JP7199402B2

JP7199402B2 - 瞳孔拡張

Info

Publication number: JP7199402B2
Application number: JP2020177416A
Authority: JP
Inventors: マークエアーズ，; ケネスアンダーソン，; アダムアーネス，; フリソシュロッタウ，
Original assignee: アコニアホログラフィックス、エルエルシー
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2023-01-05
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: JP2019514053A; US20210231961A1; EP3420396A1; WO2017223121A1; EP4095575A1; CN108885347A; US11009704B2; EP3420396A4; KR102127588B1; JP7166927B2; JP2021039350A; KR20180112866A; EP3420396B1; CN108885347B; US20190391393A1

Description

（関連出願の相互参照）
この出願は、２０１６年６月２０日に出願した「ＳＫＥＷＭＩＲＲＯＲＰＵＰＩＬＥＸＰＡＮＳＩＯＮ」という名称の同時係属の米国特許出願第６２／３５２，５３４号、２０１６年９月９日に出願した「ＰＵＰＩＬＥＸＰＡＮＤＥＲ」という名称の同時係属の米国特許出願第６２／３８５，６８６号、２０１６年３月１日に出願した「ＰＵＰＩＬＥＸＰＡＮＤＥＲ」という名称の同時係属の米国特許出願第６２／４６５，６１９号、２０１７年３月３１日に出願した「ＰＵＰＩＬＥＸＰＡＮＤＥＲ」という名称の同時係属の米国特許出願第６２／４７９，９８５号、及び２０１７年５月１１日に出願した「ＰＵＰＩＬＥＸＰＡＮＤＥＲ」という名称の同時係属の米国特許出願第６２／５０４，８９０号の優先権を主張するものである。上記の出願は、すべての目的のためにそれらの全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般に光反射デバイスに関し、より具体的には光反射デバイスの内部の光ビーム拡張に関する。

既存の誘電体ミラーは、電気的誘電率が互いに異なる材料の層で表面（典型的にはガラス）をコーティングすることによって製造される。材料の層は、典型的には、層境界からのフレネル反射が強めあう強化をして、大きな純反射率をもたらすように配置される。波長及び入射角の比較的広範な指定範囲にわたってこの条件を保証することにより、広帯域の誘電体ミラーを設計することができる。しかしながら、層が表面に堆積されるため、誘電体ミラーの反射軸は面法線と必然的に一致する（すなわち、反射軸は鏡面に対して垂直である）。反射軸に対するこの制約のために、いくつかのデバイスでは、誘電体ミラーは最適に及ばない構成で配設される。同様に、反射軸が面法線に拘束されているので、誘電体ミラーはいくつかの目的については不適切である。その上に、ガラス誘電体ミラーは比較的重くなりがちで、比較的軽量の反射部品を必要する用途向けには最適に及ばないか又は不適当である。

反対に、既存の格子構造は、格子構造が存在する媒体の面法線と異なる反射軸に関する光を反射することができる。しかしながら、所与の入射角に対して、既存の格子構造の反射角は、典型的には入射光の波長とともに共変する。したがって、既存の格子構造を使用して光を反射すれば、反射軸が面法線と一致するという、既存のミラーの本質的な制約を回避し得る。しかしながら、実質的に一定の反射軸が必要な場合、既存の格子構造は、所与の入射角に対して、実質的に単一の波長（又は非常に狭い範囲の波長）に限定される。同様に、一定の反射軸に関する特定波長の光を反射するためには、既存の格子構造は単一の入射角（又は非常に狭い範囲の入射角）に制限される。

それゆえに、反射格子構造又は既存のミラーを備える既存の反射デバイスは、面法線に拘束されない反射軸に関する光反射率と、入射角の範囲にわたって一定の反射角とを含む、デバイスの必要な特性を満たさないことがある。その上、既存の反射デバイスの既存の構造及び結合部品は、デバイスの光（例えば全内部反射（total internal reflection、ＴＩＲ）モード反射光及び非ＴＩＲ直線外部光）と相互作用して、投射の光学的明瞭さを妨げることがある。その結果、既存の反射デバイスは、最適に及ばない画像投影をもたらし、これらのデバイスが与えるＦＯＶの光学的明瞭さを妨害する可能性がある。そのような結果は、頭部装着型ディスプレイ（head mounted display、ＨＭＤ）デバイスにおいて特に激しいことがある。

説明される特徴は、一般に、入射瞳孔から射出瞳孔まで光ビームを拡張する（すなわち瞳孔拡張）１つ以上の改善された方法、システム、又はデバイスに関するものである。これらの方法、システム、又はデバイスは、投影画像の視野（field of view、ＦＯＶ）の拡大を可能にするために、光学デバイス又は光学システムにおいて１つ以上の瞳孔拡張器又は瞳孔拡張技術を採用し得る。

一実施形態では、デバイス又はシステムは、第１の導波路表面及び第１の導波路表面と平行な第２の導波路表面を有する導波路と、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に配設された第１の体積ホログラフィック光結合素子と、を含み得る。第１の体積ホログラフィック光結合素子は、入射光の少なくとも一部分を反射光として反射するように構築されてよい。入射光は、導波路の面法線に対応する第１の軸に対してＴＩＲの範囲内の第１の入射角、及び第２の軸に対する第２の入射角を有し得る。反射光は、ＴＩＲの範囲内の第１の反射角、及び第２の軸に対する第２の反射角を有し得る。一部の場合には、第２の反射角は第２の入射角とは異なってよい。

前述のデバイス又はシステムのいくつかの例は、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に配設された第２の体積ホログラフィック光結合素子も含み得る。第２の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の反射軸とは異なる配向の第２の反射軸を有し得る。前述のデバイス又はシステムのいくつかの例では、第１の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の導波路表面と平行な面に配向されてよい第１の反射軸を有し得る。

前述のデバイス又はシステムのいくつかの例では、第１の体積ホログラフィック光結合素子は格子媒体を備え得る。前述のデバイス又はシステムのいくつかの例は、格子媒体内の第１の格子構造も含んでよく、第１の格子構造は、第１の軸に対してＴＩＲの範囲内の第１の入射角における第１の反射軸に関する第１の波長の入射光の少なくとも一部分を反射するように構築されている。

前述のいくつかの例では、第１の体積ホログラフィック光結合素子は、格子媒体内の第２の格子構造を更に備え、第２の格子構造は、第１の入射角とは異なる別の入射角における別の反射軸に関する第１の波長の入射光の少なくとも一部分を反射するように構築されている。前述のいくつかの例では、第２の格子構造に関連付けられた別の入射角は、第１の軸に対してＴＩＲ範囲内にあり得る。前述のいくつかの例では、第２の格子の別の反射軸は、第１の反射軸の反射軸角度と０．２５度以下だけ異なる反射軸角度を有し得る。

前述のいくつかの例では、第１の格子構造及び第２の格子構造は、画像光の内部視野角に関連付けられた同一の軌跡に対応する。前述のいくつかの例では、第１の格子構造は、画像光の第１の内部視野（ＦＯＶ）角に関連付けられた１つ以上の体積ホログラムの第１の軌跡に対応し、第２の格子構造は、第１の内部ＦＯＶ角とは異なる画像光の第２の内部ＦＯＶ角に関連付けられた１つ以上の体積ホログラムの第２の軌跡に対応する。前述のいくつかの例では、第１の軌跡と第２の軌跡は少なくとも部分的に重なり合う。

前述のいくつかの未定義の例では、第１の格子構造は、第１の入射角を含む入射角の第１の範囲における第１の反射軸に関する波長の入射光の少なくとも一部分を反射するように更に構成されてよく、入射角の第１の範囲の各入射角は、第１の軸に対してＴＩＲ範囲内にある。

前述のいくつかの例では、第１の格子構造は少なくとも３つの体積ホログラムを備え、少なくとも３つの体積ホログラムの各体積ホログラムは、入射角の第１の範囲内の固有の入射角に対応し、少なくとも３つのホログラムの隣接する｜ΔＫ_Ｇ｜は、１メートル当たり１．０×１０^４～１．０×１０^６ラジアン（ｒａｄ／ｍ）の間に存在する平均値を有し得る。

前述のデバイス又はシステムのいくつかの例では、第１の体積ホログラフィック光結合素子は、少なくとも７０μｍの厚さであり得る格子媒体を備え、この格子媒体は、ＴＩＲの範囲内の少なくともいくつかの入射角について入射光をブラッグ整合するように構築された複数の体積ホログラムを備える。

前述のデバイス又はシステムのいくつかの例では、第１の体積ホログラフィック光結合素子は、入射光の少なくとも一部分を、第１の反射軸に関する反射光として反射するように構成され得る第１の結合部分と、入射光の少なくとも一部分を、第１の導波路表面と平行な面に配向された第２の反射軸に関する反射光として反射するように構成され得る第２の結合部分と、を備え、第２の反射軸は第１の反射軸に対して非平行である。

前述のいくつかの例では、第１の反射軸は、入射光の少なくとも一部分を導波路の第１の位置内の反射光として反射するように構成されてよく、第２の反射軸は、入射光の少なくとも一部分を導波路の第２の位置内の反射光として反射するように構成されてよい。

前述のいくつかの例では、第１の結合部分が第２の結合部分と少なくとも部分的に重なり合い、第１の反射軸が、重なり合う位置において入射光の少なくとも一部分を反射するように構成され得、第２の反射軸が、重なり合う位置において入射光の少なくとも一部分を反射するように構成され得る。前述のシステムのいくつかの例は、入力光が第１の結合部分及び第２の結合部分に入ることを可能にするように入射瞳孔素子が構築され得るように、第１の結合部分及び第２の結合部分に関連付けられた接合部と整列している、入射瞳孔素子も含み得る。

前述のいくつかの例では、第１の体積ホログラフィック光結合素子の第１の結合部分と第１の体積ホログラフィック光結合素子の第２の結合部分とは、接合部において整列され得る。

前述のいくつかの例では、相互結合導波路は、重なり合う接合部によって導波路に結合されてよい。前述のいくつかの例では、相互結合導波路は、光学的接着要素によって導波路に結合されてよい。前述のいくつかの例では、相互結合導波路は、端と端との接合部によって導波路に結合されてよい。

前述のデバイス又はシステムのいくつかの例は、導波路に結合された相互結合導波路も含み得る。前述のデバイス又はシステムのいくつかの例は、導波路の内部にある第１の導波路部分も含んでよく、第１の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の導波路部分の内部に少なくとも部分的に配設されてよい。前述のデバイス又はシステムのいくつかの例は、第１の導波路部分の第１の縁部にある第１の入射瞳孔も含み得る。前述のいくつかの例では、第１の導波路部分と第２の導波路部分が少なくとも部分的に重なり合う。

前述のシステムのいくつかの例は、導波路の内部にある第２の導波路部分も含んでよく、第１の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の導波路部分の内部に少なくとも部分的に配設されてよい。前述のシステムのいくつかの例は、第２の導波路部分の第２の縁部にある第２の入射瞳孔も含み得る。

前述のデバイス又はシステムのいくつかの例は、第１の導波路表面と、第１の導波路表面と平行な第２の導波路表面と、を有する導波路も含み得る。前述のデバイス又はシステムのいくつかの例は、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に配設された交差結合素子も含んでよく、交差結合素子は、第１の導波路表面と平行な面に配向された第１の反射軸を有する。前述のデバイス又はシステムのいくつかの例は、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に配設された体積ホログラフィック光結合素子も含んでよく、体積ホログラフィック光結合素子は、第１の反射軸が配向されている面とは異なる面に配向された第２の反射軸を有する。

前述のいくつかの例では、交差結合素子は入射光の少なくとも一部分を反射光として反射するように構築されてよく、入射光は、導波路の面法線に対応する第１の軸に対して全内部反射（ＴＩＲ）の範囲内の第１の入射角、及び第１の軸とは異なる第２の軸に対する第２の入射角を有し、反射光は、ＴＩＲの範囲内の第１の反射角、及び第２の軸に対する第２の反射角を有し、第２の反射角は第２の入射角とは異なる。

一実施形態では、デバイス又はシステムは、第１の導波路表面と平行な面に配向された第１の反射軸を有する交差結合素子と、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に配設された体積ホログラフィック光結合素子と、を含み得、体積ホログラフィック光結合素子は、第１の反射軸が配向されている面とは異なる面に配向された第２の反射軸を有する。前述のデバイス又はシステムのいくつかの例では、交差結合素子は部分反射ルーバーを備え、部分反射ルーバーは入射光の少なくとも一部分を反射光として反射するように構築されている。

前述のいくつかの例では、第１の反射軸は第１の導波路表面の面法線からオフセットされてよい。前述のいくつかの例では、体積ホログラフィック光結合素子の第２の反射軸は、第１の反射軸とは異なる配向にされてよい。例えば、第２の反射軸は第１の反射軸に直交して配向され得る。前述のいくつかの未定義の例では、交差結合素子は、端と端との接合部によって体積ホログラフィック光結合素子に結合されよい。

前述のいくつかの例では、体積ホログラフィック光結合素子は格子媒体を備える。前述のシステムのいくつかの例は、体積ホログラフィック光結合素子の格子媒体内の第１の格子構造も含んでよく、第１の格子構造は、第２の反射軸に関する第１のＴＩＲ入射角における波長の全内部反射（ＴＩＲ）光を反射するように構成されている。

前述のいくつかの例では、体積ホログラフィック光結合素子は、体積ホログラフィック光結合素子の格子媒体の内部に、少なくとも部分的には第１の格子構造と重なり合わない第２の格子構造を更に備え、第２の格子構造は、第２の反射軸に関する第２のＴＩＲ入射角における波長のＴＩＲ光を反射するように構成されている。前述のいくつかの例では、第２のＴＩＲ入射角は、第１のＴＩＲ入射角から少なくとも５°だけ異なる。前述のいくつかの未定義の例では、波長は、可視赤色光波長、可視青色光波長、又は可視緑色光波長のうちの１つを含む。

前述のいくつかの例では、第１の格子構造は少なくとも３つの体積ホログラムを備え、少なくとも３つの体積ホログラムのそれぞれがＴＩＲ入射角の範囲内の固有の入射角に対応し、少なくとも３つのホログラムの隣接する｜ΔＫ_Ｇ｜は、１メートル当たり１．０×１０^４～１．０×１０^６ラジアン（ｒａｄ／ｍ）の間に存在する平均値を有し得る。

一実施形態では、デバイス又はシステムは、画像を含んだ光を供給する光源と、光学レンズと、を備え、光学レンズは、画像を含んだ光を受光するための光学レンズの光入力部分と、第１の導波路表面及び第１の導波路表面に対して平行な第２の導波路表面を有する導波路と、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に配設された第１の体積ホログラフィック光結合素子であって、入射光の少なくとも一部分を反射光として反射するように構築されている第１の体積ホログラフィック光結合素子であって、入射光は、導波路の面法線に対応する第１の軸に対して全内部反射（ＴＩＲ）の範囲内の第１の入射角、及び第１の軸とは異なる第２の軸に対する第２の入射角を有し、反射光は、ＴＩＲの範囲内の第１の反射角、及び第２の軸に対する第２の反射角を有し、第２の反射角は第２の入射角とは異なる。

前述のいくつかの例では、光学レンズは、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に配設された第２の体積ホログラフィック光結合素子を更に備え、第２の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の反射軸とは異なる配向の第２の反射軸を有し得る。

一実施形態では、デバイス又はシステムは、画像を含んだ光を供給する光源と、画像を含んだ光を受光するための光入力部分を備える光学レンズと、を備え、光学レンズは、第１の導波路表面及び第１の導波路表面に対して平行な第２の導波路表面を有する導波路と、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に配設された交差結合素子であって、第１の導波路表面と平行な面に配向された第１の反射軸を有する交差結合素子と、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に配設された体積ホログラフィック光結合素子であって、第１の反射軸が配向されている面とは異なる面に配向された第２の反射軸を有する体積ホログラフィック光結合素子と、を含み得る。

一実施形態では、交差結合素子は、入射光の少なくとも一部分を反射光として反射するように構築されており、入射光は、導波路の面法線に対応する第１の軸に対して全内部反射（ＴＩＲ）の範囲内の第１の入射角、及び第１の軸とは異なる第２の軸に対する第２の入射角を有し、反射光は、ＴＩＲの範囲内の第１の反射角、及び第２の軸に対する第２の反射角を有し、第２の反射角は第２の入射角とは異なる。

前述のいくつかの例では、方法は、１つ以上の体積ホログラフィック光結合素子を含むデバイスを作製することを含んでよく、第１の記録ビーム及び第２の記録ビームが第１のプリズムを通過して記録媒体上に干渉パターンを記録するように、第１のプリズムに対して記録媒体を位置決めすることと、第１の反射軸が記録媒体の厚さ寸法と平行に配向されるように、記録媒体に第１の反射軸を記録することと、を含む。

以下の図面を参照することにより、本開示の実装形態の特質及び利点の更なる理解が実現され得る。添付図では、類似の部品又は機構は同一の参照符号を有し得る。更に、同一のタイプの様々な部品は、参照符号にダッシュが続くことにより、また、類似の部品間を識別する第２の符号によって識別されることがある。明細書において第１の参照符号だけが使用されている場合には、その説明は、第２の参照符号に関係なく同一の第１の参照符号を有する類似の部品のうちの任意のものに当てはまる。

本明細書に含まれる原理が実施され得るＨＭＤデバイスの図解である。

本開示の様々な態様による、現実空間におけるスキューミラーの反射特性を図解する図である。

本開示の様々な態様による、ｋ空間におけるスキューミラーを図解する。

本開示の様々な態様による、スキューミラー射出瞳孔拡張技術を組み込んだ光学システムの図である。

本開示の様々な態様による、複数の格子構造を図解した光学部品の図である。

本開示の様々な態様による、瞳孔拡張を伴うスキューミラーを生産するのに使用され得るシステムの図を示す。

本開示の態様による、瞳孔拡張をサポートする光学システムの一例を図解する。

本開示の様々な態様による、本明細書で説明された瞳孔拡張技術とは対照的な既存の技術を示すグラフである。

本開示の様々な態様による、本明細書で説明された瞳孔拡張技術とは対照的な、既存の技術を示すグラフである。

本開示の様々な態様による瞳孔拡張技術を図解するグラフである。

本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学レンズの一例を図解する。

図１０Ａを参照して説明される格子構造（交差スキューミラー）の重なり合いのｋ空間表現を図解する。

本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学システムの一例を図解する。

本開示の様々な態様による、光を等化する装置を製造する例示的な方法のフローチャート図である。

体積ホログラフィック格子（Volumetric holographic grating、ＶＨＧ）は、画像投影システムの内部の光結合デバイス（例えば入力カプラ、出力カプラ、及び／又は交差カプラ）として使用され得る。それぞれの既存の結合デバイスは、導波路を通して光を伝送し、瞳孔拡張を採用し、結合デバイスの付加的な機能に従って画像投影を提供し得る。既存の結合デバイスは、エンボス回折格子と、回折光学素子（diffractive optical element、ＤＯＥ）と、ホログラフィック光学素子（holographic optical element、ＨＯＥ）と、少なくとも前述の機能をサポートするための角を成す部分反射面と、を含み得る。厚さ及びバルク屈折率を含む既存の結合デバイスの１つ以上の特性が、利用可能な全内部反射（ＴＩＲ）入力角範囲、並びに、与えられる視野（ＦＯＶ）能力を決定し得る。一部の場合には、既存の結合デバイスは、単独で、又は追加の結合デバイスと組み合わせて、光学的明瞭さ及びＦＯＶに対する制約又は障害を招く可能性がある。例えば、既存の結合デバイスは、ＴＩＲモードで動作している光の双方向反射のそれぞれと相互作用し、それによって、与えられるＦＯＶを妨害する可能性がある。他の例では、既存の結合デバイスは、デバイスを真っすぐ通る（例えば非ＴＩＲモード）光と相互作用するか又は色分散を経験し、画像投影システムの光学的明瞭さの妨げになる恐れがある。

１つ以上のスキューミラータイプの部品又はデバイスが、瞳孔拡張のために、光結合デバイス（例えば入力カプラ、出力カプラ、及び／又は交差カプラ）に採用され得る。１つ以上の光結合デバイスにおいてスキューミラー技術を利用すると、頭部装着型ディスプレイユニットなど関連する画像投影デバイスの表示能力及び光学的明瞭さを改善し得る。スキューミラータイプのデバイスは無彩色特性を見せる可能性がある。スキューミラータイプのデバイス（例えば出力カプラの実施形態）は、基板の間で反射されるＴＩＲモード入力光の１つの反射、及びスキューミラータイプのデバイスを真っすぐ通る入力光（例えば基板表面に入射する外部光）に対してブラッグ不整合となり得る。スキューミラー技術を利用する画像投影デバイスは、より拡張するＦＯＶをもたらして、既存の結合デバイスを使用する画像投影デバイスと比較したとき、光学的明瞭さに対する障害を回避し得る。

１つ以上のスキューミラータイプの部品又はデバイス（例えば入力カプラの実施形態）は、光源から入射瞳孔まで入力光を導き得る。１つ以上のスキューミラータイプの部品又はデバイス（例えば交差カプラの実施形態）は、入力光を、入射瞳孔から１つの方向に伝搬させるように導いてよく、入力光を、導波路を通して異なる方向に伝搬させるように反射してよい。交差カプラの実施形態は、有利には、投影画像の寸法（例えば垂直方向又は水平方向の寸法）が、入口から出口までの瞳孔の光路の全体にわたって、無誘導のままに保たれ得る（すなわち、投影された寸法は、ＴＩＲ寸法を横切る角度に対応し得る）。１つ以上のスキューミラータイプの部品又はデバイス（例えば出力カプラの実施形態）により、分岐光損失が低減された画像投影が可能になり得る。１つ以上の相互結合導波路の内部に、画像投影システムのスキューミラー技術を利用する光結合デバイスの実施形態が包含されてよく、画像投影効率を更に改善し、デバイスのコンパクトさを向上させる。スキューミラー技術を利用する光結合デバイスの実施形態は、他の非スキューミラー光結合デバイスの実施形態も利用する画像投影システムに組み込まれ得る。

１つ以上のホログラフィック光学素子が、光学的頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）デバイスの導波路に使用され得る。ＨＭＤデバイスは、投影画像を反射する能力を有する着用可能デバイスであり、ユーザが拡張現実感を経験することを助長し得るものである。頭部装着型ディスプレイは、典型的には、虚像を投影するニアアイ光学部品を必然的に伴う。従来、ＨＭＤは、技術的制約により、画質が低く、重く、しかもサイズが大きいという障害があった。過去の実装形態は、光の反射、屈折、又は回折のための既存の光学部品を含んでいるが、設計が大きくなる傾向がある。加えて、既存のミラー及び格子構造には生来の制約がある。例えば、既存のミラーは、面法線と必然的に一致する反射軸を有し得、最適に及ばないミラー配向又はミラーにおける反射出力の妨害を課す。また、既存の格子構造は、構造上に入射する光の入射角及び／又は波長に対して受け入れがたいほど共変する複数の反射軸を含み得る。

それゆえに、光を反射するデバイスは、面法線に拘束されない反射軸に関する光を、所与の入射角に対して、複数の波長において一定の反射角で反射する機能を含み得る。このデバイスの実施形態は、所与の波長の入射光に対して、入射角の範囲にわたって実質的に一定の反射軸を有し得（すなわち反射軸の角度の変化が１．０度未満であり）、この現象は様々な波長の入射光に対して観測され得る。

本開示の態様は、当初は、スキューミラーから所定距離にあるアイボックスの方へ光を反射する装置のコンテキストにおいて説明される。具体的な例は、格子媒体を含む装置について説明される。一部の場合には、格子媒体は１つ以上の格子構造を含み得る。格子構造は、格子構造の面法線からオフセットされた反射軸に関して、特定の複数の入射角において、特定の波長の光を反射するように構成され得る。本開示の態様は、更に、瞳孔拡張に関する装置図、システム図、及びフローチャートによって図解され、これらを参照しながら説明される。

この説明は例を提供するものであり、本明細書で説明された原理の実装形態の範囲、適用可能性又は構成を限定するようには意図されていない。むしろ、次の説明は、当該技術分野に精通している者に、本明細書で説明された原理の実装形態の実施を可能にする説明を提供するはずである。要素の機能及び機構において様々な変更形態が作製され得る。

したがって、様々な実装形態が、必要に応じて、様々なプロシージャ又は部品を省略するか、代用するか、又は追加する可能性がある。例えば、方法は、説明されたのと異なる順番で行われてよく、様々なステップが追加されるか、省略されるか、又は組み合わされてよいことを理解されたい。また、特定の実装形態に関して説明された態様及び要素は、様々な他の実装形態では組み合わされてよい。以下のシステム、方法、デバイス、及びソフトウェアは、個々に、又は総体として、より大きなシステムの部品でよく、ここにおいて、それらの適用に対して他のプロシージャが優先してよく、又は変更してよいことも理解されたい。

図１は、本明細書に含まれる原理が実施され得るＨＭＤデバイス１００の図解である。ＨＭＤデバイス１００が含み得るアイウエア又は帽子では、ニアアイディスプレイ（near-eye display、ＮＥＤ）１０５がユーザの目の前に付けられ得る。ＮＥＤ１０５は、ＨＭＤデバイス１００のレンズ組立体の内部に配設されているか、又は組み込まれている回折素子部分を含み得る。いくつかの例では、回折素子部分は、スキューミラー１１０で構成され得るホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）でよい。スキューミラー１１０に関して座標（ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸）が与えられている。ＨＭＤデバイス１００が含み得る複数の光結合素子は、追加のスキューミラー（図示せず）、スキューミラーの技術及び原理を使用して構築されたのではないＨＯＥ（図示せず）、ＤＯＥ（図示せず）、及び／又はスキューミラー１１０を用いて組み立てられたルーバーミラー（図示せず）を含む。ＨＭＤ１００は、レンズ組立体に動作可能に結合された光源又は投光器１１５も含み得る。いくつかの例では、光源又は投光器１１５は、導波路構成のレンズ組立体に動作可能に結合され得る。いくつかの例では、光源又は投光器１１５は、自由空間構成のレンズ組立体に動作可能に結合され得る。

スキューミラー１１０は反射デバイスでよく、１つ以上の体積ホログラム又は他の格子構造が内部に存在する格子媒体を含み得る。スキューミラー１１０は、ガラス蓋又はガラス基板などの追加の層を含み得る。追加の層は、汚染、湿気、酸素、反応性化学種、被害などから格子媒体を保護するのに役立ち得る。追加の層は、格子媒体に対して屈折率が整合されてもよい。格子媒体は、格子構造を内蔵するので、反射軸と称される軸に関する光を回折することができる物理的性質を有し得て、所与の入射角で格子媒体に入射する光の複数の波長について、回折角（今後反射角と称される）の変化は１°未満である一部の場合には、反射軸は、複数の波長及び／又は入射角に対しても一定である。一部の場合には、格子構造は１つ以上のホログラムによって形成される。１つ以上のホログラムは、いくつかの実装形態では体積位相ホログラムであり得る。格子構造の様々な実装形態において、他のタイプのホログラムも使用され得る。

同様に、実施形態は、所与の波長の入射光に対して、入射角の範囲にわたって実質的に一定の反射軸を有し得（すなわち反射軸の角度の変化が１°未満であり）、この現象は様々な波長の入射光に対して観測され得る。いくつかの実装形態では、反射軸は、１組の複数の入射角及び１組の複数の波長のすべての組合せについて実質的に一定のままである。

ホログラムは干渉パターンの記録でよく、記録に使用された光からの強度情報と位相情報の両方を含み得る。この情報は、初期の干渉パターンの強度に従って、干渉パターンを、続く入射光ビームの振幅又は位相を変化させる光学素子に変換する感光性の媒体に記録され得る。格子媒体は、フォトポリマー、光屈折結晶、２色ゼラチン、光－熱－屈折性ガラス、分散ハロゲン化銀粒子含有膜、又は入射干渉パターンに反応して記録する能力を有する他の材料を含み得る。一部の場合には、記録されたホログラムを読み取り、かつ／又は記録するためにコヒーレントなレーザ光線が使用され得る。

一部の場合には、ホログラムは、記録ビームとして知られている２つのレーザビームを使用して記録され得る一部の場合には、記録ビームは、格子媒体に入射する角度を除けば互いに類似している単色の視準が合った平面波ビームでよい。いくつかの実装形態では、記録ビームは、互いに異なる振幅分布又は位相分布を有し得る。記録ビームは、記録媒体の内部で交差するように導かれ得る。記録ビームの交点において記録ビームが記録媒体と相互作用し、記録媒体が干渉パターンの各点の強度に従って変化して、記録媒体の内部の光学的性質が変化するパターンを作成する。例えば、一部の実施形態では、記録媒体の内部で屈折率が変化し得る。一部の場合には、結果として生じる干渉パターンは、（例えばマスクなどを用いて）格子媒体に記録されたそのような格子構造のすべてにわたって均一な空間分布になり得る。一部の場合には、波長又は入射角を変化させて記録媒体の内部で異なる干渉パターンを作成することにより、単一の記録媒体の内部で複数の格子構造が重ね合わされてよい。一部の場合には、１つ以上のホログラムが媒体に記録された後、媒体は、記録後の光処理において、光を用いて処理されてよい。記録媒体の感光性を大幅に低下させるか又は解消するように、光開始剤又は光活性モノマーなどの残存する反応性媒体成分を実質的に消滅させるために、記録後の光処理は非コヒーレント性の高い光を用いて行われ得る。ホログラム又は他の格子構造を記録媒体に記録した後、媒体は、典型的には格子媒体と称される。いくつかの事例では、格子媒体は非感光性にされている。

いくつかの実装形態では、格子構造は、記録ビームと称される複数の光ビーム間の干渉によって発生したホログラムを含み得る。格子構造は複数のホログラムを含み得る。複数のホログラムは、複数のホログラムの間で変化する角度（すなわち角度多重）において格子媒体に入射する記録ビーム、及び／又は複数のホログラムの間で波長が変化する（すなわち波長多重）記録ビーム、及び／又は複数のホログラムの間で位置が変化する（すなわち空間多重）記録ビームを使用して記録され得る。いくつかの実装形態では、格子構造は、ホログラムが記録されている間に格子媒体への入射角が変化する２つの記録ビーム、及び／又はホログラムが記録されている間に波長が変化する２つの記録ビームを使用して記録されたホログラムを含み得る。実装形態は、反射軸が、格子媒体の面法線と、少なくとも１．０度、２．０度、４．０度、又は９．０度だけ異なるデバイスを更に含む。

投光器１１５は、レンズ組立体に画像を含んだ光を供給し得る。いくつかの事例では、レンズ組立体及びスキューミラーは、システムの配向面に対して実質的に平坦でよい。他の事例では、レンズ組立体は、配向面に対して曲率を見せることがある。例えば、一部の場合には、レンズ組立体及びスキューミラー１１０はｘ－ｙ面に対して実質的に平坦でよい。他の場合には、特定の実装形態では、レンズ組立体は、ｘ－ｙ面に対して若干の曲率を含み得る。スキューミラー１１０からの反射光１２０は、スキューミラー１１０からｚ軸に沿って所定距離にあるアイボックスの方へ反射され得る。いくつかの例では、スキューミラー１１０は、導波路の内部に少なくとも部分的に包含されてよい。導波路は、全内部反射による入射光１３０をスキューミラー１１０の方へ伝搬させてよい。いくつかの例では、入射光１３０は自由空間によってスキューミラー１１０の方へ伝搬してよい。スキューミラー１１０は、フォトポリマーで作製された格子媒体を含み得る。スキューミラー１１０は、格子媒体の内部に１つ以上の格子構造も含み得る。各格子構造は、互いに重なり合ってよい１つ以上の正弦曲線の体積格子を含み得る。格子構造は、格子媒体の面法線からオフセットされた反射軸に関して、特定の複数の入射角において、特定の波長の光を反射するように構成され得る。格子媒体内の各格子構造は、導波路から所定距離にあるアイボックスの射出瞳孔の方へ光の一部分を反射するように構成され得る。

各格子構造が、別の格子構造とは異なるやり方で光を反射し得る。例えば、第１の格子構造は、第１の入射角における第１の波長の入射光を反射してよく、第２の格子構造は、第１の入射角における第２の波長の入射光を反射してよい（例えば、異なる格子構造は、同一の入射角の入射光に関して異なる波長の光を反射するように構成され得る）。また、第１の格子構造は、第１の入射角における第１の波長の入射光を反射してよく、第２の格子構造は、第２の入射角における第１の波長の入射光を反射してよい（例えば、異なる格子構造は、異なる入射角の入射光に関して同一の波長の光を反射するように構成され得る）。その上、格子構造は、第１の波長及び第１の入射角の第１の入射光を反射してよく、第２の波長及び同一の反射軸に関する第２の入射角における第２の入射光を反射してよい。このように、様々な入射角における入射光に関して特定の波長の光を選択的に反射するために、異なる格子構造が使用され得る。これらの異なる格子構造は、スキューミラー１１０の格子媒体の内部で重ね合わされてよい。スキューミラー１１０は実質的に一定の反射軸を有し得る（すなわち、スキューミラー１１０の各格子構造が、同一の、実質的に一定の反射軸を有する）。

いくつかの例では、ＨＭＤデバイスは、画像を含んだ光を供給する光源又は投光器１１５と、レンズ組立体と、を備え得る。レンズ組立体は、少なくとも１つのスキューミラー１１０を含み得る。レンズ組立体は、光源又は投光器１１５から画像を含んだ光を受光するための光入力部分を備え得る。導波路は、レンズ組立体の内部に配設されて、光入力部分に動作可能に結合され得る。いくつかの例では、導波路が省略されてよく、光源又は投光器１１５が、自由空間構成のレンズ組立体に動作可能に結合され得る。導波路は、第１の導波路表面と、第１の導波路表面に対して平行な第２の導波路表面と、を有し得る。第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に、第１の体積ホログラフィック光結合素子が配設されてよい。第１の体積ホログラフィック光結合素子は、入射光の少なくとも一部分を反射光として反射するように構成されるか又は構築されてよい。導波路における入射光は、導波路の面法線に対応する第１の軸（例えばｚ軸）に対するＴＩＲの範囲内の第１の入射角と、第２の軸（例えばｘ軸又はｙ軸）に対する第２の入射角と、を有し得る。反射光は、ＴＩＲの範囲内の第１の反射角と、第２の軸に対する第２の反射角と、を有し得る。一部の場合には、第２の反射角は第２の入射角とは異なってよい。

前述のＨＭＤデバイス又はシステムのいくつかの例は、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に配設された第２の体積ホログラフィック光結合素子（例えばスキューミラー１１０）も含み得る。第２の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の反射軸とは異なる配向の第２の反射軸を有し得る。

図２Ａは、一例による、現実空間におけるスキューミラー２０５の反射特性を図解する断面図２００である。断面図２００は、格子媒体の中にホログラム２３０などの格子構造を含み得る。図２Ａでは、格子媒体のための基板又は保護層として働き得る追加の層などの、格子媒体とは別のスキューミラー部品は省略されている。基板又は保護層は、汚染、湿気、酸素、反応性化学種、被害などから格子媒体を保護するのに役立ち得る。瞳孔等化のためのスキューミラーの実装形態は、部分反射でよい。このように、瞳孔等化のための１つ以上のスキューミラーは、光線を、光学デバイスの様々な部分（例えば入力カプラ構成の導波路の方へ光の方向を変える部分、交差カプラ構成の導波路の内部でＴＩＲモードにおいて伝搬する光の方向を変える部分、及び／又は光学デバイスのアイボックスに向けて射出瞳孔を形成する部分）へと選択的に反射するように構成されるか又は構築されてよい。瞳孔等化用のスキューミラーは、反射しても所望の射出瞳孔の方に向かないような特定の入射角の光線は反射しないように構成されてよい。いくつかのスキューミラー実施形態の実装形態は、結果として生じる格子媒体の比較的広い波長帯域幅及び角度範囲にわたって高い反射率を達成するために、比較的大きいダイナミックレンジの記録媒体を必要とすることがある。対照的に、瞳孔等化用のスキューミラーが必要とするダイナミックレンジはより小さいものでよく、それによって、各ホログラムをより強くすることができる（例えば、より高い強度及び／又はより長い露光時間で記録される）。より強いホログラムからなるスキューミラーは、より明るい画像をもたらすか、又は類似した輝度の画像をもたらすのに、より暗い投光器を許容する。スキューミラー２０５は、反射軸２２５によって、ｚ軸に対して測定された角度で特徴付けられ得る。ｚ軸はスキューミラー表面に対して垂直でよい。スキューミラー２０５は、入射光２１５で、ｚ軸に対して測定された内部入射角で照光される。主反射光２２０は、ｚ軸に対して測定された内部反射角１８０°で反射され得る。主反射光２２０は、可視スペクトルの赤色領域、緑色領域、及び青色領域に存在する光の波長に対応し得る。

スキューミラー２１０は、反射軸２２５によって、ｚ軸に対して測定された角度で特徴付けられ得る。ｚ軸はスキューミラー軸２０５に対して垂直である。スキューミラー２１０は、入射光２１５で、ｚ軸に対して測定された内部入射角で照光される。主反射光２２０は、スキューミラー２１０の表面に対して実質的に垂直な内部反射角軸で反射され得る。いくつかの例では、主反射光２２０は、可視スペクトルの赤色領域、緑色領域、及び青色領域に存在する光の波長に対応し得る。例えば、可視スペクトルの赤色領域、緑色領域、及び青色領域は、赤色波長（例えば６１０～７８０ｎｍ）の帯域、緑色波長（例えば４９３～５７７ｎｍ）の帯域、及び青色波長（例えば４０５～４９２ｎｍ）の帯域を含み得る。他の例では、主反射光２２０は、可視スペクトル（例えば赤外波長及び紫外波長）の外部に存在する光の波長に対応してよい。

スキューミラー２１０は、すべてが実質的に同一の反射軸２２５を共有する複数のホログラム領域を有し得る。しかしながら、これらの複数の領域は、それぞれが、異なる範囲の入射角の光を反射する可能性がある。例えば、スキューミラー２１０を包含しているＨＯＥのうちの下部の３分の１は、光を上方に、対応するアイボックスの方へ反射する格子構造のサブセットしか包含しなくてよい。次いで、中央の３分の１は、対応するアイボックスの方へ光を直接反射してよい。次いで、上部の３分の１は、光を下方に、対応するアイボックスの方へ反射する格子構造のサブセットを包含している必要がある。

図２Ｂは、図２Ａのスキューミラー２１０のｋ空間表現２５０を図解する。空間的に変化する屈折率成分のｋ空間分布が典型的には

で表されている。ｋ空間分布２６０

は、ｚ軸に対して測定された反射軸２２５と等しい角度で原点を通過し得る。ｋ球２５５の記録は、特定の書込み波長に対応するｋ球でよい。ｋ空間２５０は、可視スペクトルの赤色領域、緑色領域、及び青色領域に存在する光の波長に対応する様々なｋ球を含み得る。

ｋ空間形式は、ホログラフィ記録及び回折を解析する方法を表現し得る。ｋ空間では、伝搬する光波及びホログラムは、実空間におけるそれらの分布の３次元フーリエ変換によって表現され得る。例えば、無限遠まで視準が合った単色の参照ビームは、実空間及びｋ空間において式（１）で表現され得る。

式（１）で、

は、すべての

の３Ｄ空間ベクトル位置における光学的スカラ場分布であり、分布の変換

は、すべての３Ｄ空間周波数ベクトル

における光学的スカラ場分布である。Ａ_ｒはフィールドのスカラ複素振幅を表現し得て、

は波動ベクトルを表現し得、その長さは光波の空間周波数を指示し、その方向は、伝搬の方向を指示する。いくつかの実装形態では、すべてのビームが同一波長の光からなり得、そのためすべての光学的波動ベクトルが同一の長さを有し得、すなわち、

である。したがって、すべての光伝搬ベクトルが半径ｋ_ｎ＝２π ｎ_０／λの球体の上にあり得、ｎ_０はホログラムの平均屈折率（「バルク屈折率」）であり、λは光の真空波長である。この構造物はｋ球として知られている。他の実装形態では、複数の波長の光が、異なるｋ球上にあって長さが異なる波動ベクトルの重なり合いへと分解され得る。

別の重要なｋ空間分布にはホログラム自体のｋ空間分布がある。体積ホログラムは、格子媒体の内部での屈折率の空間的変動からなり得る。屈折率の空間的変動は、典型的には

と表され、屈折率変調パターンと称され得、そのｋ空間分布は

と表され得る。屈折率変調パターンは、第１の記録ビームと第２の記録ビームの間の干渉によって作成され得、典型的には、式（２）に示されるように、記録する干渉パターンの空間的強度に比例する。

式（２）で、

は信号の第１の記録ビームフィールドの空間分布であり、

は第２の記録ビームフィールドの空間分布である。単項演算子^＊は複素共役を表す。式（２）の最終項

は、入射する第２の記録ビームを回折された第１の記録ビームへマッピングし得る。したがって、結果として次式のようになり得る。

式（３）で、

は３Ｄ相互相関演算子である。つまり、空間領域における、１つの光場と別の光場の複素共役の積は、それらの、周波数領域におけるそれぞれのフーリエ変換の相互相関になり得る。

典型的には、ホログラム２３０は、実空間では実数値になる屈折率分布を構成する。ホログラム２３０のｋ空間分布

の位置は、それぞれ相互相関演算

から数学的に決定され得、あるいはベクトル差

から幾何学的に決定され得て、

は、それぞれのホログラム

の原点に対するｋ空間分布からの格子ベクトルを表現し得る（個々には示されていない）。慣例により、波動ベクトルは小文字「ｋ」で表現され、格子ベクトルは大文字「Ｋ」で表現されていることに留意されたい。

ホログラム２３０は、一旦記録されると、回折ビームを生成するためにプローブビームによって照光されてよい。本開示の目的のために、回折ビームはプローブビームの反射と考えることができ、入射光ビーム（例えば画像を含んだ光）と称され得る。プローブビーム及びその反射ビームは、反射軸２２５によって角度的に二分され得る（すなわち、反射軸に対するプローブビームの入射角は、反射軸に対する反射ビームの反射角と同一の大きさを有する）。回折処理は、記録処理のものに類似の、ｋ空間における１組の数学的演算及び幾何学的演算によって表現され得る。弱い回折限界では、回折ビームの回折光分布は式（４）で与えられる。

式（４）で、

は、それぞれ回折ビーム及びプローブビームのｋ空間分布であり、「^＊」は３Ｄ畳み込み演算子である。

という表記は、前出の表現が、

であるときのみ、すなわち結果がｋ球上にあるときのみ、評価されることを指示するものである。畳み込み

は偏光密度分布を表現し、プローブビーム

によって誘起された格子媒体の不均一な電気双極子モーメントの巨視的総計に比例する。

一部の場合には、プローブビームと記録に使用される記録ビームのうちの１つとが類似しているとき、畳み込みの影響により、記録中に相互相関が反転され、回折ビームは、ホログラムを記録するのに使用される他の記録ビームと実質的に類似する可能性がある。プローブビームと記録に使用される記録ビームとが異なるｋ空間分布を有するとき、ホログラムは、ホログラムを記録するのに使用されたビームとは実質的に異なる回折ビームを生成する可能性がある。記録ビームは、典型的には互いにコヒーレントであるが、プローブビーム（及び回折ビーム）はそれほど束縛されないことにも留意されたい。多波長プローブビームは、それぞれが異なるｋ球半径の状況で、式（４）に従って、単一波長のビームの重なり合いとして解析され得る。

当該技術分野に精通している者なら、本開示の利益を与えられれば、ｋ空間におけるスキューミラーの特性を説明するときに使用されるプローブビームという用語は、実空間におけるスキューミラーの反射特性を説明するときに使用される入射光という用語に類似していることを認識するであろう。同様に、ｋ空間におけるスキューミラーの特性を説明するときに使用される回折ビームという用語は、実空間におけるスキューミラーの特性を説明するときに使用される主反射光という用語に類似している。したがって、実空間におけるスキューミラーの反射特性を説明するとき、入射光がホログラム（又は他の格子構造）によって主反射光として反射されると明示するのが典型的であり得るが、ホログラムによってプローブビームが回折されて回折ビームを生成すると明示するのは類似の意味である。同様に、ｋ空間におけるスキューミラーの反射特性を説明するとき、ホログラム（又は他の格子構造）によってプローブビームが回折されて回折ビームを生成すると明示するのが典型的であるが、本開示の実装形態のコンテキストでは、格子構造によって入射光が反射されて主反射光を生成すると明示するのも同一の意味を有する。

図３は、本開示の様々な態様による、２次元スキューミラー射出瞳孔拡張技術を組み込んだ光学システムの図である。光学システム３００は、ＨＭＤ、拡張現実（augmented reality、ＡＲ）、又は図１のＨＭＤ１００などの仮想現実（virtual reality、ＶＲ）の用途で利用され得るが、これらに限定されない。光学システム３００は、大画面ディスプレイ及び光センサの用途などの様々な光結合用途でも利用され得るが、これらに限定されない。光学システム３００は、スキューミラー３０５がアイボックス３１５－ａなどの特定の位置の方へ光を回折することができるように選択的結合を採用してよく、それによって測光の効率（例えば画像の明るさ）を改善する。選択的結合には、アイボックス３１５－ａにおいて外部射出瞳孔を生成するという有利な効果があり得る。射出瞳孔はスキューミラー３０５から所定距離にあってよい。外部射出瞳孔は、内部射出瞳孔に対して光学的効率が向上し得る。表現された角度は、格子媒体の面法線に対する内角であり、格子媒体及び／又は基板界面における屈折、並びに基板－空気界面における屈折は、図解の目的で無視されている。

光学システム３００は、ディスプレイ３５５、コリメータ３６０、水平導波路３６５、垂直導波路３７０、及びアイボックス３１５－ａを含み得る。アイボックス３１５－ａは、瞳距離３７５として知られている、垂直導波路３７０からの距離にあってよい。光学システム３００は、スキューミラーを利用する２次元瞳孔拡張器の一例を図解する。水平導波路３６５に配設されたスキューミラーは交差カプラと称され得る。一部の場合には、垂直導波路３７０に配設されたスキューミラーは出力カプラと称され得る。

説明されたような射出瞳孔拡張技術は、２つのスキューミラーを利用することによって２次元瞳孔拡張をもたらすために使用され得る。例えば、水平導波路３６５は、第２のスキューミラーに動作可能に結合された第１のスキューミラーを含み得る。第１のスキューミラーは、水平方向において瞳孔を拡張するために使用され得る。いくつかの例では、第１のスキューミラー（例えば交差カプラ）は個別の２Ｄ（ダクトタイプ）導波路の内部に配設されてよい。第２のスキューミラーは垂直方向において瞳孔を拡張するために使用され得る。いくつかの例では、第２のスキューミラー（例えば出力カプラ）は個別の１Ｄ（平板タイプ）導波路の内部に配設されてよい。いくつかの例では、第１のスキューミラー（例えば交差カプラ）及び第２のスキューミラー（例えば出力カプラ）は、単一の１Ｄ（平板タイプ）導波路の内部に配設されてよい。いくつかの例では、第１のスキューミラーと第２のスキューミラーは境を接してよく、又は動作可能に（例えばｙ軸に沿って）垂直に結合されてよい。いくつかの例では、第１のスキューミラーと第２のスキューミラーは境を接してよく、又は動作可能に（例えばｘ軸に沿って）水平に結合されてよい。いくつかの例では、第１のスキューミラーと第２のスキューミラーは境を接してよく、又は動作可能に（例えばＺ軸に沿って）重なり合って結合されてよい。

いくつかの例では、第１のスキューミラー（例えば交差カプラ）は、射出瞳孔等化技術を実施するために、本明細書で説明されたような選択的結合を採用してよい。いくつかの例では、第２のスキューミラー（例えば出力カプラ）は、射出瞳孔等化技術を実施するために、本明細書で説明されたような選択的結合を独立して採用してよい。

図４は光学部品４００の図であり、複数の格子構造４０５を図解している。格子構造４０５は、本明細書で説明された格子媒体を有する格子構造に類似し得る。格子構造４０５は、議論のために分解組立図のやり方で図解されているが、これらの格子構造４０５は、本明細書で説明されたように、格子媒体のボリューム又はスペースの内部で重なり合い、交じり合ってよい。また、それぞれの格子構造が異なる回折角の応答を有してよく、別の格子構造とは異なる波長の光を反射してよい。

光学部品４００は、格子構造４０５－ａ及び格子構造４０５－ｂを表す。格子構造４０５－ａは対応するｋ空間図４１０－ａを有し得、格子構造４０５－ｂは対応するｋ空間図４１０－ｂを有し得る。ｋ空間図４１０－ａ及び４１０－ｂは、ホログラムを照光することによるブラッグ整合の再構成の場合を図解し得る。

ｋ空間図４１０－ａは、格子構造４０５－ａによる入射光の反射を図解し得る。ｋ空間図４１０－ａは、ホログラムによるプローブビームのミラー状の回折（反射と称され得る）の表現であり、反射軸に対するプローブビームの入射角は、反射軸に対する回折ビームの反射角と等しい。ｋ空間図４１０－ａは、ｚ軸に対して測定された角度が格子構造４０５－ａの反射軸４３０－ａの角度と等しい、正の側波帯のｋ空間分布４５０－ａ

を含み得る。ｋ空間図４１０－ａは、ｚ軸に対して測定された角度が反射軸４３０－ａの角度と等しい、負の側波帯のｋ空間分布４５３－ａ

も含み得る。ｋ球４４０－ａは、可視青色光、可視緑色光、又は可視赤色光を表現し得る。

ｋ空間図４１０－ａは、プローブビーム４３５－ａが、回折ビームの、プローブビームのｋ球４４０－ａ上にある点状のｋ空間分布４２５－ａ

を生成する場合を表す。回折ビームのｋ空間分布４２５－ａは、式（４）の畳み込みによって生成される。

プローブビームは、やはり点状であるｋ空間分布４３５－ａ

を有し得る。この場合、プローブビームは、ホログラムに対して「ブラッグ整合する」と言われ、プローブビームの波長が、ホログラムを記録するのに使用される記録ビームの波長と異なっていても、ホログラムがかなりの回折を生成する可能性がある。畳み込み演算も、ベクトル和

によって幾何学的に表現され得、

は回折ビームの波動ベクトル４２０－ａを表し、

はプローブビームの波動ベクトル４１５－ａを表し、

は正の側波帯の格子ベクトル４５１－ａを表す。ベクトル４４５－ａは、式（４）の畳み込みによって、プローブビームの波動ベクトル４１５－ａと、正の側波帯の格子ベクトル４５１－ａの和を表現する。ｋ空間図４１０－ａは、負の側波帯の格子ベクトル４５２－ａも有する。

プローブビームの波動ベクトル４１５－ａ及び回折ビームの波動ベクトル４２０－ａは、実質的に、二等辺三角形の脚部を形成し得る。この三角形の等しい角度は、どちらも反射軸４３０－ａに対して測定された入射角及び反射角と一致し得る。したがって、格子構造４０５－ａは、反射軸４３０－ａに関して、実質的にミラーに似たやり方で光を反射し得る。

ｋ空間図４１０－ｂは、格子構造４０５－ｂによる入射光の反射を図解し得る。格子構造４０５－ｂは、格子構造４０５－ａによって反射される入射角とは異なる複数の入射角の入射光を反射し得る。格子構造４０５－ｂは、格子構造４０５－ａとは異なる波長の光も反射し得る。ｋ空間図４１０－ｂは、ホログラムによるプローブビームのミラー状の回折（反射と称され得る）の表現であり得、反射軸に対するプローブビームの入射角は、反射軸に対する回折ビームの反射角と等しい。ｋ空間図４１０－ｂは、ｚ軸に対して測定された角度が格子構造４０５－ｂの反射軸４３０－ｂの角度と等しい、正の側波帯のｋ空間分布４５０－ｂ

を有する。ｋ空間図４１０－ｂは、ｚ軸に対して測定された角度が反射軸４３０－ｂの角度と等しい、負の側波帯のｋ空間分布４５３－ｂ

も有する。ｋ球４４０－ｂは、可視青色光、可視緑色光、又は可視赤色光を表現し得る。一部の実施形態では、ｋ球は、紫外波長又は赤外波長を含む電磁放射の他の波長を表現し得るが、これらに限定されない。

ｋ空間図４１０－ｂは、プローブビーム４３５－ｂが、回折ビームの、プローブビームのｋ球４４０－ｂ上にある点状のｋ空間分布４２５－ｂ

を生成する場合を表す。回折ビームのｋ空間分布４２５－ｂは、式（４）の畳み込みによって生成される。

プローブビーム４３５－ｂは、やはり点状であるｋ空間分布

を有する。この場合、プローブビームは、ホログラムに対して「ブラッグ整合する」と言われ、プローブビームの波長が、ホログラムを記録するのに使用される記録ビームの波長と異なっていても、ホログラムがかなりの回折を生成する可能性がある。畳み込み演算も、ベクトル和

によって幾何学的に表現され得、

は回折ビームの波動ベクトル４２０－ｂを表し、

はプローブビームの波動ベクトル４１５－ｂを表し、

は正の側波帯の格子ベクトル４５１－ｂを表す。ベクトル４４５－ｂは、式（４）の畳み込みによって、プローブビームの波動ベクトル４１５－ｂと、正の側波帯の格子ベクトル４５１－ｂの和を表現する。ｋ空間図４１０－ｂは、負の側波帯の格子ベクトル４５２－ｂも有する。

プローブビームの波動ベクトル４１５－ｂ及び回折ビームの波動ベクトル４２０－ｂは、実質的に、二等辺三角形の脚部を形成し得る。この三角形の等しい角度は、どちらも反射軸４３０－ｂに対して測定された入射角及び反射角と一致し得る。したがって、格子構造４０５－ｂは、反射軸４３０－ｂに関して、実質的にミラーに似たやり方で光を反射し得る。

図５Ａは、本開示の様々な態様による、瞳孔等化を有するスキューミラーを製造するシステム５００－ａである。システム５００－ａは、試料ステージ搬送台５０５、試料搬送レール５１０、第１の記録ビーム５１５－ａ、信号ミラー５２０、第２の記録ビーム５２５－ａ、参照ミラー５３０、参照ミラー搬送レール５３５、参照ミラー搬送台５４０、格子媒体５４５－ａ、ホログラム５５０、第１のプリズム５５５－ａ、及び第２のプリズム５６０－ａを含み得る。

システム５００－ａは、グローバル座標（ｘ_Ｇ、ｙ_Ｇ、ｚ_Ｇ）及びスキューミラー座標（ｘ、ｙ、ｚ）を含み得る。原点は格子媒体５４５－ａの中央に定義されてよい。一部の場合には、格子媒体５４５－ａは、一般に矩形形状を備えてよく、「ｚ」は格子媒体５４５－ａの厚さに対応し、「ｘ」は、格子媒体５４５－ａの面内側の長さに対応し、「ｙ」は格子媒体５４５－ａの面内側の長さに対応する。記録のためのグローバル角度θ_Ｇは、格子媒体５４５－ａの内部のｘ_Ｇ－軸に対する第１の記録ビーム５１５－ａの角度として定義され得る。スキューミラー座標（ｘ、ｙ、ｚ）は、次式によってグローバル座標に変換され得る。

システム５００－ａは、記録ビームを、所望のアイボックスサイズに対してほぼ等しいサイズを有するように構成するのに使用され得る。一実装形態では、システム５００－ａは、第１の記録ビーム５１５－ａ及び第２の記録ビーム５２５－ａの正確な角度を作成するために、信号ミラー５２０及び参照ミラー５３０などの回転鏡を配設してよい。信号ミラー５２０の角度は、幅≒ｄ_ＥＢを伴う第１の記録ビーム５１５－ａの所望角度（θ_Ｇ１）を生成するように変化されてよい。試料ステージ搬送台５０５及び参照ミラー搬送台５４０は、それぞれの露光のために記録ビームで正確な位置を照光するように位置決めされてよい。システム５００－ａの試料ステージ搬送台５０５は、所望の位置において格子媒体５４５－ａを第１の記録ビーム５１５－ａで照光するのを促進するために、試料搬送レール５１０上に位置決めされてよい。参照ミラー搬送台５４０は、所望の位置において格子媒体５４５－ａを第２の記録ビーム５２５－ａで照光するのを促進するために、参照ミラー搬送レール５３５上に位置決めされてよい。格子媒体５４５－ａは、ホログラム記録前又はホログラム記録中に記録媒体として参照されてよく、フォトポリマーを含み得る。一部の実施形態では、格子媒体は、光屈折結晶、２色ゼラチン、光－熱－屈折性ガラス、及び／又は分散ハロゲン化銀粒子含有膜を備え得る。

信号ミラー５２０と参照ミラー５３０の組を回転させることにより、これらのミラーは、第１の記録ビーム５１５－ａと第２の記録ビーム５２５－ａが互いに交差し、干渉し合って、格子媒体５４５－ａにおけるホログラム５５０として記録される干渉パターンを形成するように、第１の記録ビーム５１５－ａと第２の記録ビーム５２５－ａを導くように配置され得る。ホログラム５５０は格子構造の一例であり得る。システム５００－ａにより、それぞれがスキュー軸５６５－ａに関する複数の入射角における特定の波長の光を反射するように構成された複数の格子構造が形成され得る。それぞれの格子構造は、格子媒体５４５－ａの、特定の波長を有するコヒーレント光に対する複数の露光を使用して形成され得る。それぞれの格子構造に対応する複数の入射角は、互いから最小範囲の角度だけオフセットされてよい。

いくつかの実装形態では、記録ビームの幅は互いに異なってよく、又は同一でもよい。記録ビームの強度は互いに同一でよく、又はビーム間で異なり得る。ビームの強度は不均一でよい。格子媒体５４５－ａは、典型的には、プリズムと格子媒体の両方に対して屈折率が整合した流体を使用して、第１のプリズム５５５－ａと第２のプリズム５６０－ａの間の適所に固定される。スキュー軸５６５－ａは、面法線５７０－ａに対してスキュー角がある。図５Ａに表されるように、スキュー角は面法線５７０－ａに対して－３０．２５度でよい。第１の記録ビームと第２の記録ビームの間の角度は０～１８０度の範囲に存在し得る。そこで、面内システム５００－ａについては、面法線５７０－ａに対して記録されるスキュー角は、φ'＝（θ_Ｒ１＋θ_Ｒ２－１８０°）／２＋φ_Ｇとなる。θ_Ｇ２＝１８０°－θ_Ｇ１となる公称の場合には、φ'＝φ_Ｇである。図５において、φ_Ｇは、面法線に対する公称のスキュー角を示す。加えて、図５には、θ_Ｇ１及びθ_Ｇ２の角度の正確な描写は示されていない。θ'_Ｇ１及びθ'_Ｇ２の角度が図解されており、θ_Ｇ１及びθ_Ｇ２の角度に対応する。θ_Ｇ１及びθ_Ｇ２の角度は、それぞれ第１のプリズム５５５－ａ及び第２のプリズム５６０－ａの内部の第１の記録ビーム５１５－ａ及び第２の記録ビーム５２５－ａに関連する。記録ビームがプリズムに入るときの、空気とプリズムの間の境界における屈折率不整合（例えばスネルの法則又は屈折の法則の影響）のために、θ'_Ｇ１及びθ'_Ｇ２の角度は、θ_Ｇ１及びθ_Ｇ２の角度とは異なるはずである。

スキュー軸に対する第１の記録ビームの内角とスキュー軸に対する第２の記録ビームの内角の和が１８０度になるように、第１の記録ビーム５１５－ａと第２の記録ビーム５２５－ａはスキュー軸５６５－ａに関して名目上対称でよい。第１の記録ビームと第２の記録ビームのそれぞれが、レーザ光源に由来する視準が合った平面波ビームでよい。

例えば第１の記録ビーム５１５－ａが第１のプリズム５５５－ａの空気／プリズム境界と交差するところ、及び第２の記録ビーム５２５－ａが第２のプリズム５６０－ａの空気／プリズム境界と交差するところといった、空気／プリズム境界における屈折は、厳密に定量的にではなく、比喩的に示されている。プリズム／格子媒体境界でも屈折が起こり得る。実装形態では、格子媒体及びプリズムのそれぞれが、４０５ｎｍの記録ビーム波長においてほぼ１．５４７１の屈折率を有する。

ホログラムのスキュー角（ホログラムの集合に関する平均スキュー角を含む）は反射軸角度と実質的に同一であり得、スキュー角又は平均スキュー角が反射軸角度から１．０度以内にあることを意味する。当該技術分野に精通している者なら、本開示の利益を与えられれば、スキュー角と反射軸角度が理論上同一であり得ることを認識するであろう。しかしながら、システムの精密さ及び正確さにおける限界、ホログラムの記録中に生じる記録媒体の縮化、及び他の誤りの原因のために、記録ビーム角度に基づいて測定された、又は推定された、スキュー角又は平均スキュー角は、スキューミラーによって反射された光の入射角及び反射角によって測定された反射軸角度と完全には一致しない可能性がある。それにもかかわらず、記録ビーム角度に基づいて決定されたスキュー角は、媒体縮化及びシステム不完全性がスキュー角及び反射軸角度の推定における誤りに寄与する場合でさえ、入射光の角度及びその反射の角度に基づいて決定された反射軸角度から１．０度以内であり得る。これらの媒体縮化及びシステム不完全性は、瞳孔等化を伴うスキューミラーの生産では、任意に小さくできることが理解される。この点に関して、これらの媒体縮化及びシステム不完全性は、通常の、又は既存のミラーの平面度に類似するものと考えられてよい。いくつかの例では、体積ホログラムを使用するスキューミラーの生産に関連付けられた基本的な限界は、記録媒体の厚さに基づき得る。

スキュー軸／反射軸は、スキューミラーの作製に言及するとき（例えばスキューミラー格子媒体にホログラムを記録することを説明するとき）には一般にスキュー軸と称され、スキューミラーの光反射特性に言及するときには反射軸と称される。ホログラムのスキュー角（ホログラムの集合に関する平均スキュー角を含む）は反射軸角度と実質的に同一であり得、これは、スキュー角又は平均スキュー角が反射軸角度から１．０度以内にあることを意味する。本開示の利益を与えられた、当該技術分野に精通している者なら、スキュー角と反射軸角度が理論上同一であり得ることを認識するであろう。しかしながら、システムの精密さ及び正確さにおける限界、ホログラムの記録中に生じる記録媒体の縮化、及び誤りの他の原因のために、記録ビーム角度に基づいて測定された、又は推定された、スキュー角又は平均スキュー角は、スキューミラーによって反射された光の入射角及び反射角によって測定された反射軸角度と完全には一致しない可能性がある。それにもかかわらず、記録ビーム角度に基づいて決定されたスキュー角は、媒体縮化及びシステム不完全性がスキュー角及び反射軸角度の推定における誤りに寄与する場合でさえ、入射光の角度及びその反射の角度に基づいて決定された反射軸角度から１．０度以内にあり得る。本開示の利益を与えられた、当該技術分野に精通している者なら、所与のホログラムに関するスキュー角がそのホログラムに関する格子ベクトル角度と同一であることを認識するであろう。

システム５００－ａの変形形態では、第１の記録ビーム及び第２の記録ビームの波長を変化させるために可変波長レーザが使用され得る。第１の記録ビームと第２の記録ビームの入射角は、（必須ではないが）一定に保たれ、第１の記録ビーム及び第２の記録ビームの波長が変化される。波長は、可視赤色光波長、可視青色光波長、可視緑色光波長、紫外（ultraviolet、ＵＶ）波長、及び／又は赤外（infrared、ＩＲ）波長からなり得る。システム５００－ａのそれぞれの格子構造は、別の格子構造とは異なる波長において入射角を反射し得る。システム５００－ａは、記録ビームの波長とはかなり異なる波長の光、特に、記録ビームの波長よりもかなり長い波長の光を反射することができる反射特性を有し得る。

図５Ｂは、本開示の様々な態様による、瞳孔等化を有するスキューミラーを製造するシステム５００－ｂである。システム５００－ｂは、第１の記録ビーム５１５－ｂ、第２の記録ビーム５２５－ｂ、格子媒体５４５－ｂ、第１のプリズム５５５－ｂ、第２のプリズム５６０－ｂ、及びスキュー軸５６５－ｂを含み得る。システム５００－ｂは、図５Ａを参照して論じられた実施形態に関して拡大された図であり得る。

一部の場合には、交差カプラとして使用される光結合デバイス用に１つ以上のスキューミラーが製作され得る。例えば、それぞれの反射軸は平行でよく、又は瞳孔拡張器の内部の１つ以上の導波路の表面に対して角度的にオフセットされてよい。例えば、第１のプリズム５５５－ｂ及び第２のプリズム５６０－ｂの内部の格子媒体５４５－ｂの向きを変えることによって、交差スキューミラーの交差カプラ構成を有する交差カプラが製作され得る。いくつかの記録する実装形態では、第２のプリズム５６０－ｂが省略されて、格子媒体５４５－ｂを固定するか又は安定させるための部品で置換されてよい。格子媒体５４５－ｂを固定するか又は安定させるための部品は、光吸収特性も含み得る。例えば、交差カプラを構成するとき、第１の記録ビーム５１５－ｂと第２の記録ビーム５２５－ｂの両方が、第１のプリズム５５５－ｂに入ってよい。

一部の場合には、第２のスキューミラーの配向が、向きを変えられた格子媒体５４５－ｂ上に記録されてよい。第２のスキューミラーは、第１のスキューミラーに対して、少なくとも部分的に重なり合って、又は重なり合わないように配向されてよい。したがって、交差スキューミラー構成は、格子媒体５４５－ｂ（すなわち、向きの変更及び硬化処理後の記録媒体）の所与の体積において形成される。向きを変える処理は、光結合デバイスの所望のすべてのスキュー軸を記録するように繰り返されてよい。一部の場合には、第２のスキューミラーは、第１のスキューミラーに対して重なり合わないように配向されてよい。

図６は、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学システム６００の一例を図解する。光学システム６００はＨＭＤデバイスなどの用途に利用され得るが、これらに限定されない。光学システム６００は、光結合デバイス６０５が光６１０を特定の位置の方へ反射すること、並びに複製された瞳孔６１５－ａ及び６１５－ｂに投影することを可能にするために選択的結合を採用してよい。表現された角度は、導波路６２０の面法線に対する内角であり、基板界面における屈折、並びに基板－空気界面における屈折は、図解の目的で無視されている。複製された瞳孔６１５－ａ及び６１５－ｂは、それぞれ、反射軸６２５－ａ及び６２５－ｂに対応する画像を投影してよい。光結合デバイス６０５は、格子媒体と、格子媒体内の格子構造と、を含み得る。格子構造は、複数のホログラム又は正弦曲線の体積格子を有し得る。

光学システム６００は、光学システム６００の別の部分から導波路６２０の中をＴＩＲモードで伝搬する光６１０を図解する。光６１０は、光６１０が光結合デバイス６０５の方へ反射されて、複製された瞳孔６１５－ａ及び６１５－ｂを投影するように、全内部反射によって導波路６２０を通って伝搬し得る。例えば、光６１０は導波路６２０を通って伝搬して、下向きモードの方向と上向きモードの方向の間で反射してよい。光６１０は、１つの画素（例えば画像点）からの光の一例であり、対応する幅（例えば瞳孔幅）を有し得る。いくつかの例では、光６１０は複数の画素からの光の一例であり得る。

一部の場合には、ＴＩＲデバイス内の反射光６１０は、モード不均等性を経験することがある。例えば、光と導波路の表面との連続的な相互作用の間に、光のＴＩＲモード（例えば伝搬方向に沿った空間モード）によるギャップ６３５が存在する可能性がある。一部の場合には、伝搬光６１０が、導波路６２０の面法線に対して大きな入射角を有すると、光６１０と導波路６２０の相互作用の間のギャップ６３５のサイズが増大し得る。導波路６２０の内部の反射光６１０は、光６１０の結合モードによってもたらされたギャップ６３５のサイズに依存して、光結合デバイス６０５と部分的にのみ相互作用し得る。図６の例の、重なり合わないモード不均等性におけるこの部分的な相互作用は、光結合デバイス６０５における不均一な強度プロファイルをもたらす可能性がある。強度プロファイルが不均一であると、空間的に不均等なパワー分布６４０をもたらす可能性がある。空間的に不均等なパワー分布６４０は、光結合デバイス６０５の複製された瞳孔に関連付けられた出力ビームの点広がり関数（point spread function、ＰＳＦ）の広がりをもたらす可能性があり、それによって、投影画像の解像度が低下する。いくつかの例では、光学システム６００に光均質化技術が適用され得る。

いくつかの例では、光結合デバイス６０５は、格子媒体と、格子媒体内の格子構造と、を含み得る。格子構造は、複数のホログラム又は正弦曲線の体積格子を有し得る。

図７Ａは、本開示の様々な態様による、本明細書で説明された瞳孔拡張技術とは対照的な、既存の技術を示すグラフ７００－ａである。グラフ７００－ａは、軸７０５上の、外側の（度）で測定された反射角と、軸７１０上の回折効率と、を含む。スキューミラー技術を使用する実装形態を除いた既存の出力カプラは、外部ＦＯＶ制約を経験する可能性がある。一部の場合には、出力カプラは、光結合システムの内部の制限されたＴＩＲ角度範囲に比例した（＜１）外部ＦＯＶを達成することがある。例えば、１．５のバルク屈折率において、外部ＦＯＶは、光結合システムのＴＩＲ角度範囲の０．７倍（例えば導波路部分の臨界角よりも数度大きい角度から導波路部分の基板に対して平行な１５度まで）に対応し得る。理想的には、ＴＩＲ光線は、４１．８度～９０度の範囲に制限された角度でよい。既存のカプラは、ＴＩＲ角度範囲に基づいて、ほぼ２９度の外部ＦＯＶを生成し得る。しかしながら、一般に、既存の出力カプラのＴＩＲ角度範囲は４１．８度～７８度の範囲に制限され得、放射される外部ＦＯＶを更に抑制する。

図７Ｂは、本開示の様々な態様による、本明細書で説明された瞳孔拡張技術とは対照的な、既存の技術を示すグラフ７００－ｂである。グラフ７００－ｂは、（度）で測定された軸７１５－ａ上のＴＩＲ角度と、（度）で測定された軸７２０－ａ上のＦＯＶ角度と、を含む。グラフ７００－ｂのグラフ線７２５－ａは、内部ＦＯＶ範囲の一例を図解する。グラフ７００－ｂのグラフ線７３０－ａは、外部ＦＯＶ範囲の一例を図解する。例えば、図７Ｂは、既存の出力カプラによって生成される内部ＦＯＶ範囲と外部ＦＯＶ範囲の両方を図解し得る。既存の出力によって生成される内部ＦＯＶ範囲は、４１．８度～９０度のＴＩＲ光線角度範囲に対応し得る。しかしながら、既存の出力によって生成される外部ＦＯＶ範囲は、４１．８度～７８度の対応するＴＩＲ光線角度範囲に制限され得る。一部の場合には、グラフ７００－ｂは１つ以上の特性のカプラ（例えばＤＯＥ及びＨＯＥ）に対応し得る。

一部の実施形態では、エンボス回折格子を含む他の既存のカプラ、ＤＯＥ、及び角を成す部分反射面が、ＦＯＶに対して別個の制約を課す可能性がある。一部の場合には、他の既存のカプラは、カプラとそれぞれのＴＩＲモードの多重反射との間の相互作用のために、ＦＯＶ制約を招く可能性がある。例えば、既存のカプラは、直線状の光と結合素子の間の相互作用の結果として、光学的明瞭さの低下を招くことがある。他の既存のカプラ（例えばＤＯＥ及びＨＯＥ）は、カプラ要素による色分散を経験する可能性がある。対照的に、いくつかの体積ホログラムと、スキューミラータイプの部品又はデバイスとが、ＴＩＲモードで動作する光の反射（例えば、光結合システムのアイボックスの近位にある基板に向けた下向きのはね返り）のうちの１つに対してブラッグ不整合となり得る。その結果、体積ホログラムは、既存のカプラに当てはまるいくつかのＦＯＶ制約を招かなくてよい。いくつかの体積ホログラムと、スキューミラータイプの部品又はデバイスとは、光結合システムを真っすぐ通る入力光（例えば基板表面に入射する外部光又は環境光）に対してブラッグ不整合となり得る。

スキューミラータイプの部品又はデバイスを利用する光結合デバイスは実質的に無彩色であり得、したがって既存のカプラのような色分散を受けなくてよい。スキューミラー技術を使用する出力カプラは、スキューミラータイプの部品又はデバイスを利用する光結合デバイスの前述の品質に少なくとも部分的に基づいて、より大きい比例関係に従うＴＩＲ角度範囲の外部ＦＯＶを達成し得る。スキューミラー技術を使用する出力カプラは、カプラにおける入射角の内部範囲が反射角の内部範囲と同等であるため、ＴＩＲ角度範囲に対して等しい内部ＦＯＶを達成し得る。例えば、１．５のバルク屈折率において、外部ＦＯＶは、光結合システムのＴＩＲ角度範囲のほぼ１．５倍であり得る。そのため、結果は、既存の出力カプラと比較して、かなり大きな外部ＦＯＶとなり得る。３４．９度のＴＩＲ角度範囲（例えば光結合システムの導波路部分の内部範囲）は、５３．４度の外部ＦＯＶを生成し得る。

図７Ｃは、本開示の様々な態様による瞳孔拡張技術を図解するグラフ７００－ｃを図解する。グラフ７００－ｃは、（度）で測定された軸７１５－ｂ上のＴＩＲ角度と、（度）で測定された軸７２０－ｂ上のＦＯＶ角度と、を含む。グラフ７００－ｃのグラフ線７２５－ｂは、内部ＦＯＶ範囲の一例を図解する。グラフ７００－ｃのグラフ線７３０－ｂは、外部ＦＯＶ範囲の一例を図解する。例えば、図７Ｃは、スキューミラー技術を使用して、出力カプラによって、４３度～７８度の角度範囲に従って生成された内部ＦＯＶ範囲と外部ＦＯＶ範囲の両方を図解し得る。

一部の実施形態では、スキューミラー技術を使用する出力カプラの外部ＦＯＶは、グラフ線７３０－ｂに見られるように直線のＦＯＶである。したがって、この出力カプラは、出力画像投影のために、既存の出力カプラよりも大きな対角線のフィールドをサポートし得る。例示的な光結合システムの配向（例えば出力カプラに対して水平に配設された交差カプラ）では、水平方向における５３．４度の外部ＦＯＶを伴う１６：９の表示フィールドは、３１．６度の垂直ＦＯＶ及び６０度の対角線ＦＯＶをサポートし得る。光結合システムの配向の一例（例えば出力カプラに対して垂直に配設された交差カプラ）では、垂直方向における５３．４度の外部ＦＯＶを伴う１６：９の表示フィールドは、８３．９度の水平ＦＯＶ及び９１．７度の対角線ＦＯＶをサポートし得る。スキューミラー技術を利用する光結合システムの配向によって、四角の表示フィールドなどの他の表示フィールドの実装形態がサポートされ得るが、これらに限定されない。

図８Ａは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学レンズ８００－ａの一例を図解する。光学レンズ８００－ａは、導波路８０５－ａ、光入力部分８１０－ａ、第１の光結合デバイス８１５－ａ（例えば交差カプラ）、反射軸８２０－ａ、第２の光結合デバイス８２５－ａ（例えば出力カプラ）、及びアイボックス８３０－ａを含み得る。導波路８０５－ａは、別の光結合デバイス（例えば入力カプラ）も含み得る。しかしながら、入力カプラは図解のために無視されている。導波路８０５－ａは、互いに平行な第１の表面及び第２の表面と、光入力部分８１０－ａの近位にある光受信端と、光入力部分８１０－ａの遠位にある光出力端と、を含み得る。

一部の場合には、入力光は、光入力部分８１０－ａにおいて入力結合され、導波路８０５－ａを通って伝搬する。例えば、光入力部分８１０－ａは、導波路８０５－ａに対して結合された縁部でよい。他の例では、光入力部分８１０－ａは、ＤＯＥ、ＨＯＥ、又はスキューミラーベースの入力カプラなど（図示せず）によって結合されたプリズムでよい。入力光は、光結合デバイスの配向面（例えばｘ－ｙ面）の内部の導波路８０５－ａによって誘導され、光入力部分８１０－ａの開口から、第１の光結合デバイス８１５－ａ（例えば、一般的な扇形の構成を有する、スキューミラー技術を使用する交差カプラ）を満たす発散角（例えば２０．４度の発散角）で拡大する。第１の光結合デバイス８１５－ａは、格子媒体と、格子媒体内の複数の格子構造と、を備え得る。一部の場合には、第１の光結合デバイス８１５－ａは、反射軸８２０－ａがｘ－ｙ面において４５度に配向された部分反射スキューミラーを備え得る。第１の光結合デバイス８１５－ａは、導波路を通る光を、第１の光結合デバイス８１５－ａにおいて、反射軸８２０－ａに従って、入力光の伝搬方向からオフセットされた角度で、第２の光結合デバイス８２５－ａ（例えば出力カプラ）の方へ反射してよい。光は、第２の光結合デバイス８２５－ａを通って伝搬し、アイボックス８３０－ａの方へ反射してよく、内部ＴＩＲ角度範囲を、アイボックスにおいて表現される放射された外部ＦＯＶへマッピングする。例えば、３４．９度のＴＩＲ角度範囲が５３．４度の外部水平ＦＯＶにマッピングされてよく、２０．４度の面内内角範囲が３１．６度の外部垂直ＦＯＶへマッピングされてよく、結果として６０度の対角線ＦＯＶが生じる。

一部の場合には、第１の光結合デバイス８１５－ａの反射軸８２０－ａは、導波路表面（例えば導波路８０５－ａの主基板表面）に対して平行でよい。第１の光結合デバイス８１５－ａの反射軸８２０－ａは、導波路表面に対して平行に配向されているために、回折された（又は反射した）光の面外方向成分を維持し得る。第１の光結合デバイス８１５－ａは、面外寸法における回折光の指向性を維持することにより、第２の光結合デバイス８２５－ａに対する双方向（例えば上向きと下向きの）ＴＩＲ反射を両方とも回折し得る。その結果、瞳孔反復密度が増加され得る。

他の場合には、第１の光結合デバイス８１５－ａの反射軸８２０－ａは、面外成分を維持し得、第２の光結合デバイス８２５－ａへの単方向ＴＩＲ反射を可能にする。すなわち、反射軸８２０－ａの面外成分は、第１の光結合デバイス８１５－ａが、ＴＩＲ反射と同じように回折光を面外方向に反射することを可能にし得る。例えば、面外方向に対して４５度の入射角の入射光は、面外方向に対して１３５度の角度で、第２の光結合デバイス８２５－ａ（例えばスキューミラー技術を使用する出力カプラ）の方へ反射され得る。

第１の光結合デバイス８１５－ａは、光入力部分８１０－ａからアイボックス８３０－ａまでの経路を通じて、投影画像の寸法を無誘導のままに維持することを可能にし得る。一部の場合には、第１の光結合デバイス８１５－ａは第２の光結合デバイス８２５－ａに対して水平方向でよい。無誘導の寸法は垂直ＦＯＶでよく、これは最大のＴＩＲ範囲よりも小さいＦＯＶ範囲を含む。あるいは、一部の場合には、第１の光結合デバイス８１５－ａは、第２の光結合デバイス８２５－ａの代替位置に（例えば第２の光結合デバイス８２５－ａの下部又は上部に沿って）構成されてよい。無誘導の寸法は水平ＦＯＶであり得、このＦＯＶは最大のＴＩＲ範囲を超える角度範囲に及び得る。例えば、第１の光結合デバイス８１５－ａは、光結合システムの一部分上に、第２の光結合デバイス８２５－ａに対して垂直に配設されてよい。最大の誘導された外部の５３．４度のＦＯＶを有する垂直ＦＯＶを使用すると、１６：９の表示フィールドは、水平に８３．９度で対角線的に９１．７度の範囲になり得る。

本開示の独創的な態様が、図８Ａの非限定的な例によって図解されている。例えば、導波路は、第１の導波路表面と、第１の導波路表面に対して平行な第２の導波路表面と、を有し得る。第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に第１の体積ホログラフィック光結合素子（例えば第１の光結合デバイス８１５－ａ）が配設され得る。第１の体積ホログラフィック光結合素子は、入射光の少なくとも一部分を反射光として反射するように構成されるか又は構築されてよい。導波路における入射光は、導波路の面法線に対応する第１の軸（例えばｚ軸）に対するＴＩＲの範囲内の第１の入射角と、第２の軸（例えばｘ軸又はｙ軸）に対する第２の入射角と、を有し得る。第１の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の導波路表面に対して平行な面に配向された第１の反射軸（例えば反射軸８２０－ａ）を有し得る。反射光は、ＴＩＲの範囲内の第１の反射角と、第２の軸に対する第２の反射角と、を有し得る。一部の場合には、第２の反射角は第２の入射角とは異なってよい。

一部の場合には、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に、第２の体積ホログラフィック光結合素子（例えば第２の光結合デバイス８２５－ａ）が配設され得る。第２の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の反射軸とは異なる配向の第２の反射軸を有し得る。一部の場合には、第２の反射軸は第１の反射軸に直交して配向され得る。図８Ａの例に図解されているように、第１の反射軸８２０－ａは、導波路８０５－ａの面法線に直交する。反対に、一部の実施形態では、第１の反射軸は導波路面法線に直交せず、また、一部の実施形態では、第２の反射軸は第１の反射軸に直交しない。第２の反射軸は、典型的には面法線と一致しない。

一部の場合には、第１の体積ホログラフィック光結合素子は、格子媒体と、格子媒体内の第１の格子構造と、を有し得る。第１の格子構造は、第１の入射角における第１の反射軸に関する波長の光を反射するように構成され得る。第１の体積ホログラフィック光結合素子は、格子媒体の内部に、少なくとも部分的には第１の格子構造と重なり合わない第２の格子構造を含み得、第２の格子構造は、第１の入射角と異なる第２の入射角において第１の反射軸媒体に関する波長の光を反射するように構成されてよい。

第１の格子構造は、少なくとも３つのホログラムを備えてよく、少なくとも３つのホログラムのそれぞれが入射角の第１の範囲内の固有の入射角に対応し、少なくとも３つのホログラムの隣接する｜ΔＫ_Ｇ｜は、１メートル当たり１．０×１０^４～１．０×１０^６ラジアン（ｒａｄ／ｍ）の間に存在する平均値を有し得る。一部の場合には、波長は、可視赤色光波長、可視青色光波長、又は可視緑色光波長のうちの１つを含み得る。

追加の例及び様々な実装形態は、本明細書で説明された瞳孔等化技術を使用して意図される。

図８Ｂは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学レンズ８００－ｂの一例を図解する。光学レンズ８００－ｂは、導波路８０５－ｂ、光入力部分８１０－ｂ、第１の光結合デバイス８１５－ｂ（例えば交差カプラ）、反射軸８２０－ｂ、第２の光結合デバイス８２５－ｂ（例えば出力カプラ）、アイボックス８３０－ｂ、及び軌跡８３５を含み得る。導波路８０５－ｂは、別の光結合デバイス（例えば入力カプラ）も含み得る。しかしながら、入力カプラは図解のために無視されている。導波路８０５－ｂは、互いに平行な第１の表面及び第２の表面と、光入力部分８１０－ａの近位にある光受信端と、光入力部分８１０－ｂの遠位にある光出力端と、を含み得る。

一部の実施形態では、第１の光結合デバイス８１５－ｂ（例えばバナナ構成に配置されたカプラ部品を有する、スキューミラー技術を使用する交差カプラ）は、諸軌跡８３５のうちの軌跡８３５－ａを包含し得、これは、諸軌跡８３５のうちのそれぞれの他の軌跡８３５－ｂ、８３５－ｃ、８３５－ｄ、８３５－ｅとは異なる、少なくともいくつかの垂直方向の画角又は垂直方向の画角領域に対応する。諸軌跡８３５のうちのそれぞれの軌跡８３５－ａ、８３５－ｂ、８３５－ｃ、８３５－ｄ、８３５－ｅは、特定の垂直方向の画角の光を反射して、第２の光結合デバイス８２５－ｂ（例えばスキューミラー技術を使用する出力カプラ）に光を向ける格子構造の一例であり得る。第１の光結合デバイス８１５－ｂは、格子媒体と、格子媒体内の複数の格子構造と、を備え得る。第１の光結合デバイス８１５－ｂは、ｘ軸に対して５０．１度のｘ－ｙ面における反射軸８２０－ｂを有する部分反射スキューミラー部品を含み得る。第１の光結合デバイス８１５－ｂは、最も遠い各コーナーが第２の光結合デバイス８２５－ｂから等距離になるように配向されてよく、したがって第１の光結合デバイス８１５－ｂの必要なサイズを最小化する。

一部の場合には、第１の光結合デバイス８１５－ｂの諸軌跡８３５は、部分反射スキューミラー部品に対応し得る。例えば、入力光は光入力部分８１０－ｂに入り、カプラの配向面（例えばｘ－ｙ面）内の導波路８０５－ｂによって誘導され、第１の光結合デバイス８１５－ｂの諸軌跡８３５のうちの少なくとも１つの軌跡（例えば軌跡８３５－ａ）に伝搬し得る。部分反射スキューミラー部品は光を反射し得、光は第２の光結合デバイス８２５－ｂの方へ伝搬し得る。次いで、光は、第２の光結合デバイス８２５－ｂによって（例えばアイボックス８３０－ｂに向けて）更に反射されてよい。

第１の光結合デバイス８１５－ｂの諸軌跡８３５のうちのそれぞれの軌跡８３５－ａ、８３５－ｂ、８３５－ｃ、８３５－ｄ、８３５－ｅは、光入力部分８１０－ｂからの画像光の一部分を第２の光結合デバイス８２５－ｂの方へ反射してよい。一部の場合には、特定の軌跡８３５－ａ、８３５－ｂ、８３５－ｃ、８３５－ｄ、８３５－ｅによって反射された画像光の一部分は、光結合システムのアイボックス８３０に対して後に投影される画像の横の行に対応し得る。例えば、後に投影される画像の上部の水平に広がる縁部に対応する画像光の一部分は、光入力部分８１０－ｂの近位にある第１の軌跡８３５－ａ（例えば一番上の軌跡）によって第２の光結合デバイス８２５－ｂの方へ反射されてよい（例えば、軌跡８３５－ａは、諸軌跡８３５のうちの残りの軌跡８３５－ｂ、８３５－ｃ、８３５－ｄ、８３５－ｅの他のホログラムよりも、より大きい入射角でより低い格子周波数におけるＴＩＲ範囲の入射光を反射する１つ以上のホログラムを含み得る）。他の例では、後に投影される画像の下縁に対応する画像光の一部分は、光入力部分８１０－ｂの遠位にある別の軌跡８３５－ｅ（例えば一番下の軌跡）によって第２の光結合デバイス８２５－ｂの方へ反射されてよい。図８Ｂの非限定的な例で図解された５つの軌跡８３５－ａ、８３５－ｂ、８３５－ｃ、８３５－ｄ、８３５－ｅは、下部の軌跡８３５から上部の軌跡８３５への昇順（すなわち、内部の垂直ＦＯＶ角度フィールドの放射状の掃引）で、１００％、７５％、５０％、２５％、及び０％の垂直方向の画角に対応し得る。一部の場合には、少なくとも１つの軌跡（例えば軌跡８３５－ａ）が、光入力部分８１０－ｂの中央から第１の半径方向距離に１つ以上のホログラムを備え、別の軌跡（例えば軌跡８３５－ｅ）は、光入力部分８１０－ｂの中央から第１の半径方向距離にホログラムを含まない。一部の場合には、諸軌跡８３５の軌跡の数は、内部の垂直ＦＯＶ角度フィールドにおける度の数よりも大きくてよい。例えば、２０．４度の内部の垂直ＦＯＶを有する光学システムは、２０よりも多くの諸軌跡を含み得る。一部の場合には、それぞれの軌跡が単一のホログラムに対応する。一部の場合には、第１の軌跡に対応する第１のホログラムは、第２の軌跡に対応する第２のホログラムと重なり合わない縞パターンを含む。

いくつかの例では、光結合デバイスが一般的な扇形の構成を有し得る右下部分は、対応するホログラムが、後に投影される画像の上縁部分に対して角度選択性を有するように、省略されてよい。後に投影される画像の、他の水平に広がる部分に対応する画像光に関する角度選択性を有し得るホログラムは、第２の光結合デバイス８２５－ｂに対して比較的近位にあり得る。下部の諸軌跡８３５の垂直方向のサイズは、いかなる特定の軌跡８３５も境界を定めなければならない垂直領域を制限することにより、より小さくなり得る。したがって、よりコンパクトな第１の光結合デバイス８１５－ｂが構成され得る。

第１の光結合デバイス８１５－ｂは、光入力部分８１０－ｂからアイボックス８３０－ｂまでの経路を通じて、投影画像の寸法を無誘導のままに維持することを可能にし得る。一部の場合には、第１の光結合デバイス８１５－ｂは第２の光結合デバイス８２５－ｂに対して水平方向でよい。無誘導の寸法は垂直ＦＯＶでよく、これは最大のＴＩＲ範囲よりも小さいＦＯＶ範囲を含む。あるいは、一部の場合には、第１の光結合デバイス８１５－ｂは、第２の光結合デバイス８２５－ｂの代替位置に（例えば第２の光結合デバイス８２５－ｂの下部又は上部に沿って）構成されてよい。無誘導の寸法は垂直ＦＯＶであり得、このＦＯＶは最大のＴＩＲ範囲を超える角度範囲に及び得る。例えば、第１の光結合デバイス８１５－ｂは、光結合システムの一部分上に、第２の光結合デバイス８２５－ｂに対して垂直に配設されてよい。最大の誘導された外部の５３．４度のＦＯＶを有する垂直ＦＯＶを使用すると、１６：９の表示フィールドは、水平に８３．９度で対角線的に９１．７度の範囲になり得る。

本開示の独創的な態様が、図８Ｂの非限定的な例によって図解されている。例えば、導波路は、第１の導波路表面と、第１の導波路表面に対して平行な第２の導波路表面と、を有し得る。第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に第１の体積ホログラフィック光結合素子（例えば第１の光結合デバイス８１５－ｂ）が配設され得る。第１の体積ホログラフィック光結合素子は、入射光の少なくとも一部分を反射光として反射するように構成されるか又は構築されてよい。導波路における入射光は、導波路の面法線に対応する第１の軸（例えばｚ軸）に対するＴＩＲの範囲内の第１の入射角と、第２の軸（例えばｘ軸又はｙ軸）に対する第２の入射角と、を有し得る。第１の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の導波路表面に対して平行な面に配向された第１の反射軸（例えば反射軸８２０－ｂ）を有し得る（例えば、第１の反射軸は、第１の導波路表面の面法線に直交して配向され得る）。反射光は、ＴＩＲの範囲内の第１の反射角と、第２の軸に対する第２の反射角と、を有し得る。一部の場合には、第２の反射角は第２の入射角とは異なってよい。

一部の場合には、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に、第２の体積ホログラフィック光結合素子（例えば第２の光結合デバイス８２５－ｂ）が配設され得る。第２の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の反射軸が配向されている面に直交する面に配向された第２の反射軸を有し得る。

導波路は、第１の体積ホログラフィック光結合素子に配設された第１の軌跡（例えば軌跡８３５－ａ）を有し得、第１の軌跡は、第１の入射角における第１の反射軸に関する波長の光を反射するように構成され得る。一部の場合には、導波路は、第１の体積ホログラフィック光結合素子に配設された第２の軌跡（例えば軌跡８３５－ｂ）を有し得、第２の軌跡は、第１の入射角とは異なる第２の入射角における第１の反射軸に関する波長の光を反射するように構成され得る。第１の軌跡と第２の軌跡は少なくとも部分的に重なり合ってよい。

図９Ａは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学レンズ９００－ａの一例を図解する。光学レンズ９００－ａは、導波路９０５－ａ、光入力部分９１０－ａ、第１の光結合デバイス９１５－ａ（例えば交差カプラ）、反射軸９２０－ａ、第２の光結合デバイス９２５－ａ（例えば出力カプラ）、及びアイボックス９３０－ａを含み得る。導波路９０５－ａは、別の光結合デバイス（例えば入力カプラ）も含み得る。しかしながら、入力カプラは図解のために無視されている。導波路９０５－ａは、互いに平行な第１の表面及び第２の表面と、光入力部分９１０－ａの近位にある光受信端と、光入力部分９１０－ａの遠位にある光出力端と、を含み得る。

一部の実施形態では、第１の光結合デバイス９１５－ａ（例えばスキューミラー技術及びペリスコープ反射率構成を使用する交差カプラ）は、入射光９３５－ａを第２の光結合デバイス９２５－ａ（例えばスキューミラー技術を使用する出力カプラ）の方へ反射するための偶数回の回折を含み得る。入力光９３５－ａは光入力部分９１０－ａ（例えば入射瞳孔）に入り得る。一部の場合には、入力光９３５－ａは、第１の光結合デバイス９１５－ａを通って第１の方向に伝搬してよく、第１の部分反射部品（例えばホログラム）によって反射されて第１の反射光線及び第１の伝搬光線を生成し得る。第１の反射光線は、第１の光結合デバイス９１５－ａを通って第２の方向に伝搬し、第２の部分反射部品によって反射されて、光伝搬の元の方向に対して平行な第１の方向に伝搬し得る第２の反射光線を生成してよい。

一部の場合には、第１の光結合デバイス９１５－ａのそれぞれの回折は、スキューミラーの内部の同一の格子の複製に対応してよく、平行なミラー配向に類似した入射光反射を可能にする。光９３５－ａは、第１の光結合デバイス９１５－ａを通って第１の方向に伝搬して、スキュー軸９２０－ａに関連して配向された第１の部分反射部品によって反射されてよい。第１の部分反射部品から反射された光線は、第１の光結合デバイス９１５－ａの内部を伝搬した後に、第１の部分反射部品及びスキュー軸９２０－ａと共通の配向の第２の部分反射部品によって反射されてよく、入力光９２５－ａの元の方向に伝搬され得る光線を放射する。

一部の場合には、第１の光結合デバイス９１５－ａの反射軸９２０－ａは、導波路表面（例えば導波路９０５－ａの主基板表面）に対して平行でよい。第１の光結合デバイス９１５－ａの反射軸９２０－ａは、導波路表面に対して平行に配向されているために、回折光の面外方向成分を維持し得る。第１の光結合デバイス９１５－ａは、面外寸法における回折光の指向性を維持することにより、第２の光結合デバイス９２５－ａに対する双方向（例えば上向きと下向きの）ＴＩＲ反射を両方とも回折し得る。その結果、瞳孔反復密度が増加され得る。

いくつかの例では、反射軸は面外成分を有し得、第２の光結合デバイス９２５－ａへの単方向ＴＩＲ反射を可能にする。反射軸の面外成分は、スキューミラーが、ＴＩＲ反射と同じように回折光を面外方向に反射することを可能にし得る。例えば、面外方向に対して４５度の角度の入射光は、面外方向に対して１２５度の角度で第２の光結合デバイスの方へ反射され得る。

本開示の独創的な態様が、図９Ａの非限定的な例によって図解されている。例えば、導波路は、第１の導波路表面と、第１の導波路表面に対して平行な第２の導波路表面と、を有し得る。第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に第１の体積ホログラフィック光結合素子（例えば第１の光結合デバイス９１５－ａ）が配設され得る。第１の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の導波路表面に対して平行な面に配向された第１の反射軸（例えば反射軸９２０－ａ）を有し得る。

一部の場合には、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に、第２の体積ホログラフィック光結合素子（例えば第２の光結合デバイス９２５－ａ）が配設され得る。第２の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の反射軸が配向されている面に直交する面に配向された第２の反射軸を有し得る。

図９Ｂは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学レンズ９００－ｂの一例を図解する。光学レンズ９００－ｂは、導波路９０５－ｂ、光入力部分９１０－ｂ、第１の光結合デバイス９１５－ｂ（例えば交差カプラ）、反射軸９２０－ｂ、第２の光結合デバイス９２５－ｂ（例えば出力カプラ）、及びアイボックス９３０－ｂを含み得る。導波路９０５－ｂは、別の光結合デバイス（例えば入力カプラ）も含み得る。しかしながら、入力カプラは図解のために無視されている。導波路９０５－ｂは、互いに平行な第１の表面及び第２の表面と、光入力部分９１０－ｂの近位にある光受信端と、光入力部分９１０－ｂの遠位にある光出力端と、を含み得る。

第１の光結合デバイス９１５－ｂは、第１の光結合部品９１５－ｃ及び第２の光結合部品９１５－ｄ（例えばペリスコープ構成においてスキューミラー技術を使用する２つの交差カプラ部分）を含み得る。第１の結合部品９１５－ｃと第２の結合部品９１５－ｄは、一般に光入力部分９１０－ｂの近位にあるそれぞれの縁部において境を接してよい。光入力部分９１０－ｂ（例えば入射瞳孔）は、第１の光結合デバイス９１５－ｂの縁部中央に対して配向されてよい。この配向は、入射瞳孔の拡張を可能にし得る。一部の場合には、第１の結合部品９１５－ｃと第２の結合部品９１５－ｄの境を接するか又は隣接する縁部分の間にギャップがあってよい。他の例では、第１の結合部品９１５－ｃの縁部分と第２の結合部品９１５－ｄの縁部分が重なり合ってよい。

入力光は光入力部分９１０－ｂに入って、第１の光結合デバイス９１５－ｂへ誘導され得る。光９３５－ｂは、結合デバイスの光結合部品９１５－ｃへ向けられ、光結合部品９１５－ｃの内部の第１の部分反射部品へ伝搬し、スキュー軸９２０－ｂに関して配向され得る。第１の部分反射部品から反射された光線は、光結合部品９１５－ｃの内部を伝搬した後に、第１の部分反射部品及びスキュー軸９２０－ｂと共通の配向の第２の部分反射部品によって反射されてよく、誘導された入力光９３５－ｂの元の方向に伝搬され得る光線を放射する。放射光は第２の光結合デバイス９２５－ｂに向けられてよい。

同様に、光９３５－ｃは、光結合部品９１５－ｄへ向けられ、光結合部品９１５－ｄの内部の第１の部分反射部品へ伝搬し、スキュー軸９２０－ｃに関して配向され得る。第１の部分反射部品から反射された光線は、光結合部品９１５－ｄの内部を伝搬した後に、第１の部分反射部品及びスキュー軸９２０－ｃと共通の配向の第２の部分反射部品によって反射されてよく、誘導された入力光９３５－ｃの元の方向に伝搬され得る光線を放射する。放射光は第２の光結合デバイス９２５－ｂに向けられてよい。

本開示の独創的な態様が、図９Ｂの非限定的な例によって図解されている。例えば、導波路は、第１の導波路表面と、第１の導波路表面に対して平行な第２の導波路表面と、を有し得る。第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に第１の体積ホログラフィック光結合素子（例えば第１の光結合デバイス９１５－ａ）が配設され得る。第１の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の導波路表面に対して平行な面に配向された第１の反射軸（例えば反射軸９２０－ａ）を有し得る。

一部の場合には、第１の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の反射軸（例えば反射軸９２０－ｂ）に関する光を反射するように構成され得る第１の結合部分（例えば第１の結合部品９１５－ｃ）と、第１の導波路表面と平行な面に配向された、第１の反射軸に対して非平行な第２の反射軸（例えば反射軸９２０－ｃ）に関する光を反射するように構成され得る第２の結合部分（例えば第２の結合部品９１５－ｄ）と、を備え得る。第１の反射軸は第１の位置において光を反射するように構成されてよく、第２の反射軸は、第１の位置とは異なり得る第２の位置において光を反射するように構成されてよい。

いくつかの例では、第１の結合部分が第２の結合部分に少なくとも部分的に重なり合ってよく、第１の反射軸が、重なり合う位置において光を反射するように構成され得、第２の反射軸が、重なり合う位置において光を反射するように構成され得る。体積ホログラフィック光結合素子の第１の結合部分と第２の結合部分は、接合部において整列されてよい。

いくつかの例では、入射瞳孔素子（例えば光入力部分９１０－ｂ）は、第１の結合部分及び第２の結合部分にわたって広がるように、第１の結合部分と第２の結合部分の接合部に対して整列されてよい。体積ホログラフィック光結合素子の第１の結合部分と第２の結合部分は、少なくとも部分的に重なり合ってよい。

図１０Ａは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学レンズ１０００－ａの一例を図解する。光学レンズ１０００－ａは、導波路１００５－ａ、光入力部分１０１０－ａ、第１の光結合デバイス１０１５－ａ（例えば交差カプラ）、反射軸１０２０－ａ及び１０２０－ｂ、第２の光結合デバイス１０２５－ａ（例えば出力カプラ）、並びにアイボックス１０３０－ａを含み得る。導波路１００５－ａは、別の光結合デバイス（例えば入力カプラ）も含み得る。しかしながら、入力カプラは図解のために無視されている。導波路１００５－ａは、互いに平行な第１の表面及び第２の表面と、光入力部分１０１０－ａの近位にある光受信端と、光入力部分１０１０－ａの遠位にある光出力端と、を含み得る。
一部の実施形態では、１対のペリスコープカプラは重なり合うように構成されており、第１の光結合デバイス１０１５－ａを備え得る。重なり合う領域は、第１の光結合デバイス１０１５－ａの全域を包含してよく、又は第１の光結合デバイス１０１５－ａの小領域に制限されてもよい。それぞれのペリスコープ交差カプラが多数の格子構造を包含し得、デバイスの格子構造の重なり合いを可能にする。重なり合う領域は、反射軸１０２０－ａと１０２０－ｂの重なり合いを組み込んでよく、交差スキュー軸の配向１０４０を形成する。格子構造の反射軸１０２０－ａと１０２０－ｂは、第１の光結合デバイス１０１５－ａの重なり合う領域の内部で直交し得る。いくつかの例では、格子構造の反射軸１０２０－ａ及び１０２０－ｂは、導波路１００５－ａの表面に対して平行でよい。他の例では、格子構造の反射軸１０２０－ａ及び１０２０－ｂは面外成分を有し得、第２の光結合デバイス１０２５－ａに対する単方向ＴＩＲを可能にする。

格子構造の直交構成は、交差スキュー軸の配向１０４０に従ってモード拡散を実施し得る。導波路１００５－ａの内部で、それぞれの光線は、共通の配向面（例えばｘ－ｙ面）を共有して配向面内又は配向面外に相対する角度を有する相補的なＴＩＲ対（すなわちｚ軸に対して上向きのＴＩＲ反射と下向きのＴＩＲ反射）を表現し得る。相補的なＴＩＲ対は、配向軸の水平余角と垂直余角の両方に伝搬する、導波路１００５－ａの内部の１対の導波モードを表現し得る。相補的な対の導波モードは、第１の光結合デバイス１０１５－ａの共通の方向に伝搬し得て、第１の光結合デバイス１０１５－ａの重なり合う領域の内部の格子構造の重なり合いを、部分的に、又は完全に満たし、交差スキュー軸配向１０４０の合計８つの結合モードを生成する。

第１の光結合デバイス１０１５－ａの重なり合わない部分における入力光１０３５は、反射軸１０２０－ａ又は１０２０－ｂに従って配向された１つ以上の部分反射部品へと伝搬し得る。部分反射部品の反射光線は、交差スキューミラー領域の方へ伝搬し得、第２の光結合デバイス１０２５－ａから発散する光の量を最小化する。

格子構造の配向のために、結合モードのうちの１つに導入されたいかなる光も、回折して、モードのそれぞれを占め得る。それぞれの入力光線は、反射され、かつ回折され得て、第１の光結合デバイス１０１５－ａの方向制限によって、入力光線と指向的に整列した光線を複製する。複製された光線は、元の入力光線によって照光されない空間位置に生じ得、瞳孔拡張を構成する。

本開示の独創的な態様が、図１０Ａの非限定的な例によって図解されている。例えば、導波路は、第１の導波路表面と、第１の導波路表面に対して平行な第２の導波路表面と、を有し得る。第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に第１の体積ホログラフィック光結合素子（例えば第１の光結合デバイス１０１５－ａ）が配設され得る。第１の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の導波路表面に対して平行な面に配向された第１の反射軸（例えば反射軸１０２０－ａ及び１０２０－ｂ）を有し得る。

一部の場合には、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に、第２の体積ホログラフィック光結合素子（例えば第２の光結合デバイス１０２５－ａ）が配設され得る。第２の体積ホログラフィック光結合素子は、第１の反射軸が配向されている面に直交する面に配向された第２の反射軸を有し得る。

図１０Ｂは、図１０Ａを参照して説明されたような格子構造（交差スキューミラー）の重なり合いのｋ空間表現１０４５を図解する。１対の導波モードを表現する入力光線は、直交するスキュー軸１０５０－ａ及び１０５０－ｂを備える交差スキューミラーを満たし得る。導波モードは、モード拡散を経験して８つの結合モードを占めてよく、光線のうちの１つが元の入力光線の方向を保存し得る。

例えば、入射瞳孔を通って導入される入力光線、又は平行方向１０５５－ｄに伝搬する光線は、交差スキューミラーへと伝搬し得る。光線は、それぞれがｚ方向において相補的な１対の導波モードを含む、方向１０５５－ａ及び１０５５－ｃに対して平行な反射光線へと回折され得る。反射光線は、交差スキューミラーのその後の位置において、次に、それぞれがｚ方向において相補的な１対の導波モードを含む、方向１０５５－ｂ及び１０５５－ｄに対して平行な光線に回折され得る。その結果、反射光線は、配向の各方向１０５５に伝搬し得、交差スキューミラーのいくつか又はすべての位置を満たす。図１０Ａを参照して、この処理は、光結合デバイス１０１５－ａの全体にわたって連続的に持続させてよく、入射瞳孔１０１０－ａにおいて導入された光をデバイスのいくつか又はすべての位置へと拡散させる。

一部の場合には、スキュー軸１０５０は直交しないやり方で配向されてよく、配向軸による代替数の導波モードを可能にする。その上、一部の実施形態では、格子構造の重なり合いは、２を超える複数の重ね合わされたスキュー軸を与える可能性がある。重ね合わされたスキュー軸における導波モードは、交差スキューミラーの配向された構成によるモード拡散を経験し得る。

図１１Ａは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学システム１１００－ａの一例を図解する。光学システム１１００－ａはＨＭＤデバイスなどの用途に利用され得るが、これらに限定されない。光学システム１１００－ａは、第１の導波路１１０５－ａ及び第２の導波路１１１０－ａが光１１１５－ａを特定の位置の方へ反射することを可能にするために、選択的結合を採用し得る。表現された角度は、第１の導波路１１０５－ａ及び第２の導波路１１１０－ａの面法線に対する内角である。基板界面における屈折、並びに基板－空気界面における屈折は、図解の目的で無視されている。

一部の場合には、画像投影システムの内部で異種カプラが使用され得る。異種カプラは、１つ以上のスキューミラー又は非スキューミラーの体積ホログラフィックカプラ、表面媒体にスタンピング又はエッチングされたＤＯＥ、導波路の内部に組み込まれた部分反射表面などに対応し得る。異種導波路は、単一構造（例えば第１の導波路１１０５－ａ及び第２の導波路１１１０－ａを含む）へと接合されてもよい。例えば、第１の導波路１１０５－ａと第２の導波路１１１０－ａを単一構造へと一体化するために、相互結合する接合部１１２０－ａが使用されてよい。第１の導波路１１０５－ａと第２の導波路１１１０－ａの接合は、光学的に透過性の接合部１１２０－ａ（例えばノーランドの光学的接着剤）によって接着されてよく、重なり合う接合部構造を形成する。１つ以上の光線１１１５－ａが、導波路１１０５－ａの内部で反射されて透過性接合部１１２０－ａの方へ伝搬し得る。導波路１１０５－ａと１１１０－ａの間の重なる点（例えば透過性接合部１１２０－ａがあるところ）において、光線１１１５－ａは、透過性接合部１１２０－ａについて両方の導波路媒体の内部で反射し得る。光線１１１５－ａは、次いで透過性接合部１１２０－ａを超えて伝搬して、もっぱら第２の導波路１１１０－ａの内部で反射する。

本開示の独創的な態様が、図１１Ａの非限定的な例によって図解されている。例えば、デバイスは、導波路（第２の導波路１１１０－ａ）に対して結合された相互結合導波路（例えば第１の導波路１１０５－ａ）を有し得る。一部の場合には、相互結合導波路は、重なり合う接合部（例えば接合部１１２０－ａ）によって導波路に結合されてよい。

図１１Ｂは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学システム１１００－ｂの一例を図解する。光学システム１１００－ｂはＨＭＤデバイスなどの用途に利用され得るが、これらに限定されない。光学システム１１００－ｂは、第１の導波路１１０５－ｂ及び第２の導波路１１１０－ｂが光１１１５－ｂを特定の位置の方へ反射することを可能にするために、選択的結合を採用し得る。表現された角度は、第１の導波路１１０５－ｂ及び第２の導波路１１１０－ｂの面法線に対する内角であり、基板界面における屈折、並びに基板－空気界面における屈折は、図解の目的で無視されている。

一部の場合には、画像投影システムの内部で異種カプラが使用され得る。異種カプラは、１つ以上のスキューミラー又は非スキューミラーの体積ホログラフィックカプラ、表面媒体にスタンピング又はエッチングされたＤＯＥ、導波路の内部に組み込まれた部分反射表面などに対応し得る。異種導波路は、単一構造（例えば第１の導波路１１０５－ｂ及び第２の導波路１１１０－ｂを含む）へと接合されてもよい。例えば、第１の導波路１１０５－ｂと第２の導波路１１１０－ｂを単一構造へと一体化するために、相互結合する接合部１１２０－ｂが使用されてよい。第１の導波路１１０５－ｂと第２の導波路１１１０－ｂの接合は、接合部構造を含み得るがこれに限定されず、第１の導波路１１０５－ｂと第２の導波路１１１０－ｂは、結合されて（例えば突合せ結合されて）縁部結合接合部１１２０－ｂにおいて共通の縁部を共有する。縁部結合接合部１１２０－ｂは光学的に透明でよい。一部の場合には、異種カプラと接合物質は同一の屈折率を有し得る。

例えば、第１の導波路１１０５－ｂと第２の導波路１１１０－ｂは異種でよく、突合せ結合構造を使用して相互結合され得る。第１の導波路１１０５－ｂと第２の導波路１１１０－ｂは、光学的に透過性の接合部で接着されてよい。接合部は光学的接着剤を含み得る。１つ以上の光線１１１５－ｂは、第１の導波路１１０５－ｂの内部で反射されて、第２の導波路１１１０－ｂの結合された縁部の方への伝搬を可能にし得る。縁部結合接合部１１２０－ｂの光学的に透過性の特性により、光は、第１の導波路１１０５－ｂを通って第２の導波路１１１０－ｂへ伝搬することができる。次いで、光１１５－ｂは第２の導波路１１１０－ｂの内部で反射し得る。

本開示の独創的な態様が、図１１Ｂの非限定的な例によって図解されている。例えば、デバイスは、導波路（第２の導波路１１１０－ｂ）に対して結合された相互結合導波路（例えば第１の導波路１１０５－ｂ）を有し得る。一部の場合には、相互結合導波路は、端と端との接合部（例えば接合部１１２０－ｂ）によって、導波路に動作可能に結合されてよい。他の例では、相互結合導波路は、光学的接着要素によって導波路に結合されてよい。

図１１Ｃは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学システム１１００－ｃの一例を図解する。光学システム１１００－ｃはＨＭＤデバイスなどの用途に利用され得るが、これらに限定されない。光学システム１１００－ｃは、第１の導波路１１０５－ｃ及び第２の導波路１１１０－ｃが光を特定の位置の方へ反射することを可能にするために、選択的結合を採用し得る。表現された角度は、第１の導波路１１０５－ｃ及び第２の導波路１１１０－ｃの面法線に対する内角であり、基板界面における屈折、並びに基板－空気界面における屈折は、図解の目的で無視されている。一部の場合には、１つ以上の導波路がホログラフィック記録層（例えば導波路媒体１１２５－ａ）を包含し得る。

縁部結合ファセット（例えば表面１１２０－ｃ）が、導波路媒体１１２５－ａを包含している第２の導波路１１１０－ｃの縁部に対して、光学的接着剤又は導波路媒体１１２５－ａを使用して接着され得る。例えば、表面１１２０－ｃが第２の導波路１１１０－ｃに接着されてよく、接合部（例えば突合せ結合された接合部）を形成する。一部の場合には、例えば吸収性コーティングを塗布することにより、導波路媒体１１２５－ａの露出した縁部を通る光の誘導を妨げて、画像忠実度を維持し得る。

図１１Ｄは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学システム１１００－ｄの一例を図解する。光学システム１１００－ｄはＨＭＤデバイスなどの用途に利用され得るが、これらに限定されない。光学システム１１００－ｄは、第１の導波路１１０５－ｄ及び第２の導波路１１１０－ｄが光を特定の位置の方へ反射することを可能にするために、選択的結合を採用し得る。表現された角度は、第１の導波路１１０５－ｄ及び第２の導波路１１１０－ｄの面法線に対する内角であり、基板界面における屈折、並びに基板－空気界面における屈折は、図解の目的で無視されている。一部の場合には、１つ以上の導波路がホログラフィック記録層（例えば導波路媒体１１２５－ｂ）を包含し得る。

一部の場合には、突合せ結合された接合部１１２０－ｄは、導波路媒体１１２５－ｂを包含している第２の導波路１１１０－ｄに対して縁部結合ファセットなしで結合されてよい。その結果、突合せ結合された接合部１１２０－ｄは、ホログラフィック記録層１１２５－ｂを含む第２の導波路１１１０－ｄの製作と同一の処理ステップで形成され得る。

図１１Ｅは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学システム１１００－ｅの一例を図解する。光学システム１１００－ｅはＨＭＤデバイスなどの用途に利用され得るが、これらに限定されない。光学システム１１００－ｅは、第１の導波路１１０５－ｅ及び第２の導波路１１１０－ｅが光を特定の位置の方へ反射することを可能にするために、選択的結合を採用し得る。表現された角度は、第１の導波路１１０５－ｅ及び第２の導波路１１１０－ｅの面法線に対する内角であり、基板界面における屈折、並びに基板－空気界面における屈折は、図解の目的で無視されている。一部の場合には、１つ以上の導波路がホログラフィック記録層（例えば導波路媒体１１２５－ｃ）を包含し得る。

一部の場合には、突合せ結合された接合部１１２０－ｅは、導波路媒体１１２５－ｃを包含しているが導波路媒体１１２５－ｃの露出した縁部は包含していない、第２の導波路１１１０－ｅの基板の縁部に接着されてよい。第２の導波路１１１０－ｅの基板に結合すると、導波路媒体１１２５－ｃの露出した縁部を通る光の誘導を妨げて、画像忠実度を維持し得る。

いくつかの例では、光学システム１１００によって表現されるような結合接合部構造は、吸収光学素子、反射光学素子、複屈折光学素子、又は代替光学素子を含み得る。導波路媒体１１２５の縁部に光が結合されるのを防止するために、吸収遮断層又は反射遮断層が使用され得る。結合接合部１１２０を通過する光の偏光を回転させるために、複屈折層が含まれ得る。接合部１１２０は重なり合ってよく（図示せず）、結合された光を制御するために部分反射層を包含し得る。反射層は、結合接合部構造によって形成された開口の鮮明な画像を緩和するために（例えば、反射率が縁部の近くで高くなり、中央の近くで低くなるように）空間的に変化してよく、したがって分散を低減して強度均質性を改善する。

図１２は、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学レンズ１２００の一例を図解する。光学レンズ１２００は、導波路１２０５、光入力部分１２１０、第１の光結合デバイス１２１５（例えば交差カプラ）、反射軸１２２０、第２の光結合デバイス１２２５（例えば出力カプラ）、アイボックス１２３０、及び１つ以上の部分反射ルーバー１２３５を含み得る。導波路１２０５は、別の光結合デバイス（例えば入力カプラ）も含み得る。しかしながら、入力カプラは図解のために無視されている。導波路１２０５は、互いに平行な第１の表面及び第２の表面と、光入力部分１２１０の近位にある光受信端と、光入力部分１２１０の遠位にある光出力端と、を含み得る。

一部の場合には、第１の光結合デバイス１２１５は、１つ以上のルーバー１２３５、ＤＯＥ、ＶＨＧ、プリズム、液晶などを包含し得る。第１の光結合デバイス１２１５から第２の光結合デバイス１２２５へのビーム誘導のための機能は、第１の光結合デバイス１２１５の１つ以上の軌跡（図示せず）の範囲内にあり得、垂直方向の画角の変化に対応する。入力光は、光入力部分１２１０に入って、第１の光結合デバイス１２１５の１つ以上の軌跡へと伝搬し得る。一部の場合には、光は、第２の光結合デバイス１２２５に向けて、代替方向に反射され、かつ／又は回折され得る。反射光は、次いで、第２の光結合デバイス１２２５に向けられて、アイボックス１２３０の方へ反射され得る。

一部の実施形態では、第１の光結合デバイス１２１５は、投影画像の寸法のうちの１つが、光入力部分１２１０からアイボックス１２３０までの経路を通じて無誘導のままであることを可能にし得る。１つ以上のルーバーミラー１２３５を有する第１の光結合デバイス１２１５は、任意の所与の偏光状態の入力光を反射し得るが、回折ベースの第１の光結合デバイスは、いくつかの偏光状態を部分的に反射し得るものである。

本開示の独創的な態様が、図１２の非限定的な例によって図解されている。例えば、デバイスは、第１の導波路表面と、第１の導波路表面に対して平行な第２の導波路表面とを有する導波路を有し得る。第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に光結合素子（例えば第１の光結合デバイス１２１５）が配設され得る。光結合素子は、第１の導波路表面に対して平行な面に配向され得る第１の反射軸（例えば反射軸１２２０）を有し得る。このデバイスは、第１の導波路表面と第２の導波路表面の間に配設された体積ホログラフィック光結合素子（例えば第２の光結合デバイス１２２５）も有し得る。体積ホログラフィック光結合素子は、第１の反射軸が配向されている面に直交する面に配向された第２の反射軸を有し得る。

一部の場合には、光結合素子は部分反射ルーバー（例えばルーバーミラー１２３５）を備え得る。部分反射ルーバーは、第１の入射角における第１の反射軸に関する波長の光を反射するように構成され得る。光結合素子は、端と端との接合部（例えば接合部１２４０）によって体積ホログラフィック光結合素子に結合され得る。

このデバイスは、体積ホログラフィック光結合素子の格子媒体の内部に第１の格子構造を更に備え得る。第１の格子構造は、第１の入射角における第１の反射軸に関する波長の光を反射するように構成され得る。第１の反射軸は、格子媒体の面法線からオフセットされてよい。一部の場合には、格子媒体の面法線は、導波路の面法線に対応し得る。このデバイスには、体積ホログラフィック光結合素子の格子媒体内の第２の格子構造であって、第１の格子構造と少なくとも部分的には重なり合わない第２の格子構造も備え得る。第２の格子構造は、第１の入射角と異なる第２の入射角において第２の反射軸に関する波長の光を反射するように構成されてよい。第２の反射軸は、格子媒体の面法線からオフセットされてよい。一部の場合には、格子媒体の面法線は、導波路の面法線に対応し得る。

一部の場合には、第１の格子構造は、第１の入射角を含む入射角の第１の範囲における格子媒体の面法線からオフセットされた第１の反射軸に関する波長の光を反射するように更に構成されてよく、入射角の第１の範囲のそれぞれの入射角は、第２の入射角よりも大きい。第１の格子構造は、少なくとも３つのホログラムを含み得、少なくとも３つのホログラムのそれぞれが、入射角の第１の範囲内の固有の入射角に対応し得、少なくとも３つのホログラムの隣接する｜ΔＫ_Ｇ｜が、１メートル当たり１．０×１０^４～１．０×１０^６ラジアン（ｒａｄ／ｍ）の間に存在する平均値を有する。

いくつかの例では、波長は、可視赤色光波長、可視青色光波長、又は可視緑色光波長のうちの１つを含み得る。第１の格子構造は第１の入射角における複数の波長の光を反射するように更に構成されてよく、第２の格子構造は第２の入射角における複数の波長の光を反射するように更に構成されてよい。一部の場合には、複数の波長は、可視赤色光波長、可視青色光波長、又は可視緑色光波長のうちの少なくとも２つを含む。

図１３Ａは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学レンズ１３００－ａの一例を図解する。光学レンズ１３００－ａは、導波路１３０５－ａ、光入力部分１３１０－ａ、第１の光結合デバイス１３１５－ａ（例えば交差カプラ）、及び第２の光結合デバイス１３２５－ａ（例えば出力カプラ）を含み得る。導波路１３０５－ａは、別の光結合デバイス（例えば入力カプラ）も含み得る。しかしながら、入力カプラは図解のために無視されている。導波路１３０５－ａは、互いに平行な第１の表面及び第２の表面と、光入力部分１３１０－ａの近位にある光受信端と、光入力部分１３１０－ａの遠位にある光出力端と、を含み得る。

図１３Ｂは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学レンズ１３００－ｂの一例を図解する。光学レンズ１３００－ｂは、導波路１３０５－ｂ、光入力部分１３１０－ｂ及び１３１０－ｃ、第１の光結合デバイス１３１５－ｂ及び１３１５－ｃ（例えば交差カプラ）、並びに第２の光結合デバイス１３２５－ｂ及び１３２５－ｃ（例えば出力カプラ）を含み得る。導波路１３０５－ｂは、別の光結合デバイス（例えば入力カプラ）も含み得る。しかしながら、入力カプラは図解のために無視されている。導波路１３０５－ｂは、互いに平行な第１の表面及び第２の表面と、光入力部分１３１０－ｂ及び１３１０－ｃの近位にある光受信端と、光入力部分１３１０－ｂ及び１３１０－ｃの遠位にある光出力端と、を含み得る。

光学レンズ１３００－ｂのいくつかの構造は、複数の導波路、入力カプラ、第１の光結合デバイス、及び／又は第２の光結合デバイスを実施し得る。複数の光結合デバイスを使用すると、画像投影システムのＦＯＶを拡張し得る。例えば、水平フィールドの左側を表示する光結合デバイスは、水平フィールドの右側を表示する光結合デバイスと組み合わされてよい。そのため、拡張されて組み合わされた水平ＦＯＶは、光結合デバイスのこの機構に由来するものである。例えば、組み合わせたＦＯＶ画像の２つの半分は、画像処理技術を採用してよく、混合されてよい。組み合わせたＦＯＶは、単色光結合デバイスで達成可能な範囲を超え得る。例えば、組み合わせたＦＯＶは、８３．９度の組み合わせた水平ＦＯＶ、５３．４度の組み合わせた垂直ＦＯＶ、及び９１．７度の組み合わせた対角線ＦＯＶを含み得る。

一部の実施形態では、光入力部分１３１０－ｂ及び１３１０－ｃは複数の基準配向に置かれてよい。例えば、光入力部分１３１０－ｂは第１の光結合デバイス１３１５－ｂの外側縁部上にあってよく、光入力部分１３１０－ｃは第１の光結合デバイス１３１５－ｃの外側縁部上にあってよい。入力瞳孔への画像投影用に、１つ以上のプロジェクタが実施され得る。１つ以上の導波路１３０５－ｂが、多数の構成された光結合デバイスを含み得る。共通の導波路の場合には、２つの第１の光結合デバイス、単一の第２の光結合デバイスの構成が使用され得る。一部の場合には、導波路１３０５－ｂは、第２の光結合デバイス１３２０－ｂ及び第２の光結合デバイス１３２０－ｃを含み得る。

本開示の独創的な態様が、図１３Ｂの非限定的な例によって図解されている。例えば、デバイスは、導波路の内部にある第１の導波路部分（例えば第１の光結合デバイス１３１５－ｂ）、導波路の内部にある第２の導波路部分（例えば第１の光結合デバイス１３１５－ｃ）、第１の導波路部分の第１の縁部にある第１の入射瞳孔（例えば光入力部分１３１０－ｂ）、及び第２の導波路部分の第２の縁部にある第２の入射瞳孔（例えば光入力部分１３１０－ｃ）を有し得る。一部の場合には、第１の導波路部分と第２の導波路部分が少なくとも部分的に重なり合ってよい。

図１３Ｃは、本開示の様々な態様による、瞳孔拡張をサポートする光学レンズ１３００－ｃの一例を図解する。光学レンズ１３００－ｃは、導波路１３０５－ｃ、光入力部分１３１０－ｄ及び１３１０－ｅ、第１の光結合デバイス１３１５－ｄ及び１３１５－ｅ（例えば交差カプラ）、並びに第２の光結合デバイス１３２５－ｄ及び１３２５－ｅ（例えば出力カプラ）を含み得る。導波路１３０５－ｂは、別の光結合デバイス（例えば入力カプラ）も含み得る。しかしながら、入力カプラは図解のために無視されている。導波路１３０５－ｃは、互いに平行な第１の表面及び第２の表面と、光入力部分１３１０－ｄ及び１３１０－ｅの近位にある光受信端と、光入力部分１３１０－ｄ及び１３１０－ｅの遠位にある光出力端と、を含み得る。

一部の実施形態では、光入力部分１３１０－ｄ及び１３１０－ｅは複数の基準配向に置かれてよい。例えば、光入力部分１３１０－ｅは第１の光結合デバイス１３１５－ｅの内側縁部上にあってよく、光入力部分１３１０－ｅは第１の光結合デバイス１３１５－ｅの内側縁部上にあってよい。入力瞳孔への画像投影用に、１つ以上のプロジェクタが実施され得る。１つ以上の導波路１３０５－ｂが、多数の構成された光結合デバイスを含み得る。共通の導波路の場合には、２つの第１の光結合デバイス、及び単一の第２の光結合デバイスの構成が使用され得る。一部の場合には、導波路１３０５－ｃは、第２の光結合デバイス１３２０－ｄ及び第２の光結合デバイス１３２０－ｅを含み得る。

一部の場合には、第１の光結合デバイス１３１５－ｄ及び１３１５－ｅは、第１の光結合デバイス１３１５－ｄ及び１３１５－ｅのＦＯＶ中心に整列してよい。
すなわち、ＦＯＶ中心位置調整は、よりコンパクトな複数の光結合デバイス構造を提供し得る。一部の場合には、第１の光結合デバイス１３１５－ｄ及び１３１５－ｅは、ＦＯＶ中心に整列するようなやり方で並べられてよい。一部の実施形態では、複数のタイル張りパターンが使用され得る。

図１４は、本開示の態様による交差カプラスキューミラーを製造する方法１４００を図解するフローチャートを示す。方法１４００の動作は、本明細書で説明されたようなスキューミラー又はその部品を製造するシステムによって実施されてよい。例えば、方法１４００の動作は図１～図１３に関連して遂行され得る。

ブロック１４０５において、第１の記録ビーム及び第２の記録ビームが第１のプリズムを通過して記録媒体に干渉パターンを記録するように、第１のプリズムに対して記録媒体が位置決めされ得る。ブロック１４０５の動作は、本明細書で説明された方法に従って遂行され得る。特定の例では、ブロック１４０５の動作の態様は、交差カプラスキューミラーを製造するシステム（例えば図５Ａ及び図５Ｂで説明されたようなシステム）によって遂行され得る。

ブロック１４１０において、第１の反射軸が記録媒体の厚さ寸法に対して平行な面に配向されるように、第１の反射軸が記録媒体に記録され得る。ブロック１４１０の動作は、本明細書で説明した、瞳孔拡張技術による交差カプラスキューミラーを製造するシステムによって遂行され得る。図１～図１３を参照しながら説明されるような更なる機能は、導波路及び光学デバイス若しくは光学システムにおける格子媒体として使用する記録媒体に形成され得る。

これらの方法は可能な実装形態を説明するものであり、動作及びステップは、他の実装形態が可能になるように再配置されてよく、そうでなければ変更されてよいことに留意されたい。いくつかの例では、２つ以上の方法からの態様が組み合わされ得る。例えば、方法のそれぞれの態様は、他の方法のステップ又は態様、あるいは本明細書で説明した他のステップ又は技術を含み得る。

本明細書において、様々な独創的な実施形態が説明され、かつ図解されてきたが、当該技術分野に精通している者なら、本明細書で説明した機能を遂行し、かつ／あるいは結果及び／又は利点のうちの１つ以上を得る、様々な他の手段及び／又は構造を容易に構想するはずであり、そのような変形形態及び／又は修正形態のそれぞれが、本明細書で説明した本発明の実施形態の範囲内にあると考えられる。より一般的には、当該技術分野に精通している者なら、本明細書で説明されたすべてのパラメータ、寸法、材料、及び構成は、例示であるように意図されており、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／又は構成は、本発明の教示を使用する特定の用途（複数可）に依拠するはずであることを容易に理解するであろう。当該技術分野に精通している者なら、本開示の利益を与えられれば、型通りの実験作業をするだけで、本明細書で説明された特定の独創的な実施形態に対する多くの等価物の理解又は確認が可能なはずである。したがって、前述の実施形態は単なる例として示されたものであり、添付の特許請求の範囲及び等価物の範囲内で、独創的な実施形態は、特に説明されて特許請求されたものとは別様に実行され得ることを理解されたい。本開示の独創的な実施形態は、本明細書で説明されたそれぞれの機能、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法に向けられる。加えて、そのような機能、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法の２つ以上の任意の組合せは、そのような機能、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法は、互いに矛盾していなければ、本開示の発明の範囲内に含まれる。

また、様々な発明概念は１つ以上の方法として具現され得、その一例が提供されている。方法の一部分として遂行される行為は、任意の適切なやり方で順序付けられてよい。したがって、実施形態は、図解されたものと異なる順序で行為を遂行するように構成されてよく、例示の実施形態において順次の行為として示されていても、いくつかの行為を同時に遂行することも含み得る。

本明細書で定義されて使用されるような、明細書の全体にわたるすべての定義は、辞書の定義、参照によって組み込まれた文献における定義、及び／又は定義された用語の通常の意味にわたって制御するものと理解されたい。

明細書及び特許請求範囲において本明細書で使用されるような、不定冠詞「１つの（a）」及び「１つの（an）」は、明らかにそれと反対に示されなければ、「少なくとも１つの」を意味するものと理解されたい。

明細書及び特許請求範囲において、本明細書で使用されるような慣用句「及び／又は」は、そのように結合された要素の「一方又は両方」、すなわち一部の場合には結合されて存在し、他の場合に離接的に存在する要素を意味するものと理解されたい。「及び／又は」を用いて列記された複数の要素は、同じように、すなわちそのように結合された「１つ以上」の要素と解釈されたい。「及び／又は」節によって具体的に識別された要素とは別に、他の要素が、具体的に識別された要素との関係の有無にかかわらず、任意選択的に存在し得る。したがって、非限定的な例として、「Ａ及び／又はＢ」に対する参照は、「備える」などの無制限の言語とともに使用されたときには、ある実施形態では（任意選択的にＢとは別の要素を含めて）Ａのみを参照することができ、別の実施形態では（任意選択的にＡとは別の要素を含めて）Ｂのみを参照することができ、更に別の実施形態では（任意選択的に他の要素を含めて）ＡとＢの両方を参照することができる、などである。

明細書及び特許請求の範囲において、本明細書で使用されるような「又は」は、上記で定義されたような「及び／又は」と同一の意味を有するものと理解されたい。例えば、リストの品目を分離するとき、「又は」又は「及び／又は」は包括的であると解釈するものとし、すなわち、少なくとも１つを含むばかりでなく、複数の要素又は要素のリスト、また、任意選択的に、追加の、リストに無記載の品目のうちの２つ以上も含むものとする。それと反対に、「～のうちの１つだけ」若しくは「正確に１つの～」などの明白に指示された用語のみ、又は特許請求の範囲において使用されたときの「～からなる」が、複数の要素又は要素のリストのうちの正確に１つの要素を含むことを参照することになる。一般に、本明細書で使用されるような「又は」という用語というは、「～のいずれか」、「～のうちの１つ」、「～のうちの１つだけ」、又は「～のうちの正確に１つ」などの孤立性の用語を伴うときのみ、排他的な選択肢（すなわち、「一方又は他方、しかし両方ではない」）を指示するように解釈されるものとする。「実質的に～からなる」は、特許請求の範囲において使用されたとき、特許法の分野で使用されるような通常の意味を有するものとする。

明細書及び特許請求の範囲において、本明細書で使用されるような「少なくとも１つの～」という慣用句は、１つ以上の要素のリストを参照して、要素のリストにおける任意の１つ以上の要素から選択された少なくとも１つの要素を意味するものであるが、要素のリストの範囲内の具体的に列記された全ての要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含むわけではなく、また、要素のリストにおける要素の任意の組合せを除外しないことを理解されたい。この定義により、「少なくとも１つの～」という慣用句が参照する要素のリストの範囲内の具体的に識別された要素とは別の要素が、具体的に識別された要素との関係の有無にかかわらず、任意選択的に存在し得ることも可能になる。したがって、非限定的な例として、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」（又は同様な意味合いで「Ａ又はＢのうちの少なくとも１つ」、又は同様な意味合いで「Ａ及び／又はＢのうちの少なくとも１つ」）は、ある実施形態では、少なくとも１つのＡを、任意選択的に、存在するＢは含めず、（また、任意選択的に、Ｂとは別の要素を含めて）複数のＡを含めて、参照することができ、別の実施形態では、少なくとも１つのＢを、任意選択的に、存在するＡは含めず、（また、任意選択的に、Ａとは別の要素を含めて）複数のＢを含めて、参照することができ、更に別の実施形態では、少なくとも１つのＡを、任意選択的に複数のＡを含めて、また、少なくとも１つのＢも、任意選択的に複数のＢも含めて（また、任意選択的に他の要素も含めて）、参照することができる、などである。

特許請求の範囲並びに上記の明細書において、「～を備える」、「～を含む」、「～を担持する」、「～を有する」、「～を包含する」、「～を必然的に伴う」、「～を保持する」、「～からなる」などのすべての移行句は、無制限であること、すなわち「～を含むが、これらに限定されない」を意味するものと理解されたい。移行句「～からなる」及び「～を主体とする」のみが、それぞれ、米国特許庁審査便覧の２２１．０３節で明らかにされているような閉鎖移行句又は半閉鎖移行句であるものとする。

「ほぼ」という用語は、所与の値の±１０％を参照するものである。

「約」という用語は、所与の値の±２０％を参照するものである。

「反射軸」という用語は、入射光の、その反射に対する角度を２分する軸を参照するものである。入射光の、入射角の反射軸に対する絶対値は、反射軸に対する入射光の反射の反射角の絶対値に等しい。既存のミラーに関して、反射軸は面法線と一致する（つまり、反射軸はミラー表面に対して垂直である）。反対に、本開示によるスキューミラーの実装形態は、面法線と異なる反射軸を有し得、又は、一部の場合には、面法線と一致する反射軸を有し得る。本開示の利益を与えられた、当該技術分野に精通している者なら、反射軸角度は、入射角をそのそれぞれの反射角に加えた和を２で割ることによって決定され得ることを認識するであろう。入射角及び反射角は、平均値を得るために使用される複数の（一般に３回以上の）測定で実験的に決定され得る。

この開示では、一部の場合には、通常は「回折」が適切な用語と考えられ得る場合に「反射」という用語及び類似の用語が使用されている。この、「反射」の使用は、スキューミラーが見せるミラー状の特性と一致しており、混乱させる可能性のある用語法を回避するのに役立つ。例えば、格子構造が入射光を「反射する」ように構成されていると言う場合には、格子構造が光に対して回折によって作用すると一般に考えられているので、既存の技工は、格子構造が入射光を「回折する」ように構成されていると言うのを好む可能性がある。しかしながら、「回折する」という用語をそのように使用すると、「入射光が実質的に一定の反射軸に関して回折される」などといった表現をもたらすことになり、紛らわしくなる恐れがある。それゆえに、入射光が格子構造によって「反射された」と言う場合、この開示の利益を与えられた、当該技術分野に精通している者なら、格子構造が実際には回折の機構によって光を「反射している」ことを認識するであろう。"そのような「反射する」の使用は、既存のミラーが、そのような反射における「回折」の主な役割にもかかわらず、一般に、光を「反射する」と言われているので、光学部品における先例がないわけではない。したがって、ほとんどの「反射」は回折の特性を含み、また、スキューミラー又はその部品による「反射」は回折も含むことが、当業者には認識される。

「光」という用語は、当該技術分野に精通している者によく知られている電磁放射を参照するものである。特定の波長、又は人間の目に見える電磁スペクトルの一部分に言及する「可視光」などの波長の範囲が参照されていなければ、電磁放射はあらゆる波長を有し得る。

「ホログラム」及び「ホログラフィック格子」という用語は、複数の交差する光ビーム間の干渉によって発生した干渉パターンの記録を参照するものである。いくつかの例では、ホログラム又はホログラフィック格子は、それぞれが露光時間にわたって不変のままである複数の交差する光ビーム間の干渉によって発生され得る。他の例では、ホログラムが記録されている間に、格子媒体上の複数の交差する光ビームの少なくとも１つの入射角が変化する場合、及び／又はホログラムが記録されている間に波長が変化する場合（例えば複素ホログラム又は複素ホログラフィック格子）、複数の交差する光ビーム間の干渉によってホログラム又はホログラフィック格子が発生し得る。

「正弦曲線の体積格子」という用語は、体積領域の全体にわたって実質的に正弦曲線のプロファイルで調整された屈折率などの光学的性質を有する光学部品を参照するものである。それぞれの（簡単な／正弦曲線の）格子は、ｋ空間における単一の相補的なベクトル対（又はｋ空間における実質的に点状の相補的な対の分布）に対応する。

「入射瞳孔」という用語は、結像光学系に入る光線を、その最小サイズで通す実体の開口又は仮想開口を参照するものである。

「アイボックス」という用語は、領域の輪郭を描く２次元領域を参照するものであり、ここにおいて、人間の瞳は、格子構造からの所定距離において図の全視野を観察するように置かれ得る。

「瞳距離」という用語は、格子構造と、対応するアイボックスの間の所定距離を参照するものである。

「射出瞳孔」という用語は、結像光学系から出る光線を、その最小サイズで通す実体の開口又は仮想開口を参照するものである。使用において、結像光学系システムは、典型的には、光線を画像捕獲手段の方へ向けるように構成される。画像捕獲手段の例として、ユーザの目、カメラ、又は他の光検出器が挙げられるが、これらに限定されない。

「格子媒体」という用語は、光の反射する格子構造で構成された物理的媒体を参照するものである。格子媒体は複数の格子構造を含み得る。

「格子構造」という用語は、光を反射するように構成された１つ以上の格子を参照するものである。いくつかの例では、格子構造は、少なくとも１つの共通の属性又は特性（例えば、その組の格子のそれぞれが応答する、光の同一の波長）を共有する１組の格子を含み得る。いくつかの実装形態では、格子構造は１つ以上のホログラムを含み得る。他の実装形態では、格子構造は１つ以上の正弦曲線の体積格子を含み得る。いくつかの例では、格子構造は、１つ以上の格子（例えばホログラム又は正弦曲線の格子）のそれぞれについて、反射軸に対して均一であり得る。その代わりに、又はそれに加えて、格子構造は、格子媒体内の１つ以上の格子（例えばホログラム又は正弦曲線の体積格子）のそれぞれについて、長さ又は体積に対して均一であり得る。

本明細書の説明は、当業者が本開示を作製すること又は使用することを可能にするために提供されたものである。当該技術分野に精通している者には、本開示に対する様々な修正形態が容易に明らかになるはずであり、本明細書で定義された一般的な原理は、本開示の範囲から逸脱することなく他の変形形態に適用され得る。したがって、本開示は、本明細書で開示された例及び設計に限定されることなく、本明細書で説明した原理及び斬新な機能と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。

添付図では、類似した部品又は特徴は同一の参照符号を有し得る。更に、同一のタイプの様々な部品は、参照符号にダッシュが続くことにより、また、類似した部品の間を識別する第２の符号によって識別されることがある。明細書において第１の参照符号だけが使用されている場合には、その説明は、第２の参照符号に関係なく同一の第１の参照符号を有する類似の部品のうちの任意のものに当てはまり得る。

Claims

ディスプレイシステムであって、
第１の導波路と、
前記第１の導波路に光を結合するように構成された入力カプラと、
前記第１の導波路上にある光学的カプラであって、前記光学的カプラは、前記第１の導波路の第１の面に配向された第１の反射軸を有し、前記光学的カプラは、第１の方向に前記光を拡張するように構成されている、光学的カプラと、
前記光学的カプラから前記光を受けるように構成された第２の導波路と、
前記第２の導波路上の出力カプラであって、前記出力カプラは、前記第１の面とは異なる前記第２の導波路の第２の面に配向された第２の反射軸を有し、前記出力カプラは、前記第２の導波路の外へ前記光を結合するように構成されている、出力カプラと、を備え、
前記光学的カプラ及び前記出力カプラは、無彩色である、ディスプレイシステム。
前記出力カプラは、前記第１の方向に直交する第２の方向に前記光を拡張するように構成されている、請求項１に記載のディスプレイシステム。
前記出力カプラは、体積ホログラムを有する、請求項１に記載のディスプレイシステム。
前記光学的カプラは、部分反射ルーバーを有する、請求項３に記載のディスプレイシステム。
前記光学的カプラは、体積ホログラムを有する、請求項１に記載のディスプレイシステム。
前記入力カプラは、プリズムを有する、請求項５に記載のディスプレイシステム。
前記出力カプラは、体積ホログラムを有する、請求項６に記載のディスプレイシステム。
前記第１の導波路は、前記第２の導波路の端部である縁部結合接合部において前記第２の導波路に結合されている、請求項１に記載のディスプレイシステム。
前記第１の導波路は、重なり合う接合部において前記第２の導波路に結合されている、請求項１に記載のディスプレイシステム。
前記光は、前記入力カプラによって前記第１の導波路に結合された後と、前記光学的カプラによる反射の後とに、前記第１の導波路内を全内部反射で伝搬する、請求項１に記載のディスプレイシステム。
頭部装着型デバイスであって、
導波路と、
前記導波路上にあり、前記導波路に光を結合するように構成された入力カプラと、
前記導波路上にある光学的カプラであって、前記光学的カプラは、前記導波路の第１の面に配向された第１の反射軸を有し、第１の方向に前記光を拡張するように構成されている、光学的カプラと、
前記導波路上の出力カプラであって、前記出力カプラは、前記導波路の外へ前記光を結合するように構成されており、前記出力カプラは、前記第１の面とは異なる前記導波路の第２の面に配向された第２の反射軸を有し、前記出力カプラは、前記第１の方向に直交する第２の方向に前記光を拡張するように構成されている、出力カプラと、を備え、
前記導波路は、第１の基板及び第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に置かれた格子媒体とを備え、前記光学的カプラ及び前記出力カプラは、前記格子媒体内に形成されている、頭部装着型デバイス。
前記光は、前記光学的カプラによって拡張される前と、前記光学的カプラによって拡張された後とに、全内部反射で伝搬する、請求項１１に記載の頭部装着型デバイス。