JP2021515257A - 秩序化構造体を使用したエネルギー・リレー内の横方向エネルギー局在化ためのシステムおよび方法 - Google Patents

秩序化構造体を使用したエネルギー・リレー内の横方向エネルギー局在化ためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

秩序化エネルギー局在効果を誘発するエネルギー指向システムのためのエネルギー・リレーを製造するためのシステムおよび方法を開示する。秩序化エネルギー局在リレー材料分布の基準を開示する。横平面ならびに多次元秩序化材料構成を議論する。エネルギー局在特性を有するエネルギー・リレー材料の非ランダムパターンを形成するための方法およびシステムを開示する。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｌａｙｓ Ｕｓｉｎｇ Ｏｒｄｅｒｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」と題する２０１８年１月１４日出願の米国仮特許出願第６２／６１７，２８８号、および「Ｎｏｖｅｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎｄ Ｌｉｇｈｔ Ｆｉｅｌｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」と題する２０１８年１月１４日出願の米国仮特許出願第６２／６１７，２９３号に対する優先権の利益を主張するものであり、どちらも参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は、一般に、明視野エネルギーシステムに関し、より具体的には、リレー材料の非ランダム配置を使用したエネルギー・リレー内のエネルギーの横方向局在化のシステム、ならびにそのエネルギー・リレーを製造する方法に関する。
Ｇｅｎｅ ＲｏｄｄｅｎｂｅｒｒｙのＳｔａｒ Ｔｒｅｋにより世間一般に普及され、１９００年代初期に作家Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｍｏｓｚｋｏｗｓｋｉによって当初計画された「Ｈｏｌｏｄｅｃｋ」室内のインタラクティブな仮想世界の夢は、ほぼ一世紀の間、空想科学小説および技術革新に対するインスピレーションである。しかしながら、この経験の画期的な実現は、文献、メディア、ならびに子供達および同様に大人達の集合的な想像力の外には、全く存在していない。
秩序化エネルギー局在効果を誘発するエネルギー指向システムのためのエネルギー・リレーを製造するためのシステムおよび方法を開示する。エネルギー・リレー材料の非ランダムパターンを含むエネルギー・リレー材料、およびかかる材料を形成するための基準を開示する。横平面ならびに多次元エネルギー・リレー材料構成を議論する。秩序化エネルギー局在特性を有するエネルギー・リレー材料を形成するための方法およびシステムを開示する。
一実施形態では、エネルギー・リレーは、各モジュールが、第１のコンポーネント操作された構造および第２のコンポーネント操作された構造を備える、構造内に組み立てられた複数のモジュールを備え、構造内の各モジュールが、エネルギー・リレーの横平面内に、実質的に非ランダムパターンで第１および第２のコンポーネント操作された構造の配置を備え、第１および第２のコンポーネント操作された構造が、協働して、横平面に対して垂直である長手方向平面に沿ってエネルギーを輸送するように構成され、エネルギー・リレーが、横平面よりも長手方向平面において実質的に高いエネルギー輸送効率を有する。
一実施形態では、エネルギー・リレーは、各々がエネルギー・リレーの横平面に沿って一組の１つ以上の形状の断面形状を備える、複数の第１および第２のコンポーネント操作された構造を備え、複数の第１および第２のコンポーネント操作された構造が、エネルギー・リレーの横平面にわたって実質的にタイル状に配置され、エネルギー・リレーが、横平面に沿うよりも長手方向平面に沿って実質的に高いエネルギー輸送効率を有する。
一実施形態では、エネルギー・リレーは、各々が１つ以上のコンポーネント操作された構造を備え、かつ体積的にモザイク状に構成された、複数の体積型構造を備え、複数の体積型構造が、体積型構造の三次元モザイクに実質的に従ったアセンブリで配置され、アセンブリが、そこを通して長手方向にエネルギーを輸送するように構成され、かつ長手方向に対して垂直である横方向よりも長手方向において実質的に高い輸送効率を有し、複数の体積型構造が、体積型モザイクを通過する少なくとも１つの実質的に直線の経路が存在するように、体積的にモザイク状に構成され、実質的に直線の経路が、類似するコンポーネント操作された構造のみと実質的に一致し、長手方向に実質的に沿って配向される。
一実施形態では、エネルギー・リレーを形成するための方法は、複数の第１のコンポーネント操作された構造および複数の第２のコンポーネント操作された構造を提供することと、エネルギー・リレーの横平面内に第１および第２のコンポーネント操作された構造の実質的に非ランダムパターンを備える複数の第１および第２のコンポーネント操作された構造の第１の配置を形成することと、配置が所望の操作された特性を有するまで、少なくとも以下のステップを繰り返すことであって、該ステップが、第１および第２のコンポーネント操作された構造の第１の配置をアセンブリに処理するステップと、少なくともアセンブリの第１の部分を加熱するステップであって、形成されたエネルギー・リレーが、加熱される前に第１の横寸法を有する、加熱するステップと、加熱されたアセンブリの少なくとも第１の部分に沿って長手方向に張力を印加するステップであって、それによって、第１の横寸法よりも細い第２の横寸法を有するように第１の部分を変更し、一方で、横平面内の第１および第２のコンポーネント操作された構造の実質的に非ランダムパターンを実質的に維持する、印加するステップと、複数の実質的に類似する変更した第１の部分の第２の配置を形成するステップであって、先行する処理、加熱、および印加ステップのさらなる繰り返しのために、この第２の配置が、第１の配置の代わりに使用され得る、形成するステップと、を含む、繰り返すことと、を含む。
一実施形態では、エネルギー・リレーを形成するための方法は、複数の第１のコンポーネント操作された構造および複数の第２のコンポーネント操作された構造を提供することと、エネルギー・リレーの横平面内に第１および第２のコンポーネント操作された構造の実質的に非ランダムパターンを備える第１および第２のコンポーネント操作された構造の配置を形成することと、を含み、第１および第２のコンポーネント操作された構造の配置が、横平面に対して垂直である長手方向平面に沿って、エネルギーを輸送するように構成され、配置が、横平面よりも長手方向平面において実質的に高いエネルギー輸送効率を有する。
エネルギー指向システムの設計パラメータを示す概略図である。 機械的エンベロープを有する能動装置領域を有するエネルギーシステムを示す概略図である。 エネルギー・リレーシステムを示す概略図である。 互いに接着されてベース構造体に固定されたエネルギー・リレー素子の一実施形態を示す概略図である。 マルチコア光ファイバを介して中継された画像の一例を示す概略図である。 横アンダーソン局在原理の特性を呈する光リレーを通るリレーされた画像の一例を例解する概略図である。 エネルギー面から視認者に伝搬する光線を示す概略図である。 本開示の一実施形態に基づいて、オイルまたは液体内の２つの成分材料を混合することによって横アンダーソン局在を達成する可撓性エネルギー・リレーの切取図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、結合剤内の２つのコンポーネント材料を混合することによって横アンダーソン局在を達成し、その際に、１つの材料特性について１つの方向における最小変動の経路を達成する、剛性エネルギー・リレーの概略切取図を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、エネルギーを吸収するように設計された長手方向における寸法外壁吸収（「ＤＥＭＡ」）材料の包含物の横平面の概略切取図を例解する。 ２つのコンポーネント材料のランダム分布を備えるエネルギー・リレーの一部分の横平面の概略切取図を例解する。 単一のモジュールを画定する３つのコンポーネント材料の非ランダムパターンを備えるエネルギー・リレーのモジュールの横平面の概略切取図を例解する。 ２つのコンポーネント材料のランダム分布を備える予融合エネルギー・リレーの一部分の横平面の概略切取図を例解する。 類似の配向を有する多数のモジュールを画定する３つのコンポーネント材料の非ランダム分布を備える予融合エネルギー・リレーの一部分の横平面の概略切取図を例解する。 配向を変化させた多数のモジュールを画定する３つのコンポーネント材料の非ランダムパターンを備える予融合エネルギー・リレーの一部分の横平面の概略切取図を例解する。 ２つのコンポーネント材料のランダム分布を備える融合エネルギー・リレーの一部分の横平面の概略切取図を例解する。 ３つのコンポーネント材料の非ランダムパターンを備える融合エネルギー・リレーの一部分の横平面の概略切取図を例解する。 ２つの異なるコンポーネント操作された構造（「ＣＥＳ」）材料のランダム化された分布を備えるエネルギー・リレーの一部分の概略断面図を例解する。 ３つの異なるＣＥＳ材料の非ランダムパターンを備えるエネルギー・リレーの一部分の概略断面図を例解する。 ２つのコンポーネント材料の凝集粒子のランダム化された分布を備えるエネルギー・リレーの一部分の概略断面斜視図を例解する。 ３つのコンポーネント材料の凝集粒子の非ランダムパターンを備えるエネルギー・リレーの一部分の概略断面斜視図を例解する。 ２つのモジュール構造のうちの１つに配置された粒子の非ランダムパターンを備える予融合エネルギー・リレーの一部分の横平面の概略切取図を例解する。 可変粒子サイズを有する非ランダムパターンの３つの異なるＣＥＳ粒子の予融合配置の斜視説明図を例解する。 非ランダムパターンの３つの異なるＣＥＳ粒子の融合配置の斜視説明図を例解する。 粒子および追加のエネルギー抑制構造の非ランダムパターンを備える予融合エネルギー・リレーの一部分の横平面の概略切取図を例解する。 粒子および追加のエネルギー抑制構造の非ランダムパターンを備える融合エネルギー・リレーの一部分の横平面の概略切取図を例解する。 六角形状の粒子の非ランダムパターンを備える予融合エネルギー・リレーのモジュールの斜視図を例解する。 六角形状の粒子の非ランダムパターンを備える融合エネルギー・リレーのモジュールの斜視図を例解する。 不規則形状のＣＥＳ領域の非ランダムパターンを備える予融合エネルギー・リレーのモジュールの斜視図を例解する。 エネルギー・リレーを製造するための予融合管およびペレットシステムの一部分の斜視断面図を例解する。 エネルギー・リレーを製造するための融合管およびペレットシステムの一部分の斜視断面図を例解する。 ３つのコンポーネント材料の粒子の非ランダムパターンを備える予融合エネルギー・リレーのモジュールの横平面の概略切取図を例解する。 ３つのコンポーネント材料および周囲のエネルギー抑制材料の粒子の非ランダムパターンを備える予融合エネルギー・リレーの一部分の横平面の概略切取図を例解する。 非ランダムパターンに配置されたエネルギー輸送材料の可撓性外側筐体、エンドキャップ、およびペレットを備える予融合エネルギー・リレーの横平面の断面図を例解する。 可撓性リレーの融合バージョンの断面図を例解する。 非融合および非撓曲状態の可撓性リレーの断面図を例解する。 融合および非撓曲状態の可撓性リレーの概略断面図を例解する。 融合前の非ランダムパターンのエネルギー・リレーの横平面の概略切取図を例解する。 元のおよび低減させた横寸法構成を含む、融合後の、形成された非ランダムパターンのエネルギー・リレーの横平面の概略切取図を例解する。 低減させた横寸法を有する非ランダムパターンのエネルギー・リレーを形成するための一実施形態を例解する。 微細構造材料にリレー材料を加熱し、引っ張るためのプロセスのブロック図を例解する。 低減させた横寸法を有する非ランダムパターンのエネルギー・リレーを形成するための一実施形態を例解する。 予融合リレー材料を固定具に取り付けることによって、エネルギー・リレー材料を融合させるための一実施形態を例解する。 エネルギー・リレー材料を緩和および融合させるプロセスの一部として、エネルギー・リレー材料を含む組み立てられた固定具の斜視図を例解する。 融合秩序化エネルギー・リレー材料を形成するために、材料を一緒に融合させた後の、エネルギー・リレー材料を含む組み立てられた固定具の斜視図を例解する。 エネルギー・リレー材料を融合させるための、調整可能な固定具の一実施形態の斜視図を例解する。 図２６Ｄの調整可能な固定具の断面図を例解する。 エネルギー・リレーを形成するためのプロセスのブロック図を例解する。 非ランダムパターンを有するエネルギー・リレー材料の融合構造の斜視図を例解する。 図２９Ａおよび図２９Ｂは回転ドラム方法を使用して微細構造エネルギー・リレー材料を製造するための装置の一実施形態を例解する。 同上。 図３０〜図５８Ｇはエネルギー・リレー材料を非ランダムパターンに配置するための様々なタイル構成を例解する。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 ３つの異なるＣＥＳ材料を含む秩序化角錐の解体されたアセンブリの斜視図を例解する。 秩序化角錐のアセンブリの部分的に解体された構成の斜視図を例解する。 ３つの異なるＣＥＳ材料を含む秩序化角錐の拡張アセンブリの斜視図を例解する。 組み立てられた秩序化体積型構造の斜視図を例解する。 幾何学的モザイクの複数の秩序化体積型構造の斜視図を例解する。 追加の秩序化体積型構造を備えるアセンブリの斜視図を例解する。 エネルギー・リレー材料の秩序化体積型構造のアセンブリの横方向断面図を例解する。 エネルギー・リレー材料の秩序化体積型構造のアセンブリの長手方向断面図を例解する。 ３つの異なるサブ構造を備える体積型構造の一実施形態を例解する。 ２つの異なるサブ構造を備える体積型構造の一実施形態を例解する。 ３つの異なるサブ構造を備える体積型構造の一実施形態を例解する。 図６７Ａ〜図６７Ｃは異なって成形されたサブ構造を有する複数の異なる体積型構造のアセンブリを例解する。 同上。 同上。 図６８Ａ〜図６８Ｆは異なるサブ構造コンポーネント、ならびに特定の体積型構造の実施形態の内部構造を例解するワイヤモデルを有する体積型構造のさらなる実施形態を例解する。 同上。 同上。 同上。 同上。 同上。 アセンブリ内に配置された複数の体積型構造の一実施形態を例解する。 ６９Ｂおよび図６９Ｄはそれぞれ、長手方向および横方向に沿った、図６９Ａに示すアセンブリの断面図を例解する。 同上。 アセンブリ内に配置された複数の体積型構造の一実施形態を例解する。 図７０Ｂおよび図７０Ｃはそれぞれ、長手方向および横方向に沿った、図７０Ａに示すアセンブリの断面図を例解する。 同上。 ２つの異なる体積型構造のアセンブリの一実施形態を例解し、第１の体積型構造は、複数のより大きな第２の体積型構造の頂点においてモザイク状に構成される。 テーパ状エネルギー・リレーのモザイク配置を例解する。 ２つの複合光リレーテーパを直列に備えるエネルギー・リレー要素スタックの側面図を例解する。 内部反射の基本原理を示す概略図である。 光ファイバに入る光線およびリレーの出口でその結果得られる円錐形の光分布を示す概略図である。 本開示の一実施形態に基づいて、倍率が３：１である光テーパリレー構成、およびその結果得られる、取り付けられたエネルギー源の光の視角を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、エネルギー源の増加した全体的な視角をもたらす光テーパリレーのエネルギー源側面上の湾曲面を有する光テーパリレーを例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、エネルギー源側面に対して非垂直であるが平坦面を有する光テーパリレーを例解する。 エネルギー源の側面に凹面を有する光テーパリレーおよびテーパの照射円錐を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、エネルギー源の側面に同じ凸面を有するが、凹面の出力エネルギー面形状を有する光テーパリレーおよび光照射円錐を例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、湾曲したエネルギー源側面と一緒に結合されて、垂直なエネルギー源表面からエネルギー源可視画像を形成する、多数の光テーパモジュールを例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、垂直なエネルギー源側面形状および凸面のエネルギー源表面の中心軸の周りの放射型を一緒に結合させた多数の光テーパモジュールを例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、垂直なエネルギー源側面形状および凸面のエネルギー源側面の中心軸の周りの放射型を一緒に結合させた多数の光テーパリレーモジュールを例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、可視出力光線がエネルギー源から見てより均一になるように各エネルギー源が独立して構成されている、多数の光テーパリレーモジュールを例解する。 本開示の一実施形態に基づいて、エネルギー源側面およびエネルギー源がどちらも、入力および出力光線に対する制御を提供するために様々な形状で構成されている、多数の光テーパリレーモジュールを例解する。 多数の光テーパリレーモジュールの、その個々の出力エネルギー面が、視認者を囲むシームレスな凹面の円筒形エネルギー源を形成するように研削され、リレーの源の端部が平坦であり、各々がエネルギー源に接合されている配置を例解する。
Ｈｏｌｏｄｅｃｋ（集合的に「Ｈｏｌｏｄｅｃｋ設計パラメータ」と呼ばれる）の一実施形態は、十分なエネルギー刺激を提供して、人間の感覚受容器をだまし、仮想的、社会的、およびインタラクティブな環境内で受容されたエネルギーインパルスが真実であると信じ込ませ、１）外付けアクセサリ、ヘッドマウントアイウェア、または他の周辺機器を伴わない両眼視差、２）任意の数の視認者に対して同時に視認体積全域にわたる正確な運動視差、閉鎖、および不透明度、３）知覚されたすべての光線に対する、同期収束、目の遠近調節、および縮瞳を介した視覚的焦点、ならびに４）視覚、聴覚、触覚、味覚、嗅覚、および／またはバランスに対して人間の感覚「解像度」を超えるほどの十分な密度および解像度の収束エネルギー波伝搬を提供する。
これまでの従来の技術に基づいて、視覚系、聴覚系、体性感覚系、味覚系、嗅覚系、および前庭系を含むＨｏｌｏｄｅｃｋ設計パラメータ（Ｈｏｌｏｄｅｃｋ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ）によって示唆されたように、画期的な方法ですべての受容野を提供することが可能な技術から、我々は、数世紀とまでは言わないが、数十年経過したところにある。
本開示では、明視野およびホログラフィックという用語は、任意の感覚受容器応答の刺激のためのエネルギー伝搬を定義するために、同義的に使用され得る。最初の開示は、ホログラフィック画像および体積型ハプティクスに対するエネルギー面を通る電磁的および機械的エネルギー伝搬の例に言及し得るが、あらゆる形態の感覚受容器が、本開示の中で想定される。さらに、伝搬経路に沿ったエネルギー伝搬に対する本明細書に開示された原理は、エネルギー放出およびエネルギー捕捉の両方に適用可能であり得る。
今日、多くの技術が存在し、それらは、残念ながら、レンチキュラー印刷、ペッパーズゴースト、裸眼立体ディスプレイ、水平視差ディスプレイ、ヘッドマウントＶＲおよびＡＲディスプレイ（ＨＭＤ）、ならびに「擬似ホログラム」として一般化された他のそのような錯覚を含む、ホログラムと混同されていることが多い。これらの技術は、真のホログラフィックディスプレイの所望の特性のいくつかを呈し得るが、識別された４つのＨｏｌｏｄｅｃｋ設計パラメータのうちの少なくとも２つに対処するのに十分な任意の方法で、人間の視覚感覚応答を刺激する能力が不足している。
これらの課題は、エネルギー伝搬に対して十分にシームレスなエネルギー面を生成するための従来の技術によっては首尾よく実施されていない。しかしながら、視差バリア、ホーゲル、ボクセル、回折光学素子、マルチビュー投影、ホログラフィック拡散器、回転ミラー、多層ディスプレイ、時系列ディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ等を含む、体積式および方向多重化明視野ディスプレイを実施するには、様々な手法があるが、従来の手法は、画質、解像度、角度サンプリング密度、サイズ、コスト、安全性、フレームレート等に関する妥協を必要とすることがあり、最終的には実行不可能な技術となる可能性がある。
視覚系、聴覚系、体性感覚系のためのＨｏｌｏｄｅｃｋ設計パラメータを達成するために、それぞれの系の各々の人間の鋭敏さが研究され、人間の感覚受容器を十分欺くためにエネルギー波を伝搬させることが理解される。視覚系は、おおよそ１分まで解像することができ、聴覚系は、わずか３度の配置差を区別することができ、手の体性感覚系は、２〜１２ｍｍ離れた点を識別することができる。これらの鋭敏性を測定するには、様々な相反する方法があるが、これらの値は、エネルギー伝搬の知覚を刺激するためのシステムおよび方法を理解するには十分である。
よく知られている感覚受容器のうち、人間の視覚系は、単一の光子でさえ感覚を誘発することができることを考慮すると、はるかに感度が高い。この理由のため、本導入の多くは、視覚エネルギー波伝搬に焦点を絞り、開示されたエネルギー導波路表面内に結合された極めて低い解像度のエネルギーシステムは、適切な信号を収束させて、ホログラフィック感覚上の知覚を誘発してもよい。特に断りのない限り、すべての開示は、すべてのエネルギーおよび感覚領域に当てはまる。
視認体積および視認距離が与えられた視覚系に対するエネルギー伝搬の有効設計パラメータを計算する場合、所望のエネルギー面は、有効エネルギー位置密度の多くのギガピクセルを含むように設計され得る。広い視認体積、または近視野視認に関して、所望のエネルギー面の設計パラメータは、数百ギガピクセル以上の有効エネルギー位置密度を含んでもよい。比較すると、所望のエネルギー源は、入力環境変数に依存して、体積型ハプティクスの超音波伝搬の場合の１〜２５０有効ギガピクセルのエネルギー位置密度、またはホログラフィック音響の音響伝搬の場合の３６〜３，６００個の有効エネルギー位置のアレイを有するように設計されることができる。注目すべき重要なことは、開示された双方向エネルギー面アーキテクチャでは、すべての構成要素が、ホログラフィック伝搬を可能にするために、任意のエネルギー領域に対して適切な構造を形成するように構成され得ることである。
しかしながら、今日、Ｈｏｌｏｄｅｃｋを可能にするための主な課題は、利用可能な視覚技術および電磁気装置の限界を内包している。音響装置および超音波装置は、それぞれの受容野における感覚鋭敏性に基づいて所望の密度における大きさに数桁の違いがあることを考慮すると、それほど困難なものではないが、その複雑性を軽視すべきではない。ホログラフィックエマルジョンは、所望の密度を上回る解像度を伴って存在し、静止画像内の干渉パターンを符号化する一方で、最先端のディスプレイ装置は、解像度、データスループット、および製造の実現可能性によって制約される。これまで、単独のディスプレイ装置では、視力に対してほぼホログラフィックな解像度を有する明視野を有意に生成することができなかった。
高度現実的ライト・フィールド・ディスプレイのための所望の解像度を満たすことが可能な単一のシリコンベース装置の製造は、現実的ではなく、現在の製造能力を超える極めて複雑な製造プロセスを内包し得る。既存の多数のディスプレイ装置を一緒にタイル状に並べることに対する制約は、パッケージング、電子機器回路、筐体、光学部品により形成される継ぎ目および間隙、ならびに画像化、コスト、および／またはサイズの観点から結果として必然的に実行不可能な技術となる他の多くの課題を内包する。
本明細書に開示された実施形態は、Ｈｏｌｏｄｅｃｋを構築するための現実世界の道筋を提供し得る。
ここで、これ以降の本明細書に、添付図面を参照して、実施形態例について説明するが、添付図面は、本明細書の一部を形成し、それらは、実施されることが可能な実施形態例を例解している。本開示および付属の特許請求の範囲の中で使用されているように、「実施形態」、「実施形態例」、および「例示的実施形態」という用語は、必ずしも単一の実施形態を指しているわけではないが、それらは単一の実施形態であってもよく、また、様々な実施形態例が、実施形態例の範囲または趣旨から逸脱しなければ、容易に組み合わされ、同義的に使用され得る。さらに、本明細書内で使用される専門用語は、実施形態例を説明することのみを目的としており、限定されたものであることを意図されていない。この点において、本明細書で使用されるように、用語「ｉｎ」は、「の中（ｉｎ）」および「の上（ｏｎ）」を含んでもよく、用語「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、単数および複数への言及を含んでもよい。さらに、本明細書内で使用されているように、用語「ｂｙ」は、また、その文脈に従って「から（ｆｒｏｍ）」を意味してもよい。さらに、本明細書内で使用されているように、用語「ｉｆ」は、また、その文脈に従って「ｗｈｅｎ（の場合）」または「ｏｎ（のとき）」を意味してもよい。さらに、本明細書内で使用されているように、単語「および／または」は、関連して列挙された項目のうちの１つ以上の任意およびすべての可能な組み合わせを指し、包含し得る。
ホログラフィックシステムの検討
明視野エネルギー伝搬解像度の概要
明視野およびホログラフィックディスプレイは、エネルギー面位置が、視認体積内に伝搬された角度、色、および強度の情報を提供する複数の投影の結果である。開示されたエネルギー面は、追加の情報が同じ表面を通って共存および伝搬する機会を提供し、他の感覚系応答を誘導する。立体ディスプレイとは異なり、空間内の収束されたエネルギー伝搬経路の視認される位置は、視認者が視認体積の周りを移動しても変化せず、多数の視認者が、あたかも対象物が本当にそこに存在するかのように、実世界空間内の伝搬された対象物を同時に観察し得る。いくつかの実施形態では、エネルギーの伝搬は、同じエネルギー伝搬経路内に位置してもよいが、反対方向に位置してもよい。例えば、エネルギー伝搬経路に沿ったエネルギー放出およびエネルギー捕捉は、本開示のいくつかの実施態様では、両方とも可能である。
図１は、感覚受容器応答の刺激に関連した変数を例示する概略図である。これらの変数には、表面対角１０１、表面幅１０２、表面高さ１０３、確定したターゲット着座距離１１８、ディスプレイの中心からのターゲット着座視野視野１０４、両眼の間のサンプルとして本明細書に示された中間サンプルの数１０５、成人の瞳孔間の平均離隔距離１０６、人間の目の角度分単位の平均解像度１０７、ターゲット視認者位置と表面幅との間に形成される水平視野１０８、ターゲット視認者位置と表面高さとの間に形成される垂直視野１０９、結果として生じる表面全体の水平導波路素子解像度、または素子の総数１１０、結果として生じる表面全体の垂直導波路素子解像度、または素子の総数１１１、両眼の間における瞳孔間間隔、および両眼の間の角度投影に対する中間サンプル数に基づいたサンプル距離１１２、が含まれ、角度サンプリングは、サンプル距離およびターゲット着座距離に基づくことができ１１３、所望の角度サンプリングから導出された導波路素子当たり総水平解像度１１４、所望の角度サンプリングから導出された導波路素子当たり総垂直解像度１１５、装置水平は、所望の慎重なエネルギー源の確定数のカウントであり１１６、装置垂直は、所望の慎重なエネルギー源の確定数のカウントである１１７。
所望の最小解像度を理解するための方法は、視覚（または他の）感覚受容器応答の十分な刺激を確保するための以下の基準、すなわち、表面サイズ（例えば、８４インチ対角線）、表面アスペクト比（例えば、１６：９）、座席距離（例えば、ディスプレイからの距離１２８インチ）、座席視野（例えば、ディスプレイの中心に対して１２０度または＋／−６０度）、ある距離を隔てた所望の中間サンプル（例えば、両眼の間にある１つの追加伝搬経路）、大人の眼間の平均離隔距離（約６５ｍｍ）、および人間の目の平均解像度（約１角度分）に基づき得る。これらの例の値は、具体的なアプリケーション設計パラメータに応じたプレースホルダとみなされるべきである。
さらに、視覚感覚受容器に起因する値の各々は、他の系と置き換えられ、所望の伝搬経路パラメータを決定し得る。他のエネルギー伝播の実施形態の場合、聴覚系の角度感度を３度と低くなるように、また、手の体性感覚系の空間解像度を２〜１２ｍｍと小さくなるように考慮され得る。
これらの知覚の鋭敏さを測定するための様々な相反する方法が存在するが、これらの値は、仮想エネルギー伝搬の知覚を刺激するシステムおよび方法を理解するのに十分である。設計解像度を考慮するための多くの方法が存在するが、以下に提案される方法論は、実用的な製品検討と感覚系の生物学的な解像限界とを組み合わせる。当業者には理解されるように、以下の概要は、かかる任意のシステム設計を単純化したものであり、単なる例示的な目的のみのために考慮されるべきである。
感覚系の解像限界が理解されると、以下が与えられれば、受け取る感覚系が、単一のエネルギー導波路素子と隣接する素子とを識別できないように、総エネルギー導波路素子密度を計算することができる。
Figure 2021515257
上記の計算の結果、ほぼ３２×１８°の視野が得られ、ほぼ１９２０×１０８０個（最も近いフォーマットに丸められた）のエネルギー導波路素子が所望される。また、視野が（ｕ、ｖ）両方に対して両立し、エネルギー位置のより規則正しい空間サンプリング（例えば、ピクセルアスペクト比）を提供するように、変数を制約することもできる。システムの角度サンプリングが、最適化された距離における２点間で定義されたターゲット視認体積位置、および追加伝搬エネルギー経路を仮定すると、以下のように与えられる。
Figure 2021515257
この場合、眼間距離を活用してサンプル距離を計算するが、任意の尺度を活用して所与の距離としての適切なサンプル数を説明し得る。上記の変数を考慮すると、０．５７°当たり約１本の光線が望ましく、別々の感覚系当たりの系全体の解像度が、算出され得、以下のように与えられる。
Figure 2021515257
上記のシナリオを使って、視力システムに対して対処されたエネルギー面のサイズ、および角度解像度が与えられると、その結果得られるエネルギー面は、望ましくは、約４００ｋ×２２５ｋピクセルのエネルギー分解能位置、または９０ギガピクセルのホログラフィック伝搬密度を含み得る。これらの与えられた変数は、単に例示目的のみのためであり、他の多くの感覚およびエネルギーの計量上の検討事項が、エネルギーのホログラフィック伝搬の最適化に対して検討されるべきである。追加の実施形態では、１ギガピクセルのエネルギー分解能位置が、入力変数に基づいて求められてもよい。追加の実施形態では、１，０００ギガピクセルのエネルギー分解能位置が、入力変数に基づいて求められ得る。
現行技術の限界
活性領域、装置電子機器回路、パッケージング、および機械的エンベロープ
図２は、ある特定の機械的形状因子を伴う活性領域２２０を有する装置２００を示す。装置２００は、電力供給のためのドライバ２３０および電子機器回路２４０を含み、活性領域２２０に接続することができ、その活性領域は、ｘおよびｙの矢印により示されるような寸法を有する。この装置２００は、電力および冷却のコンポーネントを駆動するためのケーブル配線および機械的構造体を考慮に入れておらず、機械的設置面積は、可撓ケーブルを装置２００の中に導入することによってさらに最小化され得る。また、かかる装置２００の最小設置面積は、Ｍ：ｘおよびＭ：ｙの矢印により示される寸法を有する機械的エンベロープ２１０と呼ばれてもよい。この装置２００は、単に例解目的のみのためであり、特定用途向け電子機器回路設計は、機械的エンベロープ・オーバヘッドをさらに減らす可能性があるが、ほとんどすべての場合において、装置の活性領域の正確なサイズとはなり得ない。一実施形態では、この装置２００は、マイクロＯＬＥＤ、ＤＬＰチップ、もしくはＬＣＤパネル、または画像照明の目的を有する他の任意の技術に対する能動画像領域２２０と関連するため、電子機器回路の依存状態を例解する。
いくつかの実施形態では、より大規模なディスプレイ全体上に多数の画像を集約するために、他の投影技術を検討することも可能となり得る。しかしながら、このことは、投写距離、最小焦点、光学品質、均一なフィールド解像度、色収差、熱特性、較正、整列、追加サイズ、または形状因子に対するより大きな複雑化によるコストをもたらし得る。最も実用的な応用の場合、数十または数百個のこれらの投影源２００をホストとして機能させることは、結果として、より信頼性が低く、より大規模な設計となり得る。
単に例示的な目的だけのため、３８４０×２１６０サイトのエネルギー位置密度を有するエネルギー装置を仮定すると、エネルギー面に対して望ましい個別のエネルギー装置（例えば、装置１００）の数を算出し得、以下のように与えられる。
Figure 2021515257
上記の解像度の考慮を前提とすると、図２に示すものと同様の、ほぼ１０５×１０５個の装置が所望され得る。数多くの装置が、規則正しい格子状にマッピングされる場合もされない場合もある様々なピクセル構造を含み得ることに注意されたい。各完全なピクセル内に追加のサブピクセルまたは位置が存在するという場合には、これらは、活用され、追加の解像度または角度密度を生成し得る。追加の信号処理を使用して、ピクセル構造体（複数可）の指定された位置に従って、明視野を正しい（ｕ、ｖ）座標に変換する方法を決定することができ、各装置の、既知の較正された明示的な特性となり得る。さらに、他のエネルギー領域は、これらの比率および装置構造体の異なる取り扱いを必要としてもよく、当業者は、所望の周波数領域の各々の間にある直接的な内在的関係を理解するであろう。これについては、以降の開示の中でより詳細に示され、検討されるであろう。
結果得られた計算を使用して、最大解像度エネルギー面を生成するには、これらの個別の装置のうちのどれだけの個数が望ましいのかを理解し得る。この場合、視力閾値を達成するには、約１０５×１０５個または約１１，０８０個の装置が所望され得る。十分な感覚ホログラフィック伝搬に対してこれらの利用可能なエネルギー位置からシームレスなエネルギー面を作り出すことには、課題および斬新さが存在する。
シームレスなエネルギー面の概要
エネルギー・リレーのアレイの構成および設計
いくつかの実施形態では、各装置の機械的構造の制約による継ぎ目がない個別装置のアレイから高エネルギー位置密度を生成する課題に対処するための手法について開示されている。一実施形態では、エネルギー伝播リレーシステムにより、能動装置領域の有効サイズを増加させることが、機械的寸法を満たすか、または超過することを可能にして、リレーのアレイを構成し、かつ単一のシームレスなエネルギー面を形成し得る。
図３は、かかるエネルギー・リレーシステム３００の一実施形態を示す。図に示すように、リレーシステム３００は、機械的エンベロープ３２０に搭載された装置３１０を含み得、エネルギー・リレー素子３３０が、装置３１０からエネルギーを伝搬させる。リレー素子３３０は、装置の多数の機械的エンベロープ３２０が多数の装置３１０のアレイ中に配置されているときに生じ得る任意の間隙３４０を減らす能力を提供するように構成され得る。
例えば、装置の活性領域３１０が２０ｍｍ×１０ｍｍであり、機械的エンベロープ３２０が４０ｍｍ×２０ｍｍである場合、エネルギー・リレー素子３３０は、２：１の倍率で設計されて、小端部（矢印Ａ）において約２０ｍｍ×１０ｍｍ、拡大端部（矢印Ｂ）において４０ｍｍ×２０ｍｍであるテーパ形状を作り出すことができ、各装置３１０の機械的エンベロープ３２０を変更または衝突させることなく、これらの素子３３０のアレイを一緒にシームレスに整列させる能力を提供し得る。機械的に、リレー素子３３０は、一緒に接合または融着され、各装置３１０間の最低限の継ぎ目間隙３４０を保証しながら整列され、研磨されてもよい。かかる一実施形態では、目の視力限界より小さい継ぎ目間隙３４０を達成することが可能になる。
図４は、一緒に形成され、追加の機械的構造体４３０に確実に固定されたエネルギー・リレー素子４１０を有するベース構造体４００の一例を示す。シームレスなエネルギー面４２０の機械的構造体は、多数のエネルギー・リレー素子４１０、４５０を、リレー素子４１０、４５０を搭載するための接合または他の機械的プロセスを通じて、同じベース構造体に直列に結合させる能力を提供する。いくつかの実施態様では、各リレー素子４１０は、融着されるか、接合されるか、接着されるか、圧力嵌合されるか、整列されるか、またはそれ以外の方法で一緒に取り付けられて、その結果得られるシームレスなエネルギー面４２０を形成してもよい。いくつかの実施態様では、装置４８０は、リレー素子４１０の後部に搭載され、パッシブまたはアクティブ調芯されて、決められた公差を維持する範囲内で適切なエネルギー位置に整列することを確保し得る。
一実施形態では、シームレスなエネルギー面は、１つ以上のエネルギー位置を備え、１つ以上のエネルギー・リレー要素スタックは、第１および第２の側面を備え、各エネルギー・リレー要素スタックは、１つ以上のエネルギー位置とシームレスディスプレイ表面との間で延在する伝搬経路に沿ってエネルギーを指向する単一のシームレス表示面を形成するように配置され、ここで、終端エネルギー・リレー要素の任意の２つの隣接する第２の側面の端部間距離は、単一のシームレス表示面の幅より大きい距離において２０／４０の映像よりも良好な人間の視力によって定義されるような最小知覚可能外形よりも小さい。
一実施形態では、シームレスなエネルギー面の各々は、横方向および長手方向の配向に第１および第２の表面を形成する１つ以上の構造体を各々有する１つ以上のエネルギー・リレー素子を備える。第１のリレー表面は、結果として正または負の倍率となる第２のリレー表面と異なる領域を有し、第２のリレー表面全体を横切る表面輪郭の法線に対して＋／−１０度の角度を実質的に充填するように、第２のリレー表面を通ってエネルギーを通過させる第１および第２のリレー表面の両方に対して明白な表面輪郭を伴って構成されている。
一実施形態では、多数のエネルギー領域は、視覚、聴覚、触覚、または他のエネルギー領域を含む１つ以上の感覚エネルギー伝搬経路を指向するように、単一のエネルギー・リレー内、または複数のエネルギー・リレーの間に構成され得る。
一実施形態では、シームレスなエネルギー面は、１つまたは複数のエネルギー領域を同時に受信および放出の両方を行って、そのシステム全体にわたって双方向のエネルギー伝搬を提供するように、各第２の側面に対する２つ以上の第１の側面を含むエネルギー・リレーで構成される。
一実施形態では、エネルギー・リレーは、ゆるやかなコヒーレント素子として提供される。
コンポーネント設計構造体の導入
横アンダーソン局在エネルギー・リレーにおける開示された進展
エネルギー・リレーの特性は、横アンダーソン局在を誘発するエネルギー・リレー素子について本明細書に開示された原理に従って大幅に最適化されてもよい。横アンダーソン局在は、横方向には無秩序であるが長手方向には一貫性のある材料を通って輸送される光線の伝搬である。
これは、アンダーソン局在現象を生じさせる材料の影響は、波の干渉が横方向の配向の伝搬を完全に制限し得る一方で長手方向の配向の伝搬を継続するような多重散乱経路間のランダム化によるよりも、全反射による影響を受けにくいことを意味し得る。
さらに重要な利点としては、従来のマルチコア光ファイバ材料のクラッドを除去することである。このクラッドは、ファイバ間のエネルギーの散乱を機能的に除去するが、同時に光線エネルギーに対する障壁として機能し、これによって少なくともコア対クラッド比（例えば、７０：３０のコア対クラッド比では、受信されたエネルギー伝送のうちの最大７０％で送信し得る）まで伝送を減少させ、さらに、伝搬されたエネルギー内に強いピクセル化パターニングを形成する。
図５Ａは、かかる１つの非アンダーソン局在エネルギー・リレー５００の一例の端面図を示し、ここでは、画像が、光ファイバの固有の特性のためにピクシレーションおよびファイバー・ノイズが現れ得るマルチコア光ファイバを介して中継されている。従来のマルチモードおよびマルチコア光ファイバを使うと、中継された画像は、離散的なアレイコアの全反射特性のために本質的にピクセル化され得、そこでは、任意のコア間クロストークが変調伝達関数を低下させ、かつ輪郭ボケを増加させるであろう。従来のマルチコア光ファイバを使って結果として生成された画像は、図５Ａに示すものと同様の残留固定ノイズファイバパターンを有する傾向がある。
図５Ｂは、横アンダーソン局在の特性を示す材料を含むエネルギー・リレーを通過する同じ中継画像５５０の一例を示し、ここでは、中継パターンが、図５Ａの固定されたファイバパターンと比較して、より大きな密度の粒子構造を有する。一実施形態では、ランダム化された微小コンポーネント加工構造体を含むリレーは、横アンダーソン局在を誘発し、市販のマルチモードガラス光ファイバよりも高い、解決可能な解像度の伝搬で光をより有効に輸送する。
一実施形態では、横アンダーソン局在を呈するリレー素子は、三次元格子状に配置された３つの各々の直交平面内に、複数の少なくとも２つの異なるコンポーネント設計構造体を含み得、その複数の構造体は、三次元格子内の横平面内の材料波伝搬特性のランダム化された分布、および三次元格子内の長手方向平面内の材料波動伝搬特性の同様の値のチャネルを形成し、そこでは、エネルギー・リレーを通って伝搬するエネルギー波は、横方向の配向に対して、長手方向の配向により高い輸送効率を有し、空間的に横方向の向きに局在化されている。
一実施形態では、三次元格子内の横平面の材料波伝播特性のランダム化された分布は、分布のランダム化された性質のため、望ましくない構成につながり得る。材料波伝播特性のランダム化された分布は横平面全体にわたって平均上のエネルギーのアンダーソン局在を誘発し得るが、制御されていないランダム分布の結果として、類似する波伝播特性を有する類似する材料の限られた領域を偶然に形成し得る。例えば、類似する波伝搬特性のこれらの局所的な領域のサイズが、それらの意図するエネルギー輸送領域に対して大きすぎる場合、その材料を介したエネルギー輸送の効率の潜在的低減が存在し得る。
一実施形態では、リレーは、光の横アンダーソン局在を誘発することによって特定の波長範囲の可視光を輸送するために、コンポーネント設計構造体のランダム化された分布から形成され得る。しかしながら、それらのランダム分布のため、構造体は、可視光の波長よりも数倍大きい単一のコンポーネント設計構造体の連続領域を横平面にわたって形成するように、偶然に配置し得る。その結果、大きい連続する単一材料領域の長手方向軸に沿って伝搬する可視光は、横アンダーソン局在効果の低下を経験する場合があり、また、リレーを介した輸送効率の悪化を被る場合がある。
一実施形態では、エネルギー・リレー材料の横平面の材料波伝播特性の非ランダムパターンを設計することが望ましくなり得る。かかる非ランダム（または「秩序化」）分布は、横アンダーソン局在に類似する方法を介してエネルギー局在効果を理想的に誘発し、一方で、ランダムな特性分布から本質的に生じる変則的に分布する材料特性による輸送効率の潜在的な低下を最小にする。以下、エネルギー・リレー素子内の横アンダーソン局在の効果に類似する横エネルギー局在効果を誘発するために、材料波伝播特性の非ランダムパターンを使用することを、秩序化エネルギー局在と呼ぶ。
一実施形態では、多数のエネルギー領域は、視覚、聴覚、触覚、または他のエネルギー領域を含む１つ以上の感覚エネルギー伝播経路を指向するように、単一の秩序化エネルギー局在エネルギー・リレー内、または多数の秩序化エネルギー局在エネルギー・リレーの間に構成され得る。
一実施形態では、シームレスなエネルギー面は、１つ以上のエネルギー領域の受信および放出の両方を同時に行って、そのシステム全体にわたって双方向のエネルギー伝播を提供するように、各第２の側面に対する２つ以上の第１の側面を備える、秩序化エネルギー局在エネルギー・リレーで構成される。
一実施形態では、秩序化エネルギー局在エネルギー・リレーは、ゆるやかなコヒーレント素子または可撓性エネルギー・リレー素子として構成される。
４Ｄ ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ関数に関する考察
ホログラフィック導波路アレイを通るエネルギーの選択的伝搬
上記および本明細書全体にわたって考察されているように、明視野ディスプレイシステムは、一般に、エネルギー源（例えば、照明源）、および上記の考察で明確に示したような、十分なエネルギー位置密度で構成されたシームレスなエネルギー面を含む。複数のリレー素子を使用して、エネルギー装置からシームレスなエネルギー面にエネルギーを中継し得る。一旦、エネルギーが所要のエネルギー位置密度を有するシームレスなエネルギー面に送達されると、エネルギーは、開示されたエネルギー導波路システムを介して４Ｄ ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ関数に従って伝搬され得る。当業者により理解されるように、４Ｄ ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ関数は、当技術分野でよく知られており、本明細書では、これ以上詳述しない。
エネルギー導波路システムは、４Ｄ ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ関数の角度コンポーネントを表すことを通じて通過するエネルギー波の角度方向を変化させるように構成された構造体と共に、４Ｄ ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ関数の空間座標を表すシームレスなエネルギー面に沿って複数のエネルギー位置を通ってエネルギーを選択的に伝搬させ、そこでは、伝搬されたエネルギー波は、４Ｄ ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ関数により指向された複数の伝搬経路に従って空間内に収束し得る。
ここで、４Ｄ ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ関数に従って、４Ｄ画像空間における明視野エネルギー面の一例を示した図６を参照する。この図は、エネルギーの光線が視認体積内の様々な位置から空間６３０内でどのように収束するかを説明する際の視認者６２０へのエネルギー面６００のレイ・トレースを示している。図に示すように、各導波路素子６１０は、エネルギー面６００を通るエネルギー伝搬６４０を説明する四次元情報を画定する。２つの空間次元（本明細書では、ｘおよびｙと呼ばれる）とは、画像空間内で観察され得る物理的な複数のエネルギー位置、ならびに角度成分θおよびφ（本明細書では、ｕおよびｖと呼ばれる）であり、このことは、エネルギー導波路アレイを通って投影されるときに仮想空間内で観察される。通常、および４Ｄ ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ関数に従って、複数の導波路（例えば、小型レンズ）は、本明細書に記載されたホログラフィックまたは明視野システムを形成する際、ｕ、ｖ角度成分により画定された方向に沿って、ｘ、ｙ次元から仮想空間内の特定の位置にエネルギー位置を指向することができる。
しかしながら、当業者であれば、明視野およびホログラフィックディスプレイ技術に対する重要な課題は、回折、散乱、拡散、角度方向、較正、焦点、視準、曲率、均一性、素子クロストーク、ならびに減少する有効解像度ならびに極めて忠実にエネルギーを正確に収束させることができないことの一因となる他の多数のパラメータのいずれかを正確に考慮しなかった設計のために、制御されていないエネルギー伝搬を引き起こすことを理解するであろう。
一実施形態では、ホログラフィックディスプレイに関する課題に対処するための選択的エネルギー伝搬への手法は、エネルギー抑制要素、および４Ｄ ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ関数により画成された環境の中に、導波路の開口部を略平行エネルギーで実質的に満たすことを含み得る。
一実施形態では、エネルギー導波路のアレイは、各導波路素子が通って延在するように構成された複数のエネルギー伝搬経路を画定し、単一導波路素子を通過するのみのために各エネルギー位置の伝搬を制限するように位置づけられた１つ以上の素子によって抑制されたシームレスなエネルギー面に沿って、複数のエネルギー位置に対する所定の４Ｄ関数により定義された固有の方向において、導波路素子の有効アパーチャを実質的に充填し得る。
一実施形態では、多数のエネルギー領域は、単一のエネルギー導波路内に、または多数のエネルギー導波路の間に構成され、視覚、聴覚、触覚、または他のエネルギー領域を含む１つ以上の感覚エネルギー伝搬を指向し得る。
一実施形態では、エネルギー導波路およびシームレスなエネルギー面は、システム全体にわたって双方向のエネルギー伝搬を提供するように、１つまたは複数のエネルギー領域の受信および放出の両方を行うように構成される。
一実施形態では、エネルギー導波路は、エネルギーの非線形または非規則的なエネルギー分布を伝搬するように構成されており、そのエネルギー分布は、非送信ボイド領域を含み、デジタル符号化、回折、屈折、反射、グリン、ホログラフィック、フレネル、または壁、テーブル、床、天井、部屋、もしくは他の幾何学ベース環境を含む任意のシームレスなエネルギー面の向きのための同様な導波路構成を活用する。さらなる実施形態では、エネルギー導波路素子は、ユーザが３６０度構成でエネルギー面のすべての周辺からホログラフィック画像を視認することを可能にする任意の表面プロファイルおよび／または卓上視野を提供する様々な形状を生成するように構成され得る。
一実施形態では、エネルギー導波路アレイ素子は、反射表面としてもよく、それらの素子の配置は、六角形、正方形、不規則、半規則、湾曲、非平面、球面、円筒、傾斜規則、傾斜不規則、空間的に変化する、かつ／または多層化されてもよい。
シームレスなエネルギー面内の任意のコンポーネントの場合、導波路または中継コンポーネントとしては、以下に限定されないが、光ファイバ、シリコン、ガラス、ポリマー、光リレー、回折、ホログラフィック、屈折、または反射素子、光学面板、エネルギー結合器、ビームスプリッタ、プリズム、偏光素子、空間光変調器、能動ピクセル、液晶セル、透明ディスプレイ、またはアンダーソン局在もしくは全反射を呈する任意の同様な材料を挙げることができる。
Ｈｏｌｏｄｅｃｋの実現
ホログラフィック環境内で人間の感覚受容器を刺激するための双方向シームレスなエネルギー面システムの集約
多数のシームレスなエネルギー面を一緒にタイル張り、融着、接合、取り付け、および／または縫い合わせを行い、部屋全体を含む任意のサイズ、形状、輪郭、または形状因子を形成することによって、シームレスなエネルギー面システムの大規模な環境を構築することが可能になる。各エネルギー面システムは、双方向Ｈｏｌｏｄｅｃｋエネルギー伝搬、放出、反射、または感知用に集合的に構成された、ベース構造体、エネルギー面、リレー、導波路、装置、および電子機器回路を有するアセンブリを備え得る。
一実施形態では、タイル張り式シームレスエネルギーシステムの環境が、集約されて所与の環境内のすべての表面まで構成する設備を含む、大きくシームレスな平面または曲面壁を形成し、シームレス、不連続面、カット面、曲面、円筒、球面、幾何学的、または非規則的な形状の任意の組み合わせとして構成されている。
一実施形態では、平面表面の集約タイルは、劇場または会場ベースのホログラフィックエンターテイメントのための壁サイズのシステムを形成する。一実施形態では、平面表面の集約タイルは、ケーブベースのホログラフィー設置のために天井および床の両方を含む４〜６つの壁を有する部屋を被覆する。一実施形態では、湾曲した表面の集約タイルは、没入型ホログラフィー設置のための円筒型シームレス環境を生成する。一実施形態では、シームレス球形表面の集約タイルは、没入型Ｈｏｌｏｄｅｃｋベース体験のためのホログラフィックドームを生成する。
一実施形態では、シームレスな湾曲エネルギー導波路の集約タイルは、エネルギー導波路構造体内のエネルギー抑制要素の境界に沿って正確なパターンに従う機械端部を提供し、隣接する導波路表面の隣接するタイル状機械端部を接合、整列、または溶融し、結果としてモジュール式のシームレスなエネルギー導波路システムを得る。
集合タイル状環境のさらなる実施形態では、エネルギーは、複数の同時エネルギー領域に対して双方向に伝搬される。追加の実施形態では、エネルギー面は、明視野データが照明源によって導波路を通じて投影され、同時に同じエネルギー面を通じて受信され得るように設計された導波路を用いて、同じエネルギー面から同時に表示および捕捉する能力を提供する。さらなる実施形態では、深度検知および能動走査技術をさらに活用して、正確な世界座標内のエネルギー伝搬と視認者との間の相互作用を可能にしてもよい。追加の実施形態では、エネルギー面および導波路は、触覚または体積型ハプティクスのフィードバックを誘発するために、周波数を放射、反射または収束するように動作可能である。いくつかの実施形態では、双方向エネルギー伝搬と集合表面との任意の組み合わせが可能である。
一実施形態では、このシステムは、シームレスなエネルギー面の同じ部分に対して、少なくとも２つのエネルギー装置を対にするために、２つ以上の経路のエネルギー結合器と独立に対にされた１つまたは複数のエネルギー装置を有するエネルギー面を通して、エネルギーの双方向の放出および検知が可能なエネルギー導波路を備える、または１つまたは複数のエネルギー装置が、エネルギー面の後ろの、ベース構造体に固定された追加のコンポーネントに近接して、または軸外直接または反射投影もしくは感知のための導波路のＦＯＶの前および外部の位置に近接して固定されており、結果得られたエネルギー面が、導波路がエネルギーを収束すること、第１の装置がエネルギーを放出すること、および第２の装置がエネルギーを検知することを可能にし、ここで、情報は、伝搬されたエネルギーパターン内の干渉の、目および網膜による４Ｄ ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ追跡または検知、深度予測、近接、動き追跡、画像、色または音の形成、または他のエネルギー周波数解析を含むがこれらに限定されない、コンピュータビジョンに関連したタスクを実行するように処理される。さらなる実施形態では、追跡された位置は、双方向捕捉データと投影情報との間の干渉に基づいて、エネルギーの位置を能動的に計算し修正する。
いくつかの実施形態では、超音波センサ、可視電磁ディスプレイ、および超音波放出装置を含む３つのエネルギー装置の複数の組み合わせが、各装置のエネルギー領域に特有の加工特性、ならびに超音波および電磁エネルギーが、各装置のエネルギーを別々に指向および収束させ、分離したエネルギー領域のために構成されている他の導波路素子によっては実質的に影響を受けない能力をそれぞれ提供するように構成された２つの加工導波路素子、を含む３つの第１の表面の各々と一緒に単一の第２のエネルギー・リレー表面の中に結合されたエネルギーを伝搬させる３つの第１の中継表面の各々、に対して共に構成されている。
いくつかの実施形態では、符号化／復号化技術、ならびに較正された構成ファイルに基づいてエネルギー伝搬に適切な較正情報にデータを変換するための専用の集積システムを使用して、効率的な製造がシステムアーチファクトの除去、および得られたエネルギー面の幾何学的マッピングの生成を可能にする較正手順が開示されている。
いくつかの実施形態では、一連の追加のエネルギー導波路、および１つ以上のエネルギー装置が１つのシステムに一体化され、不明瞭なホログラフィックピクセルを生成し得る。
いくつかの実施形態では、導波路の直径よりも大きい空間解像度および／または角度解像度を提供するために、または他の超解像目的で、エネルギー抑制要素、ビームスプリッタ、プリズム、アクティブ視差バリアまたは偏光技術を含む、追加の導波路素子を統合することができる。
いくつかの実施形態では、開示されたエネルギーシステムは、仮想現実（ＶＲ）または拡張現実（ＡＲ）などの着用可能な双方向装置として構成することもできる。他の実施形態では、エネルギーシステムは、視認者のために、表示または受信されたエネルギーを、空間内の決定された平面に近接して焦点させる調整光学素子（複数可）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ウェーブガイド・アレイは、ホログラフィックヘッドマウントディスプレイに組み込まれてもよい。他の実施形態では、システムは、視認者がエネルギーシステムおよび現実世界環境（例えば、透明ホログラフィックディスプレイ）の両方を見ることが可能になる多数の光学経路を含んでもよい。これらの例では、システムは、他の方法に加えて近視野として提示され得る。
いくつかの実施形態では、データの送信は、情報およびメタデータの任意のデータセットを受信し、当該データセットを分析し、材料特性、ベクトル、表面ＩＤ、より疎なデータセットを形成する新規ピクセルデータを受信または割り当てを行う、選択可能または可変の圧縮率を有する符号化処理を含み、そこでは、受信されたデータは、２Ｄ、立体、マルチビュー、メタデータ、明視野、ホログラフィック、幾何学的形状、ベクトルもしくはベクトル化されたメタデータを含んでもよく、符号器／復号器は、２Ｄ、２Ｄプラス深度、メタデータ、もしくは他のベクトル化された情報、立体、立体プラス深度、メタデータ、もしくは他のベクトル化された情報、マルチビュー、マルチビュープラス深度、もしくは他のベクトル化された情報、ホログラフィック、または明視野コンテンツに対する画像処理を含む実時間またはオフラインのデータを、深度メタデータの有無にかかわらず深度推定アルゴリズムを介して変換する能力を提供し得、逆光線追跡方法は、特徴付けられた４Ｄ ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ関数を介して、様々な２Ｄ、立体、マルチビュー、体積、明視野、またはホログラフィックのデータから実世界座標に逆光線追跡によって生成されて得られた変換データを適切にマッピングする。これらの実施形態では、所望の全データ送信は、未処理の明視野データセットよりも数桁小さい送信情報となり得る。
テーパジ状エネルギー・リレー
拡張された機械的エンベロープを含む個々のエネルギー波源のアレイから高解像度を生成するという課題をさらに解決するために、テーパ状エネルギー・リレーを使用して、各エネルギー源の有効サイズを増大することができる。テーパ状エネルギー・リレーのアレイを一緒につなぎ合わせて、単一の連続したエネルギー面を形成すると、これらのエネルギー源に対する機械的要件の制限を回避することができる。
一実施形態では、１つ以上のエネルギー・リレー素子が、１つ以上のエネルギー位置と単一のシームレスなエネルギー面との間に延在する伝搬経路に沿ってエネルギーを指向するように構成され得る。
例えば、エネルギー波源の活性領域が、２０ｍｍ×１０ｍｍであり、機械的エンベロープが、４０ｍｍ×２０ｍｍである場合、各エネルギー波源の機械的エンベロープを変更するかまたは妨害することなく、これらのテーパのアレイを一緒にシームレスに整列させることができると仮定すると、テーパ状エネルギー・リレーは、２：１の拡大率で設計されて、小端部上に２０ｍｍ×１０ｍｍ（切断時）、および拡大端部上に４０ｍｍ×２０ｍｍ（切断時）のテーパを生成し得る。
図７２は、本開示の一実施形態に基づいて、１つのかかるテーパ状エネルギー・リレーモザイク配置７４００を例解する。図７２において、リレー装置７４００は、２つ以上のリレー素子７４０２を含むことができ、各リレー素子７４０２は、１つ以上の構造体で形成され、各リレー素子７４０２は、第１の表面７４０６と、第２の表面７４０８と、横方向の配向（表面７４０６、７４０８に対して略平行である）と、長手方向の配向（表面７４０６、７４０８に対して略垂直である）と、を有する。第１の表面７４０６の表面積は、第２の表面７４０８の表面積とは異なり得る。リレー素子７４０２の場合、第１の表面７４０６の表面積は、第２の表面７４０８の表面積よりも小さい。別の実施形態では、第１の表面７４０６の表面積は、第２の表面７４０８の表面積と同じかまたはそれよりも大きくなり得る。エネルギー波は第１の表面７４０６から第２の表面７４０８に、またはその逆に通過することができる。
図７２において、リレー素子装置７４００のリレー素子７４０２は、第１の表面７４０６と第２の表面７４０８との間に傾斜プロファイル部分７４０４を含む。動作中に、第１の表面７４０６と第２の表面７４０８との間を伝播するエネルギー波は、横方向の配向よりも長手方向の配向において高い輸送効率を有することができ、リレー素子７４０２を通過するエネルギー波は、空間拡大または空間縮小をもたらし得る。言い換えれば、リレー素子装置７４００のリレー素子７４０２を通過するエネルギー波は、増加した倍率または減少した倍率を経験し得る。一実施形態では、エネルギーは、ゼロ拡大で１つ以上のエネルギー・リレー素子を通って指向され得る。いくつかの実施形態では、リレー素子装置を形成するための１つ以上の構造体は、ガラス、カーボン、光ファイバ、光学薄膜、プラスチック、ポリマー、またはそれらの混合物を含み得る。
一実施形態では、第１の表面を通過するエネルギー波は、第１の解像度を有し、第２の表面を通過するエネルギー波は、第２の解像度を有し、第２の解像度は、第１の解像度の約５０％以上である。別の実施形態では、エネルギー波は、第１の表面に提供されたときには均一なプロファイルを有するが、第２のリレー表面の位置に関係なく、第２の表面の法線に対して＋／−１０度の開き角を有するコーンを実質的に満たす、前方方向のエネルギー密度であらゆる方向に放射しながら第２の表面を通過することができる。
いくつかの実施形態では、第１の表面は、エネルギー波源からエネルギーを受信するように構成されてもよく、エネルギー波源は、第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも一方の幅とは異なる幅を有する機械的エンベロープを有する。
一実施形態では、エネルギーは、長手方向の配向を定義する第１および第２の表面との間で輸送され得、リレーの各々の第１および第２の表面は、第１および第２の方向によって定義される横方向の配向にほぼ沿って延在し、ここで、長手方向の配向は、横方向の配向に実質的に垂直である。一実施形態では、複数のリレーを通って伝搬するエネルギー波は、横方向の配向よりも長手方向の配向において高い輸送効率を有し、横アンダーソン局在の原理による長手方向の配向の最小屈折率変動に伴う横方向の配向のランダム化された屈折率変動に起因する横方向の平面で空間的に局在化される。各リレーがマルチコアファイバで構築されているいくつかの実施形態では、各リレー素子内を伝搬するエネルギー波は、この向きのファイバの配列によって決定される長手方向に進行し得る。
機械的には、これらのテーパ状エネルギー・リレーは、それらを整列させてリレー間の可能な限り最小の継ぎ目間隙を確保するために、一緒に接合または融合される前に高精度に切断および研磨される。エネルギー・リレーの第２の表面によって形成されるシームレス表面は、リレーが接合された後に研磨される。かかる一実施形態では、テーパ材料に熱的に整合するエポキシを使用して、５０ｕｍの最大継ぎ目間隙を達成することが可能である。別の実施形態では、テーパアレイを圧縮および／または加熱下に置く製造プロセスは、素子を一緒に融着する能力を提供する。別の実施形態では、プラスチックテーパの使用は、追加の接合を伴わずに接合を創出するために、より容易に化学的に融着または熱処理され得る。疑義を避けるために、重力および／または力以外の接合を明示的に含まないように、任意の方法を使用してアレイを一緒に接合してもよい。
一実施形態では、終端エネルギー・リレー要素の任意の２つの隣接する第２の表面の縁部間の間隔は、単一のシームレスなエネルギー面の高さ、または単一のシームレスなエネルギー面の幅、のうちの小さい方である単一のシームレスなエネルギー面からの距離において、２０／４０の視野を有する人間の眼の視力によって画定されるような、最小知覚可能外形よりも小さくなり得る。
特定の許容範囲仕様を満たす様式で、複数のコンポーネントを保持するためには、機械的構造が好ましい場合がある。いくつかの実施形態では、テーパ状リレー素子の第１および第２の表面は、円形、楕円形、卵形、三角形、正方形、長方形、平行四辺形、台形、菱形、五角形、六角形などを含むがこれらに限定されない任意の多角形形状を有し得る。いくつかの例では、例えば長方形テーパなどの非正方形テーパの場合、リレー素子は、エネルギー源全体の最大寸法と平行な最小テーパ寸法を有するように回転させてもよい。この手法は、エネルギー源の中心点から見たときに、拡大されたリレー素子の許容円錐により、光線の最も低い拒絶を呈するエネルギー源の最適化を可能にする。例えば、所望のエネルギー源サイズが１００ｍｍ×６０ｍｍであり、各テーパ状エネルギー・リレーが２０ｍｍ×１０ｍｍである場合、所望のエネルギー源のサイズを生成するために、３×１０のテーパエネルギー・リレー素子のアレイを組み合わせることができるように、リレー素子を整列および回転させてもよい。ここではいずれも、他の組み合わせの中で、６×５のマトリックスのアレイの代替構成を有するアレイを利用できないことを示唆していない。３×１０のレイアウトからなるアレイは、概して、代替の６×５のレイアウトよりも性能が良くなるであろう。
エネルギー・リレー要素スタック
エネルギー源システムの最も単純化された構成は、単一のテーパ状エネルギー・リレー素子に接合されたエネルギー源からなるが、複数のリレー素子を結合して、品質または柔軟性を高めた単一のエネルギー源モジュールを形成してもよい。かかる一実施形態は、エネルギー源に取り付けられた小端部を有する第１のテーパ状エネルギー・リレーと、第１のリレー素子に接続された第２のテーパ状エネルギー・リレーと、を含み、第２の光学テーパの小端部が、第１のリレー素子の拡大端部に接触し、２つの個々のテーパ倍率の積に等しい合計倍率を生成する。これは、２つ以上のエネルギー・リレー素子の一続きで構成されるエネルギー・リレー要素スタックの一例であり、各エネルギー・リレー素子は、第１の側面と、第２の側面と、を備え、スタックは、第１の素子の第１の表面から、末端表面とも呼ばれる一続きの最後にある素子の第２の表面へエネルギーをリレーする。各エネルギー・リレー素子は、それを通してエネルギーを指向するように構成されてもよい。
一実施形態では、エネルギー指向装置は、１つ以上のエネルギー位置と、１つ以上のエネルギー・リレー要素スタックと、を備える。各エネルギー・リレー要素スタックは、１つ以上のエネルギー・リレー素子を備え、各エネルギー・リレー素子は、第１の表面と、第２の表面と、を備える。各エネルギー・リレー素子は、それを通してエネルギーを指向するように構成されてもよい。一実施形態では、各エネルギー・リレー要素スタックの終端エネルギー・リレー要素の第２の表面は、単一のシームレス表示面を形成するように配置されてもよい。一実施形態では、１つ以上のエネルギー・リレー要素スタックは、１つ以上のエネルギー位置と単一のシームレス表示面との間に延在するエネルギー伝搬経路に沿ってエネルギーを指向するように構成され得る。
図７３は、本開示の一実施形態に基づいて、直列の２つの複合光リレーテーパ７５０２、７５０４を含むエネルギー・リレー要素スタック７５００の側面図を例解し、どちらのテーパも、小端部がエネルギー源面７５０６に面している。図７３では、入力開口数（ＮＡ）は、テーパ７５０４の入力に対して１．０であるが、テーパ７５０２の出力に対しては約０．１６にすぎない。出力開口数は、テーパ７５０４に対する２と、テーパ７５０２に対する３との積である、合計倍率６で除算されることに留意されたい。この手法の１つの利点は、第２のエネルギー波リレー素子を変更することなく、エネルギー源の様々な寸法を考慮するために、第１のエネルギー波リレーをカスタマイズする能力である。その能力はさらに、エネルギー源または第１のリレー素子の設計を変えることなく、出力エネルギー面のサイズを変更するための柔軟性を提供する。図７３にはまた、エネルギー源駆動電子機器を含むエネルギー源７５０６および機械的エンベロープ７５０８も示されている。
一実施形態では、第１の表面は、エネルギー源ユニット（例えば、７５０６）からエネルギー波を受信するように構成され、エネルギー源ユニットは、第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも一方の幅とは異なる幅を有する機械的エンベロープを含み得る。一実施形態では、第１の表面を通過するエネルギー波が、第１の解像度を有し得る一方で、第２の表面を通過するエネルギー波が、第２の解像度を有し得、そのため、第２の解像度が第１の解像度の約５０％以上である。別の実施形態では、エネルギー波は、第１の表面に提供されたときには均一なプロファイルを有するが、第２のリレー表面の位置に関係なく、第２の表面の法線に対して±１０度の開き角を有するコーンを実質的に満たす、前方方向のエネルギー密度であらゆる方向に放射しながら第２の表面を通過することができる。
一実施形態では、複数の積層構成のエネルギー・リレー素子は、複数の面板（倍率１のリレー）を含み得る。いくつかの実施形態では、複数の面板は、異なる長さを有してもよく、またはゆるやかなコヒーレント光リレーである。他の実施形態では、複数の素子は、傾斜輪郭部分を有することができ、傾斜輪郭部分は、角度付き、直線、湾曲、テーパ、切子面状でありえるか、またはリレー素子の垂直軸に対して非垂直な角度に整列され得る。さらに別の実施形態では、複数のリレー素子を通って伝搬するエネルギー波は、横方向の配向よりも長手方向の配向において高い輸送効率を有し、長手方向の配向の最小屈折率変動に伴う横方向の配向のランダム化された屈折率変動に起因する横方向の配向で空間的に局在化される。各エネルギー・リレーがマルチコアファイバで構築されている実施形態では、各リレー素子内を伝搬するエネルギー波は、この向きのファイバの配列によって決定される長手方向に進行し得る。
光学画像リレーおよびテーパ素子
非常に高密度の繊維束は、光をピクセルコヒーレンシおよび高い透過率でリレーすることを可能にするために、多量の材料で製造されることがある。光ファイバは、ガラス、プラスチック、または同様の媒体の透明なファイバに沿って光を導く。この現象は、全反射と呼ばれる概念によって制御される。光線が材料の臨界角内に含まれ、光線がより高密度な材料の方向から入射すると、光線は異なる屈折率を有する２つの透明な光学材料の間で全体的に内部反射することになる。
図７４は、最大受光角
Figure 2021515257
 ７６０８（または材料のＮＡ）、異なる屈折率を有するコア７６１２およびクラッド７６０２の材料、ならびに反射光線７６０４および屈折光線７６１０、を有する、コア−クラッドリレー７６００を介した内部反射の基本原理を示す。一般に、光の透過率は、反射毎に０．００１パーセント未満だけ減少し、直径が約５０ミクロンのファイバは、フィート毎に３，０００回の反射を有し得、これは、他の複合光学方法論と比較して、その光伝送がいかに効率的であるかを理解するのに役立つ。
入射角（Ｉ）と屈折角（Ｒ）との間の関係は、スネルの法則
Figure 2021515257
 で計算することができ、式中、ｎ１は、空気の屈折率であり、ｎ２は、コア材料７６１２の屈折率である。
ファイバ光学分野の当業者であれば、集光力、最大許容角、および他の必要な計算に関連付けられている追加の光学原理を理解して、光が光ファイバ材料を通ってどのように進行するかを理解するであろう。以下の実施形態で説明するように、光ファイバ材料は、光を集中させる方法ではなく光のリレーとみなされるべきであるので、この概念を理解することは重要である。
光ファイバを出る光の角度分布を理解することは、本開示にとって重要であり、また入射角に基づいて予想されるものと同じではないことがある。光線７６１０の出口方位角は、最大受光角７６０８、ファイバの長さおよび直径、ならびに材料の他のパラメータによって急速に変化する傾向があるので、出射光線は、入射角および屈折角によって画定されるような円錐形状としてファイバを出る傾向がある。
図７５は、光ファイバリレーシステム７７０４、および光ファイバ７７０４に入る光線７７０２が、特定の方位角
Figure 2021515257
 を有する円錐形状の光分布７７０６で、どのように出ることができるかを示している。この効果は、ファイバを通してレーザポインタを照らすことによって観察され、表面上の様々な距離と角度で出力光線を見ることができる。提案された設計と共に進歩する重要な概念になるであろう円錐領域全体にわたる光の分布を有する円錐形状の出口（例えば、円錐形状の半径だけではない）。
ファイバ材料の伝送損失の主な原因は、クラッド、材料の長さ、および受光角の外側の光線に対する光の損失である。クラッドは、コアを絶縁し、光線による個々のファイバ間の進行を軽減するのを助けるために、より大きい束内の各個々のファイバを囲む材料である。これに加えて、追加の不透明な材料を使用して、余分な壁吸収（ＥＭＡ）と呼ばれる受光角の外側の光を吸収してもよい。両方の材料は、コントラスト、散乱、およびいくつかの他の要因に関して見られる画像品質を改善するのを補助することができるが、入口から出口までの全体的な光透過を減少させ得る。簡単にするために、クラッドに対するコアの割合は、これが光の損失の理由の１つであり得るので、ファイバのおおよその伝送能力を理解するために使用することができる。他のタイプの材料が利用可能であり得、また、以下の議論において検討されるが、大部分の材料において、コア対クラッド比は、おおよそ約５０％〜約８０％の範囲であり得る。
各ファイバはファイバ直径毎におおよそ０．５の写真線ペアを解像することができ、したがってピクセルをリレーするとき、ピクセル毎に１つより多いファイバを有することが重要であり得る。いくつかの実施形態では、ファイバの各々の間の平均解像度がこれらの材料を利用するときに関連するＭＴＦ損失を軽減するのに役立つので、ピクセル毎に１ダース程度が利用され得るか、または３つ以上のファイバが許容可能であり得る。
一実施形態では、光ファイバは、ファイバ光学面板の形態で実装され得る。面板は、一緒に融着されて真空気密ガラスプレートを形成する、単一または複数、または複数のマルチファイバの集合である。面板の一方の側面に提示される画像は、高効率で外部表面に輸送され得るので、このプレートは理論的には厚さゼロのウィンドウと考えることができる。従来、これらの面板は、約６ミクロン以上のピッチを有する個々のファイバで構成され得るが、最終的にコントラストおよび画像品質を低下させる可能性があるクラッド材料の有効性にもかかわらず、より高い密度が達成され得る。
いくつかの実施形態では、光ファイバ束はテーパ状であってもよく、その結果、異なるサイズおよび各表面の釣り合った拡大率を有するピクセルのコヒーレントマッピングがもたらされる。例えば、大端部は、より大きいファイバピッチおよびより高い拡大率を有する光ファイバ素子の側面を指してもよく、小端部は、より小さいファイバピッチおよびより低い拡大率を有する光ファイバ素子の側面を指してもよい。様々な形状を製造するプロセスは、加熱および所望の拡大率の製造を含んでもよく、これは光ファイバの元のピッチをそれらの元のサイズからより小さいピッチに物理的に変更し、これによりテーパおよびＮＡ上の位置に応じて受光角を変化させ得る。別の要因は、製造プロセスが平らな表面に対する繊維の直角度を歪める可能性があることである。テーパ設計に関する課題の１つは、なかでも、各端部の有効ＮＡが、拡大率の割合におおよそ比例して変化し得ることである。例えば、２：１の比を有するテーパは、直径１０ｍｍの小端部と、直径２０ｍｍの大端部とを有してもよい。元の材料が１０ミクロンのピッチで０．５のＮＡを有する場合、小端部は、１．０のおおよそ有効なＮＡと、５ミクロンのピッチとを有することになる。結果として得られる受光角および出口角も同様に、比例して変化し得る。このプロセスからの厳密な結果を理解するために実施され得るはるかに複雑な分析があり、当業者であれば誰でも、これらの計算を実施することができるであろう。この議論の目的のために、これらの一般化は、画像化の影響ならびに全体的なシステムおよび方法を理解するのに十分である。
フレキシブルなエネルギー源と湾曲したエネルギー・リレー表面の使用
湾曲した表面を有するある特定のエネルギー源技術またはエネルギー投影技術を作り出すことが可能であり得る。例えば、一実施形態では、エネルギー源として、湾曲したＯＬＥＤディスプレイパネルが使用されてもよい。別の実施形態では、エネルギー源として、焦点のないレーザ投影システムが利用されてもよい。さらに別の実施形態では、投影される表面にわたって焦点を維持するのに十分に広い被写界深度を有する投影システムが用いられてもよい。疑義を避けるために、これらの例は例示目的で提供されており、決してこの技術の説明のための技術的実装の範囲を限定するものではない。
既知の光入力角度で完全に集束した投影画像を保持し得る湾曲したエネルギー面または湾曲した表面を活用することによって、光学構成の主光線角（ＣＲＡ）に基づいて光の操作円錐を生成することができる光学技術を考慮すると、それぞれの出力修正角度は、より理想化された視野角を提供し得る。
かかる一実施形態では、光リレー素子のエネルギー面の側面は、モジュール毎に、円筒形、球形、平面、または非平面の研磨構成（本明細書では「形状」または「形状の」と呼ぶ）に湾曲し得、ここでは、エネルギー源は、もう１つの源モジュールから生じる。各有効な発光エネルギー源は、変形の過程を通して変更されるそれ自体のそれぞれの視野角を有する。この湾曲したエネルギー源または同様のパネル技術を活用することは、変形およびＣＲＡの再構成または各有効ピクセルの最適視野角の影響を受けにくいであろうパネル技術を可能にする。
図７６は、本開示の一実施形態に基づいて、拡大率が３：１である光リレーテーパ構成７８００、およびその結果得られる取り付けられたエネルギー源の光の視野角を例解する。光リレーテーパは、３：１の拡大率で１．０の入力ＮＡを有し、結果として、おおよそ０．３３の出力光線に対する有効ＮＡ（これに関連する他の多くの係数があり、これは単純化された参照用のみである）、平面および直角な表面が、テーパ状エネルギー・リレーの両端にあり、エネルギー源が、小端部に取り付けられている。この手法だけを利用すると、エネルギー面の画角は入力角度の画角のおおよそ１／３であってもよい。疑義を避けるために、１：１の有効拡大率を有する同様の構成（光フェイスプレートまたは他のものを活用する）、または任意の他の光リレーのタイプもしくは構成が、さらに活用され得る。
図７７は、図７６と同じテーパ状エネルギー・リレーモジュール７９００を例解するが、ここで、エネルギー源側面の表面は、湾曲した形状の構成７９０２を有し、一方で、エネルギー源側面７９０３の反対側の表面は、平面の表面を有し、モジュール７９００の光軸に対して垂直である。この手法によって、入力角度（例えば、７９０２付近の矢印を参照されたい）は、この形状に基づいてバイアスされ得、出力角度（例えば、７９０３付近の矢印を参照されたい）は、図７６のものとは異なり、表面の位置からより独立して調整され、図７７に例解されるような湾曲した表面７９０２を提供するが、表面７９０３の各有効光放出源の可視出口円錐は、表面７９０２へのエネルギー源出力の可視出口円錐よりも小さくなり得る。これは、利用可能な光線のより粗いかまたはより圧縮された密度のために視角を最適化する特定のエネルギー面を考慮するときに有利であり得る。
別の実施形態では、出力角度の変動は、入力エネルギー面７９０２を凸面の形状にすることによって達成され得る。かかる変動がなされた場合、エネルギー面７９０３の端部近くの光の出力円錐は、中心に向かって曲がる。
いくつかの実施形態では、リレー素子装置は、湾曲したエネルギー面を含み得る。一例では、リレー素子装置の両方の表面は、平面であり得る。代替的に、他の例では、一方の表面は、平面であり得、他方の表面は、非平面であり得、またはその逆もあり得る。最後に、別の例では、リレー素子装置の両方の表面は、非平面であってもよい。他の実施形態では、非平面の表面は、他の非平面の構成の中でも、凹面の表面または凸面の表面であってもよい。例えば、リレー素子の両方の表面は、凹面であってもよい。代替的に、両方の表面が凸面であってもよい。別の例では、一方の表面は凹面であってもよく、他方の表面は凸面であってもよい。当業者には、本明細書では、平面、非平面、凸面、および凹面の表面の複数の構成が企図および開示されていることが理解されよう。
図７８は、本開示の別の実施形態に基づいて、エネルギー源側面に対して非垂直であるが、平面である表面８００２を有する、光リレーテーパ８０００を例解する。エネルギー源側面の形状における著しいカスタマイズ可能な変動を明確にするために、図７８は、図７７と比較するためにエネルギー源側面に対して非垂直であるが平面の形状を簡単に生成する結果を例解し、表面特性における任意の変動により可能となる光１、２、３の入力許容円錐角度および出力可視放出円錐角度を直接制御する能力をさらに示す。
また、用途に応じて、リレーのエネルギー源側面がリレー内の光の伝搬方向を画定する光軸に対して垂直のままであり、リレーの出力面が光軸に対して非垂直である、エネルギー・リレー構成を設計することも可能であり得る。他の構成は、様々な非垂直な形状の構成を呈する、入力エネルギー源側面およびエネルギー出力側面の両方を有することができる。この方法では、入力および出力エネルギー源の視野角に対する制御をさらに向上させることが可能であり得る。
いくつかの実施形態では、テーパはまた、特定の視野角を最適化するように、リレーの光軸と非垂直でもあり得る。そのような一実施形態では、図７６に示すような単一のテーパは、光軸と平行なカットによって四分円にカットされ、テーパの大端と小端は、４つの等しい部分にカットされる。これらの４つの四分円は、次いで、各テーパ四分円を個々の光学中心軸を中心に１８０度回転させて再度組み立てて、再度組み立てた四分円の中心から離れて面し、したがって視野を最適化する、テーパの小端部を有する。他の実施形態では、物理的に拡大された端部のサイズまたは縮尺を増大させることなく、小端部上のエネルギー源間の隙間の増大を提供するために、非直角なテーパも直接製造され得る。これらのおよび他のテーパ状の構成は本明細書に開示されている。
図７９は、エネルギー源の側面に凹面を有する図７６の光学リレーおよび光照射円錐を例解する。この場合、出力光の円錐は、図７６と比較して、エネルギー源側面が平坦である場合よりも、出力エネルギー面の平面の縁部近くで著しく広がる。
図８０は、エネルギー源の側面に同じ凹面を有する図７９の光テーパリレー８２００および光照射円錐を例解する。この実施例では、出力エネルギー面８２０２は、凸面の形状を有する。図７９と比較して、凹面の出力面８２０２上の出力光の円錐は、入力許容円錐およびこの形状の構成から生成される光の出口円錐により、エネルギー源表面にわたってより視準される。疑義を避けるために、提供される実施例は、単に例解的なものであり、また、入力エネルギー源側面および出力エネルギー面のための任意の形状の構成が、出力エネルギー面の所望の視角および光の密度、ならびにエネルギー源自体から生成される光の角度に応じて利用され得るので、明示的な表面特性を示すことを意図しない。
いくつかの実施形態では、複数のリレー素子は、直列に構成され得る。一実施形態では、直列の任意の２つのリレー素子は、別の素子に対する一方の素子からの逆歪みが、任意のかかるアーチファクトを光学的に軽減するのを助けるように、意図的に歪められたパラメータとさらに結合されてもよい。別の実施形態では、第１の光学テーパは、光学バレル歪みを呈し、第２の光学テーパは、このアーチファクトの逆を呈するように製造されて、一緒に集約されたときに生じる情報が、部分的または完全のいずれかで打ち消されるよりも、２つの素子のうちのいずれか１つによってもたらされる任意のかかる光学的歪みのような、光ピンクッション歪みを生成し得る。これは、複合補正が一連で適用され得るように、任意の２つ以上の素子にさらに適用可能であり得る。
いくつかの実施形態では、小型および／または軽量のフォームファクタで、エネルギー源のアレイなどを製造するために、単一のエネルギー源基板、電子機器、および／または同種のものなどを製造することが可能であり得る。この構成では、個々の構成要素および電子機器と比較して、光リレーの端部が極めて小さいフォームファクタでエネルギー源の活性領域に整列するように、光リレーモザイクをさらに組み込むことが実行可能であり得る。この技術を使用して、モニタ、スマートフォンなどのような小型フォームファクタ装置に対応することは実現可能であり得る。
図８１は、本開示の一実施形態に基づいて、湾曲したエネルギー源側面の表面８３１４、８３１６、８３１８、８３２０、８３２２とそれぞれ一緒に結合されて、各テーパの複数の垂直な出力エネルギー面から最適可視画像８３０２を形成する、多数の光テーパリレーモジュール８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２のアセンブリ８３００を例解する。この例では、テーパリレーモジュール８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２は、並列に形成される。単一の列のテーパリレーモジュールのみが示されているが、いくつかの実施形態では、積層構成を有するテーパもまた、並列にかつ一列に一緒に結合されて、連続したシームレスな可視画像８３０２を形成し得る。
図８１では、各テーパリレーモジュールは、独立して動作し得るか、または光リレーのアレイに基づいて設計され得る。この図に示すように、光テーパリレー８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２を有する５つのモジュールが一緒に整列されて、より大きい光テーパ出力エネルギー面８３０２を生成する。この構成では、出力エネルギー面８３０２は、各リレーの光軸に対して垂直であり得、５つのエネルギー源側面８３１４、８３１６、８３１８、８３２０、８３２２の各々は、出力エネルギー面８３０２の前、またはこの表面の後ろにあり得る中心軸を中心に環状輪郭に変形し得、アレイ全体が、個別モジュールとしてではなく、単一の出力エネルギー面として機能することを可能にする。加えて、さらに、出力された光の視野角を計算し、エネルギー源側面の形状に必要とされる理想的な表面特性を決定することによって、このアセンブリ構造体８３００を最適化することが可能であり得る。図８１は、多数のモジュールが一緒に結合され、エネルギー源側面の曲率が、より大きい出力エネルギー面の見える光の角度を説明する、かかる一実施形態を示す。５つのリレーモジュール８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、および８３１２が示されているが、当業者には、用途に応じて、より多いまたはより少ないリレーモジュールが一緒に結合され得、これらは、２つの寸法で一緒に結合して、任意の大きい出力エネルギー面８３０２を形成し得ることが認識されるであろう。
一実施形態では、図８１のシステムは第１および第２の方向にわたって（例えば、列にわたって、または積層構成で）配置された複数のリレー素子８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２を含み、複数のリレー素子の各々は、それぞれのリレー素子の第１の表面と第２の表面との間の長手方向の配向に沿って延在する。いくつかの実施形態では、複数のリレー素子の各々の第１および第２の表面は、第１および第２の方向によって画定される横方向の配向にほぼ沿って延在し、長手方向の配向は横方向の配向に対して実質的に垂直である。他の実施形態では、長手方向の配向の最小屈折率変動に伴う横方向の配向のランダム化された屈折率変動は、長手方向の配向に沿った実質的により高い輸送効率を有するエネルギー波、および横方向の配向に沿った空間局在をもたらす。
一実施形態では、複数のリレー素子は、それぞれ第１の方向または第２の方向に沿って単一のタイル状表面を形成するように、第１の方向または第２の方向にわたって配置され得る。いくつかの実施形態では、複数のリレー素子は、当業者によって認識され得るように、少なくとも２×２構成を有するマトリックスに、または限定されないが、３×３構成、４×４構成、３×１０構成、および他の構成を含む、他のマトリックスに配置される。他の実施形態では、単一のタイル状表面間の継ぎ目は、単一のタイル状表面の最小寸法の２倍の視距離では認知不能であり得る。
いくつかの実施形態では、複数のリレー素子（例えば、８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２）の各々は、長手方向の配向の最小屈折率変動と結合された、横方向の配向のランダム化された屈折率変動を有し、長手方向の配向に沿った実質的により高い輸送効率を有するエネルギー波、および横方向の配向に沿った空間局在化をもたらす。リレーがマルチコアファイバで構成されているいくつかの実施形態では、各リレー素子内を伝搬するエネルギー波は、この配向でのファイバの整列によって決定される長手方向の配向に進行し得る。
他の実施形態では、複数のリレー素子（例えば、８３０４、８３０６、８３０８、８３１０、８３１２）の各々は、長手方向の配向に沿ってエネルギーを輸送するように構成され、複数のリレー素子を介して伝播するエネルギー波は、ランダム化された屈折率の変動により、横方向の配向よりも長手方向の配向において高い輸送効率を有し、よって、エネルギーは、横方向の配向に局在される。いくつかの実施形態では、リレー素子間を伝搬するエネルギー波は、横方向の配向よりも長手方向の配向において実質的に高い輸送効率により、長手方向の配向と実質的に平行に進行し得る。他の実施形態では、長手方向の配向の最小屈折率変動に伴う横方向の配向のランダム化された屈折率変動は、長手方向の配向に沿った実質的により高い輸送効率を有するエネルギー波、および横方向の配向に沿った空間局在をもたらす。
図８２は、本開示の一実施形態に基づいて、垂直なエネルギー源側面の形状８４０４、８４０６、８４０８、８４１０、および８４１２、ならびに中心軸を中心に放射状である凸面のエネルギー源表面８４０２と一緒に結合された多数の光テーパリレーモジュールの配置８４００を例解する。図８２は、図８１に示す構成の変形例を例解し、垂直なエネルギー源側面の形状および中心軸を中心に放射状である凸面の出力エネルギー面を有する。
図８３は、本開示の別の実施形態に基づいて、垂直な出力エネルギー面８５０２および中心軸を中心に放射状の凸面のエネルギー源側面８５０４と一緒に結合された多数の光リレーモジュールの配置８５００を例解する。
いくつかの実施形態では、エネルギー・リレーのアレイの源側面を中心半径の周りに円筒形に湾曲した形状に構成し、平坦なエネルギー出力面を有することによって、入力エネルギー源の受光角度および出力エネルギー源の放出角度が切り離され得、各エネルギー源モジュールをエネルギー・リレーの受光円錐とより良く整列させることが可能であり得、これは、エネルギーテーパリレーの倍率、ＮＡ、および他の因子などのパラメータに対する制約のため、それ自体が制限され得る。
図８４は、本開示の一実施形態に基づいて、可視出力光線のように、各エネルギー出力面が独立して構成された、多数のエネルギー・リレーモジュールの配置８６００を例解する。図８４は、図８３に類似する構成を例解しているが、各エネルギー・リレー出力面が独立して構成されており、よって、可視出力光線は、光軸に対してより均一な角度で（または正確な形状の採用に対するより少ない依存で）複合出力エネルギー面から放出される。
図８５は、本開示の一実施形態に基づいて、放出エネルギー源側面およびエネルギー・リレー出力面がどちらも、入力および出力光線に対する明示的な制御を提供するために様々な形状で構成されている、多数の光リレーモジュールの配置８７００を例解する。この目的のために、図８５は、放出エネルギー源側面およびリレー出力面がどちらも、入力および出力光線に対するより大きい制御を可能にする、湾曲した形状で構成されている、５つのモジュールを有する構成を例解する。
図８６は、その個々の出力エネルギー面が視認者を取り囲むシームレスな凹面の円筒形エネルギー源表面を形成するように構成され、リレーの源の端部が平坦であり、各々がエネルギー源に接合されている、多数の光リレーモジュールの配置８８００を例解する。
図８６に示す実施形態では、ならびに図８１、図８２、図８３、図８４、および図８５に示す実施形態に類似して、システムは、第１および第２の方向にわたって配置された複数のエネルギー・リレーを含み得、リレーの各々において、エネルギーは、長手方向の配向を画定する第１の表面と第２の表面との間で輸送され、リレーの各々の第１および第２の表面は、第１および第２の方向によって画定された横方向の配向にほぼ沿って延在し、長手方向の配向は、横方向の配向に対して実質的に垂直である。この実施形態ではまた、複数のリレーを通って伝播するエネルギー波は、長手方向の配向における最小の屈折率の変動に伴う横方向の配向におけるランダムな屈折率の変動により、横方向の配向よりも長手方向の配向において高い輸送効率を有する。各リレーがマルチコアファイバで構築されているいくつかの実施形態では、各リレー素子内を伝搬するエネルギー波は、この向きのファイバの配列によって決定される長手方向に進行し得る。
一実施形態では、上述したものと同様に、複数のリレー素子の各々の第１および第２の表面は、概して、横方向の配向に沿って湾曲し得、複数のリレー素子は、第１および第２の方向にわたって一体的に形成され得る。複数のリレーは、第１および第２の方向にわたって組み立てられ、少なくとも２×２構成を有するマトリックスに配置され、ガラス、光ファイバ、光学フィルム、プラスチック、ポリマー、またはそれらの混合物を含み得る。いくつかの実施形態では、複数のリレーのシステムは、第１の方向または第２の方向に沿って単一のタイル状表面をそれぞれ形成するように、第１の方向または第２の方向にわたって配置され得る。上記のように、複数のリレー素子は、当業者によって認識され得るように、限定されないが、３×３構成、４×４構成、３×１０構成、および他の構成を含む、他のマトリックスで配置することができる。他の実施形態では、単一のタイル状表面間の継ぎ目は、単一のタイル状表面の最小寸法の２倍の視距離では認知不能であり得る。
エネルギー・リレーのモザイクの場合、以下の実施形態が含まれてもよい：第１および第２の表面の両方が、平面であり得るか、第１および第２の表面の一方が、平面であり、かつ他方が非平面であり得るか、または第１および第２の葉面が、非平面であり得る。いくつかの実施形態では、第１および第２の表面の両方が凹面であってもよく、第１および第２の表面の一方が凹面であり、他方が凸面であってもよく、または第１および第２の表面の両方が凸面であってもよい。他の実施形態では、第１および第２の表面のうちの少なくとも一方は、平面、非平面、凹面、または凸面であり得る。平面である表面は、エネルギー輸送の長手方向に対して垂直であり得るか、またはこの光軸に対して非垂直であり得る。
いくつかの実施形態において、複数のリレーは、他のタイプのエネルギー波の中でも特に限定されないが、電磁波、光波、音響波を含むエネルギー源の空間拡大または空間縮小を引き起こし得る。他の実施形態では、複数のリレーはまた、複数のエネルギー・リレー（例えば、エネルギー源のための面板など）を含んでもよく、複数のエネルギー・リレーは、他の寸法の中でも、幅、長さが異なる。いくつかの実施形態では、複数のエネルギー・リレーはまた、ゆるやかなコヒーレント光リレーまたはファイバも含み得る。
アンダーソン局在材料の制限および秩序化エネルギー局在の導入
アンダーソン局在原理は、１９５０年代に導入されたが、材料およびプロセスにおける最近の技術的ブレークスルーによってはじめて、その原理が光輸送において実際に研究されることを可能にした。横アンダーソン局在は、横方向には不規則であるが、長手方向には不変の材料を通って横平面内で波が拡散することなく輸送される波の伝搬である。
先行技術において、横アンダーソン局在は、ランダムに混合され、そして互いに溶融された、異なる屈折率（ＲＩ）を有する光ファイバの数百万本の個々の撚り線を線引きすることを通じて、光ファイバファイスプレートが作製された実験を通して観察された。入力ビームが面板の表面のうちの一方を横切ってスキャンされると、反対側の表面上の出力ビームは、入力ビームの横方向位置へ追従する。アンダーソン局在は、不規則な媒体内では、波の拡散の不存在を呈するため、いくつかの基本的な物理学は、規則的な光ファイバリレーと比較した場合とは異なる。これは、ＲＩの変化を伴う光ファイバのランダム混合におけるアンダーソン局在現象が、波の干渉を長手方向の経路において継続しながら、横方向の配向の伝播を完全に制限することができる多重散乱経路間のランダム化によるよりも、全反射による影響を受けにくいことを意味する。この概念に加えて、エネルギー輸送装置の横平面内のランダム化された分布の代わりに、材料波伝播特性の非ランダムパターンが使用され得ることが本明細書に導入される。かかる非ランダム分布は、本明細書で装置の横平面内の秩序化エネルギー局在と呼ばれるものを誘発し得る。この秩序化エネルギー局在は、類似する材料特性の局在化されたグループ化の発生を低減させ、この発生は、ランダム分布の性質により起こり得るが、装置を通したエネルギー輸送の全体的な効率を低下させるように作用する。
一実施形態では、光学的変調伝達関数（ＭＴＦ）で測定したときに、秩序化エネルギー局在材料が、最高品質の市販のマルチモードガラスイメージファイバと同等またはそれ以上のコントラストで光を輸送することが可能であり得る。マルチモードおよびマルチコア光ファイバによって、コア間の領域内の画像転送の損失がＭＴＦを低減させてぼやけを増加させる、コアの個別アレイの全反射の特性により、リレーされた画像は、本質的にピクセル化される。図５Ａに示すように、マルチコア光ファイバを用いて生成されて得られた画像は、残留固定ノイズファイバパターンを有する傾向がある。対照的に、ノイズパターンが固定ファイバパターンよりもはるかに粒子構造のように見える横アンダーソン局在原理に類似する秩序化エネルギー局在を呈する材料サンプルの一例を介した同じリレー画像。
秩序化エネルギー局在現象を示す光リレーの別の利点は、それをポリマー材から製造することができ、その結果、コストおよび重量が低減されることである。一般にガラスまたは他の類似する材料で作製される類似する光学グレードの材料は、ポリマーで生成される同じ寸法の材料の１００倍以上のコストがかかり得る。さらに、ポリマーリレー光学部品の重量は、１０倍〜１００倍未満になり得る。疑義を避けるため、たとえそれが上記のコストおよび重量の示唆を満たさないとしても、アンダーソン局在特性または本明細書に記載される秩序化エネルギー局在特性を呈する任意の材料が本開示に含まれ得る。当業者には理解されるように、上記の示唆は、同様のガラス製品が除外する重要な商業的実行可能性にそれ自体役立つ唯一の実施形態である。追加の利点は、秩序化エネルギー局在が機能するために、光ファイバのクラッド部が必要とされ得ないことであり、そのクラッド部は、従来のマルチコア光ファイバの場合、ファイバ間の光散乱を防止するのに必要であるが、同時に光線の一部を遮り、したがって、少なくともコア対クラッド比による透過を低下させる（例えば、７０：３０のコア対クラッド比は、最良でも受光照度の７０％しか透過しない）。特定の実施形態では、リレーの材料の全部または大部分を介してエネルギーをリレーすることは、追加のエネルギー制御材料の必要性が低減または排除され得るので、該材料を介してエネルギーをリレーする効率を向上させ得る。
別の利点は、ポリマー材料が繰り返しユニットで構成されているので、継ぎ目なしで接合または融合され得る多数のより小さな部品を製造する能力であり、任意の２つのピースの合併は、２つ以上のピースを一緒に合併するためのプロセスに応じて単一のピースとしてコンポーネントを生成することとほぼ同じである。大規模な用途の場合、これは、大規模な基幹設備または金型コストを伴わずに製造する能力に対してかなりの利点であり、そうしなければ他の方法では不可能である単一の材料ピースを生成する能力を提供する。従来のプラスチック光ファイバは、これらの利点のいくつかを有するが、クラッド部のために、一般には、依然としてある程度の距離の継ぎ目線を必要とする。
本開示は、秩序化エネルギー局在現象を呈している操作された構造、およびそれを製造する方法を含む。１つ以上のコンポーネント設計構造体（ＣＥＳ）を含み得る構築ブロックを使用して、電磁エネルギー、音響エネルギー、または他のタイプのエネルギーのリレーを構築するために、本開示の操作された構造が使用され得る。用語ＣＥＳは、限定されないが、他の特性の中でもとりわけ材料のタイプ、サイズ、形状、屈折率、重心、電荷、重量、吸収、および磁気モーメントを含み得る、特定の設計特性（「ＥＰ」）を有する構築ブロックコンポーネントを指す。ＣＥＳのサイズ規模は、リレーされているエネルギー波の波長程度であり得、ミリスケール、マイクロスケール、またはナノスケールにわたって変化し得る。また、他のＥＰのサイズ規模も、エネルギー波の波長に強く依存する。
本開示の範囲内で、多数のＣＥＳの特定の配置は、リレーにわたって横方向で繰り返して、秩序化エネルギー局在を効果的に誘発し得る、非ランダムパターンを形成し得る。かかるＣＥＳの非ランダムパターンの１つの例は、本明細書において、モジュールと呼ばれる。モジュールは、２つ以上のＣＥＳを備え得る。リレー内の２つ以上のモジュールのグループ化は、本明細書で構造体と呼ばれる。
秩序化エネルギー局在は、とりわけ電磁波、音波、量子波、エネルギー波の輸送に適用される一般的な波の現象である。１つ以上のコンポーネント操作された構造は、秩序化エネルギー局在を呈するエネルギー波リレーを形成し得、各々が、対応する波長程度のサイズを有する。構築ブロックに対する別のパラメータは、これらの構築ブロックに使用される材料中のエネルギー波の速度であり、これは、電磁波に対する屈折率、および音波に対する音響インピーダンスを含む。例えば、構築ブロックのサイズおよび屈折率は、Ｘ線から電波までの電磁スペクトルのあらゆる周波数に適応するように、または０Ｈｚを少し超える超低周波数から約２０ＭＨｚの超音波周波数までの範囲の音響波に適応するように変化させることができる。
この理由から、光リレーに関する本開示における考察は、完全な電磁スペクトルだけでなく、音響エネルギーおよび他のタイプのエネルギーにも一般化され得る。この理由から、たとえ一実施形態が可視電磁スペクトルなどの特定の１つの形態のエネルギーに関して議論し得るとしても、エネルギー源、エネルギー面、およびエネルギー・リレーという用語の使用が本開示において使用されるであろう。当業者は、エネルギーの１つの形態に関して議論される本開示の原理が、エネルギーの他の形態のために実施される実施形態にも同様に適用されることを理解するであろう。
疑義を避けるために、材料の量、プロセス、タイプ、屈折率などは、単なる例示であり、秩序化エネルギー局在特性を呈する任意の光学材料が、本明細書に含まれる。さらに、秩序化材料およびプロセスの任意の使用が、本明細書に含まれる。
本開示に記載されている光学設計の原理は、一般にすべての形態のエネルギー・リレーに適用され、特定の製品、市場、形状因子、実装などのために選択された設計実施態様は、これらの幾何学形状に対処する必要があってもなくてもよいが、簡単にするために、開示されている任意の手法は、すべての潜在的なエネルギー・リレー材料を含む。
一実施形態では、可視電磁エネルギーのリレーの場合、ＣＥＳの横方向サイズは、１ミクロン程度であるべきである。ＣＥＳに対して使用される材料は、限定されないが、ガラス、プラスチック、樹脂、エアポケットなどを含むように所望された光学的品質を呈する任意の光学材料とすることができる。使用される材料の屈折率は、１より大きく、２つのＣＥＳタイプが選択された場合、屈折率における差は、重要な設計パラメータになる。材料のアスペクト比は、長手方向の波の伝播を助けるため、細長くなるように選択され得る。
実施形態では、他のエネルギー領域からのエネルギーは、１つ以上のＣＥＳを使用してリレーされ得る。例えば、エネルギーの機械的振動の形態であり得る音響エネルギーまたは触覚エネルギーがリレーされ得る。これらの代替エネルギー領域の輸送効率に基づいて、適切なＣＥＳが選択され得る。例えば、音響または触覚エネルギーをリレーする際には、空気がＣＥＳ材料のタイプとして選択され得る。実施形態では、特定の形態の電磁エネルギーをリレーするために、空間または真空がＣＥＳとして選択され得る。さらに、２つの異なるＣＥＳは、共通の材料のタイプが共通であり得るが、形状などの別の設計特性が異なり得る。
ＣＥＳの形成は、形成された材料を取り出して、それらのピースを、所望の形状の形成物、もしくは当該技術分野において既知の任意の他の方法、またはアディティブプロセスに向けて切断する破壊プロセスとして完成され得、そこでは、ＣＥＳは、成長し、印刷され、形成され、溶融され、または当技術分野において既知の任意の他の方法で製造され得る。アディティブプロセスおよび破壊プロセスを組み合わせて、製造上さらなる制御を行い得る。これらのＣＥＳは、指定の構造サイズおよび形状に構築される。
一実施形態では、電磁エネルギー・リレーの場合、光学グレードの結合剤、エポキシ、または他の既知の光学材料を使用することが可能であり得、それらの材料は、液体として始まり、他の処理パラメータの中で、以下に限定されない、とりわけＵＶ、熱、時間を含む様々な手段を通じて光学グレードの固体構造を形成し得る。別の実施形態では、接合剤は、可撓性のある用途のために、硬化しないか、または屈折率整合オイルで作製される。結合剤は、固体構造体および非硬化オイルまたは光学液体に塗布され得る。これらの材料は、ある特定の屈折率（ＲＩ）特性を呈してもよい。結合剤は、ＣＥＳ材料タイプ１またはＣＥＳ材料タイプ２のいずれかのＲＩと整合する必要がある。一実施形態では、この光結合剤のＲＩは、１．５９であり、ＰＳ（ポリスチレン）と同じである。第２の実施形態では、この光結合剤のＲＩは、１．４９であり、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）と同じである。別の実施形態では、この光学結合剤のＲＩは、１．６４であり、熱可塑性ポリエステル（ＴＰ）材料と同じである。
一実施形態では、エネルギー波に対して、結合剤ＲＩが整合する材料のＲＩを有効に相殺するように、結合剤が、ＣＥＳ材料タイプ１およびＣＥＳ材料タイプ２の混合物に混合され得る。結合剤は、気泡の脱出、材料の望ましい分布、および粘性特性の発現を達成するための十分な時間を与えることによって、完全に混合され得る。さらなる一定の撹拌を実施して、様々な密度の材料、または他の材料特性に起因して起こり得るいかなる分離にも対抗するために、材料の適切な混合を確実にし得る。
形成され得るあらゆる気泡を排出するように、真空中またはチャンバ内でこのプロセスを実行することが必要とされ得る。さらなる方法論は、硬化プロセス中に振動を導入することであり得る。
交互する方法としては、追加の形態特性およびＥＰを有する３つ以上のＣＥＳが提供される。
一実施形態では、電磁エネルギー・リレーの場合、追加の方法は、結合剤のみと一緒に使用される単一のＣＥＳのみを提供し、その場合、ＣＥＳおよび結合剤のＲＩは異なる。
追加の方法は、任意の数のＣＥＳを提供し、そして意図的に気泡を導入することを含む。
一実施形態では、電磁エネルギー・リレーの場合、ある方法は、別個の所望のＲＩを有する複数の結合剤、および、それらが別々に、または一緒に硬化して完全に混合された構造体の形成を可能にし得るように、ゼロ、１つ、またはそれ以上のＣＥＳを混合するプロセスを提供する。２つ以上の別々の硬化方法論を利用し、異なる工具および手順方法論を用いて、異なるインターバルで硬化および混合する能力を可能にしてもよい。一実施形態では、１．４９のＲＩを有するＵＶ硬化エポキシが、１．５９のＲＩを有する熱硬化第２のエポキシと混合され、そこでは、材料の一定の撹拌が、十分な期間だけの加熱およびＵＶ処理を交互に行いながら提供され、より大きな混合物内から中実構造体の形成を見始めるが、一旦硬化プロセスがほぼ完了すると攪拌が継続できなくなるときまで、任意の大きな粒子が形成するには十分な長さの時間ではなく、硬化プロセスは、同時に実行されて材料を互いに完全に結合させる。第２の実施形態では、１．４９のＲＩを有するＣＥＳが追加される。第３の実施形態では、１．４９および１．５９の両方のＲＩを有するＣＥＳが、両方とも追加される。
別の実施形態では、電磁エネルギー・リレーの場合、ガラスおよびプラスチック材料は、それらのそれぞれのＲＩ特性に基づいて混合される。
追加の実施形態では、硬化混合物が金型内で形成され、硬化後に切断および研磨される。別の実施形態では、利用される材料は、熱で再液化し、第１の形状に硬化し、次いで第２の形状に引っ張られて、テーパまたは曲がり形状になることを含むが、これらに限定されない。
ポリマー材料を互いに溶接するために使用されるいくつかの周知の従来の方法が存在することを認識するべきである。これらの技術のうちの多くは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれ、熱、機械的（例えば、振動、溶接、超音波溶接など）、電磁的、および化学的（溶媒）溶接方法を含む、軟化させた材料の表面を結合させるためのプロセスを説明している、ＩＳＯ４７２（「Ｐｌａｓｔｉｃｓ−Ｖｏｃａｂｕｌａｒｙ」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ、Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ １９９９）で説明されている。
図７Ａは、混合オイルまたは液体７６と共にＣＥＳ材料タイプ１（７２）およびＣＥＳ材料タイプ２（７４）を使用した、横アンダーソン局在アプローチを呈する可撓性リレー７０の切取図を例解し、本開示の一実施形態に基づいて、可能な限りエンドキャップリレー７９を使用すると、可撓性チューブエンクロージャ７８内のリレーのいずれかの端部における第１の表面７７から第２の表面７７へエネルギー波をリレーする。この実施形態では、ＣＥＳ材料タイプ１（７２）およびＣＥＳ材料タイプ２（７４）は両方とも、細長いという設計特性を有し、その形状は、楕円形であるが、円筒形もしくは撚り線などの任意の他の細長い、または設計された形状も可能である。細長い形状は、最小設計特性変動７５のチャネルを可能にする。
可視電磁エネルギー・リレーの一実施形態に対して、リレー７０は、結合剤を、ＣＥＳ材料タイプ２（７４）と整合する屈折率を有する屈折率マッチングオイル７６と交換し、可撓性チューブエンクロージャ７８内に配置してＣＥＳ材料タイプ１とＣＥＳ材料２との混合物の可撓性を維持し、エンドキャップ７９は、画像がエンドキャップの一方の表面から他方の表面に確実にリレーすることができるようにするための中実の光リレーとなるであろう。ＣＥＳ材料の細長い形状は、最小屈折率変動７５のチャネルを可能にする。
リレー７０の多数の例は、中実または可撓性の形態でリレー結合器を形成するために、単一の表面の中に絡合され得る。
一実施形態では、可視電磁エネルギー・リレーの場合、リレー７０のいくつかの例は、各々、一端が画像の多数の特定のタイルのうちの１つのみを示す表示装置に接続され得、光リレーの他端が、規則的なモザイク状に配置され、目立った継ぎ目がないフル画像を表示するように配置されている。ＣＥＳ材料の特性により、モザイク内に多数の光リレーを一緒に融合することがさらに可能である。
図７Ｂは、ＣＥＳ横アンダーソン局在エネルギー・リレーの剛性の実施態様７５０の切取図を例解する。ＣＥＳ材料タイプ１（７２）およびＣＥＳ材料タイプ２（７４）は、材料２（７４）の屈折率と整合する結合剤７５３と混合されている。任意選択のリレーエンドキャップ７９を使用して、筐体７５４内の第１の表面７７から第２の表面７７にエネルギー波をリレーすることが可能である。この実施形態では、ＣＥＳ材料タイプ１（７２）およびＣＥＳ材料タイプ２（７４）は両方とも、細長いという設計特性を有し、その形状は、楕円形であるが、円筒形もしくは撚り線などの任意の他の細長い、または設計された形状も可能である。また、長手方向７５１に沿った最小設計特性変動７５の経路も図７Ｂに示されており、この経路は、一方のエンドキャップ表面７７から他方のエンドキャップ表面７７へのこの方向７５１におけるエネルギー波の伝播を支援する。
ＣＥＳの初期構成および整列は、機械的な配置を伴ってなされ得、または、以下に限定されないが、液体中のＣＥＳのコロイドに適用されるとコロイド結晶形成をもたらし得る電荷、微量の強磁性体材料を含有するＣＥＳを規則化するのに役立ち得る磁気モーメント、もしくは重力に従って硬化前の結合液内に複数の層を作り出すのに役立つ、使用されたＣＥＳの相対重量を含む、材料のＥＰを探求することによってなされ得る。
一実施形態では、電磁エネルギー・リレーの場合、図７Ｂに示した実施態様は、ＣＥＳ材料タイプ２（７４）の屈折率と整合する結合剤７５３を有し得、任意選択のエンドキャップ７９は、画像がエンドキャップの一方の表面から他方の表面にリレーされ得ることを確実にする中実の光リレーであり得、長手方向の最小の変動を有するＥＰは、屈折率であり得、局在化電磁波の伝播を支援するチャネル７５を作成する。
可視電磁エネルギー・リレーに対する一実施形態では、図８は、その材料のうちの混合物全体の所与の百分率における１つの例示的な材料の長手方向のＣＥＳ材料タイプ７４、８２と共に、ＤＥＭＡ（寸法外壁吸収）ＣＥＳ、８０の含有物の横平面の切取図を例解しており、その材料は、可視電磁エネルギー・リレーに対する本開示の一実施形態に基づいて、迷光を制御する。
光を透過しない追加のＣＥＳ材料が、混合物（複数可）に添加されて、従来の光ファイバ技術におけるＥＭＡに類似するランダムな迷光を吸収するが、吸収材料の分布は、長手方向寸法が不変であることとは対照的に、３つすべての次元においてランダムであり得る。本明細書で、この材料は、ＤＥＭＡ、８０と呼ばれる。第３の次元においてこの手法を活用することで、以前の実施態様の方法よりもはるかにより多くの制御を提供する。ＤＥＭＡを使用することで、迷光の制御は、それが占めるすべての光リレーコンポーネントの表面の領域の割合だけ光透過全体を最終的に低減させる撚り線のＥＭＡを含む、任意の他の実施態様よりはるかに完全にランダム化される。対照的に、ＤＥＭＡは、リレー材料の全体を通して混合され、光透過の同じ低減を伴うことなく、迷光を吸収する。ＤＥＭＡは、混合物全体に対して任意の比率で提供され得る。一実施形態では、ＤＥＭＡは、材料の混合物全体の１％である。第２の実施形態では、ＤＥＭＡは、材料の混合物全体の１０％である。
追加の実施形態では、２つ以上の材料が、熱および／または圧力で処理されて結合プロセスを実行し、これは、金型、または当技術分野における既知の他の同様の形成プロセスを用いて完成されても、またはされなくてもよい。これは、溶融プロセス中の気泡を除去するために、真空もしくは振動台などの中に適用されても、またはされなくてもよい。例えば、材料タイプのポリスチレン（ＰＳ）およびポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を有するＣＥＳを混合し、次いで、適切な金型の中に置き、この金型を両方の材料の融点に到達させることができる均一な熱分布環境中に置き、そして、材料特性により要求される１時間当たりの最大温度上昇または下降を超えることによる損傷／破損を生じさせることなく、それぞれの温度の間をサイクルさせ得る。
材料を追加の液状結合剤と混合する必要があるプロセスの場合、各材料の変わりやすい特定の密度を考慮して、材料の分離を防止する一定の速度で回転するプロセスが必要とされ得る。
アンダーソンおよび秩序化エネルギー・リレー材料の分化
図９は、２つのコンポーネント材料、コンポーネント設計構造体（「ＣＥＳ」）９０２およびＣＥＳ９０４を含む、粒子のランダム化された分布を備える予融合エネルギー・リレーの一部分９００の横平面の切取図を例解する。一実施形態では、ＣＥＳ９０２またはＣＥＳ９０４を含む粒子は、異なる屈折率などの異なる材料の特性を有し得、また、それを通して輸送されるエネルギーのアンダーソン局在効果を誘発することができ、材料の横平面内のエネルギーを局在させる。一実施形態では、ＣＥＳ９０２またはＣＥＳ９０４のいずれかを含む粒子は、例解図の平面の中へまたはそこから外へ長手方向に延在し得、それによって、材料の横平面内のエネルギーの局在のため、従来の光ファイバエネルギー・リレーと比較して、減少した散乱効果を有する長手方向に沿ったエネルギー伝播を可能にする。
図１０は、各粒子が３つのコンポーネント材料ＣＥＳ１００２、ＣＥＳ１００４、またはＣＥＳ１００６のうちの１つを含む、粒子の非ランダムパターンを備える予融合エネルギー・リレーのモジュール１０００の横平面の切取図を例解する。ＣＥＳ１００２、１００４、または１００６のうちの１つを含む粒子は、モジュールの横平面内のエネルギー局在効果を誘発し得る、異なる屈折率などの異なる材料特性を有し得る。ＣＥＳ１００２、１００４、または１００６のうちの１つを含む粒子のパターンは、ＣＥＳ１００２、１００４、または１００６のうちの１つを含む粒子が配置される特定のパターンを画定する、モジュール境界１００８内に含まれ得る。図９に類似して、ＣＥＳ１００２、１００４、または１００６のうちの１つを含む粒子は、例解図の平面の中へ、およびそこから外へ長手方向に延在して、材料の横平面内のエネルギーの局在のため、従来の光ファイバエネルギー・リレーと比較して、減少した散乱効果を有する長手方向に沿ったエネルギー伝播を可能にする。
図９によるＣＥＳ９０２または９０４のうちの１つを含む粒子、および図１０によるＣＥＳ１００２、１００４、または１００６のうちの１つを含む粒子は、例解図の平面に対して垂直に長手方向に延在し、図９および図１０にそれぞれ示される特定のパターンで配置される、それぞれの材料の長く細いロッドであり得る。図９および図１０示される粒子の環状断面形状のため、ＣＥＳの個々の粒子の間には小さい間隙が存在し得るが、これらの間隙は、ＣＥＳ材料が融合プロセス中にいくらかの流動性を得て、一緒に「溶解して」任意の間隔を埋めるので、融合時に効果的に除去される。図９および図１０に例解する断面形状は環状であるが、これは本開示の範囲を限定するものとみなされるべきでなく、当業者は、本明細書で開示された原理に基づいて、予融合材料の任意の形態または形状を利用することができることを認識するべきである。例えば、一実施形態では、ＣＥＳの個々の粒子は、円形断面ではなく、六角形断面を有し、これは、融合前の粒子間のより小さい間隔を可能にし得る。
図１１は、コンポーネント材料ＣＥＳ１１０２およびＣＥＳ１１０４を含む粒子のランダム分布を備える予融合エネルギー・リレーの一部分１１００の横平面の切取図を例解する。一部分１１００は、各々がＣＥＳ１１０２または１１０４を含む粒子のランダム化された分布を備える、サブ部分１１０６および１１０８などの複数のサブ部分を有し得る。ＣＥＳ１１０２およびＣＥＳ１１０４を含む粒子のランダム分布は、リレーの融合後に、一部分１１００を介して、例解図の平面の外へ延在する長手方向にリレーされるエネルギーにおいて、横アンダーソン局在効果を誘発し得る。
図１３は、コンポーネント材料ＣＥＳ１３０２およびＣＥＳ１３０４を含む粒子のランダム分布を備える融合エネルギー・リレーの一部分１３００の横平面の切取図を例解する。一部分１３００は、図１１による一部分１１００の可能な融合形態を表し得る。本開示の文脈では、類似するＣＥＳの隣接する粒子が融合時に一緒に凝集するとき、これを凝集粒子（「ＡＰ」）と呼ぶ。ＣＥＳ１３０２のＡＰの一例は、１３０８に見ることができ、これは、複数の未融合ＣＥＳ１３０２粒子（図１１に示す）の融合形態を表し得る。図１３に例解するように、類似するＣＥＳの各連続粒子間の境界、ならびに類似するＣＥＳ境界粒子を有するモジュール間の境界は、融合時に除去され、一方で、異なるＣＥＳのＡＰ間に新しい境界が形成される。
アンダーソン局在原理によれば、材料の横方向に分布する異なるエネルギー波伝播特性を有する材料のランダム化された分布は、その方向内のエネルギーを局在化し、材料の輸送効率を低下させ得る、エネルギーの拡散を抑制し、かつ干渉を低減させる。例えば、電磁エネルギーを輸送する文脈では、異なる屈折率を有する材料をランダムに分布させることによって、横方向の屈折率のばらつきの量を増加させることを介して、横方向の電磁エネルギーを局在させることが可能になる。
しかしながら、上述したように、ランダム化された分布の性質のため、材料の望ましくない配置が偶然に形成され得る可能性が存在し、これは、材料内のエネルギー局在化効果の実現を制限し得る。例えば、図１３のＡＰ１３０６は、融合後に、図１１の対応する位置に示される粒子のランダム化された分布を潜在的に形成し得る。例えば、電磁エネルギーを輸送するための材料を設計するときに、設計上の考慮事項は、ＣＥＳの予融合粒子の横サイズである。エネルギーが横方向に散乱することを防止するために、融合時に、その結果得られる平均ＡＰサイズが、実質的に、材料が輸送することを意図する電磁エネルギーの波長程度であるように、粒子サイズを選択することができる。しかしながら、平均ＡＰサイズを設計することができるが、当業者は、粒子のランダム分布が、ＡＰの様々な予測不可能なサイズをもたらし、あるものは意図する波長よりも小さく、また、あるものは意図する波長よりも大きいことを認識するであろう。
図１３では、ＡＰ１３０６は、一部分１３００の全長にわたって延在し、平均よりもかなり大きいサイズのＡＰを表す。これは、ＡＰ１３０６のサイズがまた、一部分１３００が長手方向に輸送することを意図するエネルギーの波長よりもかなり大きいことも意味し得る。その結果、長手方向におけるＡＰ１３０６を介したエネルギー伝播は、横平面における散乱効果を経験し得、アンダーソン局在効果を低減させ、その結果、ＡＰ１３０６を介したエネルギー伝播内の干渉パターン、および一部分１３００の全体的なエネルギー輸送効率の低減をもたらす。
本明細書で開示された原理によれば、およびランダム化された分布の性質のため、例えばサブ部分１１０８などの一部分１１００内のサブ部分は、画定された分布パターンが存在しないので、任意の重要性のものであり得ると理解されるべきである。しかしながら、当業者には、所与のランダム化された分布において、同じまたは実質的に類似する分布のパターンを備える固有のサブ部分を識別することができるという可能性が存在することが明らかになるはずである。この存在は、全体的に誘発された横アンダーソン局在効果を大幅に抑制し得ず、本明細書で開示されたランダムパターンは、かかる場合を除外するように制限されるものとみなされるべきでない。
本明細書で開示された非ランダム秩序化パターンの設計上の考慮事項は、コンポーネント材料のランダム化された分布に代わるもの表し、エネルギー・リレー材料が、エネルギー局在効果を横方向に呈することを可能にし、一方で、ランダム化された分布に固有の偏位事例を潜在的に制限する。
異なる分野にわたって、および多くの専門分野を介して、「ランダム性」という概念、および実際に何がランダムで、何がそうでないかという観念は、常に明白でないことに留意されるべきである。下で検討されるランダムおよび非ランダムパターン、配置、分布などについて検討するとき、本開示の文脈において考慮する複数の重要なポイントが存在する。しかしながら、本明細書の開示が、決して、ランダムまたは非ランダムの概念を概念化および／または体系化する唯一の方法でないことが理解されるべきである。多くの代替的な、および同等に有効な概念化が存在し、本開示の範囲は、本文脈において当業者によって想到される任意の方法を除外するように制限されるとみなされるべきではない。
空間完全ランダム性（「ＣＳＲ」）は、当技術分野で周知であり、Ｓｍｉｔｈ，Ｔ．Ｅ．，（２０１６）、Ｎｏｔｅｂｏｏｋ ｏｎ Ｓｐａｔｉａｌ Ｄａｔａ Ａｎａｌｙｓｉｓ［ｏｎｌｉｎｅ］（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅａｓ．ｕｐｅｎｎ．ｅｄｕ／〜ｅｓｅ５０２／＃ｎｏｔｅｂｏｏｋ）に記載されており、これは参照により本明細書に組み込まれ、完全にランダムな形態で配置された、空間内の（この場合、２Ｄ平面内の）点の分布を説明するために使用される概念である。ＣＳＲを説明するために使用される２つの共通の特性、すなわち、空間ラプラス原理および統計的独立性の仮定が存在する。
空間ラプラス原理は、より一般的なラプラス原理の空間確率の領域への適用であり、本質的に、他に示す情報がない限り、点が特定の位置に配置される可能性とみなされ得る特定の事象の可能性が、空間内の各位置に対する可能性と同様であることを述べている。すなわち、領域内の各位置は、点を含む等しい可能性を有し、したがって、点を見つける確率は、領域内の各位置全体にわたって同じである。これは、特定のサブ領域内の点を見つける確率が、そのサブ領域の面積と基準領域全体の面積との比率に比例していることをさらに意味する。
ＣＳＲの第２の特徴は、空間的独立性の仮定である。この原理は、領域内の他のデータ点の位置が、特定の位置においてデータ点を見つける確率に対していかなる影響または効果を有さないと仮定する。言い換えれば、データ点は、互いに独立していると仮定され、「周辺領域」の状態は、いわば、基準領域内の位置においてデータ点を見つける確率に影響を及ぼさない。
ＣＳＲの概念は、本明細書で説明するＣＥＳ材料のいくつかの実施形態などの、材料の非ランダムパターンの対照的な例として有用である。アンダーソン材料は、本開示の他の部分において、エネルギー・リレーの横平面内のエネルギー伝播材料のランダム分布であるとして説明されている。上述したＣＳＲの特徴に留意して、これらの概念を、本明細書に記載するアンダーソン材料の実施形態のいくつかに適用して、そうしたアンダーソン材料分布の「ランダム性」がＣＳＲに準拠しているかどうかを決定することが可能である。第１および第２の材料を含むエネルギー・リレーの実施形態を仮定すると、第１または第２のいずれかの材料のＣＥＳが、大まかに、実施形態の横平面の同じ領域を占有し得るので（それらが、大まかに、横寸法が同じサイズであることを意味する）、およびさらに、第１および第２のＣＥＳは、実施形態において等しい量で提供されると仮定され得るので、我々は、エネルギー・リレーの実施形態の横平面に沿った任意の特定の位置の場合、この文脈で適用される空間ラプラス原理に従って、第１のＣＥＳまたは第２のＣＥＳのいずれかが存在する可能性が同様にあり得ると仮定することができる。代替的に、リレー材料が他のエネルギー・リレーの実施形態において異なる量で提供される場合、または互いに異なる横方向サイズを有する場合、我々は、空間ラプラス原理に従って、いずれかの材料を見つける確率が、提供される材料の比率またはそれらの相対的サイズに比例することを、同様に予想する。
次に、アンダーソンエネルギー・リレーの実施形態の第１および第２の材料がどちらも（入念な機械的混合または他の手段のいずれかによって）ランダムな様態で配置され、さらに、材料の「配置」が、材料がランダム化されるときに、同時に発生し、自発的に生じ得るという事実によって明示されるので、我々は、これらの実施形態について、隣接するＣＥＳ材料の同一性が、特定のＣＥＳ材料の同一性に、およびその逆も同様に、いかなる影響も及ぼさないと断言することができる。すなわち、これらの実施形態内のＣＥＳ材料の同一性は、互いに独立している。したがって、本明細書に記載するアンダーソン材料の実施形態は、記載されるＣＳＲ特徴を満たすと言え得る。当然のことながら、上述のように、外部の要因および「現実の」交絡因子の性質は、厳格なＣＳＲ定義を有するアンダーソンエネルギー・リレー材料の実施形態のコンプライアンスに影響を及ぼし得るが、当業者は、これらのアンダーソン材料の実施形態が、実質的に、かかる定義の合理的な許容範囲内に入ると認識するであろう。
対照的に、本明細書で開示された秩序化エネルギー局在リレー材料の実施形態のいくつかの分析は、それらの対応するアンダーソン材料の実施形態からの（および、ＣＳＲからの）特定の逸脱を強調する。アンダーソン材料とは異なり、秩序化エネルギー局在リレーの実施形態内のＣＥＳ材料の同一性は、その隣接物の同一性と高度に相関し得る。特定の秩序化エネルギー局在リレーの実施形態内のＣＥＳ材料の配置にぴったりのパターンは、とりわけ、類似する材料をどのように互いに対して空間的に配置して、融合時に、かかる材料によって形成されるＡＰの有効サイズを制御するのかに影響を及ぼすように設計される。言い換えれば、秩序化エネルギー局在分布に材料を配置するいくつかの実施形態の目的の１つは、単一の材料（ＡＰ）を含む任意の領域の、横寸法における最終的な断面積（またはサイズ）に影響を及ぼすことである。これは、エネルギーが長手方向に沿ってリレーされたときの、該領域内の横エネルギー散乱および干渉の影響を制限し得る。したがって、秩序化エネルギー局在分布の実施形態においてエネルギー・リレー材料が最初に「配置された」ときに、ある程度の特異性および／または選択性が用いられるが、これは、特定のＣＥＳの同一性が、他のＣＥＳの、特にそれを直接取り囲んでいる材料の同一性から「独立している」と認めない場合がある。それとは逆に、特定の実施形態では、材料は、非ランダムパターンに従って特に選択され、任意の１つの特定のＣＥＳの同一性は、パターンの連続性に基づいて、およびパターンのどの部分（したがって、どの材料）がすでに配置されているかを知る際に決定される。したがって、これらの特定の秩序化エネルギー局在分布エネルギー・リレーの実施形態は、ＣＳＲ基準に準拠することができない。したがって、２つ以上のＣＥＳまたはエネルギー・リレー材料のパターンまたは配置が、「非ランダム」または「実質的に非ランダム」として本開示で説明される場合があり、当業者は、上述したＣＳＲの一般的概念または特徴は、とりわけ、非ランダムまたは実質的に非ランダムパターンをランダムパターンと区別するとみなされ得ることを認識するべきである。例えば、一実施形態では、記載されている一般的概念またはＣＳＲの特徴に実質的に準拠していない材料は、秩序化エネルギー局在材料分布とみなされ得る。本開示では、用語「秩序化」は、秩序化エネルギー局在の原理を介してエネルギーを透過するリレーのためのコンポーネント操作された構造材料の分布を説明するために記載され得る。用語「秩序化エネルギー・リレー」、「秩序化リレー」、「秩序化分布」、「非ランダムパターン」などは、本明細書で説明する秩序化エネルギー局在のこの同じ原理を介して、エネルギーを少なくとも部分的に透過する、エネルギー・リレーを説明する。
当然のことながら、ＣＳＲの概念は、考慮するべき例示的なガイドラインとして本明細書に提供され、当業者は、当技術分野において既知である他の原理を考慮して、非ランダムパターンをランダムパターンと区別し得る。例えば、人間の署名のように、非ランダムパターンが、ノイズを含む非ランダム信号とみなされ得ることを認識されたい。非ランダムパターンは、ノイズを含むことによりそれらが同じでないときであっても、実質的に同じであり得る。ノイズおよび非ランダム信号を分離して、後者を相関させるために使用され得る、パターンの認識および比較の極めて多数の従来の技法が当技術分野に存在する。一例として、参照により本明細書に組み込まれる、Ｒｈｏａｄｅｓへの米国特許第７，０１６，５１６号は、ランダム（ノイズ、平滑性、清浄性、など）を識別し、非ランダム信号を相関させて、署名が本物であるかどうかを決定する方法を記載している。Ｒｈｏｄｅｓは、信号のランダム性の計算がこの分野の当業者に十分理解されていることを強調しており、１つの例示的な技術は、各サンプル点での信号の導関数をとり、これらの値を二乗し、次いで、信号全体を合計することである。Ｒｈｏｄｅｓは、様々な他の周知の技術を代替的に使用することができることをさらに強調している。従来のパターン認識フィルタおよびアルゴリズムを使用して、同じ非ランダムパターンが識別され得る。実施例は、米国特許第５，４６５，３０８号および同第７，０５４，８５０号に提供されており、これらはすべて、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。パターン認識および比較の他の技術は、本明細書では繰り返さないが、当業者は、既存の技術を容易に適用して、エネルギー・リレーが、複数の繰り返しモジュールを備え、各々が、実質的に非ランダムパターンに配置されている少なくとも第１および第２の材料を含み、実際に、同じ実質的に非ランダムパターンを備えているかどうかを決定することを認識されたい。
さらに、ランダム性およびノイズに関して上述した点を考慮して、実質的に非ランダムパターンへの材料の配置が、機械的不正確さまたは製造のばらつきなどの意図しない要因のため、意図するパターンの歪みを被り得ることが認識されるべきである。かかる歪みの一例を図２０Ｂに例解し、２つの異なる材料の間の境界２００５は、図２０Ａに例解される材料の非ランダム配置の元の部分ではない固有の形状を有する程度に融合プロセスの影響を受ける。しかしながら、当業者には、非ランダムパターンに対するかかる歪みが、大部分は不可避であること、および機械的技術の性質に固有であること、また、図２０Ａに示す材料の非ランダム配置が、該材料の境界に対する機械的歪みにもかかわらず、図２０Ｂに示す融合した実施形態に実質的に維持されることが明らかになるであろう。したがって、材料の配置を考慮したとき、単にそれらの固有の違いにもかかわらず同じ人に属しているものとして２つの署名を識別するように、歪んでいない部分からパターンの歪んだ部分を区別することは、かかる当業者の能力の範囲内である。
図１２Ａは、類似する配向を有する多数のモジュールを画定する、３つのコンポーネント材料ＣＥＳ１２０２、ＣＥＳ１２０４、またはＣＥＳ１２０６の非ランダムパターン（秩序化エネルギー局在を介してエネルギーをリレーするように構成された分布）を備える、予融合エネルギー・リレーの一部分１２００の横平面の切取図を例解する。これらの３つのＣＥＳ材料の粒子は、該粒子の実質的に不変の分布を共有する、モジュール１２０８およびモジュール１２１０などの繰り返しモジュール内に配置される。図１２Ａに例解するように、一部分１２００は、６つのモジュールを含むが、所与のエネルギー・リレー内のモジュールの数は、任意の数とすることができ、また、所望の設計パラメータに基づいて選択され得る。加えて、モジュールのサイズ、モジュール当たりの粒子の数、モジュール内の個々の粒子のサイズ、モジュール内の粒子の分布パターン、異なるタイプのモジュールの数、および外部モジュール式または間隙材料の包含は、すべて、考慮されるべき、かつ本開示の範囲内に入る設計パラメータであり得る。
同様に、各モジュール内に含まれる異なるＣＥＳの数は、図１２Ａに例解されるように３つである必要はなく、好ましくは、所望の設計パラメータに適した任意の数であり得る。さらに、各ＣＥＳが有する異なる特徴的な特性は、所望の設計パラメータを満たすために可変的であり得、違いは、屈折率のみに限定されるべきでない。例えば、２つの異なるＣＥＳは、実質的に同じ屈折率を有し得るが、それらの融点温度は異なり得る。
図１２Ａに例解するエネルギー・リレーの一部分１２００を介して輸送されるエネルギーの散乱を最小にし、かつ横エネルギー局在を促進するために、一部分１２００を備えるモジュールの非ランダムパターンは、上述の秩序化エネルギー局在分布特性を満たし得る。本開示の文脈において、連続粒子は、横平面内で互いに実質的に隣接する粒子であり得る。粒子は、互いに接触しているように例解され得るか、または隣接する粒子の間に例解される間隙が存在し得る。当業者は、隣接する例解される粒子の間の小さい間隙が、偶然の美的なアーチファクトであること、または現実の材料の配置において生じ得る微小な機械的変動を例解することを意味すること、のいずれかであることを認識するであろう。さらに、本開示はまた、実質的に非ランダムパターンのＣＥＳ粒子の配置も含むが、設計による製造の変動または偶然の変動による例外を含む。
ＣＥＳ粒子の秩序化エネルギー局在パターンは、エネルギーのより大きい局在、およびリレー材料を介した横方向のエネルギーの散乱を低減させることを可能にし得、その結果、他の実施形態と比較して、材料を介したエネルギー輸送のより高い効率を可能にし得る。図１２Ｂは、３つのコンポーネント材料、ＣＥＳ１２０２、ＣＥＳ１２０４、およびＣＥＳ１２０６の粒子の非ランダムパターンを備える、予融合エネルギー・リレーの一部分１２５０の横平面の切取図を例解し、粒子は、配向を変化させた多数のモジュールを画定する。一部分１２５０のモジュール１２５８および１２６０は、図１２Ａのモジュール１２０８および１２１０に類似する材料の非ランダムパターンを備える。しかしながら、モジュール１２６０の材料のパターンは、モジュール１２５８のパターンに対して回転させている。一部分１２５０の複数の他のモジュールもまた、回転させた分布パターンを呈する。パターンに対してどのくらいの回転が課されたかにかかわらず、各モジュール内の粒子分布の実際のパターンが同じままであるので、一部分１２５０内の各モジュールは、この回転配置にもかかわらず、上述した秩序化エネルギー局在分布を有することに留意することが重要である。
図１４は、３つのコンポーネント材料、ＣＥＳ１４０２、ＣＥＳ１４０４、およびＣＥＳ１４０６の粒子の非ランダムパターンを備える、融合エネルギー・リレーの一部分１４００の横平面の切取図を例解する。一部分１４００は、図１２Ａからの、一部分１２００の可能な融合形態を表し得る。秩序化エネルギー局在分布でＣＥＳ粒子を配置することによって、図１４に示すリレーは、図１３に示すランダム化された分布と比較して、リレーを介した長手方向のエネルギーのより効率的な輸送を実現し得る。エネルギーの波長のおよそ１／２の直径を有するＣＥＳ粒子を、材料を介して輸送し、該粒子を図１２Ａに示す予融合秩序化エネルギー局在分布で配置するように選択することによって、その結果得られる図１４に示す融合後のＡＰのサイズは、意図するエネルギーの波長の１／２〜２倍の横寸法を有し得る。ＡＰの横方向寸法をこの範囲内に実質的に制限することによって、材料を介して長手方向に輸送されるエネルギーは、秩序化エネルギー局在を可能にし、また散乱および干渉効果を低減させ得る。一実施形態では、リレー材料におけるＡＰの横寸法は、好ましくは、ＡＰを介して長手方向に輸送されるエネルギー波長の１／４〜８倍であり得る。
図１４に見られるように、および図１３とは対照的に、すべてのＡＰにわたるサイズの顕著な整合性が存在し、これは、予融合ＣＥＳ粒子を配置する方法に対して制御を及ぼすことによってもたらされ得る。具体的には、粒子の配置のパターンを制御することは、より大きいエネルギー散乱および干渉パターンを伴う、より大きいＡＰの形成を低減または排除し得、エネルギー・リレー内のＣＥＳ粒子のランダム化された分布を超える向上を表す。
図１５は、２つの異なるＣＥＳ材料、ＣＥＳ１５０２およびＣＥＳ１５０４のランダム化された分布を備える、エネルギー・リレーの一部分１５００の断面図を例解する。一部分１５００は、例解図の垂直軸に沿って長手方向にエネルギーを輸送するように設計され、また、例解図の水平軸に沿って横方向に分布したいくつかのＡＰを備える。ＡＰ１５１０は、一部分１５００内のすべてのＡＰの平均ＡＰサイズを表し得る。一部分１５００の融合の前にＣＥＳ粒子の分布をランダム化する結果として、一部分１５００を形成する個々のＡＰは、１５１０によって示される平均サイズを大幅に逸脱し得る。例えば、ＡＰ１５０８は、横方向の幅がＡＰ１５１０よりもかなり広い。その結果、長手方向のＡＰ１５１０および１５０８を介して輸送されるエネルギーは、顕著に異なる局在化効果、ならびに異なる量の波の散乱および干渉を経験し得る。その結果、そのリレーされた目的地に到達すると、一部分１５００を介して輸送された任意のエネルギーは、一部分１５００に入るときに、その元の状態にと比較して、異なるレベルの干渉性または横軸にわたる強度の変化を呈し得る。リレーに入ったときとは大幅に異なる状態にある、該リレーから現れるエネルギーを有することは、画像光輸送などの特定の用途には望ましくない場合がある。
加えて、図１５に示すＡＰ１５０６は、横方向において平均サイズのＡＰ１５１０よりも実質的に小さくなり得る。その結果、ＡＰ１５０６の横幅は、特定の所望のエネルギー波長領域のエネルギーが効果的にそこを伝搬するには小さすぎる場合があり、該エネルギーの低下を生じさせ、また、該エネルギーをリレーする際の一部分１５００の性能に悪影響を及ぼす。
図１６は、３つの異なるＣＥＳ材料、ＣＥＳ１６０２、ＣＥＳ１６０４、およびＣＥＳ１６０６の非ランダムパターンを備える、エネルギー・リレーの一部分１６００の断面図を例解する。一部分１６００は、例解図の垂直軸に沿って長手方向にエネルギーを輸送するように設計され、また、例解図の水平軸に沿って横方向に分布したいくつかのＡＰを備える。ＣＥＳ１６０４を備えるＡＰ１６１０、およびＣＥＳ１６０２を備えるＡＰ１６０８はどちらも、横方向において実質的に同じサイズを有し得る。一部分１６００内のすべての他のＡＰもまた、横方向において類似するＡＰサイズを実質的に共有し得る。その結果、一部分１６００を通して長手方向に輸送されているエネルギーは、一部分１６００の横軸にわたって実質的に均一な局在化効果を経験し得、また、低減された散乱および干渉効果を被り得る。横方向寸法の一貫したＡＰ幅を維持することによって、一部分１６００に入るエネルギーは、それが一部分１６００に入る横方向に沿った場所にかかわらずリレーされ、等しく影響を及ぼされる。これは、画像光輸送などの特定の用途の場合、図１５に示すランダム化された分布を超えるエネルギー輸送の向上を表し得る。
図１７は、コンポーネント材料ＣＥＳ１７０２および１７０４を含む凝集粒子のランダム化された分布を備える、エネルギー・リレーの一部分１７００の断面斜視図を例解する。図１７において、入力エネルギー１７０６は、エネルギー１７０６を表す矢印によって示されるように、例解図の垂直方向と一致する、リレーを介して長手方向（ｙ軸）に一部分１７００を介して輸送するように提供される。エネルギー１７０６は、側面１７１０において一部分１７００に受信され、側面１７１２においてエネルギー１７０８として一部分１７００から現れる。エネルギー１７０８は、エネルギー１７０８が一部分１７００を通して輸送されたときに不均一な変換を受けたことを例解することを意図して、矢印のサイズおよびパターンを変化させて例解され、エネルギー１７０８の異なる一部分は、長手方向のエネルギー方向１７０６に対して垂直な横方向（ｘ軸）における大きさおよび局在化の量を変化させることによって、初期入力エネルギー１７０６とは異なる。
図１７に例解するように、所望のエネルギー波長が側面１７１０から側面１７１２に効果的に伝播するには小さすぎる、または別様には不相応である横方向サイズを有する、ＡＰ１７１４などのＡＰが存在し得る。同様に、所望のエネルギー波長が側面１７１０から側面１７１２に効果的に伝播するには大きすぎる、または別様には不相応である、ＡＰ１７１６などのＡＰが存在し得る。一部分１７００を形成するために使用されるＣＥＳ粒子のランダム化された分布の結果であり得る、一部分１７００にわたるエネルギー伝播特性のこの変動の組み合わせ効果は、エネルギー・リレー材料としての一部分１７００の有効性および有用性を制限し得る。
図１８は、３つのコンポーネント材料、ＣＥＳ１８０２、ＣＥＳ１８０４、およびＣＥＳ１８０６の凝集粒子の非ランダムパターンを備える、エネルギー・リレーの一部分１８００の断面斜視図を例解する。図１８において、入力エネルギー１８０８は、エネルギー１８０８を表す矢印によって示されるように、例解図の垂直方向と一致する、リレーを介した長手方向に一部分１８００を介して輸送するように提供される。エネルギー１８０８は、側面１８１２において一部分１８００に受信され、エネルギー１８１０として側面１８１４から現れる。図１８に例解するように、出力エネルギー１８１０は、一部分１８００の横方向にわたって実質的に均一な特性を有し得る。さらに、入力エネルギー１８０８および出力エネルギー１８１０は、波長、強度、解像度、または任意の他の波の伝播特性などの、実質的に変化しない特性を共有し得る。これは、一部分１８００の横方向に沿ったＡＰの均一なサイズおよび分布によるものであり、横方向に沿った各点でのエネルギーが、共通に影響を受ける様態で、一部分１８００を介して伝播することを可能にし、これは、現れるエネルギー１８１０にわたる、および入力エネルギー１８０８と現れるエネルギー１８１０との間の任意のばらつきを制限するのを補助し得る。
秩序化エネルギー・リレー材料の設計上の考慮事項
図１９は、２つのモジュール構造、ＣＥＳ１９０２、ＣＥＳ１９０４、およびＣＥＳ１９０６からなるモジュール構造１９０８、またはＣＥＳ１９１０、ＣＥＳ１９１４、およびＣＥＳ１９１６からなるモジュール構造１９１２、のうちの１つに配置された粒子の非ランダムパターンを備える、予融合エネルギー・リレーの一部分１９００の横平面の切取図を例解する。２つの異なるモジュール構造を一部分１９００に含むことは、一部分１９００を介した長手方向のエネルギー波の伝播の制御をさらに可能にし得る。例えば、ＣＥＳ１９１０は、エネルギー吸収材料であり得、または別様に、エネルギーの伝播を抑制するように作用し得、エネルギー抑制材料と呼ばれる。様々な実施形態では、エネルギー抑制材料は、当技術分野において既知の吸収、反射、散乱、干渉、または任意の他の手段を介して、エネルギー伝播を抑制し得る。一部分１９００内のＣＥＳ粒子の非ランダムパターンの全体を通してこれらの特性を有する材料を周期的に含むことによって、一部分１９００のエネルギー波伝播特性は、精緻化された開口数などの所望の結果のために操作され得る。
別の実施形態では、エネルギー・リレーは、２つの異なるエネルギー源の輸送のために最適化された２つの異なるモジュール構造を含み得る。例えば、図１９で、モジュール構造１９１２は、可視光の波長と同等であるサイズを有し、かつ可視光の透過に適切な屈折率の範囲を有するＣＥＳ１９０２、１９０４、および１９０６によって、可視電磁スペクトルのために最適化され得、一方で、モジュール構造１９０８は、超音波を透過するように選択された音響インピーダンス値の範囲を有し、かつ各々が、送信される音波の波長と同等のサイズを有する、ＣＥＳ１９１０、ＣＥＳ１９１４、およびＣＥＳ１９１６によって、超音波の輸送のために最適化され得る。
図１９に示す特定の非ランダムパターンは、単に例示目的のみのためであり、当業者は、好ましくは、所望の結果をもたらすために変更され得るが、それでも本開示の範囲内に入る、非ランダムパターンの多数の態様があることを認識するべきである。例えば、図１９は、２つの異なるモジュールパターン１９１２および１９０８を例解する。しかしながら、１つ、２つ、３つ、またはより多くの異なるモジュールパターンを有する非ランダムパターンが存在し得る。さらに、図１９に示すように、ＣＥＳ粒子またはモジュールのサイズは、均一であり得るか、またはモジュール間で変化し得る。例えば、モジュールは、類似するパターンを有するがサイズが変化する粒子分布によっても存在し得る。リレー材料の異なるモジュールの様々な比率またはリレー材料内のモジュールの特定の配置もまた、調整され得る。加えて、リレー材料はまた、材料にいくらかの利点を付与し得る意図的に含まれた空間または気泡または間隙などの、非ＣＥＳ要素も含み得る。間隙材料もまた、モジュールの間に、またはモジュール内の粒子の間に含まれ得る。また、製造上の複雑さが、非ランダムパターンが意図する非ランダムパターンから逸脱し得る欠陥につながり得ることも認識するべきであり、当業者は、これらの偏差が偶然であること、および本開示の範囲を限定するべきでないことを認識するべきである。
図２０Ａは、３つの異なるＣＥＳ材料、ＣＥＳ２００２、ＣＥＳ２００４、またはＣＥＳ２００６のうちの１つを含む粒子の配置を特徴とする、予融合モジュール２０００の斜視図を例解する。モジュール２０００を含む粒子は、可変粒子サイズを有する非ランダムパターンで配置される。図２０Ｂは、融合させた後のモジュール２０００の斜視図を例解する。図２０Ａおよび図２０Ｂに例解するように、個々の粒子のサイズは、任意の好ましいサイズであるように選択することができる。また、モジュールを設計するときに、ＣＥＳ粒子の特定の配置がどのように融合プロセスの影響を受けるかに関して考慮を払うべきである、という事実にも注目されたい。例えば、図２０Ａの中央にＣＥＳ２００６を含むＣＥＳ粒子を囲んで、目立った間隙が存在するが、融合時に、個々の粒子が、ＣＥＳ２００６からなる図２０ＢのＡＰ２００８を形成し、次いで、隙間がＣＥＳ２００６材料によって満たされる。これは、非ランダムパターンリレー材料を設計する際の、ならびに製造プロセスにおける、顕著な柔軟性を可能にし、かつ可能な設計の数を増加させる。
図２０Ｃは、粒子の分布および追加の構造２０１２の非ランダムパターンを備える、予融合エネルギー・リレーの一部分２０１０の横平面の切取図を例解する。図２０Ｄは、粒子および追加の構造２０１２を備える融合させた一部分２０１０の横平面の切取図を例解する。一実施形態では、追加の構造２０１２は、エネルギー抑制構造であり得る。コア−クラッド構成を使用する従来の光ファイバでは、エネルギー波伝播材料は、伝播材料内にエネルギーを含むために、エネルギー抑制クラッドによって囲まれる。エネルギー伝播材料の周囲のクラッドの追加は、多くの事例において製造上の複雑さおよび設計制約を増加させる、追加のステップである。エネルギー波伝播材料の予融合分布内に抑制構造を組み込むことによって、抑制構造のコスト、複雑さ、および有効性が大幅に改善され得る。さらに、横方向において抑制構造がエネルギー・リレー材料内に配置される場所、ならびに抑制構造のサイズを選択することによって、従来のコア−クラッド設計スキーマと比較して、エネルギー波の拡散、散乱、および干渉効果をさらに低減させることが可能である。
図２０Ｅは、各粒子がＣＥＳ２０２２、ＣＥＳ２０２４、またはＣＥＳ２０２６のうちの１つを含む、六角形状の粒子の非ランダムパターンを備える、予融合エネルギー・リレーのモジュール２０２０の斜視図を例解する。ＣＥＳ材料領域２０２２、２０２４、および２０２６の境界は、直線である。図２０Ｆは、融合させた後のモジュール２０２０の斜視図を例解し、ＣＥＳ材料領域２０２２、２０２４、および２０２６の間の境界がもはや完全に直線ではなく、予融合境界と実質的に同じ位置にある。図２０Ｅおよび図２０Ｆは、エネルギー・リレー材料を含む粒子の個々の形状を、任意の好ましい形状または配置に設計およびカスタマイズすることができることを示す。さらに、正六角形状を有するＣＥＳ材料を設計し、配置することによって、融合プロセスが完了した時点で非ランダムパターンがどのように現れるかを予測することがはるかに容易になる。図２０Ｆにおける融合後のモジュール２０２０は、図２０Ｅに示す予融合配置と、ほぼ同じである。加えて、集合的に凸面の均一タイリングと呼ばれる、この利点を可能にする正六角形タイリングの他に、ＣＥＳ粒子のいくつかの形状および構成が存在する。凸面の均一タイリングおよびそれらの本開示の文脈の範囲内での潜在的応用は、本明細書の次の節で取り上げる。
前述のパラグラフに示した実施形態に加えて、図２０Ｇは、不規則な形状のＣＥＳ領域の非ランダムパターンを備える、予融合エネルギー・リレーのモジュール２０３０の斜視図を例解する。図２０Ｇは、好ましくは課される特定の設計制約に基づいて、粒子の個々のサイズ、形状、材料、または任意の他の特性が有利に選択され得る概念を示す。図２０Ｇの分析は、複数の粒子が不規則なサイズまたは形状を有するにもかかわらず、それでも非ランダムパターンがモジュール２０３０の使用を可能にすることを明らかにする。したがって、モジュール２０３０に似たモジュールからなるエネルギー・リレー材料は、多くの不規則な置換分を有するにもかかわらず、それでも秩序化エネルギー局在を実現し得、また、実際に、特定の応用のための材料のランダム化された分布を超える向上を表し得る。
図２０Ｈは、エネルギー・リレーを製造するための予融合管およびペレットシステムの一部分２０４０の斜視断面図を例解し、図２０Ｉは、融合後の一部分２０４０の斜視断面図を例解する。ＣＥＳ材料の細長いロッドを提供し、次いでそれらを非ランダムパターンに配置し、一緒に融合させるのではなく、ＣＥＳ材料のいくつかの中空体を配置し、それらの管を追加のＣＥＳ材料で満たし、次いで、管全体およびペレットシステムを融合させて、エネルギー・リレー材料をもたらすことが可能である。
図２０Ｈでは、管２０４２は、ＣＥＳ２０４４を含み得、また、管２０４３および２０４５に隣接して配置され得、２０４３および２０４５は、ＣＥＳ２０４４とは異なるＣＥＳ材料を含み得る。次いで、管２０４２は、ＣＥＳ２０４４とは異なる材料のペレット２０４６で満たされ得る。次いで、追加のＣＥＳ材料、エネルギー抑制材料、または任意の他の好ましい材料であり得る充填材料２０４８が、管２０４２、２０４３、および２０４５の間の空隙または間隙領域２０４１に配置され得る。次いで、図２０Ｈに示す管およびペレットシステムが融合され、図２０Ｉに示す一部分２０４０が生成され得る。融合時に、管２０４４の中のすべてのペレット２０４６がＡＰ２０４７を形成し得、充填材料２０４８が流れて、間隙領域２０４１を塞ぎ得る。管のサイズ、ペレットのサイズ、各管およびペレットの材料のタイプ、ならびに任意の間隙材料の材料のタイプを適切に選択することによって、図２０Ｈおよび図２０Ｉに示す管およびペレットシステムを使用して、本開示と一致する秩序化エネルギー局在を呈するエネルギー・リレー材料を生成することが可能になる。
図２０Ｊは、ＣＥＳ２０５２、ＣＥＳ２０５４、またはＣＥＳ２０５６のうちの１つを含む粒子の非ランダムパターンを備える、予融合エネルギー・リレーのモジュール２０５０の横平面の切取図を例解する。ＣＥＳ２０５６は、好ましくはエネルギー抑制特性またはエネルギー吸収特性を有する材料として選択され得、ＣＥＳ２０５６を含む粒子は、好ましくは、モジュール２０５０の非ランダムパターン内に埋設することができるマイクロサイズのエネルギー抑制構造を形成するように配置され得る。エネルギー抑制構造を、エネルギー・リレーモジュール内の秩序化エネルギー局在分布のパターンに加えることで、エネルギー・リレーの開口数を制御するなどの、材料を介した制御エネルギー伝播特性を制御する、より容易な製造方法を提供し得る。さらに、開口数、焦点距離、主光線角度などの因子を制御するために秩序化エネルギー局在原理を活用することによって、秩序化エネルギー局在誘発材料を介したより高いエネルギー輸送効率を実現すること、ならびに抑制材料の量を低減させることが可能であり得る。
図２０Ｋは、ＣＥＳ２０５２、ＣＥＳ２０５４、またはＣＥＳ２０５６のうちの１つを含む粒子およびＣＥＳ２０５８を含む周囲のエネルギー抑制材料の非ランダムパターンを備える、予融合エネルギー・リレーのモジュール２０６０の横平面の切取図を例解する。また、図２０Ｊに示す非ランダムパターン分布内に抑制構造を配置するのではなく、エネルギー抑制材料を有する非ランダムパターン化されたエネルギー・リレーモジュールを囲むことも可能である。この手法は、エネルギーをモジュール２０６０の非ランダムパターン内に含み、局在させることを確実にし、また、エネルギー抑制ＣＥＳ２０５８を活用することによって、モジュール２０６０の境界の外側への該エネルギーの拡散の低減を確実にする。
図２１Ａは、可撓性外側筐体２１０２と、端部キャップ２１０４と、エネルギーのペレットはＣＥＳ２１０６、ＣＥＳ２１０８、またはＣＥＳ２１１０のうちの１つを含む非ランダムパターンで配置されたエネルギー輸送材料と、を含む、予融合エネルギー・リレー２１００の横平面の断面図を例解する。リレー２１００は、図７Ａに示す可撓性エネルギー・リレーに類似するが、エネルギー輸送材料のランダム化された分布を有するのではなく、エネルギー輸送材料の非ランダムパターンを特徴とする。重要なことに、平面２１１４などの横方向の任意の点の組成物は、ＣＥＳ材料の非ランダムパターンを維持して、秩序化エネルギー局在効果を効果的に誘発するべきである。加えて、経路２１１６などの長手方向に沿って、長手方向のエネルギー波の伝播を促進するために一定のＣＥＳ材料が存在するべきである。
可撓性リレー２１００を形成するためのシステムは、可撓性筐体２１０２を提供することと、非ランダムパターンでＣＥＳ材料を可撓性筐体２１０２に加えることと、を含み得る。次いで、エンドキャップ２１０４を、筐体２１０２の端部の定位置に位置づけて、可撓性リレー２１００内のＣＥＳ材料を封止する。最後に、リレー２１００を融合させて、ＣＥＳ材料を非ランダムパターン内のそれらの指定位置に固定し得る。
可撓性リレー２１００内のＣＥＳ材料の間には、空隙２１１２などの空隙が存在し得る。空隙２１１２は、好ましくは空のままであり得、融合時に、ＣＥＳ材料が流れ込み、空隙２１１２を塞ぐか、または間隙材料をリレー２１００に導入して、ＣＥＳ材料の間の間隙を塞ぎ得る。間隙材料はまた、所望に応じて、エネルギー波伝播特性またはエネルギー波抑制特性を有し得る。
図２１Ｂは、可撓性リレー２１００の融合バージョンの断面図を例解する。重要なことに、ＣＥＳ材料２１０６、２１０８、および２１１０は、長手方向に連続しており、リレー２１００を介したエネルギーのより効率的な輸送を促進し得る。
図２１Ｃは、非融合および非撓曲状態の可撓性リレー２１００の断面図を例解し、図２１Ｄは、融合および非撓曲状態の可撓性リレー２１００の断面図を例解する。可撓性筐体２１００は、融合の前または後のいずれかにおいて、撓曲または非撓曲状態であり得、可撓性エネルギー・リレーにおいて活用されるエネルギー輸送のおよび下層の設計基準および原理が、依然として有効であることに注目されたい。
秩序化エネルギー・リレー微細構造のマイクロスケール製造のための方法
図２２Ａは、（エネルギーの秩序化エネルギー局在リレーのための）エネルギー・リレー材料の非ランダムパターンを形成するためのシステムの横平面の切取図を例解する。図２２Ａでは、エネルギー・リレーのモジュール２２００は、ＣＥＳ２２０２、ＣＥＳ２２０４、またはＣＥＳ２２０６のうちの１つを含む粒子の非ランダムパターンを備えて示されている。図２２Ａに例解するように、モジュール２２００は、モジュール２２００を画定するＣＥＳ粒子のサイズの結果である特定の初期サイズ、ならびに粒子が配置される特定のパターンを有し得る。本開示で上述したように、長手方向に沿って加熱を印加し、モジュール２２００を引っ張ることによって、モジュール２２００のサイズを、より小さい直径に低減させ、一方で、モジュール２２００を画定するＣＥＳ材料の特定の非ランダムパターンを維持することが可能になる。図２２Ｂに示す、その結果得られるサイズを低減させたモジュール２２０８は、モジュール２２００と実質的に同じ材料の非ランダムパターンを有し得るが、横方向で実質的により小さくなり得、モジュール２２０８を介して長手方向に効果的に輸送され得るエネルギーのエネルギー波長領域を効果的に変化させる。ＣＥＳ材料の一般的な分布は、サイズを低減させたモジュール２２０８において保たれているが、融合プロセスは、ＣＥＳ材料領域の形にいくらかの局所的変動または変形を生じさせる。例えば、ＣＥＳ２２０２の単一のロッドは、ＣＥＳ材料２２０３になり、ＣＥＳ２２０４およびその２つの連続して隣接するものは、およそ同じ形状を有する融合領域２２０５になり、ＣＥＳ２２０６の単一のロッドは、およそ六角形状のＣＥＳ２２０７に変形している。
図２２Ｂは、エネルギー・リレー材料の非ランダムパターンを形成するためのシステムの横平面の切欠図を例解し、図２２Ａに示すモジュール２２００の融合バージョンを表す。図２２Ａを参照して説明する原理は、図２２Ｂにも適用可能である。材料を低減させたサイズのモジュール２２０８へと引っ張る前に融合させることによって、引っ張りプロセスの結果として課される変動がより少なくなり得、サイズを低減させたエネルギー・リレーは、より予測可能な材料分布を有し得る。一実施形態では、融合プロセスは、リレーを備えるコンポーネント操作された構造の１つ以上のガラス転移温度よりも低い温度までリレー材料を加熱することを含み得る。異なる実施形態では、リレー材料は、コンポーネント操作された構造の１つ以上のガラス転移温度に近い、またはリレーを備えるコンポーネント操作された構造の平均ガラス転移温度に近い温度まで加熱される。一実施形態では、融合プロセスは、随意に触媒を伴って、化学反応を使用して、リレー材料を一緒に融合させることを含み得る。一実施形態では、融合プロセスは、コンポーネント操作された構造の配置を拘束空間に配置し、次いで、熱を印加することを含み得る。拘束空間は、拘束空間２６０６を画定するように構成された、図２６Ａ〜図２６Ｅに示すものに類似する固定具によって提供され得る。一実施形態では、融合プロセスは、拘束空間にコンポーネント操作された構造の配置を配置することと、エネルギー・リレー材料に圧縮力を印加することと、次いで、熱を印加することと、を含み得る。これは、コンポーネント操作された構造が二軸引っ張りを伴うポリマーである場合に特に有用であり、圧縮力は、材料を一緒に融合させる、またはアニールするときに、材料が反ること、または縮むことを防止する。このようにして、融合ステップはまた、材料も緩和することも含み、また、融合および緩和ステップと呼ばれ得る。一実施形態では、融合および緩和プロセスは、プロセスパラメータを有する一連のステップを含み得、各ステップは、随意に様々なレベルの触媒を伴って、化学反応を使用して、エネルギー・リレー材料を融合させること、配置を拘束し、所望の力レベルの圧縮力を印加すること、リレーのコンポーネント操作された構造の１つ以上のガラス転移温度に近くなり得る所望の温度まで熱を印加すること、および所望の温度まで冷却を印加すること、のうちの１つを含む。次いで、融合および緩和された材料は、融合が完了した後に、拘束空間から解放され得る。
図２３は、図２２Ｂに示すプロセス２３００の続きを例解する。エネルギー・リレーの多数のサイズを低減させたモジュール２２０８は、一部分２３０１に示すようなグループに配置され得る。上述して、図２２Ａおよび２２Ｂに示すように、モジュール２３０１に熱を印加し、長手方向に沿って引っ張ることによって、モジュール２３０１を画定するＣＥＳ材料の特定の非ランダムパターンを維持しながら、複合モジュール２３０１のサイズをより小さい微細構造モジュール２３０２へとテーパ状にすることが可能になる。このプロセスは、モジュール２３０２を使用して再度繰り返して、さらに小さい微細構造モジュール２３０４をもたらすことができる。このプロセスの任意の望ましい数の繰り返しを実行して、所望の微細構造サイズを達成することができる。モジュール２３０１は、それ自体が収縮したモジュール２２０８からなるので、一部分２３０４のサブ部分の吹き出し２３０６によって例解するように、２３０４もまた一部分２３０１と同じ非ランダムパターンを共有するような様式で、２２０８を画定するＣＥＳ材料の元の分布は保たれているが、横寸法がさらに小さくなっている。輪郭２３０８は、サイズを低減させた一部分２３０４と比較した、一部分２３０１の元のサイズを表す。次いで、このプロセスを任意の回数繰り返して、より大きい材料から始まる所望の横サイズの非ランダムパターンのエネルギー・リレーをもたらすことができる。例えば、多数のモジュール２３０４は、２３０１の類似のグループに配置され得、プロセスを繰り返す。このシステムは、マイクロスケールの個々のＣＥＳ材料を操作する必要を伴うことなく、ミクロレベルの分布パターンを形成することを可能にし、エネルギー・リレーの製造をマイクロスケールに維持することができることを意味する。これは、製造プロセス全体を単純化し、製造の複雑さおよび出費を低減させ得る。このサイズ低減プロセスはまた、ＣＥＳ材料の実際の横寸法およびパターニングのより正確な制御を提供することもでき、リレーを所望のエネルギー波長領域に合わせて特別に調整することを可能にする。
図２４は、エネルギー・リレー材料を形成する加熱および引っ張りプロセスのブロック図を例解する。ステップ２４０２で、最初に、ＣＥＳ材料を所望の非ランダムパターンで配置する。ステップ２４０４で、さらに、材料を拘束空間に配置し得る。ステップ２４０６で、エネルギー・リレー材料を拘束空間内で一緒に融合させ、ここで、融合／緩和は、一連のステップであり得、各ステップは、エネルギー・リレー材料の配置に圧縮応力を印加すること、熱を印加すること、冷却を印加すること、または場合により触媒を伴って化学反応を使用すること、のうちのいずれかを含み得る。ステップ２４０８で、拘束空間から非ランダム材料を取り出す。次いで、次のステップ２４１０で、エネルギー・リレー材料を、いくつかの実施形態では非ランダムＣＥＳ材料の１つ以上のガラス転移温度であり得る、適切な温度まで加熱する。次いで、ステップ２４１２で、材料を、図２２Ｂおよび図２３で上に示したように、サイズを低減させた微細構造ロッドへと引っ張る。次いで、ステップ２４１４で、ステップ２４１２で生成した、サイズを低減させた微細構造ロッドを、図２３の束２３０１に類似する、所望の非ランダムパターンに再度配置する。微細構造ロッドの非ランダム配置は、再度ステップ２４０４に戻って、拘束、融合／緩和、加熱、引っ張り、および配置を行って、図２３に示す微細構造２３０４に類似する、二次のサイズを低減させた微細構造ロッドを形成し得る。ステップ２４１４で生成された二次微細構造ロッドにさらに加熱および引っ張りを受けさせて、それらのエネルギー輸送領域を調整する必要がある場合、ステップ２４０４は、二次微細構造ロッドの使用に戻り得、以下のステップは、ｎ次の微細構造ロッドを含む、所望のエネルギー領域にエネルギーをリレーするための、所望のサイズおよび構成のエネルギー・リレー材料を生成するために、所望の回数繰り返され得る。プロセスの最終ステップ２４１６で、微細構造ロッドの最終配置を融合／緩和して、エネルギー・リレーを形成する。
図２５は、低減させた横寸法を有するエネルギー・リレーを形成するための一実施形態を例解し、図２４に記載されているプロセスのステップのうちのいくつかの視覚化を表す。最初に、モジュール２５０２などのＣＥＳの非ランダムパターンを有する材料を提供し、拘束、融合／緩和、および解放を行う。次いで、材料を加熱し、引っ張り、寸法を低減させたモジュール２５０４を形成する。元のモジュール２５０２と寸法を低減させたモジュール２５０４との間に見られる不連続性は、上で説明したプロセスの芸術的な代表例であり、それによって、元のモジュール２５０２の横寸法がモジュール２５０４の横寸法まで低減されるが、これらは実際に同じ材料である。十分な数の寸法を低減させたモジュール２５０４が生成されると、それらは、２５０８で示される新しい非ランダムパターンで再組み立てされ得る。この新しい非ランダムパターン２５０８は、複数のサイズを低減させたモジュール２５０４を備え、次いで、拘束、融合／緩和、解放、加熱、および引っ張りを行う類似するプロセスを受けさせて、２５０６に示す、寸法を低減させたモジュールを生成する。非ランダムパターン２５０８と寸法を低減させたモジュール２５０６との間に見られる不連続性は、上で説明したプロセスの芸術的な代表例であり、それによって、元の分布２５０８の横寸法がモジュール２５０６の横寸法まで低減されるが、これらは実際に同じ材料である。このプロセスは、エネルギーをリレーするためのエネルギー・リレー材料チャネルの好ましい密度を含む、好ましいサイズのエネルギー・リレーを生成するために、所望に応じて何回も繰り返され得る。
エネルギー・リレーを形成するための二軸応力に対処する固定方法
図２６Ａは、予融合リレー材料２６０６を２つの小片２６０２および２６０４を含む固定具に取り付けることによってエネルギー・リレー材料を融合させるためのシステム２６００の斜視図を例解する。材料２６０６は、固定具２６０２および２６０４内に配置する前に、非ランダムパターンで配置され得、その後に、非ランダムパターンの固定具によって保持される。実施形態では、材料２６０６の非ランダムパターンは、固定具２６０２および２６０４を一緒に組み立てた後に、該固定具間の内部空間内に形成され得る。一実施形態では、材料２６０６の緩和は、リレー材料２６０６を融合させる前、その間、またはその後に生じ得る。
図２６Ｂは、固定具２６０２および２６０４が組み立てられた、およびエネルギー・リレー材料を融合させることの一部としてエネルギー・リレー材料を含む、一実施形態を例解する。次いで、材料２６０６の非ランダムパターンを含む、組み立てられた固定具２６０２および２６０４は、好適な温度で好適な時間にわたって熱２６１４を印加することによって加熱され得る。一実施形態では、印加に対する時間の量および焼き戻し可能性は、熱の追加または除去よる構造応力の変化含む、リレー材料の材料特性に基づいて決定され得る。一実施形態では、材料２６０６を緩和することは、例えばアニールによる二軸材料の応力の緩和を含む、構造応力を解放するために材料を長い時間にわたってある温度またはある温度の範囲内に保持する予融合プロセスであり得、また、融合プロセス中に材料がより有効な接合を形成することを補助し得る。エネルギー・リレー材料が融合前に緩和されない場合、材料は、融合プロセスが生じた後に「緩和」し得、変形または隣接する材料との層間剥離を被り得、または別様に、望ましくない方法でシフトすることによってＣＥＳ材料分布が損なわれ得る。緩和方法は、融合後に非ランダムパターンがより高い程度に維持され得るように、融合プロセスのためのリレー材料の非ランダムパターンを準備することによって、これを防止することを意図する。加えて、材料を緩和させることは、図２４に例解するプロセス中に、材料のより有効な引き出しまたは引っ張りに役立ち得る。緩和プロセスが終了すると、材料２６０６は、システムが熱２６１４を調整することによって融合温度まで加熱して、材料２６０６を一緒に融合させるときに、固定具２６０２および２６０４内に残り得るか、または材料は、融合前に、固定具２６０２および２６０４から取り出され得る。
図２６Ｃは、融合させた秩序化エネルギー・リレー材料２６０８を形成するために一緒に融合させた、図２６Ｂに２６０６で示す材料を例解する。示される実施形態では、リレー材料は、リレー融合プロセス中に固定具２６０４および２６０２の内側に保たれ、次いで、図２８に例解するように、その結果得られる融合リレー２６０８は、固定具から取り出される。実施形態では、エネルギー・リレー材料は、融合前に、固定具２６０２および２６０４から取り出され得る。
加えて、一実施形態では、固定具２６０２および２６０４は、エネルギー・リレー材料に圧縮力２６１０を印加するように構成され得る。圧縮力２６１０は、材料の内部応力が緩和されるときに横平面に沿った拡張または変形に対する抵抗力を提供するために、エネルギー・リレー材料の横平面に沿って指向され得る。この圧縮力２６１０は、圧縮力の量が、エネルギー・リレー材料に印加される温度変化と組み合わせて、所望に応じて増加または減少され得るように、調整可能であり得る。実施形態において、圧縮力２６１０は、エネルギー・リレー材料の異なる一部分が同時に異なる量の圧縮力を経験し得るように、長手方向の配向に沿ってさらに可変的であり得る。この圧縮力２６１０は、固定具のコンポーネント２６０２および２６０４を一緒にクランプするボルト２６１２によって印加され得、ボルト２６１２は、リレーの長さに沿って分布する。
図２６Ｄは、半径方向内向きの圧縮力を印加するために、固定具の各内面に移動可能なストリップを有する、エネルギー・リレー材料を融合させるための固定具２６０１の斜視図を例解する。図２６Ｄに例解する実施形態では、固定具のコンポーネント２６０２および２６０４の内側は、固定具２６０１によって画定される拘束空間２６０６に向かって力２６１０を印加し得、固定具２６０１内に拘束され得る図２６Ｃからの材料２６０８などのリレー材料の中心に向かって配向され得る、固定具２６０１の長さに延在する移動可能なストリップ２６２１を含み得る。各ストリップ２６２１は、主に、アルミニウム、鋼、カーボンファイバ、または複合材料などの、構造的に硬い材料からなり得、固定具のコンポーネント２６０２および２６０４の各側面を通してねじ込まれる多数のボルト２６２３を介して締められ得る。各ストリップ２６２１は、ストリップ２６２１の内側に装着された、ゴム取り付け具などの柔軟な表面２６２２を有し得、柔軟な表面２６２２の内面は、拘束空間２６０６を画定する。柔軟な表面２６２２は、各ストリップ２６２１に印加される力２６１０を、拘束空間２６０６内に拘束されたエネルギー・リレー材料に均一に分布させるのを支援し得る。この実施形態では、クランプボルト２６１２を使用して、ストリップ２６２１にボルト２６２３の締め付けを介して力２６１０が印加されるときに、固定具２６０１のコンポーネント２６０２および２６０４を一緒に取り付けたままに保つ。
図２６Ｅは、固定具２６０１の横平面に沿った固定具２６０１の断面図を例解する。ボルト２６２３は、内側から外側まで固定具を通って延在し得、また、ボルト２６２３を定位置に固定して、それらの位置の調整を可能にするようにねじ込まれ得る。ボルト２６２３を調整すると、移動可能なストリップ２６２１に印加される力２６１０が増加または減少され、それによって、拘束空間２６０６、および図２６Ｃからの材料２６０８などのその中で拘束され得る任意のエネルギー・リレー材料に印加される圧縮力２６１０の調整を可能にする。個々のボルト２６２３は、互いに独立して調整され得るので、固定具２６０１は、固定具の一方の端部からもう一方への長手方向だけでなく、横方向の両方の圧縮力の変動を可能にする。さらに、ボルト２６２３は、異なる時間に調整され得、時間的な圧縮力２６１０の調整も可能にする。
図２７は、エネルギー・リレーを形成するプロセスのブロック図を例解する。ステップ２７０２で、ＣＥＳエネルギー・リレー材料を所望の非ランダムパターンで配置する。次いで、ステップ２７０４で、エネルギー・リレー材料を固定具内に固定する。ステップ２７０６では、非ランダムパターンで配置したエネルギー・リレー材料を含む固定具が、１つ以上の処理ステップを受け、各処理ステップは、圧縮力をエネルギー・リレー材料に印加すること、熱をエネルギー・リレー材料に印加すること、リレー材料を冷却すること、または触媒の使用を含み得る化学反応を使用してリレー材料を融合させること、のうちの１つである。一実施形態では、エネルギー・リレー材料は、材料を十分に緩和および融合させるために、所望の時間にわたって適切な温度または温度範囲まで加熱され、リレー材料への圧縮力は、空隙を取り除き、コンポーネント操作された構造材料が一緒に融合することを確実にするために、異なる温度において調整され得る。次いで、ステップ２７０８で、緩和させて融合させたエネルギー・リレー材料を固定具から取り出す。
図２８は、緩和させ、融合させ、図２６Ｂの固定具２６０２および２６０４から解放された後の、秩序化エネルギー・リレー材料２６０６の融合ブロックの斜視図を例解する。この時点で、材料２６０８は、もはや識別可能な個々の粒子を有さず、むしろＣＥＳ材料の凝集粒子（ＡＰ）の連続配置を有する、エネルギー・リレー材料の連続ブロックである。しかしながら、非ランダム材料分布は、依然として保たれ、また、材料の横方向に沿って秩序化エネルギー局在を誘発する。この時点で、ブロック２６０８は、追加の加熱および引っ張りを受けて、図２２Ｂ、図２３、および図２５に示すように、材料変形のリスクを低減させながら、ブロック２６０６の横寸法が低減され得る。図２４は、マイクロスケールの秩序化エネルギー・リレー材料を製造するための、組み合わせたプロセス全体のブロック図を例解する。
一実施形態では、いくらかの材料の変形が存在し得る。変形は、上記の加熱、引っ張り、固定、または他の開示されるステップもしくはプロセスの間を含む、本明細書に記載するプロセスのいずれかの間に生じ得る。当業者は、材料の不要な変形を回避するように注意が払われ得るが、それでも材料が予想外の変形を経験し得ることを認識するべきである。例えば、図２０Ｅおよび図２０Ｆ、図２０Ａおよび図２０Ｂ、または図２６Ｂおよび図２６Ｃに例解する実施形態を比較すると、個々のＣＥＳ材料の境界のわずかな変形を見ることができる。これは、各特定のＣＥＳにいくらかの一意性を導き得るが、処理中に生じるＣＥＳ材料の微小な変形は、本明細書に開示する実質的に非ランダムパターンを識別するときに考慮されるべきではなく、また、該非ランダムパターンからの逸脱を表さないことを理解するべきである。
本開示に従ってエネルギーをリレーするために使用される選択される材料の柔軟性のため、好ましくは、材料の構造またはエネルギー波伝播特性を損なうことなく、撓曲または変形させることが可能な可撓性材料または部分的可撓性材料を使用して、エネルギー・リレー材料を設計し得る。従来のガラス光ファイバに関して、ガラスロッドは、主に製造工程の全体を通して非可撓性のままであり、これは、製造を困難かつ高価にする。より大きい柔軟性を有するより堅牢な材料を活用することによって、より安価でより効率的な製造手段が使用され得る。
横次元の低減および固定具の形成方法の組み合わせ
図２９Ａおよび図２９Ｂは、回転ドラムを使用して秩序化微細構造エネルギー・リレー材料を効率的に製造するためのシステム３０００を例解する。システム３０００では、非ランダムパターンに配置されたエネルギー・リレー材料３００４が提供され、固定具３００２によって定位置に保持され得、３００２は、固定具２６００に類似する形態であり得る。３００６には、炉、またはリレー材料３００４の必要な形態、サイズ、または秩序を生成するように設計された別のタイプの形成装置が提供され得る。３００６で、材料３００４は、３００８に示すエネルギー・リレー材料のサイズを低減させた可撓性スレッドへと引っ張られるか、または引き出され得る。重要なことに、材料３００８の横寸法は、材料３００４の横寸法よりも小さいが、材料３００４内に存在するエネルギー・リレー材料の非ランダム配置は、可撓性材料３００８内で実質的に維持される。可撓性材料３００８は、材料を一貫したサイズ、形状、秩序、設計、または他のパラメータに処理するための適切な速度を維持するために使用され得る、モータ付き制御システムによって搬送され得る。破損を回避し、製造プロセス３０００に沿った材料の適切な整列を維持するために、材料の柔軟性の必要な許容限度内で材料をリレーするように構成され得る整列ハードウェア３０１０が提供される。３０１２には、ドラム３０１４に対する適切な間隔および位置づけのために、可撓性材料３００８の自動または半自動の幾何学的整列を提供する、位置決め器が提供され得る。位置決め器は、可撓性材料３００８に一致し、材料３００８をドラム３０１４と整列させるときに増加した精度を提供するために特定の形状を有する、位置決めヘッド（図示せず）を有し得る。ドラム３０１４は、可撓性材料３００８の引き出し速度に相応した速度で回転する、コンピュータ制御式またはモータ制御式のドラムであり得る。ドラム３０１４は、ドラム３０１４の回転または他の動きの速度を自動的に調整して、一貫したおよび正確な秩序が維持されることを確実にするために、機械的またはレーザ／光学測定システム（図示せず）を含み得る。ドラム３０１４は、図２９Ａに示すように、円周に沿っていくつかの秩序化金型３０１６を備え得るか、または図２９Ｂに示すように、単一の円周方向金型３０１６を備え得る。秩序化金型３０１６は、材料３００８がリレー材料３００４から引き出されたときにそれを回収し、該材料は、ドラムの速度および位置決め器３０１２の動きによって維持される所定の非ランダム秩序化を有する。秩序化金型３０１６は、所望に応じて融合のための任意の親形状（例えば、円形、六角形、など）であり得、また、一般に、固定具３００２に類似する材料固定具の半割り部または部分区間として構成され、３００２は、システム２６００に例解されている形状に類似し得る。図２９Ｂに例解する一実施形態では、ドラム３０１４は、ドラムの円周の周囲に延在する単一の固定具を備え得る。ドラム３０１４が回転すると、可撓性材料３００８が秩序化金型３０１６内の適切な場所に位置づけられ、最終的に、金型３０１６を満たし、材料３００５の第２の配置を形成する。金型３０１６が可撓性材料３００８の非ランダム配置を備える第２の配置３００５で満たされると、材料３００５は、満たされた金型３０１６を分離するために、間隙サイト３０１８で切断され得る。図２９Ｂに示す実施形態では、第２の配置材料３００５の連続スプールは、最終製品であるか、例解したプロセスを通して再利用されるかにかかわらず、所望の長さのセグメントを生成するために、所望の場所で切断され得る。切断する前に、金型３０１６内の材料３００５の秩序化が維持されるように、金型３０１６は、融合、封止、圧縮、または固定され得る。このプロセスは、満たした金型３０１６をプリフォーム固定具３００２として使用することによって反復的に繰り返され得、材料３００５の第２の配置は、所望のエネルギー・リレー材料が得られるまで、図２９Ａおよび図２９Ｂに示すプロセスの開始時に材料３００４の代わりに使用され得る。
材料３００５の第２の配置の実施形態は、それら自体が非ランダムパターンで配置されたエネルギー・リレー材料３００４の横次元を低減させたバージョンである、可撓性材料３００８の複数のセグメントを備える。したがって、材料３００５の第２の配置の該実施形態は、エネルギー・リレー材料の複数の小型化された非ランダム配置を備え、したがって、秩序化エネルギー局在誘発材料も非ランダム配置であるとみなされる。
材料３００５の第２の配置が得られると、例解したプロセスを通して再利用され、エネルギー・リレー材料３００４を置き換え得る。第２の配置３００５を再利用する結果は、それ自体が第２の配置３００５の複数の小型化された（横寸法を低減させた）セグメントを備える、対応する第３の配置（図示せず）をもたらす。このプロセスは、エネルギー・リレー材料（元は材料３００４内に存在する）の元の非ランダム配置が、この時点で、所望の領域（光エネルギーの場合の、所望の周波数の範囲などの）のエネルギーを局在させるように構成された横寸法を有するように材料をもたらすために、任意の回数繰り返すことができる。
一実施形態では、エネルギー・リレー材料３００４を固定する固定具３００２は、材料３００４を形成装置３００６に強制的に通過させて、材料３００４の低減させた横寸法材料３００８への再形成を促進するために、該材料に圧縮力を印加するようにさらに構成され得る。別の実施形態では、固定具３００２は、代わりに、最終的にリレー材料３００４を形成装置３００６に強制的に通過させるために、電気モータまたは他の類似する力の供給源などによって、外部の力を該材料に印加させるように構成され得る。
秩序化エネルギー局在のための最適化された秩序化形状
これまで、ＣＥＳ粒子および材料のプリフォームのための複数の異なる形状を例解してきた。本開示の１つの態様は、材料が上で論じた非ランダムパターンを備える限り、材料の任意の配置または形状が活用され得ることである。しかしながら、予融合リレー材料の形状は、局在の効率および材料のエネルギー伝播特性に相当な影響を及ぼし得る。一実施形態では、凸面の均一なタイリングとして知られる特定の形状は、材料を効率的な構成で配置することによって、リレー材料の有利な分布を提供することができる。
一般に、タイリングまたはモザイクは、形状間に実質的にいかなる重なりも存在せず、かつ形状間にいかなる感激も存在しない、幾何学形状の配置である。モザイクは、平面形状を使用した二次元表面に、または体積型構造を使用した三次元に配置することができる。さらに、タイリングの領域内には、サブタイプが存在する。例えば、規則的なタイリングは、各タイルが同形であるモザイクである。互いに一致するモザイク状に構成された一組の２つ以上の形状を備える、数多くの不規則なタイリングが存在する。また、繰り返しパターンを有しない非周期的なタイリング、ならびにＰｅｎｒｏｓｅタイリングなどの、繰り返しパターンを形成することができない一組の繰り返しタイル形状を使用する非周期的なタイリングも存在する。タイリングのすべてのサブタイプは、本開示の範囲内である。加えて、当業者には、タイリングの定義は、タイル間に間隙または隙間が存在することを排除しているが、あるときには厳密な定義からの逸脱を生じさせる実世界の環境が存在すること、また、特定のタイル間のわずかな間隙または隙間の存在が、特定のタイリングまたはモザイクパターンからの逸脱とみなされるべきでないことが明らかなはずである。
特定のエネルギー領域のリレーの場合、本明細書に開示するタイリングパターンに組み込まれ得る、ＣＥＳエネルギー輸送材料として空気を使用する望ましさも存在し得る。したがって、他のタイプのＣＥＳタイル間の空気の存在または間隙は、設計による意図的な間隙であり得、また、特定の実施形態では、モザイクの継続であり得る。
モザイクはまた、三次元空間などのより高次元においても実行され得る。上で開示した同じ原理をこれらのモザイクに適用する。
Ｌａｖｅｓタイリングは、例えば、正多面体の中心に頂点を有し、また、縁部を共有する正多面体の中心を接続する縁部を有する。Ｌａｖｅｓタイリングのタイルは、ｐｌａｎｉｇｏｎｓと呼ばれ、３つの規則的なタイル（三角形、正方形、および五角形）と、８つの不規則なタイルと、を含む。各頂点は、その周囲に均一に離間された縁部を有する。Ｐｌａｎｉｇｏｎｓの三次元類似体は、ｓｔｅｒｅｏｈｅｄｒｏｎｓと呼ばれる。
すべての反射形態は、ワイソフ（Ｗｙｔｈｏｆｆ）構成によって作製することができ、ワイソフシンボルまたはコクセター−ディンキン（Ｃｏｘｅｔｅｒ−Ｄｙｎｋｉｎ）図形によって表され、各々が、コクセター群［４，４］、［６，３］、または［３［３］］によって表される対称性によって、３つのシュワルツ（Ｓｃｈｗａｒｚ）の三角形（４，４，２）、（６，３，２）、または（３，３，３）のうちの１つに対して動作する。１つのみの均一なタイリングは、ワイソフプロセスによって構築することができないが、三角形タイリングの伸長によって作製することができる。また、矩形の基本領域を作製する２組の平行ミラーとみなされる、直角ミラー構成［∞，２，∞］も存在する。領域が正方形である場合、この対称性は、斜めミラーによって［４，４］ファミリへと２倍にすることができる。我々は、活用され得る形状を開示する。
パーコレーションモデルは、正方形の格子のような規則的な格子をなし、また、統計的に独立した確率ｐで、サイト（頂点）またはボンド（縁部）をランダムに「占有する」ことによって、それをランダムネットワークにすることである。閾値ｐｃでは、大きな構造および長距離の接続性が最初に現れ、これは、パーコレーション閾値と呼ばれる。ランダムネットワークを得るための方法に応じて、サイトパーコレーション閾値とボンドパーコレーション閾値との間を区別する。より一般的な系は、複数の確率ｐ１、ｐ２、などを有し、移行は、表面または多様体を特徴とする。また、重なった円盤およびランダムに配置された球体、または負の空間などの連続系とみなすこともできる。
サイトまたはボンドの占有が完全にランダムであるとき、これは、いわゆるベルヌーイパーコレーションである。連続体系の場合、ランダムな占有は、ポアソンプロセスによって配置されている点に対応する。さらなるバリエーションは、ボンドがＦｏｒｔｕｉｎ−Ｋａｓｔｅｌｅｙｎ法によって表される、強磁性体のＩｓｉｎｇおよびＰｏｔｔｓモデルに関連したパーコレーション構造などの相関パーコレーションを含む。ブートストラップまたはｋ−ｓａｔパーコレーションでは、サイトが少なくともｋ個の近隣を有しない場合、サイトおよび／またはボンドが最初に占有され、次いで、逐次的に系から選別される。パーコレーションの別の重要なモデルは、完全に異なる普遍性クラスでは、誘導されたパーコレーションであり、ボンドに沿った接続性は、フローの方向に依存する。
簡単に、二次元の二重性は、すべての完全に三角形分割された格子（例えば、三角形、ユニオンジャック、クロスデュアル、マティーニデュアル、および麻の葉、または３〜１２デュアル、およびドロネー（Ｄｅｌａｕｎａｙ）三角形分割）が、１／２のサイト閾値をすべて有すること、および自己デュアル格子（正方形、マティーニＢ）が、１／２のボンド閾値を有することを意味する。
タイル状の構造を活用することは、それぞれのホログラフィックピクセルアスペクト比を変更し、一方で、空間的および／または体積的な視野の変動を提供するといった結果を有し得る。
モアレまたは繰り返しパターンの低減はまた、有効解像度の向上も提供し得、同時に、対象になり得る様々な収束位置によって、より高い潜在的な精度のレベル（被写界深度の増大）も提供する。分解能の効率の向上はまた、必ずしも単一の配向またはパターンの繰り返しを活用しないことによってその用途により理想的である、より有効な分解能を潜在的次元にパックすることによっても達成され得る。
図３０〜図５８Ｇでは、秩序化エネルギー局在の原理を介してこの横平面のエネルギー波を空間的に局在させる、エネルギー波伝播の長手方向に対して横の平面内のリレー材料の空間的分布を表すパターンの複数の実施形態を例解する。
図３０は、２つの形状のうちの１つを有する２つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図３０に示す特定のタイリングは、正方形タイリング（またはカドリールタイリング）である。
図３１は、２つの形状のうちの１つを有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図３１に示す特定のタイリングは、切頂正方形タイリング（または切頂カドリール）である。
図３２は、２つの形状のうちの１つを有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図３２に示す特定のタイリングは、切頂正方形タイリングの修正バージョンである。
図３３は、すべてが同じ形状を共有する２つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図３３に示す特定のタイリングは、テトラキス正方形タイリング（ｋｉｓｑｕａｄｒｉｌｌｅ）である。
図３４は、２つの形状のうちの１つを有する２つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図３４に示す特定のタイリングは、スナブ正方形のタイリング（スナブカドリール）である。
図３５は、すべてが同じ形状を共有する２つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図３５に示す特定のタイリングは、カイロ五角形タイリング（４重ｐｅｎｔｉｌｌｅ）である。
図３６は、すべてが同じ形状を共有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図３６に示す特定のタイリングは、六角形タイリング（ｈｅｘｔｉｌｌｅ）である。
図３７は、すべてが同じ形状を共有する２つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図３７に示す特定のタイリングは、三角形タイリング（ｄｅｌｔｉｌｌｅ）である。
図３８は、２つの形状のうちの１つを有する２つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図３８に示す特定のタイリングは、三重六角形タイリング（ｈｅｘａｄｅｌｔｉｌｌｅ）である。
図３９は、すべてが同じ形状を共有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図３９に示す特定のタイリングは、ロンビルタイリング（ｒｈｏｍｂｉｌｌｅ）である。
図４０は、２つの形状のうちの１つを有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図４０に示す特定のタイリングは、切頂六角形タイリング（切頂ｈｅｘｔｉｌｌｅ）である。
図４１は、すべてが同じ形状を共有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図４１に示す特定のタイリングは、トリアキス三角形タイリング（ｋｉｓｄｅｌｔｉｌｌｅ）である。
図４２は、３つの形状のうちの１つを有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図４２に示す特定のタイリングは、ロンビル三重六角形タイリング（ｒｈｏｍｂｉｈｅｘａｄｅｌｔｉｌｌｅ）である。
図４３は、すべてが同じ形状を共有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図４３に示す特定のタイリングは、デルタ字形三重六角形タイリング（ｔｅｔｒｉｌｌｅ）である。
図４４は、３つの形状のうちの１つを有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図４４に示す特定のタイリングは、切頂三重六角形タイリング（切頂ｈｅｘａｄｅｌｔｉｌｌｅ）である。
図４５は、すべてが同じ形状を共有する２つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図４５に示す特定のタイリングは、キスロンビルタイリング（ｋｉｓｒｈｏｍｂｉｌｌｅ）である。
図４６は、２つの形状のうちの１つを有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図４６に示す特定のタイリングは、スナブ三重六角形タイリング（スナブｈｅｘｔｉｌｌｅ）である。
図４７は、すべてが同じ形状を共有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図４７に示す特定のタイリングは、フロレット五角形タイリング（６重ｐｅｎｔｉｌｌｅ）である。
図４８は、２つの形状のうちの１つを有する４つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図４８に示す特定のタイリングは、伸長三角形タイリング（ｉｓｏｓｎｕｂカドリール）である。
図４９は、すべてが同じ形状を共有する２つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図４９に示す特定のタイリングは、プリズム五角形タイリング（イソ（４−）ｐｅｎｔｉｌｌｅ）である。
図５０は、２つの形状のうちの１つを有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図５０に示す特定のタイリングは、三重六角形タイリングである。
図５１は、３つの形状のうちの１つを有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図５１に示す特定のタイリングは、ロンビル三重六角形タイリングである。
図５２は、３つの形状のうちの１つを有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図５２に示す特定のタイリングは、切頂三重六角形タイリングである。
図５３は、２つの形状のうちの１つを有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。図５３に示す特定のタイリングは、スナブ六角形タイリングである。
図５４は、２つの形状のうちの１つを有する４つの異なるエネルギー・リレー材料の非凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。
図５５は、すべてが同じ形状を共有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。
図５６は、２つの形状のうちの１つを有する３つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。
図５７は、２つの形状のうちの１つを有する４つの異なるエネルギー・リレー材料の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。
図５８Ａ〜図５８Ｇは、１つ、２つ、３つ、またはそれ以上の異なるエネルギー・リレー材料の複数の追加の凸面の均一タイリングの横平面の切取図を例解する。
図３０〜図５８Ｇに例解するパターンは、リレー材料の分布を表すために活用され得るだけでなく、エネルギー・リレー表面の特定の場所から空間内の特定の角度へとエネルギーを投影するエネルギー導波路アレイを設計するためにも加えられ得る。例えば、可視電磁エネルギースペクトルでは、上記のパターンは、レンズアレイにわたって変化する開口サイズ、開口配向、および異なる有効焦点距離を表して、典型的な規則的に離間されたマイクロレンズアレイパターンを介して達成不可能である投影パターンに対して秩序化をもたらし得る。
図３０〜図５８Ｇに示すタイリングは、単なる例示であり、本開示の範囲は、これらの例示されるタイリングに限定されるべきでない。
より高次元の秩序化エネルギー局在
すべてが断面かつ平面であった本明細書で以前に開示した形状に加えて、この時点で、エネルギー・リレー材料の追加の多次元非ランダムパターンが導入される。様々なＣＥＳ材料からなる特定の三次元形状を、開示される非ランダムパターンに配置することによって、秩序化エネルギー局在効果を呈することが可能な三次元非ランダムパターンを使用した、非ランダムエネルギー・リレーを形成することが可能になる。
三次元形状は、それらを三次元のモザイク状にすることができるように構成され得る。これは、材料間に実質的に間隙を伴うことなく、ＣＥＳ材料を三次元に配置する効率的な方法を可能にする。さらに、三次元形状は、すべてが類似し得るか、または三次元のモザイク状に構成された一組の形状から選択され得、その実施形態は、下で開示する。
図５９は、３つの異なるＣＥＳ材料６００４、６００６、および６００８を備える秩序化角錐６０００の解体されたアセンブリの斜視図を例解する。図５９では、ＣＥＳ６００４の３つの四角錐、ＣＥＳ６００６の２つの四角錐、およびＣＥＳ６００８の１つの四角錐が存在する。図５９に示す６つの四角錐を組み合わせることによって、エネルギー・リレー材料の中実の立方体が形成され得る。組み立てた後に、材料の立方体は、横方向の配向および長手方向の配向の両方においてエネルギーの局在を呈し得る。エネルギー伝播経路６００２は、図５９において灰色の網掛けである、類似するＣＥＳ材料６００４の３つの四角錐形状を介して移動することが分かり得る。異なるＣＥＳ材料の三次元配置は、エネルギー・リレーの横平面のエネルギー輸送を局在させるように構成され得、また、エネルギー・リレーの長手方向平面のエネルギーの伝播を促進するようにさらに構成され得、本明細書で開示する秩序化エネルギー局在原理と一致する。
図６０は、ＣＥＳ材料６００４、６００６、および６００８を含む秩序化角錐６０００のアセンブリの部分的に解体された構成の斜視図を例解する。ＣＥＳ６００４の角錐のみを分離することによって、経路６００２は、ＣＥＳ６００４の材料のみに沿って伝播し、エネルギー局在効果を呈し得る長手方向のエネルギー伝播経路を作成しているのを見ることができる。秩序化角錐６０００が、図６２に示す体積型構造６３００に組み立てられると、経路６００２は、実質的に直線になり、類似するＣＥＳ６００４の材料のみを通って延在する。次いで、ＣＥＳ６００６および６００８の残りの３つの角錐を、ＣＥＳ６００４角錐と相互係止する位置に移動させる。
中実のアセンブリは、熱、融合、化学法、時間、接着剤、成形、または本明細書で以前に開示したリレー材料の任意の形成方法を含む、任意の方法を介して形成され得る。図６０に例解するように、秩序化エネルギー局在特性を有する長手方向の局在は、非ランダム分布基準が、断面だけでなく次元も考慮して適切に適用される場合に、維持され得る。
図６１は、３つの異なるＣＥＳ材料６００４、６００６、および６００８を含む秩序化角錐６００１の拡張アセンブリの斜視図を例解する。図５９および図６０からの材料形成アセンブリ６０００の元の６つの四角錐は、拡張アセンブリ６００１の中心に見ることができる。元の３つのＣＥＳ材料のうちの１つを含む追加の角錐６０１０もまた、中心の立方体に当接し、アセンブリ６０００から特定のＣＥＳ材料タイプを外向きに拡張していることを見ることができる。複数の正方形ピラミッド状の材料形成アセンブリ６０００は、追加の正方形ピラミッド状の材料６０１０に加えて、拡張アセンブリ６００１と組み合わせたときに菱形十二面体を備える複合形状を形成するサブ構造として作用する。拡張アセンブリ６００１の長手方向断面は、６０１２で見ることができ、横断面は、６０１４で見ることができる。
多数の体積型構造の自動整列を可能にするために、様々な形態の相互係止および不規則な次元形状を開示する。図６１では、菱形十二面体は、任意の配向において適切な局在を提供することを考慮し、また、隣接する体積型構造の相互係止を形成する境界条件を考慮する、適切な秩序化によって例解される。
融合させた（または別様には処理した）アセンブリは、すべての空間が次元的に満たされるように設計される、一次元の幾何学形状を形成する。それでも、残りの間隙を満たすために融合または他のプロセス（液体光材料または他のものを含む）が適用され得る、非完全形状の可能性が存在する。しかしながら、秩序化を有するこれらの幾何学的形態の形成または製造のいずれかを行う能力は、これらの製造された秩序化形状を直接的または間接的に生成する能力を提供すると考えられ、該秩序化形状は、多数の追加の製造ステップ（例えば、引っ張り、融合、材料収集ドラム、など）に対する必要性を伴うことなく、より容易に生成され得、また、各体積型構造の個々の回転／配置に関係なく、相互係止形状と自己整列し得、かつ適切な非ランダム構成を保持し得る。
体積型構造の媒体の全体を通して、他の体積型構造と共にモザイク状をなすときの効率的なエネルギー伝播のために、秩序化エネルギー局在が維持される。
図６２は、組み立てた秩序化体積型構造６３００の斜視図を例解する。複数の構造６３００は、三次元空間に配置して、伝播経路６３０２などに沿って、長手方向および横（図示せず）方向にエネルギー局在効果を誘発することが可能な三次元の材料の非ランダムパターニングを有する、エネルギー・リレーを生成し得る。伝播経路６３０２は、体積型構造６３００を通る、実質的に直線であり得る。一実施形態では、体積型構造を通る長手方向の実質的に直線の伝播経路６３０２に沿ったエネルギー伝播は、本明細書に記載する局在効果のため、長手方向においてより高い輸送効率を経験し得る。
図６３は、エネルギーの効率的な局在を可能にすることを考慮する境界条件を有する、幾何学的モザイクの図６２からの複数の秩序化体積型構造６３００の斜視図を例解する。
菱形十二面体または任意の他の所望の次元の構成の相互係止設計のため、体積型構造は、一緒に整列させて、体積内のすべての残りの空間を満たし、秩序化エネルギー局在を適切に考慮し得る。これらの構造は、振動、圧力、真空、熱、液体、ガス、または任意の他のプロセスと一緒に形成されて、それらを一緒に相互係止し、可能な限り少ない間隙を有する材料を形成し得る。前項で定義したさらなる処理（圧縮、熱、融合、など）がさらに印加され得、これらの構造は、すべての他の開示した発明を受けるための次元プリフォームとみなされ得る。さらに、様々なエネルギー伝播および局在設計を考慮するための、多数のパターン、多数の次元相互係止（または非インターレース化）形状、多数のサイズ、パターン、などを含み得る。また、その結果生じる相互係止構造は、中実でない場合があり、また、潜在的に、液体、または秩序化構造を様々な用途のために移動させることを可能にする可撓性構造であり得ることにも注意されたい。
エネルギー・リレー材料を製造する際に使用される秩序化エネルギー局在体積型構造は、製造プロセスを支援するさらなる特性を有し得る。例えば、非ランダム体積型構造は、空間内で構造を配向するための機構を特徴とし得る。構造は、例えば片方が加重され得るか、または磁気モーメントを有し、磁場に反応して、空間内の特定の方向にそれ自体を配向し得る。これらの特性を慎重に制御することによって、秩序化体積型構造をエネルギー・リレー材料へと自己組み立てすること、または部分的に自己組み立てすることが可能であり得る。一実施形態では、複数の秩序化体積型構造の各々が、特定の電気双極子モーメントを有し、共通の非圧縮媒体内に存在し得る。電磁場が複数の構造に印加されると、電磁場は、それらがエネルギー・リレーアセンブリ内に効果的に圧縮され得るようにそれら自体を配向し得る。加重および電気／磁気分極化以外の、秩序化体積型構造を配向する他の方法が存在し得、また、人手による、またはコンピュータ制御の、構造の機械的操作も含み得る。ＣＥＳ体積型構造の特定の実施形態は、さらに、それらの特定の操作された特性のため、自己組み立てし得る。例えば、実施形態は、互いに大量に導入されたときに自己配向し得、または刺激を印加して、体積型構造の秩序化を生じさせ得る。
図６４は、追加の秩序化体積型構造６３００を備えるアセンブリ６５００の斜視図を例解し、また、所望のサイズまたは構成を達成するために、それらがすべての次元に加えられて、はるかに大きいアセンブリを形成し得ることを示す。
図６５Ａは、図６４からの構造６３００のアセンブリ６５００の横方向の断面図を例解する。秩序化エネルギー局在によって適切に設計されたとき、図６５Ａの破線によって示すように、これらの形状が、長手方向の配向における局在のために、類似する材料のより高い秩序を維持するので、また、横方向の配向におけるエネルギー伝播をさらに抑制することを呈し得るので、処理／形成後の結果得られる材料の任意の所与の断面に同じ「ルール」を適用することができる。秩序化体積型構造の設計がアセンブリ６５００を介した横エネルギー伝播を抑制することができる方法を示す、複数の実行不可能な伝播経路６６０２を例解する。
図６５Ｂは、エネルギー・リレー材料の秩序化体積型構造のアセンブリ６５００の長手方向の断面図を例解する。領域６７０２などのドット領域は、エネルギーの長手方向伝播を可能にする断面の全面または背面に取り付けられる位置である。図６５Ｂにおける材料の秩序化は、次元のうちの１つを、適切な配向（例えば、軸を変化させることができない）で秩序化することを必要とするが、設計のすべての他の態様は、自由に回転し得る。６５００を通って進む波状の実線は、操作された特性の変動が最小化され、エネルギー伝播を促進する、可能なエネルギー伝播経路６３０２を示す。伝播経路６３０２は、三次元的な感覚では実質的に直線であり得るが、図６５Ｂの断面図が表される方法のため、波状に例解される。
図６６Ａ〜図６６Ｃ、図６７Ａ〜図６７Ｃ、図６８Ａ〜図６８Ｆ、図６９Ａ〜図６９Ｃ、図７０Ａ〜図７０Ｃ、および図７１は、全体を通してアセンブリの１つ以上の平面に秩序化エネルギー局在を誘発する材料の非ランダム配置を有するアセンブリを形成するために、本明細書で開示する原理を具現化する様々な形状および構成を活用する、秩序化体積型構造の概念の複数の変形例および図を例解する。
図６６Ａおよび図６６Ｃは、３つの異なるサブ構造を備える体積型構造の実施形態を例解し、一方で、図６６Ｂは、２つの異なるサブ構造を備える体積型構造の一実施形態を例解する。
図６７Ａ〜図６７Ｃは、異なって成形されたサブ構造を有する複数の異なる体積型構造のアセンブリッジを例解する。
図６８Ａ〜図６８Ｆは、異なるサブ構造コンポーネントを有する体積型構造のさらなる実施形態、ならびに特定の体積型構造の実施形態の内部構造を例解するワイヤモデルを例解する。
図６９Ａは、アセンブリ内に配置された複数の体積型構造の一実施形態を例解し、一方で、図６９Ｂおよび図６９Ｃは、それぞれ、長手方向および横方向に沿った、図６９Ａに示すアセンブリの断面図を例解する。
図７０Ａは、アセンブリ内に配置された複数の体積型構造の一実施形態を例解し、一方で、図７０Ｂおよび図７０Ｃは、それぞれ、長手方向および横方向に沿った、図７０Ａに示すアセンブリの断面図を例解する。
図７１は、２つの異なる体積型構造のアセンブリの一実施形態を例解し、第１の体積型構造は、複数のより大きな第２の体積型構造の頂点においてモザイク状に構成される。
本明細書に開示された原理に従う様々な実施形態が上述されてきたが、それらの実施形態は、単なる例示としての目的のために示されており、限定されないことを理解されたい。したがって、本発明（複数可）の幅広さおよび範囲は、上述の例示的な実施形態のいずれかによって限定されるべきではなく、本開示に由来する特許請求の範囲、およびそれらの等価物に従ってのみ定義されるべきである。さらに、上記の利点および特徴は、記載された実施形態において提供されているが、上記の利点のいずれかまたはすべてを達成するプロセスおよび構造に対して、かかる由来の特許請求の範囲の適用を限定しない。
本開示の原理的な特徴は、本開示の範囲から逸脱することなく様々な実施形態の中で使用することができることを理解されたい。当業者は、日常的な実験だけを用いて、本明細書に記載された特定の手順に対する多くの等価物を認識するか、または特定することができるであろう。かかる等価物は、本開示の範囲内にあるとみなされ、特許請求の範囲により網羅される。
さらに、本明細書における節の見出しは、３７ＣＦＲ１．７７に基づく示唆との一貫性を持たせるために、またはそれ以外では構成上の手がかりを提供するために、提供されている。これらの見出しは、本開示に由来し得る任意の特許請求の範囲に記載された本発明（複数可）を限定または特徴付けるものではない。具体的には、例として、見出しが「発明の分野」と称していても、かかる特許請求の範囲は、いわゆる技術分野を説明するためのこの見出しの文言によって限定されるべきではない。さらに、「発明の背景」の節における技術の説明は、技術が本開示内の任意の発明（複数可）の先行技術であることを認めるものと解釈されるべきではない。「概要」は、論点となる特許請求の範囲に記載された本発明（複数可）の特徴付けとは、決してみなされない。さらに、本開示内での単数形の「発明」の言及は、本開示において単一の新規性のみ存在すると主張するために使用されるべきではない。複数の発明が、本開示に由来する複数の特許請求の範囲の制限に従って記載されてもよく、したがって、かかる特許請求の範囲は、それによって保護される本発明（複数可）およびそれらの等価物を定義する。すべての例では、かかる請求項の範囲は、本開示に照らしてそれら自体のメリットを考慮されるであろうが、本明細書内で記載された見出しによって制約されるべきではない。
特許請求の範囲および／または明細書中の「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と併せて使用されるときに使われる「１つ（ａ）」または「１つ（ａｎ）」という語は、「１つ（ｏｎｅ）」を意味し得るが、それはまた、「１つ以上（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」、「少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」、および「１つを超える（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｏｎｅ）」の意味とも矛盾しない。特許請求の範囲の中で使用される「または（ｏｒ）」という用語は、代替物のみに明示的に言及せず、または代替物が相互に排他的でない限り、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」を意味するように使用されているが、本開示は、代替物のみ、および「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」を指す定義を支持する。本出願全体を通じて、「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、１つの値が、装置の固有の誤差ばらつきを含むことを示すために使用され、方法は、その値、または研究課題の間に存在するばらつきを決定するために使用されている。一般に、ただし前述の考察に対する対象であるが、「約（ａｂｏｕｔ）」または「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの近似の語により修飾された本明細書中の値は、記述された値から、少なくとも±１、２、３、４、５、６、７、１０、１２、または１５％だけ変化する可能性がある。
本明細書および請求項（複数可）で使用されているように、単語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」（ならびに「ｃｏｎｔａｉｎｓ」および「ｃｏｎｔａｉｎ」などの任意の形式の「包含する」）は、包括的または開放的であり、また、追加的、引用されていない要素または方法ステップを排除しない。
「そのとき（ａｔ ｔｈｅ ｔｉｍｅ）」、「同等（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ）」、「間中（ｄｕｒｉｎｇ）」、「完全（ｃｏｍｐｌｅｔｅ）」等の比較、測定、およびタイミングに関する単語は、「実質的にそのとき（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ａｔ ｔｈｅ ｔｉｍｅ）」、「実質的に同等（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ）」、「実質的に〜間中（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｄｕｒｉｎｇ）」、「実質的に完全（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｅｔｅ）」等を意味すると理解されるべきであり、ここで、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」とは、そのような比較、測定、およびタイミングが、暗黙のうちに、または明示的に記述された所望の結果を達成するために、実用的であることを意味している。「近く（ｎｅａｒ）」、「近接する（ｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｔｏ）」、「隣接する（ａｄｊａｃｅｎｔ ｔｏ）」などの要素の相対的位置に関係する単語は、それぞれのシステム要素の相互作用に実質的な影響を及ぼすのに十分近いことを意味するものとする。近似の他の言葉は、同様に、そのように変更されたとき、必ずしも絶対的または完全であるとはみなされないが、存在しているとしてその条件を指定することを保証するために、当業者にとっては十分近いとみなされるであろうということが理解される条件を指す。記述が変わる可能性の程度は、どのように大きな変化がもたらされるかに依存し、当業者であれば、修正されていない特徴の要求された特性および可能性を依然として有するような修正された特徴を認識するであろう。
本明細書で使用される用語「またはそれらの組み合わせ」は、その用語に先行する列挙された項目のすべての順列および組み合わせを指す。例えば、「Ａ、Ｂ、Ｃ、またはそれらの組み合わせ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、またはＡＢＣのうちの少なくとも１つを含むことを意図しており、特定の文脈で順番が重要である場合には、ＢＡ、ＣＡ、ＣＢ、ＣＢＡ、ＢＣＡ、ＡＣＢ、ＢＡＣ、またはＣＡＢも同様である。この例を続けると、ＢＢ、ＡＡＡ、ＡＢ、ＢＢＣ、ＡＡＡＢＣＣＣＣ、ＣＢＢＡＡＡ、ＣＡＢＡＢＢなどのような１つ以上の項目または用語の繰り返しを含む組み合わせが明示的に含まれる。当業者であれば、文脈から明らかでない限り、典型的には、任意の組み合わせにおける項目または用語の数に制限はないことを理解するであろう。
本明細書に開示および請求された組成物および／または方法のすべては、本開示に照らして過度の実験をすることなく作製および実行することができる。本開示の組成物および方法は、好ましい実施形態の観点から記載されているが、組成物および／または方法に対して、ならびに本明細書に記載された方法のステップまたはステップの順序において、本開示の概念、趣旨および範囲から逸脱することなく、様々なバリエーションを適用することができることは、当業者にとって明らかであろう。当業者に明らかなこのような類似の置換および修飾はすべて、添付の特許請求の範囲によって定義される開示の趣旨、範囲および概念の範囲内であるとみなされる。

Claims (95)

  1. エネルギー・リレーであって、
    各モジュールが、第１のコンポーネント操作された構造および第２のコンポーネント操作された構造を備える、構造内に組み立てられた複数のモジュールを備え、
    前記構造内の各モジュールが、前記エネルギー・リレーの横平面内に実質的に非ランダムパターンで前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の配置を備え、
    前記第１および第２のコンポーネント操作された構造が、協働して、前記横平面に対して垂直である長手方向平面に沿ってエネルギーを輸送するように構成され、
    前記エネルギー・リレーが、前記横平面よりも前記長手方向平面において実質的に高いエネルギー輸送効率を有する、エネルギー・リレー。
  2. 前記第１および第２のコンポーネント操作された構造がどちらも、前記長手方向平面に沿って輸送される前記エネルギーの少なくとも１０％を輸送するように構成される、請求項１に記載のエネルギー・リレー。
  3. 前記第１および第２のコンポーネント操作された構造がどちらも、内部反射以外の手段を介してエネルギーを輸送するように構成される、請求項１に記載のエネルギー・リレー。
  4. 第３のコンポーネント操作された構造をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー・リレー。
  5. 前記複数のモジュールが、前記第３のコンポーネント操作された構造をさらに備え、前記第３のコンポーネント操作された構造が、前記横平面内に前記実質的に非ランダムパターンで配置される、請求項４に記載のエネルギー・リレー。
  6. 前記第３のコンポーネント操作された構造が、前記構造内の前記複数のモジュール間の間隙領域に配置される、請求項４に記載のエネルギー・リレー。
  7. 前記第３のコンポーネント操作された構造が、前記長手方向平面に沿ってエネルギーを輸送するように構成される、請求項４に記載のエネルギー・リレー。
  8. さらに、前記第３のコンポーネント操作された構造が、前記横平面内のエネルギー輸送を抑制するように構成される、請求項４に記載のエネルギー・リレー。
  9. 前記複数のモジュールが、前記エネルギー・リレーの前記横平面にわたって周期的に分布する、請求項１に記載のエネルギー・リレー。
  10. さらに、前記エネルギー・リレーの前記横平面内の前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の実質的に非ランダムパターンが、前記実質的に非ランダムパターンの横歪みを備える、請求項１に記載のエネルギー・リレー。
  11. 前記横歪みが、隣接する第１および第２のコンポーネント操作された構造間の境界の歪みを備える、請求項１０に記載のエネルギー・リレー。
  12. 前記エネルギー・リレーが、第１の表面と、第２の表面と、を含み、前記第１の表面と前記第２の表面との間を伝播するエネルギーが、前記長手方向平面と実質的に平行である経路に沿って進行する、請求項１に記載のエネルギー・リレー。
  13. 前記エネルギーが、電磁エネルギーであり、前記第１のコンポーネント操作された構造と第２のコンポーネント操作された構造との間の屈折率の変動性が、前記エネルギー・リレーの前記横平面内に空間的に局在された、前記第１の表面と第２の表面との間を伝播する前記電磁エネルギーをもたらす、請求項１２に記載のエネルギー・リレー。
  14. 前記エネルギーが、音波の形態の機械的エネルギーであり、前記第１のコンポーネント操作された構造と第２のコンポーネント操作された構造との間の音響インピーダンスの変動性が、前記エネルギー・リレーの前記横平面内に空間的に局在された、前記第１の表面と第２の表面との間を伝播する前記音波をもたらす、請求項１２に記載のエネルギー・リレー。
  15. 前記第１の表面と前記第２の表面との間を伝播する前記エネルギーが、前記第１の表面を通過すると、第１の空間解像度を有し、前記第２の表面を通過すると、前記第１の空間解像度の約５０％以上の第２の空間解像度を有する、請求項１２に記載のエネルギー・リレー。
  16. 前記第１の表面が、前記第２の表面とは異なる表面積を有し、前記エネルギー・リレーが、前記第１の表面と前記第２の表面との間に傾斜プロファイル部分をさらに備え、前記第１の表面と第２の表面との間を伝播する前記エネルギーが、空間的に拡大されるか、または空間的に縮小される、請求項１２に記載のエネルギー・リレー。
  17. 前記傾斜プロファイル部分が、角度付き、直線状、湾曲状、テーパ状、切子面状であるか、または前記長手方向平面に対して非垂直な角度に整列される、請求項１６に記載のエネルギー・リレー。
  18. 前記第１の表面に示される均一なプロファイルを有するエネルギーが、前記第２の表面を通過して、前記第２の表面上の位置にかかわりなく、前記第２の表面に対する垂線に対して＋／−１０度の開口角で円錐を実質的に満たす、請求項１２に記載のエネルギー・リレー。
  19. 前記エネルギー・リレーが、前記長手方向の向きに端部対端部の構成で積み重ねられた複数のリレー要素を含み、前記複数の要素の第１の要素が、前記第１の表面を含み、前記複数の要素の第２の要素が、前記第２の表面を含む、請求項１２に記載のエネルギー・リレー。
  20. 前記第１の表面が、エネルギー源ユニットから前記エネルギーを受信するように構成され、前記エネルギー源ユニットが、前記第１の表面および前記第２の表面のうちの少なくとも１つの幅とは異なる幅を有する機械的エンべロープを備える、請求項１２に記載の。エネルギー・リレー
  21. 前記第１の表面または前記第２の表面のいずれかの少なくとも１つが、凹面、凸面、または平坦面のいずれかであり、前記平坦面が、前記長手方向平面に対して実質的に平行である前記経路に対して角度付けされた表面垂線と共に傾斜する、請求項１２に記載のエネルギー・リレー。
  22. 前記第１のコンポーネント操作された構造および前記第２のコンポーネント操作された構造の各々が、原子またはサブ原子の粒子、ガラス、炭素、光ファイバ、光フィルム、ポリマー、またはこれらの混合物、のうちの少なくとも１つエネルギー・リレーを備える、請求項１に記載の。
  23. 前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の各々が、前記横平面に沿って、一組の１つ以上の形状の断面形状をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー・リレー。
  24. 前記エネルギー・リレーの前記横平面に沿って前記第１のコンポーネント操作された構造と第２のコンポーネント操作された構造との間に間隙が実質的に存在しないように、前記エネルギー・リレーの前記横平面内の前記実質的に非ランダムパターンが、前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の前記断面形状のタイルを備える、請求項２３に記載のエネルギー・リレー。
  25. エネルギー・リレーであって、
    各々が前記エネルギー・リレーの横平面に沿って一組の１つ以上の形状の断面形状を備える、複数の第１および第２のコンポーネント操作された構造を備え、
    前記複数の第１および第２のコンポーネント操作された構造が、前記エネルギー・リレーの前記横平面にわたって実質的にタイル状に配置され、
    前記エネルギー・リレーが、前記横平面に沿うよりも前記長手方向平面に沿って実質的に高いエネルギー輸送効率を有する、エネルギー・リレー。
  26. 前記一組の１つ以上の形状のうちの少なくとも１つの形状が、多角形状を備える、請求項２５に記載のエネルギー・リレー。
  27. 前記一組の１つ以上の形状のうちの前記多角形状が、凸面である、請求項２６に記載のエネルギー・リレー。
  28. 前記複数の第１および第２のコンポーネント操作された構造が、協働して、前記エネルギー・リレーの前記長手方向平面に沿ってエネルギーを輸送するように構成される、請求項２５に記載のエネルギー・リレー。
  29. 前記第１および第２のコンポーネント操作された構造がどちらも、前記長手方向平面に沿って輸送される前記エネルギーの少なくとも１０％を輸送するように構成される、請求項２８に記載のエネルギー・リレー。
  30. 前記第１および第２のコンポーネント操作された構造がどちらも、内部反射以外の手段を介してエネルギーを輸送するように構成される、請求項２８に記載のエネルギー・リレー。
  31. 各々が前記エネルギー・リレーの前記横平面に沿って前記一組の１つ以上の形状の断面形状を備える、複数の第３のコンポーネント操作された構造をさらに備える、請求項２５に記載のエネルギー・リレー。
  32. 前記エネルギー・リレーの前記横平面にわたる前記タイルが、前記複数の第３のコンポーネント操作された構造をさらに備える、請求項３１に記載のエネルギー・リレー。
  33. 前記複数の第３のコンポーネント操作された構造が、前記エネルギー・リレーの前記横平面にわたる前記タイルとは別に配置される、請求項３１に記載のエネルギー・リレー。
  34. 前記複数の第３のコンポーネント操作された構造が、前記第１および第２のコンポーネント操作された構造と協働して、前記エネルギー・リレーの前記長手方向平面に沿ってエネルギーを輸送するように構成される、請求項３１に記載のエネルギー・リレー。
  35. 前記複数の第３のコンポーネント操作された構造が、前記エネルギー・リレーの前記横平面内を伝播するエネルギーを吸収するように構成される、請求項３１に記載のエネルギー・リレー。
  36. 前記エネルギー・リレーが、前記タイルの横歪みを備える、請求項２５のエネルギー・リレー。
  37. 前記横歪みが、前記タイルの隣接するタイル間の境界の歪みを備える、請求項３６に記載のエネルギー・リレー。
  38. 前記エネルギー・リレーが、第１の表面と、第２の表面と、を含み、前記第１の表面と前記第２の表面との間に伝播するエネルギーが、前記長手方向平面に対して実質的に平行である経路に沿って進行する、請求項２８に記載のエネルギー・リレー。
  39. 前記エネルギーが、電磁エネルギーであり、前記第１のコンポーネント操作された構造と第２のコンポーネント操作された構造との間の屈折率の変動性が、前記エネルギー・リレーの前記横平面内に空間的に局在された、前記第１の表面と第２の表面との間を伝播する前記電磁エネルギーをもたらす、請求項３８に記載のエネルギー・リレー。
  40. 前記エネルギーが、機械的エネルギーであり、前記第１のコンポーネント操作された構造と第２のコンポーネント操作された構造との間の音響インピーダンスの変動性が、前記エネルギー・リレーの前記横平面内に空間的に局在された、前記第１の表面と第２の表面との間の音声の伝播をもたらす、請求項３８に記載のエネルギー・リレー。
  41. 前記第１の表面と前記第２の表面との間を伝播する前記エネルギーが、前記第１の表面を通過すると、第１の空間解像度を有し、前記第２の表面を通過すると、前記第１の空間解像度の５０％以上の第２の空間解像度を有する、請求項３８に記載のエネルギー・リレー。
  42. 前記第１の表面が、前記第２の表面とは異なる表面積を有し、前記エネルギー・リレーが、前記第１の表面と前記第２の表面との間に傾斜プロファイル部分をさらに備え、前記第１の表面と第２の表面との間を伝播する前記エネルギーが、空間的に拡大されるか、または空間的に縮小される、請求項３８に記載のエネルギー・リレー。
  43. 前記傾斜プロファイル部分が、角度付き、直線状、湾曲状、テーパ状、切子面状であるか、または前記長手方向平面に対して非垂直な角度に整列される、請求項４２に記載のエネルギー・リレー。
  44. 前記第１の表面に示される均一なプロファイルを有するエネルギーが、前記第２の表面を通過して、前記第２の表面上の位置にかかわりなく、前記第２の表面に対する前記垂線に対して＋／−１０度の開口角で円錐を実質的に満たす、請求項３８に記載のエネルギー・リレー。
  45. 前記エネルギー・リレーが、前記長手方向の向きに端部対端部の構成で積み重ねられた複数のリレー要素を含み、前記複数の要素の第１の要素が、前記第１の表面を含み、前記複数の要素の第２の要素が、前記第２の表面を含む、請求項３８に記載のエネルギー・リレー。
  46. 前記第１の表面が、エネルギー源ユニットから前記エネルギーを受信するように構成され、前記エネルギー源ユニットが、前記第１の表面および前記第２の表面のうちの少なくとも１つの幅とは異なる幅を有する機械的エンベロープを備える、請求項３８に記載のエネルギー・リレー。
  47. 前記第１の表面または前記第２の表面のいずれかの少なくとも１つは、凹面、凸面、または平坦面のいずれかであり、前記平坦面が、前記長手方向平面に対して実質的に平行である前記経路に対して角度付けされた表面垂線と共に傾斜する、請求項３８に記載のエネルギー・リレー。
  48. 前記第１のコンポーネント操作された構造および前記第２のコンポーネント操作された構造の各々が、任意の原子またはサブ原子の粒子、ガラス、炭素、光ファイバ、光フィルム、ポリマー、またはこれらの混合物、のうちの少なくとも１つを備える、請求項２５に記載のエネルギー・リレー。
  49. エネルギー・リレーであって、
    各々が１つ以上のコンポーネント操作された構造を備える、体積的にモザイク状に構成された、複数の体積型構造を備え、
    前記複数の体積型構造が、前記体積型構造の三次元モザイクに実質的に従ったアセンブリで配置され、前記アセンブリが、そこを通して長手方向にエネルギーを輸送するように構成され、かつ前記長手方向に対して垂直である横方向よりも前記長手方向において実質的に高い輸送効率を有し、
    前記体積型構造の前記三次元モザイクが、前記体積型モザイクを通過する少なくとも１つの実質的に直線の経路が存在するように構成され、前記実質的に直線の経路が、類似するコンポーネント操作された構造のみと一致し、前記長手方向に対して実質的に平行に配向される、エネルギー・リレー。
  50. 前記複数の体積型構造が、菱形十二面体形状を備える、請求項４９に記載のエネルギー・リレー。
  51. 前記複数の体積型構造の各々が、複数のサブ構造を備え、各サブ構造が、第１、第２、または第３のコンポーネント操作された構造のうちの１つを備える、請求項４９に記載のエネルギー・リレー。
  52. 前記第１、第２、または第３のコンポーネント操作された構造の各々が、任意の原子またはサブ原子の粒子、ガラス、炭素、光ファイバ、光フィルム、ポリマー、またはこれらの混合物、のうちの少なくとも１つを備える、請求項５１に記載のエネルギー・リレー。
  53. 前記複数のサブ構造の各サブ構造が、四角錐形状を備え、前記菱形十二面体形状に組み立てられるように構成される、請求項５１に記載のエネルギー・リレー。
  54. 前記実質的に直線の経路が、前記第１、第２、または第３のコンポーネント操作された構造のうちの１つのみと一致する、請求項４９に記載のエネルギー・リレー。
  55. 前記エネルギー・リレーが、第１の表面と、第２の表面と、を含み、前記第１の表面と前記第２の表面との間に伝播するエネルギーが、前記長手方向に対して実質的に平行である経路に沿って進行する、請求項４９に記載のエネルギー・リレー。
  56. 前記エネルギーが、電磁エネルギーであり、前記１つ以上のコンポーネント操作された構造間の屈折率の変動性が、前記エネルギー・リレーの前記横方向に空間的に局在された、前記第１の表面と第２の表面との間の前記電磁エネルギーの伝播をもたらす、請求項５５に記載のエネルギー・リレー。
  57. 前記エネルギーが、機械的エネルギーであり、前記１つ以上のコンポーネント操作された構造間の音響インピーダンスの変動性が、前記エネルギー・リレーの前記横方向に空間的に局在された、前記第１の表面と第２の表面との間の音声の伝播をもたらす、請求項５５に記載のエネルギー・リレー。
  58. 前記第１の表面と前記第２の表面との間を伝播する前記エネルギーが、前記第１の表面を通過すると、第１の空間解像度を有し、前記第２の表面を通過すると、前記第１の空間解像度の５０％以上の第２の空間解像度を有する、請求項５５に記載のエネルギー・リレー。
  59. 前記第１の表面が、前記第２の表面とは異なる表面積を有し、前記エネルギー・リレーが、前記第１の表面と前記第２の表面との間に傾斜プロファイル部分をさらに備え、前記第１の表面と第２の表面との間を伝播する前記エネルギーが、空間的に拡大されるか、または空間的に縮小される、請求項５５に記載のエネルギー・リレー。
  60. 前記傾斜プロファイル部分が、角度付き、直線状、湾曲状、テーパ状、切子面状であるか、または前記エネルギー・リレーの垂直軸に対して非垂直な角度に整列される、請求項５９に記載のエネルギー・リレー。
  61. 前記第１の表面に示される均一なプロファイルを有するエネルギーが、前記第２の表面を通過して、前記第２の表面上の位置にかかわりなく、前記第２の表面に対する前記垂線に対して＋／−１０度の開口角で円錐を実質的に満たす、請求項５５に記載のエネルギー・リレー。
  62. 前記エネルギー・リレーが、前記長手方向に端部対端部の構成で積み重ねられた複数のリレー要素を含み、前記複数の要素の第１の要素が、前記第１の表面を含み、前記複数の要素の第２の要素が、前記第２の表面を含む、請求項５５に記載のエネルギー・リレー。
  63. 前記第１の表面が、エネルギー源ユニットから前記エネルギーを受信するように構成され、前記エネルギー源ユニットが、前記第１の表面および前記第２の表面のうちの少なくとも１つの幅とは異なる幅を有する機械的エンベロープを備える、請求項５５に記載のエネルギー・リレー。
  64. 前記第１の表面または前記第２の表面のいずれかの少なくとも１つが、凹面、凸面、または平坦面のいずれかであり、前記平坦面が、前記長手方向に対して実質的に平行である前記経路に対して角度付けされた表面垂線と共に傾斜する、請求項５５に記載のエネルギー・リレー。
  65. エネルギー・リレーを融合させるための方法であって、
    複数の第１のコンポーネント操作された構造および複数の第２のコンポーネント操作された構造を提供することと、
    前記エネルギー・リレーの横平面内の前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の実質的に非ランダムパターンを備える、前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の配置を形成することと、を含み、
    前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の配置が、前記横平面に対して垂直である長手方向平面に沿って、エネルギーを輸送するように構成され、前記配置が、前記横平面よりも前記長手方向平面において実質的に高いエネルギー輸送効率を有する、方法。
  66. 前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の配置を処理することをさらに含み、処理することが、一連の１つ以上のステップを含み、各ステップが、
    圧縮力を前記配置に印加すること、
    熱を前記配置に印加すること、
    冷却を前記配置に印加すること、または
    化学反応を配置に実行すること、のうちの１つを含む、請求項６５に記載の方法。
  67. 前記処理ステップの前に、前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の配置を拘束空間内に収容することと、
    前記処理ステップの後に、前記拘束空間から前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の配置を取り出すことと、をさらに含む、請求項６６に記載の方法。
  68. 処理することが、少なくとも前記横平面に沿って、第１の圧縮力を前記拘束されたコンポーネント操作された構造の配置に印加することと、
    １つ以上のステージにおいて熱を前記圧縮された配置に印加することであって、各ステージが、ステージ温度およびステージ時間長さを含む、印加することと、
    １つ以上のステージにおいて第２の圧縮力を前記加熱された配置に印加することであって、各ステージが、ステージ圧縮力およびステージ時間長さを含む、印加することと、
    前記加熱された配置を冷却することと、をさらに含む、請求項６７に記載の方法。
  69. 前記１つ以上のステージの少なくとも１つのステージ温度が、実質的に、前記第１または第２のコンポーネント操作された構造のうちの少なくとも１つのガラス転移温度であるか、または実質的に、前記コンポーネント操作された構造のすべての平均ガラス転移温度である、請求項６８に記載の方法。
  70. 処理することが、
    熱を前記拘束された配置に印加することと、
    前記拘束空間内に静置されている間、前記加熱された配置を冷却することと、をさらに含む、請求項６７に記載の方法。
  71. さらに、熱を前記配置に印加することが、前記拘束されたコンポーネント操作された構造を第１の温度まで加熱することと、冷却を前記配置に印加する前に、さらに熱を印加して、前記加熱された配置の前記温度を、前記第１の温度とは異なる第２の温度まで変化させることと、を含む、請求項６７に記載の方法。
  72. 前記拘束空間が、一緒に接合して、それらの間に前記拘束空間を形成するように構成された第１および第２のコンポーネントを備える固定具によって画定される、請求項６７に記載の方法。
  73. 前記固定具が、調整可能な圧縮力を前記拘束空間に印加するようにさらに構成される、請求項７２に記載の方法。
  74. 前記処理ステップが完了した後に、前記固定具が、前記処理された配置を解放するように構成される、請求項７３に記載の方法。
  75. エネルギー・リレーを形成するための方法であって、
    複数の第１のコンポーネント操作された構造および複数の第２のコンポーネント操作された構造を提供することと、
    前記エネルギー・リレーの横平面内に前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の実質的に非ランダムパターンを備える前記複数の第１および第２のコンポーネント操作された構造の第１の配置を形成することと、
    前記配置が所望の操作された特性を有するまで、少なくとも以下のステップを繰り返すことであって、前記ステップが、
    前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の第１の配置をアセンブリに処理することと、
    少なくとも前記アセンブリの第１の部分を加熱することであって、前記形成されたエネルギー・リレーが、加熱される前に第１の横寸法を有する、加熱することと、
    前記加熱されたアセンブリの前記第１の部分に少なくとも沿って長手方向に張力を印加することであって、それによって、前記第１の横寸法よりも細い第２の横寸法を有するように前記第１の部分を変更し、一方で、前記横平面内の前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の実質的に非ランダムパターンを実質的に維持する、印加することと、
    複数の実質的に類似する変更した第１の部分の第２の配置を形成することであって、前記先行する処理、加熱、および印加ステップのさらなる繰り返しのために、この第２の配置が、前記第１の配置の代わりに使用され得る、形成することと、を含む、繰り返すことと、を含む、方法。
  76. さらに、前記第１の配置が前記所望の操作された特性を有すると、前記所望の操作された特性を有する前記配置を融合させることを含む、最終処理ステップを実行する、請求項７５に記載の方法。
  77. 処理することが、一連の１つ以上のステップを含み、各ステップが、
    圧縮力を前記配置に印加すること、
    熱を前記配置に印加すること、
    冷却を前記配置に印加すること、または
    化学反応を前記配置に実行すること、のうちの１つを含む、請求項７５に記載の方法。
  78. 前記加熱ステップが、前記第１および第２のコンポーネント操作された構造のアセンブリを、実質的に前記第１または第２のコンポーネント操作された構造の前記ガラス転移温度まで加熱することを含む、請求項７５に記載の方法。
  79. エネルギー・リレーを形成するための方法であって、
    複数の第１および第２のコンポーネント操作された構造を提供することと、
    前記複数の第１および第２のコンポーネント操作された構造を、第１および第２のコンポーネント操作された構造の配置を備える第１の凝集構造に配置することであって、前記配置が、前記凝集構造の横平面内に第１および第２のコンポーネント操作された構造の実質的に非ランダムパターンを備える、配置することと、
    前記第１の凝集構造の一部分を、低減させたサイズまで引き出すことであって、それによって、前記引き出した一部分の横寸法が、前記第１の凝集構造の横寸法未満であり、一方で、前記横平面内の前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の配置を実質的に維持する、引き出すことと、
    少なくとも１つの固定具を備える回転可能な構造の上に、前記第１の凝集構造の前記引き出した一部分を位置づけることと、を含み、
    前記回転可能な構造が回転するときに、前記引き出した一部分が、前記少なくとも１つの固定具内に位置づけられ、それによって、前記引き出した一部分の配置を備える引き出した一部分の第２の凝集構造を前記横方向に形成する、方法。
  80. 前記固定具が、前記引き出した一部分の第２の凝集構造を融合させるための複数の金型を備え、前記複数の金型が、それらの間の開口によって分離され、
    前記回転可能な構造が回転するときに、前記引き出した一部分が、前記複数の金型内に位置づけられ、その中に、前記引き出した一部分の第２の凝集構造を形成し、
    前記方法が、
    前記複数の金型の間の前記開口において、前記引き出した一部分の第２の凝集構造を分割することと、
    前記複数の金型を前記回転可能な構造から分離することと、をさらに含む、請求項７９に記載の方法。
  81. 前記複数の金型内の前記第２の凝集構造を、融合させた第２の凝集構造に融合させることをさらに含む、請求項８０に記載の方法。
  82. 融合させた第２の凝集構造の配置のために、前記引き出し、位置づけ、分割、分離、および融合ステップを繰り返すことをさらに含む、請求項８１に記載の方法。
  83. 前記融合させた第２の凝集構造を、低減させたサイズまで引き出すことであって、それによって、前記融合させた第２の凝集構造の前記引き出した一部分の低減させた横寸法が、前記融合させた第２の凝集構造の最初の横寸法の横寸法未満であり、一方で、前記横平面内の前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の前記配置を実質的に維持する、引き出すことと、
    少なくとも１つの固定具を備える前記回転可能な構造の上に、前記融合させた第２の凝集構造の前記引き出した一部分を位置づけることと、をさらに含み、
    前記回転可能な構造が回転するときに、前記第２の凝集構造の前記引き出した一部分が、前記少なくとも１つの固定具内に位置づけられ、それによって、前記第２の凝集構造の前記引き出した一部分の配置を備える前記第２の凝集構造の引き出した一部分の第３の凝集構造を前記横方向に形成する、請求項８１に記載の方法。
  84. 前記回転可能な構造から前記引き出した一部分の第２の凝集構造を取り出し、前記引き出した一部分の第２の凝集構造を、融合固定具内に配置することをさらに含む、請求項７９に記載の方法。
  85. 前記融合固定具内で、前記第２の凝集構造を、融合させた第２の凝集構造に融合させることをさらに含む、請求項８４に記載の方法。
  86. 第２の凝集構造の配置のために、前記引き出し、位置づけ、取り出し、および融合ステップをさらに含む、請求項８５に記載の方法。
  87. 前記融合させた第２の凝集構造を、低減させたサイズまで引き出すことであって、それによって、前記融合させた第２の凝集構造の前記引き出した一部分の低減させた横寸法が、前記融合させた第２の凝集構造の最初の横寸法の横寸法未満であり、一方で、前記横平面内の前記第１および第２のコンポーネント操作された構造の配置を実質的に維持する、引き出すことと、
    少なくとも１つの固定具を備える前記回転可能な構造の上に、前記融合させた第２の凝集構造の前記引き出した一部分を位置づけることと、をさらに含み、
    前記回転可能な構造が回転するときに、前記第２の凝集構造の前記引き出した一部分が、前記少なくとも１つの固定具内に位置づけられ、それによって、前記第２の凝集構造の前記引き出した一部分の配置を備える前記第２の凝集構造の引き出した一部分の第３の凝集構造を前記横方向に形成する、請求項８５に記載の方法。
  88. 前記引き出しステップの前に、前記コンポーネント操作された構造の第１の凝集構造を処理することをさらに含み、処理することが、
    圧縮力を前記凝集構造に印加すること、
    熱を前記凝集構造に印加すること、
    冷却を前記凝集構造に印加すること、または
    化学反応を前記凝集構造に実行すること、のうちの少なくとも１つを含む、請求項７９に記載の方法。
  89. 前記少なくとも１つの固定具内に位置づけられた前記第２の凝集構造を融合させることをさらに含む、請求項７９に記載の方法。
  90. 前記第１の凝集構造の第１の部分を引き出すことが、熱を第１の部分に印加し、一方で、張力を前記第１の凝集構造に長手方向に印加することを含む、請求項７９に記載の方法。
  91. 前記引き出しステップが、連続的に実行される、請求項７９に記載の方法。
  92. 前記回転可能な構造の上に前記第１の凝集構造の前記引き出した一部分を位置づける前記ステップを実行するように構成された１つ以上の位置決め器を、前記引き出した一部分の第２の凝集構造を保持する前記少なくとも１つの固定具に対応する位置に提供することをさらに含む、請求項７９に記載の方法。
  93. 前記第１の凝集構造の前記引き出した一部分を、前記回転可能な構造に位置づけられる前記１つ以上の位置決め器に案内するように構成された、１つ以上の整列機構をさらに備える、請求項９２に記載の方法。
  94. 前記固定具が前記第２の凝集構造を拘束し、それによって、圧縮力を前記第２の凝集構造に印加するように構成される、請求項７９に記載の方法。
  95. 前記固定具が、前記回転可能な構造から取り外し可能であるようにさらに構成される、請求項７９に記載の方法。
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