波路を備える、ホログラフィック・ディスプレイシステムを示す。図６～図８は、単に例示としてカラー投影システムを参照しているが、本開示は、単色システムにも等しく適用可能である。

ホログラフィック・ディスプレイデバイスは、第１のピクチャ（「第１の画像」とも呼ばれる）と、第２のピクチャ（「第２の画像」とも呼ばれる）とを形成するように配置される画像生成ユニットを備える。第１の単色チャネル（「第１のディスプレイチャネル」とも呼ばれる）は、第１のピクチャを形成するように配置され、かつ第１の光源６１０と、第１のコリメーティングレンズ６１２と、第１のダイクロイックミラー６１４とを備える。第１のダイクロイックミラー６１４は、第１の波長の光を共通の光路沿いに反射して、空間光変調器（ＳＬＭ）６４０を照射するように配置される。第１の光波長は、第１の色（たとえば、赤）の第１のディスプレイチャネルに対応する。第２の単色チャネル（「第２のディスプレイチャネル」とも呼ばれる）は、第２のピクチャを形成するように配置され、かつ第２の光源６２０と、第２のコリメーティングレンズ６２２と、第２のミラー６２４とを備える。第２のミラー６２４は、第２の波長の光を共通の光路沿いに反射して、ＳＬＭ６４０を照射するように配置される。第２の光波長は、第２の色（たとえば、緑）の第２の単色チャネルに対応する。後述するように、他の実施形態において、画像生成ユニットは、第３のピクチャを形成するように配置される第３の単色／ディスプレイチャネル（第１および第２のチャネルに等しい）を備えてもよく、第３のカラーチャネルは、第３の色（たとえば、青）の光波長に対応する。図示の実施形態において、ＳＬＭ６４０は、第１および第２の波長双方の光によって照射される光変調ピクセル（たとえば、ＬＣＯＳ）の単一アレイを備える。他の実施形態において、ＳＬＭ６４０は、各々第１の波長および第２の波長の光によって照射される光変調ピクセルの別々のアレイを備えてもよい。

ホログラフィック・ディスプレイデバイスは、さらに、画像生成ユニットを、具体的には、本明細書に記載しているように画像生成ユニットにより出力される光を制御するように配置されるホログラフィックコントローラ６０２を備える。第１のピクチャに対応する第１の色の第１の空間変調光は、ＳＬＭ６４０により出力されて、スクリーンまたはディフューザなどの受光面６７０上に第１の単色画像（たとえば、赤色画像）を形成する。第１の単色コンピュータ生成ホログラムは、ホログラフィックコントローラ６０２によって計算され、かつＳＬＭ６４０上でたとえばディスプレイドライバ６４２により符号化される。ＳＬＭ６４０は、第１のホログラムを表示し、かつ第１の色／ディスプレイチャネルからの第１の色の光により照射されて、再生平面に位置合わせされる受光面６７０上に第１のホログラフィック再構成を形成する。同様に、第２のピクチャに対応する第２の色の第２の空間変調光は、ＳＬＭ６４０により出力されて、受光面６７０上に第２の単色画像（たとえば、緑色画像）を形成する。第２の単色コンピュータ生成ホログラムは、ＳＬＭ６４０上でホログラフィックコントローラ６０２により符号化される。ＳＬＭ６４０は、第２のホログラムを表示し、かつ第２の色／ディスプレイチャネルからの第２の色の光により照射されて、再生平面における受光面６７０上に第２のホログラフィック再構成を形成する。図示の配置において、ビームスプリッタキューブ６３０は、ＳＬＭ６４０への入力光と、ＳＬＭ６４０により出力される空間変調光とを分離するように配置されている。受光面６７０へ出力される空間変調光の光路内には、フーリエレンズ６５０およびミラー６６０が設けられる。受光面６７０上には、第１／第２のピクチャが形成されると言える。第１／第２のピクチャは、個々の第１／第２のホログラムの第１／第２のホログラフィック再構成である。したがって、受光面６７０上には、第１および第２のピクチャを組み合わせる複合カラーピクチャが形成され得る。投影レンズ６８０は、受光面６７０上に形成される第１および第２のピクチャを、導波路６９０の形態の瞳孔拡張器の入力ポートへ投影するように配置される。目視者６０８は、投影レンズ６８０の屈折力に起因して、導波路６９０により形成される拡張されたアイボックス－「ビューウィンドウ」－からのピクチャの拡大画像を見得る。導波路６９０は、図４を参照して先に述べたように、第１および第２の反射面により分離される光透過性媒体を含む。したがって、ホログラフィック・ディスプレイデバイスは、「間接ビュー」構成を有し、すなわち、目視者は、ホログラフィック再構成を直に見るわけではなく、受光面６７０上に形成されるピクチャを見る。ホログラフィックコントローラ６０２は、技術上知られるように、コンピュータ生成ホログラムの生成に使用するための他の外部および内部入力６００を受信してもよい。このような入力は、ホログラフィック・ディスプレイデバイスにより表示するための画像コンテンツを決定し得る。

図６に示すホログラフィック・ディスプレイデバイスは、単に例示として、第１の単色ホログラムを表示するために配置される第１の色（たとえば、赤）のディスプレイチャネルと、第２の単色ホログラムを表示するために配置される第２の色（たとえば、緑）のディスプレイチャネルとを備える画像生成ユニットを有する。例示的な実装では、個々の単色ホログラムを表示するように構成される３つ以上のディスプレイチャネルが設けられてもよい。たとえば、フルカラー複合画像／ピクチャは、個々の赤、緑、および青の単色ホログラムを表示することによって形成されてもよい。本開示は、唯一のカラーチャネルを含む任意数の単色チャネルを備える画像生成ユニットを用いて実装されてもよい。

導波路の幾何学的形状
図７Ａ～図７Ｃは、実施形態による導波路瞳孔拡張器の幾何学的形状を示す。具体的には、図７Ｂおよび図７Ｃは、（先に述べたような）入力画像ビーム７０２の主光線の位置合わせ、および導波路に沿った伝搬、および目視者７３０に見えるレプリカの出力を示している。導波路は、先に述べたように、第１の部分反射面７２０と、第２の全反射面７１０とを備える。

図７Ｃに示す幾何学的形状は、次式で表されてもよい。
ｗ_１＝２ｄｔａｎ（θ－φ）
ｗ_２＝２ｄｔａｎ（θ＋φ）
ｐ_１＝２ｄｓｉｎ（θ－φ）
ｐ_２＝２ｄｓｉｎ（θ＋φ）
ｔａｎ（θ－φ）＝ｓ_１／ｄ＝（ｓ_１＋ｗ_１－ｓ）／ｄ_１
ｔａｎ（θ＋φ）＝ｓ_２／ｄ＝（ｓ_２＋ｗ_２－ｓ）／ｄ_１
ｓ_１ｄ_１＝（ｓ_１＋ｗ_１－ｓ）ｄ
ｓ_１Δｄ＝２ｄ^２ｔａｎ（θ－φ）－ｓｄ （１）
ｓ_２ｄ_１＝（ｓ_２＋ｗ_２－ｓ）ｄ
ｓ_２Δｄ＝２ｄ^２ｔａｎ（θ＋φ）－ｓｄ （２）
（２）から（１）を減算して、
Δｄ＝２ｄ^２（ｔａｎ（θ＋φ）－ｔａｎ（θ－φ））／（ｓ_２－ｓ_１）
ｓ_２（１）からｓ_１（２）を減算して、
０＝２ｓ_２ｄ^２ｔａｎ（θ－φ）－ｓｓ_２ｄ－２ｓ_１ｄ^２ｔａｎ（θ＋φ）－ｓｓ_１ｄ
ｓ＝（２ｓ_２ｄｔａｎ（θ－φ）－２ｓ_１ｄｔａｎ（θ＋φ））／（ｓ_１＋ｓ_２）
＝（ｓ_２ｗ_１－ｓ_１ｗ_２）／（ｓ_１＋ｓ_２）

第２のシステム例
図８は、第２の例示的なシステム構成による導波路瞳孔拡張器を備える、ホログラフィック・ディスプレイシステムを示す。

図８に示すホログラフィック・ディスプレイシステムは、図６のホログラフィック・ディスプレイシステムに類似するものであるが、空間光変調器とビュー平面との間にスクリーンがないことを特徴とする。したがって、これは、直視構成である。具体的には、ホログラフィック・ディスプレイデバイスは、第１のピクチャ（または、第１の画像）と、第２のピクチャ（または、第２の画像）とを形成するように配置される画像生成ユニットを備える。第１の単色／ディスプレイチャネル（たとえば、赤色チャネル）は、第１の光源８１０と、第１のコリメーティングレンズ８１２と、ＳＬＭ８４０を第１の波長の光で照射するように配置される第１のダイクロイックミラー８１４とを備える。第２の単色／ディスプレイチャネル（たとえば、緑色チャネル）は、第２の光源８２０と、第２のコリメーティングレンズ８２２と、ＳＬＭ８４０を第２の波長の光で照射するように配置される第２のミラー８２４とを備える。第１のディスプレイチャネルは、目視者の目８０８において第１の画像（たとえば、赤色画像）を形成するように配置される。第１の単色コンピュータ生成ホログラムは、ＳＬＭ８４０上でホログラフィックコントローラ８０２により符号化される。ＳＬＭ８４０は、第１のホログラムを表示し、かつ第１のカラーチャネルからの光により照射されて、再生平面に位置合わせされる受光面８７０上に第１のホログラフィック再構成を形成する。同様に、第２のディスプレイチャネルは、目視者の目８０８において第２の画像（たとえば、緑色画像）を形成するように配置される。第２の単色コンピュータ生成ホログラムは、ＳＬＭ８４０上でホログラフィックコントローラ８０２により符号化される。ＳＬＭ８４０は、第２のホログラムを表示し、かつ第２のカラーチャネルからの光により照射されて、再生平面における受光面上に第２のホログラフィック再構成を形成する。

ホログラフィック・ディスプレイデバイスは、さらに、ＳＬＭ８４０への入力光とＳＬＭ８４０からの出力光とを分離するように配置されるビームスプリッタキューブ８３０を備える。しかしながら、図６とは対照的に、このホログラフィック・ディスプレイデバイスは、直視型システムである。図示の配置において、レンズ８５０は、ＳＬＭ８４０により出力される空間変調光の光路内に位置合わせされている。レンズ８５０は、任意選択である。目視者８０８は、空間光変調器からの空間変調光を直に見得る。実施形態によっては、先に述べたように、目視者の目のレンズは、目の網膜上にホログラフィック再構成を形成する。これらの実施形態では、目視者は、ホログラムで符号化された空間変調光を受信すると言ってもよい。他の実施形態では、目視者は、ピクチャの光を、またはピクチャで符号化された光を受信する。ピクチャは、自由空間における中間平面に形成されてもよい。導波路８９０は、先に述べたように、第１および第２の反射面により分離される光透過性媒体を含む。したがって、ホログラフィック・ディスプレイデバイスは、「直視型」構成を有し－すなわち、目視者は、ディスプレイデバイス（すなわち、空間光変調器）を直に見、図６の受光面は、任意選択である。

スラブおよびウェッジ
図９Ａは、実施形態による導波路９００を示す。導波路９００は、図５を参照して説明したものに類似する光学スラブ９０３を備える。しかしながら、この実施形態において、光は、スラブの上面および下面に反射コーティングを付けることではなく、各跳ね返りにおける高屈折率材料と低屈折率材料との間の内部反射によって、スラブにより導かれる。より具体的には、スラブの下面（図９Ａにおける下側の面）からの反射は、スラブの高屈折率材料と周囲媒体－たとえば空気との間の臨界角条件を満たす全内部反射である。下面における入射角は、少なくとも臨界角であってもよい。当業者には、スラブ９０３の下面からの全界面反射を達成するために、入力ポート９０１を介してスラブに入る光の射出角度、ならびにスラブおよび周囲媒体（たとえば、空気）の屈折率を如何にして選択できるかが理解されるであろう。

光学ウェッジ９０５は、スラブの上面（図９Ａにおける上側の面）に当接する。光学ウェッジ９０５は、周囲媒体より大きく、スラブ９０３のそれより小さい屈折率を有する。ウェッジ９０５の屈折率は、ある割合の光がスラブ９０３からウェッジ９０５内へ透過されるように、スラブ９０３の上面上の臨界角条件を破るに足るものである。ウェッジの角度の付いた／くさび形の上面は、反射より透過に有利な異なる（たとえば、減少した／より低い）入射角を提供する。言い替えれば、上面における入射角は、レプリカの略全ての光がウェッジから逃げて、瞳孔拡張に寄与する類のものである。実施形態によっては、ウェッジの上面で法線入射が発生する。図９～図１１に示す導波路は、光を導くために（図５の場合のような反射面ではなく）全内部反射を用いることを特徴とし、かつさらに、スラブの上面から光を抽出するように構成される下面と、導波路を出る光の割合を高める上面とを有するウェッジを用いることを特徴とする。図９Ａの実施形態において、ウェッジの厚さは、入力ポート９０１からの距離に伴って低減する。ウェッジの厚さは、入力ポート９０１からの距離に伴って増加してもよい。図９Ａは、簡潔さを期して、光屈折の効果を完全には示していない。

図９Ｂは、図９Ａの導波路内の光伝搬に関連する光界面のうちの幾つかを示す。高屈折率のスラブ９０３と低屈折率の周囲媒体（ｎ＝１）との間の第１の界面９１０は、臨界角条件を満たし（すなわち、入射角は、スラブとたとえば空気との間の臨界角以上である）、よって、全内部反射である。スラブ９０３と中間屈折率ウェッジ９０５との間の第２の界面９２０は、ウェッジの屈折率が臨界角を入射角超へと増大させるのに足るという理由で、臨界角条件を満たさない（すなわち、入射角がスラブとウェッジとの間の臨界角より小さい）。ウェッジ９０５と低屈折率周囲媒体（ｎ＝１）との間の第３の界面９３０における光は、法線入射（すなわち、第３の界面９３０への入射角がゼロ）を経験し、よって、透過が最大化される。実施形態によっては、第３の界面９３０における入射角は、ゼロ（法線）ではないが、界面９３０で反射される光の割合が無視できるほどのものであるような小値である（すなわち、法線入射からほんの僅かだけ外れる）。第３の界面における入射角は、略ゼロであると言ってもよい。第３の界面における入射角は、ウェッジと、たとえば空気との間の臨界角より小さい。第４の界面は、第２の界面９２０でウェッジ９０５を透過しなかった光の次の相互作用を示す。第４の界面９４０－この場合もやはりスラブと周囲媒体との間－もまた、全内部反射である。実施形態によっては、ウェッジの少なくとも１つの表面は、反射防止コーティングを含む。

図１０は、上側の面／上面が湾曲している、さらなる実施形態を示す。ウェッジの厚さは、入力ポートからの距離に伴って変わる。実施形態によっては、上面は、凹形または凸形である。

実施形態によっては、ウェッジの屈折率は、段階的であり、－すなわち、入力ポートからの距離に伴って変化する。実施形態によっては、入力ポートに最も近いウェッジの第１の側面は、比較的低い（ただし、周囲媒体より大きい）屈折率を有し、かつ入力ポートから最も遠いウェッジの第２の側面は、比較的低い（ただし、スラブより少ない）屈折率を有する。その結果、スラブの屈折率とウェッジの屈折率との差は、入力ポートからの距離が増大するにつれて減る。これは、入力ポートからの距離が増大し、かつ残りの光の量が減少するにつれて、スラブとウェッジとの界面では、反射率が低下し、よって透過率が高くなることを意味する。

図１１に示すものなどの他の実施形態では、スラブ１１０３とウェッジ１１０５との間に屈折率整合流体１１５０（または、対応する誘電体コーティング）の層が挟まれている。整合流体１１５０層の屈折率は、段階的であり－すなわち、整合流体１１５０の屈折率は、入力ポート１１０１からの距離に伴って変化する。光学分野の当業者には、段階的屈折率整合流体を光学スラブと光学ウェッジとの間に設ける方法が理解されるであろう。

実施例によっては、スラブの屈折率は、１．８～２．２などの１．５～２．５であり、ウェッジの屈折率は、１．３～１．７などの１．１～１．９である。屈折率整合層の屈折率は、導波路の長さに渡って線形的に、合計０．４～０．６などの０．２～０．８だけ変わってもよい。導波路は、二色性コーティングを含んでもよい。

ある実施例において、スラブの屈折率は、２．０＋／－０．２であり、ウェッジの屈折率は、１．５＋／－０．２であり、周囲媒体の屈折率は、１．０＋／－０．２である。本実施例では、スラブと空気との間の（第１の）臨界角が略３０．０度である。スラブとウェッジとの間の（第２の）臨界角は、略４８．６度であり、ウェッジと空気との間の（第３の）臨界角は、略４１．８度である。実施形態によっては、スラブ内の光の入射角は、第１の臨界角以上かつ第２の臨界角より小さい。実施形態によっては、第２の臨界角は、第３の臨界角より小さい。実施形態によっては、導波路および入力ポートは、スラブ内の光の入射角が３０～４２であるように構成される。実施形態によっては、スラブ内の入射角は、４０＋／－２度などの３８＋／－４度である。

ヘッドアップディスプレイ
図１２Ａは、フロントガラス１２３０およびダッシュボード１２８０を有する車両における、ヘッドアップディスプレイの光学システムを備える下部（または第１の）ハウジング１２２５を示す。下部ハウジングは、少なくとも、本開示の実施形態による画像生成ユニットおよび導波路（本図には示されていない）を備える。ヘッドアップディスプレイは、太陽光対策を含む上部（または第２の）ハウジング１２７０を備える。具体的には、上部ハウジング１２７０は、光トラップ１２７４と、カバーガラス１２７２とを備える。カバーガラス１２７２は、概して、おおまかな放物線状または楕円形のように湾曲している。太陽光対策の機能は、図１２Ｂを参照すると、より良く理解され得る。

図１２Ｂは、内部でＨＵＤ画像（たとえば、ピクチャのフロントガラス内に形成される虚像）を見得る空間領域である、ヘッドアップディスプレイのいわゆるアイボックス１２９０を示す。目視者の目がアイボックス内部にある場合、ＨＵＤ画像が見える。目視者の目がアイボックスの外側にある場合、ＨＵＤ画像は見えない。アイボックス１２９０は、身長が高い運転者および低い運転者を収容するに足るものであり、運転中の通常の頭部動作を見込んでいる。図１２Ｂは、ＨＵＤ画像を形成する下部ハウジング１２２５からの光線を含む容積１２８５を示している。また、図１２Ｂは、フロントガラス１２３０を通過してカバーガラス１２７２に到達する太陽光線Ａなどの太陽光線が、フロントガラスの内面で反射して運転者の目に入らないように、カバーガラス１２７２がどのように湾曲されるか、をも示している。従来、カバーガラス１２７２の曲率は、図１２Ｂに示すように、カバーガラス１２７２およびフロントガラス内面で反射される太陽光線Ａなどの太陽光線が、下向きに運転者の胸部へと方向づけられる類のものである。フロントガラス内面からの反射は、４％未満であり得る（フロントガラスがコーティングされていれば、おそらく僅か０．１％でさえある）が、太陽光のピーク強度により、ＨＵＤではこれらの反射が問題となることは、理解されるであろう。カバーガラス１２７２を湾曲させることは、製造の複雑さを増し、ＨＵＤの容積を増やす。

上部ハウジングの第２のコンポーネントは、光トラップ１２７４である。光トラップ１２７４は、ＨＵＤの他のコンポーネントを一部の太陽光から遮蔽する物理的バフルである。具体的には、光トラップ１２７４は、概して、比較的浅い太陽光（すなわち、日没近くの空で太陽が比較的低いときの太陽光－たとえば、太陽光線Ｂ）を、カバーガラス１２７２へ到達しないように遮蔽する。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、ヘッドアップディスプレイを太陽光から保護するために、湾曲された上面が別個のコンポーネント－カバーガラスと呼ばれることが多い－によって提供される従来方法を示している。本開示による一部の実施形態では、ディスプレイデバイスを保護するために、湾曲されたカバーガラスの代わりに導波路の光学ウェッジの湾曲された上面が使用される。言い替えれば、導波路の湾曲された上面が、ヘッドアップディスプレイの保護カバーガラスとして機能する。

追加的機能
実施形態は、単なる例として、電気的に活性化されるＬＣＯＳ空間光変調器に言及している。本開示の教示内容は、本開示に従ってコンピュータ生成ホログラムを表示することができる、たとえば任意の電気的に活性化されるＳＬＭｓ、光学的に活性化されるＳＬＭ、デジタルマイクロミラーデバイスまたは微小電気機械デバイスなどの任意の空間光変調器に等しく実装されてもよい。

実施形態によっては、光源は、レーザダイオードなどのレーザである。実施形態によっては、ディスプレイ平面は、ディフューザ表面、またはディフューザなどのスクリーンを含む。本開示のホログラフィック投影システムは、改良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されてもよい。実施形態によっては、ＨＵＤを提供するために車両内に設置されたホログラフィック投影システムを備える車両が提供されている。車両は、自動車、トラック、バン、大型トラック、オートバイ、電車、飛行機、ボートまたは船舶などの自走車両であってもよい。

実施形態によっては、導波路により受信されかつ複製される光は、非偏光である。一部の実施形態において、光は、ｓ偏光であり、かつ他の実施形態において、光は、ｐ偏光である。一部の実施形態において、導波路により受信されかつ複製される光は、単色性であり、かつ他の実施形態において、光は、複数の単色成分を含む。

本明細書に記載の方法およびプロセスは、コンピュータ可読媒体上で具体化されてもよい。「コンピュータ可読媒体」という用語は、データを一時的または永続的に記憶するように構成される、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、バッファメモリ、フラッシュメモリおよびキャッシュメモリなどの媒体を包含する。また、「コンピュータ可読媒体」という用語は、命令が、１つまたは複数のプロセッサにより実行されると、機械に、本明細書に記載の方法論のいずれか１つまたはそれ以上を完全にまたは部分的に実行させるように、機械により実行されるための命令を記憶することができる任意の媒体または複数の媒体の組合せをも包含すると解釈されるものとする。

「コンピュータ可読媒体」という用語は、クラウドベースの記憶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、磁気ディスクまたはこれらの任意の適切な組合せといった例示的形態である１つまたは複数の有形かつ非一時的なデータリポジトリ（たとえば、データボリューム）を含むが、これらに限定されない。一部の例示的な実施形態において、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の例としては、一時的媒体（たとえば、命令を伝達する伝搬信号）が含まれる。

当業者には、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な変更および変形を行えることが明らかであろう。本開示は、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内の全ての変更および変形を包含する。

１１０ 光源
１１１ コリメーティングレンズ
１１２ 射出波面
１２０ フーリエ変換レンズ
１２５ スクリーン
１４０ ＳＬＭ（空間光変調器）
２０２Ａ データ形成ステップ
２０２Ｂ データ形成ステップ
２１０ 入力画像
２１１Ａ 大きさ値の分布
２１１Ｂ 大きさ値の分布
２１３Ａ 位相値の分布
２３０ ランダム位相分布
２５０ 第１の処理ブロック
２５３ 第２の処理ブロック
２５６ 第３の処理ブロック
２５８ 処理ブロック
２５９ 第４の処理ブロック
２８０Ａ ホログラム
２８０Ｂ 第２の反復のホログラム
３０１ アルミニウム電極
３０１ａ 間隙
３０２ 単結晶シリコン基板
３０２ａ 回路
３０３ 配向層
３０４ 液晶層
３０５ 第２の配向層
３０６ 透明層
３０７ 透明電極
３０８ 位相変調素子
４０２ 入力光ビーム
４０４ａ 出力光線、レプリカ
４０４ｂ 出力光線、レプリカ
４０４ｃ 出力光線、レプリカ
４０４ｄ 出力光線、レプリカ
４０４ｅ 出力光線、レプリカ
４０４ｆ 出力光線、レプリカ
４１０ 第２の全反射面
４２０ 第１の部分反射面
４３０Ｒ 目視者の右目
４３０Ｌ 目視者の左目
５００ スラブ導波路
５０１ 入力ポート
５０３ａ 上面
５０３ｂ 下面
５１０ 入力光
５３０Ｒ 右目
５３０Ｌ 左目
６００ 外部および内部入力
６０２ ホログラフィックコントローラ
６０８ 目視者
６１０ 第１の光源
６１２ 第１のコリメーティングレンズ
６１４ 第１のダイクロイックミラー
６２０ 第２の光源
６２２ 第２のコリメーティングレンズ
６２４ 第２のミラー
６３０ ビームスプリッタキューブ
６４０ 空間光変調器（ＳＬＭ）
６４２ ディスプレイドライバ
６５０ フーリエレンズ
６６０ ミラー
６７０ 受光面
６８０ 投影レンズ
６９０ 導波路
７０２ 入力画像ビーム
７１０ 第２の全反射面
７２０ 第１の部分反射面
７３０ 目視者
８０２ ホログラフィックコントローラ
８０８ 目視者、目視者の目
８１０ 第１の光源
８１２ 第１のコリメーティングレンズ
８１４ 第１のダイクロイックミラー
８２０ 第２の光源
８２２ 第２のコリメーティングレンズ
８２４ 第２のミラー
８３０ ビームスプリッタキューブ
８４０ ＳＬＭ
８５０ レンズ
８７０ 受光面
８９０ 導波路
９００ 導波路
９０１ 入力ポート
９０３ 光学スラブ
９０５ 光学ウェッジ
９１０ 第１の界面
９２０ 第２の界面
９３０ 第３の界面
９４０ 第４の界面
１１０１ 入力ポート
１１０３ スラブ
１１０５ ウェッジ
１１５０ 屈折率整合流体
１２２５ 下部（または第１の）ハウジング
１２３０ フロントガラス
１２７０ 上部（または第２の）ハウジング
１２７２ カバーガラス
１２７４ 光トラップ
１２８０ ダッシュボード
１２８５ 容積
１２９０ アイボックス

Claims (15)

1. 第１の屈折率ｎ_１＞１を有する光学スラブであって、前記光学スラブは、平行構成で配置される対向する第１および第２の表面と、光が一連の内部反射により対向する前記第１および第２の表面間へ導かれるように、前記光を前記光学スラブ内へある角度で受け入れるように配置される入力とを備えるものと、
   第２の屈折率ｎ_２を有する光学ウェッジであって、前記光学ウェッジは、ウェッジ構成で配置される対向する第１および第２の表面を備え、当該第１の表面と当該第２の表面の間には角度がつけられており、１＜ｎ_２＜ｎ_１であるものと、を備えた導波路であって、
   前記光学ウェッジは厚い一端と薄い一端を有し、
   前記光学ウェッジの前記第１の表面は、前記光学スラブの前記第２の表面に当接して、界面に沿った複数の点において、前記光学スラブにより前記光学ウェッジ内へ導かれる前記光が複数回に渡って分割されるような部分的透過を可能にする前記界面を形成し、かつ、前記ウェッジの前記角度は、前記導波路の射出瞳が前記光の前記複数の分割によって拡張されるように、前記界面で受け取られる光が前記光学ウェッジの前記第２の表面から逃げることを可能にし、
   前記光学ウェッジの前記第２の表面は湾曲している
   導波路。
2. 前記光学ウェッジの湾曲した前記第２の表面は、前記光学ウェッジの対向する前記第１および第２の表面間の前記角度を、前記入力からの距離に伴って変化させる、
   請求項１に記載の導波路。
3. 前記角度は、前記入力からの距離に伴って減少する、
   請求項２に記載の導波路。
4. 前記光学ウェッジの前記第２の表面は、前記導波路の凹面を形成する、
   請求項３に記載の導波路。
5. 前記光学ウェッジの前記屈折率は、前記入力からの距離に伴って変わる、
   請求項１に記載の導波路。
6. 前記光学ウェッジの前記屈折率は、前記入力からの距離に伴って増大する、
   請求項５に記載の導波路。
7. 前記光学スラブから光を射出するように配置される出力ポートをさらに備える、
   請求項１～６のいずれかに記載の導波路。
8. 請求項１に記載の導波路を備え、パターンを表示するように配置される画像生成ユニットをさらに備えるディスプレイシステムであって、
   前記入力により受け取られる前記光は、前記画像生成ユニットにより表示される前記パターンの光である、
   ディスプレイシステム。
9. 前記画像生成ユニットと導波路との間に光学システムをさらに備え、前記光学システムは、コリメーションレンズ、縮小望遠鏡などの望遠鏡を形成するように配置される１対のレンズ、および空間フィルタを含むグループから選択される少なくとも１つを備える、
   請求項８に記載のディスプレイシステム。
10. 前記画像生成ユニットは、ホログラフィックプロジェクタである、
    請求項８または請求項９に記載のディスプレイシステム。
11. 前記表示されるパターンは、ホログラムである、
    請求項１０に記載のディスプレイシステム。
12. 前記表示されるパターンは、ホログラムから形成されるホログラフィックに再構成されたピクチャである、
    請求項１１に記載のディスプレイシステム。
13. 前記ホログラフィックに再構成されたピクチャは、拡散スクリーンなどのスクリーン上に形成される、
    請求項１２に記載のディスプレイシステム。
14. 請求項１０～１３のいずれかに記載のディスプレイシステムを備えるヘッドアップディスプレイであって、
    前記光学ウェッジの前記第２の表面は、前記ヘッドアップディスプレイの傾斜したカバーガラスまたはグレアトラップを形成する、
    ヘッドアップディスプレイ。
15. 瞳孔拡張方法であって、前記方法は、
    入力ポートを介して光を導波路の光学スラブ内へ受け入れる工程であって、前記光学スラブは、第１の屈折率、ｎ_１＞１を有する工程と、
    前記光を、一連の内部反射によって前記光学スラブの対向する第１および第２の表面間へ導く工程であって、対向する前記第１および第２の表面は、平行構成で配置されている工程と、
    前記導波路の光学ウェッジの第１の表面と前記光学スラブの前記第２の表面との間に、界面に沿った複数のポイントで前記光学ウェッジへの前記光の部分的な透過を可能にする前記界面を形成することにより、前記光を複数回分割する工程であって、前記光学ウェッジは、第２の屈折率ｎ_２を有し、かつ１＜ｎ_２＜ｎ_１であり、前記光学ウェッジは比較的厚い一端と薄い一端を有する工程と、
    前記導波路の射出瞳が前記光の前記複数の分割によって拡張されるべく、前記光学ウェッジにより前記界面を介して受け取られる光が前記光学ウェッジの前記第２の表面を介して逃げるように、前記光学ウェッジの対向する前記第１および第２の表面をウェッジ構成で配置する工程、を含み、
    前記光学ウェッジの前記第２の表面は湾曲している
    瞳孔拡張方法。

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