JP2019514049A - 広視野のホログラフィックスキューミラー - Google Patents

Abstract

ホログラフィックスキューミラーは、その面法線に対して傾斜できる反射軸、又はスキュー軸を有する。スキュー軸を面法線に対して二次元で傾けることにより、ホログラフィックスキューミラーの可能な視野を、例えば６０°以上に広げる。これらの追加された角度は、一致した全内部グレージング延長回転（ＴＩＧＥＲ）プリズムを用いて、面外書き込み形状を使用してアクセスすることができる。【選択図】図１０

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、米国特許法の下で、２０１６年４月６日に出願された「Ｓｋｅｗ Ｍｉｒｒｏｒｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｕｓｅ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」と題する米国特許出願第６２／３１８，９１７号、及び２０１５年８月２４日に出願された「Ｍｕｌｔｉｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｍｉｒｒｏｒｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｕｓｅ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」と題する米国特許出願第６２／２０９，２９０号の優先権を主張する、２０１６年６月６日に出願された「Ｓｋｅｗ Ｍｉｒｒｏｒｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｕｓｅ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」と題する米国特許出願第１５／１７４，９３８号の一部継続出願である、２０１６年８月２４日に出願された「Ｓｋｅｗ Ｍｉｒｒｏｒｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｕｓｅ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」と題するＰＣＴ／ＵＳ１６／４８４９９の一部継続出願である。本出願はまた、米国特許法の下で、２０１６年１２月１６日に出願された「Ｗｉｄｅ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｖｉｅｗ Ｓｋｅｗ Ｍｉｒｒｏｒ」と題する米国特許出願第６２／４３５，６７６号、及び２０１６年１０月１３日に出願された「ＴＩＧＥＲ Ｐｒｉｓｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｕｓｅ」と題する米国特許出願第６２／４０７，９９４号の優先権を主張する。これら出願の各々は、参照によって本明細書に組み込まれる。

ホログラフィックスキューミラーは、入射光が当たる表面に対して垂直である必要のない反射軸で入射光を反射する、ホログラフィック光学素子である。換言すると、ホログラフィックスキューミラーの反射軸は、ホログラフィック光学素子の面法線と平行である又は一致する必要がない。反射軸と面法線との間の角度は反射軸角と称され、ホログラフィックスキューミラーの所望の適用に基づいて選択され得る。

本開示では、通常であれば「回折」が適切な用語と考えられ得る場合に、用語「反射」及び同様の用語が用いられることがある。この「反射」の使用は、スキューミラーが呈するミラー様の特性と整合性があり、紛らわしい場合もある専門用語を回避するのに役立つ。例えば、格子又はスキューミラーが入射光を「反射」するように構築されていると言う場合、従来の当業者は、格子構造が入射光を「回折」するように構築されると言う方を好むことがある。なぜなら格子構造は一般に、回折によって光に作用すると考えられているからである。しかし、「回折」という用語のこのような使用は、「入射光が実質的に一定の反射軸で回折される」などの印象を生じさせ、紛らわしくなり得る。

したがって、入射光が格子構造によって「反射」されると言う場合、本開示の利益を与えられる当業者は、格子構造は実際には回折機構によって「反射」されることを理解するであろう。従来の誘電体ミラーは一般に、回折がこのような反射で果たす主要な役割にもかかわらず、光を「反射する」と言うため、このような「反射」の使用は光学では前例のないことではない。したがって当業者は、大部分の「反射」が回折の特性を含み、スキューミラー又はその構成要素による「反射」も回折を含むことを理解している。

本技術の実施形態は、限定ではないが、ホログラフィックスキューミラー、ホログラフィック入力／出力カプラー、及び他のホログラフィック光学反射デバイスを含む、ホログラフィック光学素子を含む。１つの例は、格子媒体に存在する格子構造を含む光学反射デバイスである。この格子構造は、主として入射光を反射光として反射するように構築され、入射光及び反射光の両方は、第１の波長を含む。第１の波長の入射光及び第１の波長の反射光は、反射軸によって二等分された角度を形成し、この角度は、入射光が少なくとも１５°にわたる内部入射角の範囲で格子媒体に入射するときに、１°未満変化する。加えて、反射軸は格子媒体の面法線とは少なくとも２．０°異なる。

この光学反射デバイスのいくつかの実装形態では、反射軸は、入射光が少なくとも３０°にわたる内部入射角の範囲で格子媒体に入射するときに、１°未満変化する。同様に、格子構造は、メートル当たり少なくとも２．００×１０^５ラジアンの範囲にわたる格子周波数（｜Ｋ_Ｇ｜）を有する、１つ以上のホログラムを含み得る。

いくつかの場合では、入射光及び反射光の両方は、第１の波長とは少なくとも約５０ｎｍ異なる第２の波長を含む（例えば第１の波長は、第２の波長よりも５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、８０ｎｍ、９０ｎｍ、１００ｎｍ、又は更にはそれ以上大きくてもよい）。これらの場合のいくつかでは、入射光及び反射光は、第１の波長及び第２の波長の各々とは少なくとも約５０ｎｍ異なる第３の波長を含む（例えば第１の波長は第２の波長よりも５０〜１００ｎｍ大きくてよく、第２の波長は第３の波長よりも５０〜１００ｎｍ大きくてもよい）。例えば、第１の波長は電磁スペクトルの赤色領域内に存在し、第２の波長は緑色領域内に存在し、第３の波長は青色領域内に存在してもよい。

光学反射デバイスの格子構造は、メートル当たり少なくとも１．６８×１０^６ラジアン、メートル当たり少なくとも５．０１×１０^６ラジアン、又はメートル当たり少なくとも１．２４×１０^７ラジアンの範囲にわたる格子周波数（｜Ｋ_Ｇ｜）を有する、１つ以上のホログラムを含み得る。例えば、格子構造は、メートル当たり５．１０×１０^５ラジアンより大きく、メートル当たり３．１５×１０^７ラジアン未満の範囲にわたる格子周波数（｜Ｋ_Ｇ｜）を有する、１つ以上のホログラムを含み得る。

いくつかの例では、格子構造は少なくとも９個のホログラムを含む。これらのホログラムの平均隣接数｜ΔＫ_Ｇ｜は、５．０×１０^３ｒａｄ／ｍ〜１．０×１０^７ｒａｄ／ｍの間の範囲に存在し得る。

光学反射デバイスは、出力カプラーとして作用するように構成又は構築されてよく、入射光は、光学反射デバイスの内側から格子構造に入射し、反射光は光学反射デバイスから出る。

光学反射デバイスは、格子媒体に隣接する少なくとも１枚の基板を更に含むことができる。例えば、光学反射デバイスは、２枚の基板を含むことができ、格子媒体がその２枚の基板の間に配置される。この場合、格子媒体は少なくとも１００μｍ厚のフォトポリマー媒体を含み、２枚の基板は入射光の少なくとも６０％、及び反射光の少なくとも６０％を透過することができる。格子媒体及び２枚の基板の屈折率は、互いの約０．１以内であってよい。

本技術の他の実施形態は、光学反射デバイスを使用する方法を含む。本方法は、第１の波長の入射光によって、格子媒体内に存在する格子構造を照明することを含む。この入射光は、格子構造で反射して第１の波長の反射光を生成する。入射光及び反射光は、格子媒体の面法線に対して少なくとも約２．０°傾斜した反射軸によって、二等分された角度を形成する。この反射軸は、入射光が少なくとも１５°にわたる内部入射角の範囲にある格子媒体内の格子構造に入射するときに、１°未満変化する。いくつかの場合、反射軸は、入射光が少なくとも３０°にわたる内部入射角の範囲で格子媒体に入射するときに、１°未満変化する。

この方法の例では、格子構造を照明することは、例えばホログラフィック入力カプラー、プリズム、又は縁部カップリングを介して、入射光を格子媒体に結合することと、入射光を格子媒体内で全内部反射させることと、を含む。換言すると、格子媒体は入射光を格子構造まで少なくとも途中まで導くことができる。

上述のように、入射光及び反射光は、第１の波長とは少なくとも約５０ｎｍ異なる第２の波長を含み得る。入射光及び反射光はまた、第１及び第２の波長の各々とは少なくとも約５０ｎｍ異なる第３の波長を含み得る。

本方法の例は、格子媒体の面法線に対して約２５°の角度で格子媒体から出た反射光を結合することも含み得る。反射ビームが少なくとも部分的に人間の目を照明するように、格子媒体は、この反射光を人間の目に向けて、格子媒体と光学的に連通させて結合することができる。これらの場合では、格子構造を照明することは、反射した画像が人間の目で視認できるように、格子構造を画像で照明することを含んでもよい。

本技術の別の例は、撮像する方法を含む。この方法は、人間の目と光学的に連通した格子構造を含む格子媒体を配置することを含む。この格子媒体は、面法線を画定する近接面を有する。可視像は、格子媒体の中に結合され、格子媒体内の少なくとも１つの全内部反射を介して格子構造に導かれる。この格子構造は、面法線に対して少なくとも約２°の角度を形成する反射軸で、可視像を反射する。可視像は、人間の目に向う近接面を介して、格子媒体の外で結合される。この可視像は、少なくとも約３０°の自由空間における視野にわたる。

本技術の更に別の例は、ホログラフィック格子を感光性媒体に書き込む方法を含む。この方法は、感光性媒体を、第１のプリズムの傾斜面と第２のプリズムの傾斜面との間に配置することを含む。第１のビームは、感光性媒体の第１の面及び第１のプリズムの傾斜面を介して、感光性媒体に結合される。この第１のビームは、第１の表面の面法線に対して第１の角度を形成する。第２のビームは、感光性媒体の第２の表面及び第２のプリズムの傾斜面を介して、感光性媒体に結合される。この第２のビームは、第１の角度と実質的に等しい大きさで、第２の表面の面法線に対して第２の角度を形成する。いくつかのケースで、この方法は、感光性媒体の第３のビーム及び第４のビームに干渉して、感光性媒体の中に第２のホログラフィック格子を形成することも含む。

本技術の更に別の例は、第１の次元において少なくとも約５０°の視野にわたって可視光を反射するように構築された、少なくとも１つの格子を有するホログラフィック光学素子を備えたデバイスを含む。視野は、ホログラフィック光学素子の外側で測定され、ホログラフィック光学素子の面法線を実質的に中心とする。格子は、面法線に対して少なくとも約１５°〜約４５°の角度に方向付けられた格子ベクトルを有する。

いつかの実装形態において、ホログラフィック光学素子は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲の波長の可視光を視野にわたって反射するように構築された、単一の格子を含む。他の実装形態では、ホログラフィック光学素子は複数の格子を含み、その各々は、視野内の異なる角度で、可視光の１つの波長の入射光を反射するように構築されている。これらの実装形態において、デバイスは、複数の格子を可視光で照明するために、ホログラフィック光学素子と光学的に連通した少なくとも１つの光源も含む。

視野は、第１の次元に直交する第２の次元において少なくとも約３０°であってよい。加えて、反射軸と面法線とで形成される角度は、約２０°〜約４０°であってよい。ホログラフィック光学素子は、可視光に感応する光開始剤を実質的に含まなくてもよい。

本技術の別の例は、光を反射する方法を含む。この方法は、ホログラフィック光学素子の少なくとも１つの格子を可視光で照明することを含む。格子は、少なくとも約５０°の視野にわたって、光の少なくとも一部を反射する。この視野は、ホログラフィック光学素子の面法線に対して、少なくとも約１５°〜約４５°の角度を形成する反射軸を中心とする。

本技術の更に別の例は、ホログラフィック光学素子を作る方法（及び結果として得られるホログラフィック光学素子）を含む。この方法は、ホログラフィック記録媒体内で第１のビーム及び第２のビームに干渉して第１の格子を形成することを含む。ホログラフィック記録媒体は平坦な表面を有する。第１の格子は、少なくとも約５０°の視野にわたって第１の可視波長の入射光を反射するように構築される。この視野は、ホログラフィック光学素子の平坦な表面の面法線に対して、少なくとも約１５°〜約４５°の角度を形成する反射軸を中心とする。いくつかの場合では、第１のビーム及び第２のビームに干渉することは、第１のビームをホログラフィック記録媒体に、第１のプリズムの傾斜面を介して結合することと、第２のビームをホログラフィック記録媒体に、第２のプリズムの傾斜面を介して結合することと、を含む。

本技術の更に別の例は、複数の反射格子を有するホログラフィック光学素子を備えるデバイスを含む。複数の反射格子の中の各反射格子は、ホログラフィック光学素子の面法線と約１５°〜４５°の角度を形成する格子ベクトルＫ_Ｇ、及びメートル当たり少なくとも２．００×１０^５ラジアンの格子周波数（｜Ｋ_Ｇ｜）を有する。

前述の概念と、以下でより詳細に説明する更なる概念の全ての組み合わせは（これらの概念が相反しなければ）、本明細書で開示する発明の主題の一部である。特に、本開示の最後に記載する特許請求の範囲の主題の全ての組み合わせは、本明細書で開示する発明の主題の一部である。参照によって組み込まれている任意の開示にも記載され得る、本明細書で使用される専門用語は、本明細書で開示される詳細な概念と最も一致する意味と適合させるべきである。

当業者は、図面は主に説明が目的であり、本明細書で開示する発明の主題の範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい。図面は必ずしも一定の縮尺に則っておらず、いくつかの例では、本明細書で開示される発明の主題の様々な態様は、異なる特徴の理解を促すために、誇張又は拡大して示すことがある。図面では、同様の参照番号は全体的に同様の特徴を指す（例えば機能的に類似した要素、及び／又は構造的に類似した要素）。

比較的狭い視野のホログラフィックスキューミラーを示す。

入射ビームがない場合と入射ビームがある場合の、図１に示したホログラフィックスキューミラーのｋ空間表現をそれぞれ示す。 入射ビームがない場合と入射ビームがある場合の、図１に示したホログラフィックスキューミラーのｋ空間表現をそれぞれ示す。

ホログラフィックスキューミラーを作るのに適した面内ホログラフィック記録システムを示す。 ホログラフィックスキューミラーを作るのに適した面内ホログラフィック記録システムを示す。

図３Ａ及び図３Ｂそれぞれの面内ホログラフィック記録形状を使用してホログラフィックスキューミラーを作るｋ空間表現を示す。 図３Ａ及び図３Ｂそれぞれの面内ホログラフィック記録形状を使用してホログラフィックスキューミラーを作るｋ空間表現を示す。

面外ホログラフィックスキューミラー書き込み形状の実空間斜視図を示す。 図５Ａ及び図５Ｃそれぞれに示した実空間ビューのｋ空間表現を示す。

面外ホログラフィックスキューミラー書き込み形状の実空間斜視図を示す。 図５Ａ及び図５Ｃそれぞれに示した実空間ビューのｋ空間表現を示す。

面内及び面外ホログラフィックスキューミラー記録形状の両方で実現可能な角度記録帯域を示すプロットである。

広視野を有するホログラフィックスキューミラーを書き込むための、全内部グレージング・エクステンション・ローテーション（ＴＩＧＥＲ）プリズム間に挟まれた、ホログラフィック記録媒体の異なるビューを示す。 広視野を有するホログラフィックスキューミラーを書き込むための、全内部グレージング・エクステンション・ローテーション（ＴＩＧＥＲ）プリズム間に挟まれた、ホログラフィック記録媒体の異なるビューを示す。 広視野を有するホログラフィックスキューミラーを書き込むための、全内部グレージング・エクステンション・ローテーション（ＴＩＧＥＲ）プリズム間に挟まれた、ホログラフィック記録媒体の異なるビューを示す。

図７Ａ〜図７Ｃのホログラフィック記録形状に使用されるＴＩＧＥＲプリズムの斜視図を示す。

ＴＩＧＥＲプリズムを伴うホログラフィック記録システム、及び図７Ａ〜図７Ｃに示した面外ホログラフィック記録形状を示す。 ＴＩＧＥＲプリズムを伴うホログラフィック記録システム、及び図７Ａ〜図７Ｃに示した面外ホログラフィック記録形状を示す。 ＴＩＧＥＲプリズムを伴うホログラフィック記録システム、及び図７Ａ〜図７Ｃに示した面外ホログラフィック記録形状を示す。

楔の対を用いた角度補正を示す。 楔の対を用いた角度補正を示す。 楔の対を用いた角度補正を示す。

面外ホログラフィック記録システムを用いて作られた、６０°の対角視野（５３．４°の水平視野、３１．６°の水平視野、及び１６：９のアスペクト比）を有するホログラフィックスキュー入力／出力カプラーの平面図を示す。

図１０のホログラフィックスキューミラーにおける、１番目及び２２８番目の格子の記録ビームのｋ空間表現を示す。

５３．４°の視野のホログラフィックスキューミラー出力カプラーの、スキューミラー内部角記録帯域のプロットである。

５３．４°の水平視野及び３１．６°の垂直視野を有する波導管に結合された、実験的に実現されたホログラフィックスキュー出力カプラーを示す。

図１３のホログラフィックスキューミラーの変調伝達関数（ＭＴＦ）プロットを集めた図である。

広視野のホログラフィックスキューミラーを備えた頭部搭載型ディスプレイを示す。

ホログラフィックスキューミラー

図１は、ホログラフィックスキューミラー１００の実空間表現を示す。このホログラフィックスキューミラー１００は、コロラド州ロングモントのＡｋｏｎｉａ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｓ ＬＬＣ社のＴａｐｅｓｔｒｙ（登録商標）ホログラフィックフォトポリマー媒体、又は独国ＬｅｖｅｒｋｕｓｅｎのＣｏｖｅｓｔｒｏ ＡＧ社のＢａｙｆｏｌ（登録商標）ＨＸ２００感光性の自己現像型フォトポリマーフィルムなどの、ホログラフィック格子媒体１１０に記録された格子構造１２０を含む。格子構造１２０は、多くの個別のホログラフィック格子を含むことができ、その各々は、狭い範囲の角度及び／又は波長にわたって光を反射する。
［０００１］
この場合、格子構造１２０は、スキュー軸１２１及び反射軸の両方を画定する多数のホログラフィック格子を含む。各ホログラフィック格子の格子ベクトルは、スキュー軸１２１と平行であるか又は一致しており、スキュー軸１２１は、ホログラフィック格子媒体１１０の面法線１１１に対してスキュー角φを形成する。上記で略説したように、各ホログラフィック格子は、内部入射角の特定の範囲にわたって、特定の波長又は波長範囲で光を反射する。内部入射角は、ホログラフィック格子媒体１１０の内部で測定したときの、格子構造１２０への入射角である。各ホログラフィック格子が入射光を反射する軸は、反射軸と呼ばれる。
［０００２］
各ホログラフィック格子の反射軸は、例えば約０．１°未満、０．０１°未満、０．００１°未満だけ、波長を伴うスキュー軸１２１から僅かに変化することがある。この非常に僅かな変化を考慮して、スキュー軸／反射軸は、スキューミラーを作ることを言及するとき（例えばホログラムをスキューミラー格子媒体に記録することを示すとき）に、スキュー軸と呼ばれることがあり、スキューミラーの光反射特性に言及するときに、反射軸と呼ばれることがある。

ホログラムの平均スキュー角（ホログラムの集合の平均スキュー角を含む）は、反射軸角と実質的に同一であり、スキュー角又は平均スキュー角が、反射軸角の１．０°、０．１°、０．０５°、０．０２°、０．０１６７°（１分角）以下であることを意味する。本開示の利益から、当業者は、スキュー角及び反射軸角は、理論的に同一となり得ることを認識するであろう。しかし、システムの精度及び正確さの限界、ホログラムの記録中に発生する記録媒体の収縮、及び他のエラー原因のために、ビーム角の記録に基づいて測定又は推定されたスキュー角、又は平均スキュー角は、入射角及びスキューミラーによって反射した光の反射角によって測定された反射軸角と、完全には一致しない場合もある。このばらつきは、単一のホログラムのレベルで生じ、ホログラムの厚さに反比例する。それにもかかわらず、媒体の収縮及びシステムの不完全性が、推定するスキュー角及び反射軸角におけるエラーの原因となる場合であっても、ビーム角の記録に基づいて決定されたスキュー角は、入射光及びその反射の角度に基づいて決定された反射軸角の、１．０°、０．１°、０．０５°、０．０２°、０．０１６７°以下にすることができる。

図１では、可視光の入射ビーム１０１'が、スキュー軸１２１に対して角度θ_ｉ'で、ホログラフィック格子媒体１１０の表面１１２に当たる。このビーム１０１'は、単色、多色、又は広帯域の可視光線であってもよい。ホログラフィック格子媒体１１０は周囲の空気よりも高い屈折率を有するため、入射ビーム１０１'が表面１１２で屈折して屈折入射ビーム１０１を形成する。屈折した入射ビーム１０１は、スキュー軸１２１に対して角度θ_ｉで、体積ホログラム１２０を照明する。角度θ_ｉは、内部入射角とも呼ばれる。なぜなら、これはホログラフィック格子媒体１１０の内部で測定された、体積ホログラム１２０への入射角度だからである。

体積ホログラム１２０は、スキュー軸１２１に対して角度θ_ｒで、屈折した入射ビーム１０１の少なくとも一部を反射する。角度θ_ｒは、内部反射角とも呼ばれ、図１で示したような内部入射角θ_ｉと等しい。換言すると、スキュー軸１２１は、内部入射角θ_ｉの倍に等しい角度を二等分する。

屈折した入射ビーム１０１の反射した部分は、主反射ビーム１０３と呼ばれる。主反射ビーム１０３は、ホログラフィック格子媒体１１０の表面１１２に当たる。主反射ビーム１０３は、この境界で屈折して、スキュー軸１２１に対して角度θ_ｒ'で、屈折した主反射ビーム１０３'を形成する。ホログラフィック格子媒体１１０の外側の自由空間で測定された、ホログラフィックスキューミラーの視野は、外部反射角θ_ｒ'の範囲によって決定される。

ホログラフィックスキューミラーのｋ空間表現

図２Ａ及び図２Ｂは、入射ビーム１０１及び主反射ビーム１０３がある場合とない場合の、図１に示したホログラフィックスキューミラー１００のｋ空間表現をそれぞれ示す図である。当業者は容易に理解するように、ｋ空間表現は複数の同心円を含み、その各々は、ホログラフィック媒体の特定の波長における光の光伝播ベクトル又は波動ベクトルを表す、ｋ球体の二次元投影である。波動ベクトルの長さは、

で表すことができ、ｎは屈折率、及びλは波長である。

ホログラフィック格子媒体１１０を含む一般的な分散性媒体では、波動ベクトル（したがってｋ球体の半径）は、波長が短いほど長い。したがって、最も内側の円２９０は、ホログラフィック格子媒体１１０における赤色光の波動ベクトルを表し、２番目に内側の円２９１は、ホログラフィック格子媒体１１０における緑色光の波動ベクトルを表し、外側から２番目の円２９２は、ホログラフィック格子媒体１１０における青色光の波動ベクトルを表し、最も外側の円２９３は、ホログラフィック格子媒体１１０における記録波長で波動ベクトルを表す。

図２Ａ及び図２Ｂは体積ホログラム１２０も示し、体積ホログラム１２０は線分状の分布としてｋ空間に現われ、その分布は、反射／スキュー軸１２１と平行である。図２Ｂはまた、体積ホログラムの格子ベクトルに対する、入射屈折ビーム１０１及び主反射ビーム１０３の波動ベクトルも示す。ｋ空間では、主反射ビーム１０３の波動ベクトルは、体積ホログラムの格子ベクトルと、入射屈折ビーム１０１の波動ベクトルとの合計である。

面内ホログラフィックスキューミラー記録システム

図３Ａ及び図３Ｂは、スキューミラー記録システム３００を示す。スキューミラー記録システム３００は、面内記録プリズム３３０ａ及び３３０ｂ（まとめて面内記録プリズム３３０）を用いて、一対の透明基板（図示せず）の間に配置したホログラフィック記録媒体３１０の中に、光を結合する。記録ビーム３３１とも呼ばれる信号ビーム３３１ａ及び参照ビーム３３１ｂが、面内記録プリズム３３０が存在しなければ基板と空気との境界において全内部反射（ＴＩＲ）を生成することになる角度で、ホログラフィック記録媒体３１０の中に導入され得るように、記録媒体３１０及び基板は面内記録プリズム３３０の間に挟まれる。面内記録プリズムは一般に基板と屈折率が整合され、プリズム３３０と基板（図示せず）との間に屈折率整合流体が適用され、プリズム／基板の境界における反射及び屈折を軽減することができる。実際には、屈折率整合は、ホログラフィック記録媒体３１０、基板、及びプリズム３３０の屈折率が約０．１以下以内であることを意味してよい。

ミラー３５０ａ及び３５０ｂ（まとめてミラー３５０）は、記録ビーム３３１ａ及び３３１ｂそれぞれを反射して、プリズム３３０ａ及び３３０ｂそれぞれを介してホログラフィック記録媒体３１０に入れる。各ミラー３５０ａ、３５０ｂは、記録ビーム３３１ａ、３３１ｂが対応するプリズム３３０ａ、３３０ｂの基体を照明するように、対応する記録ビーム３３１ａ、３３１ｂを導くように方向付けられる。記録ビーム３３１は、空気／基体の境界面で屈折し、次にホログラフィック媒体３１０の中に伝播することができ、そこで記録ビーム３３１が干渉して、ホログラフィック記録媒体３１０によって記録された（反射）格子を生成する。ホログラフィック記録媒体３１０及びプリズム３３０は、並進運動ステージ（図示せず）を使用して、ミラー３５０に対してｚ_Ｇ軸に沿って前後に並進運動し、ミラー３５０は、図３Ｂに示すように、スキューミラーを構成する一連の格子を記録するために回転する。

図３Ａ及び図３Ｂは、面内プリズムの場合の、グローバル座標又は記録器座標（ｘ_Ｇ，ｙ_Ｇ，ｚ_Ｇ）も示す。図３Ａ及び図３Ｂに示すグローバル座標の原点は、ホログラフィック記録媒体３１０の記録層の中心における出力カプラーの中心として定義される。記録のためのグローバル角度θ_Ｇは、ホログラフィック記録媒体３１０／プリズム３３０ａ内のｘ_Ｇ軸に対する記録ビーム３３１ａの角度と定義する。他の記録ビーム３３１ｂの公称角度は、１８０°−θ_Ｇ（表示せず）であり、そのため記録された格子ベクトルは、ｘ_Ｇ軸と実質的に位置合わせされていることに留意されたい。ホログラフィック記録媒体３１０／プリズム３３０ａ内の記録ビーム３３１間の角度、すなわちビーム間角度は、αと表示されている。グローバルスキュー角とは、ｘ_Ｇとｚ軸との間の角度であり、φ_Ｇと表示されている。

本開示の利益から、当業者は、面内プリズムの場合、次式によって標準座標（ホログラフィック記録媒体３１０の参照フレームにおける直交座標）をグローバル座標に変換できることを確認するであろう。

グローバル座標から標準座標への変換も容易に導出できる。

グローバル座標フレームでは、ホログラフィック記録媒体３１０の面法線は、ｚ_Ｇ軸に対して角度φ_Ｇ（グローバルスキュー角）を形成する。換言すると、ホログラフィック記録媒体３１０とｚ_Ｇ軸との間の角度は、ホログラフィックスキューミラーのスキュー軸を設定する。このスキュー軸は、例えばホログラフィック記録媒体３１０及びプリズム３３０を、適切なステージ及びマウントを用いて、記録ビーム３３１に対して回転させることによって、変化させることができる。

ホログラフィックスキューミラー、並びにホログラフィックスキューミラーの製造方法及び使用方法に関する更なる情報は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる、２０１６年６月６日に出願された「Ｓｋｅｗ Ｍｉｒｒｏｒｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｕｓｅ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」と題する米国特許出願第１５／１７４，９３８号を参照されたい。

面内記録を伴う視野の制約条件

残念ながら、一般的に面内記録システムは、広視野のホログラフィックスキューミラーを作るために使用することはできない。これは、幾何学形状と、ホログラフィックスキューミラーの体積ホログラフィック格子を記録するために使用するビームの波長とに課される制約のためである。これらの制約には、スキュー角、反射角を決定する格子周波数、及び、通常は電磁スペクトルの濃青色領域にある記録ビーム波長（例えば４００ｎｍ〜４３０ｎｍ）と、通常は電磁スペクトルの可視領域にある読み取りビーム波長との間の差、が挙げられる。

上記で略説したように、格子波動ベクトルの大きさ｜Ｋ_Ｇ｜として表すことができるホログラフィック格子の格子周波数は、その反射角を決定する。格子周波数が小さいほど、反射角は大きくなる。スキューミラーにとって、格子構造における格子ベクトルの大きさの範囲を大きくすることは、視野を増加又は広げるために必要である。しかし、ホログラフィック記録媒体の屈折率及びスキュー角の両方は、図３Ａ及び図３Ｂに示すような面内プリズムを介してアクセスされ得る、記録角度の範囲を制限する。スキュー角と、記録ビーム同士の間の角度との特定の組み合わせについて記録ビームの一方又は両方は、ホログラフィック記録媒体の表面と平行になることがあり、ホログラフィック記録媒体内の記録ビームに干渉することが不可能でなくとも困難になる。

これらの幾何学形状の制約がいかにホログラフィックスキューミラーの視野を限定するかを理解するために、図３Ａ及び図３Ｂに示す面内記録システム３００を検討する。図３Ｂに示すように、１つの記録ビーム３３１ｂ'が記録媒体３１０の表面に対して、他の記録ビーム３３１ａ'によって作られるグレージング角よりも急な（高い）グレージング角を成す。このグレージング角を増加させることで、ホログラフィック記録媒体によって記録されたホログラフィック格子の空間周波数（大きさ）を減少させ、次にスキューミラーの視野を広げる。残念ながら、グレージング角を増加させることは、記録品質を低下させることがある。なぜなら、それによってプリズム３３０とホログラフィック記録媒体３１０との間の収差、及び屈折率の不整合の影響を大きくするからである。

更に、スネルの法則が、最大グレージング角を制限することがある（正確な制限は、記録波長、記録媒体及び周囲の媒体の屈折率、並びにスキュー角に依拠する）。この制限を超えると、記録ビーム３３１ｂ'は、ホログラフィック記録媒体３１０に結合する代わりに、ホログラフィック記録媒体３１０から反射することがある。グレージング角の上限は、より低い周波数のホログラムを記録する能力を制限することがあり、これは、いくつかの色、特に大きいスキュー角のスキューミラーの視野を制限することがある。

図４Ａ及び図４Ｂは、図３Ａ及び図３Ｂそれぞれの面内記録形状の、ｋ空間表現を示す。図４Ａでは、記録ビーム３３１ａ及び３３１ｂはホログラフィック記録媒体に入射し、それによってそれらの波動ベクトルはビーム間の角度αを形成し、ホログラフィック格子を、スキュー軸４２１と平行である格子ベクトルＫ_Ｇと共に記録する。図４Ｂでは、記録ビーム３３１ａ'及び３３１ｂ'はホログラフィック記録媒体に入射し、それによってそれらの波動ベクトルは、ビーム間の角度α'を形成し、ホログラフィック格子を、スキュー軸４２１とも平行である格子ベクトルＫ_Ｇ'と共に記録する。

格子ベクトルのサイズは、対応するホログラフィック格子が入射光を反射する内部入射角を決定する。より小さい格子を有するホログラフィック格子は、スキュー軸から測定した、より大きい内部入射角で光を反射し、より大きい格子を有するホログラフィック格子は、スキュー軸から測定したときに、より小さい内部入射角で光を反射する。考えられる最大の格子ベクトルは、記録ビームの波動ベクトルが逆平行で、かつスキュー軸４２１と位置合わせされたときに記録される。対応するホログラフィック格子は、スキュー軸４２１に沿って格子媒体に入射する光を逆反射する（ホログラフィックスキューミラーでは「直入射」）。

記録ビーム３３１ｂ'とｘ軸との間の角度が縮小するので、ビーム間角度αも縮小し、格子ベクトルＫ_Ｇのサイズを減少させ、可能な視野を広げる。しかし最後には、記録ビーム３３１ｂ'とｘ軸との間の角度は小さくなりすぎて、記録ビーム３３１ｂ'は、ホログラフィック記録媒体３１０の中に屈折して入る代わりに、ホログラフィック記録媒体３１０の表面と平行になる。換言すると、記録ビーム３３１ｂ'の格子ベクトルがｋ_ｘと位置合わせされるとき、すなわち記録ビーム３３１ｂ'がホログラフィック記録媒体３１０の表面と平行であるときに、制限が発生する。このとき、もはや記録ビーム３３１ｂ'は、ホログラフィック記録媒体３１０内で他の記録ビーム３３１ａ'とは、反射格子を記録するために干渉しない。これは、格子ベクトルの最小サイズ、したがって視野を制限する。スキュー軸を回転させることで、この効果を補償することができるが、許容スキュー角／視野の組み合わせの範囲も制限する。

要約すると、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂは、面内記録形状における許容スキュー角と許容視野との間のトレードオフを示す。一般的に、面内記録では大きいスキュー角又は大きい視野を有することは可能であるが、両方は可能でない。

記録ビーム同士間のアクセス可能な最小角度差は、記録ビーム及び読み取りビームの波長、並びにホログラフィック記録媒体の分散に、部分的に依拠する。多くのホログラフィック記録媒体は、例えば４０５ｎｍの濃青色波長の格子を記録するため、及び、より長い波長の可視光の影響を受けないように、最適化される。しかし、面内記録システムにおいて、可視波長で広視野を生成するのに十分低い空間周波数における、反射格子を生成するのに十分小さい角度差で、ホログラフィック記録媒体内の濃青色のビームに干渉することは、困難又は不可能である。

記録ビームの波長を増大させると、この課題が緩和するが、より長い波長光に感応するホログラフィック記録媒体も必要となる。しかし、より長い波長光のためにホログラフィック記録媒体の感度を上げることによって、ホログラフィック記録媒体が、可視波長での不完全なブリーチングをより受けやすくなる。これは、可視光に敏感な光開始剤を伴うホログラフィック記録媒体は、可視光に露光されると重合することがあり、したがって可視波長で動作するホログラフィック光学素子を作るにはあまり適さないためである。更に、可視光に感応する光開始剤によって、望ましくない可視光の収光度を格子媒体に生じさせることがある。このため、ホログラフィック記録媒体は、可視波長で光を反射するスキューミラーへの使用には適さない。

広視野ホログラフィックスキューミラーを作るための面外記録

上記で説明したように、形状は、面内記録システムでホログラフィックスキューミラーに書き込むため、アクセス可能なビーム間角度（したがって最大視野）の範囲を制限する。しかし、本発明者らは、面内記録システムによってアクセスされる面から面法線を傾けることにより、より小さいビーム間角度にアクセスすることが可能であることを認識した。換言すると、媒体をスキュー軸の周りに９０°回転させることで、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂに示す制約条件を緩和する。

図５Ａ〜図５Ｄは、いかに記録ビーム５３１ａ及び５３１ｂ（まとめて記録ビーム５３１）を、ホログラフィック記録媒体３１０のｘ−ｚ面にあるｙ_Ｇ軸の周りに回転させるかを示し、面内記録形状で可能であるよりも短いホログラフィック格子を記録することを可能にする。図５Ａ及び図５Ｃは、記録システムの座標系フレームのｚ_Ｇ軸（すなわちホログラフィック記録媒体５１０のｙ軸）で傾けたホログラフィック記録媒体５１０に入射した、記録ビーム５３１の異なる視点からの実空間ビューを示す。記録ビーム５３１は、ｘ_Ｇ−ｚ_Ｇ面にもある格子ベクトルを記録するために、ｘ_Ｇ−ｚ_Ｇ面内で回転する。

図５Ｂ及び図５Ｄは、図５Ａ及び図５Ｃそれぞれで示す実空間ビューのｋ空間表現を示す図である。図５Ｂ及び図５Ｄの両図に示すように、記録ビーム５３１の波動ベクトルは、ホログラフィック記録媒体５１０内での記録ビームの運動量を表すｋ空間５９１のオフアクシススライスを形成する、ｘ_Ｇ−ｚ_Ｇ面内にある。面内記録形状と同様に、記録ビーム５３１間のビーム間角度を変えることで、格子ベクトルの長さが変化する。最長の格子ベクトル（最大｜Ｋ_Ｇ｜）は、記録ビーム５３１がｘ_Ｇ軸に沿って反対方向に伝搬するときに書き込まれ、最短の格子ベクトル（最小｜Ｋ_Ｇ｜）は、記録ビーム５３１'がｚ_Ｇ軸（ｙ軸）に沿って共に伝搬するときに発生する。図５Ａに示すように、これは両記録ビーム５３１'のグレージング条件となる。

当業者は、図５Ａ〜図５Ｃが、記録ビーム及びスキュー角の多くの考えられる向きのうちの１つのみを示していることを理解するであろう。スキュー角及び各記録ビームは、書き込み波長及びホログラフィック記録媒体の屈折率によって課せられた制約内で、望むように調整して、ホログラフィック格子を様々な空間周波数で記録することができる。ホログラフィック格子の正確な数及び空間周波数は、とりわけホログラフィックスキューミラーの所望の視野に依拠する。

面内記録対面外記録

図６は、特定の記録形状に対する、面外記録対面内記録プリズムの能力を示すプロットである。プロットは、５３．４°の水平視野を支持するスキュー軸φ＝−３０．２５°を伴う、導波頭部搭載ディスプレイ（ＨＭＤ）スキューミラー出力カプラーの空間格子周波数を示す。水平軸は格子周波数（ｒａｄ／ｍ）で、垂直軸は、格子ベクトル／スキュー角に対するブラッグ整合角を示す。５本の曲線は、５つの異なる示された波長のブラッグ整合角を示し、曲線６９０はホログラムが記録される（４０５ｎｍ）ときの波長、曲線６９１は４６３ｎｍ（青色）の波長、６９２は５２２ｎｍ（緑色）の波長、曲線６９３は６２２ｎｍ（赤色）の波長、及び曲線６９４は８６０ｎｍの波長である。４７．７５°及び１２．７５°における水平線は、色によってコード化された、赤色、緑色、及び青色の波長に必要な空間格子周波数の範囲を区分している。

面内記録プリズムを用いて、参照ビームのグレージング条件は、実線矢印で示すように、書き込み波長曲線が５９．７５°（＝９０°−φ）と交差するときに発生する。これは、面内記録システムが、実線矢印の左側にある格子を記録できないことを意味する。実線矢印の右側に近い格子は、参照ビームが非常に浅い角度で屈折率整合した境界上に入射するために、劣化を被ることがある。

しかし面外記録を用いると、書き込み波長曲線がプロットの左縁部で９０°交差するまで、グレージング条件は発生しない。白抜き矢印で示される最低書き込み角度は、参照ビーム及び信号ビームの両方の内部境界に対して約２２°となり、容易に実行可能な角度である。

面外ホログラフィックスキューミラー記録システムのＴＩＧＥＲプリズム

図７Ａ〜図７Ｃは、広視野でホログラフィックスキューミラーを記録できる、面外ホログラフィック記録システム７００の異なる斜視図を示す。このホログラフィック記録システム７００では、ホログラフィック記録媒体７１０は、一対の全内部グレージング・エクステンション・ローテーション（ＴＩＧＥＲ）プリズム７３０ａ及び７３０ｂ（まとめてＴＩＧＥＲプリズム７３０）の間に配置される。ホログラフィック記録媒体７１０はまた、一対の透明基板（図示せず）の間に挟まれてもよく、プリズム７３０に接触している透明基板の表面には、屈折率整合流体が配置される。これらの基板は、可視波長で、６０％、７０％、８０％、９０％、又はそれ以上の光を透過できる。ＴＩＧＥＲプリズム７３０は、全内部反射（ＴＩＲ）及びグレージング角の制約のために面内記録形状を用いてはアクセスできない角度で、記録ビームをホログラフィック記録媒体７１０に導入することを可能にする。

図７Ａ〜図７Ｃ（及び図５Ａ〜図５Ｄ）はまた、記録ビーム７３１ａ及び７３１ｂ（図５Ａ〜図５Ｄでは５３１ａ及び５３１ｂ）の対称性を示している。より具体的には、これらの図は、記録ビームとホログラフィック記録媒体７１０の面法線との間の角度の大きさが実質的に等しいことを示している。換言すると、記録ビーム７３１ａが、ホログラフィック記録媒体の面法線に対して第１の角度（例えば３２°）を形成する場合、記録ビーム７３１ｂとホログラフィック記録媒体の面法線とは、同じ大きさ（例えば−３２°）の角度を形成する。（ここで、記録ビーム７３１は平行であり、したがって一致する／平行な面法線を有する、ホログラフィック記録媒体７１０の表面に入射する。）これは、図５Ａ〜図５Ｄに示すように、記録ビーム７３１がホログラフィック記録媒体７１０に対して回転するため、成立する。

図７Ｄに示すように、各ＴＩＧＥＲプリズム７３０は、プリズム基体に対して傾斜したプリズム主面７３２ａ、７３２ｂ（まとめて主面７３２）を有する。この例では、プリズム７３０及びホログラフィック記録媒体７１０がスキューミラー記録システム内に存在するときに、各ＴＩＧＥＲプリズム７３０の主面７３２は、ホログラフィック記録媒体７１０に平行かつ直近にある六角形の面である。主面７３０の傾斜は、図５Ａ〜図５Ｄに示すような、面外記録ビーム角及びスキュー角にアクセスすることを可能にする。

ＴＩＧＥＲプリズム７３０は、ガラスの直方体又は矩形プリズムを２つのセクションに切断して撮像することによって視認することができる。直方体の切断は、直方体の面（プリズム面７３４ａ及び７３４ｂ）の内の一方の隣接する辺と、直方体の反対面（プリズム面７３６ａ及び７３６ｂ）の他の２つの辺に接続する別の対角線とを接続する、対角線を接合する面に沿っている。結果として得られる直方体のセクションは、ＴＩＧＥＲプリズム７３０の一致した対を形成する。

実際、ＴＩＧＥＲプリズムは、面外記録角度にアクセス可能に角度を付けられた斜面又はファセットを有する限り、任意の好適な形状であってよい。例えば、ＴＩＧＥＲプリズムは、平行六面体及び直角（幾何学的プリズム）を含む、任意の好適な多面体のセクションとして形成され得る。同様に、面／ファセットは、望みのように方向付け又は角度付けすることができ、必ずしも多面体を対称分割したものになる必要はない。面（及びホログラフィック記録媒体）はまた、湾曲していて、例えば球状、円筒状、又は円錐状の表面の少なくとも一部を形成してもよい。任意に湾曲した表面又は反った表面を含む、他の表面も可能である。

ＴＩＧＥＲプリズムの傾斜した主面７３２及び他の面（面７３４及び７３６など）を使用して、図７Ａ〜図７Ｃに示す２つの異なる座標系を画定することができる。図３Ａ及び図３Ｂに示す面内記録システムのように、軸ｘ_Ｇ、ｙ_Ｇ、及びｚ_Ｇは、ＴＩＧＥＲプリズム７３０の基準フレーム内の直交座標である。軸ｘ、ｙ、及びｚは、ホログラフィック記録媒体７１０の基準フレーム内の直交座標（別名標準座標）であり、ｚ軸はホログラフィック記録媒体７１０の表面に対して垂直に延びる。軸ｘ、ｙ、及びｚは、図５Ａ〜図５Ｄに示すｋ空間軸ｋ_ｘ、ｋ_ｙ、及びｋ_ｚの実空間での相当物である。

図７Ｃは、ＴＩＧＥＲプリズムの場合に標準座標軸がいかにスキューミラー記録器のプリズムと位置合わせされるかを示している。より具体的には、図７Ｃは、ｚ_Ｇ軸に沿ったＴＩＧＥＲプリズム７３０のビューを示し、ホログラフィック記録媒体７１０がφと等しい角度でそれらの間に挟まれている。示した形状では、φは負の符号（例えばφ＝−３０．２５°）を有することに留意されたい。ホログラフィック記録媒体７１０は、ｙ_Ｇ軸に対して傾いているので、標準座標からグローバル座標への変換について、ＴＩＧＥＲプリズム記録システム７００は、図３Ａ及び図３Ｂに示す面内記録システム３００とは異なる。本開示の利益から、当業者は、標準座標をＴＩＧＥＲプリズムの場合のグローバル座標に、式（２）によって変換できること確認するであろう。

最悪の場合の角度を記録ビーム３３１ｂグレージング角に課する図３Ａ及び図３Ｂの「面内」構成とは対照的に、ＴＩＧＥＲプリズム７３０は、記録媒体７１０をｘ_Ｇ軸の周りに回転させることができ、記録媒体７３１ａ及び７３１ｂのグレージング角の間の「差を分割」する。ＴＩＧＥＲプリズム構成７００及び面内構成３００は両方とも、ｘ_Ｇ軸と位置合わせされた格子ベクトルを記録することができ、したがって、同等の書き込まれたスキューミラーが得られる。しかし、ＴＩＧＥＲプリズム構成７００は、より小さい記録角度にもアクセスすることができ、それによって、面内構成よりも低い空間周波数の格子を記録することができる。

図８Ａ〜図８Ｃは、ＴＩＧＥＲプリズムベースのスキューミラー記録器８００を示す。スキューミラー記録器８００は、広視野ホログラフィックスキューミラーを作るために、ＴＩＧＥＲプリズム７３０を使用して図７Ａ〜図７Ｃに示す記録形状７００を実装する。これは、記録ビーム７３１ａ及び７３１ｂそれぞれを、マウント８６０のＴＩＧＥＲプリズム７３０同士の間に取り付けられたホログラフィック記録媒体７１０に向ける、ミラー８５０ａ及び８５０ｂ（まとめてミラー８５０）を含む。ＴＩＧＥＲプリズムベースのスキューミラー記録器８００はまた、ホログラフィック記録媒体７３０に対する記録ビーム７３１の角度、及び並進運動の位置合わせを調整するためのステージを含む。これらのステージは、３つのゴニオメータ８７０ａ〜８７０ｃ（まとめてゴニオメータ８７０）と、垂直並進ステージ８８０と、各ミラー８５０の回転ステージ８７２ａ及び８７２ｂ（まとめて回転ステージ８７２）と、取り付けられたホログラフィック記録媒体７１０及びＴＩＧＥＲプリズム７３０を前後に移動させるための、水平並進運動ステージ（図示せず）と、を含むことができる。

面内記録プリズムの場合、屈折補正及び他の調整は一般に、ミラー３５０を回転させ、ホログラフィック記録媒体を並進運動させることによって実行される。しかし、ＴＩＧＥＲプリズムを用いると、ミラー８５０を回転させること、又はホログラフィック記録媒体を並進運動させることでは調整できない、所望の面外角度の調整ができる。これは、ＴＩＧＥＲプリズムスキュー記録器８００に、ゴニオメータ８７０及び垂直ステージ８８０など他のアクチュエータを装着させ、面外角度調整を実行できるためである。

第１のゴニオメータ８７０ａは、第１の回転ステージ８７２ａの上方の回転ミラー８５０ａの下方に配置され、ミラー８５０ａを、ミラー面の水平中間線に実質的に位置合わせされた軸の周りで回転させることを可能にする。第１のゴニオメータ８７０ａの作動によって、ｘ_Ｇ−ｚ_Ｇ面から数度まで、記録ビーム７３１ａを上下に反射させることができる。同様に、第２のゴニオメータ８７０ｂは、記録ビーム７３１ｂもミラー８５０ｂによって独立して上下に反射できるように配置されている。同様に、第３のゴニオメータ８７０ｃは、第１及び第３のゴニオメータ８７０ａ、８７０ｃの組み合わせが任意の所望のビーム７３１ａ高さと垂直角度との組み合わせを（機械的制限内で）生成することができるように、回転ミラー８５０ａの上流側のミラー（符号は付さず）を上下に傾けることができる。垂直ステージ８８０は、記録媒体７１０を含む全体のプリズムパッケージ８６０の高さを上昇又は下降させることができる。

補正を実行するための補足的な方法は、記録ビーム７３１ｂの経路を調整するための更なるゴニオメータ（図示せず）を追加して、第１及び第３のゴニオメータ８７０ａ、８７０ｃが所望の高さと垂直角度との組み合わせを生成するのとほぼ同様にして、任意の所望の高さと垂直角度との組み合わせを生成するものである。

図９は、回転マウントで一対の光学楔を使用して、この屈折補正を実現する別の方法を示している。この一対の光学楔は、互いに対して位置合わせして、１つの楔で実現できる大きさの２倍の大きさの円錐内の角度を実現することができる。

本開示の利益から、当業者は、この構成では、小さい任意の垂直角度成分を各記録ビームの中に導入することが可能となり、一方でビームと記録媒体との間の重複も維持することを認識するであろう。例えば、参照ビーム７３１ｂの所望の垂直角度成分を、ゴニオメータ８７０ｂを使用して設定し、次に参照ビーム７３１ｂが所望の記録領域を通過するように、垂直ステージの高さを設定することができる。次に、信号ビーム７３１ａが、垂直ステージによって設定された高さと一致する高さにおいて、所望の垂直角度で導入されるように、ゴニオメータ８７０ａ及び８７０ｃを設定することができる。通常は、数度の垂直角度範囲及び数センチメートルの垂直運動のみで、所望の屈折補正及び他の調整を実行するのに十分である。

面外ホログラフィックスキューミラーのビーム間角度及びスキュー角の選択

図８Ａ〜図８Ｃに示す面外スキューミラー記録器８００を使用して、ホログラフィック記録媒体の体積内の１つ以上の体積ホログラムを記録することによって、広視野ホログラフィックスキューミラーを作ることができる。これらのホログラムを記録するために選択されるビーム間角度及びスキュー角は、所望の視野及びホログラフィックスキューミラーの作動波長範囲に依拠する。

いくつかの場合では、面外スキューミラー記録器８００は、多くの個別の格子を記録するために使用され得る。これら格子の各々は、異なる狭い範囲の入射角にわたって、１つ以上の波長の光を主として反射する。これらの範囲の入射角が、互いに重なるか、又は接近する場合、格子は広範囲の入射角にわたって光を反射して、広視野をもたらすことになる。あるいは、ホログラフィックスキューミラーは、ビーム間角度が変化する際に、一対の記録ビーム間の干渉を連続的に記録することによって書き込まれるホログラフィック格子を含み得る。この連続的に記録された格子は、広範囲の入射角にわたって光を反射して、広視野をもたらす。格子の他の組み合わせも、例えば特定の角度範囲にわたって光を反射するが、それ以外を反射しないか、又は特定の波長範囲にわたって反射するが、それ以外は反射しない、ホログラフィックスキューミラーを生成することが可能である。

少なくとも１つの例では、スネルの法則のベクトル形状を使用して、記録媒体とプリズムとの間の内部境界における屈折の際の、記録ビームの方向を計算することができる。ホログラフィーの当業者が理解するように、スネルの法則のベクトル形状は、２つ以上の座標軸に非ゼロ成分を含む角度でプリズム面などの光学的境界に当たる光線に、何が起こるかを表している。スネルの法則のベクトル形状は、次のような表面においてもたらされる屈折を示す。

ここで

は光境界の単位法線ベクトル、

は正規化された入射及び屈折した線方向ベクトルであり、ｎ_１及びｎ_２は第１及び第２の材料の屈折率である。ＴＩＧＥＲプリズムでは、このような屈折は通常、グローバル座標系の２つ以上の軸に非ゼロ成分を含む。

いくつかの実施形態では、屈折率は、記録媒体などの光学要素同士の間で一致せず、記録プリズムはスネルの法則を用いて補正される。例えば、記録露光中に、記録媒体７１０内の信号ビーム（図７Ａ〜図７Ｄ、図８Ａ〜図８Ｃ）に対して、内部線方向ベクトル

が望ましいことがある。外部角を決定するために、媒体７１０内の内部角θ_Ｇで

を生成するために適用されなければならない。このために、スネルの法則が記録プリズム７３０ａと記録媒体７１０との間の内部境界で適用され、プリズム７３０ａ内の光線方向ベクトルである

を決定することができる（小さい屈折の不一致でさえ、大きい屈折を生成することがあることに留意されたい）。次に、スネルの法則を再び記録プリズム７３０ｂの外部表面で適用して、

から外部光線方向ベクトル

を決定してよい。したがって、外部光線の方向ベクトル

は、回転ミラー８５０ｂによって設定され得るθ_Ｇを直接決定する。同様に、回転ミラー８５０ａの角度は、所望の基準光線方向ベルトル

から、記録プリズム７３０ａの内面及び外面を介してトレースすることによって決定することができる。

いくつかの実施形態では、屈折補正以外の理由で、記録角度に対する調整を行うことができる。他の調整の例として、分散補償、媒体収縮事前補償、及び変調用変成機能（ＭＴＦ）又はカラープレーン分離を改善するための経験的調整が挙げられる。例えば、これらの調整は、機器誤差、収縮、屈折率不整合などを補償するために実行することができる。このようなエラーは、（不完全な）ホログラムを用いて完全な試験スキューミラーを書き込むことによって、及びホログラムの不完全性を、試験スキューミラーの角度分散を波長の関数として測定することによって究明することで、経験的に判定することができる。これらの測定値を用いて、設計角度を調整することができる。一旦設計角度が調整されると、実際上不完全性を含まないホログラフィックスキューミラーを記録することが可能になる。

広視野のホログラフィックスキューミラー

実際に、面外スキューミラー記録器は、ホログラフィック記録媒体内のホログラフィック格子のうちの１つ以上（例えば１０、１００、又は１０００）を記録することによって、広視野のホログラフィックスキューミラーを作り出すことができる。角度走査ビームの単一連続露光における単一の格子とは反対に、一連の露光にわたって格子の個別なセットを書き込むことは、いくつかの利点を提供する。第１に、露光中の振動を抑制又は補償する必要性が低減される。第２に、連続格子に比べて、入射光をスペクトル的に二段抽出するという犠牲を払って、個別の格子は屈折率の変化Δｎを保存する（個別の格子が光照明スキューミラーに反射くし型関数を適用する）。第３に、光源のスペクトルに一致させる格子の間隔を入念に選ぶことで、デバイスがより効率的になる。

図１０は、面外書き込み形状を用いて作られた、広視野ホログラフィック入力／出力カプラー１０００を示している。ホログラフィックスキュー入力／出力カプラー１０００は、約１００ミクロン以上の厚さであってよいホログラフィック格子媒体１０１０に記録されたホログラフィック格子構造１０２０を含む。格子構造１０２０は２２８個の格子を含み、それらの各々は異なるビーム間記録ビーム角と共に記録され、したがって、記録波長において異なる格子周波数（｜Ｋ_Ｇ｜）を有する。これらの格子は、ホログラフィック格子媒体１０１０の面法線１０１１に対して約φ＝−３０．２５°のスキュー角を形成するスキュー軸１０２１を中心として方向付けられる。実際には、他のスキュー角、例えば２．０°、５．０°、１０．０°、１５．０°、３０．０°、４５．０°、６０．０°などより大きいスキュー角が可能である。スキュー角は、約１５．０°〜４５．０°（例えば約２０．０°〜約４０．０°、約２５．０°〜約３５．０°、約２７．５°〜約３２．５°など）の範囲であってよい。

また、格子は、ホログラフィックスキューミラー１０００で、反射軸１０２１から測定すると入射角θ_ＲＡＩ＝３４．５°の範囲の、１３．１°〜４７．６°の入射角の範囲で、実質的に一定である反射軸１０２１で内部入射光を反射させる。これは、約θ_ＦＯＶ＝５４．３°のホログラフィック格子媒体の外側の空気中で測定された視野に相当する。スキュー軸１０２１に対して１３．１°〜４７．６°で測定した角度範囲（約３４．５°の角度範囲）にわたる、斜線領域内１００１を伝搬する光線が、格子構造１０２０を照明する。格子構造１０２０は、主としてこの光を斜線領域１００３の中に反射する。斜線領域１００３は、スキュー軸１０２１の他方側で同じ角度範囲（−１３．１°〜−４７．６°）にわたる。第３の斜線領域１００３の主反射光は、表面１０２０で屈折して第４の斜線領域１００３'に入り、約５４．３°の水平視野にわたる。

図１０を参照すると、これは、スキュー軸１０２１から測定した４７．６°の角度で、光線１０９１に続く入射光が、光線１０９１とスキュー軸１０２１の周りで対称である光線１０９３に沿って、格子構造１０２０から反射することを意味する。この主反射光１０９３は、表面１０１２において光線１０９３'に沿って屈折する。同様に、光線１０８１'に続く入射光が、スキュー軸１０２１から測定した角度１３．１°で光線１０８１に沿って、ホログラフィックスキューミラー１０００の表面１０１２から全内部反射する。格子構造１０２０は、スキュー軸１０２１の周りで光線１０８１と対称である光線１０８３に沿って、この入射光を反射する。この主反射光１０８３は、表面１０１２において光線１０８３'に沿って屈折する。

図１１は、格子を記録するために使用される記録ビームの波動ベクトルと共に、１番目の格子Ｋ_Ｇ１及び２２８番目の格子Ｋ_Ｇ２２８の格子ベクトルのｋ空間表現を示す。格子ベクトル及び波動ベクトルが、４０５ｎｍの記録波長で約１．５４７１の屈折率を有するホログラフィック格子媒体１０２０のｋ球体１１９１に対して示されている。平面内に投影すると、格子ベクトル及び波動ベクトルの先端が楕円上に位置する。第１の格子Ｒ１_１及びＲ２_１それぞれの、第１及び第２の記録ビーム波動ベクトルは、反射軸１０２１に対してホログラフィック格子媒体で角度３２．０°及び１４８．０°をそれぞれ形成し、約４．１×１０^７ｒａｄ／ｍの格子周波数の第１の格子を生成する。２２８番目の格子の波動ベクトルＲ１_２２８及びＲ２_２２８は、スキュー角１０２１に対してホログラフィック格子媒体で角度６４．１°及び１１５．９°をそれぞれ形成し、約２．１×１０^７ｒａｄ／ｍの格子周波数の２２８番目の格子を生成する。各格子ベクトルは、面法線１０１１に対して−３０．２５°に角度付けられている。

図１０の格子構造１０２０における、この格子ベクトルは、約２．０×１０７ｒａｄ／ｍの格子周波数範囲にわたる。他の格子周波数及び格子周波数の範囲も可能であり、実際、格子周波数の範囲又は最大格子周波数と最小格子周波数との差は、約２．００×１０^５ラジアン／メートル〜約３．１５×１０^７ラジアン／メートル（例えば約２．００×１０^５ラジアン／メートル、１．６８×１０^６ラジアン／メートル、５．０１×１０^６ラジアン／メートル、１．２４×１０^７ラジアン／メートル、３．１５×１０^７ラジアン／メートル、又は任意の他の値又は部分範囲）であってよい。

格子は、ｋ空間内で均一に又は不均一に離隔されてもよい。約２．１×１０^７ｒａｄ／ｍ、及び約４．１×１０^７ｒａｄ／ｍの格子周波数を伴う、均一に離隔された約２２８個の格子について、隣接する格子ベクトル間の格子周波数の差は、約８．６８×１０^４ｒａｄ／ｍである。約５．０×１０^３ｒａｄ／ｍ、及び１．０×１０^７ｒａｄ／ｍの範囲内の間隔を含む、他の間隔も可能である。例えばホログラフィックスキューミラーが、ある波長又は角度の光を反射すべきであるが、その他は反射すべきではない場合は、不均一な間隔も可能である。例えば、格子周波数は、入射光のスペクトル、及び／又は効率を上げるための予想される入射角の範囲に基づいて、選択してよい。

角格子が異なる格子周波数を有するため、各格子は異なる入射角から異なる主反射角へ光を反射する。可能な入射角の範囲は、格子周波数範囲に依拠し、視野を決定する。例えば各格子は、１つの波長（例えば４６０ｎｍ、５１８ｎｍ、又は６１８ｎｍ）、２つの波長（例えば４６０ｎｍ及び５１８ｎｍ、又は５１８ｎｍ及び６１８ｎｍ）、３つの波長（例えば４６０ｎｍ、５１８ｎｍ、及び６１８ｎｍ）、又はそれより多い波長の光を反射することができる。格子は、可視波長、近赤外線（ＮＩＲ）波長、近紫外線波長、又はそれらの組み合わせの光を反射することができる。これにより、スキューミラーは、狭帯域光（例えばレーザーからの光）、広帯域光（例えば有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）からの光）、及び更には自然光（例えば太陽光）を反射できる。

入力／出力カプラーのため、スキュー軸は、例えば図１０に示すように面法線の近くの角度で、格子媒体を出入りする光を結合するように選択され得る。これらの場合、スキュー角は、全内部反射の臨界角に基づいてよい。この臨界角は、空気と格子媒体との間の境界であり、約４０．８１°（例えば、可視波長でｎ＝１．５３）である。

表１は、２２８個の均一な間隔の格子の各々についての、記録ビーム角及び格子周波数を列挙している。第１の記録ビーム角θ_Ｒ１及び第２の記録ビーム角θ_Ｒ２は、記録媒体の面法線に対して−３０．２５°のスキュー角を有するスキュー軸を基準とする。したがって、表１に列挙された格子ベクトルは、記録媒体の面法線に対して−３０．２５°に方向付けられ、この記録媒体は、全２２８個の格子が記録された後の格子媒体と称される。θ_Ｒ１及びθ_Ｒ２が媒体７１０内で測定され、プリズム７３０がないこと以外は、図７Ｂに示すように、θ_Ｒ１及びθ_Ｒ２は、θ_ＧＲ１及びθ_ＧＲ２それぞれに類似する。

全体として、表１の２２８個の格子は、反射軸に対して１３．１〜４７．６°の範囲（３４．５°の範囲）の入射角で、実質的に一定の反射軸で４６０ｎｍ、５１８ｎｍ、及び６１８ｎｍの入射光を反射するように構築される。反射軸は、面法線に対して−３０．２５°の角度の反射軸を有する。格子は、３つの重複するサブセットにグループ分けすることができ、その各々は、ある入射角の範囲で、特定の波長の入射光を反射軸で反射するように構築される。

格子１〜１４６を含むサブセット１は、反射軸に対して１３．１〜４７．７°の範囲の入射角で、実質的に一定の反射軸で４６０ｎｍ又はほぼ４６０ｎｍ（例えば４６０ｎｍを中心に２０〜４０ｎｍの帯域にわたる）の入射光（プローブ光と称され得る）を反射するように構築される。格子１〜２２８（すなわち表１の格子全て）は全体として、反射軸に対して１３．１〜５９．８°の範囲（４６．７°の範囲）の入射角で、実質的に一定の反射軸で４６０ｎｍの入射光を反射することができる。１３．１〜４７．６°の範囲は、実質的に一定の反射軸に対して共通の入射角で、青色光、グレーン光、及び赤色光を反射するように構築されたスキューミラーを対象とする。

格子５３〜１８２を含むサブセット２は、反射軸に対して１２．８〜４７．７°の範囲の入射角で、実質的に一定の反射軸で５１８ｎｍの入射光を反射するように構築される。全体として、格子４３〜２２８は、反射軸に対して３．１〜５５．６°の範囲（５２．５°の範囲）の入射角で、実質的に一定の反射軸で５１８ｎｍの入射光を反射することができる。１３．１〜４７．６の範囲は、本説明の目的を対象とする。

格子１２０〜２２８を含むサブセット３は、反射軸に対して１２．５〜４７．６°の範囲の入射角で、実質的に一定の反射軸で６１８ｎｍの入射光を反射するように構築される。格子１１２〜２２８は、反射軸に対して３．０〜４７．６°の範囲（４４．６°の範囲）の入射角で、実質的に一定の反射軸で６１８ｎｍの入射光を反射するように構築される。１３．１〜４７．６の範囲は、本説明の目的を対象とする。

少なくとも格子１９８〜２２８は、図３Ａ及び図３Ｂに示すような面内記録を用いて記録することはできない。なぜなら、面内記録形状は許容できない記録ビーム角である９０°になり、記録媒体の面法線より相対的に大きいからである。実質的には、格子１１５〜１９８は、理論的には可能であるが、記録ビーム角がグレージング条件に近づく（すなわち９０°に近づく）ため、面内アーキテクチャを使用することは問題となる可能性がある。図７Ａ〜図７Ｃに示すようなＴＩＧＥＲプリズムを使用する面外記録は、表１の全ての格子を書き込み可能にする。

記録ビーム角及び露光時間の選択

面外書き込み形状を伴うホログラフィックスキューミラーを作るために、コンピュータコードを使用して、書き込みビーム角及び露光時間を計算することができる。下記のコンピュータコードのスニペットは、対角視野から水平及び垂直視野を計算する。上述のように、このホログラフィックスキューミラー１０００は、６０°の対角視野（ホログラフィック記録媒体１０２０の外部で測定）を有する。変数ｇアスペクト＝９／１６の場合、アスペクト比は１６：９であり、多くのディスプレイに共通である。
g.dFoV ＝ 60; % diagonal angle
g.dia ＝ 2 ＊ tand（g.dFoV／2）; % diagonal size @ dist＝1.0
g.width ＝ g.dia ＊ cos（atan（g.aspect））;
g.height ＝ g.dia ＊ sin（atan（g.aspect））;
g.vFoV ＝ 2 ＊ atand（g.height／2）;
g.hFoV ＝ 2 ＊ atand（g.width／2）;

６０°の対角視野及び１６：９のアスペクト比は、５３．４°の水平視野及び３１．６°の垂直（ブラッグ縮退）視野（これもホログラフィック記録媒体の外部で測定）に相当する。（方向の選択は任意であり、反転させる、すなわち水平視野を３１．６°にし、垂直視野を５３．４°にすることもできる。）約１．５の屈折率（例えばｎ＝１．５３）のホログラフィック記録媒体では、媒体の内側で測定されたホログラフィック格子における水平入射角の範囲は、約３５°（例えば３４．１７°）である。

図１２は、異なるコンピュータコードによって生成された曲線のセットを示し、各カラー帯域のホログラム（ホログラフィック格子）を例示している。これらの曲線は、５３．４°の水平視野を有するホログラフィック出力カプラーの、スキューミラー内部角波長帯域１２０１ａ〜１２０１ｅを表す。左帯域１２０１ａは、赤色光を反射するホログラムを表す。中間帯域１２０１ｃは、全ての３色帯域に使用されるホログラムを表す。中間左帯域１２０１ｂは、緑色及び赤色帯域で共有されるホログラムを表す。中間右帯域１２０１ｄは、青色及び緑色帯域で共有されるホログラムを表す。そして、右帯域１２０１ｅは、青色光を反射するホログラムを表す。

コードは、表１の下に示す記録パラメータの表も生成した。パラメータは、それぞれ６２０ｎｍ、５２０ｎｍ、及び４６０ｎｍを中心とする、赤色、緑色、青色（ＲＧＢ）色帯域で、出力カプラーの５３．４°の水平視野を支持するために選択した。

表１の２２８個の行は、図７Ａ〜図７Ｄ及び図８Ａ〜図８Ｃに示す面外書き込み形状及びシステムを用いてスキューミラーをプログラムするための２２８種の露光に対応している。第１の列のグローバル角度は、回転ミラー８５０ａ（図８Ａ）によって設定された、媒体内部のｘ_Ｇ軸に対する信号ビーム７３１ａ（図７Ａ）の角度θ_Ｇを示す。回転ミラー８５０ｂは、媒体内部の角度１８０°−θ_Ｇで参照ビーム７３１ｂを送達するために設定される。列３の調整角度は、ゴニオメータ８７０を設定して、媒体内の両ビーム７３１の示された面外角度成分を生成するために使用する。信号ビームが上向き角度で送達され、参照ビームが同じ大きさで下向き角度で送達され、その逆も成り立つように、この調整は２つのビーム７３１に対して等しい大きさであるが、反対の符号である。記録媒体７１０の中心が記録ビーム７３１の交差部となるように、直線ステージ及び垂直ステージ８８０が設定される。次にシャッタを開いて、記録媒体７１０を列２に示す時間の間露光する。表１の全ての露光を記録した後、記録媒体７１０をスキューミラー記録器から取り外し、露光直後に非干渉性のＵＶＬＥＤ光源で後硬化させる。

実験実証

図１３は、表１に示すパラメータに従って組み立てられたホログラフィックスキューミラー出力カプラー１３００（例えば図１０に示す出力カプラー１０００など）を伴う、スラブ導波路１３５０を示す。ホログラフィックスキュー出力カプラー１３００は、５３．４°の水平視野及び３１．６°の垂直視野（ブラッグ縮退）を有していた。スキューミラー出力カプラーは、表１のパラメータに従って記録媒体にプログラムした。光学的に平坦な導波路パッケージは、Ａｋｏｎｉａ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ ＡＫ２９１フォトポリマー媒体の５００μｍの記録層１３１０を伴う、２つの１"×２"５００μｍ厚のＥａｇｌｅ ＸＧ ガラス基板１３５４を使用して組み立てられた。これらの基板は、両方向に入射する可視光の約９０％を透過させる。ＴＩＧＥＲプリズムスキュー記録器は、平行にした信号及び概ね４０ｍｍ径の参照ビームを、各ビームを概ね２ｍＷ／ｃｍ^２の光パワーで送達した。各ビームは、測定値２５×２１ｍｍ（幅×高さ）の矩形の開口によってアポダイズされた。

得られた導波路１３５０及び出力カプラー１３００をテストして、その特性を検証した。光学接着剤を使用して結合プリズムを導波路１３５０の左（ｘ＜０）端に取り付け、画像１３０１を、既製のピコプロジェクタを使用して結合プリズムを介して導波路に投影した。この画像を、記録層内で、基板境界での全内部反射を介して出力カプラー１３００内の格子に導いた。これらの格子は、面法線に対して約−３０．２５°の角度を形成する反射軸で、画像をカプラー１３００の外に（例えば目に向けて）反射する。出力画像１３０３'を、５３．４°の水平視野を概ね確認するために目視検査をした（ピコプロジェクタは３０°までの視野しか有さないので、手動で回転させて導波路範囲の両端部を調べた）。

変調伝達関数（ＭＴＦ）試験を視野にわたって実行して、投影された画像の品質を検証した。図１４は、視野にわたって測定されたＭＴＦの９つのプロットを集めた図である。図内のプロット位置は視野内の位置に対応している（すなわち左上のプロットは視野の左上に、中央は中央に対応する等）。図１４の水平軸の各プロットは空間周波数（サイクル／度）であり、垂直軸はコントラスト比（ＣＲ）である。濃い線は垂直ＭＴＦに相当し、薄い線は水平ＭＴＦに相当する。劣化の大部分はプロジェクタのレンズに起因し、これは、出力カプラーによって悪影響を受けない垂直ＭＴＦのＣＲが低いことによって実証される。

スキューミラーベースの頭部搭載ディスプレイ

図１５は、見る人の目１５９９に画像を投影するための、広視野スキューミラーベースのカプラーを備える頭部搭載ディスプレイ１５００を示す。１つ以上のレーザー又は発光ダイオード（ＬＥＤ）によって照明され、アイウェアのつる１５０４の中又はアイウェアのつる１５０４に沿って配置されるマイクロディスプレイなどの、画像ソース１５０２は、アイウェアのつる１５０４に実質的に平行方向に、１つ以上の色（例えば赤色、緑色、及び青色光）で画像光１５０１を放出する。一対の透明基板１５１２の間に挟まれた格子媒体に記録された格子構造を含む、スキュー入力カプラー１５１０は、光をスラブ波動路１５２０に結合する。（プリズム又は縁部結合を使用して、画像ソース１５０２からの光１５０１をスラブ波動路１５２０に結合することもできる。）スラブ波動路１５２０は、図１０に示すようなスキュー出力カプラー１５３０に、この光１５１１を導く。

このスキュー出力カプラー１５３０は、透明基板１５１２の間に挟まれた更なる格子媒体に記録された別の格子構造を含む。スキュー出力カプラー１５３０は、見る人が知覚したときに、例えば水平に約５０°及び垂直に約３０°に及ぶ広視野にわたって、見る人に向けてこの光１５３１を結合する。これにより、見る人に広視野の画像を知覚させることができる。図１５に示すように、スキュー入力カプラー１５１０は、約＋３０．２５°のスキュー角を有し、スキュー出力カプラー１５３０は、約−３０．２５°のスキュー角を有する（例えば図１０に示すスキュー入力／出力カプラーなど）。

結論

様々な発明の実施形態を本明細書で説明かつ図示してきたが、当業者は、様々な他の方法、並びに／又は、機能を実行するために、及び／若しくは結果を得るための構造、並びに／又は、本明細書で説明した１つ以上の利点を容易に着想するであろう。これらの変更及び／又は修正の各々は、本明細書で説明した発明の実施形態の範囲内にあるものとする。より一般的には、本明細書で説明した全てのパラメータ、寸法、材料、及び構成は例示的であり、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／又は構成は、発明の教示が用いられる特定の用途に依拠するであろうことを、当業者は容易に理解するであろう。当業者は、本明細書で説明された特定の発明の実施形態に対する多くの均等物について、認識することになるか、又は、単なる通常の実験のみを使用して確認することが可能となるであろう。したがって、前述の実施形態は例としてのみ提示されること、及び、添付の特許請求の範囲及びその同等物の範囲内で、発明の実施形態が特に記載され請求されたもの以外を実行し得ることを理解されたい。本開示の発明の実施形態は、本明細書で説明した各個別の特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法を対象とする。加えて、これらの特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は材料が互いに相反しない場合、２つ以上のこれらの特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法の任意の組み合わせは、本開示の発明の範囲内に含まれる。

上述の実施形態は、多くの任意の方法で実施できる。例えば、本明細書で開示した技術の設計及び製造の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせを用いて実施され得る。ソフトウェアで実施される場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピュータに提供されるか、又は複数のコンピュータの中で分配されるかのいずれかで、任意の好適なプロセッサ又はプロセッサの集合体で実行することができる。

本明細書で強調された様々な方法又はプロセス（例えば上記で開示した技術の設計及び製造）を、様々なオペレーティングシステム又はプラットフォームのうちの任意の１つを利用する、１つ以上のプロセッサで実行可能なソフトウェアとして、コード化してもよい。加えて、このようなソフトウェアは、いくつかの好適なプログラム言語、及び／又はプログラミングツール若しくはスクリプティングツールのいずれかを用いて書き込むことができ、フレームワーク又は実際の機械で実行される実行可能な機械言語コード、又は中間コードとして編集されてもよい。

この点において、様々な発明コンセプトを、１つのコンピュータ可読記憶媒体（又は複数のコンピュータ可読記憶媒体）（例えばコンピュータメモリ、１つ以上のプロッピーディスク、コンパクトディスク、光学ディスク、磁気テープ、フラッシュメモリ、フィールドプログラマブルゲートアレイ若しくは他のセミコンダクタデバイスの回路構成、又は他の非一時的媒体若しくは有形コンピュータ記憶媒体）として具現化することができ、１つ以上のコンピュータ又は他のプロセッサで実行されるときに、上述した発明の様々な実施形態を実施する方法を実行する１つ以上のプログラムと共に符号化され得る。コンピュータ可読媒体又はメディアは、移動可能であってよく、それによって、その中に記憶されたプログラムを１つ以上の異なるコンピュータ又は他のプロセッサでロードして、上述した本発明の様々な態様を実行することができる。

用語「プログラム」又は「ソフトウェア」若しくは「コード」は、コンピュータ又は他のプロセッサをプログラムするために利用して上述の実施形態の様々な態様を実施できる、任意のタイプのコンピュータコード又はコンピュータ実行可能命令を指すための、一般的な感覚で本明細書で用いられる。加えて、１つの態様に従って、実行されたときに本発明の方法を実行する１つ以上のコンピュータプログラムは、単一のコンピュータ又はプロセッサに常駐する必要はなく、いくつかの異なるコンピュータ又はプロセッサに中でモジュラー方式で分配され、本発明の様々な態様を実行できることを理解すべきである。

コンピュータ実行可能命令は、１つ以上のコンピュータ又は他のデバイスによって実行されるプログラムモジュールなど、多くの形態であってよい。概して、プログラムモジュールは、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、及び特定のタスクを実行するか又は特定の抽象データタイプを実装するデータ構造などを含み得る。通常、プログラムモジュールの機能性は、所望の様々な実施形態に組み合わせてもよく、又は割り当ててもよい。

また、データ構造を、任意の適切な形式でコンピュータ可読媒体に記憶してもよい。図を簡略化するために、データ構造が、データ構造の位置を介して関係するフィールドを有するよう示されることがある。このような関係は、フィールド間の関係を搬送するコンピュータ可読媒体内の場所と共に、フィールドの記憶を割り当てることによって同様に達成され得る。しかし、任意の好適な機構を用いて、ポインタ、タグ、又はデータ要素間の関係を確立する他の機構の使用を介することを含む、データ構造のフィールド間の情報の関係を確立してもよい。

また、様々な発明コンセプトが、例が提供された１つ以上の方法として具現化され得る。方法の一部として実行された行為は、任意の好適な方法で順序づけてよい。したがって、たとえ例示の実施形態では連続した行為として示されていても、実施形態は例示と異なる順序で行為が実行されるように構築されてもよく、いくつかの行為を同時に実行することを含んでよい。

ここで定義され使用される全ての定義は、辞書の定義、参照により組み込まれた文書中の定義、及び／又は定義された用語の通常の意味にわたって定めていることを理解すべきである。

本明細書及び特許請求の範囲で使用される不定冠詞［ａ］及び「ａｎ」は、そうでないことを明記しない限り、「少なくとも」を意味するものと理解すべきである。

本明細書及び特許請求の範囲で使用されるフレーズ「及び／又は（and/or）」は、結合した要素、すなわち、ある場合には結合して存在する要素、他の場合には分離して存在する要素の「どちらか又はどちらも」を意味することを理解すべきである。「及び／又は」と共に記載された複数の要素は、同じように、すなわち結合した要素のうちの「１つ以上」と解釈すべきである。具体的に識別されたそれらの要素と関係するか、又は関係しないかのいずれかで、「及び／又は」節によって具体的に識別された要素以外の、他の要素が任意で存在する。したがって、非限定の例として、「含んでいる（comprising）」などのオープンエンドの言葉と共に使用するとき、「Ａ及び／又はＢ」への言及は、一実施形態では、Ａのみ（任意でＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態ではＢのみ（任意でＡ以外の要素を含む）を指し、更に別の実施形態では、Ａ及びＢの両方（任意で他の要素を含む）を指す。

本明細書及び特許請求の範囲で使用されるとき、「又は（or）」は上記で定義したように「及び／又は」と同じ意味を有することを理解すべきである。例えば、リストのアイテムを分離するとき、「又は」又は「及び／又は」は包括的、すなわち、いくつかの要素又は要素のリスト、並びに任意で更なるリスト外のアイテムの内の、少なくとも１つを含むが、１つより多くも含むものと解釈され得る。対照的に、「のうちの１つだけ（only one of）」若しくは「のうちの唯一（exactly one of）」、又は特許請求の範囲で使用される「からなる（consist of）」など、明確に唯一であることを示す用語は、いくつかの要素又は要素のリストのうちの、ただ１つの要素の含包を指すことになる。一般的に、本明細書で使用する用語「又は」は、「どちらか一方（either）」、「のうちの１つ（one of）」、「のうちの１つだけ」、又は「のうちの唯一」などの排他的用語が先行する場合、排他的選択（すなわち一方又は他方であるが、両方ではない）を示すものとしてのみ解釈され得る。「から本質的になる（consisting essentially of）」が特許請求の範囲で使用される場合、特許法の分野で使用されるような通常の意味を有し得る。

本明細書及び特許請求の範囲で使用されるとき、１つ以上の要素のリストに関連するフレーズ「少なくとも１つ（at least one）」は、要素のリストの任意の１つ以上の要素から選択された少なくとも１つの要素だが、要素のリスト内で具体的に列挙された各全ての要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含む必要はなく、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを排除しないことを意味すると理解すべきである。この定義はまた、具体的に識別されたそれらの要素に関連するか、又は関連しないかのいずれかで、要素のリスト内で具体的に識別された要素以外で、フレーズ「少なくとも１つ」が指す要素を任意で提示させる。このように、非限定の例として、「Ａ及びＢの内の少なくとも１つ」（換言すると「Ａ又はＢのうちの少なくとも１つ」、又は換言すると「Ａ及び／又はＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、少なくとも１つ、任意で１つより多くを含み、Ｂを含まない（及び任意でＢ以外を含む）Ａを指し、別の実施形態では、少なくとも１つ、任意で１つより多く含み、Ａを含まない（及び任意でＡ以外の要素を含む）Ｂを指し、更に別実施形態では、少なくとも１つ、任意で１つより多くを含むＡ、及び少なくとも１つ、任意で１つ以上より多くを含むＢ（及び任意で他の要素を含む）を指す。

特許請求の範囲、並びに上記の明細書では、「含んでいる（comprising）」、「含んでいる（including）」、「保持している（carrying）」、「有している（having）」、「含有している（containing）」、「関わる（involving）」、「保持している（holding）」、「から構成される（composed of）」などの移行句は、オープンエンド、すなわち含むが限定しないことを意味することを理解されたい。米国特許商標庁の特許調査手順マニュアルのセクション２１１１．０３に記載されているように、移行句「からなる」及び「から本質的になる」だけが、クローズ又はセミクローズの移行句となり得る。

図７Ｃは、ＴＩＧＥＲプリズムの場合に標準座標軸がいかにスキューミラー記録器のプリズムと位置合わせされるかを示している。より具体的には、図７Ｃは、ｚ_Ｇ軸に沿ったＴＩＧＥＲプリズム７３０のビューを示し、ホログラフィック記録媒体７１０がφと等しい角度でそれらの間に挟まれている。示した形状では、φは負の符号（例えばφ＝−３０．２５°）を有することに留意されたい。ホログラフィック記録媒体７１０は、ｙ_Ｇ軸に対して傾いているので、標準座標からグローバル座標への変換について、ＴＩＧＥＲプリズム記録システム７００は、図３Ａ及び図３Ｂに示す面内記録システム３００とは異なる。本開示の利益から、当業者は、標準座標をＴＩＧＥＲプリズムの場合のグローバル座標に、式（２）によって変換できること確認するであろう。

Claims (41)

1. 格子媒体に存在する格子構造を備える光学反射デバイスであって、
   前記格子構造は主として入射光を反射光として反射するように構築され、
   前記入射光は第１の波長を含み、
   前記反射光は前記第１の波長を含み、
   前記第１の波長の前記入射光及び前記第１の波長の前記反射光は、反射軸によって二等分された角度を形成し、
   前記反射軸は、前記入射光が少なくとも１５°にわたる内部入射角の範囲で前記格子媒体に入射するときに、１°未満変化し、
   前記反射軸は、前記格子媒体の面法線とは少なくとも２．０°異なる、光学反射デバイス。
2. 前記反射軸は、前記入射光が少なくとも３０°にわたる内部入射角の範囲で前記格子媒体に入射するときに、１°未満変化する、請求項１に記載の光学反射デバイス。
3. 前記格子構造は、メートル当たり少なくとも２．００×１０^５ラジアンの範囲にわたる格子周波数（｜Ｋ_Ｇ｜）を有する、１つ以上のホログラムを含む、請求項１又は２に記載の光学反射デバイス。
4. 前記入射光は第２の波長を含み、
   前記反射光は前記第２の波長を含み、
   前記第２の波長は、前記第１の波長とは少なくとも約５０ｎｍ異なる、請求項１から３に記載の光学反射デバイス。
5. 前記入射光は第３の波長を含み、
   前記反射光は前記第３の波長を含み、
   前記第３の波長は、前記第１の波長及び前記第２の波長の各々とは少なくとも約５０ｎｍ異なる、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学反射デバイス。
6. 前記第１の波長は赤色領域に存在し、前記第２の波長は緑色領域に存在し、前記第３の波長は青色領域に存在する、請求項５に記載の光学反射デバイス。
7. 前記格子構造は、メートル当たり少なくとも１．６８×１０^６ラジアンの範囲にわたる格子周波数（｜Ｋ_Ｇ｜）を有する、１つ以上のホログラムを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学反射デバイス。
8. 前記格子構造は、メートル当たり少なくとも５．０１×１０^６ラジアンの範囲にわたる格子周波数（｜Ｋ_Ｇ｜）を有する、１つ以上のホログラムを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学反射デバイス。
9. 前記格子構造は、メートル当たり少なくとも１．２４×１０^７ラジアンの範囲にわたる格子周波数（｜Ｋ_Ｇ｜）を有する、１つ以上のホログラムを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の光学反射デバイス。
10. 前記格子構造は、メートル当たり５．１０×１０^５ラジアンより大きく、メートル当たり３．１５×１０^７ラジアン未満の範囲にわたる格子周波数（｜Ｋ_Ｇ｜）を有する、１つ以上のホログラムを含む、請求項２から６のいずれか一項に記載の光学反射デバイス。
11. 前記１つ以上のホログラムは少なくとも９つのホログラムを含む、請求項７から１０のいずれか一項に記載の光学反射デバイス。
12. 前記少なくとも９つのホログラムの平均隣接数｜ΔＫ_Ｇ｜は、５．０×１０^３ｒａｄ／ｍ〜１．０×１０^７ｒａｄ／ｍの間の範囲に存在する、請求項１１に記載の光学反射デバイス。
13. 前記入射光は、前記光学反射デバイスの内側から前記格子構造に入射し、
    前記反射光は前記光学反射デバイスを出る、請求項１から１２のいずれか一項に記載の光学反射デバイス。
14. 前記格子媒体に隣接した少なくとも１枚の基板を更に備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光学反射デバイス。
15. 前記少なくとも１枚の基板は２枚の基板を含み、前記格子媒体は前記２枚の基板の間に配置されている、請求項１４に記載の光学反射デバイス。
16. 前記格子媒体は、少なくとも１００μｍ厚のフォトポリマー媒体を含み、前記２枚の基板は、前記入射光の少なくとも６０％、及び前記反射光の少なくとも６０％を透過する、請求項１５に記載の光学反射デバイス。
17. 前記格子媒体は第１の屈折率を有し、前記２枚の基板は、前記第１の屈折率の約０．１以内である第２の屈折率を有する、請求項１５に記載の光学反射デバイス。
18. 第１の波長の入射光によって、格子媒体に存在する格子構造を照明することであって、前記入射光は前記格子構造で反射して前記第１の波長の反射光を生成する、ことを含む方法であって、
    前記入射光及び前記反射光は、前記格子媒体の面法線に対して少なくとも約２．０°傾いた反射軸によって二等分された角度を形成し、
    前記反射軸は、前記入射光が少なくとも１５°にわたる内部入射角の範囲で前記格子媒体内の前記格子構造に入射するときに、１°未満変化する、方法。
19. 前記反射軸は、前記入射光が少なくとも３０°にわたる内部入射角の範囲で前記格子媒体に入射するときに、１°未満変化する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記格子構造を照明することは、
    前記入射光を前記格子媒体の中に結合することと、
    前記入射光を前記格子媒体内で全内部反射させることと、
    を含む、請求項１８に記載の方法。
21. 前記格子構造を照明することは、
    前記入射光を、前記格子媒体を介して前記格子構造まで少なくとも途中まで導くことを含む、請求項１８に記載の方法。
22. 前記入射光及び前記反射光は、前記第１の波長とは少なくとも約５０ｎｍ異なる第２の波長を含む、請求項１８に記載の方法。
23. 前記入射光及び前記反射光は、前記第１の波長及び前記第２の波長の各々とは少なくとも約５０ｎｍ異なる第３の波長を含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記格子媒体の前記面法線に対して約２５°の角度で前記格子媒体から出た前記反射光を結合することを更に含む、請求項１８に記載の方法。
25. 前記格子媒体を、前記反射したビームが人間の目を少なくとも部分的に照明するように、前記人間の目と光学的に連通させて配置することを更に含む、請求項１８に記載の方法。
26. 前記格子構造を照明することは、反射した画像が前記人間の目で視認できるように、前記格子構造を画像で照明することを含む、請求項２５に記載の方法。
27. 格子構造を包含する格子媒体を人間の目と光学的に連通させて配置することであって、前記格子媒体は面法線を画定する近位表面を有する、ことと、
    可視像を前記格子媒体の中に結合することと、
    前記可視像を、前記格子媒体内の少なくとも１つの全内部反射を介して前記格子構造に導くことと、
    前記格子構造から、前記面法線に対して少なくとも約２°の角度を形成する反射軸で、前記可視像を反射することと、
    前記格子媒体から出る前記可視像を前記近位表面を介して前記人間の目に向けて結合することであって、前記可視像は少なくとも約３０°の自由空間内の視野にわたる、ことと、を含む、方法。
28. 感光性媒体にホログラフィック格子を書き込む方法であって、
    前記感光性媒体を、第１のプリズムの傾斜面と第２のプリズムの傾斜面との間に配置することと、
    第１のビームを前記感光性媒体の第１の表面及び前記第１のプリズムの前記傾斜面を介して前記感光性媒体の中に結合することであて、前記第１のビームは前記第１の表面の面法線に対して第１の角度を形成し、前記第１の角度は第１の大きさを有する、結合することと、
    第２のビームを前記感光性媒体の第２の表面及び前記第２のプリズムの前記傾斜面を介して前記感光性媒体の中に結合することであて、前記第２のビームは前記第２の表面の面法線に対して第２の角度を形成し、前記第２の角度は前記第１の大きさに実質的に等しい第２の大きさを有する、結合することと、を含む、方法。
29. 前記感光性媒体内の第３のビーム及び第４のビームに干渉して、前記感光性媒体の中に第２のホログラフィック格子を形成することを更に含む、請求項２８に記載の方法。
30. ホログラフィック光学素子を備えるデバイスであって、前記ホログラフィック光学素子は、第１の次元において少なくとも約５０°の視野にわたって可視光を反射するように構築された少なくとも１つの格子を有し、前記視野は、前記ホログラフィック光学素子の外側で測定され、前記ホログラフィック光学素子の面法線を実質的に中心とし、前記少なくとも１つの格子は、前記面法線に対して少なくとも約１５°〜約４５°の角度に方向付けられた格子ベクトルを有する、デバイス。
31. 前記少なくとも１つの格子は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲の波長の可視光を前記視野にわたって反射するように構築されている単一の格子を含む、請求項３０に記載のデバイス。
32. 前記少なくとも１つの格子は複数の格子を含み、各々は、前記視野内の異なる角度で、前記可視光の１つの波長の入射光を反射するように構築されている、請求項３０に記載のデバイス。
33. 前記複数の格子を前記可視光で照明するために、前記ホログラフィック光学素子と光学的に連通した少なくとも１つの光源を更に備える、請求項３０に記載のデバイス。
34. 前記視野は前記第１の次元に直交する第２の次元において少なくとも約３０°である、請求項３０に記載のデバイス。
35. 前記反射軸と前記面法線とで形成される前記角度は約２０°〜約４０°である、請求項３０に記載のデバイス。
36. 前記ホログラフィック光学素子は、可視光に感応する光開始剤を実質的に含まなくてもよい、請求項３０に記載のデバイス。
37. 光を反射する方法であって、
    ホログラフィック光学素子内の少なくとも１つの格子を可視光で照明することを含み、前記少なくとも１つの格子は前記光の少なくとも一部を少なくとも約５０°の視野の上に反射し、前記視野は前記ホログラフィック光学素子の面法線に対して少なくとも約１５°〜約４５°の角度を形成する反射軸を中心としている、方法。
38. ホログラフィック光学素子を製造する方法であって、
    ホログラフィック記録媒体内部の第１のビーム及び第２のビームに干渉して第１の格子を形成することを含み、前記ホログラフィック記録媒体は平面状の表面を有し、前記第１の格子は第１の可視波長の入射光を少なくとも約５０°の視野の上に反射するような構造となっており、前記視野は前記ホログラフィック光学素子の前記平面状の表面の面法線に対して少なくとも約１５°〜約４５°の角度を形成する反射軸を中心としている、方法。
39. 前記第１のビーム及び前記第２のビームに干渉することは、
    前記第１のビームを第１のプリズムの傾斜表面を介して前記ホログラフィック記録媒体の中に結合することと、
    前記第２のビームを第２のプリズムの傾斜表面を介して前記ホログラフィック記録媒体の中に結合することと、を含む、請求項３８に記載の方法。
40. 請求項３８又は３９に記載の方法によって製作されるホログラフィック光学素子。
41. 複数の反射格子を有するホログラフィック光学素子を備え、前記複数の反射格子の中の各反射格子は、前記ホログラフィック光学素子の面法線と約１５°〜約４５°の角度を形成する格子ベクトルＫ_Ｇ、及びメートル当たり少なくとも２．００×１０^５ラジアンの格子周波数（｜Ｋ_Ｇ｜）を有する、デバイス。

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