JP7420384B2 - 複数の４ｄエネルギーフィールドを指向するためのシステムおよび方法 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｌａｙｓ Ｕｓｉｎｇ Ｏｒｄｅｒｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」と題する２０１８年１月１４日出願の米国仮特許出願第６２／６１７，２８８号、および「Ｎｏｖｅｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎｄ Ｌｉｇｈｔ Ｆｉｅｌｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」と題する２０１８年１月１４日出願の米国仮特許出願第６２／６１７，２９３号に対する優先権の利益を主張するものであり、どちらも参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は、一般に、明視野エネルギーシステムに関し、より具体的には、秩序化材料分布を使用したエネルギー・リレーのエネルギーの横方向局在化のシステム、およびそのエネルギー・リレーを製造する方法に関する。
Ｇｅｎｅ ＲｏｄｄｅｎｂｅｒｒｙのＳｔａｒ Ｔｒｅｋにより世間一般に普及され、１９００年代初期に作家Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｍｏｓｚｋｏｗｓｋｉによって当初計画された「ホロデッキ」室内のインタラクティブな仮想世界の夢は、ほぼ一世紀の間、空想科学小説および技術革新に対するインスピレーションである。しかしながら、この経験の画期的な実現は、文献、メディア、ならびに子供達および同様に大人達の集合的な想像力の外には、全く存在していない。
複数のエネルギー領域のエネルギーを指向するためのエネルギー指向システムを製造するためのシステムおよび方法を開示する。複数のエネルギー領域を指向するためのエネルギー・リレーおよびエネルギー導波路を開示する。複数のエネルギー領域を備える４Ｄエネルギーフィールドを投影および感知するためのシステムを開示する。
一実施形態では、エネルギー・リレーは、第１のモジュールと、第２のモジュールと、を備え、第１のモジュールが、エネルギー・リレーの横方向平面内に、第１のコンポーネント設計構造体および第２のコンポーネント設計構造体の配置を備え、第２のモジュールが、エネルギー・リレーの横方向平面内に、第３のコンポーネント設計構造体および第４のコンポーネント設計構造体の配置を備え、第１および第２のコンポーネント設計構造体がどちらも、横方向平面に対して垂直である長手方向平面に沿って、第１のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成され、第３および第４のコンポーネント設計構造体がどちらも、横方向平面に対して垂直である長手方向平面に沿って、第１のエネルギー領域とは異なる第２のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成され、第１のモジュールが、第１のエネルギー領域について、長手方向平面において横方向平面よりも大幅に高い輸送効率を有し、第２のモジュールが、第２のエネルギー領域について、長手方向平面において横方向平面よりも大幅に高い輸送効率を有する。
一実施形態では、エネルギー・リレーは、エネルギー・リレーの横方向平面内に第１のコンポーネント設計構造体および第２のコンポーネント設計構造体の配置を備える第１のモジュールと、エネルギー・リレー材料と、を備え、第１のモジュールおよびエネルギー・リレー材料は、エネルギー・リレーの横方向平面にわたって分布し、第１および第２のコンポーネント設計構造体はどちらも、横方向平面に対して垂直である長手方向平面に沿って、第１のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成され、エネルギー・リレー材料は、横方向平面に対して垂直である長手方向平面に沿って、第１のエネルギー領域とは異なる第２のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成され、第１のモジュールは、第１のエネルギー領域について、長手方向平面において横方向平面よりも大幅に高い輸送効率を有し、エネルギー・リレー材料は、第２のエネルギー領域について、長手方向平面において横方向平面よりも大幅に高い輸送効率を有する。
一実施形態では、エネルギー・リレーを形成する方法は、エネルギー・リレーの長手方向平面に沿って、第１のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成された第１のエネルギー・リレー材料を提供することと、第１のエネルギー・リレー材料に１つ以上の機械的開口部を形成することであって、１つ以上の機械的開口部が、長手方向平面に沿って実質的に配向されている、形成することと、第２のエネルギー・リレー材料を１つ以上の機械的開口部に組み込むことであって、第２のエネルギー・リレー材料が、エネルギー・リレーの長手方向平面に沿って、第１のエネルギー領域とは異なる第２のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成される、組み込むことと、を含み、エネルギー・リレーは、第１および第２のエネルギー領域について、長手方向平面において、長手方向平面に対して垂直である横方向平面よりも大幅に高い輸送効率を有する。
一実施形態では、エネルギー・リレーを形成するための方法は、エネルギー・リレーの長手方向平面に沿って、それぞれ、第１および第２のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成された複数の第１および第２のエネルギー・リレー材料を提供することと、長手方向平面に対して垂直である、エネルギー・リレーの横方向平面に、実質的に非ランダムパターンで、複数の第１および第２のエネルギー・リレー材料を配置することと、エネルギー・リレーの横方向平面内の第１および第２のエネルギー・リレー材料の実質的に非ランダムパターンを維持しながら、第１および第２のエネルギー・リレー材料の配置を、融合させた構造体に処理することと、を含み、エネルギー・リレーが、長手方向平面において横方向平面よりも大幅に高いエネルギー輸送効率を有する。
一実施形態では、エネルギー指向システムは、第１および第２のエネルギー・リレー材料を備えるエネルギー・リレー装置であって、第１のエネルギー・リレー材料が、第１のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成され、第２のエネルギー・リレー材料が、第１のエネルギー領域とは異なる第２のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成される、エネルギー・リレー装置を備え、エネルギー・リレー装置が、第１の表面、第２の表面、および第３の表面を備え、エネルギー・リレーが、第１および第２の表面を通って延在する第１の複数のエネルギー伝播経路に沿って、第１のドメインのエネルギーをリレーするように、ならびに第１および第３の表面を通って延在する第２の複数のエネルギー伝播経路に沿って、第２のドメインのエネルギーをリレーするように構成され、第１および第２の複数のエネルギー伝播経路が、第１の表面に沿って、第１のエネルギー領域の複数の第１のエネルギー位置および第２のエネルギー領域の複数の第２のエネルギー位置を形成する第１の表面においてインターリーブされ、エネルギー指向システムが、複数の第１および第２のエネルギー位置に、またはそこからエネルギーを指向するように構成された導波路のアレイをさらに備える。
一実施形態では、エネルギー指向システムは、エネルギー面からの第１のエネルギーを指向するように構成された複数の第１のエネルギー位置を備えるエネルギー面と、複数の開口を備える導電性平面の１つ以上の対の間に装着された１つ以上の導電性ダイヤフラムを備えるエネルギー装置と、を備え、エネルギー装置は、エネルギー面に隣接して配置され、エネルギー面の表面の少なくとも一部分にわたって延在し、複数の開口は、複数の第１のエネルギー位置と実質的に一致しており、１つ以上の導電性ダイヤフラムは、エネルギー面から指向された第１のエネルギーを実質的に透過し、導電性平面の１つ以上の対は、１つ以上の導電性ダイヤフラムを移動させ、それによって、エネルギー装置から指向された第２のエネルギーを生成するように構成される。
一実施形態では、エネルギーシステムは、導波路のアレイであって、各導波路が、別々の基板に配置された１つ以上の素子を備え、各導波路が、少なくとも１つの開口を備える、導波路のアレイと、複数のエネルギー開口を備える導電性平面の１つ以上の対の間に装着された１つ以上の導電性ダイヤフラムを備えるエネルギー装置と、を備え、複数のエネルギー開口は、複数の導波路開口と実質的に一致し、エネルギー装置は、導波路のアレイの別々の基板の間に収容されるように構成される。
一実施形態では、エネルギー指向システムは、複数のエネルギー位置において少なくとも第１のエネルギーを生成するように構成されたエネルギー源システムと、導波路のアレイであって、導波路のアレイの各導波路が、複数のエネルギー位置の対応するサブセットから少なくとも第１のエネルギーを受信して、各導波路の開口を実質的に満たすように、および複数のエネルギー位置の対応するサブセットによって部分的に決定された複数の伝搬経路に沿って少なくとも第１のエネルギーを指向するように構成された、導波路のアレイと、複数の開口を備える導電性平面の１つ以上の対の間に装着された１つ以上の導電性ダイヤフラムを備えるエネルギー装置と、を備え、エネルギー装置は、導波路のアレイに隣接して配置され、導波路のアレイの少なくとも一部分にわたって延在し、エネルギー装置の複数の開口は、導波路のアレイの開口と実質的に一致し、１つ以上の導電性ダイヤフラムは、複数の伝搬経路に沿って指向された少なくとも第１のエネルギーを実質的に透過し、エネルギー装置は、電圧が導電性平面の１つ以上の対にわたって印加されたときに、導電性平面の１つ以上の対が１つ以上の導電性ダイヤフラムの運動を誘発し、それによって、複数の伝搬経路と協働して指向された第２のエネルギーを生成するように構成される。
エネルギー指向システムの設計パラメータを示す概略図である。 機械的エンベロープを有する能動装置領域を有するエネルギーシステムを示す概略図である。 エネルギー・リレーシステムを示す概略図である。 互いに接着されてベース構造体に固定されたエネルギー・リレー素子の一実施形態を示す概略図である。 マルチコア光ファイバを介してリレーされた画像の一例を示す概略図である。 横アンダーソン局在化原理の特性を呈する光リレーを通るリレーされた画像の一例を例解する概略図である。 エネルギー面から視認者に伝搬する光線を示す概略図である。 本開示の一実施形態に基づいて、オイルまたは液体内の２つの成分材料を混合することによって横アンダーソン局在化を達成する可撓性エネルギー・リレーの切取図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、結合剤内の２つのコンポーネント材料を混合することによって横アンダーソン局在化を達成し、その際に、１つの材料特性について１つの方向における最小変化の経路を達成する、剛性エネルギー・リレーの概略切取図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、エネルギーを吸収するように設計された長手方向におけるＤＥＭＡ（寸法外壁吸収）材料の包含物の横方向平面の切取図を例解する。 ２つのコンポーネント材料のランダム分布を備えるエネルギー・リレーの一部分の横方向平面の切取図を例解する。 単一のモジュールを画定する３つのコンポーネント材料の非ランダムパターンを備えるエネルギー・リレーのモジュールの横方向平面の切取図を例解する。 ２つのコンポーネント材料のランダム分布を備える予融合エネルギー・リレーの一部分の横方向平面の切取図を例解する。 類似の配向を有する複数のモジュールを画定する３つのコンポーネント材料の非ランダム分布を備える予融合エネルギー・リレーの一部分の横方向平面の切取図を例解する。 配向を変化させた複数のモジュールを画定する３つのコンポーネント材料の非ランダムパターンを備える予融合エネルギー・リレーの一部分の横方向平面の切取図を例解する。 ２つのコンポーネント材料のランダム分布を備える融合エネルギー・リレーの一部分の横方向平面の切取図を例解する。 ３つのコンポーネント材料のうちの１つを含む粒子の非ランダムパターンを備える融合エネルギー・リレーの一部分の横方向平面の切取図を例解する。 ２つの異なるＣＥＳ材料のランダム化された分布を備えるエネルギー・リレーの一部分の断面図を例解する。 ３つの異なるＣＥＳ材料の非ランダムパターンを備えるエネルギー・リレーの一部分の断面図を例解する。 ２つのコンポーネント材料のうちの１つを含む凝集粒子のランダム化された分布を備えるエネルギー・リレーの一部分の断面斜視図を例解する。 ３つのコンポーネント材料のうちの１つを含む凝集粒子の非ランダムパターンを備えるエネルギー・リレーの一部分の断面斜視図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、エネルギー・リレー組み合わせ装置を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、図１９Ａのさらなる実施形態を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、エネルギー導波路システムの一実施態様の直交図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、エネルギー導波路システムの別の一実施態様の直交図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、さらに別の実施態様の直交図を例解する。 複数のエネルギー領域のエネルギーを輸送することができる、秩序化エネルギー・リレーの横方向平面の切取図を例解する。 複数のエネルギー領域のエネルギーを輸送することができる、秩序化エネルギー・リレーの長手方向平面の切取図を例解する。 ２つの異なるエネルギー領域のエネルギーを伝搬することができる、エネルギー・リレー材料を製造するためのシステムを例解する。 ２つの異なるエネルギー領域のエネルギーをリレーすることができる、エネルギー・リレー素子の斜視図を例解する。 可撓性エネルギー導波路を含む、２つの異なるエネルギー領域のエネルギーをリレーすることができるエネルギー・リレー素子の斜視図を例解する。 融合前の、異なる材料で構成されているマルチエネルギー領域導波路を例解する。 融合後の、異なる材料で構成されているマルチエネルギー領域導波路を例解する。 複数の穿孔を備えるエネルギー・リレーの斜視図を例解する。 テーパ状エネルギー・リレーのモザイク配置を例解する。 ２つの直列の複合光リレーテーパを備える、エネルギー・リレー要素スタックの側面図を例解する。 内部反射の基本原理の直交図を例解する。 光ファイバに入る光線およびリレーの出口の、結果として得られる円錐形の光分布の直交図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、拡大率が３：１である光学テーパリレー構成、およびその結果得られる、取り付けられたエネルギー源の光の視野角の直交図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、図３３の光学テーパリレーの、光学テーパリレーのエネルギー源側面に湾曲した表面を有し、その結果、エネルギー源の全体的な視野角が増大している直交図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、エネルギー源側面に対して非垂直であるが、平面である表面を有する図３３の光学テーパリレーの直交図を例解する。 エネルギー源側面に凹面を有する図３３の光リレーおよび照射円錐の一実施形態の直交図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、エネルギー源側面に同じ凹面を有するが、凸面の出力エネルギー面の形状を有する図３６の光学テーパリレーおよび光照射円錐の一実施形態の直交図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、湾曲したエネルギー源側面の表面と一緒に結合されて、垂直なエネルギー源表面からエネルギー源の可視画像を形成する、複数の光学テーパモジュールの直交図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、垂直なエネルギー源側面の形状および中心軸の周りに放射状の凸面のエネルギー源表面と一緒に結合された、複数の光学テーパモジュールの直交図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、垂直なエネルギー源側面の形状および中心軸の周りに放射状の凸面のエネルギー源側面の表面と一緒に結合された複数の光学テーパリレーモジュールの直交図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、可視出力光線がエネルギー源から見てより均一になるように各エネルギー源が独立して構成されている、複数の光学テーパリレーモジュールの直交図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、エネルギー源側面およびエネルギー源がどちらも、入力および出力光線に対する制御を提供するために様々な形状で構成されている、複数の光学テーパリレーモジュールの直交図を例解する。 複数の光学テーパリレーモジュールの、その個々の出力エネルギー面が、視認者を囲むシームレスな凹面の円筒形エネルギー源を形成するように研削され、リレーの源の端部が平坦であり、各々がエネルギー源に接合されている配置の直交図を例解する。 静電スピーカの必須コンポーネントの図を例解する。 静電スピーカ素子が組み込まれたエネルギー投影システムの側面図を例解する。 エネルギーを投影するエネルギー源を備えるエネルギー源システムから単になる、エネルギーディスプレイ装置の側面図を例解する。 隣接する導波路間のエネルギー抑制要素として、静電スピーカの穿孔導電素子を一体化する、４Ｄエネルギー投影システムの一部分の側面図を例解する。 多層の導波路素子の間で、ウェーブガイド・アレイ構造体内のエネルギー抑制要素として、静電スピーカの穿孔導電素子を一体化する、４Ｄエネルギー投影システムの一部分の直交図を例解する。 モジュール式静電スピーカシステムの１つのモジュールの一実施形態の直交図を例解する。 導波路基板に装着された導波路のアレイの前に配置されたアセンブリに配置された複数の静電スピーカモジュールの一実施形態の直交図を例解する。 ４Ｄエネルギーフィールド、ならびに静電スピーカによって生成された振動音波を投影する、モジュール式４Ｄエネルギーフィールドパッケージの一実施形態の直交図を例解する。 壁に装着された静電スピーカ５１００を有する複数の４Ｄエネルギーフィールドパッケージからなるモジュール式エネルギー投影壁の一実施形態の直交図を例解する。 導電性ダイヤフラムを取り囲む、一対の導電性平面内の一組の透明な開口からなる、静電スピーカシステムに使用される単一電極の一実施形態の正面図を例解する。 すべてが別々に駆動され得る、４つの同じモジュールを備える静電スピーカの正面図を例解する。 ４つのより小さい静電スピーカの組み合わせ領域を有する導電素子対および静電スピーカのダイヤフラムの一実施形態の正面図を例解する。 ホログラフィックミュージシャンを投影し、同時に音楽を演奏している、一体型静電スピーカを備えた明視野ディスプレイの前にダンサーを含むシーンの一実施形態の斜視図を例解する。 複数の独立して制御される静電スピーカ領域を有する静電スピーカシステムを備えたエネルギー投影装置の一実施形態の斜視図を例解する。 エネルギー・リレー要素スタックが単一のシームレスエネルギー指向表面を形成するために８×４のアレイに配置されている、エネルギー指向装置の一実施形態の斜視図を例解する。 エネルギー指向装置の複数の図を含む。 エネルギー指向装置の図１７からの側面図の拡大図を含む。 複数のエネルギー伝播経路を画定するように動作可能なエネルギー導波路システムの一実施形態の上面斜視図を例解する。 図６１に示す実施形態の正面斜視図を例解する。
ホロデッキ（Ｈｏｌｏｄｅｃｋ）（集合的に「ホロデッキ設計パラメータ」と呼ばれる）の一実施形態は、十分なエネルギー刺激を提供して、人間の感覚受容器をだまし、仮想的、社会的、およびインタラクティブな環境内で受容されたエネルギーインパルスが真実であると信じ込ませ、１）外付けアクセサリ、ヘッドマウントアイウェア、または他の周辺機器を伴わない両眼視差、２）任意の数の視認者に対して同時に視認体積全域にわたる正確な運動視差、閉鎖、および不透明度、３）知覚されたすべての光線に対する、同期収束、目の遠近調節、および縮瞳を介した視覚的焦点、ならびに４）視覚、聴覚、触覚、味覚、嗅覚、および／またはバランスに対して人間の感覚「解像度」を超えるほどの十分な密度および解像度の収束エネルギー波伝搬を提供する。
これまでの従来の技術に基づいて、視覚系、聴覚系、体性感覚系、味覚系、嗅覚系、および前庭系を含むホロデッキ設計パラメータ（Ｈｏｌｏｄｅｃｋ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ）によって示唆されたように、画期的な方法ですべての受容野を提供することが可能な技術から、我々は、数世紀とまでは言わないが、数十年経過したところにある。
本開示では、明視野およびホログラフィックという用語は、任意の感覚受容器応答の刺激のためのエネルギー伝播を定義するために、同義的に使用され得る。最初の開示は、ホログラフィック画像および体積型ハプティクスのためのエネルギー面を通る電磁的および機械的エネルギー伝播の例に言及し得るが、あらゆる形態の感覚受容器が、本開示の中で想定される。さらに、伝搬経路に沿ったエネルギー伝播に対する本明細書に開示された原理は、エネルギー放出およびエネルギー捕捉の両方に適用可能であり得る。
今日、多くの技術が存在し、それらは、残念ながら、レンチキュラー印刷、ペッパーズゴースト、裸眼立体ディスプレイ、水平視差ディスプレイ、ヘッドマウントＶＲおよびＡＲディスプレイ（ＨＭＤ）、ならびに「フォークスログラフィ」として一般化された他のそのような錯覚を含む、ホログラムと混同されていることが多い。これらの技術は、真のホログラフィックディスプレイの所望の特性のいくつかを呈し得るが、識別された４つのホロデッキ設計パラメータのうちの少なくとも２つに対処するのに十分な任意の方法で、人間の視覚感覚応答を刺激する能力が不足している。
これらの課題は、ホログラフィックエネルギー伝播に対して十分にシームレスなエネルギー面を生成するための従来の技術によっては首尾よく実施されていない。しかしながら、視差バリア、ホーゲル、ボクセル、回折光学素子、マルチビュー投影、ホログラフィック拡散器、回転ミラー、多層ディスプレイ、時系列ディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ等を含む、体積式および方向多重化明視野ディスプレイを実施するには、様々なアプローチがあるが、従来のアプローチは、画質、解像度、角度サンプリング密度、サイズ、コスト、安全性、フレームレート等に関する妥協を必要とすることがあり、最終的には実行不可能な技術となる可能性がある。
視覚系、聴覚系、体性感覚系のためのホロデッキ設計パラメータを達成するために、それぞれの系の各々の人間の鋭敏さが研究され、人間の感覚受容器を十分欺くためにエネルギー波を伝搬させることが理解される。視覚系は、おおよそ１分まで解像することができ、聴覚系は、わずか３度の配置差を区別することができ、手の体性感覚系は、２～１２ｍｍ離れた点を識別することができる。これらの鋭敏性を測定するには、様々な相反する方法があるが、これらの値は、エネルギー伝播の知覚を刺激するためのシステムおよび方法を理解するには十分である。
よく知られている感覚受容器のうち、人間の視覚系は、単一の光子でさえ感覚を誘発することができることを考慮すると、はるかに感度が高い。この理由のため、本導入の多くは、視覚エネルギー波伝搬に焦点を絞り、開示されたエネルギー導波路表面内に結合された極めて低い解像度のエネルギーシステムは、適切な信号を収束させて、ホログラフィック感覚上の知覚を誘発し得る。特に断りのない限り、すべての開示は、すべてのエネルギーおよび感覚ドメインに当てはまる。
視認体積および視認距離が与えられた視覚系に対するエネルギー伝播の有効設計パラメータを計算する場合、所望のエネルギー面は、有効エネルギー位置密度の多くのギガピクセルを含むように設計され得る。広い視認体積、または近視野視認に関して、所望のエネルギー面の設計パラメータは、数百ギガピクセル以上の有効エネルギー位置密度を含み得る。比較すると、所望のエネルギー源は、入力環境変数に依存して、体積型ハプティクス学の超音波伝搬の場合の１～２５０有効ギガピクセルのエネルギー位置密度、またはホログラフィック音響の音響伝搬の場合の３６～３，６００個の有効エネルギー位置のアレイを有するように設計されることができる。注目すべき重要なことは、開示された双方向エネルギー面アーキテクチャでは、すべての構成要素が、ホログラフィック伝搬を可能にするために、任意のエネルギー領域に対して適切な構造を形成するように構成され得ることである。
しかしながら、今日、ホロデッキを可能にするための主な課題は、利用可能な視覚技術および電磁気装置の限界を内包している。音響装置および超音波装置は、それぞれの受容野における感覚鋭敏性に基づいて所望の密度における大きさに数桁の違いがあることを考慮すると、それほど困難なものではないが、その複雑性を軽視すべきではない。ホログラフィックエマルジョンは、所望の密度を上回る解像度を伴って存在し、静止画像内の干渉パターンを符号化する一方で、最先端のディスプレイ装置は、解像度、データスループット、および製造の実現可能性によって制約される。これまで、単独のディスプレイ装置では、視力に対してほぼホログラフィックな解像度を有する明視野を有意に生成することができなかった。
高度現実的ライト・フィールド・ディスプレイのための所望の解像度を満たすことが可能な単一のシリコンベース装置の製造は、現実的ではなく、現在の製造能力を超える極めて複雑な製造プロセスを内包し得る。既存の多数のディスプレイ装置を一緒にタイル状に並べることに対する制約は、パッケージング、電子機器回路、筐体、光学部品により形成される継ぎ目および間隙、ならびに画像化、コスト、および／またはサイズの観点から結果として必然的に実行不可能な技術となる他の多くの課題を内包する。
本明細書に開示された実施形態は、ホロデッキを構築するための現実世界の道筋を提供し得る。
ここで、これ以降の本明細書に、添付図面を参照して、実施形態例について説明するが、添付図面は、本明細書の一部を形成し、それらは、実施されることが可能な実施形態例を例解している。本開示および付属の特許請求の範囲の中で使用されているように、「実施形態」、「実施形態例」、および「例示的実施形態」という用語は、必ずしも単一の実施形態を指しているわけではないが、それらは単一の実施形態であってもよく、また、様々な実施形態例が、実施形態例の範囲または趣旨から逸脱しなければ、容易に組み合わされ、同義的に使用され得る。さらに、本明細書内で使用される専門用語は、実施形態例を説明することのみを目的としており、限定されたものであることを意図されていない。この点において、本明細書で使用されるように、用語「ｉｎ」は、「の中（ｉｎ）」および「の上（ｏｎ）」を含んでもよく、用語「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、単数および複数への言及を含んでもよい。さらに、本明細書内で使用されているように、用語「ｂｙ」は、また、その文脈に従って「から（ｆｒｏｍ）」をも意味し得る。さらに、本明細書内で使用されているように、用語「ｉｆ」は、また、その文脈に従って「ｗｈｅｎ（の場合）」または「ｏｎ（のとき）」をも意味し得る。さらに、本明細書内で使用されているように、単語「および／または」は、関連して列挙された項目のうちの１つ以上の任意およびすべての可能な組み合わせを指し、包含し得る。
ホログラフィックシステムの検討
明視野エネルギー伝播解像度の概要
明視野およびホログラフィックディスプレイは、エネルギー面位置が、視認体積内に伝搬された角度、色、および強度の情報を提供する複数の投影の結果である。開示されたエネルギー面は、追加の情報が同じ表面を通って共存および伝搬する機会を提供し、他の感覚系応答を誘導する。立体ディスプレイとは異なり、空間内の収束されたエネルギー伝播経路の視認される位置は、視認者が視認体積の周りを移動しても変化せず、多数の視認者が、あたかも対象物が本当にそこに存在するかのように、実世界空間の伝搬された対象物を同時に見てもよい。いくつかの実施形態では、エネルギーの伝搬は、同じエネルギー伝播経路内に位置してもよいが、反対方向に位置してもよい。例えば、エネルギー伝播経路に沿ったエネルギー放出およびエネルギー捕捉は、本開示のいくつかの実施態様では、両方とも可能である。
図１は、感覚受容器応答の刺激に関連した変数を例示する概略図である。これらの変数には、表面対角１０１、表面幅１０２、表面高さ１０３、確定したターゲット着座距離１１８、ディスプレイの中心からのターゲット着座視野１０４、両眼の間のサンプルとして本明細書に示された中間サンプルの数１０５、成人の瞳孔間の平均離隔距離１０６、人間の目の角度分単位の平均解像度１０７、ターゲット視認者位置と表面幅との間に形成される水平視野１０８、ターゲット視認者位置と表面高さとの間に形成される垂直視野１０９、結果として生じる表面全体の水平導波路素子解像度、または素子の総数１１０、結果として生じる表面全体の垂直導波路素子解像度、または素子の総数１１１、両眼の間における瞳孔間間隔、および両眼の間の角度投影に対する中間サンプル数に基づいたサンプル距離１１２、が含まれ、角度サンプリングは、サンプル距離およびターゲット着座距離に基づくことができ１１３、所望の角度サンプリングから導出された導波路素子当たり総水平解像度１１４、所望の角度サンプリングから導出された導波路素子当たり総垂直解像度１１５、装置水平は、所望の慎重なエネルギー源の確定数のカウントであり１１６、装置垂直は、所望の慎重なエネルギー源の確定数のカウントである１１７。
所望の最小解像度を理解するための方法は、視覚（または他の）感覚受容器応答の十分な刺激を確保するための以下の基準、すなわち、表面サイズ（例えば、８４インチ対角線）、表面アスペクト比（例えば、１６：９）、座席距離（例えば、ディスプレイからの距離１２８インチ）、座席視野（例えば、ディスプレイの中心に対して１２０度または±６０度）、ある距離を隔てた所望の中間サンプル（例えば、両眼の間にある１つの追加伝搬経路）、大人の眼間の平均離隔距離（約６５ｍｍ）、および人間の目の平均解像度（約１角度分）に基づき得る。これらの例の値は、具体的なアプリケーション設計パラメータに応じたプレースホルダとみなされるべきである。
さらに、視覚感覚受容器に起因する値の各々は、他の系と置き換えられ、所望の伝搬経路パラメータを決定し得る。他のエネルギー伝播の実施形態の場合、聴覚系の角度感度を３度と低くなるように、また、手の体性感覚系の空間解像度を２～１２ｍｍと小さくなるように考慮され得る。
これらの知覚の鋭敏さを測定するための様々な相反する方法が存在するが、これらの値は、仮想エネルギー伝播の知覚を刺激するシステムおよび方法を理解するのに十分である。設計解像度を考慮するための多くの方法が存在するが、以下に提案される方法論は、実用的な製品検討と感覚系の生物学的な解像限界とを組み合わせる。当業者には理解されるように、以下の概要は、かかる任意のシステム設計を単純化したものであり、単なる例示的な目的のみのために考慮されるべきである。
感覚系の解像限界が理解されると、以下が与えられれば、受け取る感覚系が、単一のエネルギー導波路素子と隣接する素子とを識別できないように、総エネルギー導波路素子密度を計算することができる。
Figure 0007420384000001
上記の計算の結果、ほぼ３２×１８°の視野が得られ、ほぼ１９２０×１０８０個（最も近いフォーマットに丸められた）のエネルギー導波路素子が所望される。また、視野が（ｕ、ｖ）両方に対して両立し、エネルギー位置のより規則正しい空間サンプリング（例えば、ピクセルアスペクト比）を提供するように、変数を制約することもできる。システムの角度サンプリングが、最適化された距離における２点間で定義されたターゲット視認体積位置、および追加伝搬エネルギー経路を仮定すると、以下のように与えられる。
Figure 0007420384000002
この場合、眼間距離を活用してサンプル距離を計算するが、任意の尺度を活用して所与の距離としての適切なサンプル数を説明し得る。上記の変数を考慮すると、０．５７°当たり約１本の光線が望ましく、別々の感覚系当たりの系全体の解像度が、算出され得、以下のように与えられる。
Figure 0007420384000003
 ●総解像度Ｈ＝Ｎ＊水平素子解像度
●総解像度Ｖ＝Ｎ＊垂直素子解像度
上記のシナリオを使って、視力システムに対して対処されたエネルギー面のサイズ、および角度解像度が与えられると、その結果得られるエネルギー面は、望ましくは、約４００ｋ×２２５ｋピクセルのエネルギー分解能位置、または９０ギガピクセルのホログラフィック伝搬密度を含み得る。これらの与えられた変数は、単に例示目的のみのためであり、他の多くの感覚及びエネルギーの計量学上の検討事項が、エネルギーのホログラフィック伝搬の最適化に対して検討されるべきである。追加の実施形態では、１ギガピクセルのエネルギー分解能位置が、入力変数に基づいて求められ得る。追加の実施形態では、１，０００ギガピクセルのエネルギー分解能位置が、入力変数に基づいて求められ得る。
現行技術の限界
活性領域、装置電子機器回路、パッケージング、および機械的エンベロープ
図２は、ある特定の機械的形状因子を伴う活性領域２２０を有する装置２００を示す。装置２００は、電力供給のためのドライバ２３０および電子機器回路２４０を含み、活性領域２２０に接続することができ、その活性領域は、ｘおよびｙの矢印により示されるような寸法を有する。この装置２００は、電力および冷却のコンポーネントを駆動するためのケーブル配線および機械的構造体を考慮に入れておらず、機械的実装面積は、可撓ケーブルを装置２００の中に導入することによってさらに最小化され得る。また、かかる装置２００に対する最小設置面積は、Ｍ：ｘおよびＭ：ｙの矢印により示される寸法を有する機械的エンベロープ２１０と呼ばれてもよい。この装置２００は、単に例解目的のみのためであり、特定用途向け電子機器回路設計は、機械的エンベロープ・オーバヘッドをさらに減らす可能性があるが、ほとんどすべての場合において、装置の活性領域の正確なサイズとはなり得ない。一実施形態では、この装置２００は、マイクロＯＬＥＤ、ＤＬＰチップ、もしくはＬＣＤパネル、または画像照明の目的を有する他の任意の技術に対する能動画像領域２２０と関連するため、電子機器回路の依存状態を例解する。
いくつかの実施形態では、より大規模なディスプレイ全体上に多数の画像を集約するために、他の投影技術を検討することも可能となり得る。しかしながら、このことは、投写距離、最小焦点、光学品質、均一なフィールド解像度、色収差、熱特性、較正、整列、追加サイズ、または形状因子に対するより大きな複雑化によるコストをもたらし得る。最も実用的な応用の場合、数十または数百個のこれらの投影源２００をホストとして機能させることは、結果として、より信頼性が低く、より大規模な設計となり得る。
単に例示的な目的だけのため、３８４０×２１６０サイトのエネルギー位置密度を有するエネルギー装置を仮定すると、エネルギー面に対して望ましい個別のエネルギー装置（例えば、装置１００）の数を算出し得、以下のように与えられる。
Figure 0007420384000004
上記の解像度の考慮を前提とすると、図２に示すものと同様の、ほぼ１０５×１０５個の装置が所望され得る。数多くの装置が、規則正しい格子状にマッピングされる場合もされない場合もある様々なピクセル構造体からなることに注意されたい。各完全なピクセル内に追加のサブピクセルまたは位置が存在するという場合には、これらを利用して、追加の解像度または角度密度を生成してもよい。追加の信号処理を使用して、ピクセル構造体（複数可）の指定された位置に従って、明視野を正しい（ｕ、ｖ）座標に変換する方法を決定することができ、各装置の、既知の較正された明示的な特性となり得る。さらに、他のエネルギー領域は、これらの比率および装置構造体の異なる取り扱いを必要とし得、当業者は、所望の周波数ドメインの各々の間にある直接的な内在的関係を理解するであろう。これについては、以降の開示の中でより詳細に示され、検討されるであろう。
結果得られた計算を使用して、最大解像度エネルギー面を生成するには、これらの個別の装置のうちのどれだけの個数が望ましいのかを理解し得る。この場合、視力閾値を達成するには、約１０５×１０５個または約１１，０８０個の装置が所望され得る。十分な感覚ホログラフィック伝搬に対してこれらの利用可能なエネルギー位置からシームレスなエネルギー面を作り出すことには、課題および斬新さが存在する。
シームレスなエネルギー面の概要
エネルギー・リレーのアレイの構成および設計
いくつかの実施形態では、装置の機械的構造の制約による継ぎ目のない個別装置のアレイから高エネルギー位置密度を生成する課題に対処するためのアプローチが開示されている。一実施形態では、エネルギー伝播リレーシステムにより、能動装置領域の有効サイズを増加させることが、機械的寸法を満たすか、または超過することを可能にして、リレーのアレイを構成し、かつ単一のシームレスなエネルギー面を形成し得る。
図３は、かかるエネルギー・リレーシステム３００の一実施形態を示す。図に示すように、リレーシステム３００は、機械的エンベロープ３２０に搭載された装置３１０を含み得、エネルギー・リレー素子３３０が、装置３１０からエネルギーを伝搬させる。リレー素子３３０は、装置の多数の機械的エンベロープ３２０が多数の装置３１０のアレイ中に配置されているときに生じ得る任意の間隙３４０を減らす能力を提供するように構成され得る。
例えば、装置の活性領域３１０が２０ｍｍ×１０ｍｍであり、機械的エンベロープ３２０が４０ｍｍ×２０ｍｍである場合、エネルギー・リレー素子３３０は、２：１の倍率で設計されて、小端部（矢印Ａ）において約２０ｍｍ×１０ｍｍ、拡大端部（矢印Ｂ）において４０ｍｍ×２０ｍｍであるテーパ形状を作り出すことができ、各装置３１０の機械的エンベロープ３２０を変更または衝突させることなく、これらの素子３３０のアレイを一緒にシームレスに整列させる能力を提供し得る。機械的に、リレー素子３３０は、一緒に接合または融着され、装置３１０間の最低限の継ぎ目間隙３４０を確保しながら整列され、かつ研磨されることができる。かかる一実施形態では、目の視力限界より小さい継ぎ目間隙３４０を達成することが可能になる。
図４は、一緒に形成され、追加の機械的構造体４３０に確実に固定されたエネルギー・リレー素子４１０を有するベース構造体４００の一例を示す。シームレスなエネルギー面４２０の機械的構造体は、複数のエネルギー・リレー素子４１０、４５０を、リレー素子４１０、４５０を搭載するための接合または他の機械的プロセスを通じて、同じベース構造体に直列に結合する機能を提供する。いくつかの実施態様では、各リレー素子４１０は、融着されるか、接合されるか、接着されるか、圧力嵌合されるか、整列されるか、またはそれ以外の方法で一緒に取り付けられて、その結果得られるシームレスなエネルギー面４２０を形成してもよい。いくつかの実施態様では、装置４８０は、リレー素子４１０の後部に搭載され、パッシブまたはアクティブ調芯されて、決められた公差を維持する範囲内で適切なエネルギー位置に整列することを確保し得る。
一実施形態では、シームレスエネルギー面は、１つ以上のエネルギー位置を備え、１つ以上のエネルギー・リレー要素スタックは、第１および第２の側面を備え、各エネルギー・リレー要素スタックは、１つ以上のエネルギー位置とシームレスディスプレイ表面との間で延在する伝搬経路に沿ってエネルギーを指向する単一のシームレス表示面を形成するように配置され、ここで、終端エネルギー・リレー素子の任意の２つの隣接する第２の側面の端部間距離は、単一のシームレス表示面の幅より大きい距離において２０／４０の映像よりも良好な人間の視力によって定義されるような最小知覚可能外形よりも小さい。
一実施形態では、シームレスなエネルギー面の各々は、横方向および長手方向の配向に第１および第２の表面を形成する１つ以上の構造体を各々有する１つ以上のエネルギー・リレー素子を備える。第１のリレー表面は、結果として正または負の倍率となる第２のリレー表面と異なる領域を有し、第２のリレー表面全体を横切る表面輪郭の法線に対して±１０度の角度を実質的に充填するように、第２のリレー表面を通ってエネルギーを通過させる第１および第２のリレー表面の両方に対して明白な表面輪郭を伴って構成されている。
一実施形態では、複数のエネルギー領域は、視覚、聴覚、触覚、または他のエネルギー領域を含む１つ以上の感覚ホログラフィックエネルギー伝播経路を指向するように、単一のエネルギー・リレー内、または複数のエネルギー・リレーの間に構成され得る。
一実施形態では、シームレスなエネルギー面は、１つまたは複数のエネルギー領域を同時に受信および放出の両方を行って、そのシステム全体にわたって双方向のエネルギー伝播を提供するように、各第２の側面に対する２つ以上の第１の側面を含むエネルギー・リレーで構成される。
一実施形態では、エネルギー・リレーは、ゆるやかなコヒーレント素子として提供される。
コンポーネント設計構造体の導入
横アンダーソン局在エネルギー・リレーにおける開示された進展
エネルギー・リレーの特性は、横アンダーソン局在を誘発するエネルギー・リレー素子について本明細書に開示された原理に従って大幅に最適化されてもよい。横アンダーソン局在は、横方向には無秩序であるが長手方向には一貫性のある材料を通って輸送される光線の伝搬である。
これは、アンダーソン局在現象を生じさせる材料の影響は、波の干渉が横方向の配向の伝搬を完全に制限し得る一方で長手方向の配向の伝搬を継続するような多重散乱経路間のランダム化によるよりも、全反射による影響を受けにくいことを意味し得る。
さらに重要な利点としては、従来のマルチコア光ファイバ材料のクラッドを除去することである。このクラッドは、ファイバ間のエネルギーの散乱を機能的に除去するが、同時に光線エネルギーに対する障壁として機能し、これによって少なくともコア対クラッド比（例えば、７０：３０のコア対クラッド比では、受信されたエネルギー伝送のうちの最大７０％で送信し得る）まで伝送を減少させ、さらに、伝搬されたエネルギー内に強いピクセル化パターニングを形成する。
図５Ａは、かかる１つの非アンダーソン局在エネルギー・リレー５００の一例の端面図を示し、ここでは、画像が、光ファイバの固有の特性のためにピクシレーション化およびファイバー・ノイズが現れ得るマルチコア光ファイバを介してリレーされている。従来のマルチモードおよびマルチコア光ファイバを使うと、リレーされた画像は、離散的なアレイコアの全反射特性のために本質的にピクセル化され得、そこでは、任意のコア間クロストークが変調伝達関数を低下させ、かつ輪郭ボケを増加させるであろう。従来のマルチコア光ファイバを使って結果として生成された画像は、図５Ａに示すものと同様の残留固定ノイズファイバパターンを有する傾向がある。
図５Ｂは、横アンダーソン局在の特性を示す材料を含むエネルギー・リレーを通過する同じリレー画像５５０の一例を示し、ここでは、リレーパターンが、図５Ａの固定されたファイバパターンと比較して、より大きな密度の粒子構造を有する。一実施形態では、ランダム化された微小コンポーネント加工構造体を含むリレーは、横アンダーソン局在を誘発し、市販のマルチモードガラス光ファイバよりも高い、解決可能な解像度の伝搬で光をより有効に輸送する。
一実施形態では、横アンダーソン局在化を呈するリレー素子は、一次元格子状に配置された３つの各々の直交平面内に、複数の少なくとも２つの異なるコンポーネント設計構造体を含み得、その複数の構造体は、一次元格子内の横方向平面内の材料波伝播特性のランダム化された分布、および一次元格子内の長手方向平面内の材料の波動伝搬特性の同様の値のチャネルを形成し、そこでは、エネルギー・リレーを通って伝搬するエネルギー波は、横方向配向に対して、長手方向配向により高い輸送効率を有し、空間的に横方向の向きに局在化されている。
一実施形態では、一次元格子内の横方向平面の材料波伝播特性のランダム化された分布は、分布のランダム化された性質のため、望ましくない構成につながり得る。材料波伝播特性のランダム化された分布は、横方向平面全体にわたって平均してエネルギーのアンダーソン局在化を誘発し得るが、制御されていないランダム分布の結果として、類似する材料波伝播特性の限られた領域を偶然に形成し得る。例えば、類似する波伝搬特性のこれらの局所的な領域のサイズが、それらの意図するエネルギー輸送ドメインに対して大きすぎる場合、その材料を介したエネルギー輸送の効率の潜在的低減が存在し得る。
一実施形態では、リレーは、光の横アンダーソン局在化を誘発することによって特定の波長範囲の可視光を輸送するために、コンポーネント設計構造体のランダム化された分布から形成され得る。しかしながら、それらのランダム分布のため、構造体は、可視光の波長よりも数倍大きい単一のコンポーネント設計構造体の連続領域を横方向平面にわたって形成するように、偶然に配設し得る。その結果、大きい連続する単一材料領域の長手方向軸に沿って伝搬する可視光は、横アンダーソン局在化効果の低下を経験する場合があり、また、リレーを介した輸送効率の悪化を被る場合がある。
一実施形態では、エネルギー・リレー材料の横方向平面の材料波伝播特性の秩序化分布を設計することが望ましくなり得る。かかる秩序化分布は、横アンダーソン局在化に類似する方法を介してエネルギー局在化効果を理想的に誘発し、一方で、ランダムな特性分布から本質的に生じる変則的に分布する材料特性による輸送効率の潜在的な低下を最小にする。以下、エネルギー・リレー素子内の横アンダーソン局在化の効果に類似する横方向エネルギー局在化効果を誘発するために、材料波伝播特性の秩序化分布を使用することを、秩序化エネルギー局在化と呼ぶ。
一実施形態では、複数のエネルギー領域は、視覚、聴覚、触覚、または他のエネルギー領域を含む１つ以上の感覚ホログラフィックエネルギー伝播経路を指向するように、単一の秩序化エネルギー局在化エネルギー・リレー内、または複数の秩序化エネルギー局在化エネルギー・リレーの間に構成され得る。
一実施形態では、シームレスなエネルギー面は、１つ以上のエネルギー領域の受信および放出の両方を同時に行って、そのシステム全体にわたって双方向のエネルギー伝播を提供するように、各第２の側面に対する２つ以上の第１の側面を備える、秩序化エネルギー局在化エネルギー・リレーで構成される。
一実施形態では、秩序化エネルギー局在化エネルギー・リレーは、ゆるやかなコヒーレント素子または可撓性エネルギー・リレー素子として構成される。
４Ｄプレノプティック関数に関する考察
ホログラフィックウェーブガイド・アレイを通るエネルギーの選択的伝搬
上記および本明細書全体にわたって考察されているように、明視野ディスプレイシステムは、一般に、エネルギー源（例えば、照明源）、および上記の考察で明確に示したような、十分なエネルギー位置密度で構成されたシームレスなエネルギー面を含む。複数のリレー素子を使用して、エネルギー装置からシームレスなエネルギー面にエネルギーをリレーし得る。一旦、エネルギーが所要のエネルギー位置密度を有するシームレスなエネルギー面に送達されると、エネルギーは、開示されたエネルギー導波路システムを介して４Ｄプレノプティック関数に従って伝搬され得る。当業者により理解されるように、４Ｄプレノプティック関数は、当技術分野でよく知られており、本明細書では、これ以上詳述しない。
エネルギー導波路システムは、４Ｄプレノプティック関数の角度コンポーネントを表すことを通じて通過するエネルギー波の角度方向を変化させるように構成された構造体と共に、４Ｄプレノプティック関数の空間座標を表すシームレスなエネルギー面に沿って複数のエネルギー位置を通ってエネルギーを選択的に伝搬させ、そこでは、伝搬されたエネルギー波は、４Ｄプレノプティック関数により指向された複数の伝搬経路に従って空間内に収束し得る。一実施形態では、エネルギー伝播経路は、２Ｄ空間座標および２Ｄ傾斜座標を備える４Ｄ座標によって画定され得る。一実施形態では、４Ｄ座標によって画定される複数のエネルギー伝播経路は、４Ｄエネルギーフィールド関数によって記述することができる。
ここで、４Ｄプレノプティック関数に従って、４Ｄ画像空間における明視野エネルギー面の一例を示した図６を参照する。この図は、エネルギーの光線が視認体積内の様々な位置から空間６３０内でどのように収束するかを説明する際の視認者６２０へのエネルギー面６００の光線追跡の一実施形態を例解している。図に示すように、各導波路素子６１０は、エネルギー面６００を通るエネルギー伝播６４０を説明する４次元情報を画定する。２つの空間次元（本明細書では、ｘおよびｙと呼ばれる）とは、画像空間内で観察され得る物理的な複数のエネルギー位置、ならびに角度成分θおよびφ（本明細書では、ｕおよびｖと呼ばれる）であり、これは、エネルギーウェーブガイド・アレイを通って投影されるときに仮想空間内で観察される。通常、および４Ｄプレノプティック関数に従って、複数の導波路（例えば、小型レンズ）は、本明細書に記載されたホログラフィックまたは明視野システムを形成する際、ｕ、ｖ角度成分により画定された方向に沿って、ｘ、ｙ次元から仮想空間内の特定の位置にエネルギー位置を指向することができる。
しかしながら、当業者であれば、明視野およびホログラフィックディスプレイ技術に対する重要な課題は、回折、散乱、拡散、角度方向、較正、焦点、視準、曲率、均一性、素子クロストーク、ならびに減少する有効解像度ならびに極めて忠実にエネルギーを正確に収束させることができないことの一因となる他の多数のパラメータのいずれかを正確に考慮しなかった設計のために、制御されていないエネルギー伝播を引き起こすことを理解するであろう。
一実施形態では、ホログラフィックディスプレイに関する課題に対処するための選択的エネルギー伝播へのアプローチは、エネルギー抑制要素、および４Ｄプレノプティック関数により画成された環境の中に、導波路の開口部を略平行エネルギーで実質的に満たすことを含み得る。
一実施形態では、エネルギー導波路のアレイは、各導波路素子が通って延在するように構成された複数のエネルギー伝播経路を画定し、単一導波路素子を通過するのみのために各エネルギー位置の伝搬を制限するように位置づけられた１つ以上の素子によって抑制されたシームレスなエネルギー面に沿って、複数のエネルギー位置に対する所定の４Ｄ関数により定義された固有の方向において、導波路素子の有効アパーチャを実質的に充填し得る。
一実施形態では、複数のエネルギー領域は、単一のエネルギー導波路内に、または多数のエネルギー導波路の間に構成され、視覚、聴覚、触覚、または他のエネルギー領域を含む１つ以上の感覚ホログラフィックエネルギー伝播を指向し得る。
一実施形態では、エネルギー導波路およびシームレスなエネルギー面は、システム全体にわたって双方向のエネルギー伝播を提供するように、１つまたは複数のエネルギー領域の受信および放出の両方を行うように構成される。
一実施形態では、エネルギー導波路は、エネルギーの非線形または非規則的なエネルギー分布を伝搬するように構成されており、そのエネルギー分布は、非送信ボイド領域を含み、デジタル符号化、回折、屈折、反射、グリン、ホログラフィック、フレネル、または壁、テーブル、床、天井、部屋、もしくは他の幾何学ベース環境を含む任意のシームレスなエネルギー面配向のための同様な導波路構成を活用する。さらなる実施形態では、エネルギー導波路素子は、ユーザが３６０度構成でエネルギー面のすべての周辺からホログラフィック画像を視認することを可能にする任意の表面プロファイルおよび／または卓上視野を提供する様々な形状を生成するように構成され得る。
一実施形態では、エネルギーウェーブガイド・アレイ素子は、反射表面としてもよく、それらの素子の配置は、六角形、正方形、不規則、半規則、湾曲、非平面、球面、円筒、傾斜規則、傾斜不規則、空間的に変化する、かつ／または多層化されてもよい。
シームレスなエネルギー面内の任意のコンポーネントの場合、導波路またはリレーコンポーネントとしては、以下に限定されないが、光ファイバ、シリコン、ガラス、ポリマー、光リレー、回折、ホログラフィック、屈折、または反射素子、光フェイスプレート、エネルギー結合器、ビームスプリッタ、プリズム、偏光素子、空間光変調器、能動ピクセル、液晶セル、透明ディスプレイ、またはアンダーソン局在もしくは全反射を呈する任意の同様な材料を挙げることができる。
ホロデッキの実現
ホログラフィック環境内で人間の感覚受容器を刺激するための双方向シームレスエネルギー面システムの集約
多数のシームレスなエネルギー面を一緒にタイル張り、融着、接合、取り付け、および／または縫い合わせを行い、部屋全体を含む任意のサイズ、形状、輪郭、または形状因子を形成することによって、シームレスなエネルギー面システムの大規模な環境を構築することが可能になる。各エネルギー面システムは、双方向ホログラフィックエネルギー伝播、放出、反射、または感知用に集合的に構成された、ベース構造体、エネルギー面、リレー、導波路、装置、および電子機器回路を有するアセンブリを備え得る。
一実施形態では、タイル張り式シームレスエネルギーシステムの環境が、集約されて所与の環境内のすべての表面まで構成する設備を含む、大きくシームレスな平面または曲面壁を形成し、シームレス、不連続面、カット面、曲面、円筒、球面、幾何学的、または非規則的な形状の任意の組み合わせとして構成されている。
一実施形態では、平面表面の集約タイルは、劇場または会場ベースのホログラフィックエンターテイメントのための壁サイズのシステムを形成する。一実施形態では、平面表面の集約タイルは、洞窟ベースのホログラフィック設備のために天井および床の両方を含む４～６つの壁を有する部屋を網羅する。一実施形態では、湾曲した表面の集約タイルは、没入型ホログラフィック設備のための円筒型シームレス環境を生成する。一実施形態では、シームレス球形表面の集約タイルは、没入型ホロデッキベース体験のためのホログラフィックドームを生成する。
一実施形態では、シームレスな湾曲したエネルギー導波路の集合タイルは、エネルギー導波路構造体内のエネルギー抑制要素の境界に沿った正確なパターンに従った機械的エッジを提供し、隣接する導波路表面の隣接するタイル状の機械的エッジを接着、整列、または融合させて、モジュール式のシームレスなエネルギー導波路システムをもたらす。
集合タイル状環境のさらなる実施形態では、エネルギーは、複数の同時エネルギー領域に対して双方向に伝搬される。追加の実施形態では、エネルギー面は、明視野データが照明源によって導波路を通じて投影され、同時に同じエネルギー面を通じて受信され得るように設計された導波路を用いて、同じエネルギー面から同時に表示および捕捉する能力を提供する。さらなる実施形態では、深度検知および能動走査技術をさらに活用して、正確な世界座標内のエネルギー伝播と視認者との間の相互作用を可能にし得る。追加の実施形態では、エネルギー面および導波路は、触覚または体積触覚のフィードバックを誘発するために、周波数を放射、反射または収束するように動作可能である。いくつかの実施形態では、双方向エネルギー伝播と集合表面との任意の組み合わせが可能である。
一実施形態では、このシステムは、シームレスなエネルギー面の同じ部分に対して、少なくとも２つのエネルギー装置を対にするために、２つ以上の経路のエネルギー結合器と独立に対にされた１つまたは複数のエネルギー装置を有するエネルギー面を通して、エネルギーの双方向の放出および検知が可能なエネルギー導波路を備える、または１つまたは複数のエネルギー装置が、エネルギー面の後ろの、ベース構造体に固定された追加のコンポーネントに近接して、または軸外直接または反射投影もしくは感知のための導波路のＦＯＶの前および外部の位置に近接して固定されており、結果得られたエネルギー面が、導波路がエネルギーを収束すること、第１の装置がエネルギーを放出すること、および第２の装置がエネルギーを検知することを可能にし、ここで、情報は、伝搬されたエネルギーパターン内の干渉の、目および網膜による４Ｄプレノプティック追跡または検知、深度予測、近接、動き追跡、画像、色または音の形成、または他のエネルギー周波数解析を含むがこれらに限定されない、コンピュータビジョンに関連したタスクを実行するように処理される。さらなる実施形態では、追跡された位置は、双方向捕捉データと投影情報との間の干渉に基づいて、エネルギーの位置を能動的に計算し修正する。
いくつかの実施形態では、超音波センサ、可視電磁ディスプレイ、および超音波放出装置を含む３つのエネルギー装置の複数の組み合わせが、各装置のエネルギー領域に特有の加工特性、ならびに超音波および電磁エネルギーが、各装置のエネルギーを別々に指向および収束させ、分離したエネルギー領域のために構成されている他の導波路素子によっては実質的に影響を受けない能力をそれぞれ提供するように構成された２つの加工導波路素子、を含む３つの第１の表面の各々と一緒に単一の第２のエネルギー・リレー表面の中に結合されたエネルギーを伝搬させる３つの第１のリレー表面の各々、に対して共に構成されている。
いくつかの実施形態では、符号化／復号化技術、ならびに較正された構成ファイルに基づいてエネルギー伝播に適切な較正情報にデータを変換するための専用の集積システムを使用して、効率的な製造がシステムアーチファクトの除去、および得られたエネルギー面の幾何学的マッピングの生成を可能にする較正手順が開示されている。
いくつかの実施形態では、一連の追加のエネルギー導波路、および１つ以上のエネルギー装置が１つのシステムに一体化され、不明瞭なホログラフィックピクセルを生成し得る。
いくつかの実施形態では、導波路の直径よりも大きい空間解像度および／または角度解像度を提供するために、または他の超解像目的で、エネルギー抑制要素、ビームスプリッタ、プリズム、アクティブ視差バリアまたは偏光技術を含む、追加の導波路素子を統合することができる。
いくつかの実施形態では、開示されたエネルギーシステムは、仮想現実（ＶＲ）または拡張現実（ＡＲ）などの着用可能な双方向装置として構成することもできる。他の実施形態では、エネルギーシステムは、視認者のために、表示または受信されたエネルギーを、空間内の決定された平面に近接して焦点させる調整光学素子（複数可）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ウェーブガイド・アレイは、ホログラフィックヘッドマウントディスプレイに組み込まれてもよい。他の実施形態では、システムは、視認者がエネルギーシステムおよび現実世界環境（例えば、透明ホログラフィックディスプレイ）の両方を見ることが可能になる多数の光学経路を含んでもよい。これらの例では、システムは、他の方法に加えて近視野として提示され得る。
いくつかの実施形態では、データの送信は、情報およびメタデータの任意のデータセットを受信し、当該データセットを分析し、材料特性、ベクトル、表面ＩＤ、より疎なデータセットを形成する新規ピクセルデータを受信または割り当てを行う、選択可能または可変の圧縮率を有する符号化処理を含み、そこでは、受信されたデータは、２Ｄ、立体、マルチビュー、メタデータ、明視野、ホログラフィック、幾何学的形状、ベクトルもしくはベクトル化されたメタデータを含んでもよく、符号器／復号器は、２Ｄ、２Ｄプラス深度、メタデータ、もしくは他のベクトル化された情報、立体、立体プラス深度、メタデータ、もしくは他のベクトル化された情報、マルチビュー、マルチビュープラス深度、もしくは他のベクトル化された情報、ホログラフィック、または明視野コンテンツに対する画像処理を含む実時間またはオフラインのデータを、深度メタデータの有無にかかわらず深度推定アルゴリズムを介して変換する能力を提供し得、逆光線追跡方法は、特徴付けられた４Ｄプレノプティック関数を介して、様々な２Ｄ、立体、マルチビュー、体積、明視野、またはホログラフィックのデータから実世界座標に逆光線追跡によって生成されて得られた変換データを適切にマッピングする。これらの実施形態では、所望の全データ送信は、未処理の明視野データセットよりも数桁小さい送信情報となり得る。
図６１は、複数のエネルギー伝播経路９１０８を画定するように動作可能なエネルギー導波路システム９１００の一実施形態の上面斜視図を例解する。エネルギー導波路システム９１００は、複数のエネルギー伝播経路９１０８に沿ってエネルギー導波路のアレイ９１１２を通過するようにエネルギーを指向するよう構成されたエネルギー導波路のアレイ９１１２を備える。一実施形態では、複数のエネルギー伝播経路９１０８は、アレイの第１の側面９１１６の複数のエネルギー位置９１１８を通ってアレイの第２の側面９１１４まで延在する。
図６１を参照すると、一実施形態では、複数のエネルギー伝播経路９１０８の第１のサブセットは、第１のエネルギー位置９１２２を通って延在する。第１のエネルギー導波路９１０４は、複数のエネルギー伝播経路９１０８の第１のサブセットの第１のエネルギー伝播経路９１２０に沿ってエネルギーを指向するように構成される。第１のエネルギー伝播経路９１２０は、第１のエネルギー位置９１２２と第１のエネルギー導波路９１０４との間に形成された第１の主光線９１３８によって画成され得る。第１のエネルギー伝播経路９１２０は、第１のエネルギー位置９１２２と第１のエネルギー導波路９１０４との間に形成され、それぞれエネルギー伝播経路９１２０Ａおよび９１２０Ｂに沿って第１のエネルギー導波路９１０４によって指向される光線９１３８Ａおよび９１３８Ｂを含むことができる。第１のエネルギー伝播経路９１２０は、第１のエネルギー導波路９１０４からアレイの第２の側面９１１４に向かって延在し得る。一実施形態では、第１のエネルギー伝播経路９１２０に沿って指向されるエネルギーは、第１の主光線９１３８が第２の側面９１１４を通って伝搬される角度と実質的に平行な方向に第１のエネルギー導波路９１０４を通って指向されるエネルギー伝播経路９１２０Ａとエネルギー伝播経路９１２０Ｂとの間、またはこれらを含む１つ以上のエネルギー伝播経路を含む。
実施形態は、第１のエネルギー伝播経路９１２０に沿って指向されるエネルギーが、エネルギー伝播経路９１２０Ａおよび９１２０Ｂ、ならびに第１の主光線９１３８と実質的に平行な方向に第１のエネルギー導波路９１０４を出ることができるように構成され得る。第２の側面９１１４のエネルギー導波路素子９１１２を通って延在するエネルギー伝播経路は、実質的に類似する伝搬方向の複数のエネルギー伝播経路を備えると仮定することができる。
図６２は、エネルギー導波路システム９１００の一実施形態の正面例解図である。第１のエネルギー伝播経路９１２０は、図６１に示されるアレイ９１１２の第２の側面９１１４に向かって、第１のエネルギー導波路９１０４から延在する固有の方向９２０８に延在し得、その固有の方向は、少なくとも第１のエネルギー位置９１２２によって決定される。第１のエネルギー導波路９１０４は、空間座標９２０４によって画定され得、少なくとも第１のエネルギー位置９１２２によって決定される固有の方向９２０８は、第１のエネルギー伝播経路９１２０の方向を画定する角度座標９２０６によって画定され得る。空間座標９２０４および角度座標９２０６は、第１のエネルギー伝播経路９１２０の固有の方向９２０８を画定する四次元プレノプティック座標セット９２１０を形成することができる。
一実施形態では、第１のエネルギー導波路９１０４を通って第１のエネルギー伝播経路９１２０に沿って指向されるエネルギーは、第１のエネルギー導波路９１０４の第１の開口９１３４を実質的に満たし、エネルギー伝播経路９１２０Ａとエネルギー伝播経路９１２０Ｂとの間に位置し、第１のエネルギー伝播経路９１２０の方向と平行な１つ以上のエネルギー伝播経路に沿って伝搬する。一実施形態では、第１の開口９１３４を実質的に満たす１つ以上のエネルギー伝播経路は、第１の開口９１３４の５０％を超える直径を備え得る。一実施形態では、導波路９１００のアレイは、ディスプレイ壁を形成するように配設され得る。
一実施形態では、第１の開口部９１３４を実質的に満たす第１のエネルギー導波路９１０４を通って第１のエネルギー伝播経路９１２０に沿って指向されるエネルギーは、第１の開口９１３４の５０％～８０％の直径を備え得る。
図６１を再び参照すると、一実施形態では、エネルギー導波路システム９１００は、第１の側面９１１６と第２の側縁９１１４との間のエネルギーの伝搬を制限し、隣接する導波路９１１２の間のエネルギー伝播を抑制するように位置づけられたエネルギー抑制要素９１２４をさらに備え得る。一実施形態では、エネルギー抑制要素は、第１の開口９１３４を通って延在しない複数のエネルギー伝播経路１０８の第１のサブセットの一部分に沿ったエネルギー伝播を抑制するように構成される。一実施形態では、エネルギー抑制要素９１２４は、第１の側面９１１６で、エネルギー導波路９１１２のアレイと複数のエネルギー位置９１１８との間に配置され得る。一実施形態では、エネルギー抑制要素９１２４は、第２の側面９１１４で、複数のエネルギー位置９１１８とエネルギー伝播経路９１０８との間に配置され得る。一実施形態では、エネルギー抑制要素９１２４は、第１の側面９１１６または第２の側面９１１４で、エネルギー導波路９１１２のアレイまたは複数のエネルギー位置９１１８と直交に配置することができる。
一実施形態では、第１のエネルギー伝播経路９１２０に沿って指向されるエネルギーは、第２のエネルギー導波路９１２８を通る第２のエネルギー伝播経路９１２６に沿って指向されるエネルギーに収束し得る。第１および第２のエネルギー伝播経路は、アレイ９１１２の第２の側面９１１４の位置９１３０に収束し得る。一実施形態では、第３のエネルギー伝播経路９１４０および第４のエネルギー伝播経路９１４１もまた、アレイ９１１２の第１の側面９１１６の位置９１３２に収束し得る。一実施形態では、第５のエネルギー伝播経路９１４２および第６のエネルギー伝播経路９１４３もまた、アレイ９１１２の第１の側面９１１６と第２の側面９１１４との間の位置９１３６に収束し得る。
一実施形態では、エネルギー導波路システム９１００は、それを通過するエネルギーの角度方向を変更するように構成された構造体、例えば、屈折素子、回折素子、反射素子、屈折率分布型素子、ホログラフィック素子、または他の光学素子、少なくとも１つの開口数を備える構造体、少なくとも１つの内面からエネルギーを再指向するように構成された構造体、光リレー、その他、などの、エネルギーを指向するための構造体を備え得る。導波路９１１２は、
ａ）屈折、回折、または反射、
ｂ）単層または複合多層素子、
ｃ）ホログラフィック光学素子およびデジタル符号化光学系、
ｄ）３Ｄプリント素子、またはリソグラフィックマスタもしくはレプリカ、
ｅ）フレネルレンズ、回折格子、ゾーンプレート、バイナリ光学素子、
ｆ）レトロ反射素子、
ｇ）光ファイバ、全反射、またはアンダーソン局在化、
ｈ）屈折率分布型光学系、または種々の屈折率整合材料、
ｉ）ガラス、ポリマー、気体、固体、液体、
ｊ）音響導波路、
ｋ）マイクロおよびナノスケール素子、または
ｌ）偏光、プリズム、もしくはビームスプリッタ、などの双方向エネルギー指向構造体もしくは材料のいずれか１つ、これらのまたは組み合わせを含み得ることを認識されたい。
一実施形態では、エネルギー導波路システムが、エネルギーを双方向に伝搬させる。
一実施形態では、エネルギー導波路が、音波の形態の機械的エネルギーの伝搬のために構成されている。
一実施形態では、エネルギー導波路が、電磁エネルギーの伝搬のために構成されている。
一実施形態では、エネルギー導波路素子内の１つ以上の構造体内、およびエネルギー導波路システムを含む１つ以上の層内で適切な材料特性を絡合すること、層状化すること、反射させること、組み合わせること、または他の方法で供給することによって、エネルギー導波路が、機械的、電磁的、および／または他の形態のエネルギーを同時に伝搬させるように構成されている。
一実施形態では、エネルギー導波路が、４Ｄ座標系内で、ｕおよびｖに対して、それぞれ異なる比率を有するエネルギーを伝搬させる。
一実施形態では、エネルギー導波路が、アナモルフィックな関数を使用してエネルギーを伝搬させる。一実施形態では、エネルギー導波路が、エネルギー伝播経路に沿って複数の素子を備える。
一実施形態では、エネルギー導波路が、光ファイバリレー研磨表面から直接形成されている。
一実施形態では、エネルギー導波路システムが、横アンダーソン局在化を呈する材料を含む。
一実施形態では、エネルギー導波路システムが、極超音速周波数を伝搬させて立体空間内で触感を収束させる。
一実施形態では、エネルギー導波路素子のアレイは、
ａ）エネルギー導波路のアレイの六角形パッキン、
ｂ）エネルギー導波路のアレイの正方形パッキン、
ｃ）エネルギー導波路のアレイの不規則または半規則的パッキン、
ｄ）エネルギー導波路の湾曲または非平面アレイ、
ｅ）エネルギー導波路の球形アレイ、
ｆ）エネルギー導波路の円筒形アレイ、
ｇ）エネルギー導波路の傾斜した規則的アレイ、
ｈ）エネルギー導波路の傾斜した不規則アレイ、
ｉ）エネルギー導波路の空間的に変化するアレイ、
ｊ）エネルギー導波路の多層アレイ、を含み得る。
アンダーソン局在化材料の制限および秩序化エネルギー局在化の導入
アンダーソン局在化原理は、１９５０年代に導入されたが、材料およびプロセスにおける最近の技術的ブレークスルーによってはじめて、その原理が光輸送において実際に研究されることを可能にした。横アンダーソン局在化は、横方向には不規則であるが、長手方向には不変の材料を通って横方向平面内で波が拡散することなく輸送される波の伝搬である。
先行技術において、横アンダーソン局在化は、ランダムに混合され、そして互いに溶融された、異なる屈折率（ＲＩ）を有する光ファイバの数百万本の個々の撚り線を線引きすることを通じて、光ファイバ面板が作製された実験を通して観察された。入力ビームが面板の表面のうちの一方を横切ってスキャンされると、反対側の表面上の出力ビームは、入力ビームの横方向位置へ追従する。アンダーソン局在化は、不規則な媒体内では、波の拡散の不存在を呈するため、いくつかの基本的な物理学は、光ファイバリレーと比較した場合とは異なる。これは、アンダーソン局在化現象を生じさせる光ファイバの効果が、波の干渉を長手方向の経路において継続しながら、横方向配向の伝搬を完全に制限することができる多重散乱経路間のランダム化によるよりも、全反射による影響を受けにくいことを意味する。この概念に加えて、エネルギー輸送装置の横方向平面内のランダム化された分布の代わりに、材料波伝播特性の秩序化分布が使用され得ることが本明細書に導入される。かかる秩序化分布は、本明細書で装置の横方向平面の秩序化エネルギー局在化と呼ばれるものを誘発し得る。この秩序化エネルギー局在化は、類似する材料特性の局在化されたグループ化の発生を低減させ、この発生は、ランダム分布の性質により起こり得るが、装置を通したエネルギー輸送の全体的な効率を低下させるように作用する。
一実施形態では、光学的変調伝達関数（ＭＴＦ）で測定したときに、秩序化エネルギー局在化材料が、最高品質の市販のマルチモードガラスイメージファイバーと同等またはそれ以上のコントラストで光を輸送することが可能であり得る。マルチモードおよびマルチコア光ファイバを用いると、コア間の任意のクロストークによってＭＴＦが減少し、ぼやけが増加するであろう、コアの個別アレイの全反射の特性により、リレーされた画像は、本質的にピクセル化される。図５Ａに示すように、マルチコア光ファイバを用いて生成されて得られた画像は、残留固定ノイズファイバパターンを有する傾向がある。対照的に、図５Ｂは、ノイズパターンが固定ファイバパターンよりもはるかに粒子構造のように見える横アンダーソン局在化原理に類似する秩序化エネルギー局在化を呈する材料サンプルの一例を介した同じリレー画像を例解する。
秩序化エネルギー局在化現象を呈する光リレーの別の利点は、それをポリマー材から製造することができ、その結果、コストおよび重量が低減されることである。一般にガラスまたは他の類似する材料で作製される類似する光学グレードの材料は、ポリマーで生成される同じ寸法の材料の１００倍以上のコストがかかり得る。さらに、材料の密度の大部分までが空気および他の軽量プラスチックであることを考えると、ポリマーリレー光学系の重量は、１０～１００倍少なくすることができる。疑義を避けるため、たとえそれが上記のコストおよび重量の示唆を満たさないとしても、アンダーソン局在化特性または本明細書に記載される秩序化エネルギー局在化特性を呈する任意の材料が本開示に含まれ得る。当業者には理解されるように、上記の示唆は、同様のガラス製品が除外する重要な商業的実行可能性にそれ自体役立つ唯一の実施形態である。追加の利点は、秩序化エネルギー局在化が機能するために、光ファイバのクラッド部が必要とされ得ないことであり、そのクラッド部は、従来のマルチコア光ファイバの場合、ファイバ間の光散乱を防止するのに必要であるが、同時に光線の一部分を遮り、したがって、少なくともコア対クラッド比による透過を低下させる（例えば、７０：３０のコア対クラッド比は、最良でも受光照度の７０％しか透過しない）。
別の利点は、材料が従来の意味において基本的に縁部を有しないため、継ぎ目なしで接合または融合され得る多数のより小さな部品を生成する能力であり、任意の２つのピースの合併は、２つ以上のピースを一緒に合併するためのプロセスに応じて単一のピースとしてコンポーネントを生成することとほぼ同じである。大規模な用途の場合、これは、大規模な基幹設備または金型コストを伴わずに製造する能力に対してかなりの利点であり、そうしなければ他の方法では不可能である単一の材料ピースを生成する能力を提供する。従来のプラスチック光ファイバは、これらの利点のいくつかを有するが、クラッド部のために、一般には、依然としてある程度の距離の継ぎ目線を必要とする。
本開示は、秩序化エネルギー局在化現象を呈する材料を製造する方法を含む。１つ以上のコンポーネント設計構造体（ＣＥＳ）からなる構築ブロックを使用して、電磁エネルギー、音響エネルギー、または他のタイプのエネルギーのリレーを構築するためのプロセスが提案されている。用語ＣＥＳは、限定されないが、他の特性の中でもとりわけ材料のタイプ、サイズ、形状、屈折率、重心、電荷、重量、吸収、および磁気モーメントを含む、特定の設計特性（ＥＰ）を有する構築ブロックコンポーネントを指す。ＣＥＳのサイズ規模は、リレーされているエネルギー波の波長程度であり得、ミリスケール、マイクロスケール、またはナノスケールにわたって変化し得る。また、他のＥＰのサイズ規模も、エネルギー波の波長に強く依存する。
本開示の範囲内で、複数のＣＥＳの特定の配置は、リレーにわたって横方向で繰り返して、効果的に秩序化エネルギー局在化を誘発し得る、秩序化パターンを形成し得る。かかるＣＥＳの秩序化パターンの１つの例は、本明細書でモジュールと呼ばれる。モジュールは、２つ以上のＣＥＳを備え得る。リレー内の２つ以上のモジュールのグループ化は、本明細書で構造体と呼ばれる。
秩序化エネルギー局在化は、とりわけ電磁波、音波、量子波、エネルギー波の輸送に適用される一般的な波の現象である。秩序化エネルギー局在化を呈するエネルギー波リレーを形成するのに必要とされる１つ以上の構築ブロック構造体は、各々、対応する波長程度のサイズを有する。構築ブロックに対する別のパラメータは、これらの構築ブロックに使用される材料中のエネルギー波の速度であり、これは、電磁波に対する屈折率、および音波に対する音響インピーダンスを含む。例えば、構築ブロックのサイズおよび屈折率は、Ｘ線から電波までの電磁スペクトルのあらゆる周波数に適応するように変化することができる。
この理由から、光リレーに関する本開示における考察は、完全な電磁スペクトルだけでなく、音響エネルギーおよび他のタイプのエネルギーにも一般化され得る。この理由から、たとえ考察が可視電磁スペクトルなどの特定の１つの形態のエネルギーに焦点を合わせているとしても、エネルギー源、エネルギー面、およびエネルギー・リレーという用語の使用がしばしば使用されるであろう。
疑義を避けるために、材料の量、プロセス、タイプ、屈折率などは、単なる例示であり、秩序化エネルギー局在化特性を呈する任意の光学材料が、本明細書に含まれる。さらに、秩序化材料およびプロセスの任意の使用が、本明細書に含まれる。
本開示に記載されている光学設計の原理は、概して、すべての形態のエネルギー・リレーに適用され、特定の製品、市場、形状因子、搭載などのために選択された設計実施態様は、これらの幾何学形状に対処する必要がある場合もない場合もあるが、簡素化を目的として、開示されているいずれのアプローチも、すべての可能性のあるエネルギー・リレー材料を含むことに留意されたい。
一実施形態では、可視電磁エネルギーのリレーの場合、ＣＥＳの横方向サイズは、１ミクロン程度であるべきである。ＣＥＳに対して使用される材料は、以下に限定されないが、ガラス、プラスチック、樹脂などを含むように所望された光学的品質を呈する任意の光学材料とすることができる。材料の屈折率は、１より大きく、２つのＣＥＳタイプが選択された場合、屈折率における差は、重要な設計パラメータになる。材料のアスペクト比は、長手方向の波の伝播を助けるため、細長くなるように選択され得る。
実施形態では、他のエネルギー領域からのエネルギーは、ＣＥＳを使用してリレーされ得る。例えば、エネルギーの機械的振動の形態であり得る音響エネルギーまたは触覚エネルギーがリレーされ得る。これらの代替エネルギー領域の輸送効率に基づいて、適切なＣＥＳが選択され得る。例えば、音響または触覚エネルギーをリレーする際には、空気がＣＥＳ材料のタイプとして選択され得る。実施形態では、特定の形態の電磁エネルギーをリレーするために、空間または真空がＣＥＳとして選択され得る。さらに、２つの異なるＣＥＳは、共通の材料のタイプが共通であり得るが、形状などの別の設計特性が異なり得る。
ＣＥＳの形成は、形成された材料を取り出して、それらのピースを、所望の形状の形成物、もしくは当該技術分野において既知の任意の他の方法、またはアディティブプロセスに向けて切断する破壊プロセスとして完成され得、そこでは、ＣＥＳは、成長し、印刷され、形成され、溶融され、または当技術分野において既知の任意の他の方法で製造され得る。アディティブプロセスおよび破壊プロセスを組み合わせて、製造上さらなる制御を行い得る。これらのピースは、現在、特定の構造のサイズおよび形状に組み立てられている。
一実施形態では、電磁エネルギー・リレーの場合、光学グレードの結合剤、エポキシ、または他の既知の光学材料を使用することが可能であり得、それらの材料は、液体として始まり、他の処理パラメータの中で、以下に限定されない、とりわけＵＶ、熱、時間を含む様々な手段を通じて光学グレードの固体構造を形成し得る。別の実施形態では、接合剤は、可撓性のある用途のために、硬化しないか、または屈折率整合オイルで作製される。結合剤は、固体構造体および非硬化オイルまたは光学液体に塗布され得る。これらの材料は、ある特定の屈折率（ＲＩ）特性を呈してもよい。接合剤は、ＣＥＳ材料タイプ１またはＣＥＳ材料タイプ２のいずれかのＲＩと整合する必要がある。一実施形態では、この光学接合剤のＲＩは、１．５９であり、ＰＳと同じである。第２の実施形態では、この光学結合剤のＲＩは、１．４９であり、ＰＭＭＡと同じである。別の実施形態では、この光学結合剤のＲＩは、１．６４であり、熱可塑性ポリエステル（ＴＰ）材料と同じである。
一実施形態では、エネルギー波に対して、結合剤ＲＩが整合する材料のＲＩを有効に相殺するように、結合剤が、ＣＥＳ材料タイプ１およびＣＥＳ材料タイプ２の混合物に混合され得る。結合剤は、気泡の脱出、材料の望ましい分布、および粘性特性の発現を達成するための十分な時間を与えることによって、完全に混合され得る。さらなる一定の撹拌を実施して、様々な密度の材料、または他の材料特性に起因して起こり得るいかなる分離にも対抗するために、材料の適切な混合を確実にし得る。
形成され得るあらゆる気泡を排出するように、真空中またはチャンバ内でこのプロセスを実行することが必要とされ得る。さらなる方法論は、硬化プロセス中に振動を導入することであり得る。
交互する方法としては、追加の形態特性およびＥＰを有する３つ以上のＣＥＳが提供される。
一実施形態では、電磁エネルギー・リレーの場合、追加の方法は、結合剤のみと一緒に使用される単一のＣＥＳのみを提供し、その場合、ＣＥＳおよび結合剤のＲＩは異なる。
追加の方法は、任意の数のＣＥＳを提供し、そして意図的に気泡を導入することを含む。
一実施形態では、電磁エネルギー・リレーの場合、ある方法は、別個の所望のＲＩを有する複数の結合剤、および、それらが別々に、または一緒に硬化して完全に混合された構造体の形成を可能にし得るように、ゼロ、１つ、またはそれ以上のＣＥＳを混合するプロセスを提供する。２つ以上の別々の硬化方法論を利用し、異なる工具および手順方法論を用いて、異なるインターバルで硬化および混合する能力を可能にしてもよい。一実施形態では、１．４９のＲＩを有するＵＶ硬化エポキシが、１．５９のＲＩを有する熱硬化第２のエポキシと混合され、そこでは、材料の一定の撹拌が、十分な期間だけの加熱およびＵＶ処理を交互に行いながら提供され、より大きな混合物内から中実構造体の形成を見始めるが、一旦硬化プロセスがほぼ完了すると攪拌が継続できなくなるときまで、任意の大きな粒子が形成するには十分な長さの時間ではなく、硬化プロセスは、同時に実行されて材料を互いに完全に結合させる。第２の実施形態では、１．４９のＲＩを有するＣＥＳが追加される。第３の実施形態では、１．４９および１．５９の両方のＲＩを有するＣＥＳが、両方とも追加される。
別の実施形態では、電磁エネルギー・リレーの場合、ガラスおよびプラスチック材料は、それらのそれぞれのＲＩ特性に基づいて混合される。
追加の実施形態では、硬化混合物が金型内で形成され、硬化後に切断および研磨される。別の実施形態では、利用される材料は、熱で再液化し、第１の形状に硬化し、次いで第２の形状に引っ張られて、テーパまたは曲がり形状になることを含むが、これらに限定されない。
ポリマー材料を互いに溶接するために使用されるいくつかの既知の従来の方法が存在することを認識するべきである。これらの技術のうちの多くは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれ、熱、機械的（例えば、振動、溶接、超音波溶接など）、電磁的、および化学的（溶媒）溶接方法を含む、軟化させた材料の表面を結合させるためのプロセスを説明している、ＩＳＯ４７２（「Ｐｌａｓｔｉｃｓ－Ｖｏｃａｂｕｌａｒｙ」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ、Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ １９９９）で説明されている。本開示の文脈では、用語「融合する（ｆｕｓｅ）」、「融合している（ｆｕｓｉｎｇ）」、または「融合した（ｆｕｓｅｄ）」は、一実施形態では、当業者に既知の上で説明した技術のいずれかによって、２つ以上のポリマー材料がそれらの表面を一緒に一体化または接合したことを意味する。さらに、特定の実施形態では、非ポリマー材料も使用することができる。そうした材料の文脈での用語「融合する」、「融合している」、または「融合した」は、そうした非ポリマー材料を一体化または接合する、上で説明した、および当業者に既知の一連の溶接技術に類似した、類似の意味を有する。
図７Ａは、混合オイルまたは液体７６と共にＣＥＳ材料タイプ１（７２）およびＣＥＳ材料タイプ２（７４）を使用した、横アンダーソン局在化アプローチを呈するリレーの可撓性のある実施態様７０の切取図を例解し、本開示の一実施形態に基づいて、可能な限り端部キャップリレー７９を使用すると、可撓性チューブエンクロージャ７８内のリレーのいずれかの端部における第１の表面７７から第２の表面７７へエネルギー波をリレーする。ＣＥＳ材料タイプ１（７２）およびＣＥＳ材料タイプ２（７４）の両方は、細長いという設計特性を有し、この実施形態では、形状は楕円形であるが、円筒形または撚り線などの任意の他の細長いまたは設計された形状も可能である。細長い形状は、最小設計特性変動７５のチャネルを可能にする。
可視電磁エネルギー・リレーの一実施形態に対して、実装態様７０は、結合剤を、ＣＥＳ材料タイプ２（７４）と整合する屈折率を有する屈折率マッチングオイル７６と交換し、可撓性チューブエンクロージャ７８内に配置してＣＥＳ材料タイプ１とＣＥＳ材料２との混合物の可撓性を維持し、エンドキャップ７９は、画像がエンドキャップの一方の表面から他方の表面に確実にリレーすることができるようにするための中実の光リレーとなるであろう。ＣＥＳ材料の細長い形状は、最小屈折率変動７５のチャネルを可能にする。
７０の複数の例は、中実または可撓性の形態でリレー結合器を形成するために、単一の表面の中に絡合され得る。
一実施形態では、可視電磁エネルギー・リレーの場合、７０のいくつかの例は、各々、一端が画像の多数の特定のタイルのうちの１つのみを示す表示装置に接続され得、光リレーの他端が、規則的なモザイク状に配置され、目立った継ぎ目がないフル画像を表示するように配置されている。ＣＥＳ材料の特性により、モザイク内に複数の光リレーを一緒に多数融合することがさらに可能である。
図７Ｂは、ＣＥＳ横アンダーソン局在化エネルギー・リレーの剛性の実施態様７５０の切取図を例解する。ＣＥＳ材料タイプ１（７２）およびＣＥＳ材料タイプ２（７４）は、材料２（７４）の屈折率と整合する結合剤７５３と混合されている。任意選択のリレーエンドキャップ７９を使用して、筐体７５４内の第１の表面７７から第２の表面７７にエネルギー波をリレーすることが可能である。この実施形態では、ＣＥＳ材料タイプ１（７２）およびＣＥＳ材料タイプ２（７４）は両方とも、細長いという設計特性を有し、その形状は、楕円形であるが、円筒形もしくは撚り線などの任意の他の細長い、または設計された形状も可能である。また、長手方向７５１に沿った最小設計特性変動７５の経路も図７Ｂに示されており、この経路は、一方のエンドキャップ表面７７から他方のエンドキャップ表面７７へのこの方向７５１におけるエネルギー波の伝搬を支援する。
ＣＥＳの初期構成および整列は、機械的な配置を伴ってなされ得、または、以下に限定されないが、液体中のＣＥＳのコロイドに適用されるとコロイド結晶形成をもたらし得る電荷、微量の強磁性体材料を含有するＣＥＳを規則化するのに役立ち得る磁気モーメント、もしくは重力に従って硬化前の結合液内に複数の層を作り出すのに役立つ、使用されたＣＥＳの相対重量を含む、材料のＥＰを探求することによってなされ得る。
一実施形態では、電磁エネルギー・リレーの場合、図７Ｂに示した実施態様は、ＣＥＳ材料タイプ２（７４）の屈折率と整合する結合剤７５３を有し、任意選択のエンドキャップ７９は、画像がエンドキャップの一方の表面から他方の表面にリレーされ得ることを確実にする中実の光リレーであり、長手方向の最小の変動を有するＥＰは、屈折率であり、局在化電磁波の伝搬を支援するチャネル７５を作成する。
可視電磁エネルギー・リレーに対する一実施形態では、図８は、その材料のうちの混合物全体の所与の百分率における１つの例示的な材料の長手方向のＣＥＳ材料タイプ７２、７４と共に、ＤＥＭＡ（寸法外壁吸収）ＣＥＳ、８０の含有物の横方向平面の切取図を例解しており、その材料は、可視電磁エネルギー・リレーに対する本開示の一実施形態に基づいて、迷光を制御する。
光を透過しない追加のＣＥＳ材料が、混合物（複数可）に添加されて、従来の光ファイバ技術におけるＥＭＡに類似するランダムな迷光を吸収するが、吸収材料の分布は、長手方向寸法が不変であることとは対照的に、３つすべての次元においてランダムであり得る。本明細書で、この材料は、ＤＥＭＡ、８０と呼ばれる。第３の次元においてこの手法を活用することで、以前の実施態様の方法よりもはるかにより多くの制御を提供する。ＤＥＭＡを使用することで、迷光の制御は、それが占めるすべての光リレーコンポーネントの表面の領域の割合だけ光透過全体を最終的に低減させる撚り線のＥＭＡを含む、任意の他の実施態様よりはるかに完全にランダム化される。対照的に、ＤＥＭＡは、リレー材料の全体を通して混合され、横方向において同じ光低減を伴わずに、長手方向の光透過を効果的に制御する。ＤＥＭＡは、混合物全体に対して任意の比率で提供され得る。一実施形態では、ＤＥＭＡは、材料の混合物全体の１％である。第２の実施形態では、ＤＥＭＡは、材料の混合物全体の１０％である。
追加の実施形態では、２つ以上の材料が、熱および／または圧力で処理されて結合プロセスを実行し、これは、金型、または当技術分野における既知の他の同様の形成プロセスを用いて完成されても、またはされなくてもよい。これは、溶融プロセス中の気泡を除去するために、真空もしくは振動台などの中に適用されても、またはされなくてもよい。例えば、材料タイプのポリスチレン（ＰＳ）およびポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を有するＣＥＳを混合し、次いで、適切な金型の中に配置し、この金型を両方の材料の融点に到達させることができる均一な熱分布環境中に配置し、そして、材料特性により要求される１時間当たりの最大温度上昇または下降を超えることによる損傷／破損を生じさせることなく、それぞれの温度の間をサイクルさせ得る。
材料を追加の液状結合剤と混合する必要があるプロセスの場合、各材料の変わりやすい特定の密度を考慮して、材料の分離を防止する一定の速度で回転するプロセスが必要とされ得る。
アンダーソンおよび秩序化エネルギー・リレー材料の分化
図９は、それぞれが２つのコンポーネント材料、コンポーネント設計構造体（ＣＥＳ）９０２およびＣＥＳ９０４のうちの１つを含む、粒子のランダム化された分布を備える予融合エネルギー・リレーの一部分９００の横方向平面の切取図を例解する。一実施形態では、ＣＥＳ９０２またはＣＥＳ９０４を含む粒子は、異なる屈折率などの異なる材料特性を有し得、また、それを通して輸送されるエネルギーのアンダーソン局在化効果を誘発することができ、材料の横方向平面内のエネルギーを局在化する。一実施形態では、ＣＥＳ９０２またはＣＥＳ９０４のいずれかを含む粒子は、例解図の平面の中へ、およびそこから外へ長手方向に延在し得、それによって、材料の横方向平面内のエネルギーの局在化のため、従来の光ファイバエネルギー・リレーと比較して、減少した散乱効果を有する長手方向に沿ったエネルギー伝播を可能にする。
図１０は、各粒子が３つのコンポーネント材料ＣＥＳ１００２、ＣＥＳ１００４、またはＣＥＳ１００６のうちの１つを含む、粒子の秩序化分布を備える予融合エネルギー・リレーのモジュール１０００の横方向平面の切取図を例解する。ＣＥＳ１００２、１００４、または１００６のうちの１つを含む粒子は、モジュールの横方向平面内のエネルギー局在化効果を誘発し得る、異なる屈折率などの異なる材料特性を有し得る。ＣＥＳ１００２、１００４、または１００６のうちの１つを含む粒子のパターンは、ＣＥＳ１００２、１００４、または１００６のうちの１つを含む粒子が配設される特定のパターンを画定する、モジュール境界１００８内に含まれ得る。図９に類似して、ＣＥＳ１００２、１００４、または１００６のうちの１つを含む粒子は、例解図の平面の中へ、およびそこから外へ長手方向に延在して、材料の横方向平面内のエネルギーの局在化のため、従来の光ファイバエネルギー・リレーと比較して、減少した散乱効果を有する長手方向に沿ったエネルギー伝播を可能にする。
図９によるＣＥＳ９０２または９０４のうちの１つを含む粒子、および図１０によるＣＥＳ１００２、１００４、または１００６のうちの１つを含む粒子は、例解図の平面に対して垂直に長手方向に延在し、図９および図１０にそれぞれ示される特定のパターンで配設される、それぞれの材料の長く細いロッドであり得る。図９および図１０示される粒子の環状断面形状のため、ＣＥＳの個々の粒子の間には小さい間隙が存在し得るが、これらの間隙は、ＣＥＳ材料が融合プロセス中にいくらかの流動性を得て、一緒に「溶解して」任意の間隔を埋めるので、融合時に効果的に除去される。図９および図１０に例解する断面形状は環状であるが、これは本開示の範囲を限定するものとみなされるべきでなく、当業者は、本明細書で開示された原理に基づいて、予融合材料の任意の形態または形状を利用することができることを認識するべきである。
図１１は、２つのコンポーネント材料、ＣＥＳ１１０２またはＣＥＳ１１０４のうちの１つを含む粒子のランダム分布を備える予融合エネルギー・リレーの一部分１１００の横方向平面の切取図を例解する。一部分１１００は、各々がＣＥＳ１１０２または１１０４のいずれかを含む粒子のランダム化された分布を備える、サブ部分１１０６および１１０８などの複数のサブ部分を有し得る。ＣＥＳ１１０２またはＣＥＳ１１０４を含む粒子のランダム分布は、リレーの融合後に、一部分１１００を介して長手方向にリレーされるエネルギーにおいて、横アンダーソン局在化効果を誘発し得る。
図１３は、２つのコンポーネント材料ＣＥＳ１３０２またはＣＥＳ１３０４のうちの１つを含む粒子のランダム分布を備える融合エネルギー・リレーの一部分１３００の横方向平面の切取図を例解する。一部分１３００は、図１１による一部分１１００の可能な融合形態を表し得る。本開示の文脈では、類似するＣＥＳの隣接する粒子が融合時に一緒に凝集するとき、これを凝集粒子（ＡＰ）と呼ぶ。ＣＥＳ１３０２のＡＰの一例は、１３０８に見ることができ、これは、複数の未融合ＣＥＳ１３０２粒子（図１１に示す）の融合形態を表し得る。図１３に例解するように、類似するＣＥＳの各連続粒子間の境界、ならびに類似するＣＥＳ境界粒子を有するモジュール間の境界は、融合時に除去され、一方で、異なるＣＥＳのＡＰ間に新しい境界が形成される。
アンダーソン局在化原理によれば、材料の横方向に分布する異なるエネルギー波伝搬特性を有する材料のランダム化された分布は、その方向内のエネルギーを局在化し、材料の輸送効率を低下させ得る、エネルギーの拡散を抑制し、かつ干渉を低減させる。例えば、電磁エネルギーを輸送する文脈では、異なる屈折率を有する材料をランダムに分布させることによって、横方向の屈折率のばらつきの量を増加させることを介して、横方向の電磁エネルギーを局在化させることが可能になる。
しかしながら、上述したように、ランダム化された分布の性質のため、材料の望ましくない配置が偶然に形成され得る可能性が存在し、これは、材料内のエネルギー局在化効果の実現を制限し得る。例えば、図１３のＡＰ１３０６は、融合後に、図１１の対応する位置に示される粒子のランダム化された分布を潜在的に形成し得る。例えば、電磁エネルギーを輸送するための材料を設計するときに、設計上の考慮事項は、ＣＥＳの予融合粒子の横方向サイズである。エネルギーが横方向に散乱することを防止するために、融合時に、その結果得られる平均ＡＰサイズが、実質的に、材料が輸送することを意図する電磁エネルギーの波長程度であるように、粒子サイズを選択することができる。しかしながら、平均ＡＰサイズを設計することができるが、当業者は、粒子のランダム分布が、ＡＰの様々な予測不可能なサイズをもたらし、あるものは意図する波長よりも小さく、また、あるものは意図する波長よりも大きいことを認識するであろう。
図１３では、ＡＰ１３０６は、一部分１３００の全長にわたって延在し、平均よりもかなり大きいサイズのＡＰを表す。これは、ＡＰ１３０６のサイズがまた、一部分１３００が長手方向に輸送することを意図するエネルギーの波長よりもかなり大きいことも意味し得る。その結果、長手方向におけるＡＰ１３０６を介したエネルギー伝播は、横方向平面における散乱効果を経験し得、アンダーソン局在化効果を低減させ、その結果、ＡＰ１３０６を介したエネルギー伝播内の干渉パターン、および一部分１３００の全体的なエネルギー輸送効率の低減をもたらす。
本明細書で開示された原理によれば、およびランダム化された分布の性質のため、例えばサブ部分１１０８などの一部分１１００内のサブ部分は、画定された分布パターンが存在しないので、任意の重要性のものであり得ると理解されるべきである。しかしながら、当業者には、所与のランダム化された分布において、同じまたは実質的に類似する分布のパターンを備える固有のサブ部分を識別することができるという可能性が存在することが明らかになるはずである。この存在は、全体的に誘発された横アンダーソン局在化効果を大幅に抑制し得ず、本開示の範囲は、かかる場合を除外するように制限されるものとみなされるべきでない。
本明細書で開示された非ランダム秩序化パターンの設計上の考慮事項は、コンポーネント材料のランダム化された分布に代わるものを表し、エネルギー・リレー材料が、エネルギー局在化効果を横方向に呈することを可能にし、一方で、ランダム化された分布に固有の偏位事例を潜在的に制限することを回避する。
異なる分野にわたって、および多くの専門分野を介して、「ランダム性」という概念、および実際に何がランダムで、何がそうでないかという観念は、常に明白でないことに留意されるべきである。下で検討されるランダムおよび非ランダム分布、配置、パターンなどについて検討するとき、本開示の文脈において考慮する複数の重要なポイントが存在する。しかしながら、本明細書の開示が、決して、ランダムまたは非ランダムの概念を概念化および／または体系化する唯一の方法でないことが理解されるべきである。多くの代替的な、および同等に有効な概念化が存在し、本開示の範囲は、本文脈において当業者によって想到される任意の方法を除外するように制限されるとみなされるべきではない。
空間完全ランダム性（ＣＳＲ）は、当技術分野で既知であり、Ｓｍｉｔｈ，Ｔ．Ｅ．，（２０１６）、Ｎｏｔｅｂｏｏｋ ｏｎ Ｓｐａｔｉａｌ Ｄａｔａ Ａｎａｌｙｓｉｓ［ｏｎｌｉｎｅ］（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅａｓ．ｕｐｅｎｎ．ｅｄｕ／～ｅｓｅ５０２／＃ｎｏｔｅｂｏｏｋ）に記載されており、これは参照により本明細書に組み込まれ、完全にランダムな形態で配置された、空間内の（この場合、２Ｄ平面内の）点の分布を説明するために使用される概念である。ＣＳＲを説明するために使用される２つの共通の特徴、すなわち、空間ラプラス原理および統計的独立性の仮定が存在する。
空間ラプラス原理は、より一般的なラプラス原理の空間確率のドメインへの適用であり、本質的に、他に示す情報がない限り、点が特定の位置に配置される可能性とみなされ得る特定の事象の可能性が、空間内の各位置に対する可能性と同様であることを述べている。すなわち、領域内の各位置は、点を含む等しい可能性を有し、したがって、点を見つける確率は、領域内の各位置にわたって同じである。これは、特定のサブ領域内の点を見つける確率が、そのサブ領域の面積と基準領域全体の面積との比率に比例していることをさらに意味する。
ＣＳＲの第２の特徴は、空間的独立性の仮定である。この原理は、領域内の他のデータ点の位置が、特定の位置においてデータ点を見つける確率に対していかなる影響または効果を及ぼさないと仮定する。言い換えれば、データ点は、互いに独立しているとみなされ、「周辺領域」の状態は、いわば、基準領域内の位置においてデータ点を見つける確率に影響を及ぼさない。
ＣＳＲの概念は、本明細書で説明するＣＥＳ材料のいくつかの実施形態などの、材料の秩序化分布の対照的な例として有用である。アンダーソン材料は、本開示の他の部分において、エネルギー・リレーの横方向平面内のエネルギー伝播材料のランダム分布であるとして説明されている。上述したＣＳＲの特徴に留意して、これらの概念を、本明細書に記載するアンダーソン材料の実施形態のいくつかに適用して、そうしたアンダーソン材料分布の「ランダム性」がＣＳＲに準拠しているかどうかを決定することが可能である。第１および第２の材料を含むエネルギー・リレーの実施形態を仮定すると、第１または第２のいずれかの材料のＣＥＳが、大まかに、実施形態の横方向平面の同じ領域を占有し得るので（それらが、大まかに、横方向寸法が同じサイズであることを意味する）、およびさらに、第１および第２のＣＥＳは、実施形態において等しい量で提供されると仮定され得るので、本発明者らは、エネルギー・リレーの実施形態の横方向平面に沿った任意の特定の位置の場合、この文脈で適用される空間ラプラス原理に従って、第１のＣＥＳまたは第２のＣＥＳのいずれかが存在する可能性が同様にあり得ると仮定することができる。代替的に、リレー材料が他のエネルギー・リレーの実施形態において異なる量で提供される場合、または互いに異なる横方向サイズを有する場合、本発明者らは、空間ラプラス原理に従って、いずれかの材料を見つける確率が、提供される材料の比率またはそれらの相対的サイズに比例することを、同様に予想する。
次に、アンダーソンエネルギー・リレーの実施形態の第１および第２の材料がどちらも（入念な機械的混合または他の手段のいずれかによって）ランダムな様態で配設され、さらに、材料の「配置」が、材料がランダム化されるときに、同時に発生し、自発的に生じ得るという事実によって明示されるので、本発明者らは、これらの実施形態について、隣接するＣＥＳ材料の同一性が、特定のＣＥＳ材料の同一性に、およびその逆も同様に、いかなる影響も及ぼさないと断言することができる。すなわち、これらの実施形態内のＣＥＳ材料の同一性は、互いに独立している。したがって、本明細書に記載するアンダーソン材料の実施形態は、記載されるＣＳＲ特徴を満たすと言え得る。当然のことながら、上述のように、外部の要因および「現実の」交絡因子の性質は、厳格なＣＳＲ定義を有するアンダーソンエネルギー・リレー材料の実施形態のコンプライアンスに影響を及ぼし得るが、当業者は、これらのアンダーソン材料の実施形態が、実質的に、かかる定義の合理的な許容範囲内に入ると認識するであろう。
対照的に、本明細書で開示された秩序化エネルギー・リレー材料の実施形態のいくつかの分析は、それらの対応するアンダーソン材料の実施形態からの（および、ＣＳＲからの）特定の逸脱を強調する。アンダーソン材料とは異なり、秩序化エネルギー・リレーの実施形態内のＣＥＳ材料は、その隣接物の同一性と無関係であり得ない。特定の秩序化エネルギー・リレーの実施形態内のＣＥＳ材料の配置にぴったりのパターンは、とりわけ、類似する材料をどのように互いに対して空間的に配設して、融合時に、かかる材料によって形成されるＡＰの有効サイズを制御するのかに影響を及ぼすように設計される。言い換えれば、秩序化分布の材料を配設するいくつかの実施形態の目的の１つは、単一の材料（ＡＰ）を含む任意の領域の、横方向寸法における最終的な断面積（またはサイズ）に影響を及ぼして、目的の中でもとりわけ、エネルギーが長手方向に沿ってリレーされたときの、該領域内の横方向エネルギー散乱および干渉の影響を制限することである。したがって、秩序化分布の実施形態においてエネルギー・リレー材料が最初に「配設された」ときに、ある程度の特異性および／または選択性が用いられるが、これは、特定のＣＥＳの同一性が、他のＣＥＳの、特にそれを直接取り囲んでいる材料の同一性から「独立している」と認めない場合がある。それとは逆に、特定の実施形態では、材料は、非ランダムパターンに基づいて特に選択され、任意の１つの特定のＣＥＳの同一性は、パターンの連続性に基づいて、およびパターンのどの部分（したがって、どの材料）がすでに配設されているかを知る際に決定される。したがって、これらの特定の秩序化分布エネルギー・リレーの実施形態は、ＣＳＲ基準に準拠することができないということになる。したがって、２つ以上のＣＥＳまたはエネルギー・リレー材料のパターンまたは配置が、「非ランダム」または「実質的に非ランダム」として説明される実施形態では、とりわけ、材料が、記載された一般的概念またはＣＳＲの特徴に実質的に準拠していないこと、および、本開示の文脈では、秩序化材料分布とみなされることを意味し得る。
人間の署名のように、非ランダムパターンが、ノイズを含む非ランダム信号とみなされ得ることを認識されたい。非ランダムパターンは、ノイズを含むことによりそれらが同じでないときであっても、実質的に同じであり得る。ノイズおよび非ランダム信号を分離して、後者を相関させるために使用され得る、パターンの認識および比較における極めて多数の従来の技法が存在する。一例として、参照により本明細書に組み込まれる、Ｒｈｏａｄｅｓへの米国特許第７，０１６，５１６号は、ランダム性（ノイズ、平滑性、清浄性など）を識別し、非ランダム信号を相関させて、署名が本物であるかどうかを決定する方法を記載している。Ｒｈｏｄｅｓは、信号のランダム性の計算がこの分野の当業者に十分理解されていることを留意しており、１つの例示的な技術は、各サンプル点での信号の導関数をとり、これらの値を二乗し、次いで、信号全体を合計することである。Ｒｈｏｄｅｓは、様々な他の周知の技術を代替的に使用することができることをさらに留意している。従来のパターン認識フィルタおよびアルゴリズムを使用して、同じ非ランダムパターンが識別され得る。実施例は、米国特許第５，４６５，３０８号および同第７，０５４，８５０号に提供されており、これらはすべて、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。パターン認識および比較の他の技術は、本明細書では繰り返さないが、当業者は、既存の技術を容易に適用して、エネルギー・リレーが、複数の繰り返しモジュールを備え、各々が、実質的に非ランダムパターンに配設されている少なくとも第１および第２の材料を含み、実際に、同じ実質的に非ランダムパターンを備えているかどうかを決定することを認識されたい。
さらに、ランダム性およびノイズに関して上述した点を考慮して、実質的に非ランダムパターンへの材料の配置が、機械的不正確さまたは製造のばらつきなどの意図しない要因のため、意図するパターンの歪みを被り得ることが認識されるべきである。しかしながら、当業者には、非ランダムパターンに対するかかる歪みが、ほとんど不可避であり、機械的技術の性質に固有であることが明らかであろう。したがって、材料の配置を考慮したとき、単にそれらの固有の違いにもかかわらず同じ人に属しているものとして２つの署名を識別するように、歪んでいない部分からパターンの歪んだ部分を区別することは、かかる当業者の能力の範囲内である。
図１２Ａは、類似する配向を有する複数のモジュールを画定する、３つのコンポーネント材料ＣＥＳ１２０２、ＣＥＳ１２０４、またはＣＥＳ１２０６の秩序化分布を備える、予融合エネルギー・リレーの一部分１２００の横方向平面の切取図を例解する。これらの３つのＣＥＳ材料の粒子は、該粒子の実質的に不変の分布を共有する、モジュール１２０８およびモジュール１２１０などの繰り返しモジュール内に配設される。図１２Ａに例解するように、一部分１２００は、６つのモジュールを備えるが、所与の秩序化エネルギー・リレー内のモジュールの数は、任意の数とすることができ、また、所望の設計パラメータに基づいて選択され得る。加えて、モジュールのサイズ、モジュール当たりの粒子の数、モジュール内の個々の粒子のサイズ、モジュール内の粒子の分布パターン、異なるタイプのモジュールの数、および外部モジュール式または間入型の材料の包含は、すべて、考慮されるべき、かつ本開示の範囲内に入る設計パラメータであり得る。
同様に、各モジュール内に含まれる異なるＣＥＳの数は、図１２Ａに例解されるように３つである必要はなく、好ましくは、所望の設計パラメータに適した任意の数であり得る。さらに、各ＣＥＳが有する異なる特徴的な特性は、所望の設計パラメータを満たすように可変的であり得、違いは、屈折率のみに限定されるべきでない。例えば、２つの異なるＣＥＳは、実質的に同じ屈折率を有し得るが、それらの融点温度は異なり得る。
図１２Ａに例解するエネルギー・リレーの一部分１２００を介して輸送されるエネルギーの散乱を最小にし、かつ横方向エネルギー局在化を促進するために、一部分１２００を備えるモジュールの秩序化パターンは、上述の秩序化分布特徴を満たし得る。本開示の文脈において、連続粒子は、横方向平面内で互いに実質的に隣接する粒子であり得る。粒子は、互いに接触しているように例解され得るか、または隣接する粒子の間に例解される間隙が存在し得る。当業者は、隣接する例解される粒子の間の小さい間隙が、偶然の美的なアーチファクトであること、または現実の材料の配置において生じ得る微小な機械的ばらつきを例解することを意味すること、のいずれかであることを認識するであろう。さらに、本開示はまた、実質的に非ランダムパターンのＣＥＳ粒子の配置も含むが、設計による製造のばらつきまたは偶然のばらつきによる例外を含む。
ＣＥＳ粒子の秩序化パターンは、エネルギーのより大きい局在化、およびリレー材料を介した横方向のエネルギーの散乱を低減させることを可能にし得、その結果、他の実施形態と比較して、秩序化材料を介したエネルギー輸送のより高い効率を可能にし得る。図１２Ｂは、３つのコンポーネント材料、ＣＥＳ１２０２、ＣＥＳ１２０４、またはＣＥＳ１２０６のうちの１つを含む粒子の秩序化分布を備える、予融合エネルギー・リレーの一部分１２５０の横方向平面の切取図を例解し、粒子は、配向を変化させた複数のモジュールを画定する。一部分１２５０のモジュール１２５８および１２６０は、図１２Ａのモジュール１２０８および１２１０に類似する材料の秩序化分布を備える。しかしながら、モジュール１２６０の材料のパターンは、モジュール１２５８のパターンに対して回転させている。一部分１２５０の複数の他のモジュールもまた、回転させた分布パターンを呈する。パターンに対してどのくらいの回転が課されたかにかかわらず、各モジュール内の粒子分布の実際のパターンが同じままであるので、一部分１２５０内の各モジュールは、この回転配置にもかかわらず、上述した秩序化分布を有することに留意することが重要である。
図１４は、３つのコンポーネント材料、ＣＥＳ１４０２、ＣＥＳ１４０４、またはＣＥＳ１４０６のうちの１つを含む粒子の秩序化分布を備える、融合エネルギー・リレーの一部分１４００の横方向平面の切取図を例解する。一部分１４００は、図１２Ａからの、一部分１２００の可能な融合形態を表し得る。秩序化分布でＣＥＳ粒子を配設することによって、図１４に示されるリレーは、図１３に示されるランダム化された分布と比較して、リレーを介した長手方向のエネルギーのより効率的な輸送を実現し得る。エネルギーの波長のおよそ１／２の直径を有するＣＥＳ粒子を、材料を介して輸送し、該粒子を図１２Ａに示す予融合秩序化分布で配設するように選択することによって、その結果得られる図１４に見られる融合後のＡＰのサイズは、意図するエネルギーの波長の１／２～２倍の横方向寸法を有し得る。ＡＰの横方向寸法をこの範囲内に実質的に制限することによって、材料を介して長手方向に輸送されるエネルギーは、秩序化エネルギー局在化を可能にし、また散乱および干渉効果を低減させ得る。一実施形態では、リレー材料におけるＡＰの横方向寸法は、好ましくは、ＡＰを介して長手方向に意図して輸送されるエネルギー波長の１／４～８倍であり得る。
図１４に見られるように、および図１３とは対照的に、すべてのＡＰにわたるサイズの顕著な整合性が存在し、これは、予融合ＣＥＳ粒子を配設する方法に対して制御を及ぼすことによってもたらされ得る。具体的には、粒子の配置のパターンを制御することは、ＡＰ内のエネルギー散乱および干渉パターンにつながり得るより大きいＡＰの形成を低減または排除し得、エネルギー・リレー内のＣＥＳ粒子のランダム化された分布を超える向上を表す。
図１５は、２つの異なるＣＥＳ材料、ＣＥＳ１５０２およびＣＥＳ１５０４のランダム化された分布を備える、エネルギー・リレーの一部分１５００の断面図を例解する。一部分１５００は、例解図の垂直軸に沿って長手方向にエネルギーを輸送するように設計され、また、例解図の水平軸に沿って横方向に分布したいくつかのＡＰを備える。ＡＰ１５１０は、一部分１５００内のすべてのＡＰの平均ＡＰサイズを表し得る。一部分１５００の融合の前にＣＥＳ粒子の分布をランダム化する結果として、一部分１５００を形成する個々のＡＰは、１５１０によって示される平均サイズを実質的に逸脱し得る。例えば、ＡＰ１５０８は、横方向の幅がＡＰ１５１０よりもかなり広い。その結果、長手方向のＡＰ１５１０およびＡＰ１５０８を介して輸送されるエネルギーは、顕著に異なる局在化効果、ならびに異なる量の波の散乱および干渉を経験し得る。その結果、そのリレーされた目的地に到達すると、一部分１５００を介して輸送された任意のエネルギーは、一部分１５００に入るときに、その元の状態にと比較して、異なるレベルの干渉性または交軸にわたる強度の変化を呈し得る。リレーに入ったときとは大幅に異なる状態にある、該リレーから現れるエネルギーを有することは、画像光輸送などの特定の用途には望ましくない場合がある。
加えて、図１５に示されるＡＰ１５０６は、横方向においてＡＰ１５１０よりも実質的に小さくなり得る。その結果、ＡＰ１５０６の横方向幅は、特定の所望のエネルギー波長ドメインのエネルギーが効果的にそこを伝搬するには小さすぎる場合があり、該エネルギーの低下を生じさせ、また、該エネルギーをリレーする際の一部分１５００の性能に悪影響を及ぼす。
図１６は、３つの異なるＣＥＳ材料、ＣＥＳ１６０２、ＣＥＳ１６０４、およびＣＥＳ１６０６の秩序化分布を備える、エネルギー・リレーの一部分１６００の断面図を例解する。一部分１６００は、例解図の垂直軸に沿って長手方向にエネルギーを輸送するように設計され、また、例解図の水平軸に沿って横方向に分布したいくつかのＡＰを備える。ＣＥＳ１６０４を備えるＡＰ１６１０、およびＣＥＳ１６０２を備えるＡＰ１６０８はどちらも、横方向において実質的に同じサイズを有し得る。一部分１６００内のすべての他のＡＰもまた、横方向において類似するＡＰサイズを実質的に共有し得る。その結果、一部分１６００を介して長手方向に輸送されているエネルギーは、一部分１６００の交軸にわたって実質的に均一な局在化効果を経験し得、また、低減された散乱および干渉効果を被り得る。横方向寸法の一貫したＡＰ幅を維持することによって、一部分１６００に入るエネルギーは、それが一部分１６００に入る横方向に沿った場所にかかわらずリレーされ、等しく影響を及ぼされる。これは、画像光輸送などの特定の用途の場合、図１５に示されるランダム化された分布を超えるエネルギー輸送の向上を表し得る。
図１７は、２つのコンポーネント材料、ＣＥＳ１７０２またはＣＥＳ１７０４のうちの１つを含む凝集粒子のランダム化された分布を備える、エネルギー・リレーの一部分１７００の断面斜視図を例解する。図１７において、入力エネルギー１７０６は、エネルギー１７０６を表す矢印によって示されるように、例解図の垂直方向と対応する、リレーを介した長手方向に一部分１７００を介して輸送するように提供される。エネルギー１７０６は、側面１７１０において一部分１７００に受信され、側面１７１２においてエネルギー１７０８として一部分１７００から現れる。エネルギー１７０８は、エネルギー１７０８が一部分１７００を介して輸送されたときに不均一な変換を受けたことを例解することを意図して、矢印のサイズおよびパターンを変化させて例解され、エネルギー１７０８の異なる一部分は、長手方向のエネルギー方向１７０６に対して垂直な横方向における大きさおよび局在化の量を変化させることによって、初期入力エネルギー１７０６とは異なる。
図１７に例解するように、所望のエネルギー波長が側面１７１０から側面１７１２に効果的に伝搬するには小さすぎる、または別様には不相応である横方向サイズを有する、ＡＰ１７１４などのＡＰが存在し得る。同様に、所望のエネルギー波長が側面１７１０から側面１７１２に効果的に伝搬するには大きすぎる、または別様には不相応である、ＡＰ１７１６などのＡＰが存在し得る。一部分１７００を形成するために使用されるＣＥＳ粒子のランダム化された分布の結果であり得る、一部分１７００にわたるエネルギー伝播特性のこのばらつきの組み合わせ効果は、エネルギー・リレー材料としての一部分１７００の有効性および有用性を制限し得る。
図１８は、３つのコンポーネント材料、ＣＥＳ１８０２、ＣＥＳ１８０４、またはＣＥＳ１８０６のうちの１つを含む凝集粒子の秩序化分布を備える、エネルギー・リレーの一部分１８００の断面斜視図を例解する。図１８において、入力エネルギー１８０８は、エネルギー１８０８を表す矢印によって示されるように、例解図の垂直方向と対応する、リレーを介した長手方向に一部分１８００を介して輸送するように提供される。エネルギー１８０８は、側面１８１２において一部分１８００に受信され、エネルギー１８１０として側面１８１４から現れる。図１８に例解するように、出力エネルギー１８１０は、一部分１８００の横方向にわたって実質的に均一な特性を有し得る。さらに、入力エネルギー１８０８および出力エネルギー１８１０は、波長、強度、解像度、または任意の他の波伝搬特性などの、実質的に変化しない特性を共有し得る。これは、一部分１８００の横方向に沿ったＡＰの均一なサイズおよび分布によるものであり得、横方向に沿った各点でのエネルギーが、共通に影響を受ける様態で、一部分１８００を介して伝搬することを可能にし、これは、現れるエネルギー１８１０にわたる、および入力エネルギー１８０８と現れるエネルギー１８１０との間の任意のばらつきを制限するのを補助し得る。
テーパジ状エネルギー・リレー
拡張された機械的エンベロープを含む個々のエネルギー波源のアレイから高解像度を生成するという課題をさらに解決するために、テーパ状エネルギー・リレーを使用して、各エネルギー源の有効サイズを増大することができる。テーパ状エネルギー・リレーのアレイを一緒につなぎ合わせて、単一の連続したエネルギー面を形成すると、これらのエネルギー源に対する機械的要件の制限を回避することができる。
一実施形態では、１つ以上のエネルギー・リレー素子が、１つ以上のエネルギー位置と単一のシームレスエネルギー面との間に延在する伝搬経路に沿ってエネルギーを指向するように構成され得る。
例えば、エネルギー波源の活性領域が、２０ｍｍ×１０ｍｍであり、機械的なエンベロープが、４０ｍｍ×２０ｍｍである場合、各エネルギー波源の機械的なエンベロープを変更するかまたは妨害することなく、これらのテーパのアレイを一緒にシームレスに整列させることができると仮定すると、テーパ状エネルギー・リレーは、２：１の拡大率で設計されて、小端部上に２０ｍｍ×１０ｍｍ（切断時）、および拡大端部上に４０ｍｍ×２０ｍｍ（切断時）のテーパを生成し得る。
図２９は、本開示の一実施形態に基づいて、１つのかかるテーパ状エネルギー・リレーモザイク配置７４００の直交図を例解する。図２９において、リレー装置７４００は、２つ以上のリレー素子７４０２を含むことができ、各リレー素子７４０２は、１つ以上の構造体で形成され、各リレー素子７４０２は、第１の表面７４０６と、第２の表面７４０８と、横方向配向（表面７４０６、７４０８に対して略平行である）と、長手方向配向（表面７４０６、７４０８に対して略垂直である）と、を有する。第１の表面７４０６の表面積は、第２の表面７４０８の表面積とは異なり得る。リレー素子７４０２の場合、第１の表面７４０６の表面積は、第２の表面７４０８の表面積よりも小さい。別の実施形態では、第１の表面７４０６の表面積は、第２の表面７４０８の表面積と同じかまたはそれよりも大きくなり得る。エネルギー波は第１の表面７４０６から第２の表面７４０８に、またはその逆に通過することができる。
図２９において、リレー素子装置７４００のリレー素子７４０２は、第１の表面７４０６と第２の表面７４０８との間に傾斜プロファイル部分７４０４を含む。動作中に、第１の表面７４０６と第２の表面７４０８との間を伝搬するエネルギー波は、横方向の配向よりも長手方向の配向においてより高い輸送効率を有することができ、リレー素子７４０２を通過するエネルギー波は、空間拡大または空間縮小をもたらし得る。言い換えれば、リレー素子装置７４００のリレー素子７４０２を通過するエネルギー波は、増加した倍率または減少した倍率を経験し得る。一実施形態では、エネルギーは、ゼロ拡大で１つ以上のエネルギー・リレー素子を通って指向され得る。いくつかの実施形態では、リレー素子装置を形成するための１つ以上の構造体は、ガラス、カーボン、光ファイバ、光学薄膜、プラスチック、ポリマー、またはそれらの混合物を含み得る。
一実施形態では、第１の表面を通過するエネルギー波は、第１の解像度を有し、第２の表面を通過するエネルギー波は、第２の解像度を有し、第２の解像度は、第１の解像度の約５０％以上である。別の実施形態では、エネルギー波は、第１の表面に提供されたときには均一なプロファイルを有するが、第２のリレー表面の位置に関係なく、第２の表面の法線に対して±１０度の開き角を有するコーンを実質的に満たす、前方方向のエネルギー密度であらゆる方向に放射しながら第２の表面を通過することができる。
いくつかの実施形態では、第１の表面は、エネルギー波源からエネルギーを受信するように構成されてもよく、エネルギー波源は、第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも一方の幅とは異なる幅を有する機械的エンベロープを有する。
一実施形態では、エネルギーは、長手方向の配向を定義する第１および第２の表面との間で輸送され得、リレーの各々の第１および第２の表面は、第１および第２の方向によって定義される横方向の配向にほぼ沿って延在し、ここで、長手方向の配向は、横方向の配向に実質的に垂直である。一実施形態では、複数のリレーを通って伝搬するエネルギー波は、横方向の配向よりも長手方向の配向において高い輸送効率を有し、横アンダーソン局在の原理による長手方向の配向の最小屈折率変動に伴う横方向の配向のランダム化された屈折率変動に起因する横方向の平面で空間的に局在化される。各リレーがマルチコアファイバで構築されているいくつかの実施形態では、各リレー素子内を伝搬するエネルギー波は、この向きのファイバの配列によって決定される長手方向に進行し得る。
機械的には、これらのテーパ状エネルギー・リレーは、それらを整列させてリレー間の可能な限り最小の継ぎ目間隙を確保するために、一緒に接合または融合される前に高精度に切断および研磨される。エネルギー・リレーの第２の表面によって形成されるシームレス表面は、リレーが接合された後に研磨される。かかる一実施形態では、テーパ材料に熱的に整合するエポキシを使用して、５０ｕｍの最大継ぎ目間隙を達成することが可能である。別の実施形態では、テーパアレイを圧縮および／または加熱下に置く製造プロセスは、素子を一緒に融着する能力を提供する。別の実施形態では、プラスチックテーパの使用は、追加の接合を伴わずに接合を創出するために、より容易に化学的に融着または熱処理され得る。疑義を避けるために、重力および／または力以外の接合を明示的に含まないように、任意の方法を使用してアレイを一緒に接合してもよい。
一実施形態では、終端エネルギー・リレー要素の任意の２つの隣接する第２の表面の縁部間の間隔は、単一のシームレスなエネルギー面の高さ、または単一のシームレスなエネルギー面の幅、のうちの小さい方であるシームレスなエネルギー面からの距離において、２０／４０の視野を有する人間の眼の視力によって画定されるような、最小知覚可能外形よりも小さくなり得る。
特定の許容範囲仕様を満たす様式で、複数のコンポーネントを保持するためには、機械的構造が好ましい場合がある。いくつかの実施形態では、テーパ状リレー素子の第１および第２の表面は、円形、楕円形、卵形、三角形、正方形、長方形、平行四辺形、台形、菱形、五角形、六角形などを含むがこれらに限定されない任意の多角形形状を有し得る。いくつかの例では、例えば長方形テーパなどの非正方形テーパの場合、リレー素子は、エネルギー源全体の最大寸法と平行な最小テーパ寸法を有するように回転させてもよい。このアプローチは、エネルギー源の中心点から見たときに、拡大されたリレー素子の受光円錐に起因する光線の最も低い拒絶を呈するエネルギー源の最適化を可能にする。例えば、所望のエネルギー源サイズが１００ｍｍ×６０ｍｍであり、各テーパ状エネルギー・リレーが２０ｍｍ×１０ｍｍである場合、所望のエネルギー源のサイズを生成するために、３×１０のテーパエネルギー・リレー素子のアレイを組み合わせることができるように、リレー素子を整列および回転させてもよい。ここではいずれも、他の組み合わせの中で、６×５のマトリックスのアレイの代替構成を有するアレイを利用できないことを示唆していない。３×１０のレイアウトからなるアレイは、概して、代替の６×５のレイアウトよりも性能が良くなるであろう。
エネルギー・リレー要素スタック
エネルギー源システムの最も単純化された構成は、単一のテーパ状エネルギー・リレー素子に接合されたエネルギー源で構成されるが、複数のリレー素子を結合して、品質または柔軟性を高めた単一のエネルギー源モジュールを形成してもよい。かかる一実施形態は、エネルギー源に取り付けられた小端部を有する第１のテーパ状エネルギー・リレーと、第１のリレー素子に接続された第２のテーパ状エネルギー・リレーと、を含み、第２の光学テーパの小端部が、第１のリレー素子の拡大端部に接触し、２つの個々のテーパ倍率の積に等しい合計倍率を生成する。これは、一連の２つ以上のエネルギー・リレー素子で構成されるエネルギー・リレー要素スタックの一例であり、各エネルギー・リレー素子は、第１の側面と、第２の側面と、を備え、スタックは、第１の素子の第１の表面から、末端表面とも呼ばれる、並びの最後にある素子の第２の表面へ連続してエネルギーをリレーする。各エネルギー・リレー素子は、それを通してエネルギーを指向するように構成されてもよい。
一実施形態では、エネルギー指向装置は、１つ以上のエネルギー位置と、１つ以上のエネルギー・リレー要素スタックと、を備える。各エネルギー・リレー要素スタックは、１つ以上のエネルギー・リレー素子を備え、各エネルギー・リレー素子は、第１の表面と、第２の表面と、を備える。各エネルギー・リレー素子は、それを通してエネルギーを指向するように構成されてもよい。一実施形態では、各エネルギー・リレー要素スタックの末端エネルギー・リレー素子の第２の表面は、単一のシームレスディスプレイ表面を形成するように配置され得る。一実施形態では、１つ以上のエネルギー・リレー要素スタックは、１つ以上のエネルギー位置と単一のシームレスディスプレイ表面との間に延在するエネルギー伝播経路に沿ってエネルギーを指向するように構成され得る。
図３０は、本開示の一実施形態に基づいて、直列の２つの複合光リレーテーパ７５０２、７５０４からなるエネルギー・リレー要素スタック７５００の側面図を例解し、どちらもテーパも、小端部がエネルギー源表面７５０６に面している。図３０において、入力開口数（ＮＡ）は、テーパ７５０４の入力に対して１．０であるが、テーパ７５０２の出力に対しては約０．１６にすぎない。出力開口数は、テーパ７５０４に対する２と、テーパ７５０２に対する３との積である、合計倍率６で除算されることに留意されたい。このアプローチの１つの利点は、第２のエネルギー波リレー素子を変更することなく、エネルギー源の様々な寸法を考慮するために、第１のエネルギー波リレーをカスタマイズする能力である。その能力はさらに、エネルギー源または第１のリレー素子の設計を変えることなく、出力エネルギー面のサイズを変更するための柔軟性を提供する。図３０にはまた、エネルギー源駆動電子機器を含むエネルギー源７５０６および機械的エンベロープ７５０８も示されている。
一実施形態では、第１の表面は、エネルギー源ユニット（例えば、７５０６）からエネルギー波を受信するように構成され、エネルギー源ユニットは、第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも一方の幅とは異なる幅を有する機械的エンベロープを含み得る。一実施形態では、第１の表面を通過するエネルギー波が、第１の解像度を有し得る一方で、第２の表面を通過するエネルギー波が、第２の解像度を有し得、そのため、第２の解像度が第１の解像度の約５０％以上である。別の実施形態では、エネルギー波は、第１の表面に提供されたときには均一なプロファイルを有するが、第２のリレー表面の位置に関係なく、第２の表面の法線に対して±１０度の開き角を有するコーンを実質的に満たす、前方方向のエネルギー密度であらゆる方向に放射しながら第２の表面を通過することができる。
一実施形態では、複数の積層構成のエネルギー・リレー素子は、複数の面板（倍率１のリレー）を含み得る。いくつかの実施形態では、複数の面板は、異なる長さを有してもよく、またはゆるやかなコヒーレント光リレーである。他の実施形態では、複数の素子は、傾斜輪郭部分を有することができ、傾斜輪郭部分は、角度付き、直線、湾曲、テーパ状、切子面状、またはリレー素子の垂直軸に対して非垂直な角度に配列され得る。さらに別の実施形態では、複数のリレー素子を通って伝搬するエネルギー波は、横方向の配向よりも長手方向の配向において高い輸送効率を有し、長手方向の配向の最小屈折率変動に伴う横方向の配向のランダム化された屈折率変動に起因する横方向の配向で空間的に局在化される。各エネルギー・リレーがマルチコアファイバで構築されている実施形態では、各リレー素子内を伝搬するエネルギー波は、この向きのファイバの配列によって決定される長手方向に進行し得る。
光学画像リレーおよびテーパ素子
非常に高密度の繊維束は、光をピクセルコヒーレンシおよび高い透過率でリレーすることを可能にするために、多量の材料で製造されることがある。光ファイバは、ガラス、プラスチック、または同様の媒体の透明なファイバに沿って光を導く。この現象は、全反射と呼ばれる概念によって制御される。光線が材料の臨界角内に含まれ、光線がより高密度な材料の方向から入射すると、光線は異なる屈折率を有する２つの透明な光学材料の間で全体的に内部反射することになる。
図３１は、最大受光角
Figure 0007420384000005
 ７６０８（または材料のＮＡ）、異なる屈折率を有するコア７６１２およびクラッド７６０２の材料、ならびに反射光線７６０４および屈折光線７６１０、を詳述する、内部反射７６００の基本原理の直交図を例解する。一般に、光の透過率は、反射毎に０．００１パーセント未満だけ減少し、直径が約５０ミクロンのファイバは、フィート毎に３，０００回の反射を有し得、これは、他の複合光学方法論と比較して、その光伝送がいかに効率的であるかを理解するのに役立つ。
入射角（Ｉ）と屈折角（Ｒ）との間の関係は、スネルの法則
Figure 0007420384000006
 で計算することができ、式中、ｎ１は、空気の屈折率であり、ｎ２は、コア材料７６１２の屈折率である。
ファイバ光学分野の当業者であれば、集光力、最大受光角、および他の必要な計算に関連付けられている追加の光学原理を理解して、光が光ファイバ材料を通ってどのように進行するかを理解するであろう。以下の実施形態で説明するように、光ファイバ材料は、光を集中させる方法ではなく光のリレーとみなされるべきであるので、この概念を理解することは重要である。
光ファイバを出る光の角度分布を理解することは、本開示にとって重要であり、また入射角に基づいて予想されるものと同じではないことがある。光線７６１０の出口方位角は、最大受光角７６０８、ファイバの長さおよび直径、ならびに材料の他のパラメータによって急速に変化する傾向があるので、出射光線は、入射角および屈折角によって画定されるような円錐形状としてファイバを出る傾向がある。
図３２は、光ファイバ７７０４に入る光線７７０２が、特定の方位角
Figure 0007420384000007
 を有する円錐形状の光分布７７０６で、どのように出ることができるかを示している。この効果は、ファイバを通してレーザポインタを照らすことによって観察され、表面上の様々な距離と角度で出力光線を見ることができる。提案された設計と共に進歩する重要な概念になるであろう円錐領域全体にわたる光の分布を有する円錐形状の出口（例えば、円錐形状の半径だけではない）。
ファイバ材料の伝送損失の主な原因は、クラッディング、材料の長さ、および受光角度の外側の光線に対する光の損失である。クラッドは、コアを絶縁し、光線による個々のファイバ間の進行を軽減するのを助けるために、より大きい束内の各個々のファイバを囲む材料である。これに加えて、追加の不透明な材料を使用して、余分な壁吸収（ＥＭＡ）と呼ばれる受光角度の外側の光を吸収してもよい。両方の材料は、コントラスト、散乱、およびいくつかの他の要因に関して見られる画像品質を向上するのを補助することができるが、入口から出口までの全体的な光透過を減少させ得る。簡単にするために、クラッドに対するコアの割合は、これが光の損失の理由の１つであり得るので、ファイバのおおよその伝送能力を理解するために使用することができる。他のタイプの材料が利用可能であり得、また、以下の議論において検討されるが、大部分の材料において、コア対クラッド比は、おおよそ約５０％～約８０％の範囲であり得る。
各ファイバはファイバ直径毎におおよそ０．５の写真線ペアを解像することができ、したがってピクセルをリレーするとき、ピクセル毎に１つより多いファイバを有することが重要であり得る。いくつかの実施形態では、ファイバの各々の間の平均解像度がこれらの材料を利用するときに関連するＭＴＦ損失を軽減するのに役立つので、ピクセル毎に１ダース程度が利用され得るか、または３つ以上のファイバが許容可能であり得る。
一実施形態では、光ファイバは、ファイバ光フェイスプレートの形態で実装され得る。面板は、一緒に融着されて真空気密ガラスプレートを形成する、単一または複数、または複数のマルチファイバの集合である。面板の一方の側面に提示される画像は、高効率で外部表面に輸送され得るので、このプレートは理論的には厚さゼロのウィンドウと考えることができる。従来、これらの面板は、約６ミクロン以上のピッチを有する個々のファイバで構成され得るが、最終的にコントラストおよび画像品質を低下させる可能性があるクラッド材料の有効性にもかかわらず、より高い密度が達成され得る。
いくつかの実施形態では、光ファイバ束はテーパ状であってもよく、その結果、異なるサイズおよび各表面の釣り合った拡大率を有するピクセルのコヒーレントマッピングがもたらされる。例えば、拡大端部は、より大きいファイバピッチおよびより高い拡大率を有する光ファイバ素子の側面を指すことができ、小端部は、より小さいファイバピッチおよびより低い拡大率を有する光ファイバ素子の側面を指すことができる。様々な形状を製造するプロセスは、加熱および所望の拡大率の製造を含んでもよく、これは光ファイバの元のピッチをそれらの元のサイズからより小さいピッチに物理的に変更し、これによりテーパおよびＮＡ上の位置に応じて受光角を変化させ得る。別の要因は、製造プロセスが平らな表面に対する繊維の直角度を歪める可能性があることである。とりわけテーパ設計に関する課題の１つは、各端部の有効ＮＡが、拡大率の割合におおよそ比例して変化し得ることである。例えば、２：１の比を有するテーパは、直径１０ｍｍの小端部と、直径２０ｍｍの拡大端部と、を有し得る。元の材料が１０ミクロンのピッチで０．５のＮＡを有する場合、小端部は、１．０のおおよそ有効なＮＡと、５ミクロンのピッチと、を有するであろう。結果として得られる受光角および出口角も同様に、比例して変化し得る。このプロセスからの厳密な結果を理解するために実施され得るはるかに複雑な分析があり、当業者であれば誰でも、これらの計算を実施することができるであろう。この議論の目的のために、これらの一般化は、画像化の影響ならびに全体的なシステムおよび方法を理解するのに十分である。
フレキシブルなエネルギー源と湾曲したエネルギー・リレー表面の使用
湾曲した表面を有するある特定のエネルギー源技術またはエネルギー投影技術を作り出すことが可能であり得る。例えば、一実施形態では、エネルギー源として、湾曲したＯＬＥＤディスプレイパネルが使用され得る。別の実施形態では、エネルギー源として、焦点のないレーザ投影システムが利用され得る。さらに別の実施形態では、投影される表面にわたって焦点を維持するのに十分に広い被写界深度を有する投影システムが用いられてもよい。疑義を避けるために、これらの例は例示目的で提供されており、決してこの技術の説明のための技術的実装の範囲を限定するものではない。
既知の光入力角度で完全に集束した投影画像を保持し得る湾曲したエネルギー面または湾曲した表面を活用することによって、光学構成の主光線角（ＣＲＡ）に基づいて光の操作円錐を生成することができる光学技術を考慮すると、それぞれの出力修正角度は、より理想化された視野角を提供し得る。
かかる一実施形態では、光リレー素子のエネルギー面の側面は、モジュール毎に、円筒形、球形、平面、または非平面の研磨構成（本明細書では「形状」または「形状の」と呼ぶ）に湾曲し得、ここでは、エネルギー源は、もう１つの源モジュールから生じる。各有効な発光エネルギー源は、変形の過程を通して変更されるそれ自体のそれぞれの視野角を有する。この湾曲したエネルギー源または同様のパネル技術を活用することは、変形およびＣＲＡの再構成または各有効ピクセルの最適視野角の影響を受けにくいであろうパネル技術を可能にする。
図３３は、本開示の一実施形態に基づいて、拡大率が３：１である光リレーテーパ構成７８００、およびその結果得られる取り付けられたエネルギー源の光の視野角の直交図を例解する。光リレーテーパは、３：１の拡大率で１．０の入力ＮＡを有し、結果として、おおよそ０．３３の出力光線に対する有効ＮＡ（これに関連する他の多くの係数があり、これは単純化された参照用のみである）、平面および直角な表面が、テーパ状エネルギー・リレーの両端にあり、エネルギー源が、小端部に取り付けられている。このアプローチだけを利用すると、エネルギー面の画角は入力角度の画角のおおよそ１／３であり得る。疑義を避けるために、１：１の有効拡大率を有する同様の構成（光フェイスプレートまたは他のものを活用する）、または任意の他の光リレーのタイプもしくは構成が、さらに活用され得る。
図３４は、図３３と同じテーパ状エネルギー・リレーモジュール７９００を例解するが、ここで、エネルギー源側面の表面は、湾曲した形状の構成７９０２を有し、一方で、エネルギー源側面７９０３の反対側の表面は、平面の表面を有し、モジュール７９００の光軸に対して垂直である。この手法によって、入力角度（例えば、７９０２付近の矢印を参照されたい）は、この形状に基づいてバイアスされ得、出力角度（例えば、７９０３付近の矢印を参照されたい）は、図３３のものとは異なり、表面の位置からより独立して調整され、図３４に例示されるような湾曲した表面７９０２を提供するが、各有効光放出源の可視出口円錐は、表面７９０２へのエネルギー源入力の可視出口円錐よりも小さくなり得る。これは、利用可能な光線のより粗いかまたはより圧縮された密度のために視角を最適化する特定のエネルギー面を考慮するときに有利であり得る。
別の実施形態では、出力角度の変動は、入力エネルギー面７９０２を凸面の形状にすることによって達成され得る。かかる変動がなされた場合、エネルギー面７９０３の端部付近の光の出力円錐は、中心に向かって曲がる。
いくつかの実施形態では、リレー素子装置は、湾曲したエネルギー面を含み得る。一例では、リレー素子装置の両方の表面は、平面であり得る。代替的に、他の例では、一方の表面は、平面であり得、他方の表面は、非平面であり得、またはその逆もあり得る。最後に、別の例では、リレー素子装置の両方の表面は、非平面であり得る。他の実施形態では、非平面の表面は、他の非平面の構成の中でも、凹面の表面または凸面の表面であり得る。例えば、リレー素子の両方の表面は、凹面であり得る。代替的に、両方の表面が凸面であってもよい。別の例では、一方の表面は凹面であってもよく、他方の表面は凸面であってもよい。当業者には、本明細書では、平面、非平面、凸面、および凹面の表面の複数の構成が企図および開示されていることが理解されよう。
図３５は、本開示の別の実施形態に基づいて、エネルギー源側面に対して非垂直であるが、平面である表面８００２を有する、光リレーテーパ８０００の直交図を例解する。エネルギー源側面の形状における著しいカスタマイズ可能な変動を明確にするために、図３５は、図３４と比較するためにエネルギー源側面に対して非垂直だが平面の形状を簡単に作成する結果を例解し、表面特性における任意の変動により可能となる光１、２、３の入力許容円錐角度および出力可視放出円錐角度を直接制御する能力をさらに実証する。
また、用途に応じて、リレーのエネルギー源側面がリレー内の光の伝搬方向を画定する光軸に対して垂直のままであり、リレーの出力表面が光軸に対して非垂直である、エネルギー・リレー構成を設計することも可能であり得る。他の構成は、様々な非垂直な形状の構成を呈する、入力エネルギー源側面およびエネルギー出力側面の両方を有することができる。この方法では、入力および出力エネルギー源の視野角に対する制御をさらに向上させることが可能であり得る。
いくつかの実施形態では、テーパはまた、特定の視野角を最適化するように、リレーの光軸と非垂直でもあり得る。そのような一実施形態では、図３３に示すような単一のテーパは、光軸と平行なカットによって四分円にカットされ、テーパの大端と小端は、４つの等しい部分にカットされ得る。これらの４つの四分円は、次いで、各テーパ四分円を個々の光学中心軸を中心に１８０度回転させて再度組み立てて、再度組み立てた四分円の中心から離れて面し、したがって視野を最適化する、テーパの小端部を有する。他の実施形態では、物理的に拡大された端部のサイズまたは縮尺を増大させることなく、縮小された端部上のエネルギー源間の隙間の増大を提供するために、非直角なテーパも直接製造され得る。これらのおよび他のテーパ状の構成は本明細書に開示されている。
図３６は、エネルギー源の側面に凹面を有する図３３の光リレーおよび光照射円錐の直交図を例解する。この場合、出力光の円錐は、図３３と比較して、エネルギー源側面が平坦である場合よりも、出力エネルギー面の平面の縁部付近で著しく広がる。
図３７は、エネルギー源の側面に同じ凹面を有する図３６の光学テーパリレー８２００および光照射円錐の直交図を例解する。この実施例では、出力エネルギー面８２０２は、凸面の形状を有する。図３６と比較して、凹面の出力表面８２０２上の出力光の円錐は、入力許容円錐およびこの形状の構成から生成される光の出口円錐により、エネルギー源表面にわたってより視準される。疑義を避けるために、提供される実施例は、単に例解的なものであり、また、入力エネルギー源側面および出力エネルギー面のための任意の形状の構成が、出力エネルギー面の所望の視角および光の密度、ならびにエネルギー源自体から生成される光の角度に応じて利用され得るので、明示的な表面特徴を示すことを意図しない。
いくつかの実施形態では、複数のリレー素子は、直列に構成され得る。一実施形態では、直列の任意の２つのリレー素子は、別の素子に対する一方の素子からの逆歪みが、任意のかかるアーチファクトを光学的に軽減するのを助けるように、意図的に歪められたパラメータとさらに結合されてもよい。別の実施形態では、第１の光学テーパは、光学バレル歪みを呈し、第２の光学テーパは、このアーチファクトの逆を呈するように製造されて、一緒に集約されたときに生じる情報が、部分的または完全のいずれかで打ち消されるよりも、２つの素子のうちのいずれか１つによってもたらされる任意のかかる光学的歪みのような、光ピンクッション歪みを生成し得る。これは、複合補正が一連で適用され得るように、任意の２つ以上の素子にさらに適用可能であり得る。
いくつかの実施形態では、小型および／または軽量のフォームファクタで、エネルギー源のアレイなどを製造するために、単一のエネルギー源基板、電子機器、および／または同種のものなどを製造することが可能であり得る。この配置では、個々のコンポーネントおよび電子機器と比較して、光リレーの端部が極めて小さいフォームファクタでエネルギー源の活性領域に整列するように、光リレーモザイクをさらに組み込むことが実現可能であり得る。この技術を使用して、モニタ、スマートフォンなどのような小型フォームファクタ装置に対応することは実現可能であり得る。
図３８は、本開示の一実施形態に基づいて、湾曲したエネルギー源側面の表面８３１４、８３１６、８３１８、８３２０、８３２２とそれぞれ一緒に結合されて、各テーパの複数の垂直な出力エネルギー面から最適可視画像８３０２を形成する、複数の光学テーパリレーモジュール８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２のアセンブリ８３００の直交図を例解する。この例では、テーパリレーモジュール８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２は、並列に形成される。単一の列のテーパリレーモジュールのみが示されているが、いくつかの実施形態では、積層構成を有するテーパもまた、並列にかつ一列に一緒に結合されて、連続したシームレスな可視画像８３０２を形成し得る。
図３８では、各テーパリレーモジュールは、独立して動作し得るか、または光リレーのアレイに基づいて設計され得る。この図に示すように、光学テーパリレー８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２を有する５つのモジュールが一緒に整列されて、より大きい光学テーパ出力エネルギー面８３０２を生成する。この構成では、出力エネルギー面８３０２は、各リレーの光軸に対して垂直であり得、５つのエネルギー源側面８３１４、８３１６、８３１８、８３２０、８３２２の各々は、出力エネルギー面８３０２の前、またはこの表面の後ろにあり得る中心軸を中心に環状輪郭に変形し得、アレイ全体が、個別モジュールとしてではなく、単一の出力エネルギー面として機能することを可能にする。加えて、さらに、出力された光の視野角を計算し、エネルギー源側面の形状に必要とされる理想的な表面特徴を決定することによって、このアセンブリ構造体８３００を最適化することが可能であり得る。図３８は、かかる一実施形態を例解し、複数のモジュールが一緒に結合され、エネルギー源側面の湾曲が、より大きい出力エネルギー面の光の視野角を占める。５つのリレーモジュール８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２が示されているが、当業者には、用途に応じて、より多いまたはより少ないリレーモジュールが一緒に結合され得、これらは、２つの寸法で一緒に結合して、任意の大きい出力エネルギー面８３０２を形成し得ることが認識されるであろう。
一実施形態では、図３８のシステムは第１および第２の方向にわたって（例えば、列にわたって、または積層構成で）配設された複数のリレー素子８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２を含み、複数のリレー素子の各々は、それぞれのリレー素子の第１の表面と第２の表面との間の長手方向の配向に沿って延在する。いくつかの実施形態では、複数のリレー素子の各々の第１および第２の表面は、第１および第２の方向によって画定される横方向の配向にほぼ沿って延在し、長手方向の配向は横方向の配向に対して実質的に垂直である。他の実施形態では、長手方向の配向の最小屈折率変動に伴う横方向の配向のランダム化された屈折率変動は、長手方向の配向に沿った実質的により高い輸送効率を有するエネルギー波、および横方向の配向に沿った空間局在をもたらす。
一実施形態では、複数のリレー素子は、それぞれ第１の方向または第２の方向に沿って単一のタイル状表面を形成するように、第１の方向または第２の方向にわたって配設され得る。いくつかの実施形態では、複数のリレー素子は、当業者によって認識され得るように、少なくとも２×２構成を有するマトリックスに、または限定されないが、３×３構成、４×４構成、３×１０構成、および他の構成を含む、他のマトリックスに配設される。他の実施形態では、単一のタイル状表面間の継ぎ目は、単一のタイル状表面の最小寸法の２倍の視距離では認知不能であり得る。
いくつかの実施形態では、複数のリレー素子（例えば、８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２）の各々は、長手方向の配向の最小屈折率変動と結合された、横方向の配向のランダム化された屈折率変動を有し、長手方向の配向に沿った実質的により高い輸送効率を有するエネルギー波、および横方向の配向に沿った空間局在化をもたらす。リレーがマルチコアファイバで構成されているいくつかの実施形態では、各リレー素子内を伝搬するエネルギー波は、この配向でのファイバの整列によって決定される長手方向の配向に進行し得る。
他の実施形態では、複数のリレー素子（例えば、８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２）の各々は、長手方向の配向に沿ってエネルギーを輸送するように構成され、複数のリレー素子を介して伝搬するエネルギー波は、ランダム化された屈折率の変動により、横方向の配向よりも長手方向の配向において高い輸送効率を有し、よって、エネルギーは、横方向の配向に局在化される。いくつかの実施形態では、リレー素子間を伝搬するエネルギー波は、横方向の配向よりも長手方向の配向において実質的に高い輸送効率により、長手方向の配向と実質的に平行に進行し得る。他の実施形態では、長手方向の配向の最小屈折率変動に伴う横方向の配向のランダム化された屈折率変動は、長手方向の配向に沿った実質的により高い輸送効率を有するエネルギー波、および横方向の配向に沿った空間局在をもたらす。
図３９は、本開示の一実施形態に基づいて、垂直なエネルギー源側面の形状８４０４、８４０６、８４０８、８４１０、および８４１２、ならびに中心軸を中心に放射状である凸面のエネルギー源表面８４０２と一緒に結合された複数の光学テーパリレーモジュールの配置８４００の直交図を例解する。図３９は、図３８に示される構成の変形例を例解し、垂直なエネルギー源側面の形状および中心軸を中心に放射状である凸面の出力エネルギー面を有する。
図４０は、本開示の別の実施形態に基づいて、垂直な出力エネルギー面８５０２および中心軸を中心に放射状の凸面のエネルギー源側面８５０４と一緒に結合された複数の光リレーモジュールの配置８５００の直交図を例解する。
いくつかの実施形態では、エネルギー・リレーのアレイの源側面を中心半径を中心に円筒形に湾曲した形状に構成し、平坦なエネルギー出力表面を有することによって、入力エネルギー源の受光角度および出力エネルギー源の放出角度が切り離され得、各エネルギー源モジュールをエネルギー・リレーの受光円錐とより良く整列させることが可能であり得、これは、エネルギーテーパリレーの倍率、ＮＡ、および他の因子などのパラメータに対する制約のため、それ自体が制限され得る。
図４１は、本開示の一実施形態に基づいて、可視出力光線のように、各エネルギー出力表面が独立して構成された、複数のエネルギー・リレーモジュールの配置８６００の直交図を例解する。図４１は、図４０に類似する構成を例解しているが、各エネルギー・リレー出力表面が独立して構成されており、よって、可視出力光線は、光軸に対してより均一な角度で（または正確な形状の採用に対するより少ない依存で）複合出力エネルギー面から放出される。
図４２は、本開示の一実施形態に基づいて、放出エネルギー源側面およびエネルギー・リレー出力表面がどちらも、入力および出力光線に対する明示的な制御を生成する様々な形状で構成されている、複数の光学テーパリレーモジュールの配置８７００の直交図を例解する。この目的のために、図４２は、放出エネルギー源側面およびリレー出力表面がどちらも、入力および出力光線に対するより大きい制御を可能にする、湾曲した形状で構成されている、５つのモジュールを有する構成を例解する。
図４３は、その個々の出力エネルギー面が視認者を取り囲むシームレスな凹面の円筒形エネルギー源表面を形成するように構成され、リレーの源の端部が平坦であり、各々がエネルギー源に接合されている、複数の光リレーモジュールの配置８８００の直交図を例解する。
図４３に示す実施形態では、ならびに図８１、図８２、図８３、図８４、および図８５に示される実施形態に類似して、システムは、第１および第２の方向にわたって配設された複数のエネルギー・リレーを含み得、リレーの各々において、エネルギーは、長手方向の配向を画定する第１の表面と第２の表面との間で輸送され、リレーの各々の第１および第２の表面は、第１および第２の方向によって画定された横方向の配向にほぼ沿って延在し、長手方向の配向は、横方向の配向に対して実質的に垂直である。この実施形態ではまた、複数のリレーを介して伝搬するエネルギー波は、長手方向の配向における最小の屈折率の変動に伴う横方向の配向における高い屈折率の変動により、横方向の配向よりも長手方向の配向において高い輸送効率を有する。各リレーがマルチコアファイバで構築されているいくつかの実施形態では、各リレー素子内を伝搬するエネルギー波は、この向きのファイバの配列によって決定される長手方向に進行し得る。
一実施形態では、上述したものと同様に、複数のリレー素子の各々の第１および第２の表面は、概して、横方向の配向に沿って湾曲し得、複数のリレー素子は、第１および第２の方向にわたって一体的に形成され得る。複数のリレーは、第１および第２の方向にわたって組み立てられ、少なくとも２×２構成を有するマトリックスに配置され、ガラス、光ファイバ、光学フィルム、プラスチック、ポリマー、またはそれらの混合物を含み得る。いくつかの実施形態では、複数のリレーのシステムは、第１の方向または第２の方向に沿って単一のタイル状表面をそれぞれ形成するように、第１の方向または第２の方向にわたって配置され得る。上記のように、複数のリレー素子は、当業者によって認識され得るように、限定されないが、３×３構成、４×４構成、３×１０構成、および他の構成を含む、他のマトリックスで配設することができる。他の実施形態では、単一のタイル状表面間の継ぎ目は、単一のタイル状表面の最小寸法の２倍の視距離では認知不能であり得る。
エネルギー・リレーのモザイクの場合、以下の実施形態が含まれてもよい：第１および第２の表面の両方が、平面であり得るか、第１および第２の表面の一方が、平面であり、かつ他方が非平面であり得るか、または第１および第２の葉面が、非平面であり得る。いくつかの実施形態では、第１および第２の表面の両方が凹面であってもよく、第１および第２の表面の一方が凹面であり、他方が凸面であってもよく、または第１および第２の表面の両方が凸面であってもよい。他の実施形態では、第１および第２の表面のうちの少なくとも一方は、平面、非平面、凹面、または凸面であり得る。平面である表面は、エネルギー輸送の長手方向に対して垂直であり得るか、またはこの光軸に対して非垂直であり得る。
いくつかの実施形態において、複数のリレーは、他のタイプのエネルギー波の中でも特に限定されないが、電磁波、光波、音響波を含むエネルギー源の空間拡大または空間縮小を引き起こし得る。他の実施形態では、複数のリレーはまた、複数のエネルギー・リレー（例えば、エネルギー源のための面板など）を含んでもよく、複数のエネルギー・リレーは、他の寸法の中でも、幅、長さが異なる。いくつかの実施形態では、複数のエネルギー・リレーはまた、ゆるやかなコヒーレント光リレーまたはファイバも含み得る。
マルチエネルギー領域の透過
エネルギー・リレー材料の製造プロセスの任意の段階中に、処理ステップを導入して、リレー材料が、次いで２つ以上の実質的に異なるエネルギー領域に属するエネルギーを輸送することを効果的に可能にする。これは、第２のパターニング、第２の構造体、または他の材料もしくは設計変形例をリレー材料に加えることが必要であり得る。
一実施形態では、エネルギー領域は、材料を介して効果的に伝搬され得る電磁エネルギーの波長範囲を指し得る。したがって、異なるエネルギー領域は、電磁エネルギーの異なる周波数の範囲を指し得る。様々な確立された電磁エネルギー領域およびエネルギーサブドメインは、当業者に周知である。加えて、一実施形態では、エネルギー領域は、異なる物理現象を介して伝搬する、電磁エネルギー、音響エネルギー、触覚エネルギー、または振動エネルギーなどのエネルギーのタイプを指し得る。本開示の範囲は、１つのタイプのエネルギーのみに限定されるものとみなされるべきではなく、単一のエネルギーの波長もしくは大きさ、または単一の波長の範囲もしくは大きさに限定されるべきではない。
図２３Ａは、複数のエネルギー領域のエネルギーを輸送することができる秩序化エネルギー・リレー２３００の横方向平面の切取図を例解する。図２３Ａでは、エネルギー・リレー２３００は、２つの異なるタイプのエネルギー輸送材料、すなわち、材料２３０１および材料２３０２を含む。材料２３０１および２３０２は、材料２３０１が、第１のエネルギー領域内に入るエネルギーを局在化させるように構成された特定のサイズの粒子２３０４などの粒子を備えるように、および材料２３０２が、第１のエネルギー領域とは異なる第２のエネルギー領域内に入るエネルギーを局在化させるように構成された特定のサイズの粒子２３０３などの粒子を備えるように設計され得る。一実施形態では、リレー材料２３０１は、超音波の形態で機械的エネルギーを透過し、リレー材料２３０２は、可視電磁エネルギーの形態で電磁エネルギーを透過する。他の実施形態では、エネルギーを輸送するように作用する任意の数のエネルギー・リレー材料が存在し得ることが可能である。他の実施形態では、１つ以上のエネルギー輸送材料は、コンポーネント設計構造体（ＣＥＳ）のランダム分布で作製され、したがって、エネルギーの横アンダーソン局在化を呈する。図２３Ａに示すような異なる実施形態では、１つ以上のリレーが、秩序化分布で配設されたＣＥＳによって構築され、したがって、本開示で前に説明したように、秩序化エネルギー局在化を呈する。複数のエネルギー領域のリレーは、各リレー材料がアンダーソン局在化または秩序化エネルギー局在化を呈し得るように構築され得ることが認識されるべきである。さらに、他の実施形態では、両方の輸送機構を伴うリレーを有することができる。一実施形態では、各エネルギー領域のために予約されている１つのタイプ、または所与のエネルギー領域のための各エネルギー輸送方向が存在する。
一実施形態では、材料２３０１および２３０２は、第１のエネルギー領域内に入るエネルギーが材料２３０１を通過し、材料２３０２に反射するように、および第１のエネルギー領域とは異なる第２のエネルギー領域内に入るエネルギーが材料２３０２を通過し、材料２３０１に反射するように設計され得る。
特定の実施形態では、材料２３０１および２３０２は、同じ材料であり得るが、所望のエネルギー領域の選択を達成するために、実質的に異なるサイズを有する。製造プロセスにおいて、所与のエネルギー・リレー材料のサイズを低減させる場合、低減させた後には、より大きくサイズ決定された材料がエネルギー・リレーに導入され得、次いで、すべての後続の処理ステップを受けて、その結果、２つ以上の異なるエネルギー領域におけるエネルギー伝播に対する選択性を有するリレーが生じ得る。
図２３Ａに示される複数のエネルギー領域リレーを活用して、リレーによって輸送され得る各タイプのエネルギーの空間解像度を維持する、密にインターリーブされたエネルギー位置を備えるエネルギー面を構築することができる。例えば、材料２３０１が超音波エネルギーを輸送し、材料２３０２が画像の形態の電磁エネルギーを輸送する一実施形態では、画像は、材料２３０１が適切に寸法決定され、かつ不規則および／または疎な間隔で使用されるのであれば、材料２３０１の存在によってわずかに低下された解像度で、リレーを介して輸送され得る。
図２３Ｂは、複数のエネルギー領域のエネルギーを輸送することができる秩序化エネルギー・リレー２３００の長手方向平面の切取図を例解する。図２３Ｂの白色領域は、図２３Ａからの材料２３０２を例解し、黒線は、図２３Ａからの材料２３０１を例解する。図２３Ｂは、複数のエネルギー領域に対する選択性を有するリレー材料が、長手（または伝搬）方向に沿った断面図のように見え得ることを示す。一実施形態では、２３０２の領域は、光の伝搬に対する選択性を有する高密度粒子であり得、２３０１の領域は、超音波周波数の伝搬に対する選択性を有するより大きい粒子であり得る。当業者は、単一のリレー材料内にエネルギー伝播の複数のエネルギー領域を有する利点を提供し得ることを認識することができる。
図２４は、２つの異なるエネルギー領域のエネルギーを伝搬することができるエネルギー・リレー材料を製造するためのシステム２４００を例解する。図２４では、エネルギー・リレー材料のブロック２４０１が提供されている。一実施形態では、エネルギー・リレー材料のブロック２４０１は、ブロックの長手方向平面に沿って、第１のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成され得る。第２のパターンが材料に導入されるように、２４０２などの１つ以上の機械的開口部が形成され得る。これらの領域は、穿設、彫刻、溶融、形成、融合、エッチング、レーザカット、化学形成され得るか、または別様に、所望のエネルギー領域に適切な規則的もしくは非規則的なパターンで生成され得る。一実施形態では、機械的開口部２４０２は、空のままであり得る。例えば、一実施形態では、リレー材料は、音波の伝搬のための導波路を形成する孔を備え得る。
一実施形態では、機械的開口部２４０２を満たすために、材料２４０３などの第２の材料が加えられ得る。材料２４０３は、ブロック２４０１とは異なるエネルギー領域のエネルギーの伝搬を可能にする特性を有し得る。したがって、材料２４０３がブロック２４０１に一体化されると、その結果得られるリレーは、２つの異なるエネルギー領域のエネルギーを効果的に伝搬する。例えば、ブロック２４０１は、高解像度画像を輸送するための局在化電磁エネルギーを伝搬するように構成され得、一方で、プラグ２４０３は、孔２４０２から取り外して、超音波を輸送するように設計されたエネルギー・リレーと置き換えられ得る。その結果得られるエネルギー・リレー材料は、２つのエネルギー領域の場合、横方向平面よりも長手方向平面において高い輸送効率を可能にし得る。
一実施形態では、可視光のために設計された面板またはブロックの形態のリレー素子は、可撓性の機械的音響導波路管をエネルギー・リレー材料に導入するために、面板の表面を通過する一連の微小穿孔を有する。
図２５は、２つの異なるエネルギー領域のエネルギーをリレーすることができるエネルギー・リレー素子２５００の斜視図を例解する。リレー２５００は、第１の材料２５０１と、第２の材料２５０２と、を備え得る。材料２５０１および２５０２は、実質的に同じ材料であり得るが、寸法サイズまたは形状が異なり得る。代替的に、材料２５０１および２５０２は、様々なエネルギー伝播特性を有する、異なる材料であり得る。材料２５０１と２５０２は、複数の秩序化または無秩序置換基エネルギー・リレー粒子を含み得るか、またはモノリシック材料であり得る。
図２６は、可撓性エネルギー導波路を含む２つの異なるエネルギー領域のエネルギーをリレーすることができるエネルギー・リレー素子２６００の斜視図を例解する。図２６に示される構成では、第１の材料２６０１は、材料を通して２つの異なるエネルギー領域のエネルギーを効果的に輸送するように、第２の材料２６０２を通して導入され得る。加えて、第１のエネルギー領域のエネルギーを、それを通して輸送される素子２６００の側面に輸送するために、可撓性導波路２６０３が素子２６００の底部に加えられ得る。同様に、第２のエネルギー領域のエネルギーを、それを通して輸送される２６００の側面に輸送するために、可撓性導波路２６０４が素子２６００の底部に加えられ得る。可撓性導波路２６０３および２６０４は、異なるエネルギー領域に属するエネルギーを効果的に輸送するように設計され得、一実施形態では、導波路２６０３は、材料２６０１と同じエネルギー領域のエネルギーを輸送するように設計され得、導波路２６０４は、材料２６０２と同じエネルギー領域のエネルギーを輸送するように設計され得る。
一実施形態では、可撓性導波路２６０３および２６０４は、第２の端部において、エネルギー投影または受信装置（図示せず）に取り付けられ得る。可撓性導波路２６０３および２６０４は、それらの柔軟性のため、エネルギーを受信および投影するためのリレー素子２６００の表面が、２Ｄまたは３Ｄ空間内の実質的に異なる位置にあることを可能にし得る。可撓性導波路は、２つ以上のエネルギー装置の間でのシームレスな混合を可能にするために、複数のエネルギー領域のために組み合わされ得る。
図２７は、融合の前および後に、異なる材料２７０３および２７０４を含む、マルチエネルギー領域リレー２７００を形成するための方法を例解する。図２７Ｂでは、２つのリレー材料２７０３および２７０４の個々のロッドは、２７０１で示される構成で提供および配設される。材料２７０３および２７０４の構成は、材料の長手方向平面に沿って、第１および第２のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成され得る。一実施形態では、材料２７０３および２７０４は、異なるエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように設計される。次いで、構成２７０１内の材料が一緒に融合されて、２７０２で示される単一のシームレスなエネルギー・リレーを形成する。一実施形態では、構成２７０１を一緒に融合させることは、任意の順序で実行される以下のステップ、すなわち、熱を構成に適用すること、圧縮力を構成に適用すること、冷却を構成に適用すること、および触媒を伴ってまたは伴わずに配置に対する化学反応を実行すること、のいずれかを含み得る。リレー２７０２は、特定のエネルギー領域に属するエネルギーを材料２７０３および２７０４にリレーすることが可能であり得る。一実施形態では、融合リレー２７０２の所望のエネルギー伝播特徴」に応じて、材料２７０３または２７０４のいずれかが空気として選択され得る。例えば、リレー２７０２を介して伝搬させるための所望のエネルギー領域のうちの１つは、音であり得、可能なエネルギー・リレー材料として空気が選択されることにつながる。一実施形態では、エネルギー・リレー材料は、融合前に可撓性材料であり得るか、または融合プロセスの結果として材料間に誘発される可撓性を有し得る。一実施形態では、エネルギー・リレー材料２７０３および２７０４は、本開示の他の場所で議論したように、１つ以上のコンポーネント設計構造体を備え得る。一実施形態では、図２７に例解される方法は、金型によって提供され得る拘束空間を使用して実行され得、それによって、材料２７０３および２７０４が、融合プロセスステップ（複数可）を実行しながら、構成２７０１に配設され、次いで、拘束空間内に収容される。
図２８は、複数の穿孔を備えるエネルギー・リレー２８００の斜視図を例解する。リレー２８００では、微小穿孔または孔２８０１などの他の形態の孔が、エネルギー・リレーに生成され得る。これは、エネルギーを第１のエネルギー領域にリレーする能力を提供し得、一方で、音、機械的エネルギー、液体、または任意の他の所望の構造体が、第１のエネルギー領域と同時にエネルギー・リレーを自由に通過することを可能にする。
簡単にするために、本明細書で論じる実施例は、２つの異なるエネルギー領域のエネルギーを輸送するように設計されたリレーを備えるが、当業者は、異なるエネルギー領域の正確な数が２である必要がないこと、および本明細書で開示した原理は、異なるエネルギー領域の任意の所望の数のエネルギーを輸送するための材料を設計するために使用され得ることを認識するべきである。したがって、本開示の範囲は、２つの異なるエネルギー領域の輸送のみに設計された材料に限定されるとみなされるべきではない。
エネルギー結合要素
リレー材料２６０３および２６０４がどちらも、対応するエネルギー領域のエネルギー源および波長にそれぞれ連結されている場合、図２６に示されるリレー１９００は、デュアルエネルギー源であるように構成することができるリレー組み合わせ素子とみなすことができる。エネルギー投影システムは、図２６に示されるものならびに図２３Ａに示されるリレー２３００などの、インターリーブされたエネルギー位置によって構築されたリレーを活用して、２つの異なるエネルギー源からエネルギーを輸送して、各エネルギー領域の寸法および２つの異なるタイプのリレー領域の配置によって誘導されるこのエネルギーを単一の表面の上へある空間解像度で合併させることができる。一実施形態では、エネルギー結合要素は、２つ以上のエネルギー伝播経路をインターリーブすることを可能にし、その一例を図２０に示す。加えて、エネルギー・リレーが双方向性であるので、１つの表面からの２つの異なるタイプのエネルギーを、または単一の表面からの源および感知エネルギーを同時に、吸収することが可能である。
図１９Ａは、第１の表面および２つの織り合わせた第２の表面１９３０を備えるエネルギー・リレー組み合わせ素子１９００を例解し、第２の表面１９３０は、エネルギー放射装置１９１０およびエネルギー感知装置１９２０の両方を有する。図１９Ａのさらなる実施形態は、２つ以上の第２のリレー表面１９３０のうちの少なくとも１つのための２つ以上のサブ構造体コンポーネント１９１０、１９２０を有し、サブ構造体の直径を含む、２つ以上の第２のリレー表面１９３０のサブ構造体コンポーネントの間に異なる設計特性を呈する、エネルギー・リレー組み合わせ素子１９００を含み、１つ以上の第２の表面１９３０の各々のサブ構造体の直径は、決定したエネルギー装置およびエネルギー周波数ドメインの波長と実質的に類似する。
図１９Ｂは、図１９Ａのさらなる一実施形態を例解し、エネルギー・リレー組み合わせ素子１９０１は、１つ以上の導波路素子表面１９３０内の１つ以上の素子タイプ１９１０、１９２０と、素子タイプ１９１０、１９２０の各々が、釣り合ったエネルギー周波数ドメイン内の波長の伝搬経路１９５０、１９６０を変更するように設計される特性と、を含む。一実施形態では、エネルギー・リレー組み合わせ素子１９５０は、電磁エネルギー放出装置１９１０と、機械的エネルギー放射装置１９２０と、を含み得、各装置１９１０、１９２０は、それぞれ、電磁エネルギー・リレー経路１９５０および機械的エネルギー・リレー経路１９６０を変更するように構成される。
別の実施形態では、任意の第２のエネルギー周波数ドメインの波長は、第１のエネルギー周波数ドメインに実質的に影響を及ぼされ得ない。エネルギー・リレーの２つ以上の第２の表面の複数のエネルギー装置および１つ以上の導波路素子内の１つ以上の素子タイプの組み合わせは、指定された用途に必要されるものとして実質的に独立して、エネルギー装置、エネルギー・リレー、およびエネルギー導波路を介して、１つ以上のエネルギー領域を実質的に伝搬する能力を提供する。
一実施形態では、エネルギー・リレー組み合わせ素子１９０１は、積層構成で組み立てられて、上述したものに類似する、同時に一体化したシームレスなエネルギー面１９３０に結合された、電磁エネルギー導波路１９７０および機械的エネルギー導波路１９８０をさらに含み得る。動作中に、エネルギー・リレー組み合わせ素子１９０１は、すべてのエネルギーが同じ位置１９９０を中心に収束することができるように、エネルギー経路を伝搬させることが可能である。
いくつかの実施形態では、この導波路１９０１は、双方向性エネルギー面と、エネルギーを伝搬する１つのインタレースされたセグメントと、エネルギー面でエネルギーを受信する第２のインタレースされたセグメントと、を有する、単一のリレー素子であり得る。このようにして、これは、システム内のすべてのエネルギー・リレーモジュール毎に反復されて、双方向のエネルギー面が生成され得る。
シームレスなエネルギー指向装置
図５８は、エネルギー・リレー要素スタックが、８×４のアレイで配設されて、エネルギー面５８１０の最長寸法に対して平行な各テーパ状エネルギー・リレー要素スタックの末端表面の最短寸法を有する単一のシームレスなエネルギー指向表面５８１０を形成する、エネルギー指向装置の実施形態５８００の斜視図を例解する。エネルギーは、各々がエネルギー・リレー要素スタックの第１の素子に接合された、または別様に取り付けられた、３２個の別々のエネルギー源５８５０から生じる。
一実施形態では、エネルギー面５８１０は、ディスプレイ壁を形成するように配設され得る。
一実施形態では、末端エネルギー・リレー素子の任意の２つの隣接する第２の表面の縁部間の間隔が、単一のシームレスディスプレイ表面から、単一のシームレスディスプレイ表面の高さ、または単一のシームレスディスプレイ表面の幅のうちのより小さい方よりも大きい距離で、２０／１００よりも良好な視覚を有する人間の眼の視力によって定義される最小知覚可能外形よりも小さいことがある。
図５９は、実施形態５９Ａ００の以下の図、すなわち、正面図５９１０、上面図５９１０、側面図５９３０、および拡大側面図５９４０を含む。
図６０は、第１および第２の方向によって画定された横方向の配向に沿って配設されたエネルギー・リレー要素スタック６０３０で構成される繰り返し構造体からなり、複数のエネルギーユニット６０５０から、エネルギー・リレー要素スタックの第２の表面によって形成された単一の共通のシームレスなエネルギー面６０８０にエネルギー波を伝搬するために使用される、エネルギー指向装置１６００の側面図５９４０の拡大図である。各エネルギーユニット６０５０は、エネルギー源６０１０、ならびに駆動電子機器を収容する機械的筐体６０５０からなる。各リレースタックは、エネルギー源６０１０に等倍で直接接合された一方の側面の面板６０４０、および他方の側面のテーパ状エネルギー・リレーからなり、テーパは、エネルギーをシームレスなエネルギー面６０８０に伝搬しながら、面板からのエネルギー波を空間的に拡大する。一実施形態では、テーパ状エネルギー・リレーの倍率は、２：１である。一実施形態では、テーパ状エネルギー・リレー６０２０は、共通のベース構造体６０６０によって定位置に保持され、これらのテーパの各々は、面板６０１６４０に接合され、これが次に、エネルギーユニット６０５０に接合される。可能な限り最小の継ぎ目間隙が実現されることを確実にするために、隣接するテーパ６０２０は、縫い目６０７０で一緒に接合または融合される。全８×４アレイ内のすべてのテーパ状エネルギー・リレーは、各テーパ状エネルギー・リレーの第２の表面が、単一の連続したエネルギー面６０８０を形成するように、シームレスなモザイク状に配設され、これは、平面度を確実にするために、組み立て中に研磨される。一実施形態では、表面６０１０は、１０波以内の平面度に研磨される。面板６０８５は、表面６０１６８０の寸法よりもわずかに大きい寸法を有し、テーパ状エネルギー面６０８０の視野を拡張するために、表面６０８０と直接接触して配置される。面板の第２の表面は、エネルギー指向装置６０００のための出力エネルギー面６０１０を形成する。
６０００のこの実施形態では、エネルギーは、各エネルギー源６０１０からリレースタック６０３０を介して伝搬され、次いで、面板に対して実質的に垂直になり、長手方向を画定し、リレースタックの各々の第１および第２の表面は、第１および第２の方向によって画定される横方向の配向にほぼ沿って延在し、ここで、長手方向の配向は、横方向の配向に実質的に垂直である。一実施形態では、リレー素子の面板６０４０、テーパ６０２０、および面板６０８５のうちの少なくとも１つを介して伝搬するエネルギー波は、横方向の配向よりも長手方向の配向において高い輸送効率を有し、長手方向の配向の最小屈折率変動に伴う横方向の配向のランダム化された屈折率変動に起因する横方向の配向で局在化される。いくつかの実施形態では、リレー素子の面板６０４０、テーパ６０２０、および面板６０８５のうちの少なくとも１つは、マルチコアファイバで構築され、長手方向の配向に進行する各リレー素子内を伝搬するエネルギー波は、この配向のファイバの整列によって決定され得る。
一実施形態では、６０４０の第１の表面を通過するエネルギー波は、第１の空間解像度を有し、テーパ状エネルギー・リレー６０２０の第２の表面、および面板を通過するエネルギー波は、第２の解像度を有し、第２の解像度は、第１の解像度の約５０％以上である。別の実施形態では、エネルギー波は、面板６０４０の第１の表面に均一なプロファイルを有し、一方で、この表面６０１０上の位置に関係なく、シームレスなエネルギー面６０１０の垂線に対して±１０度の開口角を有する円錐を実質的に満たす、前方方向のエネルギー密度で、あらゆる方向に放射するシームレスなエネルギー面６０８０および６０１０を通過し得る。
一実施形態では、エネルギー指向装置は、１つ以上のエネルギー源と、１つ以上のエネルギー・リレー要素スタックと、を備える。
一実施形態では、エネルギー指向装置の各エネルギー・リレー素子は、
横アンダーソン局在化を呈する１つ以上の光学素子、
複数の光ファイバ、
ゆるやかなコヒーレント光ファイバ、
画像結合器、
１つ以上の屈折率分布型光学素子、
１つ以上のビームスプリッタ、
１つ以上のプリズム、
１つ以上の偏光光学素子、
機械的オフセットのための１つ以上の複数のサイズまたは長さの光学素子、
１つ以上の導波路、
１つ以上の回折素子、屈折素子、反射素子、ホログラフィック素子、リソグラフィ素子、または透過素子、および
１つ以上の再帰反射体、のうちの少なくとも１つを備え得る。
一実施形態では、１つ以上のエネルギー・リレー素子の数量および１つ以上のエネルギー位置の数量は、エネルギー指向装置の機械的寸法を定義し得る。システムに組み込まれる光リレー素子の数は無制限であり、機械的な考察によってのみ制限され、結果として生じるシームレスエネルギー面は、コンポーネントの解像力および画質によってのみ制限される、無限解像度エネルギー面を生成する複数の低解像度エネルギー源を含むディスプレイ装置内に含まれる。
特定の許容範囲仕様を満たす様式で、複数のリレーコンポーネントを保持するためには、機械的構造が好ましい場合がある。機械的には、シームレスなエネルギー面を形成する第２の表面を備えるエネルギー・リレーは、それらを整列させて、可能なエネルギー・リレー間の可能な限り最小の継ぎ目間隙を確実にするために、一緒に接合または融合される前に高精度に切断および研磨される。シームレスな表面６０８０は、リレー６０２０が一緒に接合された後に研磨される。かかる一実施形態では、テーパ状エネルギー・リレー材料に熱的に適合するエポキシを使用して、５０ｕｍの最大継ぎ目間隙を達成することが可能である。別の実施形態では、テーパアレイを圧縮および／または加熱下に置く製造工程は、素子を一緒に融着する能力を提供する。別の実施形態では、プラスチックテーパの使用は、追加の接合を伴わずに接合を創出するために、より容易に化学的に融着または熱処理され得る。疑義を避けるために、重力および／または力以外の接合を明示的に含まないように、任意の方法を使用してアレイを一緒に接合してもよい。
エネルギー面は、個々におよび／または単一のエネルギー面として研磨され得、平面、球形、円筒形、円錐形、切子面、タイル状、規則的、非規則的、凸面、凹面、傾斜、または特定用途のための任意の他の形状を含む、任意の表面形状であり得る。光学素子は、光学軸が平行、非平行、および／または特定の方法で垂直に配向されたエネルギー面を有するように配置されるように、機械的に装着され得る。
能動ディスプレイ領域の外側に様々な形状を生成する能力は、クランプ構造、接合プロセス、または１つ以上のリレー素子を所定の位置に保持することが望まれる任意の他の機械的手段により、同じベース構造体に直列に複数の光学素子を接合する能力を提供する。様々な形状は、光学材料から形成されてもよく、または追加の適切な材料と接合されてもよい。結果として生じる形状を保持するために活用される機械的構造体は、該構造体の上に適合するように同じ形態であってもよい。一実施形態では、エネルギー・リレーは、エネルギー・リレーの全長の１０％に等しいが、幅および高さにおいてエネルギー源の活性領域より２５％大きい側面を有する正方形形状で設計される。このエネルギー・リレーは、整合した機械的構造体でクランプされ、屈折率整合油、屈折率整合エポキシなどを活用してもよい。電磁エネルギー源の場合、任意の２つの光学素子を直列に配置するプロセスは、画像整列の適切な許容範囲が確実に実施されるように、視覚的フィードバックが提供される機械的なまたは活性な整列を含んでもよい。典型的には、ディスプレイは整列の前に光学素子の背面表面に装着されるが、これは用途に応じて望ましい場合もあれば望ましくない場合もある。
一実施形態では、各エネルギー・リレー要素スタックの末端エネルギー・リレー素子の第２の側面は、単一のシームレスエネルギー面を形成するように配置され得る。
一実施形態では、モザイク状のエネルギー・リレー要素スタックによって形成された単一のシームレスエネルギー面は、接合剤、屈折率整合油、圧力、または重力を使用して、表面と直接接触するように面板層を配置して、面板層をエネルギー面に接着することによって拡張され得る。一実施形態では、面板層は、単一片のエネルギー・リレー材料で構成されてもよく、一方で他の実施形態では、一緒に接合または融着された２片以上のエネルギー・リレー材料で構成される。一実施形態では、面板の拡張は、シームレスエネルギー面の法線に対してエネルギー波の放出角度を増大させ得る。
一実施形態では、１つ以上のエネルギー・リレー要素スタックは、１つ以上のエネルギー位置と単一のシームレスエネルギー面との間に延在するエネルギー伝播経路に沿ってエネルギーを指向するように構成され得る。
一実施形態では、終端エネルギー・リレー要素の任意の２つの隣接する第２の表面の縁部間の間隔が、単一のシームレスなエネルギー面から、単一のシームレスなエネルギー面の高さ、または単一のシームレスなエネルギー面の幅のうちのより小さい方よりも大きい距離で、２０／４０よりも良好な視覚を有する人間の眼の視力によって画定される最小知覚可能外形よりも小さいことがある。
一実施形態では、各エネルギー・リレー要素スタックのエネルギー・リレー素子は、端部から端部までの構成で配置される。一実施形態では、エネルギーは、ゼロ拡大、非ゼロ拡大、またはゼロ拡大以外で、１つ以上のエネルギー・リレー要素スタックを通って指向され得る。一実施形態では、１つ以上のエネルギー・リレー要素スタックのエネルギー・リレー要素スタックのいずれかは、横アンダーソン局在を呈する素子と、光ファイバと、ビームスプリッタと、画像結合器と、それらを通過するエネルギーの角度方向を変更するように構成された素子と、を備え得る。
一実施形態では、エネルギー伝播経路に沿って指向されるエネルギーは、波長によって定義される電磁エネルギー、電磁スペクトルのレジームに属する波長、例えば可視光、紫外線、赤外線、Ｘ線などであり得る。一実施形態では、エネルギー伝播経路に沿って指向されたエネルギーは、機械的エネルギー、例えば音響音声、触覚圧力などであり得る。体積音響環境は、ホログラフィック音声または同様の技術を達成することを効果的に目指す技術である。寸法触覚装置は、明視野ディスプレイに表示されたビジュアルに直接結合され得る、空中に浮かぶ物体に触れる感覚を生成するために、トランスデューサ、エアエミッタなどのアレイを生成する。対話型または没入型媒体をサポートする任意の他の技術が、このホログラフィックディスプレイと併せてさらに探索され得る。エネルギー指向装置をディスプレイ表面として使用するためには、電子機器が、個々のディスプレイのピンに直接装着され得るか、ゼロ挿入力（ＺＩＦ）コネクタなどのソケットで電子機器に取り付けられ得るか、またはインターポーザおよび／または同種のものを使用することによって、システムの簡素化された設置および保守を提供し得る。一実施形態では、ディスプレイ装着平面と物理的電子パッケージの位置との間のオフセットを生成するために、ディスプレイボード、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ＩＯ装置、または該ディスプレイの使用に好ましい、同様に所望されるコンポーネントを含む、ディスプレイ電子コンポーネントを、フレックスケーブルまたはフレックスリジッドケーブルに装着するか、またはつなぎ合わせてもよい。装置に対して所望されるように、電子機器を装着するために、追加の機械的構造が提供される。これは、光学素子の密度を増加させる能力を提供し、それによって、任意のテーパ状光リレーの光学倍率を減少させ、全体のディスプレイサイズおよび／または重量を減少させる。
冷却構造体は、特定の温度範囲内でシステム性能を維持するように設計されてもよく、すべての機械的構造体は、サーモスタットレギュレータに十分な圧力を提供する固体状態液体冷却システムを有する液体冷却システムを提供するための追加の銅または他の類似材料チューブを含み得る。追加の実施形態は、電子機器、ディスプレイ、および／または動作中の温度変化に敏感な、または過剰な熱を発生し得る任意の他のコンポーネントのために一貫したシステム性能を維持するペルチェユニットもしくは熱シンクおよび／または同種のものを含み得る。
エネルギー指向システムおよび複数のエネルギー領域
エネルギー投影システムは、エネルギー・リレー組み合わせ素子１９０１を使用して形成され得、２つ以上のタイプのエネルギーを同時に投影すること、または１つのタイプのエネルギーを投影し、同時に、同じもしくは異なるタイプのエネルギーを感知すること、を可能にする。例えば、一実施形態では、エネルギー・リレー組み合わせ素子を使用することで、エネルギー指向モジュール１９０１は、ディスプレイ表面の前方に明視野を投影し、同時に、ディスプレイ表面の前方で明視野を捕捉するように構成することができる。この実施形態では、エネルギー・リレー装置１９５０は、導波路素子１９７０、１９８０の下に位置づけられたシームレスなエネルギー面１９３０の第１の一組の位置を、エネルギー装置１９１０に接続する。一例において、エネルギー装置１９１０は、ソースピクセルのアレイを有する放出型ディスプレイである。エネルギー・リレー装置１９６０は、導波路素子１９７０、１９８０の下に位置づけられたシームレスなエネルギー面１９３０の第２の一組の位置を、エネルギー装置１９２０に接続する。一例において、エネルギー装置１９２０は、センサピクセルのアレイを有する撮像センサである。図２６に示すように、エネルギー指向モジュール１９０１は、シームレスなエネルギー面１９３０の位置が密にインターリーブされるように構成され得る。別の実施形態では、特定の導波路素子１９７０または１９８０の下にあるすべてのセンサピクセル１９２０は、すべての放出型ディスプレイの位置、すべての撮像センサの位置、または位置のいくつかの組み合わせである。他の実施形態では、シームレスなエネルギー面は、ソース位置が明視野を投影し、光を撮像センサに輸送する位置が２Ｄ明視野を捕捉するような方法で、導波路の下のソース位置および導波路の間の感知位置を備える。他の実施形態では、双方向のエネルギー面は、様々な他の形態のエネルギーを投影および受信することができる。
一実施形態では、類似するエネルギー領域のエネルギーを指向するように構成される導波路が提供され得る。一実施形態では、複数のエネルギー領域のうちの１つのエネルギーを指向するように構成される導波路が提供され得る。一実施形態では、単一の導波路は、２つ以上のエネルギー領域のエネルギーを指向するように構成され得る。
図２０は、図１９Ａのエネルギー・リレー組み合わせ素子を利用し、明視野投影システムならびに撮像センサの両方として作用する双方向のエネルギー・リレーを備える、エネルギー指向システム２０００の直交図を例解する。図２０は、本開示の一実施形態に基づいて、視認者が、時間Ｔ１で位置Ｌ１にあり、光線が、導波路を通る経路に沿ってエネルギー座標Ｐ１に収束し、視認者が、時間Ｔ２で位置Ｌ２に移動し、光線が、導波路を通る経路に沿ってエネルギー座標Ｐ２に収束する状態を例解し、複数のエネルギー座標Ｐ１およびＰ２の各々は、エネルギー・リレー表面の第１の側面に形成され、２つの織り合わせた第２のリレー表面を含み、かつ第１のエネルギー感知装置および第２のエネルギー放射装置を提供して、どちらも、エネルギー導波路を介し視認体積内の運動および相互作用の感知、ならびに同じエネルギー・リレーおよびエネルギー導波路を介したエネルギーの放出の両方を行い、時間Ｔ１および位置Ｌ１から時間Ｔ２、位置Ｌ２に放出されたエネルギーに対する視覚的な変化をもたらす。複数のエネルギー座標Ｐ１、Ｐ２は、同一平面上にあり得るか、または三次元空間内の複数の平面または位置に分布し得る。
一実施形態では、システム２０００は、エネルギー装置２０２０を含み得、一組のエネルギー装置がエネルギー放出２０１０のために構成され、別の一組のエネルギー装置がエネルギー感知２０３０のために構成される。一実施形態では、エネルギー装置２０２０は、システム２０００のそれぞれの第２および第３の表面に配置され得、一方で、エネルギー面２０５０は、システム２０００の第１の表面に配置され得る。この実施形態は、単一のシームレスなエネルギー面２０５０を提供するように構成された複数のリレー組み合わせ素子２０４０をさらに含み得る。任意選択的に、複数の導波路２０６０は、エネルギー面２０５０の前に配置され得る。動作中に、上述のように、システム２０００は、Ｔ１、Ｌ１とＴ２、Ｌ２との間で感知した運動に応じて、Ｔ１ ２０７０で伝搬されたエネルギーおよびＴ２ ２０８０の修正されて伝搬されたエネルギーを有する、対話型制御による同時の双方向エネルギーの感知または放射を提供し得る。
図１９Ｂからのエネルギー表示システム１９０１の別の実施形態では、システム１９０１は、２つの異なるタイプのエネルギーを投影するように構成される。図１９Ｂの一実施形態では、エネルギー装置１９１０は、電磁エネルギーを放出するように構成された放出型ディスプレイであり、エネルギー装置１９２０は、機械的エネルギーを放出するように構成された超音波トランスデューサである。したがって、シームレスのエネルギー面１９３０の様々な位置から光および音を投影することができる。この構成では、エネルギー・リレー素子１９５０は、エネルギー装置１９１０をシームレスなエネルギー面１９３０に接続し、電磁エネルギーをリレーする。エネルギー・リレー素子は、電磁エネルギーの輸送を効率的にする（例えば、屈折率を変化させる）特性を有するように構成される。一実施形態では、エネルギー・リレー素子は、横方向エネルギー伝播のアンダーソン局在化を誘発するように構成されたエネルギー・リレー材料のランダムなパターンを備え得る。一実施形態では、エネルギー・リレー素子は、横方向エネルギー伝播の秩序化エネルギー局在化を誘発するように構成されたエネルギー・リレー材料の非ランダムパターンを備え得る。エネルギー・リレー素子１９６０は、エネルギー装置１９２０をシームレスなエネルギー面１９３０に接続し、機械的エネルギーをリレーする。エネルギー・リレー素子１９６０は、超音波エネルギーの効率的な輸送の特性（例えば、異なる音響インピーダンスを有する材料の分布）を有するように構成される。いくつかの実施形態では、機械的エネルギーは、エネルギー導波路層上の電磁導波路素子１９７０の間の位置から投影され得る。機械的エネルギーを投影する位置は、光が一方の電磁導波路素子から他方に運搬されるのを抑制する役割を果たす構造体を形成し得る。一例では、超音波の機械的エネルギーを投影する位置の空間的に分離されたアレイは、三次元触覚形状および表面を空中に作成するように構成することができる。表面は、投影されたホログラフィックオブジェクト（例えば、ホログラフィックオブジェクト１９９０）と一致し得る。いくつかの例では、アレイにわたる位相の遅延および振幅の変化は、触覚形状の作成を支援し得る。
図２０のさらなる実施形態は、複合システムを含み、エネルギー・リレーシステムが２つを超える第２の表面を有し、エネルギー装置が、異なるエネルギー領域のすべてであり得、エネルギー装置の各々は、エネルギー・リレーシステムの第１の表面を介して、それぞれエネルギーを受信または放出し得る。
図２１は、本開示の一実施形態に基づいて、視認者が、時間Ｔ１で位置Ｌ１にあり、光線が、導波路を通る経路に沿ってエネルギー座標Ｐ１に収束し、視認者が、時間Ｔ２で位置Ｌ２に移動し、光線が、導波路を通る経路に沿ってエネルギー座標Ｐ２に収束する場合の、図１９Ａのさらなる複合システム２１００を一実施形態の直交図によって例解し、複数のエネルギー座標Ｐ１およびＰ２の各々は、エネルギー・リレー表面の第１の側面に形成され、第１の機械的エネルギー放射装置、第２のエネルギー放射装置、および第３のエネルギー感知装置を有する３つの第２のリレー表面を備え、エネルギー導波路は、エネルギー・リレーの第１の表面を介して機械的およびエネルギーの両方を放出し、第３のエネルギー感知装置が既知の放出エネルギーから感知した受信データへの干渉を検出することを可能にし、機械的エネルギー放出は、放出エネルギー、触覚を生成するために収束する機械的エネルギー、可視照明を生成するために収束するエネルギーと相互作用する能力を直接もたらし、Ｔ１、Ｌ１からＴ２、Ｌ２に放出されるエネルギーは、視認者と放出エネルギーとの触覚の相互作用に応答するように修正される。
一実施形態では、システム２１００は、超音波エネルギー放出装置２１１０と、電磁エネルギー放出装置２１２０と、電磁感知装置２１３０と、を含み得る。この実施形態は、単一のシームレスなエネルギー面２１５０を提供するように構成された複数のリレー組み合わせ素子２１４０をさらに含み得る。任意選択的に、複数の導波路２１７０は、エネルギー面２１５０の前に配置され得る。
１つ以上のエネルギー装置は、２つ以上の経路リレー結合器、ビームスプリッタ、プリズム、偏光子、または他のエネルギー組み合わせ方法と独立して対にして、少なくとも２つのエネルギー装置をエネルギー面の同じ部分と対にし得る。１つ以上のエネルギー装置は、エネルギー面の背面に、ベース構造体に固定された追加のコンポーネントに近接して、または軸外指向もしくは反射投影もしくは感知のための導波路のＦＯＶの前および外側の位置に、固定され得る。その結果得られるエネルギー面は、エネルギーの双方向の透過を提供し、導波路は、エネルギー波をエネルギー装置の上へ収束させて、関連する深さ、近接度、画像、色、音、および他のエネルギーを感知し、感知されたエネルギーは、ウェーブガイド・アレイを介して追跡する４Ｄ視線および網膜追跡、エネルギー面、およびエネルギー感知装置が挙げられるが、これらに限定されない、機械視覚関連のタスクを実行するために処理される。
動作中に、上述のように、システム１９００は、Ｔ１、Ｌ１とＴ２、Ｌ２との間の感知した運動および超音波触覚応答からの伝搬エネルギーの放出の感知した干渉に応じて、Ｔ１ ２１８０での伝搬エネルギー、Ｔ１ １９６０での伝搬触覚、およびＴ２ ２１９０での修正された伝搬エネルギーによる対話型制御によって、双方向エネルギーの感知または放出を同時に提供し得る。
図２２は、視認者が、位置Ｌ１にあり、光線が、導波路２２３０を通る経路に沿ってエネルギー座標Ｐ１に収束し、複数のエネルギー座標Ｐ１の各々が、１つ以上の装置に対応するエネルギー・リレー表面２２２０の第１の側面に形成され、導波路またはリレー表面が、追加の反射もしくは回折特性および伝搬触覚２２６０を提供し、反射または回折特性が、実質的に、座標Ｐ１において光線の伝搬に影響を及ぼさない、１つ以上のエネルギー装置２２１０と、追加のコンポーネント（例えば、単一のシームレスなエネルギー面２２２０を形成するように構成されたリレー素子２２００）とを対にする位置実施形態を例解する。
一実施形態では、反射または回折特性は、追加の軸外エネルギー装置２２３５Ａ、２２３５Ｂのエネルギーに釣り合い、装置２２３５Ａ、２２３５Ｂの各々は、追加の導波路およびエネルギー・リレーを含み、各追加のエネルギー・リレーは、２つ以上の第２の表面を含み、各々が、Ｐ１ ２２５０に類似する体積を介して伝搬する対応するエネルギー座標Ｐ２をそれぞれ伴う、感知または発光装置を有する。一実施形態では、反射または回折エネルギーは、装置を介して伝搬することができる。
別の実施形態では、第１および第２の導波路素子に関する視野外の追加のシステムは、追加の導波路およびリレー素子を有する追加のシステム２２４０Ａ、２２４０Ｂを備え、リレー素子は、２つの第２の表面と、１つの第１の表面と、を有し、第２の表面は、集中放出装置および感知エネルギー装置の両方からエネルギーを受信する。
一実施形態では、導波路素子２２４０Ａ、２２４０Ｂは、エネルギー２２７０を所望の体積を直接介して伝搬するように構成され、所望の体積は、エネルギー座標Ｐ１およびＰ２の経路に対応し、かつシステム２２４０Ａ、２２４０Ｂを通過する追加のエネルギー座標Ｐ３を形成し、感知装置および放出装置の各々は、既知の放出エネルギーから、感知した受信データへの干渉を検出するように構成される。
いくつかの実施形態では、本開示の一実施形態に基づいて、機械的エネルギーの放出は、放出エネルギーと直接相互作用する能力をもたらし、機械的エネルギーは、収束して、触覚を生成し、エネルギーは、収束して、可視照明を生成し、放出されたエネルギーは、視認者と放出エネルギーとの間の触覚の相互作用に応答するように修正される。
アーキテクチャ内の様々なコンポーネントは、限定されないが、壁装着、テーブル装着、ヘッド装着、湾曲面、非平面の表面、または技術の他の適切な実装が挙げられる、いくつかの構成で装着され得る。
図２０、図２１、および図２２は、エネルギー面および導波路が、周波数を放出、反射、回折、または収束して、触覚または体積触覚フィードバックを誘発するように動作可能であり得る一実施形態を例解する。
図２０、図２１、および図２２は、（ａ）ベース構造体と、（ｂ）エネルギー面を集合的に形成している１つ以上のコンポーネントと、（ｃ）１つ以上のエネルギー装置と、（ｄ）１つ以上のエネルギー導波路と、を備える、双方向のエネルギー面を例解する。エネルギー面、装置、および導波路は、ベース構造体に装着することができ、かつエネルギー面を介したエネルギーの双方向の放出および感知を行うことができるエネルギー導波路システムを規定することができる。
一実施形態では、その結果得られるエネルギーディスプレイシステムは、明視野データが、追加的な外部装置を伴うことなく、導波路を介して照明源によって投影され、同時に、同じエネルギー装置の表面を介して受信され得るように設計された導波路によって、同じ放出表面から同時に表示および捕捉の両方を行う能力を提供する。
さらに、追跡位置は、能動的に計算し、指定された座標に光を操作して、可変画像および他の投影周波数を、双方向の表面画像と投影情報との間の直接の配色から、所定の用途の要件に誘導することを可能にし得る。
図２０、図２１、および図２２の一実施形態では、１つ以上のコンポーネントが、指定された用途のための平面、球面、円筒、円錐、小面、タイル状、規則的、不規則的、または任意の他の幾何学形状を含む、任意の表面形状を収容するように形成される。
図２０、図２１、および図２２の一実施形態では、１つ以上のコンポーネントが、横アンダーソン局在化を誘発する材料を含む。
一実施形態では、四次元（４Ｄ）プレノプティック機能に従ってエネルギーを指向するように構成されたエネルギーシステムは、複数のエネルギー装置と、１つ以上のエネルギー・リレー素子を有するエネルギー・リレーシステムと、を含み、１つ以上のエネルギー・リレー素子の各々は、第１の表面および第２の表面を含み、１つ以上のエネルギー・リレー素子の第２の表面は、エネルギー・リレーシステムの単一のシームレスなエネルギー面を形成するように配設され、第１の複数のエネルギー伝播経路が、複数のエネルギー装置内のエネルギー位置からエネルギー・リレーシステムの単一のシームレスなエネルギー面を通って延在する。エネルギーシステムは、エネルギー導波路のアレイを有するエネルギー導波路システムをさらに含み、第２の複数のエネルギー伝播経路が、４Ｄのプレノプティック機能によって決定される方向に、単一のシームレスなエネルギー面からエネルギー導波路のアレイを通って延在する。一実施形態では、単一のシームレスなエネルギー面は、それを通してエネルギーの提供および受信の両方を行うように動作可能である。
一実施形態では、エネルギーシステムは、第２の複数のエネルギー伝播経路に沿ったエネルギーを、エネルギー導波路システムを通って単一のシームレスなエネルギー面に指向し、第１の複数のエネルギー伝播経路に沿ったエネルギーを、単一のシームレスなエネルギー面からエネルギー・リレーシステムを通って複数のエネルギー装置に指向するように構成される。
別の実施形態では、エネルギーシステムは、第１の複数のエネルギー伝播経路に沿ったエネルギーを、複数のエネルギー装置からエネルギー・リレーシステムを通って単一のシームレスなエネルギー面に指向し、第２の複数のエネルギー伝播経路に沿ったエネルギーを、単一のシームレスなエネルギー面からエネルギー導波路システムを通るように指向するように構成される。
いくつかの実施形態では、エネルギーシステムは、関連する深さ、近接度、画像、色、音、および他の電磁周波数を感知するように構成され、感知されたエネルギーは、４Ｄ視線および網膜追跡に関する機械視覚を実行するように処理される。他の実施形態では、単一のシームレスなエネルギー面は、明視野データがエネルギー導波路システムを介して複数のエネルギー装置によって投影され、同時に、同じ単一のシームレスなエネルギー面を介して受信され得るように設計されたエネルギー導波路システムによって、単一のシームレスなエネルギー面から、表示および捕捉の両方を同時に行うようにさらに動作可能である。
静電スピーカ
デュアルエネルギー面を生成するために、第１のエネルギー面は、第１のエネルギーに加えて第２のエネルギーの投影を可能にする第２のエネルギー源のトランスデューサと共に構成することが可能である。静電スピーカは、エネルギー投影表面と一体化することができ、かつ音を、ならびに特定の構成では音場および体積触覚表面を生成するために使用することができる技術の一例である。
大規模ディスプレイ技術が直面する課題のうちの１つは、音などの視界外の刺激を説得力がありかつ干渉しない様態で効果的に組み込むための方法である。一般に、聴覚信号は、視覚信号が生成される場所から離れた位置で生成される。例えば、映画館の観客席のスピーカは、画面スクリーンの側面、周囲、および真向かいに配置される。最近では、穿孔投影スクリーンが進化して、聴覚信号をスクリーンの背面で生成し、穿孔を通して透過することが可能になっている。しかしながら、この方法は、通常、スクリーンの穿孔により一部の視覚信号が損なわれるので、スクリーンを介して伝搬する信号の音声品質、または投影スクリーンの視覚品質を犠牲にして成り立っている。
本開示は、上述した従来の方法を向上させる代替的な音響エネルギー生成の解決策として、静電スピーカを提案する。静電スピーカは、静電場内に懸架される薄膜を振動させて、振動音波を作成することによって動作する、音声生成装置である。一般に、膜は、プラスチックなどの薄い可撓性材料からなり、第２の導電性材料で覆われるか、またはそれと織り合わせられる。次いで、複合膜を導電性グリッドの間に配置して、膜の両側に小さい間隙を残す。次いで、所望の音声データに対応する電気信号を使用して、電気グリッドの対応する部分に沿って電流を駆動し、これが次に、生成された電界の下で膜を振動させ、聴覚信号を形成する空気振動を生成する。
図４４は、静電スピーカ４４００の必須コンポーネントの図を例解する。ダイヤフラム４４０１は、導電性であり、かつ電極ワイヤ４４０３の１つ以上の対によって提供される電界を提供する電極４４０２からなる２つの導電性グリッドの間に懸架される。ダイヤフラムは、ワイヤ４４０４によって供給される電位電圧に保持され、電圧が電極に印加されたときに変形し、振動音波を生成する。導電性グリッドは、単一の導電性平面の一組の開口であり得る。図５３は、導電性ダイヤフラム５３０１を取り囲む、単一対の連続する導電性平面５３０２内の一組の透明な開口５３０５からなる、静電スピーカシステムに使用される単一電極の一実施形態の一実施形態を例解する。各電極対およびダイヤフラムはまた、一対の導電性平面を一緒に形成する複数の個別制御のグリッド対の形態もとり得る。図５４は、すべてが別々に駆動され得る、図５３からの４つの同じモジュール５３００を備える静電スピーカの図を例解する。
上述のように、任意のディスプレイ、ホログラフィック、またはそれ以外のものの場合は、多くの場合、可視スピーカを導入することなく音声を組み込むための方法に関する課題が存在する。スピーカをスクリーンの背面に隠すための他の方法としては、音響を目に見えない位置に配置する能力のために、通常、音質および画像輝度をトレードオフする、穿孔スクリーンならびにいくつかの他の技術が挙げられる。これは、直接放出型ディスプレイを含む大型のシステムが、多くの場合大型で、厚く、電子機器で満たされているビデオ壁の用途の場合に特に問題となり、スクリーンの背面に音響を配置する能力を、不可能ではないにしても、非常に困難にする。本発明者らは、大型ディスプレイの現場に関する音響問題を解決するための異なる手法を提案し、該手法では、ディスプレイ表面の上に改良型の静電ダイヤフラムを活用し、また、静電材料のコンポーネントが、ディスプレイ表面を通過するように、または隣接するタイルの間をデイジーチェーンするように提供された電気配線を有する、シームレスなタイル化能力を提供する。静電素子は、細い穿孔導電性材料の間に挟まれるダイヤフラム（２～２０ｕｍ）のために、極めて薄いポリマーを活用する。提案された設計では、穿孔は、以下のいずれかのパターン構成、すなわち、ピクセルレイアウト、４Ｄ光学レイアウト、またはＬＥＤダイオードレイアウトに従うか、または所望のパターンを有する任意の他の構成に従う。この手法によって、現在、導電性材料内の穿孔の各々に十分な密度および間隔を提供して、下層のディスプレイ表面からの釣り合ったパターンにマッチする、光学的に透明な素子を構築することが実現可能である。さらに、静電システムの指向性のため、タイル状の素子の各々について、または領域毎に変調／入力信号を変更することによって、音場を生成することがさらに可能である。これは、提案されたシステムの指向制御のレベルおよび透過の性質により、従来の音響をはるかに超えて、能力をさらに向上させる。追加の一実施形態では、ホログラフィックディスプレイシステムのためのウェーブガイド・アレイ内に静電素子を直接製作し、同時に製造することが可能である。
図４５は、静電スピーカ素子が組み込まれたエネルギー投影システム４５００の側面図を例解する。図４５では、エネルギー源システム４５１０は、導波路４５１５のアレイを備えるエネルギー投影システム４５１４介してエネルギー位置４５１１からエネルギーを指向するように構成される。各導波路は、導波路４５１５のうちの１つについて４５２１として示される、一組の投影経路を投影し、各投影経路は、その対応するエネルギー源位置４５１１の位置によって少なくとも決定される。ダイヤフラム４５０１の位置を制御する導電性グリッド４５０２は、ワイヤ４５０３に印加される電圧によって駆動される。グリッドの開口が導波路４５１５と一致するように配設される。導電性グリッドの可能な形状を図５３に５３０２として示す。導波路４５１５によって投影されるエネルギーは、大幅な損失を伴うことなく、グリッドの開口を通過し、ダイヤフラム４５０１を通過する。例えば、投影される可視電磁エネルギー４５２１の場合、ダイヤフラムは、比較的透明なＩＴＯをコーティングしたＰＥＴ材料であり得る。電圧線は、穿孔され、融合された適切な位置を介して提供され得るか、または別様にエネルギー投影システムに提供され得る。
図４６は、エネルギー４６２１を投影するエネルギー源４６３２を備えるエネルギー源システム４６３１から単になる、エネルギーディスプレイ装置４６００を例解する。各エネルギー源は、エネルギー源位置４６３２に整列させたそれらの開口を有する電極４６０２によって挟まれた、透明な静電ダイヤフラム４６０１で覆われている。一実施形態では、ディスプレイ装置４６００は、電磁エネルギーに加えて音声の機械的エネルギーを投影する静電スピーカによって増強される、各エネルギー源位置４６３２にダイオードを有する、従来のＬＥＤビデオ壁であり得る。実施形態では、静電スピーカは、独立して駆動することができる、図５４に例解する数多くの個々の領域から作製することが可能である。かかるモジュールのアレイを使用して、指向性音声を生成するように構成することができる超音波指向表面のアレイを生成することができる。別の実施形態では、アレイにわたる位相遅延および振幅変動は、ディスプレイの前面に触覚形状を作成するのを支援することができる。
図４７は、隣接する導波路間のエネルギー抑制要素として、静電スピーカの穿孔導電性素子を一体化する４Ｄエネルギー投影システム４７００の一部分を例解する。エネルギー投影システム４７００は、複数のエネルギー源位置、ならびにエネルギー投影導波路４７２１および４７２２からなるエネルギー源システム４７１０を備える。導波路とエネルギー源システムとの間には、導波路と一致して配設された導電性平面の開口を有し、導波路の間に配置された導電性素子４７０２を有する静電スピーカ、および導波路から投影されたエネルギーを透過するダイヤフラム４７０１が挟まれている。一実施形態では、導電性平面の開口は、導波路の開口と一致して配設される。エネルギー源システム４７１０は、導波路４７１５の第１の側面のエネルギー源位置４７１１と、導波路４７１５の第２の側面のその対応する伝搬経路４７２１と、を備える。エネルギー源システム４７１０はまた、導波路４７１６の第１の側面のエネルギー源位置４７１２と、導波路４７１６の第２の側面の対応するエネルギー伝播経路４７２２と、を有する。導波路４７１５の開口を通過しない、位置４７１１からのエネルギー４７２６の一部分は、静電スピーカの導電性層４７０２Ａおよび４７０２Ｂのうちの最も近い一部分の少なくとも１つによって遮られる。この導電性構造体はまた、それぞれの導波路４７１６の開口を通過しない、エネルギー位置４７１２からの、隣接するエネルギー４７２７の一部分を部分的に。このようにして、いくつかの実施形態では、静電スピーカの導体は、上述したバッフル構造体の場所および機能をとることができるエネルギー抑制要素として作用する。
図４８は、多層の導波路素子の間で、ウェーブガイド・アレイ構造体内のエネルギー抑制要素として、静電スピーカの穿孔導電素子を一体化する、４Ｄエネルギー投影システム４８００の一部分を例解する。エネルギー投影システム４８００は、多数のエネルギー源位置からなるエネルギー源システム４８１０と、２つの導波路基板４８１８および４８１９に装着された２素子の導波路４８１５と、を備える。導波路基板の間には、静電スピーカの導電性グリッド４８０２およびダイヤフラム４８０１の対が埋設されている。エネルギー位置４８１１からのエネルギーは、導波路４８１５によってエネルギー投影経路４８２１に投影される。関連する導波路４８１５の有効な開口を通過しない、エネルギー位置４８１１からのエネルギーの一部分は、図４７に示す遮断に類似して、導波路の開口を取り囲む静電スピーカ導体の少なくとも１つの一部分によって遮られる。本開示の一実施形態は、システム４８００の導波路であり、静電スピーカが導波路のアレイ内に埋設され、導波路と関連付けられたエネルギー源位置に由来するがその導波路の開口を通って流れないエネルギーの一部分を遮るエネルギー抑制構造体を形成する導電性素子を有する。
図４９は、モジュール式静電スピーカシステム４９００の１つのモジュールの一実施形態を例解する。ダイヤフラム４９０１は、２対の電極４９０２の間に懸架され、各電極は、それと並列に配置された類似するモジュールの電極に接触し得る、導電性スタブリード４９０３を特徴とする。図５０は、導波路基板５０１８に装着された導波路５０１５のアレイの前に配置されたアセンブリに配置された複数の静電スピーカモジュール４９００の一実施形態を例解する。この構造体は、音声および別の形態のエネルギーの両方を投影するシームレスなデュアルエネルギー面を作成するために、静電スピーカ構造体が、モジュール式であり得ること、およびエネルギー指向システムのモジュール式タイルに装着され得ることを示す。
図５１は、４Ｄエネルギーフィールド、ならびに静電スピーカによって生成された振動音波を投影する、モジュール式４Ｄのエネルギーフィールドパッケージの一実施形態を例解する。これは、図４５に示されるエネルギー指向システム４５００のモジュール式のバージョンである。エネルギー源システム５１１０は、エネルギー源位置５１１１および５１１１Ａを備える。導波路５１１５Ａは、導波路５１１５Ａの開口に入射する特定のエネルギー位置５１１１Ａからのエネルギーを、少なくともエネルギー位置５１１１Ａの位置に依存する伝搬経路５１２１に導く。各導波路５１１５および関連するピクセル５１１１は、二次元（２Ｄ）位置座標を表し、各関連する伝搬経路５１２１は、２Ｄ角度座標を表し、これらは一緒に、位置５１１１から投影されるエネルギーの４Ｄ座標を形成する。少なくとも１つの実施形態では、エネルギー抑制要素は、特定の導波路５１１５に関連するエネルギー源に由来するが、特定の導波路の開口を通って進行しない、光の一部分を遮り得る。静電スピーカ素子は、電極５１０２の対の間に懸下された、エネルギー源システム５１１０のエネルギーを透過するダイヤフラム５１０１を備える。モジュールの境界にある電極５１０２上の導電性スタブ５１０３は、導体を、並列に装着された隣接するモジュール５１００と接続することを可能にする。構造体５１３１は、モジュール５１００のための電気的接続および機械的装着を表す。
図５２は、壁５２３２に装着された静電スピーカ５１００を有する複数の４Ｄエネルギーフィールドパッケージからなるモジュール式エネルギー投影壁の一実施形態を例解する。各モジュールは自律的であり、かかるシステムを容易に組み立てて、保守することを可能にする。装着壁５２３２は、平面、湾曲、または多面であり得る。加えて、各モジュール５１０１のダイヤフラムは、隣接するモジュールからのダイヤフラムと接続する場合、またはしない場合がある。異なる実施形態では、各モジュールの一組の接点５１０２は、隣接するモジュールからの接点と接触する場合、またはしない場合がある。一実施形態では、各モジュール５１００は、図５４に示すような構成を有する一対の穿孔電極平面を有する独立した静電スピーカとして機能し得、導電性材料５３０２の開口５３０５は、エネルギー投影導波路に整列される。異なる実施形態において、静電スピーカと組み込まれた複数の４Ｄエネルギーパッケージからなる、エネルギー投影壁５２００の静電スピーカモジュールのすべての導体が接触して、一対で単一の大きい穿孔導体平面を形成する。図５５は、４つのより小さい静電スピーカ５３００の組み合わせ領域を有する導電性素子対および静電スピーカ５５００のダイヤフラムの一実施形態を例解する。このより大きい静電スピーカは、導波路と一致する開口５５０５を有する導電性プレート５５０２と、単一のダイヤフラム５５０１と、を有する。本議論は、静電スピーカ素子を有するモジュール式４Ｄエネルギーフィールドパッケージからなるエネルギー投影壁を対象にしているが、これらの実施形態はまた、単一のシームレスなエネルギー面ならびにエネルギー・リレーを備えるものを含む、異なるタイプのエネルギー投影システムにも当てはまることが認識されるであろう。
静電スピーカを備える任意のエネルギー投影システムの場合、音声ならびにエネルギーフィールドを生成することが可能である。図５６は、ホログラフィックミュージシャン５６５１を投影し、同時に音楽５６５２を演奏している、一体型静電スピーカを備えた明視野ディスプレイの前にダンサー５６６１を含むシーン５６００の一実施形態を例解する。
縫い目を伴う、図５４に示される構造体を有する複数の隣接するモジュールの電極構成を伴う独立した静電スピーカを有する各４Ｄエネルギーフィールドモジュールによって、各ダイヤフラムを独立して制御して、超音波機械的エネルギーを生成することが可能である。一実施形態では、一体型静電スピーカを有する任意のエネルギー指向システムは、シームレスなエネルギー面を備えるシステムを含む、図５４に示すような複数の独立して駆動される静電スピーカ領域を有するように構成することができる。各静電スピーカ領域は、超音波エネルギーを独立して投影することができる。超音波機械的エネルギーを投影する独立した位置の、その結果得られる空間的に分離されたアレイは、音声を指向するか、または空中で三次元触覚の形状および表面を作成するように構成することができる。いくつかの例では、アレイにわたる位相遅延および振幅変動は、かかる触覚の作成を支援することができる。
音場と共に空中に作成される体積触覚表面は、ホログラフィックオブジェクトと一致するように投影され得る。図５７は、図５４に例解する複数の独立して制御される静電スピーカ領域を有する静電スピーカシステムを備えたエネルギー投影装置４５００の一実施形態を例解する。５７６１Ａ、５７６１Ｂ、および５７６１Ｃの静電スピーカモジュールは、それぞれが超音波エネルギーを生成するワイヤ対５７６２Ａ、５７６２Ｂ、および５７６２Ｃのそれぞれに電圧を部分的に駆動することによって、独立して駆動される。ディスプレイ表面上のすべての位置からのこの投影された機械的エネルギーを使用して、ホログラフィック図５７５１の差し出した手５７５２に対応する触覚表面を空間内に生成することができる。その結果、この例では、独立して駆動される静電スピーカ素子のアレイと共に構成されたエネルギー投影装置４５００は、人のホログラム５７５１、ならびに視認者５７６１には手のように感じる触覚表面５７５２を投影する。
本開示の原理的な特徴は、本開示の範囲から逸脱することなく様々な実施形態の中で使用することができることを理解されたい。当業者は、日常的な実験だけを用いて、本明細書に記載された特定の手順に対する多くの等価物を認識するか、または特定することができるであろう。かかる等価物は、本開示の範囲内にあるとみなされ、特許請求の範囲により網羅される。
さらに、本明細書における節の見出しは、３７ＣＦＲ１．７７に基づく示唆との一貫性を持たせるために、またはそれ以外では構成上の手がかりを提供するために、提供されている。これらの見出しは、本開示に由来し得る任意の特許請求の範囲に記載された本発明（複数可）を限定または特徴付けるものではない。具体的には、一例として、見出しが「発明の分野」と称していても、かかる特許請求の範囲は、いわゆる技術分野を説明するためのこの見出しの文言によって限定されるべきではない。さらに、「発明の背景」の節における技術の説明は、技術が本開示内の任意の発明（複数可）の先行技術であることを認めるものと解釈されるべきではない。「概要」は、論点となる特許請求の範囲に記載された本発明（複数可）の特徴付けとは、決してみなされない。さらに、本開示内での単数形の「発明」の言及は、本開示において単一の新規性のみ存在すると主張するために使用されるべきではない。複数の発明が、本開示に由来する複数の特許請求の範囲の制限に従って記載されてもよく、したがって、かかる特許請求の範囲は、それによって保護される本発明（複数可）およびそれらの等価物を定義する。すべての例では、かかる請求項の範囲は、本開示に照らしてそれら自体のメリットを考慮されるであろうが、本明細書内で記載された見出しによって制約されるべきではない。
特許請求の範囲および／または明細書中の「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と併せて使用されるときに使用される「１つ（ａ）」または「１つ（ａｎ）」という語は、「１つ（ｏｎｅ）」を意味し得るが、それはまた、「１つ以上（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」、「少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」、および「１つまたは２つ以上（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｏｎｅ）」の意味とも矛盾しない。特許請求の範囲の中で使用される「または（ｏｒ）」という用語は、代替物のみに明示的に言及せず、または代替物が相互に排他的でない限り、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」を意味するように使用されているが、本開示は、代替物のみ、および「および／または」を指す定義を支持する。本出願全体を通じて、「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、１つの値が、装置の固有の誤差ばらつきを含むことを示すために使用され、方法は、その値、または研究課題の間に存在するばらつきを決定するために採用されている。一般に、ただし前述の考察に対する対象であるが、「約」または「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの近似の語により修飾された本明細書中の値は、記述された値から、少なくとも±１、２、３、４、５、６、７、１０、１２、または１５％だけ変化する可能性がある。
本明細書および請求項（複数可）で使用されているように、単語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」（ならびに「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」および「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」などの任意の形式の備える）、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」（ならびに「ｈａｖｅ」および「ｈａｓ」などの任意の形式の有する）、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」（ならびに「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」および「ｉｎｃｌｕｄｅ」などの任意の形式の含む）、または「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ」（ならびに「ｃｏｎｔａｉｎｓ」および「ｃｏｎｔａｉｎ」などの任意の形式の包含する）は、包括的または開放的、追加的、引用されていない要素または方法ステップを排除しない。
「そのとき（ａｔ ｔｈｅ ｔｉｍｅ）」、「同等（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ）」、「間中（ｄｕｒｉｎｇ）」、「完全（ｃｏｍｐｌｅｔｅ）」等の比較、測定、およびタイミングに関する単語は、「実質的にそのとき（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ａｔ ｔｈｅ ｔｉｍｅ）」、「実質的に同等（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ）」、「実質的に～間中（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｄｕｒｉｎｇ）」、「実質的に完全（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｅｔｅ）」等を意味すると理解されるべきであり、ここで、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」とは、そのような比較、測定、およびタイミングが、暗黙のうちに、または明示的に記述された所望の結果を達成するために、実用的であることを意味している。「近く（ｎｅａｒ）」、「近接する（ｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｔｏ）」、「隣接する（ａｄｊａｃｅｎｔ ｔｏ）」などの要素の相対的位置に関係する単語は、それぞれのシステム要素の相互作用に実質的な影響を及ぼすのに十分近いことを意味するものとする。近似の他の言葉は、同様に、そのように変更されたとき、必ずしも絶対的または完全であるとはみなされないが、存在しているとしてその条件を指定することを保証するために、当業者にとっては十分近いとみなされるであろうということが理解される条件を指す。記述が変わる可能性の程度は、どのように大きな変化がもたらされるかに依存し、当業者であれば、修正されていない特徴の要求された特性および可能性を依然として有するような修正された特徴を認識するであろう。
本明細書で使用される用語「またはそれらの組み合わせ」は、その用語に先行する列挙された項目のすべての順列および組み合わせを指す。例えば、「Ａ、Ｂ、Ｃ、またはそれらの組み合わせ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、またはＡＢＣのうちの少なくとも１つを含むことを意図しており、特定の文脈で順番が重要である場合には、ＢＡ、ＣＡ、ＣＢ、ＣＢＡ、ＢＣＡ、ＡＣＢ、ＢＡＣ、またはＣＡＢも同様である。この例を続けると、ＢＢ、ＡＡＡ、ＡＢ、ＢＢＣ、ＡＡＡＢＣＣＣＣ、ＣＢＢＡＡＡ、ＣＡＢＡＢＢなどのような１つ以上の項目または用語の繰り返しを含む組み合わせが明示的に含まれる。当業者であれば、文脈から明らかでない限り、典型的には、任意の組み合わせにおける項目または用語の数に制限はないことを理解するであろう。
本明細書に開示および請求された組成物および／または方法のすべては、本開示に照らして過度の実験をすることなく作製および実行することができる。本開示の組成物および方法は、好ましい実施形態の観点から記載されているが、組成物および／または方法に対して、ならびに本明細書に記載された方法のステップまたは一連のステップにおいて、本開示の概念、趣旨および範囲から逸脱することなく、バリエーションを適用することができることは、当業者にとって明らかであろう。当業者に明らかなこのような類似の置換および修飾はすべて、添付の特許請求の範囲によって定義される開示の趣旨、範囲および概念の範囲内であるとみなされる。

Claims (19)

  1. エネルギー・リレーであって、
    第１のモジュールと、第２のモジュールと、を備え、前記第１のモジュールが、前記エネルギー・リレーの横方向平面内に、第１のコンポーネント設計構造体および第２のコンポーネント設計構造体の配置を備え、前記第２のモジュールが、前記エネルギー・リレーの前記横方向平面内に、第３のコンポーネント設計構造体および第４のコンポーネント設計構造体の配置を備え、
    前記第１および第２のコンポーネント設計構造体がどちらも、前記横方向平面に対して垂直である長手方向平面に沿って、第１のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成され、前記第３および第４のコンポーネント設計構造体がどちらも、前記横方向平面に対して垂直である前記長手方向平面に沿って、前記第１のエネルギー領域とは異なる第２のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成され、前記第１のモジュールが、前記第１のエネルギー領域について、前記長手方向平面において前記横方向平面よりも大幅に高い輸送効率を有し、前記第２のモジュールが、前記第２のエネルギー領域について、前記長手方向平面において前記横方向平面よりも大幅に高い輸送効率を有し、前記第１のコンポーネント設計構造体および前記第２のコンポーネント設計構造体は異なる材料により構成され、屈折率または音響インピーダンスが互いに異なり、
    前記第１のコンポーネント設計構造体および前記第２のコンポーネント設計構造体の前記配置は、前記第１のモジュールが、前記第１のエネルギー領域のエネルギー波を長手方向平面に沿って伝搬するように動作可能である一方で、前記第１のエネルギー領域の前記エネルギー波の伝搬は、波の干渉によって横方向平面において実質的に制限される、エネルギー・リレー。
  2. 前記エネルギー・リレーが、対向する第１および第２の表面を備え、前記第１および第２の表面が異なる表面積を有し、前記エネルギー・リレーが、前記第１および第２の表面を通って延在する伝搬経路に沿って、エネルギーの第１および第２のドメインをリレーするように構成される、請求項１に記載のエネルギー・リレー。
  3. 前記エネルギー・リレーが、前記第１および第２の表面の傾斜表面接続縁部をさらに備え、前記エネルギー・リレーが、少なくとも前記第１または第２のドメインのエネルギーがそれぞれの伝搬経路に沿ってリレーされるときに、該ドメインに拡大または縮小のいずれかを適用する、請求項２に記載のエネルギー・リレー。
  4. 前記エネルギー・リレーが、少なくとも第１の表面と、第２の表面と、第３の表面と、を備え、前記エネルギー・リレーが、前記第１および第２の表面を通って延在する第１の複数のエネルギー伝搬経路に沿って、第１のドメインのエネルギーをリレーするように、ならびに前記第１および第３の表面を通って延在する第２の複数のエネルギー伝搬経路に沿って、第２のドメインのエネルギーをリレーするように構成され、
    前記第１および第２の複数のエネルギー伝搬経路が、前記第１の表面においてインターリーブされる、請求項１に記載のエネルギー・リレー。
  5. 前記第２および第３の表面が、同一平面上にあり、前記第１の表面と平行であり、かつ実質的に異なる位置に配置される、請求項４に記載のエネルギー・リレー。
  6. 前記第１、第２、第３、および第４のコンポーネント設計構造体が、前記第２および第３の表面が実質的に異なる位置にあることを可能にする可撓性を備える、請求項４に記載のエネルギー・リレー。
  7. 前記第１および第２の複数の伝搬経路が、実質的に非平行である、請求項４に記載のエネルギー・リレー。
  8. 前記第１のモジュールが、前記エネルギー・リレーの横方向平面内に、実質的に非ランダムパターンで、前記第１および第２のコンポーネント設計構造体の配置を備え、
    前記第２のモジュールが、前記エネルギー・リレーの前記横方向平面内に、実質的に非ランダムパターンで、前記第３および第４のコンポーネント設計構造体の配置を備える、
    請求項１に記載のエネルギー・リレー。
  9. 前記第１および第２のコンポーネント設計構造体が、実質的に類似する第１の設計特性および実質的に異なる第２の設計特性を備え、前記第３および第４のコンポーネント設計構造体が、実質的に類似する第１の設計特性および実質的に異なる第２の設計特性を備える、請求項８に記載のエネルギー・リレー。
  10. 前記第１の設計特性が、前記エネルギー・リレーの横方向寸法の断面サイズを含み、前記第２の設計特性が、屈折率を含む、請求項９に記載のエネルギー・リレー。
  11. 前記第１の設計特性が、前記エネルギー・リレーの横方向寸法の断面サイズを含み、前記第２の設計特性が、音響インピーダンスを含む、請求項９に記載のエネルギー・リレー。
  12. エネルギー・リレーであって、
    前記エネルギー・リレーの横方向平面内に第１のコンポーネント設計構造体および第２のコンポーネント設計構造体の配置を備える第１のモジュールと、
    エネルギー・リレー材料と、を備え、
    前記第１のモジュールおよび前記エネルギー・リレー材料が、前記エネルギー・リレーの前記横方向平面にわたって分布し、
    前記第１および第２のコンポーネント設計構造体がどちらも、前記横方向平面に対して垂直である長手方向平面に沿って、第１のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成され、前記エネルギー・リレー材料が、前記横方向平面に対して垂直である長手方向平面に沿って、前記第１のエネルギー領域とは異なる第２のエネルギー領域に属するエネルギーを輸送するように構成され、前記第１のモジュールが、前記第１のエネルギー領域について、前記長手方向平面において前記横方向平面よりも大幅に高い輸送効率を有し、前記エネルギー・リレー材料が、前記第２のエネルギー領域について、前記長手方向平面において前記横方向平面よりも大幅に高い輸送効率を有し、前記第１のコンポーネント設計構造体および前記第２のコンポーネント設計構造体は異なる材料により構成され、屈折率または音響インピーダンスが互いに異なり、
    前記第１のコンポーネント設計構造体および前記第２のコンポーネント設計構造体の前記配置は、前記第１のモジュールが、前記第１のエネルギー領域のエネルギー波を長手方向平面に沿って伝搬するように動作可能である一方で、前記第１のエネルギー領域の前記エネルギー波の伝搬は、波の干渉によって横方向平面において実質的に制限される、エネルギー・リレー。
  13. 前記第１のモジュールが、前記エネルギー・リレーの横方向平面内に、実質的に非ランダムパターンで、前記第１および第２のコンポーネント設計構造体の配置を備える、請求項１２に記載のエネルギー・リレー。
  14. 前記第１および第２のコンポーネント設計構造体が、実質的に類似する第１の設計特性および実質的に異なる第２の設計特性を備える、請求項１３に記載のエネルギー・リレー。
  15. 前記第１の設計特性が、前記エネルギー・リレーの横方向寸法の断面サイズを含み、前記第２の設計特性が、屈折率を含む、請求項１４に記載のエネルギー・リレー。
  16. 前記第１の設計特性が、前記エネルギー・リレーの横方向寸法の断面サイズを含み、前記第２の設計特性が、音響インピーダンスを含む、請求項１４に記載のエネルギー・リレー。
  17. 前記第１のエネルギー領域が、電磁スペクトルの第１の帯域を備え、
    前記第２のエネルギー領域が、前記電磁スペクトルの第２の帯域を備え、前記第１および第２の帯域の少なくとも一部分が重複しない、請求項１３に記載のエネルギー・リレー。
  18. 前記第１のエネルギー領域が、電磁エネルギーを備え、前記第２のエネルギー領域が、機械的エネルギーを備える、請求項１３に記載のエネルギー・リレー。
  19. 前記第１のモジュールが、前記エネルギー・リレーの横方向平面内に、実質的にランダムなパターンで、前記第１および第２のコンポーネント設計構造体の配置を備える、請求項１２に記載のエネルギー・リレー。
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