JP2022512216A

JP2022512216A - 光学過焦点反射システムおよび方法、ならびに、それを組み込む拡張および／または仮想現実ディスプレイ

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Publication number: JP2022512216A
Application number: JP2021533285A
Authority: JP
Inventors: ブレノンペネル，; ジェームズレイトン，; エイドリアンスタナード，; ルアハブヌイ，; イアンライト，; ローレンスホアー，
Original assignee: Facebook Technologies LLC
Current assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2022-02-02
Anticipated expiration: 2039-10-08
Also published as: CN113412437A; JP2024037875A; EP3894893A1; WO2020123018A1; US20200183152A1; US11125993B2; US11668930B1; KR20210100134A; JP7404368B2; EP3894893A4; JP2024037874A

Abstract

光学過焦点反射システムおよび方法が提供される。１つのこのような光学過焦点反射システムは、光学基板（１０１、１０１Ｆ、１０１Ｇ１、１０１Ｇ２、１０１Ｇ３）、コリメート表示画像を光学基板に入力連結するように構成された光学入力連結部分（１５０、１５０Ｇ１）、および、前記光学基板と統合された光学過焦点出力連結部分（１０１、１０１Ｆ、１０１Ｇ１、１０１Ｇ２、１０１Ｇ３）を備える。光学出力連結部分は、光学基板と統合された個別光学過焦点反射スポット（１０３、１０３Ａ１、１０３Ａ２、１０３Ｂ、１０３Ｍ１、１０３Ｍ２、１０３Ｃ１～１０３Ｃ６、１０３Ｖ、１０３Ｈ～）から形成された少なくとも１つの過焦点反射ビューポート（１０２、１０２Ｈ、１０２Ｖ、１０２Ｇ１、１０２Ｇ２～）を含む。個別光学過焦点反射スポットは、標的エリアに置くことができるレンズ検出システム（４００）によって視認される個別仮想表示画像部分のビューが過焦点になるように、標的エリアにおける直径を有する反射した個別光学スポットビーム（１０５、１０５Ａ１、１０５Ａ２、１０５Ｂ、１０５Ｃ～）を形成するように大きさを調整される。【選択図】図６

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１８年１２月１０日に出願された米国特許出願第１６／２１４，１４２号からの優先権を主張し、この特許出願の継続であり、この全内容が、本明細書で完全に示されるかのように、本明細書に参照により組み込まれる。

実施形態は、光学システムおよび方法に関し、より詳細には、限定することなく、拡張現実システムおよび／または仮想現実光学ディスプレイのための光学システムに関する。いくつかの実施形態は、拡張現実画像化システムおよび／または仮想現実画像化システムにおいて、仮想表示画像ビューを人間の目に配信するためのシステムおよび方法に関する。いくつかの実施形態は、拡張および／または仮想現実ディスプレイに関連付けられた前述の光学システムおよび方法を組み込む拡張および／または仮想現実ディスプレイに関する。

ヘッドマウントディスプレイおよびヘッドアップディスプレイで使用されるものなどの、仮想現実および拡張現実表示システムは、仮想画像を人間の目に表示するように構成される。拡張現実表示システムでは、システムは、人間の目が観察している実世界に被せる仮想画像を配信する。

このような仮想現実および拡張現実システムのユーザには、視聴体験が不快になる目の負担および疲労を経験する人もいる。

目の負担および疲労の問題を少なくとも緩和するために、仮想現実および／または拡張現実ディスプレイで使用することができるシステムを提供する必要がある。

１つの態様によれば、光学過焦点反射システム（an optical hyperfocal reflective system）が提供される。光学過焦点反射システムは、少なくとも１つの光学基板と、コリメート表示画像を光学基板に入力連結するように構成された光学入力連結部分と、光学基板と統合された光学過焦点出力連結部分とを備えることができ、光学出力連結部分は、少なくとも１つの過焦点反射ビューポートを含み、過焦点反射ビューポートは、光学基板と統合された少なくとも１つの個別光学過焦点反射スポットを備え、個別光学過焦点反射スポットは、少なくとも部分反射性であり、光学入力連結表示画像光線の個別部分を、個別仮想表示画像部分を形成する光線の個別光学スポットビームとして、過焦点反射ビューポートから所定の作動距離に位置する標的エリアに反射投影するように構成され、個別光学過焦点反射スポットは、標的エリアに置くことができるレンズ検出システムによって視認される個別仮想表示画像部分のビューが過焦点になるような標的エリアに、直径を有する個別光学スポットビームを形成するように大きさを調整される。

いくつかの実施形態では、光学過焦点出力連結部分は、光学基板と統合された複数の過焦点反射ビューポートを含み、光学過焦点反射スポットは、光学過焦点連結部分に沿って伸びるパターン内に互いに間隔を隔てて分散され、表示画像またはその一部に一括して実質的に対応する複数の仮想表示画像部分の過焦点ビューを形成する。

標的エリアは、人間の目のための標的エリアであってもよく、標的エリアに置くことができる人間の目で観察できる仮想表示部分の過焦点ビューは、過焦点になる。

光学基板は、光学基板の面を通じて受け取った、視線標的エリアからそれる実世界画像の光学光線を、部分的または実質的に透過させるものであってもよい。

光学過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、光学基板に埋め込まれてもよい。

光学過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、光学基板の面に配置されてもよい。

光学過焦点過焦点反射スポットのそれぞれは、約１００ミクロンから１０００ミクロンまでの開口直径を有することができる。

個別スポットビームのそれぞれは、標的エリアにおいて１００ミクロンから１０００ミクロンまでの直径を有することができる。

複数の過焦点ビューポートの光学過焦点反射スポットのそれぞれまたはいくつかは、反射間距離だけ間隔を隔てられてもよく、反射間距離は、約５００μｍから８ｍｍまでである。

光学過焦点反射スポットの形状およびパターンは、複数の過焦点ビューポートによって形成された仮想表示画像ビューが碁盤目状になるように選択されてもよい。

光学過焦点反射スポットのそれぞれまたはいくつかは、波長選択過焦点反射スポットであってもよい。

複数の過焦点反射ビューポートは、複数の赤色光過焦点反射ビューポート、複数の緑色光過焦点反射ビューポート、および複数の青色光過焦点反射ビューポートを備えることができ、複数の赤色光過焦点ビューポートのそれぞれの光学過焦点反射スポットは、特定の波長または波長領域の赤色光を含む入力連結コリメート表示画像光線を選択的に反射して、他の波長を含む光を実質的に通すように構成され、複数の緑色光過焦点ビューポートのそれぞれの光学過焦点反射スポットは、特定の波長または波長領域の緑色光を含む入力連結コリメート表示画像光線を選択的に反射して、他の波長を含む光を実質的に通すように構成され、複数の青色光過焦点ビューポートのそれぞれの光学過焦点反射スポットは、特定の波長または波長帯域の青色光を含む入力連結コリメート表示画像光線を選択的に反射して、他の波長を含む光を実質的に通すように構成される。

複数の過焦点ビューポートのそれぞれの各過焦点反射スポットは、過焦点反射スポットによって反射されない光の他の波長を含む実世界画像の光学光線を実質的に通し、過焦点反射スポットによって選択的に反射された特定の波長または波長帯域を含む表示画像光線に重ね合わされた視線標的エリアに光学光線が達することができるように構成されてもよい。

過焦点反射スポットのパターンは、交互になった赤色光過焦点反射スポット、青色光過焦点反射スポット、および緑色光過焦点反射スポットを含むことができる。

過焦点スポットのそれぞれは、少なくとも１つの反射コーティングを備えることができる。

過焦点反射スポットのそれぞれは、回折光学素子を備えることができる。

過焦点反射スポットのそれぞれは、偏光選択反射スポットを備えることができる。

複数の過焦点反射スポットのそれぞれは、第１の偏光状態選択反射スポット、および第２の偏光状態選択過焦点反射スポットを備えることができ、第１の偏光状態は、第２の偏光状態とは異なる。

第１の偏光状態は、第２の偏光状態に対して直交しているか、中間の角度であってもよい。中間の角度は、光学基板に沿った過焦点反射スポットの位置に応じて選択されてもよい。

過焦点反射スポットのパターンは、交互になった第１の偏光状態反射スポット、および第２の偏光反射スポットを含むことができる。

光学基板は、光導波路を備えることができる。

光学基板は、非導波路光学基板を備えることができ、光学入力連結は、自由空間を備えることができる。

別の態様によれば、拡張または仮想現実電子表示システムが提供される。システムは、少なくとも１つのコリメート表示画像生成システム、および少なくとも１つの光学過焦点反射システムを光学的に備えることができ、コリメート表示画像生成システムは、光学過焦点反射システムに光学連結され、光学過焦点反射システムは、少なくとも１つの光学基板、光学基板と統合されたおよび／または独立した光学入力部分、ならびに、光学過焦点出力連結部分を備え、光学入力部分は、コリメート表示画像生成システムを光学過焦点出力連結部分に光学連結し、光学出力連結部分は、少なくとも１つの過焦点反射ビューポートを含み、過焦点反射ビューポートは、光学基板と統合された少なくとも１つの個別光学過焦点反射スポットを備え、個別光学過焦点反射スポットは、少なくとも部分反射性であり、光学入力連結表示画像光線の個別部分を、光線の個別光学スポットビームとして、過焦点反射ビューポートから所定の作動距離に位置する標的エリアに反射投影するように構成され、個別光学過焦点反射スポットは、標的エリアに置くことができるレンズ検出システムによって視認される個別仮想表示画像部分のビューが過焦点になるような標的エリアに、直径を有する個別光学スポットビームを形成するように大きさを調整される。

いくつかの実施形態では、光学過焦点出力連結部分は、光学基板と統合された複数の過焦点反射ビューポートを含むことができ、光学過焦点反射スポットは、光学過焦点連結部分に沿って伸びるパターン内に互いに間隔を隔てて分散される。

レンズ検出器は、人間の目であってもよく、表示システムは、光学過焦点反射システムの第１のものが、コリメート表示画像生成システムの第１のものに光学連結された両眼システムであってもよく、第１の光学過焦点反射システムは、両眼表示システムの左視線標的エリアのために構成され、コリメート表示画像生成システムの第２のものに光学連結された光学過焦点反射システムの第２のものをさらに備え、第２の光学過焦点反射システムは、両眼システムの右視線標的エリアのために構成される。

第１の光学過焦点反射システムおよび第２の光学過焦点反射システムは、両眼システムの両眼連動面が、無限遠から左目のレンズおよび右目のレンズの過焦点距離に至る光学範囲内に位置するように、左視線標的エリアおよび右視線標的エリアから間隔を空けられてもよい。

光学過焦点反射スポットのそれぞれまたはいくつかは、波長選択反射スポットであってもよい。

複数の過焦点反射ビューポートは、複数の赤色光過焦点反射ビューポート、複数の緑色光過焦点反射ビューポート、および複数の青色光過焦点反射ビューポートを備えることができ、複数の赤色光過焦点ビューポートのそれぞれの光学過焦点反射スポットは、特定の波長または波長領域の赤色光を含む入力連結コリメート表示画像光線を選択的に反射して、他の波長を含む光を実質的に通すように構成され、複数の緑色光過焦点ビューポートのそれぞれの光学過焦点反射スポットは、特定の波長または波長領域の緑色光を含む入力連結コリメート表示画像光線を選択的に反射して、他の波長を含む光を実質的に通すように構成され、複数の青色光過焦点ビューポートのそれぞれの光学過焦点反射スポットは、特定の波長または波長領域の青色光を含む入力連結コリメート表示画像光線を選択的に反射して、他の波長を含む光を実質的に通すように構成される。

過焦点ビューポートのパターンは、交互になった赤色光過焦点ビューポート、青色光過焦点ビューポート、および緑色光過焦点ビューポートを含むことができる。

光学基板は、光導波路を備えることができる。

光学基板は、非導波路光学基板を備えることができ、光学入力連結は、自由空間を備える。

拡張または仮想現実表示システムは、ヘッドマウントディスプレイであってもよい。

拡張または仮想現実表示システムは、ヘッドアップディスプレイであってもよい。

拡張または仮想現実表示システムは、ニアアイディスプレイであってもよい。

別の態様によれば、光学射出瞳拡大過焦点システムが提供される。システムは、少なくとも１つの光学基板と、コリメート表示画像を光学基板に入力連結するように構成された光学入力連結部分であって、光学入力連結部分が、光学基板と統合されている／または独立している、光学入力連結部分と、光学基板と統合された光学過焦点出力連結部分であって、光学出力連結部分が、光学基板と統合された複数の過焦点反射ビューポートを含む、光学過焦点出力連結部分とを備えることができ、過焦点反射ビューポートの１つ１つは、光学基板と統合された個別光学過焦点反射スポットを備え、光学入力連結表示画像光線の個別部分を、個別光学過焦点反射スポットは、光線の個別光学スポットビームとして、過焦点反射ビューポートから所定の作動距離に位置する標的エリアに少なくとも部分的に反射投影するように構成され、個別光学過焦点反射スポットは、標的エリアに置くことができるレンズ検出システムによって視認される個別仮想表示画像部分のビューが過焦点になるような標的エリアに、直径を有する個別光学スポットビームを形成するように大きさを調整され、複数の光学過焦点反射スポットは、光学基板に沿って射出瞳拡大方向に伸びるパターン内に互いに間隔を隔てて分散され、コリメート表示画像光学入力光線を瞳孔出口拡大器から連続的に抽出するように一括して構成される。

光学基板は、光導波路を備えることができる。

光導波路は、光導波路の面を通じて受け取った、標的エリアからそれる実世界画像の光学光線を部分的または実質的に透過させるものであってもよい。

過焦点反射スポットは、出口拡大方向に対して傾斜していてもよい。

過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、部分反射スポットであってもよい。

過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、完全反射スポットであってもよい。

過焦点反射スポット傾斜角は、射出瞳延長方向の光導波路に沿った過焦点反射スポット位置に応じて変化してもよい。

基板は、非導波路基板であってもよく、過焦点反射スポットは、標的領域における見ることができる過焦点仮想表示画像の視野を維持するように、射出瞳延長方向の基板に沿った過焦点反射スポット位置に応じて、水平面および／または垂直面に対して連続的に傾斜している。

過焦点反射スポットのパターンは、射出瞳拡大方向の光導波路に沿った位置に応じて変化してもよい。

光導波路の単位体積または面積あたりの過焦点反射スポットの集中は、射出瞳拡大方向の光導波路に沿った位置に応じて変化してもよい。

過焦点反射スポットは、光導波路の共通面積または共通体積セグメント内のパターン内に分散されてもよく、共通面積または共通体積セグメントは、射出瞳拡大方向に光導波路に沿って間隔を隔てられる。

各共通面積または共通体積セグメント内の過焦点反射スポットのパターンは、射出瞳拡大方向の光導波路に沿った面積または体積セグメントの位置に応じて変化してもよい。

光導波路の共通面積または共通体積セグメント内のパターンのそれぞれにおける過焦点反射スポットの集中は、射出瞳拡大方向の光導波路に沿った共通面積または体積セグメントの位置に応じて変化してもよい。

過焦点反射スポットの少なくともいくつかの反射は、射出瞳延長方向の光導波路に沿った過焦点反射スポット位置に応じて変化してもよい。

過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、角度選択過焦点反射スポットを備えることができる。

角度選択過焦点反射スポットの角度応答は、光導波路に沿った射出瞳拡大方向のこれらの間隔を隔てた位置に応じて変化してもよい。

角度選択過焦点反射スポットは、角度ノッチフィルタ過焦点反射スポットを備えることができる。

角度選択過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、部分反射スポットであってもよい。

角度選択過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、完全反射スポットであってもよい。

過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、波長選択過焦点反射スポットであってもよい。

波長選択過焦点反射スポットの波長選択は、光導波路に沿った射出瞳拡大方向のこれらの間隔を隔てた位置に応じて変化してもよい。

波長選択過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、部分反射スポットであってもよい。

波長選択過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、完全反射スポットであってもよい。

波長選択過焦点反射スポットの少なくともいくつかのそれぞれは、波長および角度選択過焦点反射スポットであってもよい。

角度および波長選択過焦点反射スポットの角度応答は、光導波路に沿った射出瞳拡大方向のこれらの間隔を隔てた位置に応じて変化してもよい。

波長および角度および波長選択過焦点反射スポットは、角度ノッチフィルタ波長選択過焦点反射スポットであってもよい。

角度および波長選択過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、部分反射スポットであってもよい。

角度過焦点選択反射スポットの少なくともいくつかは、完全反射スポットであってもよい。

過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、完全反射過焦点反射スポットであってもよく、射出瞳拡大方向に伝搬する光学入力コリメート表示画像光線のいくつかが、異なる方向に間隔を隔てられた完全反射スポットのいくつかの間の光導波路を通過し、射出瞳拡大方向に光導波路に沿ってさらに間隔を空けられた完全反射スポットによって連続的に反射されることが可能になるように、射出瞳拡大方向に間隔を隔て、射出瞳拡大方向とは異なる方向に間隔を隔てて配置される。

光学過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、光学基板の面に配置される。

光学過焦点反射スポットのそれぞれは、約１００ミクロンから１０００ミクロンまでの開口直径を有することができる。

スポットビームのそれぞれは、標的エリアおいて１００ミクロンから１０００ミクロンまでの直径を有することができる。

複数の過焦点ビューポートの光学過焦点反射スポットのそれぞれまたはいくつかは、反射間距離だけ間隔を隔てられてもよく、反射スポット間距離は、約５００μｍから８ｍｍまでである。

複数の過焦点反射ビューポートは、複数の赤色光過焦点反射ビューポート、複数の緑色光過焦点反射ビューポート、および複数の青色光過焦点反射ビューポートを備えることができ、複数の赤色光過焦点ビューポートのそれぞれの光学過焦点反射スポットは、特定の波長または波長帯域の赤色光を含む入力連結コリメート表示画像光線を選択的に反射して、他の波長を含む光を実質的に通すように構成され、複数の緑色光過焦点ビューポートのそれぞれの光学過焦点反射スポットは、特定の波長または波長帯域の緑色光を含む入力連結コリメート表示画像光線を選択的に反射して、他の波長を含む光を実質的に通すように構成され、複数の青色光過焦点ビューポートのそれぞれの光学過焦点反射スポットは、特定の波長または波長帯域の青色光を含む入力連結コリメート表示画像光線を選択的に反射して、他の波長を含む光を実質的に通すように構成される。

複数の過焦点ビューポートのそれぞれの反射スポットは、過焦点反射スポットによって反射されない光の他の波長を含む実世界画像の光学光線を実質的に通し、過焦点反射スポットによって選択的に反射された特定の波長または波長帯域を含む表示画像光線に重ね合わされた視線標的エリアに光学光線が達することができるように構成されてもよい。

回折光学素子過焦点反射スポットの回折角は、射出瞳延長方向の光導波路に沿った過焦点反射スポット位置に応じて変化してもよい。

回折光学素子過焦点反射スポットの回折角は、視線標的領域における見ることができる過焦点仮想表示画像の視野を維持するように、射出瞳延長方向の光導波路に沿った過焦点反射スポット位置に応じて、水平面および／または垂直面に対して連続的に傾斜していてもよい。

過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、偏光状態選択反射スポットを備えることができる。

偏光状態選択反射スポットは、瞳孔出口拡大方向の光導波路に沿ったこれらの間隔を隔てた位置に応じて偏光状態選択的であってもよい。

複数の過焦点反射スポットは、第１の偏光状態選択反射スポット、および第２の偏光状態選択反射スポットを備えることができ、第１の偏光状態は、第２の偏光状態とは異なる。

第１の偏光状態は、第２の偏光状態に対して直交しているか、中間の角度であってもよい。中間の角度は、光学基板に沿った反射スポットの位置に応じて選択されてもよい。

偏光状態選択過焦点反射スポットは、光導波路の共通面積および／または共通体積セグメントにおけるパターン内に分散されてもよく、共通面積および／または共通体積セグメントは、射出瞳拡大方向に光導波路に沿って間隔を隔てられる。

共通面積および／または共通体積セグメントのパターンのそれぞれにおける偏光状態選択過焦点反射スポットは、射出瞳拡大方向の光導波路に沿った共通面積および／または共通体積セグメントの位置に応じて偏光状態選択的であってもよい。

偏光状態選択過焦点反射スポットは、第１の偏光状態過焦点反射スポットおよび第２の偏光状態選択過焦点反射スポットを備えることができ、第１の偏光状態は、第２の偏光状態に対して直交しているか、中間の角度である。中間の角度は、光学基板に沿った反射スポットの位置に応じて選択されてもよい。

共通面積および／または共通体積セグメントにおける各パターンにおける偏光状態選択過焦点反射スポットの集中は、第１の射出瞳拡大方向の光導波路に沿った共通面積および／または共通体積セグメントの位置に応じて変化してもよい。

別の態様によれば、ニアアイ拡張または仮想現実電子表示システムが提供される。システムは、少なくとも１つのコリメート表示画像生成システムと、少なくとも１つの光学過焦点射出瞳拡大器とを備えることができ、コリメート表示画像生成システムは、射出瞳拡大器に光学連結され、光学過焦点射出瞳拡大器は、光学基板を備え、光学基板は、光学入力連結部分および出力連結部分を含み、光学入力連結部分は、射出瞳から光学基板にコリメート表示画像を入力連結するように構成され、光学出力連結部分は、光学基板と統合された複数の過焦点反射ビューポートを含み、過焦点反射ビューポートの１つ１つは、光学基板と統合された個別光学過焦点反射スポットを備え、個別光学過焦点反射スポットは、光学入力連結表示画像光線の個別部分を、光線の個別光学スポットビームとして、過焦点反射ビューポートから所定の作動距離に位置する標的エリアに少なくとも部分的に反射投影するように構成され、個別光学過焦点反射スポットは、標的エリアに置くことができるレンズ検出システムによって視認される個別仮想表示画像部分のビューが過焦点になるような標的エリアに、直径を有する個別光学スポットビームを形成するように大きさを調整され、複数の光学過焦点反射スポットは、光学基板に沿った射出瞳拡大方向に伸びるパターン内に互いに間隔を隔てて分散され、瞳孔出口拡大器からのコリメート表示画像光学入力光線を連続的に抽出するように一括して構成される。

レンズ検出システムは、人間の目であってもよく、表示システムは、射出瞳拡大器の第１の１つが、コリメート表示画像生成システムの第１の１つに光学連結された両眼システムであり、射出瞳拡大器は、両眼表示システムの左視線標的エリアのために構成され、コリメート表示画像生成システムの第２の１つに光学連結された射出瞳拡大器の第２の１つをさらに備え、第２の射出瞳拡大器は、両眼システムの右視線標的エリアのために構成される。

第１の射出瞳拡大器および第２の射出瞳拡大器は、両眼システムの両眼連動面が、無限遠から左目のレンズおよび右目のレンズの過焦点距離に至る光学範囲内に位置するように、左視線標的エリアおよび右視線標的エリアから間隔を空けられてもよい。

光学基板は、光導波路を備えることができる。

光導波路は、光導波路の面を通じて受け取った、視線標的エリアからそれる実世界画像の光学光線を部分的または実質的に透過させるものであってもよい。

基板は、非導波路基板であってもよく、過焦点反射スポット傾斜角は、射出瞳延長方向の基板に沿った過焦点反射スポット位置に応じて変化する。

過焦点反射スポットは、視線標的領域における見ることができる過焦点仮想表示画像の視野を維持するように、射出瞳延長方向の光学基板に沿った過焦点反射スポット位置に応じて、水平面および／または垂直面に対して連続的に傾斜していてもよい。

過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、完全反射性反射スポットであってもよく、射出瞳拡大方向に伝搬する光学入力コリメート表示画像光線のいくつかが、異なる方向に間隔を隔てられた完全反射スポットのいくつかの間の光導波路を通過し、射出瞳拡大方向に光導波路に沿ってさらに間隔を空けられた完全反射スポットによって連続的に反射されることが可能になるように、射出瞳拡大方向に間隔を隔て、射出瞳拡大方向とは異なる方向に間隔を隔てて配置される。

光学過焦点反射スポットのそれぞれは、１００ミクロンから１０００ミクロンまでの開口直径を有することができる。

過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、偏光状態選択反射スポットを備える。

表示画像生成システムは、偏光状態動的スイッチを含むことができ、偏光状態動的スイッチは、光学入力表示画像光線を反射する過焦点スポットが、光学入力表示画像光線の偏光状態に応じて異なる偏光状態選択反射スポット間でスイッチするように、入力連結コリメート表示画像の偏光状態を動的に変化させるように構成される。

偏光状態動的スイッチは、液晶材料構造を備えることができる。

表示画像生成システムは、偏光状態動的スイッチを含むことができ、偏光状態動的スイッチは、光学入力表示光線を反射する過焦点スポットが、光学入力表示画像光線の偏光状態に応じて、第１の偏光状態選択反射スポットと、第２の偏光状態選択反射スポットとの間で動的にスイッチするように、第１の偏光状態と第２の偏光状態との間で入力連結コリメート表示画像の偏光状態を動的に変化させるように構成される。

偏光状態動的スイッチは、光学入力表示光線を反射する過焦点スポットが、光学入力表示画像光線の円偏光状態に応じて、第１の偏光状態選択反射スポット、第１の偏光状態選択反射スポットと第２の偏光状態選択反射スポットとの組合せ、および第２の偏光状態選択反射スポットの間で動的にスイッチするように、第１の偏光状態と第２の偏光状態との間で円形に入力連結コリメート表示画像の偏光状態を動的に変化させるようにさらに構成されてもよい。

共通面積および／または共通体積セグメントにおける各パターンにおける偏光状態選択過焦点反射スポットの集中は、第１の射出瞳拡大方向の光導波路に沿った共通面積および／または共通体積セグメントの位置に応じて変化してもよい。別の態様によれば、拡張または仮想現実電子表示システムが提供される。システムは、少なくとも１つのコリメート表示画像生成システムと、少なくとも１つの光学過焦点自由空間反射器とを備えることができ、コリメート表示画像生成システムは、光学過焦点自由空間反射器に光学連結され、光学過焦点自由空間反射器は、表示画像受光面を含む光学基板、および光学基板と統合された複数の過焦点反射ビューポートを備え、過焦点反射ビューポートの１つ１つは、光学基板と統合された個別光学過焦点反射スポットを備え、個別光学過焦点反射スポットは、過焦点反射ビューポートから所定の距離に置かれた標的エリアに光学入力連結表示画像光線の個別仮想画像表示部分を光線の個別光学スポットビームとして、少なくとも部分的に反射投影するように構成され、個別光学過焦点反射スポットは、標的エリアに置くことができるレンズ検出システムによって視認される個別仮想表示画像部分のビューが過焦点になるような標的エリアに、直径を有する個別光学スポットビームを形成するように大きさを調整され、複数の光学過焦点反射スポットは、光学基板の表示画像受光面上を伸びるパターン内に互いに間隔を隔てて分散され、反射した個別光学スポットビームで形成された仮想表示画像ビューが、表示画像を一緒に形成するように、一括して構成される。

光学基板は、平らなまたは湾曲した光学結合基板を備えることができる。

光学結合基板は、画像表示生成システムの軸に対して軸外にあってもよい。

表示システムは、光学過焦点自由空間反射器の第１の１つが、コリメート表示画像生成システムの第１の１つに光学連結された両眼システムであってもよく、第１の光学過焦点自由空間反射器は、両眼表示システムの左視線標的エリアのために構成され、コリメート表示画像生成システムの第２の１つに光学連結された光学過焦点自由空間反射器の第２の１つをさらに備え、第２の光学過焦点自由空間反射器は、両眼システムの右視線標的エリアのために構成される。

レンズ検出器は、人間の目であってもよく、第１の光学過焦点自由空間反射器および第２の光学過焦点自由空間反射器は、両眼システムの両眼連動面が、無限遠から左目のレンズおよび右目のレンズの過焦点距離に至る光学範囲内に位置するように、左視線標的エリアおよび右視線標的エリアから間隔を空けられる。

過焦点反射スポットの少なくともいくつかの反射は、光学基板の受光面上の過焦点反射スポット位置に応じて変化してもよい。

波長選択過焦点反射スポットの波長選択は、光学基板の受光面上のこれらの間隔を隔てた位置に応じて変化してもよい。

光学過焦点反射スポットは、１００ミクロンから１０００ミクロンまでの開口直径を有することができる。

偏光状態選択反射スポットは、光学基板の受光面上のこれらの間隔を隔てた位置に応じて、偏光状態選択的であってもよい。

表示画像生成システムは、偏光状態動的スイッチを含むことができ、偏光状態動的スイッチは、光学入力表示光線を反射する過焦点スポットが、光学入力表示画像光線の偏光状態に応じて、第１の偏光状態選択反射スポットと、第２の偏光状態選択反射スポットとの間で動的にスイッチするように、第１の偏光状態と第２の偏光状態との間でコリメート表示画像の偏光状態を動的に変化させるように構成される。

別の態様によれば、光学および電子表示システムが提供される。システムは、以上または以下に述べられる光学過焦点反射システム、少なくとも１つのプロセッサ、および、プロセッサに動作可能なように連結された少なくとも１つの視線追跡カメラ、のいずれか１つを備えることができ、視線追跡カメラは、視線標的エリアにおける視線を監視するように構成され、プロセッサは、拡張または仮想現実電子表示システムの表示画像生成システムに動作可能なように連結され、光学過焦点反射システムは、視線の監視に応じて表示画像のうちの仮想表示画像の過焦点人視線ビュー（ｈｙｐｅｒｆｏｃｕｓｅｄｈｕｍａｎｅｙｅｖｉｅｗ）を形成するように構成される。

視線追跡カメラは、視線標的エリアにおける視線の凝視方向を監視するように構成されてもよく、プロセッサは、視線追跡カメラによって監視されている凝視方向に対応する視線追跡値に応じて、表示画像を修正するように構成されてもよく、光学過焦点反射システムは、修正した表示画像のうちの仮想表示画像の過焦点人視線ビューを形成するように構成されてもよい。

プロセッサは、視線追跡出力に応じて表示画像内の１つまたは複数のオブジェクトにぼけを適用するように構成されてもよい。

プロセッサは、実世界シーンに属する実世界オブジェクト、および実世界オブジェクトが位置する平面の位置を、拡張または仮想現実電子表示システムの視線標的エリア内の視線が見ている場所を判定するように構成されてもよく、プロセッサは、実世界オブジェクトが位置する平面に対する過焦点仮想表示画像内のオブジェクトの意図した位置を判定するように構成され、表示画像生成システムは、実世界オブジェクトが位置する平面に近い方の、または平面から遠く離れた意図した位置を含む、表示画像内のオブジェクトの１つまたは複数にぼけを適用するように構成される。

視線追跡カメラは、目の瞳孔サイズを監視するように構成されてもよく、目に達する外界輝度の量を制御するように構成された輝度制御システムをさらに備える。

輝度制御システムは、視線標的エリアと外界との間に置かれた電子遮光フィルタまたはパネルを備えることができ、プロセッサは、電子遮光フィルタに動作可能なように接続され、瞳孔サイズの監視に応じて、目に達する外界輝度の量を制御するために、電子遮光フィルタまたはパネルにフィードバック制御を提供するように構成される。

視線追跡カメラは、間接ビュー構成で配置されてもよい。

視線追跡カメラは、直接ビュー構成で配置されてもよい。

さらに別の態様によれば、拡張または仮想現実電子表示システムのための方法が提供される。方法は、視線追跡情報に基づいて、拡張または仮想現実電子表示システムの視線標的エリアにおける視線の凝視方向を判定すること、判定した凝視方向に応じて表示画像を修正すること、修正した画像のうちの仮想表示画像の過焦点人視線ビューを、拡張または仮想現実電子表示システムを使用して表示することを含むことができる。

方法は、少なくとも１つの視線追跡カメラを使用して視線を追跡することと、視線追跡カメラから視線追跡情報を判定することとをさらに含むことができる。

視線追跡に応じて表示画像を修正することは、視線追跡に応じて１つまたは複数の表示画像内のオブジェクトにぼけを適用することを含むことができる。

方法は、拡張または仮想現実電子表示システムの視線標的エリア内の視線が、実世界シーンに属する実世界オブジェクトを見ている場所、実世界オブジェクトが位置する平面の位置、実世界オブジェクトが位置する平面に対する表示画像内のオブジェクトの意図した位置を、視線追跡から判定することをさらに含むことができる。

方法は、実世界オブジェクトが位置する平面に近い方の、または平面から遠く離れた意図した位置を含む、表示画像内のオブジェクトの１つまたは複数にぼけを適用することをさらに含むことができる。

さらに別の態様によれば、装置が、提供される。装置は、命令を格納するメモリと、１つまたは複数のプロセッサとを備えることができ、命令は、１つまたは複数のプロセッサによって処理されると、拡張または仮想現実電子ディスプレイを観察している視線の凝視方向を視線追跡カメラで視線追跡すること、視線追跡に応じて表示画像を修正すること、修正した表示画像のうちの仮想表示画像の過焦点人視線ビューを生成することを行う。

視線追跡に応じて表示画像を修正することは、視線追跡に応じて表示画像内の１つまたは複数のオブジェクトにぼけを適用することを含むことができる。

少なくとも１つのプロセッサは、拡張または仮想現実電子表示システムの視線標的エリア内の視線が、実世界シーンに属する実世界オブジェクトを見ている場所、実世界オブジェクトが位置する平面の位置を視線追跡から判定することと、実世界オブジェクトが位置する平面に対する表示画像内のオブジェクトの意図した位置を判定することと、実世界オブジェクトが位置する平面に近い方の、または平面から遠く離れた意図した位置を含む、表示画像内のオブジェクトの１つまたは複数にぼけを適用することと、を行うようにさらに構成されてもよい。

さらに別の態様によれば、コンピュータ可読媒体が提供される。コンピュータ可読媒体は、表示画像の過焦点仮想画像の観察者の視線の凝視方向を視線追跡カメラから判定すること、過焦点仮想画像内の１つまたは複数のオブジェクトの焦点がずれて見えるように、凝視方向に応じて表示画像内の１つまたは複数のオブジェクトにぼけを適用することによって表示画像を編集すること、を含む方法を実施することによって表示されることになる画像をプロセッサが編集するように構成された内容を含むことができる。

さらに別の態様によれば、光学過焦点反射システムが提供される。システムは、少なくとも１つの光学基板、光学基板と統合された光学過焦点出力連結部分を備えることができ、光学出力連結部分は、少なくとも１つの過焦点反射ビューポートを含み、過焦点反射ビューポートは、少なくとも１つの個別光学過焦点反射スポットを備え、光学過焦点反射スポットは、部分反射性であり、光学基板と統合され、システムの視線ビュー位置（ｅｙｅｖｉｅｗｉｎｇｌｏｃａｔｉｏｎ）に向けられ、個別光学過焦点反射スポットの開口部の直径が、約１００ミクロンおよび約１０００ミクロンである。

光学過焦点出力連結部分は、光学基板と統合された複数の過焦点反射ビューポートを含むことができ、光学過焦点反射スポットは、光学過焦点出力連結部分に沿って伸びるパターン内に互いに間隔を隔てて分散される。

光学基板は、部分的または実質的に透明な材料を備えることができる。

複数の過焦点ビューポートの光学過焦点反射スポットのそれぞれまたはいくつかは、約５００μｍから８ｍｍまでの反射間スポットによって間隔を隔てられてもよい。

さらに別の態様によれば、拡張現実および／または仮想表示システムに表示画像を反射して配信する方法が提供される。方法は、光学配信デバイスの基板に、または基板上に無限遠の表示画像を投影することと、表示画像のうちの仮想画像の過焦点ビューをビュー位置に形成することと、を含むことができ、表示画像のうちの仮想画像の過焦点ビューを形成することは、光学基板と統合された少なくとも１つの過焦点反射ビューポートの少なくとも１つの過焦点反射スポットから、表示画像の少なくとも１つの部分を、少なくとも１つの個別スポットビームとして反射投影することを含み、光学過焦点反射スポットは、ビュー位置に置くことができるレンズ検出システムによって視認される表示画像部分のビューが過焦点になるようなビュー位置に、直径を有する個別光学スポットビームを形成するように大きさを調整される。

さらに別の態様によれば、光学射出瞳拡大過焦点システムが提供される。システムは、第１の光導波路基板、少なくとも１つの第１の波長のコリメート表示画像光線を射出瞳拡大方向の第１の光導波路基板に選択的に入力連結すること、および、少なくとも第２の波長の少なくともいくつかのコリメート画像光線を第１の光導波路基板に通すこと、を行うように構成された第１の光学入力連結部分を備えることができ、第１の光学入力連結部分は、第１の光導波路基板と統合されており／または独立しており、第１の光学過焦点出力連結部分は、第１の光導波路基板と統合され、第１の光学出力連結部分は、第１の光導波路基板と統合された１つまたは複数の第１の過焦点反射ビューポートを含み、第１の過焦点反射ビューポートの１つ１つは、第１の光導波路基板と統合された第１の個別光学過焦点反射スポットを含み、第１の個別光学過焦点反射スポットは、第１の過焦点反射ビューポートから所定の作動距離に位置する標的エリアに、少なくとも第１の波長の光学入力連結表示画像光線の個別部分を、光線の第１の個別光学スポットビームとして少なくとも部分的に反射投影するように構成され、第１の個別光学過焦点反射スポットの開口部は、少なくとも第１の波長の光線の第１の個別光学スポットビームが、標的エリアに置くことができるレンズ検出器によって見られるように過焦点になる仮想表示画像部分のビューを形成するように、大きさを調整される。

システムは、第２の光導波路基板、第１の光学入力連結部分から受け取った少なくとも１つの第２の波長のコリメート表示画像光線を、射出瞳拡大方向の第２の光導波路基板に選択的に入力連結するように構成された第２の光学入力連結部分をさらに備えることができ、第２の光学入力連結部分は、第２の光導波路基板と統合されており／または独立しており、第１の波長は、第２の波長とは異なり、第２の光学過焦点出力連結部分は、第２の光導波路基板と統合され、光学過焦点出力連結部分は、第１の過焦点反射スポットから少なくとも部分的に反射した少なくとも第１の波長の光線の第１の個別光学スポットビームを少なくとも部分的に透過させるものであり、第２の光学出力連結部分は、第２の光導波路基板と統合された１つまたは複数の第２の過焦点反射ビューポートを含み、第２の過焦点反射ビューポートの１つ１つは、第２の光導波路基板と統合された第２の個別光学過焦点反射スポットを備え、第２の個別光学過焦点反射スポットは、第２の過焦点反射ビューポートから所定の作動距離に位置する標的エリアに、第２の光学入力連結部分から受け取った少なくとも第２の波長の光学入力表示画像光線の個別部分を、光線の第２の個別光学スポットビームとして少なくとも部分的に反射投影するように構成され、第２の個別光学過焦点反射スポットの開口部は、少なくとも第２の波長の光線の第２の個別光学スポットビームが、標的エリアに置くことができるレンズ検出器によって見られるように過焦点にされた仮想表示画像部分のビューを形成するように、大きさを調整される。

複数の第１の光学過焦点反射スポットは、第１の光導波路基板に沿って射出瞳拡大方向に伸びる第１のパターン内に互いに間隔を隔てて分散されてもよく、少なくとも第１の波長のコリメート表示画像光学入力光線を瞳孔出口拡大器から連続的に抽出するように一括して構成され、複数の第２の光学過焦点反射スポットは、第２の光導波路基板に沿って射出瞳拡大方向に伸びる第２のパターン内に互いに間隔を隔てて分散されてもよく、少なくとも第２の波長のコリメート表示画像光学入力光線を瞳孔出口拡大器から連続的に抽出するように一括して構成される。

複数の第１の光学過焦点反射スポットは、第１の個別スポットビームによって標的エリアに形成された過焦点ビューが、第２の個別スポットビームによって標的エリアに形成された過焦点ビューに重ならないように、第２の光導波路基板内に分散された複数の第２の光学過焦点反射スポットに対して第１の光導波路基板内に分散されてもよい。

コリメート画像は、多色であってもよく、少なくとも第１の波長は、第１の色に対応する波長を含むことができ、少なくとも第２の波長は、第２の色に対応する波長を含む。

第１の光学入力連結部分は、第１の波長のコリメート画像光線、および第２の波長のコリメート画像光線のいくつかを、光の第１の導波路に選択的に入力連結するように構成されてもよく、第１の光学入力連結部分は、第２の光学入力連結部分に、第２の波長の他のコリメート画像光線の少なくともいくつかを通すこと、および、第３の波長のコリメート光線を通すことを行うように構成されてもよい。

複数の第１の過焦点スポットは、第１の光学入力連結部分から受け取った第１の波長および第２の波長のコリメート画像光線を、第１の個別スポットビームとして選択的に反射するように構成されてもよい。

第２の光学入力連結部分は、第１の第２の光学連結部分から受け取った第２の波長および第３の波長のコリメート画像光線を、第２の光導波路基板に選択的に入力連結するように構成されてもよい。

複数の第２の過焦点スポットは、光学入力連結部分から受け取った第２の波長および第３の波長のコリメート画像光線を、第２の個別スポットビームとして選択的に反射するように構成されてもよい。

第１の波長は、第１の色に対応してもよく、第２の波長は、第２の色に対応し、第３の波長は、第３の色に対応する。

第１の色は、青を含むことができ、第２の色は、緑を含むことができ、第３の色は、赤を含むことができる。

システムは、第３の光導波路基板をさらに備えることができ、第１の光学入力連結部分は、第２の波長および第３の波長のコリメート画像光線が第１の光学入力連結部分を通過するようにさらに構成され、第１、第２、および第３の波長は互いに異なり、第２の光学入力連結部分は、少なくとも第３の波長のコリメート画像光線が第２の光学入力連結部分を通過するようにさらに構成され、第３の光学入力連結部分は、第２の光学入力連結部分から受け取った少なくとも１つの第３の波長のコリメート表示画像光線を、射出瞳拡大方向の第２の光導波路基板に入力連結するように構成され、第３の光学入力連結部分は、第３の光導波路基板と統合されており／または独立しており、第３の光学過焦点出力連結部分は、第３の光導波路基板と統合され、第３の光学過焦点出力連結部分は、少なくとも第１の波長の光線の反射した第１の個別光学スポットビーム、および少なくとも第２の波長の光線の反射した第２の個別光学スポットビームを、少なくとも部分的に透過させるものであり、第３の光学出力連結部分は、第３の光導波路基板と統合された１つまたは複数の第３の過焦点反射ビューポートを含み、第３の過焦点反射ビューポートの１つ１つは、第３の光導波路基板と統合された第３の個別光学過焦点反射スポットを備え、第３の個別光学過焦点反射スポットは、第３の過焦点反射ビューポートから所定の作動距離に位置する標的エリアに、第３の光学入力連結部分から受け取った少なくとも第３の波長の光学入力表示画像光線の個別部分を、第３の光線の個別光学スポットビームとして少なくとも部分的に反射投影するように構成され、第３の個別光学過焦点反射スポットの開口部は、少なくとも第３の波長の光線の第３の個別光学スポットビームが、標的エリアに置くことができるレンズ検出器によって見られるように過焦点にされた仮想表示画像部分のビューを形成するように、大きさを調整される。

第１の光学入力連結部分は、第１の波長のコリメート画像光線を光の第１の導波路に選択的に入力連結するように構成されてもよく、第１の光学入力連結部分は、第２の波長および第３の波長のコリメート画像光線を、第２の光学入力連結部分に通すように構成され、複数の第１の過焦点スポットは、第１の光学入力連結部分から受け取った第１の波長のコリメート画像光線を、第１の個別スポットビームとして選択的に反射するように構成されてもよく、第２の光学入力連結部分は、第１の第２の光学連結部分から受け取った第２の波長のコリメート画像光線を、第２の光導波路基板に選択的に入力連結するように構成されてもよく、第２の光学入力連結部分は、第１の光学入力連結部分から受け取った第３の波長のコリメート画像光線を通過させるように構成されてもよく、複数の第２の過焦点スポットは、光学入力連結部分から受け取った第２の波長のコリメート画像光線を、第２の個別スポットビームとして選択的に反射するように構成されてもよく、第３の光学入力連結部分は、第２の光学連結部分から受け取った第３の波長のコリメート画像光線を、第３の光導波路基板に選択的に入力連結するように構成されてもよく、複数の第２の過焦点スポットは、第３の光学入力連結部分から受け取った第３の波長のコリメート画像光線を第３の個別スポットビームとして選択的に反射するように構成されてもよい。

第１の波長は、第１の色に対応してもよく、第２の波長は、第２の色に対応してもよく、第３の波長は、第３の色に対応してもよい。

複数の第１の光学過焦点反射スポットは、第１の光導波路基板に沿って射出瞳拡大方向に伸びる第１のパターン内に互いに間隔を隔てて分散されてもよく、少なくとも第１の波長のコリメート表示画像光学入力光線を瞳孔出口拡大器から連続的に抽出するように一括して構成され、複数の第２の光学過焦点反射スポットは、第２の光導波路基板に沿って射出瞳拡大方向に伸びる第２のパターン内に互いに間隔を隔てて分散されてもよく、少なくとも第２の波長のコリメート表示画像光学入力光線を瞳孔出口拡大器から連続的に抽出するように一括して構成され、複数の第３の光学過焦点反射スポットは、第２の光導波路基板に沿って射出瞳拡大方向に伸びる第３のパターン内に互いに間隔を隔てて分散されてもよく、少なくとも第３の波長のコリメート表示画像光学入力光線を瞳孔出口拡大器から連続的に抽出するように一括して構成される。

複数の第１の光学過焦点反射スポット、複数の第２の光学過焦点反射スポット、および複数の第３の光学過焦点反射スポットは、第１の個別スポットビーム、第２の個別スポットビーム、および第３の個別スポットビームによって標的エリアに形成された過焦点ビューが互いに重ならないように、互いにそれぞれ関連した第１の光導波路基板、第２の光導波路基板、および第３の光導波路基板内に分散されてもよい。

光学出力連結部分の１つまたは複数は、回折光学出力カプラを備えることができ、回折光学出力カプラの反射スポットのそれぞれは、回折格子を備える。

光学入力連結部分の１つまたは複数は、回折光学入力カプラを備えることができる。

システムは、光学入力連結部分を出力連結部分に動作可能なように連結する瞳孔拡大領域をさらに備えることができる。

瞳孔拡大領域は、回折拡張回折格子を備えることができる。

参照による組込み
本明細書で述べられた全ての公報は、公報が引用される装置、方法、および／または材料を開示し、説明するために参照により本明細書に組み込まれる。本明細書において言及される全ての公報、特許、および特許出願は、各個々の公報、特許、または特許出願が、参照により組み込まれることを具体的かつ個別に示された場合と同じ程度まで、全体として参照により、また、全ての目的のために、本明細書に組み込まれる。

本明細書で論じられる、または言及される公報は、本出願の出願日より前に、単にこれらの開示のためだけに提供される。このような公報に先行する権利を本発明が以前の発明によって与えられていないことを認めるものと解釈されるべきものは本明細書には何もない。

本発明をより容易に理解できるように、添付の図面をここで参照する。

実世界シーンを観察している人間の目の光学輻輳と遠近調節の一致を示す概略光路図である。拡張現実システムおよび仮想現実システムで使用される従来の光学システムに関連付けられた光学輻輳－遠近調節の不一致を示す概略光路図である。本技術の１つの実施形態による光学過焦点反射システムの概念図である。光検出器についているレンズによって描かれる混乱の輪を示す簡単な幾何学的光学光路図である。図３に示した混乱の輪がどのように調節されてきたかを示す簡単な幾何学的光学光路図である。目の瞳孔の入口における、両眼構成における過焦点開口部が、過焦点距離（Ｈ）から無限遠までの遠近調節範囲をどのように提供するかを示す図である。１つの実施形態による両眼光学過焦点反射システムを示す図である。１つの実施形態による両眼光学過焦点反射システムを示す図である。１つの実施形態によるニアツーアイ（ｎｅａｒ－ｔｏ－ｅｙｅ）拡張現実表示システムを示す図である。１つの実施形態による図８の表示システムで使用される光学過焦点反射システムを示す図である。１つの実施形態による図８の表示システムで使用するための光学過焦点反射システムを示す図である。１つの実施形態による過焦点反射スポットを示す図９Ａの光学過焦点反射システムの一部の拡大図である。１つの実施形態による過焦点反射スポットを示す光学過焦点反射システムの一部の拡大図である。１つの実施形態による過焦点反射スポットを示す図９Ｂの光学過焦点反射システムの一部の拡大図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムを示す図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムを示す図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムを示す図である。１つの実施形態による図９Ｂの光学過焦点反射システムにおける一連の角度選択ノッチフィルタ光学過焦点反射スポットの１つ１つへの光の光線の入射角に依存した反射率を示すグラフである。１つの実施形態による、目において視認される図１５で参照される一連の光学過焦点反射スポットの正味の角度応答を示すグラフである。１つの実施形態による、分離して利用される単一の過焦点反射ビューポートを示す図である。ビューポートなしで、目で視認される、図１６で無限遠に投影された画像を示す図である。図１６における、目で視認される、過焦点反射ビューポートによって形成される仮想画像を示す図である。１つの実施形態による、分散された複数の過焦点ビューポート要素を示す図である。１つの実施形態による、目で見られ、図１９の過焦点ビューポート要素によって形成されるような、過焦点仮想画像スポットビューを示す図である。１つの実施形態による、分散された複数の過焦点ビューポート要素を示す図である。１つの実施形態による、図２１の過焦点反射ビューポート要素によって形成された過焦点仮想画像スポットビューを示す図である。１つの実施形態による、図２１の過焦点反射ビューポート要素によって形成された過焦点仮想画像スポットビューを示す図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムを示す図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムを示す図である。画像ソースの典型的な放射スペクトルを示す図である。１つの実施形態による複数の光学過焦点反射ビューポートを示す図である。１つの実施形態による複数の光学過焦点反射ビューポートを示す図である。１つの実施形態による複数の光学過焦点反射ビューポートを示す図である。１つの実施形態による、コンピュータプログラムモデルによる、検出器によって見られる過焦点スポット画像を示す図である。１つの実施形態による、コンピュータプログラムモデルによる、検出器によって見られる過焦点スポット画像を示す図である。１つの実施形態による、コンピュータプログラムモデルによる、検出器によって見られる過焦点スポット画像を示す図である。１つの実施形態による、コンピュータプログラムモデルによる、検出器によって見られる過焦点スポット画像を示す図である。１つの実施形態による光学拡張現実表示システムを示す図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムを示す図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムを示す図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムの透視図である。１つの実施形態による図３７のシステムを含む光学過焦点反射システムの透視図である。図３８のシステムの上面図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムの透視図である。図４０のシステムの上面図である。１つの実施形態による、光学過焦点反射システムを通る、第１の実世界オブジェクト平面を観察している視線の凝視方向、および、コンピュータ生成編集後表示画像を示す図である。１つの実施形態による、光学過焦点反射システムを通る、第２の実世界オブジェクト平面を観察している視線の凝視方向、および、コンピュータ生成編集後表示画像を示す図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムを通る、実世界シーンを観察している視線を追跡する直接ビュー構成で構成された視線追跡カメラモジュールを示す図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムを通る、実世界シーンを観察している視線を追跡する間接ビュー構成で構成された視線追跡カメラモジュールを示す図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムの仮想画像の過焦点人視線ビューを最適化するための様々な制御システムのブロック図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムを含むヘッドマウントディスプレイグラスの簡略図である。１つの実施形態による光学過焦点反射システムを含むヘッドマウントディスプレイバイザの簡略図である。拡張および／または仮想現実ディスプレイで使用するためのコンピュータシステムの形の例示的機械の図式表現である。

以下の説明では、説明のために、また、限定ではなく、本発明を完全に理解するために、特定の実施形態、手順、技法等などの具体的詳細が示される。それでも、これらの具体的詳細から逸脱する他の実施形態で本発明を実践できることが当業者には明らかであろう。

出願人は、ニアツーアイディスプレイおよびヘッドアップディスプレイを含むヘッドマウントディスプレイなどであるが、これらに限定されない、仮想現実および拡張現実ディスプレイで使用される光学画像配信システムの１つまたは複数の重要な欠点を、本明細書で特定した。

１つのこのような欠点は、いわゆる光学両眼連動－遠近調節競合の望ましくない効果である。両眼連動は、単一の両眼視界を取得または維持するための逆方向への両目の同時の動きである。両眼連動の動きは、目の遠近調節と密接な関連がある。遠近調節は、オブジェクトの距離が変化すると同時に、鮮明な画像を維持するか、オブジェクトに焦点を合わせるために、脊椎動物の目が屈折力を変化させるプロセスである。正常な状態では、異なる距離にあるオブジェクトを見るために目の焦点を変化させることは、自動的に両眼連動および遠近調節を引き起こすことになる。

いわゆる両眼連動－遠近調節光学競合効果は、仮想画像および／または実世界シーンにおいて、観察者の目が見ているオブジェクトへの知覚した距離に基づいて、観察者の目が目の光学焦点をまだ自動的に調節している観察者から、固定された光学距離にある仮想画像を、表示画面が作り出した結果である。拡張現実ディスプレイでは、競合は、所与の両眼連動角度について、実世界の焦点距離と一致しない有限焦点距離に位置する仮想画像を、同時に眺めた結果である。

図１Ａおよび図１Ｂは、拡張現実システムおよび仮想現実システムで使用される従来の光学システムに関連付けられた光学輻輳－遠近調節の不一致問題を全体的に示す概略図である。実世界のビューでは、両眼連動距離／平面と焦点距離／平面の間に互換性のある、すなわち、人間の目が、実世界シーンを狙うまたは固定するために回転し、焦点があった実世界画像を維持するように適応している、図１Ａに例として示したように、両眼連動と遠近調節は競合なく一緒に機能する。拡張現実ディスプレイでは、また、仮想現実ディスプレイでも、焦点面が固定されると、ディスプレイは、異なる焦点面の両眼連動構成要素を簡単にエミュレートすることができるが、遠近調節構成要素はできない。したがって、２つの間に競合が存在する。

図１Ｂにおける例として、光学ディスプレイは、図１Ａの本物の単語のシーンと同じ距離であると目が知覚したオブジェクトの３Ｄ仮想画像を生成する。人間の目は、図１Ａに示したものに比べて、両眼連動構成要素が変化しないままになるように、表示画面の向こうにあるものと知覚したオブジェクトの距離に基づいて、自動的に回転し、オブジェクトの仮想画像を狙う。それでも、人間の目は、両眼連動距離より著しく小さい表示画面自体の焦点面に焦点があった３Ｄ仮想画像を維持するために自然に適応する。同様の競合は、表示画面の実際の焦点面より人間の目の近くにあると知覚したオブジェクトの仮想画像を、ディスプレイが生成するときに発生する。両眼連動－遠近調節競合は、複視、視覚の明瞭さの低下、視覚的不快感、および疲労をもたらす恐れがある［Ｋｏｏｉ，Ｆ．Ｌ．ａｎｄＴｏｅｔ，Ａ．「Ｖｉｓｕａｌｃｏｍｆｏｒｔｏｆｂｉｎｏｃｕｌａｒａｎｄ３Ｄｄｉｓｐｌａｙｓ．」Ｄｉｓｐｌａｙｓ、２５、９９頁～１０８頁、ｄｏｉ：１０．１０１６／ｊ．ｄｉｓｐｌａｙｓ．２００４．０７．００４、Ｌａｍｂｏｏｉｊら「ＶｉｓｕａｌＤｉｓｃｏｍｆｏｒｔａｎｄＶｉｓｕａｌＦａｔｉｇｕｅｏｆＳｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃＤｉｓｐｌａｙｓ：ＡＲｅｖｉｅｗ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｍａｇｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｒ）５３（３）：０３０２０１－０３０２０１－１４、２００９年、および、ＳｈｉｂａｔａＴ、ＫｉｍＪ、ＨｏｆｆｍａｎＤＭ、ＢａｎｋｓＭＳ、「Ｔｈｅｚｏｎｅｏｆｃｏｍｆｏｒｔ：Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｖｉｓｕａｌｄｉｓｃｏｍｆｏｒｔｗｉｔｈｓｔｅｒｅｏｄｉｓｐｌａｙｓ．」Ｖｉｓ．２０１１年７月２１日、１１（８）：１１、ｄｏｉ：１０．１１６７／１１．８．１１の記事を参照されたく、これらのそれぞれは、参照により本明細書に組み込まれる。

両眼連動－遠近調節競合の結果として、両眼拡張現実システムは、鮮明な画像を形成（遠近調節）するために目が焦点を合わせなければならない深度に距離が一致しないオブジェクトを伝える画像間の角度の相違が、左右の目に送られたとき、説得力のある３次元影像を生み出そうと努力する（輻輳）。

前述の光学的な問題は、既知の仮想現実および／または拡張表示システムに対する改善された光学配信を提供する光学システムおよび方法を可能にする本技術の態様によって軽減することができる。いくつかの例示的な拡張現実および仮想現実表示システムで使用するための、本技術の態様による光学システムおよび方法を、より詳細にここで説明する。それでも、他のいくつかの態様および実施形態において、本技術は、例で示されたもの以外の拡張および／または仮想現実システムのため、ならびに、ことによると、改善された視聴体験を配信するために画像化アプリケーションで利用される他のタイプの光学配信システムのために、構成できることが理解されよう。

本技術の様々な態様および実施形態を参照しながら下記でより詳細に説明されるように、両眼連動と遠近調節の光学競合を低減できるようにするための、拡張現実または仮想現実表示システムで使用することができる光学過焦点反射システムが提供される。目の遠近調節を、より密接に輻輳に一致させることができるように、ディスプレイにおける輻輳を操作するために、過焦点反射ビューポートがシステムによって採用される。反射のいくつかの形式を使用して、コリメート表示画像を人間の目に向けるように構成された、拡張または仮想現実ディスプレイのための任意のタイプの光学方向転換システムに、１つまたは複数の過焦点反射ビューポートを採用することができる。結果として生じる光学システムは、本明細書では光学過焦点反射システムと呼ばれ、過焦点反射ビューポート構造を使用して画像を目に配信し、ソース画像の範囲を超えて焦点遠近調節範囲を伸ばす。システムの過焦点反射ビューポートは、遠近調節面が輻輳平面の方に動き、鮮明な画像を維持できるようにすることによって、両眼連動－輻輳競合の光学的効果を低減させる。

光学過焦点反射システムは、異なるアプローチを使用して実行することができる。いくつかのアプローチでは、光学過焦点反射システムは、シースルーの光学結合器としても、シースルーでない光学結合器としても実行される。いくつかの実施形態では、光学過焦点反射システムは、光導波路ベースのシステムである。他の実施形態では、光学過焦点反射システムは、自由空間光学反射器／結合器ベースのシステム、あるいは、仮想もしくは拡張現実ディスプレイまたは他の光学システムのためにコリメート表示画像を反射中継するように構成された他のタイプの光学モジュールである。

１つの一般的アプローチとして、光学過焦点反射システムは、光学基板を備えることができる。光学入力連結部分は、コリメート表示画像を光学基板に入力連結するように構成される。光学過焦点出力連結部分は、光学基板と統合される。光学出力連結部分は、１つまたは複数の過焦点反射ビューポートを含む。過焦点反射ビューポートは、光学基板と統合された個別光学過焦点反射スポットを備える。個別光学過焦点反射スポットは、個別仮想表示画像部分を形成する光線の個別光学スポットビームとして光学入力連結表示画像光線の個別部分を、レンズ検出システム、またはレンズ検出システムが置かれることになる標的エリアに、反射投影するように構成される。標的エリアは、個別仮想表示部分を眺めるためのレンズ検出システムの可能な表示ビュー位置をカバーするエリアを意味するものと本明細書で定義される。個別仮想表示部分を眺めるためのレンズ検出システム、またはレンズ検出システムが置かれることになる標的エリアは、過焦点反射ビューポートから所定の作動距離に位置する。

いくつかのアプローチでは、レンズ検出システムは、人間の目である。他のアプローチでは、レンズ検出システムは、任意の光学レンズ検出デバイスを備える。光学レンズ検出デバイスのいくつかの実施形態では、光学レンズ検出デバイスは、デジタルまたはアナログセンサなどのセンサデバイスに連結された光学レンズまたはレンズアセンブリである。いくつかの実施形態では、光学レンズ検出デバイスは、カメラシステムである。さらに、本明細書で説明されるいくつかの実施形態では、人間の目およびその構成要素に言及しているが、レンズ検出システムは、代わりに、例えば、前述の光学レンズ検出デバイスのいずれかなど、別のタイプのシステムであってもよいことが理解されよう。さらに、本明細書で説明されるいくつかの実施形態では、光学レンズ検出デバイスに言及しているが、レンズ検出デバイスは、他の実施形態では、代わりに、人間の目のシステムであってもよいことが理解されよう。

個別光学過焦点反射スポットの開口部は、過焦点された仮想表示画像部分の、レンズ検出システムによって視認されるビューを個別光学スポットビームが形成するように、目、または他のレンズ検出システムの標的エリアに、開口直径Ｄの仮想画像過焦点スポットを形成するように大きさを調整される。標的エリアにおける仮想画像過焦点スポットのサイズは、レンズ検出システムが標的エリア内に置かれたときにレンズ検出システムによって視認される仮想表示部分の過焦点ビューを生じるレンズ検出システムの有効（実際ではない）開口部サイズである。レンズ検出システムについて、有効開口部は、したがって、混乱の輪として知られる実像光学スポットをレンズ検出システムの検出器上に描くために、レンズに進む仮想画像形成光線の個別スポットビーム部分の横断面に対応する。特定の実施形態を参照しながらより詳細に説明されるように、過焦点反射ビューポートは、レンズ検出システムからの過焦点ビューポートの作動距離を考慮して、レンズ検出システムと同様のサイズのものである混乱の輪を提供するように光線を絞るために、レンズ検出システムのレンズよりずっと小さい。

光学過焦点ビューポートをより詳細に説明するために、本技術の１つの実施形態による光学過焦点反射システムの概念図である図２を参照する。例証および説明を容易にするために、図２で、および本明細書の他の添付の図で示された要素は、大きさを変えるように描かれていない。

図２では、光学過焦点反射システム１００は、拡張現実光学結合器として実行され、これにより、使用中、システムは、表示システムの観察者の人間の目で観察されている実世界に被せた仮想画像を反射して配信する。システム１００は、光誘導空間光学結合器として実行される。それでも、他の実施形態では、光学過焦点反射システムは、自由空間光学結合器、非シースルー光学結合器（導波路で誘導される（ｗａｖｅｇｕｉｄｅｄ）空間または自由空間）、あるいは、仮想もしくは拡張現実ディスプレイまたは他の光学システムのためにコリメート表示画像を反射中継するように構成された任意のタイプの光学モジュールとして実行することができる。さらに、以上で述べられたように、いくつかの実施形態では、人間の目以外の、他のタイプの光学レンズ検出システムが使用されてもよい。

図２に示されているように、光学過焦点反射システム１００は、過焦点反射ビューポート１０２および光誘導光学基板１０１を含む。光誘導光学基板１０１は、基板１０１を通じてレンズ検出システムによって観察されることになる実世界シーンからの可視光光線１３１に対して、少なくとも部分的にシースルーであり、典型的には、実質的にシースルーである。レンズ検出システムは、人間の目２０１である。他のいくつかの実施形態では、レンズ検出システムは、光学レンズ検出デバイスである。基板１０１は、実世界シーンからの光の光線１３１が、実世界シーンと同じ側の基板１０１の正面１１３に入り、基板１０１を通過し、観察者の人間の目２０１と同じ側の基板の裏１１４の面から出るように構成される。

過焦点反射ビューポート１０２は、光誘導光学基板１０１と統合され、基板内、および／または基板１０１の表面上に配置されることを意味する。過焦点反射ビューポート１０２は、個別の物理的なビューポート開口部１１２を備える。例証および説明を容易にするために、開口部１１２は、１次元ビューポート開口部として図２に示されている。過焦点ビューポート開口部１１２は、生成された表示画像入力１０６の光学入力光線１０７がビューポート１０２から反射され、これにより、基板１０１を出て人間の目２０１に向かう開口部を指す。ビューポートから反射された光の光線束１０５は、コリメート光線として反射されるので仮想画像を形成し、これらの光線の円錐は、ディスプレイの視野に寄与する、過焦点ビューポートにわたる角度の広がりによって形成される。個別スポットビーム１０５の形の仮想画像形成光線は、視聴レンズ開口部１１５を目のレンズ２０５まで通過して、混乱の輪として知られる実像光学スポット１０５Ｃを目の網膜上に描く。

光学系おいて、混乱の輪は、レンズからの光の光線の円錐が、点光源を画像化するときに完全な焦点にならないことによって生じる光学スポットである。これは、混乱のディスク、不明瞭の輪、ぼやけた輪、またはぼやけたスポットとしても知られる。人間の目の混乱の輪は、目のレンズからの光の光線の円錐が、目の網膜上で完全な焦点にならないことによって生じる光学スポットである。人間の目についての混乱の輪のさらなる説明については、例えば、ＴｈｅＭａｎｕａｌｏｆＰｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ：ＰｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃａｎｄＤｉｇｉｔａｌＩｍａｇｉｎｇ，９ｔｈｅｄ．Ｅｄ．ＲａｌｐｈＥ．Ｊａｃｏｂｓｏｎ、ＳｉｄｎｅｙＦ．Ｒａｙ、ＧｅｏｆｆｒｅｙＧ．Ａｔｔｅｒｉｄｇｅ、およびＮｏｒｍａｎＲ．Ａｘｆｏｒｄ．Ｏｘｆｏｒｄ：ＦｏｃａｌＰｒｅｓｓ．ＩＳＢＮ０－２４０－５１５７４－９における５２頁を含むＲａｙ、ＳｉｄｎｅｙＦ．２０００を参照されたく、この全内容が、参照により本明細書に組み込まれる。

図２は、無限遠に投影され、異なる角度に対応する２つの異なる文字「Ａ」および「Ｂ」が、網膜の奥でどのように焦点が合うかについての例を示す。それぞれのケースで、独立した混乱の輪（ＣｏＣ：Ｃｉｒｃｌｅｏｆｃｏｎｆｕｓｉｏｎ）が形成される。ＣｏＣは、画像化システムの点広がり関数の基礎を形成し、画像の各部分でたたみ込みをつくられる。ＣｏＣは、シーンでたたみ込みをつくられたぼやけたスポットであり、下記でより詳細に説明されるように、過焦点距離範囲内で、焦点の差の区別がつかないように思えるようにする。

反射ビューポート１０２は、目のレンズまたは他のレンズ検出システムが過焦点になる個別スポットビームの横断面直径が十分に小さくなるように大きさを調整され、すなわち、目のレンズ２０５は、画像平面位置を変えずに、許容できる程度に鮮明な画像を維持しつつ、所望の距離（Ｈ）からはるばる無限遠まで焦点を合わせることができる。

過焦点反射ビューポート１０２が過焦点を提供するようにどのように構成されるかを説明するために、レンズ検出システム４００の検出デバイス４０２上に描かれた混乱の輪をどのように調節できるかを示す簡単な幾何学的光学光路図である図３および図４を参照する。レンズ検出システム４００は、光センサ検出器４０２に光学連結された視聴レンズ４０１を備える。いくつかの実施形態では、光学視聴レンズアセンブリを、単一レンズ４０１の代わりに使用することができる。光センサ検出器４０２は、例えば、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサである。このようなセンサは、いくつかの実施形態では、ローリングシャッターまたはグローバルシャッターを採用することができる。図３では、光学光線３０５は、無限遠の点光源から来て、光学光線３０６は、任意の距離Ｈから来る。無限遠光線３０５は、レンズ４０１の焦点距離ｆで焦点が合う。Ｈからの光線３０６は、点ｆ’で焦点が合う。点ｆ’において、無限遠からの光線３０５は、その理想的な焦点を通って拡大してきており、混乱の輪（ＣｏＣ）として知られるエリアに対することになる。検出器４０２上の最小の解像可能点が、ＣｏＣより大きい場合、検出器は、無限遠から生じた光線と、Ｈから生じた光線とを区別できなくなる。両方の像は、許容できる程度に鮮明に見えることになる。

図３を図４と比較することによって分かるように、ＣｏＣの直径は、有効開口部Ｄを所望のサイズに低減させることによって調節することができる。図４では、無限遠から生じた光線３０７は、図３に示した有効開口部に比べて低減した直径Ｄを有する有効レンズ開口部を通過する。同様に、同じ原理を使用して、目のレンズ２０５の目のレンズの過焦点開口部に対応する直径Ｄの個別スポットビーム１０５を投影することによって、人間の目の有効レンズ開口部は、過焦点反射ビューポートから反射された光学光線１０５と、過焦点距離であるＨから生じた光学光線を、図２の人間の目が区別できないように調節される。これは、過焦点反射ビューポート１０２についての基本的な定義である。

図４に示されたレンズ検出システムについて、修正後の視聴レンズ開口部Ｄは、したがって、レンズ検出システムの検出器４０２上の混乱の輪（ＣｏＣ）である実像光学スポットを描くために、視聴レンズ４０１の中を進む画像形成光線３０７の個別スポットビーム部分の横断面直径Ｄに対応する。図２に示されているように、ビューポート開口部１１２は、目の瞳孔の入口に、対応する修正後の視聴レンズ開口部を提供する。修正後の視聴レンズ開口部は、目の網膜上の混乱の輪である実像光学スポット１０５Ｃを描くために、視聴レンズの実際の開口部より小さく、目のレンズ２０５の中を進む仮想画像形成光線１０５の反射後の個別スポットビーム部分の横断面に対応する視聴レンズ有効開口部である。過焦点反射ビューポート１０２は、目のレンズからの過焦点ビューポートの作動距離を考慮して、目のレンズ２０５と同様のサイズのものである混乱の輪を提供するように仮想画像形成光線を効果的に絞るために、目のレンズ２０５よりずっと小さい。

レンズ検出システムについての標的エリアにおける修正後の視聴レンズ開口部のサイズは、したがって、視聴レンズの実際の開口直径より小さく、レンズ検出システムが標的エリア内に置かれたときにレンズ検出システムによって視認される仮想表示部分の過焦点ビューを生じる、レンズ検出システムの有効（実際ではない）開口部サイズである。

過焦点距離は、当業者にとって異なる定義を含む。過焦点距離の１つのこのような定義は、無限遠にあるオブジェクトを許容できる程度に鮮明に保ちつつ、レンズが焦点を合わせることができる最短距離である。レンズがこの距離に焦点を合わせるとき、過焦点距離の半分から無限遠までの距離にある全てのオブジェクトは、許容できる程度に鮮明になる。もうひとつの定義は、過焦点距離が、無限遠に焦点を合わせたレンズについて、全てのオブジェクトが許容できる程度に鮮明になる距離を超えた距離であるというものである。両方の定義が、適合する。過焦点により、画像平面位置を変えずに、許容できる程度に鮮明な画像を維持しつつ、所望の距離（Ｈ）からはるばる無限遠まで、レンズの焦点を合わせることができる。誤解を避けるために、本出願は、所望の距離Ｈを意味するものとして本技術に関する過焦点距離を指し、すなわち、過焦点により、仮想画像平面位置を変えずに、許容できる程度に鮮明な画像を維持しつつ、過焦点距離（Ｈ）からはるばる無限遠まで、視聴レンズ［人間の目のレンズなどであるが、これらに限定されない］の焦点を合わせることができる。

「許容できる程度に鮮明な画像」の定義は、システムの光学仕様に従って予め決められる。いくつかの実施形態では、許容できる程度に鮮明な画像は、平均的な人間の目の能力の標準値に従って予め決められた鮮明さのレベルの画像を意味する。いくつかの実施形態では、許容できる程度に鮮明な画像は、個人の人間の目の能力に従って決められている鮮明さのレベルの画像を意味する。いくつかの実施形態では、許容できる程度に鮮明な画像は、光検出デバイス（非人間）の分解能に従って決められた鮮明さのレベルの画像を意味する。さらに他のいくつかの実施形態では、許容できる程度に鮮明な画像は、Ｎｙｑｕｉｓｔ尺度（混乱の輪が、ディスプレイ上の最小解像可能特性の半分の大きさになるはずである）に応じた鮮明さのレベルの画像を意味する。これは、レンズ検出システムの最小解像可能特性に従って決定される。人間の目のシステムであるレンズ検出システムについて、平均的な人間の目の能力の標準的な受け入れられる値の通りに、人間の目の最小解像可能特性を下回る画像特性をディスプレイが示すことができる場合、明確に、目の分解能は、受入れ可能な鮮明さの限界である。分かりやすくするために、以下で言及されたような、許容できる程度に鮮明は、Ｎｙｑｕｉｓｔ尺度（混乱の輪が、ディスプレイ上の最小解像可能特性の半分の大きさになるはずである）に応じた少なくとも鮮明さのレベルの画像を意味する。それでも、許容できる程度に鮮明は、許容できる程度に鮮明についての前述の他の定義のいずれか１つに従って定義されてもよい。

過焦点距離を説明する方程式は、以下によって与えられる。

Ｈは過焦点距離であり、開口直径Ｄは、焦点距離ｆとＦ値Ｎの比であり、ｃは、混乱の輪の直径である。
したがって、

（誘導については、例えば、Ｄｅｒｒ，Ｌｏｕｉｓ、１８６８年～１９２３年による、７８頁および７９頁ならびに補遺を含むＰｈｏｔｏｇｒａｐｈｙｆｏｒｓｔｕｄｅｎｔｓｏｆｐｈｙｓｉｃｓａｎｄｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、出版日１９０６年、出版社ＮｅｗＹｏｒｋ，ＴｈｅＭａｃｍｉｌｌａｎＣｏｍｐａｎｙ；Ｌｏｎｄｏｎ，Ｍａｃｍｉｌｌａｎ＆Ｃｏ．，ｌｔｄ．を参照されたく、この全内容が参照により本明細書に組み込まれる）。
Ｆ値が、

であることを考慮する。

したがって、過焦点距離は、ｆとＤの両方に直接比例することがわかる。

人間の目についての混乱の輪の値、および実験データに基づく過焦点距離との関係の例が提供された（例えば、ＴｈｅＭａｎｕａｌｏｆＰｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ：ＰｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃａｎｄＤｉｇｉｔａｌＩｍａｇｉｎｇ，９ｔｈｅｄ．Ｅｄ．ＲａｌｐｈＥ．Ｊａｃｏｂｓｏｎ、ＳｉｄｎｅｙＦ．Ｒａｙ、ＧｅｏｆｆｒｅｙＧ．Ａｔｔｅｒｉｄｇｅ、およびＮｏｒｍａｎＲ．Ａｘｆｏｒｄ．Ｏｘｆｏｒｄ：ＦｏｃａｌＰｒｅｓｓ．ＩＳＢＮ０－２４０－５１５７４－９における５２頁を含むＲａｙ、ＳｉｄｎｅｙＦ．２０００を参照されたく、この全内容が、参照により本明細書に組み込まれる。以下の例は、前述のＲａｙＳｉｄｎｅｙの言及により与えられる。

「通常の視界は、焦点を合わせるために、目の屈折状態を変えるための筋肉の動きを必要とする。これは、内部の焦点合わせは遠近調節と呼ばれ、生理的な限界が、約２５０ｍｍの明視（Ｄｖ）という快適な近接距離にする。例えば、理想的な状態では、弧のおよそ１分の角度に対応し、幅が約５マイクロメートルの目の網膜上の像に対するＤｖにおいて、幅０．０７５ｍｍの高コントラスト線を知覚することができる。限定的な性能はめったに実現されず、Ｄｖにおける０．１ｍｍの線幅という低い方の値が一般に採用される。解像力にコンバートした、０．１ｍｍという鋭敏さは、平均的な目について１ｍｍあたり５サイクルという値を与える、バータイプの分解能テストターゲット上で使用されるものなど、隣接した同一空間を加えた線の幅である０．２ｍｍという空間サイクルに対応する」。

開口直径Ｄは、上記の方程式（１）から（４）を使用して決定される。方程式（３）から（４）を整理しなおすと、所定の過焦点距離Ｈおよび混乱の輪ｃのための、目のレンズの有効開口部の直径Ｄ（およびしたがって、図２に示された目のレンズにおける個別スポットビーム１０５の直径）を決定するための下記の方程式（５）が得られる。

いくつかの実施形態では、このシステムのための所定の過焦点距離Ｈは、人間の目の明視の快適な近接距離である。このようなケースでは、（視聴レンズにおける反射後の個別スポットビームの直径である）開口直径Ｄは、方程式（３）および（４）から決定され、過焦点距離Ｈは、人間の目の明瞭な視界、およびこの過焦点距離Ｈに対する既知の混乱の輪ｃの、快適な近接距離に等しい。いくつかの実施形態では、代替としてまたは追加として、過焦点距離Ｈは、必要な表示効率をもたらすために、光学画像入力光線の正味の反射率の維持のための視界でセットされる。

非限定的な例として、無限遠に焦点を合わせるとき、目のレンズの焦点距離は、およそ１６ｍｍである。０．２５ｍの過焦点距離に焦点を合わせるとき、目の焦点距離ｆは、およそ１５．０４ｍｍである。Ｒａｙ，ＳｉｄｎｅｙＦ．２０００の前述の参照で示された実験的処置による混乱の輪は、０．２ｍｍの空間サイクルに対しておよそ１３．３ミクロンである。０．２５ｍから無限遠までの網膜分解能の限界焦点を与えるための目の前の開口部の直径は、以下のようなものである。

したがって、前述の例では、無限遠から０．２５ｍまでの過焦点のための理想的な瞳孔直径に対応する開口直径Ｄは、目のレンズ上で２１０ミクロンである。過焦点ビューポート開口部１１２は、同じまたは実質的に同じ開口直径で構成される。光線１０５は実質的に平行なので、ビューポート開口部１１２は、反射された光線の実質的に同様のサイズの個別スポットを目のレンズに投影する。光学基板が光導波路基板であるシステムについて、光線１０５は、平行または実質的に平行である。光学基板が、光学自由空間結合基板または他の非導波路基板であるシステムについて、光線１０５は、平行または実質的に平行であってもよく、一方で、他のいくつかの実施形態では、平行ではなく、過焦点反射ビューポートから遠くへ外れてもよく、この場合、視聴レンズにおける個別スポット直径Ｄは、ビューポート開口部１１２より大きくてもよいが、簡単な形状で決定することもできる。

前述の例は、所与の過焦点距離に対する過焦点反射ビューポートの開口直径を決定する方法を示す。目のレンズ上の過焦点のための瞳孔直径は、他の実験データを使用して計算されてもよく、Ｒａｙ，ＳｉｄｎｅｙＦの前述の参照で説明された特定の値に限定されないことが理解されよう。

いくつかの実施形態では、ヘッドマウントディスプレイもしくはニアアイディスプレイ、または、Ｎｙｑｕｉｓｔ尺度と組み合わされた、光学過焦点反射システムを組み込む他の表示システムの角解像度が、混乱の輪の寸法を決定するために使用される。混乱の輪は、表示システムの射出瞳に表示された画像上の最小解像可能特性の半分の大きさになるように予め決められる。いくつかの実施形態では、混乱の輪は、最小解像可能特性の半分の大きさより小さくなるように予め決められる。

いくつかの実施形態によるニアツーアイ導波路ディスプレイおよび他のタイプの拡張現実表示システムをここでより詳細に参照すると、これらの表示の設計に含まれる光学系は、数ある細目の中でも、視野（ＦＯＶ：ＦｉｅｌｄｏｆＶｉｅｗ）、分解能、ならびに画像位置（ｘ、ｙおよびｚ）を決定する。実世界では、我々の深度の知覚は、２つの主な要因で推進される。両眼連動は、オブジェクトへの固視を維持するために目が回転する。遠近調節は、網膜上の鮮明な「焦点があった」像を維持するために目のレンズが適応する。前述のように、両眼連動－遠近調節光学競合は、焦点面および両眼連動面が整列しないときに発生する。導波路ディスプレイでは、画像は、無限遠にある焦点面を伴う誘導装置を通じて伝搬される。このようなＡＲディスプレイは、両眼連動面が、（表示画像に焦点を合わせた）遠近調節面のＣｏＣ内にないとき、より深刻な両眼連動遠近調節競合を呈する。ＲｏｂｅｒｔＫｏｎｒａｄらは、両眼連動が遠近調節を推進できることを示している（「Ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ－ｉｎｖａｒｉａｎｔＮｅａｒ－ｅｙｅＤｉｓｐｌａｙｓ」、ＳＩＧＧＲＡＰＨ２０１７年７月、ＲｏｂｅｒｔＫｏｎｒａｄ、ＮｉｔｉｓｈＰａｄｍａｎａｂａｎ、ＫｅｅｎａｎＭｏｌｎｅｒ、ＥｍｉｌｙＡ．Ｃｏｏｐｅｒ、ＧｏｒｄｏｎＷｅｔｚｓｔｅｉｎを参照されたく、この内容が、参照により本明細書に組み込まれる）。この輻輳および遠近調節の矛盾が、失見当識および悪心をもたらすことが多い。

導波路ベースのディスプレイでは、選択した初期焦点面は、分解能を失わないように、無限遠にある。これは、導波路が、位置情報ではなく角度情報を維持するからである。角度情報だけを保持する画像を含むための唯一の方式は、画像を無限に訂正することである。ずっと近い距離に目が輻輳するようにディスプレイを操作することができるが、目の遠近調節は、無限遠にとどまることになり、ＶＡＣを生じる。焦点面をより近くに持ってくるために、プッシュプルレンズを使用することができるが、これは、全体的なフォームファクタを増やす構成要素の追加につながり、単一焦点面を最終的にもたらす。導波路ベースのディスプレイは、まさにその動作特性により、無限遠に焦点面がある画像を搬送することを強いられ、このことから逸脱すると、分解能が失われる。下記でより詳細に説明されるように、過焦点反射ビューポートを使用して、画像が導波路を渡った後、画像を目に配信することによって、ユーザは、無限遠に焦点が合った画像を無限遠以外の焦点面において眺め、遠近調節することができ、両眼連動の矛盾を除く。

過焦点反射ビューポートをどのように使用して両眼連動の矛盾を除くことができるかをより適切に説明するために、添付の図面の図５および図６をここで参照する。図５は、目２０１の瞳孔の入口における、両眼構成における直径（Ｄ）の過焦点開口部１１５が、過焦点距離（Ｈ）から無限遠までの遠近調節範囲をどのようにもたらすかについて示している。両眼連動面１４０、すなわち、単一両眼視界を維持するために両目の視線または視軸が輻輳する平面は、Ｈから無限遠までの両眼連動範囲１４１の中で選択することができ、許容できる程度に鮮明な仮想画像を維持するために遠近調節するのに最も快適な平面を決定するために使用することができる。光学光線３０７は、無限遠に由来するので、各過焦点開口部１１５は、過焦点性能を変えずに視線に沿って目から遠くに動かすことができる。同様に、導波路に埋め込まれた過焦点反射ビューポート１０２は、投影された表示画像への過焦点開口部として機能する。

例として、図６は、実施形態に対する、それぞれの目２０１のための光学過焦点反射システム１００を備える両眼光学過焦点反射システムを示す。過焦点反射ビューポート１０２は、それぞれの目２０１のために１つ、それぞれの光導波路基板１０１に設置される。光学過焦点反射システム１００のそれぞれにおいて、過焦点ビューポートの開口部１１２は、導波路基板１０１に埋め込まれた、傾いた個別反射スポット１０３で定義された２次元開口部である。基板１０１は、幾何学的光導波路基板である。

反射スポット１０３は、光導波路基板から、および目のレンズまたは視線標的エリア（または他の光学視聴レンズ検出システム）に、光学入力光線１０７の個別部分を、実質的に平行の光線、または外れた光線１０５の個別光学スポットビームとして、反射投影するように構成された任意のタイプの光学素子で提供することができる。

使用される個別反射スポットのタイプは変えることができる。図６の実施形態では、傾いた反射スポットの１つまたは複数は、１つまたは複数の金属層または誘電体層を備える光学層など、光導波路基板の、仮想画像入力波動伝搬軸または射出瞳拡大方向に対する少なくとも１つの斜面に配置された光学反射コーティングまたは層である。他のいくつかの実施形態では、個別反射スポットのタイプは、自由空間光学結合器、他の射出瞳拡大器、または、反射性の（等方性のおよび異方性の）、回折性の、ホログラフィの、スイッチ可能かつアドレス可能な、もしくはＭＥＭＳ等の導波路技術のいずれかのクラスなどであるがこれらに限定されない他の導波路ベースの光学素子など、仮想現実または拡張現実システムで使用されることになる光学のタイプに応じて選択される。

いくつかの実施形態では、反射スポットの１つまたは複数は、導波路基板の伝搬軸に対して傾斜したまたは平行な平面に配置することができる回折光学素子である。透過モードまたは反射モードで構成された光学回折光学素子は、反射スポットとして採用することができる。透過モードでの回折光学素子は、光導波路に配置されるまたは埋め込まれることから、反射スポットとして有効に機能し、誘導装置からの導波路反射光線を向けるように機能する。

過焦点開口部１１５に対応するスポットサイズを保持する個別スポットビーム１０５は、導波路基板１０１内の過焦点反射ビューポートによって目のレンズに投影される。過焦点ビューポート開口部１１２は、反射スポット開口部に対応し、ビューポート開口部１１２を出る反射光線１０５が、視聴レンズにおける直径Ｄの個別スポットビーム１０５を提供するための１Ｄビューポート開口部１１２の代表的なものに依然としてなるような、簡単な形状を使用して適宜選択された横断面を有し、直径Ｄは、上記の例の通りに決定される。２Ｄ開口部を伴う過焦点反射ビューポート１０２は、したがって、投影された表示画像への過焦点ビューポートとして構成される。過焦点ビューポート１０２の位置、および、視線に対する反射スポット傾斜角は、両眼連動面１４０がＨから無限遠までの範囲になるように選択され、許容できる程度に鮮明な画像を維持するために遠近調節するのに最も快適な平面を決定するために使用される。視線に対する過焦点ビューポート１０２の位置は、光導波路基板１０１の位置、および、基板光導波路基板内のそれぞれのビューポート１０２の位置によって決定される。

過焦点ビューポートの１つ１つの開口直径、すなわち、ポートの個別反射スポット開口部の直径は、形成された仮想画像個別部分の、人間の目のビュー、または他の光学レンズ検出器のビューが過焦点になるように、かなり小さく大きさを調整される。それぞれの目は、仮想画像スポットの分解能の損失が全くない、個別光学スポットビーム１０５によって形成された仮想画像を、無限遠から目のレンズの過焦点距離までの範囲で遠近調節することができる。このために、視聴レンズにおける個別スポットビーム１０５の直径Ｄは、Ｄを計算するための上記で言及した手順を使用して決定される。結果として、個別反射スポット開口部サイズは、反射スポット傾斜角を考慮して、計算されたＤに基づいて決定される。

反射されたスポットビームが、厳密に平行ではなく、外れている実施形態では、目のレンズに対する反射スポットの角度位置、反射スポットから目までの距離、および逸脱の角度を考慮することによってＤから個別反射スポット開口部サイズを決定するために、ビームの逸脱も考慮に入れることになる。

いくつかの実施形態では、反射スポット開口部サイズは、目のレンズに投影される個別スポットビームが、計算された直径Ｄに等しい直径を保持するように、選択される。他のいくつかの実施形態では、反射スポット開口部サイズは、目のレンズに投影される個別スポットビームが、直径Ｄより小さい直径を保持するように選択される。非限定的な例として、本明細書で開示された実施形態のいずれかの光学過焦点反射システムのいくつかのアプローチでは、過焦点反射スポットから、人間の目のための視線標的エリアまでの作動距離は、典型的には、約１０ｍｍから７５ｍｍまでであり、過焦点反射スポット開口部サイズは、典型的には、直径で約１００ミクロンから１０００ミクロンまでである。いくつかの実施形態では、過焦点反射スポット開口部サイズは、１０００ミクロンより小さい。他の作動距離および過焦点反射スポットサイズが予想され、使用されている表示システムのタイプ、および、過焦点スポット画像を眺めるための光学レンズ検出システムのタイプに応じて変わることになることに留意されたい。

前述のアプローチを採用すると、複数の過焦点反射ビューポート１０２は、元の投影画像が無限遠にあるにもかかわらず、無限遠以外の平面において輻輳と遠近調節の両方を行うことができる投影画像を、実世界に被せる拡張現実ディスプレイを作り出すために、光学過焦点反射システムで使用することができる。これにより、コンパクトな導波路ベースのＡＲディスプレイ、または、他のタイプの光学反射システムベースのＡＲディスプレイを提供することができる。図６の光学過焦点反射システムは、導波路ベースの光学結合器であるが、過焦点反射ビューポート１０２は、反射性の（等方性のおよび異方性の）、回折性の、ホログラフィの、スイッチ可能かつアドレス可能な、もしくはＭＥＭＳ等の導波路技術のいずれかのクラスなどであるがこれらに限定されない導波路技術を使用する他の反射システムに、または、自由空間結合器、およびことによると、このようなシステムを使用する非結合器などの非導波路システムに、組み込むことができる。

目における過焦点開口部に比べて目から離れているそれぞれの過焦点反射ビューポート１０２の１つの欠点は、任意の１つの位置で目がアクセスできる視野が減ることである。

一般的なアプローチとして、光学過焦点反射システムにおける複数の過焦点ビューポートのパターンまたは分散は、ディスプレイの完全な視野に目２０１がアクセスできるように提供される。複数の過焦点反射ビューポートは、図２から図６を参照しながら上記で説明された手法で仮想画像の過焦点を実施しつつ、光学入力光線を抽出し、これにより、表示画像生成デバイスの射出瞳を拡大するように、光学過焦点反射システムにおける特定の構成で配置される。異なる実施形態を参照しながらより詳細に説明されるように、過焦点ビューポートの特定のパターンは、導波路ベースまたは自由空間の結合器または非結合器など、採用されている光学過焦点反射システムのタイプに応じて、異なってもよい。過焦点を維持するために、ディスプレイの視野の一意の部分を、各ビューポートから目２０１が受け取っていることが重要である。オーバーサンプリングは、過焦点効果を低減させることになり、アンダーサンプリングは、統一性問題を引き起こすことになる。これは、必然的に、人によって性能が変動することを意味することになる。いくつかの実施形態では、所望の性能特性を実現するために、システムは、特定の条件のための過焦点反射ビューポートの分散、および、これらの条件が変化するときに後で特徴づけられた光学性能で構成することができる。

本技術のいくつかの実施形態によるニアツーアイ導波路表示システムを、ここでより詳細に参照する。ニアツーアイ導波路ベースシステムでは、複数の過焦点反射ビューポートは、図２から図６を参照しながら上記で説明された手法で仮想画像の過焦点を実施しつつ、導波路に沿った内部反射によって誘導された光学光線１０７を連続的に抽出し、これにより、画像形成デバイスの射出瞳を拡大するように、導波路における特定の構成で配置される。

図７の光学過焦点反射システム１００について、複数の過焦点反射スポット１０３は、人間の目の仮想画像ビューが、実質的に表示システムの完全な視野上で過焦点になり、輻輳面の方の平面に遠近調節されることを可能にするように、光学過焦点反射システム内に配置される。このように、ニアツーアイシステムにおける各光学過焦点反射システムは、画像生成表示システムの射出瞳を拡大するための射出瞳過焦点拡大器として構成される。

図８および図９Ａを参照すると、１つの実施形態によるニアツーアイ導波路拡張表示システムは、両眼構成におけるそれぞれの目２０１に対して１つの、表示画像生成システム１２０および光学反射過焦点システム１００を含む。説明を容易にするために、１つの左目２０１のためのただ１つの画像生成システム１２０および光学過焦点反射システム１００が図８および図９Ａに示されているが、表示システムは、右目が両眼システムを形成するように構成された、同様の光学過焦点反射システムおよび画像生成システムを含むことが理解されよう。いくつかの実施形態では、右目のための光学過焦点反射システムは、左目のための光学過焦点反射システムの鏡像である。他のいくつかの実施形態では、表示システムは、単眼表示システムであり、光学過焦点反射システム１００のうちのただ１つを含む。

図８および図９Ａは、説明を容易にするためだけに、限られた数の過焦点反射ビューポートだけが簡単な分散で示されている過焦点反射ビューポートのアレイを示す概念図である。典型的には、過焦点反射ビューポート１０２の数は、示された数より多い。それでも、他のいくつかの実施形態では、実質的に視野の全ての範囲の過焦点が必要でないとき、過焦点反射ビューポートの数は、示された数より少ない。図８は、目のレンズに当たって網膜に達し、目のレンズ開口部に対応するビーム直径に期待される直径２０１Ｄｃの混乱の輪に比べて縮小した直径１０５Ｄｃの混乱の輪を形成する、個別ビーム１０５の例を示す。例証を容易にするために、ただ１つのビーム１０５が目に進んでいるところを示している。それでも、実際には、複数のビーム１０５が、視線標的領域を通過して目のレンズおよび網膜に入る。

画像生成システム１２０は、適切なニアアイ画像生成デバイスの任意のタイプ、および、表示画像１０８を生成し、無限遠にあるコリメートされた表示画像を光学過焦点反射システムに出力するように構成された任意の光学系、を含むことができる。非限定的な例として、画像生成デバイスは、ＬＥＤ、ＬＣＤディスプレイ、もしくはレーザベースのデバイス、または、表示画像を生成するための他の光源デバイスであってもよい。画像生成デバイスは、マイクロディスプレイとして実装されるが、他の実施形態では、別のタイプのディスプレイであってもよい。画像生成システムは、コリメートレンズなど、無限遠まで表示画像をコリメートするのに必要な任意の光学系を含む。

光導波路基板１０１は、ガラス、プラスチック、または他の適切な材料などであるがこれらに限定されない導波路材料から作られる。いくつかの実施形態では、基板材料は、アルミン酸マグネシウム尖晶石、フォトニック結晶、および／または他の光学物質であってもよい。光導波路基板１０１自体は、平板または平面タイプの導波路基板である。光学基板１０１は、図９Ａに示されたｘ軸の矢印１１８で示された射出瞳拡大方向に導波路基板の長さに沿って伸びる一直線の水平ｘ軸を含む。他のいくつかの実施形態では、光導波路基板１０１は、湾曲したまたは他の形状および構成であってもよく、曲げられたまたは湾曲した軸を含む。図９Ａに最も良く示されているように、システム１００は、光学入力連結部分１５０および光学出力連結部分１６０を含む。

様々な光学入力連結部分および連結方法が可能である。図８に示された実施形態では、光学入力連結部分１５０は、光学出力連結部分１５０から離れて位置する導波路の側面または終端である。光学入力１０６は、コリメート表示画像光線１０７を含み、光学入力連結部分１５０に直接入る。他のいくつかの実施形態では、光学入力連結部分１５０は、基板の側面に入った光学入力光線１０７を誘導空間に反射するように連結するための、導波路に組み込まれた反射鏡を含む。さらに他のいくつかの実施形態では、光学入力連結部分は、光学入力１０６を導波路に連結するために光導波路基板と統合されたまたは独立した１つまたは複数の他の光結合構成要素を含む。例として、このような光結合構成要素は、プリズム、レンズシステム、およびまたは、回折光学素子であってもよい。さらに他の実施形態では、入力連結部分は、導波路基板と統合されたまたは独立した１つまたは複数の回折光学素子を含むことができる回折連結システムである。

各反射スポットは、目のレンズまたは他の光学レンズ検出システムにおける開口部Ｄの個別スポットビームを過焦点ビューポートが投影し、これにより、個別仮想画像の過焦点を提供するような、本明細書で説明された方法に従って選択された開口部サイズを保持している。このように、目は、各ビューポートから表示視野の一意の部分の過焦点を受け取って維持し、全体的な仮想画像の過焦点を維持する。

射出瞳拡大方向の光導波路基板１０１に沿った光学入力光線１０７の段階的抽出は、様々な方式で実現される。導波路について、過焦点反射スポットは、互いに平行である。導波路は、「角度デバイス」であり、したがって、導波路に沿って過焦点反射スポットを分散させることによって、角度の範囲を狙い撃ちすることができる。各過焦点反射スポットは、原則として、完全な角度範囲にわたって反射し、いくつかの実施形態では、過焦点反射スポットは、表示システムの瞳距離によって支配される（例えば４０度などであるがこれらに限定されない）少なくとも最大および最小角度の広がりにわたって反射するように、傾いている。図９Ａの実施形態では、段階的抽出は、部分過焦点反射スポットを含むポートと、完全反射過焦点反射スポットを含むポートとの組合せである過焦点ビューポートのパターンを使用して実現される。各部分過焦点反射スポットは、入射光学入力光線１０７の一部だけを目のレンズの方に反射し、光学入力連結１５０から離れて導波路基板１０１に沿ってさらに間隔を空けられた反射シーケンス内の別の過焦点反射スポットに、射出瞳拡大方向に導波路に沿って他の部分を透過させる、ビームスプリッタとして機能する。完全反射過焦点反射スポットは、入射光学入力光線１０７を実質的に完全反射し、光学入力光線のいずれも、射出瞳拡大方向に導波路に沿って遠くに進むことができない。

図９Ａの例として、出力連結部分１６０は、過焦点ビューポート反射ポート１０２Ａ１から１０２Ａ２の部分反射過焦点反射スポット１０３Ａ１から１０３Ａ２を含む。第１の部分反射過焦点反射スポット１０３Ａ１は、目のレンズ２０５の方にスポットによって反射された第１の個別スポットビーム１０５Ａ１に、および、スポット１０３Ａ１を通り、反射シーケンス内の次の過焦点反射スポット、すなわち第２の過焦点反射スポット１０３Ａ２の方へ射出瞳拡大方向１１８に導波路基板１０１に沿って遠くに透過する残りの部分に、第１の過焦点反射スポット１０３Ａ１に入射する光学入力光線１０７の個別部分１０７Ａを分けるように構成される。第２の過焦点反射スポット１０３Ａ２は、目のレンズ２０５の方にスポットによって反射された第２の個別スポットビーム１０５Ａ２に、および、反射シーケンス内の最後の部分反射過焦点反射スポットに達するまで、または、完全反射過焦点反射スポットに達するまで、次の任意の過焦点反射スポットの方に導波路に沿って伝搬し続ける残りの部分に、第２の過焦点反射スポット１０３Ａ２に入射する個別部分１０７Ａの残りの光線を部分的に分けるように構成される。個別スポットビーム１０５Ａ１および１０５Ａ２は、スポット１０３Ａ１および１０３Ａ２によってそれぞれ反射されるので、仮想画像スポットが人間の目によって眺められるときに過焦点になるように、直径Ｄ（Ｄは、本明細書で説明されるように計算される）のそれぞれの個別スポットビームを視線標的エリアに形成する。

完全反射過焦点反射スポットが採用されるとき、表示画像の段階的抽出は、光学入力光線の一部が、導波路基板に沿ったさらに遠くの完全反射過焦点反射スポットに当たるまで、完全反射過焦点反射スポット間の光導波路基板材料を通過できるように、射出瞳拡大方向１１８の光導波路に沿ったパターンおよび分散で完全反射過焦点反射スポットを構成することによって実現される。

例として、図９Ａでは、光学入力表示画像光線１０７の個別部分１０７Ｂは、出力連結部分１８０に伝搬し、過焦点ビューポート反射スポット１０３の間の光学的に透明な材料を初めに通過する。個別部分１０７Ｂの通過は、個別部分１０７Ｂが完全反射過焦点ビューポート反射スポット１０３Ｂに達するまで、過焦点反射スポット１０３によって途切れない全内部反射によって導波路に沿って続く。過焦点反射スポット１０３Ｂは完全反射性なので、反射スポットは、目のレンズの方に個別スポットビーム１０５Ｂとして個別光線部分１０７Ｂの全てを完全反射し、部分１０７Ｂの光線１０７のいずれかが導波路を下ってさらに遠くに透過するのをブロックする。

他のいくつかの実施形態では、過焦点ビューポートの全てが、完全反射過焦点反射スポットを備える。例として、他のいくつかの実施形態では、図８および図９Ａに示した反射システムにおける全ての反射スポット１０３が、完全反射性である。表示画像を形成する光学入力光線１０７が導波路基板１０１に沿って進むとき、これらの一部は、光学入力連結部分１５０に最も近い基板の第１のボリュームセクションに配置された第１の過焦点反射スポットにぶつかり、目の方に方向が変わる。それでも、光線１０７の大部分は、第１の過焦点反射スポットが第１のボリュームセクションの小さいエリアしか占めていないので、第１の過焦点反射スポットに当たらない。例えば、第１のボリュームセクションの５％をスポットが占める場合、全体的な反射率も約５％であり、画像エネルギーの９５％が、第１のボリュームセクションを通過して、基板に沿ったさらに遠くの次のボリュームセクションに進む、などである。過焦点反射スポットは、基板に一直線に伝搬してきた光学光線を反射するが、広範囲にわたる「はね返り」を介して届いた、過焦点反射スポットに視射角でぶつかる他の光線も反射する。

他のいくつかの実施形態では、過焦点反射スポットの全てが、部分反射性である。例えば、過焦点反射スポットの少なくともいくつかの反射率は、それぞれ、約５％～１００％である。いくつかの実施形態では、過焦点反射スポットの少なくともいくつかの反射率は、同じである。いくつかの実施形態では、過焦点反射スポットの少なくともいくつかの反射率は、異なる。

図８および図９Ａの実施形態では、過焦点反射スポット１０３は、射出瞳拡大方向１１８にある誘導される光学光線の伝搬方向に対して傾斜した反射コーティングである。いくつかの実施形態では、本明細書における実施形態の任意の１つの過焦点反射スポットは、反射コーティングスポットであってもよい。例として、図１０Ａは、反射コーティング材料から作られ、屈折反射面１０３Ｓを備える過焦点反射スポット１０３を示す図９Ａの出力連結部分の一部の拡大図である。いくつかの実施形態では、光学過焦点反射スポット１０３は、単一反射金属層、または反射性酸化物もしくは他の材料の複数の層などであるがこれらに限定されない反射材料から作られる。１つの実施形態による多層誘電性反射コーティングから作られた過焦点反射スポットの非限定的な例が、図１０Ｃに示されている。

過焦点反射スポット材料は、既知の堆積技法で堆積させることができる。いくつかの実施形態では、オーバーモールド反射層および光学３Ｄ印刷によるインジェクション形成が、パターン領域を含む光学基板を形成するために使用されてもよい。図９Ａに示された実施形態では、過焦点反射スポットは、形状が、実質的に平面、および円形または長円形である。他のいくつかの実施形態について下記でより詳細に説明されるように、全体的な仮想画像ビュー品質について一定の長所をもたらす他の特定のスポット形状が本技術に採用されてもよい。

他のいくつかの実施形態では、本明細書で開示されたシステムのいずれかの、この、または各過焦点反射スポット１０３は、回折光学素子である。いくつかの実施形態では、回折光学素子は、ホログラフィ光学素子であることが可能である。このような光学素子の非限定的な例は、図１０Ｂに示されるような回折格子である。

過焦点反射スポット角度位置の分散は、目の瞳孔の入口における視線標的領域に対して、過焦点ビューポートが、特定の分散で、過焦点ビューポートに関連付けられた個別スポットビームを投影するように選択することができる。過焦点反射スポットが光導波路に含まれる実施形態では、過焦点反射スポットは、射出瞳拡大方向に対して同じまたは実質的に同じ角度で傾斜している。過焦点反射スポットは、図１０における過焦点反射スポットの非限定的な例で示されるように、共通垂直斜面１１７と同じ角度で傾斜していてもよく、または、共通平面の軸から外れて傾斜していてもよい。いくつかの実施形態では、視線標的領域は、アイボックス内の眼球運動を考慮して、ディスプレイの実質的に完全な視野内の過焦点反射ビューポートのそれぞれへの視線または視軸を目が保持できる領域に対応する。

いくつかの実施形態では、過焦点反射ビューポートの過焦点反射スポット１０３は、特定の光学性能要件に応じて、一様または不規則なパターンで、直径Ｄの対応する個別スポットビームを視線標的領域に投影するように角度がつけられている。

他のいくつかの実施形態では、過焦点反射スポット１０３は、光学基板１０１のボリューム内に配置されるのに加えて、光学基板の後方または正面に配置される。透明な光学基板材料の表面内および／または表面上に分散された過焦点反射スポット１０３は、パターン領域を形成する。いくつかの実施形態では、過焦点反射スポット１０３の分散は、規則的なパターンである。他のいくつかの実施形態では、過焦点反射スポット１０３の分散は、不規則なパターンである。他のいくつかの実施形態では、反射スポット１０３の分散は、規則的なパターン領域と不規則なパターンとの組合せである。説明および可視化を容易にするために、添付の図では、過焦点反射スポットは、拡大して示されているが、縮尺を調整するように示されていない。さらに、全ての過焦点反射スポットが示されているわけではない。実際には、過焦点反射スポットの数は、ディスプレイの仕組み、および視聴レンズ検出器の大きさによって決まる。ニアアイディスプレイ構成について、１つの非限定的な例では、典型的には、１０ｍｎの正方形の瞳孔に対して、基板内に１００から２００の過焦点反射スポットがある。本明細書で説明される実施形態のシステムである赤、緑、青について、１つの非限定的な例では、典型的には、３００から６００のスポットがあってもよい。

製造および設計を容易にするため、いくつかの実施形態では、例えば図８および図９Ａに示されるように、過焦点反射スポットは、基板１０１の長さに沿って間隔を隔てられた複数の独立した平面または平坦な体積セグメント１１７内に分散される。各平面またはセグメント１１７は、基板１０５の上面から底面まで伸び、図９Ａに示されるような伝搬軸１１６に対して傾斜している。平面１１７の１つまたは複数における過焦点反射スポットは、図に示されたパターンに限定されないパターン内に分散される。１つまたは複数の平面におけるパターンは、規則的なパターン、または不規則なパターンであってもよい。さらに、各過焦点反射スポット、または少なくともいくつかの反射ドットの形状、サイズ、傾き、および／または間隔は、同じであってもよく、または互いに異なっていてもよい。複数の独立した平面またはセグメント内に反射スポットを提供すると、光学基板に過焦点反射スポットを埋め込むために一緒に挟まれた過焦点反射スポットが配置された光学材料の複数の平坦な基板から、システムをより便利に製造することができる。それでも、他の実施形態では、過焦点反射スポットは、独立した平面またはセグメント内には分散されず、ボリュームの全体にわたって分散される。

いくつかの実施形態では、光学入力連結部分１５０に近い方の過焦点反射スポット１０３の反射率は比較的低く（ドットの面積が小さい）、光学入力連結部分１０５から遠く離れた次のスポットの反射率はより大きくなり（ドットの面積がより大きくなる）、導波路基板１０１に沿って遠くなると反射率が次第に大きくなる。スポット面積と光学的透明ギャップの比は、導波路に沿った異なる位置において、選ばれた反射率を得るために変化させることができる。反射スポットまたは他の素子の厚さは変化することになるが、限定ではなく、典型的には０．１～１マイクロメートル（μｍ）である。いくつかの実施形態では、ホログラフィフィルム層から形成された過焦点反射スポットは、例えば、約１マイクロメートルであってもよい。

図９Ａのシステムでは、スポット形状は、規則的な形状である。他の実施形態では、スポットは、規則的および／またはランダムな形状であってもよい。反射スポットの間隔距離は同じであるが、他の実施形態では異なっていてもよい。反射スポットの厚さも、種々の反射ドットによって変化してもよい。光学結合器性能および画像化は、過焦点反射スポットの形状（規則的またはランダムな形状）、スポット形状の最小寸法、スポット形状の最大寸法、表面上のランダム化の度合い、スポット反射材料の厚さ、ドット間の最小間隔、スポット間の最大間隔、および、ドットが占めるわずかな面積、を含むがこれらに限定されない様々な反射器パラメータの最適化によって制御し、改善することができる。いくつかの実施形態では、少なくともいくつかの反射スポットまたは他の素子には、完全または実質的に反射性の前面、および完全または実質的に吸収性の後面がある。いくつかの反射スポットまたは素子は、埋込型レリーフ反射器、およびポジティブレリーフ反射器を含む。

いくつかの実施形態では、光学過焦点反射システムは、過焦点ビューポート１０２を含む自由空間光学結合器として実装される。例として、１つの実施形態による自由空間光学結合器（非導波路結合器）として実装された光学過焦点反射システムが、図１２に示されている。過焦点反射スポット１０３は、凹型光学基板１０１Ｆの表面上のパターン内に間隔を隔てて配置された反射コーティングである。他のいくつかの実施形態では、光学基板１０１Ｆは、他のプロフィールまたは形状であってもよい。光学基板１０１Ｆは、実世界画像の光学光線が目で見えるように、部分的または実質的に透明な材料から作られる。光学基板１０１Ｆは、過焦点反射スポット１０３の間の基板領域に入射する光学入力表示画像光線１０７が、光学基板１０１Ｆを通過すること、および／または、視線標的エリアもしくは目に反射されるのではなく、視線標的エリアから離れて反射されることが可能になるように構成される。いくつかの実施形態では、仮想現実アプリケーションなどについて、光学基板１０１Ｆは不透明であり、過焦点反射スポット間の基板領域に入射する光学入力表示画像光線１０７は、視線標的エリアまたは目から離れて吸収および／または反射される。

光学画像生成デバイス１２０は、凹型基板の表面上に光線１０７を拡散させたまたは広げた中継レンズ１２０Ｌの方に、光学光線入力１０６（コリメート光学光線１０７）を向ける。過焦点反射スポット１０３は、図８および図９の実施形態を参照しながら既に上記で説明された手法で、ディスプレイの完全な視野をキャプチャするのに必要な角度方向の、視線標的エリアまたは目のレンズへの個別スポットビーム１０５として、光線１０７が反射されるように向けられる。現在、２つ以上の過焦点反射スポットがあるので、各過焦点反射スポットは、視聴レンズにおける関連付けられた有効過焦点開口部１１５を提供するもの、したがって、一意の視野を提供するものとして、別々に考えることができる。このために、各過焦点反射スポット１０３の開口部サイズは、目に直径Ｄの個別表示画像スポットビームを投影するように選択され、上記に示された実施形態を参照しながら本明細書で説明されるように計算される。

自由空間結合器または他の非導波路結合器では、表示システムの視野へのアクセスは、別のやり方では失われる視野へのアクセスが回復されるように、適宜分散された、および／または傾いた過焦点ビューポートを使用することによって維持される。いくつかの実施形態では、各過焦点反射スポットの角度位置は、過焦点反射スポットのパターンからの反射によって抽出された全画面画像が、視線標的エリアまたは目のレンズに向けられるように個別に選択される。

自由空間結合器または他の非導波路結合器のいくつかの実施形態では、過焦点反射スポット１０３は、ディスプレイの水平視野にわたって水平に、連続的にさらに傾いており、および／または、ディスプレイの垂直視野にわたって垂直に（上方にまたは下方に）、連続的に傾いている。過焦点反射スポット傾斜角の他の分散が予想される。図９Ａおよび図１０Ａに例として示されているように、過焦点反射スポット１０３は、光学基板における共通平面１１７に対して異なる平面内で傾いている。過焦点反射スポット１０３は、ｘ軸において、共通平面１１７に対して第１の角度１０３Ｘだけ傾いており、Ｙ軸において、共通平面１１７に対して第２の角度１０３Ｙだけ傾いている。他の実施形態では、過焦点反射スポットの少なくともいくつかは、ｘ、ｙ、ｚ平面（またはその任意の組合せ）において、それぞれに、または同じ方式で、傾いていてもよい。

自由空間結合器または他の非導波路結合器のいくつかの実施形態では、表示システムの完全な視野を実質的にキャプチャするために、過焦点反射スポット１０３は、ディスプレイの水平視野範囲に応じて、（目の左または右にある基板の位置に応じて、共通平面１１７に対して正または負の角度１０３Ｘだけ）連続的にさらに水平に傾いている。さらに、過焦点反射スポットは、過焦点反射ビューポートが、ディスプレイの完全な視野を実質的にキャプチャするように、ディスプレイの垂直視野に応じて、連続的にさらに垂直に（共通平面１１７に対して正または負の角度１０３Ｙだけ上方または下方に）傾いている。

上記に既に示されたように、他のいくつかの実施形態では、過焦点反射ビューポートの過焦点反射スポット１０３は、回折光学素子が単独で、または光学基板と組み合わせて、個別スポットビーム１０５として光学入力光線部分を効果的に反射するように、特定の回折次数に合わせてそれぞれ構成された回折光学素子である。背景として、回折は、光の波長の大きさおよび次数を有する構造に光の光線が入射するときに実現される。繰返しのまたは周期的な構造が、ブラッグの法則によって決定された方向に回折光線を生じる。回折面は、回折構造の特性に応じて、複数のビーム、すなわち、異なる回折ビームの次数および相対強度を生成することができる。

回折光学素子は、素子で回折した光線の実質的に全てが、１つの特定の次数で向けられるように、すなわち、個別仮想表示過焦点ビューを形成するために、必要な方向およびプロフィールで個別スポットビーム１０５を形成するように、回折構造で構成される。例えば、回折格子の光学プロフィールは、ブレージング（その期間を変えずに、回折格子の溝の角度または形状を変化させること）、ならびに、回折格子のピッチ、サイズ、形状、および集中を変化させることなどの、既知の方法で構成することができる。回折光学素子１０３Ｇである過焦点反射スポット１０３の１つの非限定的な例が、図１０Ｂに示されている。導波路が湾曲しているいくつかの実施形態では、回折格子のピッチを変えることが適切である。

いくつかの実施形態では、回折素子は傾斜していないが、むしろ、導波路の伝搬軸に平行な平面内で伸び、導波路基板の１つまたは複数の面に沿って間隔を隔てられて分散される、および／または、導波路基板に埋め込まれる。例として、図１１は、１つの実施形態による射出瞳拡大器として実装される光学過焦点反射システムを示す。過焦点ビューポートの過焦点反射スポット１０３は、目に面した基板の面１１１上に配置された回折光学素子１０３Ｇを備える。他のいくつかの実施形態では、過焦点反射スポット回折光学素子１０３Ｇは、基板の反対側の面１１１の面に配置される、および／または、基板の内側の平行な平面に配置される。

図１１の実施形態では、回折光学素子１０３Ｇは、回折ピンホールである。他のいくつかの実施形態では、回折光学素子１０３Ｇのいくつかまたは全ては、ホログラフィ回折格子もしくは他の光学素子、またはその任意の組合せなどの、他のタイプの回折格子または回折光学素子である。回折光学素子１０３Ｇの開口部サイズは、仮想開口部ビューポートを直径Ｄで目に投影するように選択され、上記に示された実施形態を参照しながら本明細書で説明されたように計算される。いくつかの実施形態では、回折素子のそれぞれの光学プロフィールは、上記で既に説明した手法で、ディスプレイの完全な視野をキャプチャするのに必要な、目のレンズまたは視線標的エリアに対する反射されたスポットビーム１０５の所望の角度の方向を提供するために、光線が特定の次数で回折するように、射出瞳拡大方向の基板に沿った回折素子の位置に応じて連続的に調整される。

本技術のいくつかの態様では、過焦点反射ビューポート１０２は、波長依存ビューポートであり、これにより、波長選択光学過焦点反射システムを提供する。ビューポートの過焦点反射スポット１０３は、反射後の個別スポットビーム１０５のそれぞれが、特定の波長、または特定の波長帯域だけを含む反射光線で構成されるように、波長選択過焦点反射スポットとして構成される。いくつかの実施形態では、波長選択過焦点反射スポットのいくつかまたは全ては、光の他の波長を通じて透過させつつ、同じ特定の波長、または同じ波長帯域を含む光学入力光線１０７を反射するように構成される。他のいくつかの実施形態では、波長選択過焦点反射スポットの１つまたは複数は、他の過焦点反射スポットの１つまたは複数によって反射された光学入力光線１０７の特定の波長または波長帯域とは異なる、特定の波長または特定の波長帯域の光学入力光線１０７だけを反射するように構成される。

波長選択過焦点反射スポットは、必要に応じて、本明細書で説明される種々の光学反射過焦点システムのいずれかで使用することができる。波長選択過焦点反射スポットは、種々の方式で形成することができる。いくつかの実施形態では、過焦点反射スポットは、波長選択反射コーティングから作られる。波長調整された反射コーティングは、広範な波長帯域ではなく、光の指定の波長帯域を反射するように工作された、多層誘電体層、または他のタイプの薄膜干渉光学コーティング等である。多層誘電体層１０３Ｍ１および１０３Ｍ２を備える波長選択ノッチ過焦点反射スポット１０３が、非限定的な例として図１０Ｃに示されている。多層誘電体層の２つだけが図１０Ｃに示されているが、示された数よりはるかに多くの層があってもよい。さらに、上記で既に示されたように、図は、縮尺を調整していない。図１０Ｃに示された層の厚さは、例証のために拡大されており、実際には、いくつかの実施形態では、厚さが波長のほんの一部である。他のいくつかの実施形態では、波長選択反射スポットは、本明細書で説明された、また、図１０Ｂの非限定的な例によって示されたものなどの、回折光学素子である。

いくつかの実施形態では、光学過焦点反射システムは、波長選択過焦点ビューポートの複数の異なるグループを含む。波長選択過焦点ビューポートの各グループは、異なる波長帯域に対して選択的であるように構成される。過焦点ビューポートの各グループの波長選択過焦点反射スポット１０３は、異なる波長、または異なる波長帯域を反射するように構成される。波長依存過焦点反射スポットの１つまたは複数の異なるグループは、同じパターンまたは異なるパターンの光学過焦点システムの光学基板に沿って分散されてもよい。このように、個別パターンの波長帯域依存過焦点反射スポットは、投影光の各波長帯域についての光線の各角度分散に対する過焦点範囲を増加させるために反射過焦点ビューポートを形成する。

いくつかの実施形態では、波長選択光学過焦点反射システムは、導波路ベースのシステムとして構成され、図１３は、１つの実施形態による波長選択過焦点ビューポートの複数の異なるグループを含む光学過焦点反射システムを示す。過焦点ビューポート１０２λ１の第１のグループの第１の過焦点反射スポット１０３λ１は、目のレンズまたは視線標的エリアの方に、個別スポットビーム１０５λ１として、第１の波長帯域内の光線１０７を選択的に反射するように構成される。第１の過焦点反射スポット１０３λ１は、導波路基板に沿って第１のパターン内に分散される。過焦点ビューポート１０２λ２の第２のグループの第２の過焦点反射スポット１０３λ２は、目のレンズまたは視線標的エリアの方に、個別スポットビーム１０５λ２として、第２の波長帯域の範囲内の光線１０７を選択的に反射するように構成される。第２の過焦点反射スポット１０３λ２は、導波路基板に沿って第２のパターン内に分散される。過焦点ビューポート１０２λ３の第３のグループの第３の過焦点反射スポット１０３λ３は、目のレンズまたは視線標的エリアの方に、個別スポットビーム１０５λ３として、第３の波長帯域内の光線１０７を選択的に反射するように構成される。第３の過焦点反射スポット１０３λ３は、導波路基板に沿って第３のパターン内に分散される。過焦点反射スポット１０３λ１～１０３λ３は、図７から図９Ｂを参照しながら上記で既に説明された手法で、ディスプレイの完全な視野をキャプチャするのに必要な、目のレンズ２０５または視線標的エリアに対する角度の方向を、個別の反射されたスポットビーム１０５λ１～１０５λ３が保持するように構成される。過焦点反射スポットの開口部サイズは、上記で説明された手法で仮想画像の過焦点の合焦を実現するように、個別スポットビームを直径Ｄで目に投影するように選択される。

図１３に示された実施形態では、第１の波長帯域λ１は、赤色光に対応する第１の狭波長帯域であり、第２の波長帯域λ２は、緑色光に対応する第２の狭波長帯域であり、第３の波長帯域λ３は、青色光に対応する第３の狭波長帯域である。光学画像生成器１０２は、ＲＧＢＬＥＤなどであるがこれらに限定されないＲＧＢ光源である。他のいくつかの実施形態では、波長選択過焦点反射スポットの種々のグループは、図１３に示されたものより多くても、少なくてもよい。他のいくつかの実施形態では、各グループの波長選択スポットのパターン、サイズ、および形状は、図１３に示されたパターンとは異なっていてもよい。他の実施形態では、各波長帯域は、図１３に示されたものとは異なっていてもよい。

いくつかの実施形態では、波長選択過焦点ビューポート１０２λ１から１０２λ３、またはシステムの実施形態に示された他のポートは、波長および角度選択過焦点反射ビューポートの両方であるように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、このようなポートの過焦点反射スポットの１つまたは複数は、特定の反射器のために選択された角度の特定の帯域にある、過焦点反射スポットに対する入射角を保持する光学入力光線１０７を少なくとも部分反射すること、および、反射せず、または、角度の特定の範囲の外側の反射光学入力光の光線を低減させて、通過または透過すること、を行うように構成される。いくつかの実施形態では、過焦点反射スポットのもう１つは、角度の第１の範囲内の過焦点反射スポットに対する入射角を保持する光学入力光線１０７を反射するように構成され、他の過焦点反射スポットの１つまたは複数は、角度の第１の範囲とは異なる角度の第２の範囲内の過焦点反射スポットに対する入射角を保持する光学入力光線１０７を反射するように構成される。

波長選択および角度選択過焦点反射スポットが、特定の角度選択性を実現するように構成される手法は、使用される過焦点反射スポットのタイプによって決まることになる。例えば図１０Ｂに示されたものなどであるがこれらに限定されない回折光学素子である波長選択過焦点反射スポットについて、角度選択性は、使用される回折格子のタイプ、回折格子が透過モードで使用されているか反射モードで使用されているか、および、当技術分野で知られているような回折構造、によって決定される。多層誘電性コーティングまたは他の光学層から形成された波長選択過焦点反射スポットについて、角度選択性は、多層設計によって決定される。例として、１つの実施形態では、波長および角度選択過焦点反射スポットは、図１０Ｃに示されているような１０３Ｍ１および１０３Ｍ２を含むがこれらに限定されない波長および角度調整された反射コーティングから作られた過焦点反射スポット１０３である。

いくつかの実施形態では、実施形態のいずれかの過焦点反射スポット１０３のそれぞれの１つまたは複数は、特定の過焦点反射スポットのために選択された角度の特定のトランスフレクタンス範囲にある過焦点反射スポットに対する入射角を保持する光学入力光線１０７を少なくとも部分反射すること、ならびに、反射せず、または、選択した特定のトランスフレクタンス範囲を上回るおよび下回る入射角を保持する反射光学入力光の光線を低減させて、通過または透過すること、を行うように構成された角度選択ノッチフィルタ過焦点反射スポットである。特定の過焦点反射スポットのために選択された角度の特定のトランスフレクタンス範囲は、各過焦点反射スポットにとって同じであってもよく、または、１つもしくは複数の過焦点反射スポットにとって異なっていてもよい。いくつかの実施形態では、過焦点反射ビューポートのグループの１つまたは複数の過焦点反射スポットのために選択された角度の特定のトランスフレクタンス範囲は、異なっていてもよい。

いくつかの実施形態では、各角度選択ノッチフィルタ光学過焦点反射スポットの特定のトランスフレクタンス範囲は、光導波路基板内の反射器のシーケンス内の反射器の反射次数に応じて選択することができる。これは、システムが出口過焦点拡大器として実装される実施形態の、特に光学過焦点反射システムにおける性能の改善を可能にする。平坦な角度応答を伴う反射コーティングを使用する代わりに、一連の角度選択過焦点反射スポットが、光導波路基板内に収められ、反射器のシーケンス内のスポットの反射次数に応じて最適化される。反射器のこの構成は、必要な角度情報が、シーケンス内の適切な反射器まで伝わることを保証する。角度応答は、そうしないと望まないアーチファクトを生じる２次画像、すなわち低減された２次画像が形成されて次の反射器に搬送されないことをさらに保証する。

例として、図９Ｂは、図９Ａのシステムと同様であるが、過焦点ビューポートの過焦点反射スポットが角度選択過焦点反射スポットである、別の実施形態による光学過焦点反射システムである。角度選択ノッチフィルタ光学過焦点反射スポット１０３Ｃ１から１０３Ｃ６は部分反射性であり、１つの非限定的な例による、反射シーケンス内の射出瞳拡大方向に導波路に沿って分散される。図１４は、１つの実施形態による、図９Ｂの光学過焦点反射システムにおける角度選択ノッチフィルタ光学過焦点反射スポット１０３Ｃ１から１０３Ｃ６の１つ１つについての、表示入力光の光線１０７の入射角に応じた反射率を示す例示的グラフである。図１４から分かるように、シーケンス内の各過焦点反射スポット１０３Ｃ１から１０３Ｃ６の角度の依存関係は、光学光線１０７の入射角の異なるノッチ範囲に調整される。図１４の例では、過焦点反射スポット１０３Ｃ１から１０３Ｃ６の角度ノッチ範囲の位置は、反射シーケンスに応じて入射角が大きくなるように連続的にシフトされる。図１５は、１つの実施形態による、目で視認される光学反射スポット１０３Ｃ１から１０３Ｃ６の正味の角度応答を示すグラフである。

いくつかの実施形態では、過焦点反射スポットは、前述の実施形態に基づいて、波長選択過焦点反射スポットと角度選択過焦点反射スポットの両方として、それぞれ構成される。例として、いくつかの実施形態では、各個別パターンの過焦点反射スポットのための波長および角度調整された反射コーティングは、赤、緑、および青など、投影光の各波長帯域についての光線１０７の各角度分散のための過焦点範囲を増加させるために、過焦点ビューポートを形成するように構成することができる。

本明細書で説明される光学過焦点反射システムのそれぞれでは、目が眺める仮想画像１０９の質は、過焦点反射ビューポートの分散、および過焦点反射スポットの形状などの様々なパラメータによって決まる。過焦点ビューポートの最適な位置決めに関して、過焦点ビューポートの分散と、アンダーサンプリングまたはオーバーサンプリングとのバランスがある。複数の過焦点反射スポットから必要とするサンプリング量は、過焦点反射スポット間の間隔の下限を必要とし、これは、最小の典型的な瞳孔サイズによってセットされる。アンダーサンプリングおよびオーバーサンプリングの状態は、大体１つの過焦点ビューポートが、目に形成された方向変更後の画像スポットにそれぞれ寄与するときに発生する。過焦点反射スポットの形状も、フィールドの重なりを改善するための別のパラメータである。

他のいくつかの実施形態では、過焦点反射スポットは、ランダムな形状であるが、増加した瞳孔サイズ（＝増加したオーバーサンプリング）に対処するために幾何学的にさらに分散される。幾何学的に分散させると、視野の満足できるカバレッジをもたらす。ランダムな形状は、平均的に、システムが、２つ以上の過焦点反射スポットから同時に視野の一部を等しく眺めていないことを保証し、ＨＶＰ効果を低減させる。

本明細書で説明される光学反射中継システムにおける過焦点ビューポート（ＨＶＰ：ｈｙｐｅｒｆｏｃａｌｖｉｅｗｐｏｒｔ）１０２を最適に位置させ、分散させる方法をより適切に理解するために、添付の図１６から図３３をここで参照する。図１６は、無限遠に投影された画像に目２０１が焦点を合わせる位置Ｈに置かれた単一の過焦点反射ビューポート１０２を示す。目の瞳孔直径Ｐは、典型的には、照明条件に応じて、人間について約２ｍｍから８ｍｍまでであるが、これらの値を上回っても下回ってもよい。目で視認される（どのＨＶＰでもなく目に向けられた）無限遠に投影された同じ画像が、図１７に示されている。任意の焦点距離Ｈにある単一の過焦点ビューポートの最も単純なケースでは、Ｈに焦点を合わせたときに目で視認される、図１７に示されているような無限遠に投影された画像である、図１８に示されているような画像の完全なＦＯＶ（視野）を、単一の画像がカバーする。図１８に示された焦げ跡の画像は、形成された仮想画像１０９に対応する。

図１９は、瞳孔直径Ｐに等しい間隔に分散され、画像平面から図１７の投影画像１０８の方向を変える、複数の過焦点ビューポート素子１０２を示す。図１９の画像平面は、本明細書で説明される実施形態の光学過焦点反射システムのうちの任意の１つの基板に沿って水平および垂直に伸びる平面（導波路または自由空間コンバまたは非結合器）、ならびに、ポートが分散される平面に対応する。ＨＶＰの距離は、もはや位置Ｈになく、焦点距離Ｈより目から遠くにあり、幾何学的に、いくつかのＨＶＰ素子１０２は、図１９に示されるような画像平面のＦＯＶに及ぶＨＶＰアレイを形成するために必要とされる。瞳孔直径Ｐに対するＨＶＰ素子の間隔がｄである場合、画像は、ｄ＝Ｐの場合、アンダーサンプリングに遭遇する。これは、所与の入射角に対する（次のＨＶＰ素子の二等分からなる）全体のＨＶＰ素子が１つしかなく、図２０に示されているような、Ｈに焦点を合わせたときに目によって見られる、形成された画像の陰影領域によって示されるような、フィールド内にわずかな穴を生じることを意味する。

光学過焦点反射システムのいくつかの実施形態では、画像フィールド内の穴は、ＨＶＰ反射器による瞳孔のオーバーサンプリングをもたらすように、ｄ＜ＰのＨＶＰ反射スポット間の間隔、すなわち、瞳孔直径あたり２つ以上の全ＨＶＰ素子を採用することによって軽減される。図２１は、瞳孔直径Ｐより小さい間隔ｄで分散され、画像平面から図１７の投影画像の方向を変える、複数のＨＶＰ素子を示す。図２２および図２３のそれぞれに示されているように、目によって見られる画像は、受入れ可能な鮮明な画像の前述の定義の通りに、受入れ可能な画質で提供される。それでも、オーバーサンプリングは、瞳孔あたりのＨＶＰ素子の数とともに増加する、図２２に示されたような小さなぼけを持ち込むことができるが、ぼけのインパクトは、下記でより詳細に説明されるような、反射器サイズおよび瞳孔サイズに応じた試行錯誤の問題である。フィールド内の強力な（より明るい）領域も、図２３に示されたように存在する。

図２４は、ＨＶＰ反射スポット間の間隔がｄ＜Ｐである光学系を採用する図２３の光学過焦点反射システムの概略透視図であり、目が距離Ｈ＜＜∞（無限遠）に焦点を合わせ、導波路に連結された画像が無限遠にあるときのシステムの動作を示す。例証および説明を容易にするために、ビューポートは、光導波路の過焦点出力連結部分の同じ垂直面１０１Ｐに分散された１Ｄで非限定的な例として示されており、６つのＨＶＰ反射スポットがある。それでも、上記に示されたように、他の実施形態では、ビューポートは２Ｄであってもよく、導波路の同じまたは異なる垂直面に分散させることができるはるかに多くのＨＶＰがあってもよい。ＨＶＰ反射スポットは、ビューポートと同じ形状を保持することになるが、傾斜した２Ｄの場合、構成は、上記で既に説明されたような、１Ｄのビューポートサイズを提供するように調節されたサイズを保持することになる。必要なＨＶＰ反射スポットの数も、特定の拡張または仮想現実システムの仕様を満たすために、光学過焦点反射システムが実施するのに必要な画像生成デバイスの射出瞳の拡大量によって決まることになる。

図２４に示されたように、図２４は、目の瞳孔サイズに最適な方式で過焦点ビューポート１０２が間隔を空けられたときの、重なった円形フィールド領域のぼけを示す目によって見られる仮想画像１０９を含み、オーバーサンプリングにより過焦点を劣化させることができる重なった領域がある［わずかなぼけ］。これは、円形ビューポートが円形視野を生み出すからである。目によって見られる仮想画像内に暗いパッチ（およびしたがって、情報の損失）がないことを保証するために、隣の過焦点ビューポート１０２によって配信された視野内に最小限の重なりがなければならない。

いくつかのアプローチによれば、ＨＶＰ、およびしたがって、対応するＨＶＰ反射スポットは、目に形成された過焦点仮想画像スポット間の干渉が少なくなり、目によって見られる全体的な仮想画像の劣化が軽減されるように、本明細書で開示された１つまたは複数の実施形態の光学過焦点反射システム内に配置される。いくつかの実施形態によれば、過焦点仮想画像スポットビューによって形成された全体的な仮想画像の劣化は、それぞれのビューポートから配信された視野が碁盤目状になるように、過焦点反射スポットの形状を制御することによって軽減される。

いくつかの実施形態によれば、ＨＶＰ素子は、６角形のビューポート１０２Ｈである。図２５で分かるように、図２５は、図２４に示すシステムの概略図であるが、ＨＶＰ素子は、円形ビューポートではなく６角形のビューポート１０２Ｈとして形作られ、過焦点仮想画像スポットビューのテッセレーションを形成するために導波路平面に配置され、６角形のビューポートは、距離Ｈ＜＜∞（無限遠）に目が焦点を合わせ、導波路に連結された画像が無限遠にあるときの、仮想画像１０９の重なった６角形のフィールド領域のぼけを低減させる。過焦点仮想画像スポットビューのテッセレーションパターンを形成するために、システムが円形ビューポートを使用するときの図２４、ならびに、システムが６角形のビューポート、およびしたがって、対応する形状の過焦点反射スポットを使用するときの図２５における、目が見ているものの比較から分かるように、重なった視野によるぼけは、図２５のシステムについて低減され、ビューポートの間隔は、目の瞳孔サイズに最適化される。非限定的な例として、本明細書で開示された実施形態のいずれかの光学過焦点反射システムのいくつかのアプローチでは、過焦点反射スポットから、人間の目のための視線標的エリアまでの作動距離は、典型的には、約１０ｍｍから７５ｍｍまでであり、反射スポット間距離は、１ｍｍ未満である。他の非限定的な例では、反射スポット間距離は、約５００μｍより大きい。さらに他のいくつかの例では、反射スポット間距離は、約５００μｍから８ｍｍまでである。本明細書で示されるように、このような作動距離について、典型的な過焦点反射スポット開口部サイズは、約１００ミクロンから約１０００ミクロンまでであるが、このサイズに限定されない。他の作動距離、過焦点反射スポット開口部サイズ、および反射スポット間距離が予想され、使用されている表示システムのタイプ、および、過焦点スポット画像を眺めるための光学レンズ検出システムのタイプに応じて、変化することになることに留意されたい。

他のいくつかの実施形態では、仮想画像の劣化を軽減するのを支援するように、目または視線標的エリアにテッセレーションパターンで過焦点仮想画像スポットを形成する任意の形状のＨＶＰ反射スポットを採用することができる。いくつかの実施形態では、ＨＶＰポート、およびしたがって、対応する過焦点反射スポットは、テッセレーション過焦点ビュースポットを提供するように配置されるが、規則的な形状および／またはランダムな形状を保持することができる。いくつかの実施形態では、テッセレーションパターンを目に形成するＨＶＰ反射スポットは、増加した瞳孔サイズ（＝増加したオーバーサンプリング）に対処するために、ランダムな形状のＨＶＰスポットである（が、さらに幾何学的に分散される）。サンプリングは、光線を目に即座に向ける過焦点反射スポットの数を指す。

いくつかのアプローチによれば、本明細書の実施形態による波長反射スポットを使用する過焦点ビューポートが、目によって見られる仮想画像の劣化を軽減するために、光学過焦点反射システムに採用される。いくつかの実施形態では、ビューポートの波長選択過焦点スポットは、テッセレーションする過焦点仮想画像スポットのパターンを目に形成するために、光学過焦点反射システム内に配置され、一方で、他の実施形態では、波長選択過焦点反射スポットは、このようなテッセレーションパターンがないように配置される。

広帯域反射ポートであることから、波長依存反射ポートであることに、過焦点ビューポートを転換することには、いくつかの潜在的な技術的長所がある。第１の長所は、光学過焦点反射システムが光学結合器として実装される場合の、外界透過に関するもの、すなわち、光学過焦点反射システムの光学基板を通じた実世界シーンからの光の光学的透過についてものである。図２６は、ＯＬＥＤなどの画像ソースの典型的な放射スペクトル、広帯域の自然日光の放射スペクトル、および、銀鏡などの典型的な広帯域反射器の反射率を示す。図２６で分かるように、広帯域反射器は、もともと、外界自然光と我々のＡＲ画像ソース光を区別しない。広帯域過焦点ビューポートの反射スポットの場合、ＡＲ画像を目に配信する際の我々のビューポートシステムの効率の最も基本的な測定は、光学過焦点反射光学基板（導波路またはバイザ）の全エリアに対する、全てのビューポートの全エリアの比率によって決定される。これは、画像生成源からの光の１０％を目の方に反射するために、我々が、外界自然光の１０％が光学基板を通じて目に透過するのをブロックすることを意味する。過焦点ビューポート内に波長選択過焦点反射スポットを採用することによって、外界からのより多くの光は、ＡＲ画像ソースからの反射光の効率を低減させずに、光学基板を通過することができる。

ビューポートによる外界からの自然光のブロック時の低減は、異なる方式で実現することができる。いくつかの実施形態では、これは、ＡＲ画像ソースのＲＧＢ放射スペクトル全体をカバーする波長選択反射スポットを各ビューポート反射スポットとして採用することによって実現される。いくつかの実施形態では、外界からの自然光の低減は、ＡＲ画像ソース放射スペクトルの３つの個々のＲ、Ｇ、またはＢセクションに各ビューポートを分離すること、ならびに、Ｒ、Ｇ、およびＢの過焦点反射スポットのそれぞれに対する初期分散を複製することによって実現される。例として、図２７から図２９は、いくつかの実施形態による過焦点反射ビューポートの異なる構成を示す。図２７は、（銀鏡または誘電性コーティングを備えるスポットなどの）広帯域過焦点反射スポットを備えるビューポートを示し、図２８は、全画像ソース放射スペクトルを反射するが他の光を通す波長選択過焦点反射スポットを備えるビューポートを示し、図２９は、波長選択過焦点反射スポットを備えるビューポートを示し、これらのいくつかは、画像ソース放射スペクトルの個々のＲセクションだけを反射するように構成され、これらのいくつかは、画像ソース放射スペクトルのＧセクションだけを反射するように構成され、これらのいくつかは、画像ソース放射スペクトルのＢセクションしか反射しないように構成されるが、他の全ての光が通過できるようにする。

図２７のレイアウトにおける広帯域過焦点反射スポットを備えるビューポートは、外界自然光を完全にブロックし、反射スポットに接触するＡＲ画像ソース光の全てを反射する。図２８のレイアウトにおける全画像ソース放射スペクトルのための波長選択過焦点反射スポットを備えるビューポートは、外界自然光が過焦点反射スポットの反射波長範囲の外側にある場合、基板を通過する外界自然光の多くを通過させ、範囲内である場合には、広帯域反射器と等しいまたは同様の割合のＡＲ画像ソース光を反射させる。

ＡＲ画像ソース放射スペクトルの個々のＲ、Ｇ、およびＢセクションの選択のための波長選択過焦点反射スポットを伴うビューポートが、図２９のレイアウトに示されている。このような構成は、波長選択ビューポートをそのＲＧＢ成分に分割し、各パターンをオフセットする。これらのビューポートは、外界自然光が特定のＲ、Ｇ、Ｂ波長選択過焦点反射スポットの反射波長範囲の外側にある場合、基板を通過する外界自然光の多くを通過させ、範囲内である場合には、広帯域反射器と同様のまたは等しい割合のＡＲ画像ソースＲ、Ｇ、Ｂ光をそれぞれ反射させる。

いくつかの実施形態による光学過焦点反射システムにおけるＡＲ画像ソース放射スペクトルの個々のＲ、Ｇ、およびＢセクションのための波長選択反射スポットを伴うビューポートを採用すると、目による過焦点ビューポートのアンダーサンプリングになるとき、潜在的に有益な効果をもたらす。ビューポート間距離が目の瞳孔には大きすぎる状態でディスプレイを眺めるとき、情報の深刻な損失、または暗いパッチ効果になる。このような効果は、図３１および図３３に例として示されており、図３１および図３３は、コンピュータモデルに応じて決定された検出器によって見られる画像を示す。Ｚｅｍａｘ、ＬＬＣという光学設計プログラムであるがこれらに限定されないコンピュータモデルは、光学過焦点反射システムにおける光線の伝搬、および、検出器において視認されるビューをモデル化する。広帯域反射過焦点ビューポート素子を伴う過焦点反射システムにおけるアンダーサンプリングの例が図３１および図３３に示されており、それぞれ、目が１ｍに焦点を合わされており、目が無限遠に焦点を合わされている。暗いパッチは、位置依存であり、したがって、２つの検出器は、異なるビューを保持する。図３０および図３２は、図２９のレイアウトで個々のＲＧＢ選択過焦点ビューポートを伴う過焦点ビューポートディスプレイにおけるアンダーサンプリングの例についての、コンピュータモデルに応じて目によって見られる画像を示しており、それぞれ、目が１ｍに焦点を合わされており、目が無限遠に焦点を合わされている。

図３０から図３３から分かるように、画像は、目が１ｍと無限遠両方に焦点を合わせているときに焦点が合っており、両方のケースで過焦点が存在することを示す。図２７のレイアウトで広帯域過焦点反射スポットを使用するとき、ビューポートを通じて白い画像をアンダーサンプリングした結果は、ディスプレイのいくつかの領域における情報の完全な損失になる（図３１および図３３参照）。同じことが、ＲＧＢ反射が単一の過焦点反射スポットからのものである場合の、図２８のレイアウトでの全画像ソース放射スペクトルのための波長選択反射器を伴うビューポートに当てはまる。それでも、図２９のレイアウトでの分離したＲＧＢ過焦点反射スポットの場合、色の統一性は失われるが、情報は、画像内に維持される（図３０および図３２参照）。

下記で説明されるように、他のいくつかのアプローチでは、目によって見られる画像の劣化を軽減するための別の方法は、光学過焦点反射システムの過焦点ビューポートに偏光過焦点反射スポットを採用することによって、画質を能動的に制御することである。

光学過焦点反射システムのいくつかのアプローチでは、ＨＶＰ反射スポットは、偏光反射スポットである。偏光過焦点反射スポットは、関心のある偏光状態を反射するように配置されたワイヤグリッドまたは他の偏光材料であってもよい。いくつかの実施形態では、偏光子過焦点反射スポットのいくつかは、第１の構成を含み、偏光子過焦点反射スポットのいくつかは、第１の構成とは異なる第２の構成を含む。偏光ＨＶＰ反射スポットは、図に示されたこれらの光学基板などであるがこれらに限定されない、光導波路基板または自由空間光学基板を有する（光学結合器または非結合器として）光学過焦点反射システムに実装することができる。

偏光していない光学画像入力光線は、第１の電界を伴う第１の偏光状態で、第１の偏光状態選択偏光子過焦点反射スポットから反射され、第２の電界を伴う第２の偏光状態で、第２の偏光状態選択偏光子過焦点反射スポットから反射される。いくつかの実施形態では、第１の偏光状態は、第２の偏光状態に対して直交しているか、中間の角度であってもよい。中間の角度は、光学基板に沿った過焦点反射スポットの位置に応じて選択されてもよい。いくつかの実施形態では、第１の偏光状態は、第１の電界が水平である水平（Ｈ）偏光状態であり、第２の偏光状態は、第２の電界が垂直である垂直（Ｖ）偏光状態である。いくつかの実施形態では、偏光過焦点反射スポットは、例えば、交互になった水平（Ｈ）偏光選択反射スポットと垂直（Ｖ）偏光選択反射スポットなどであるがこれらに限定されない、第１の偏光状態選択反射スポットと第２の偏光状態選択反射スポットといった交互のパターン内に分散される。

図３４を参照すると、基板が自由空間光学基板（自由空間光学結合器または非結合器）である実施形態による、拡張現実表示システムが示されている。光学過焦点反射システムの過焦点反射ビューポートは、偏光選択ビューポート１０２Ｈ、１０２Ｖである。図示の実施形態では、過焦点反射ビューポート１０２Ｈは、水平偏光入力光線１０７を反射し、垂直偏光入力光線１０７を通すように構成された水平ワイヤグリッドの形態の水平偏光選択反射スポット１０３Ｈを備える。過焦点反射ビューポート１０２Ｖは、垂直偏光入力光線１０７を反射し、水平偏光入力光線１０７を通すように構成された垂直ワイヤグリッドの形態の垂直偏光選択反射スポット１０３Ｖを備える。他の実施形態では、他のタイプの偏光子が採用されてもよい。例証を容易にするために、グリッドのワイヤおよび間隔は、縮尺を調整するように示されていない。いくつかの実施形態では、間隔は、１００ｎｍ～２００ｎｍなどであるがこれらに限定されないナノメートルの範囲内にある。偏光していない光が偏光子に入射するとき、ワイヤグリッドに平行な電界を伴う偏光が反射され、ワイヤグリッドに垂直な電界を伴う偏光が透過される。光学画像入力光線１０７が偏光されていないとき、偏光子過焦点反射スポット１０３Ｖから反射された光学表示入力光線１０７は、垂直電界によって偏光され、過焦点反射スポット１０３Ｖは、水平電界を通し、その一方で、偏光子過焦点反射スポット１０３Ｈから反射された光学画像入力光線１０７は、水平電界によって偏光され、過焦点反射スポット１０３Ｈは、垂直電界を通す。

図３４の光学システムでは、光学画像入力光線１０７は、動的に偏光される。このために、画像生成デバイス１２０、この場合、プロジェクタからの画像１０８は、偏光モジュール１３４、ここではＬＣモジュールによって偏光状態が変化する。光学入力画像が水平Ｈ偏光状態である場合、１０３Ｈの過焦点反射スポットだけが、Ｈ偏光状態で個別スポットビーム１０５Ｈを反射し、１０３Ｖの過焦点反射スポットは、Ｈ状態の光学入力光線のいずれも反射しない。画像が垂直Ｖ偏光状態であるとき、１０３Ｖの過焦点反射スポットだけが、Ｖ偏光状態で個別スポットビーム１０５Ｖを反射し、１０３Ｈの過焦点反射スポットは、Ｖ状態の光学入力光線のいずれも反射しない。光学画像入力光線１０７は、Ｈ状態のＨＶＰ素子、もしくはＶ状態のＨＶＰ素子から、または両方から同時に、画像が連続して目に向けられるように、ＨとＶの間で間断なく線形的に、または、ＨとＶ両方一緒におよびＨおよび／もしくはＶの間で、または、円形に、または、様々な度合いの長円形状態で、動的に偏光させることができる。このような方法は、より多くのＨＶＰ領域が望まれる場合のオーバーサンプリング問題を克服する。いくつかの実施形態では、第１の偏光状態で構成された過焦点反射スポットのいくつかもしくは全ては、垂直偏光状態以外の偏光状態で構成されてもよく、および／または、第２の偏光状態で構成された過焦点反射スポットのいくつかもしくは全ては、水平偏光状態以外の偏光状態で構成されてもよい。第１の偏光状態は、第２の偏光状態に対して直交しているか、中間の角度であってもよい。中間の角度は、光学基板に沿った過焦点反射スポットの位置に応じて選択されてもよい。

基板が自由空間基板ではなく光導波路である光学過焦点反射システムに対して、対応するセットアップを実行することができる。例として、図３５は、このような光学過焦点反射システムの透視図を示しており、この中で、Ｈ偏光状態過焦点反射スポット１０３ＨおよびＶ偏光状態過焦点反射スポットは、互いに間隔を隔てた共通平面１１７内で一緒にグループ化された導波路に沿って交互に分散される。光学画像入力光線１０７は、Ｈ状態のＨＶＰ素子、もしくはＶ状態のＨＶＰ素子から、または両方から同時に、画像が目に連続して向けられるように、間に円形を伴うＨとＶの間で間断なく、または、長円形状態の度合いを変化させることによって、動的に偏光させることができる。このような方法は、より多くのＨＶＰ領域が望まれる場合のオーバーサンプリング問題を克服する。いくつかの実施形態では、第１の偏光状態で構成された過焦点反射スポットのいくつかもしくは全ては、垂直偏光状態以外の偏光状態で構成されてもよく、および／または、第２の偏光状態で構成された過焦点反射スポットのいくつかもしくは全ては、水平偏光状態以外の偏光状態で構成されてもよい。第１の偏光状態は、第２の偏光状態に対して直交しているか、中間の角度であってもよい。中間の角度は、光学基板に沿った過焦点反射スポットの位置に応じて選択されてもよい。

例えば図３４および図３５の光学システムの実施形態で示されるように、いくつかのアプローチでは、光学表示入力光線１０７の偏光を変化させることによって、システムは、異なる瞳孔サイズおよび位置を考慮するために、瞳孔全体に、アクティブな過焦点反射スポットおよび非アクティブな過焦点反射スポットの分散を動的に変えることができる。アクティブな過焦点反射スポットは、効果的にオンに調整されたスポットであり、すなわち、これらの過焦点反射スポットの偏光選択状態に応じて光学入力光線１０７が偏光されるので、光学入力光線１０７を反射するスポットである。非アクティブな過焦点反射スポットは、効果的に「オフ」に調整され、すなわち、これらの過焦点反射スポットの偏光選択状態に応じて、光学入力光線入力が偏光されないので、光学入力光線１０７を反射しないスポットである。

光学過焦点反射システムが射出瞳拡大器として実装されるいくつかの実施形態では、光学入力光線の偏光を変化させることによる、過焦点反射スポットの反射と、過焦点反射スポットの非反射の分散のこの動的な変化は、導波路に沿ったスポット位置に応じて、第１の偏光状態選択反射スポットの集中、および／または、第２の偏光状態選択反射スポットの集中を変化させることによって、射出瞳拡大方向に沿った導波路全体の強度を制御するために採用することができる。いくつかの実施形態では、第１の偏光状態選択反射スポットは、水平（Ｈ）偏光状態選択反射スポットであり、第２の偏光状態反射スポットは、垂直（Ｖ）偏光状態選択反射スポットである。

例として、極端なケースを示す図３６を参照し、この中で、Ｖ偏光状態を保持する過焦点反射スポットだけが、傾斜共通反射平面１１７Ｖを占め、Ｈ偏光状態を保持する過焦点反射スポットだけが、導波路に沿って遠くに間隔を空けられた次の傾斜共通反射平面１１７Ｈを占め、Ｖ偏光状態を保持する過焦点反射スポットと、Ｈ偏光状態を保持する過焦点反射スポットとの両方の組合せが、導波路に沿ってさらに遠くに間隔を空けられた最後の傾斜共通反射平面１１７ＨＶを占める。光学入力画像偏光状態を変化させることによって、Ｈ状態およびＶ状態の各反射器を選択することができ、したがって、光は、先にあるＨＶＰ素子によってあいまいにならない（２次光線生成も最小化する）。特定の偏光状態にある期間を増加させると、特定のＨＶＰ領域の明るさを制御する（最大化する）ことができる（すなわち、プロジェクタから最も遠い領域が、通常、（先行するＨＶＰ素子の効果を含む）伝搬損失により暗くなる）が、円偏光した光が導波路に放たれた場合、より明るく見える。いくつかの実施形態では、第１の偏光状態で構成された過焦点反射スポットのいくつかもしくは全ては、垂直偏光状態以外の偏光状態で構成されてもよく、および／または、第２の偏光状態で構成された過焦点反射スポットのいくつかもしくは全ては、水平偏光状態以外の偏光状態で構成されてもよい。第１の偏光状態は、第２の偏光状態に対して直交しているか、中間の角度であってもよい。中間の角度は、光学基板に沿った過焦点反射スポットの位置に応じて選択されてもよい。

偏光依存過焦点ビューポートの前述の例が示すように、偏光依存反射ビューポートは、改善された画質を生じる画像偏光に基づいて、ビューポートの分散を変化させることができる。

波長選択過焦点反射ビューポートが採用される光学過焦点反射システムのいくつかのアプローチでは、光学過焦点反射システムは、複数の光導波路を備えるディスプレイとして構成されてもよい。全てのこのような実施形態では、過焦点反射スポットの開口部サイズは、上記で説明された手法で標的エリアに位置する目または他のレンズ検出器における仮想画像スポットビームの過焦点の焦点を実現するために、反射された個別の仮想画像スポットビーム１０５が、標的エリアにおける直径Ｄを保持するように選択される。各出力連結回折格子は、独立した過焦点ビューポートで構成され、ビューポートの寸法は、単一の光導波路を使用するが、第２の導波路に対する第１の導波路の光路長の差を明瞭なスポットが標的にすることを考慮して、システムの他の実施形態を参照しながら本明細書で説明される部分または完全反射ビューポートの寸法と同じであってもよい。

各導波路は、個別スポットビーム１０５として特定の波長または波長帯域の光線１０７を選択的に反射するための回折光学素子の形態の波長選択過焦点反射スポットを含む。他の実施形態のうちのいくつかでは、回折光学素子以外の波長選択過焦点反射スポットが使用されてもよい。過焦点反射スポットは、部分反射スポット、完全反射スポット、または両方の組合せであってもよい。

各導波路内の回折光学素子反射スポットのグループは、本明細書で説明される他の導波路の実施形態の回折過焦点反射スポットと同じ手法で一般に構成される。それでも、異なる色の間のクロストーク（これにより、１つの色の光線が、別の色のためのピッチを伴う回折格子によって不正確に回折される）も最小化しつつ、回折導波路ディスプレイの角度の範囲を最大化するために、回折導波路ディスプレイは、光学入力画像の異なる特定の波長または波長帯域または色が、異なる光導波路内の回折光学素子過焦点反射スポットによって選択的に反射される複数の導波路を備える。いくつかの実施形態では、複数の導波路は、一緒に挟まれるか、挟まれた構成の中で互いにすぐ近くに置かれる。

いくつかの実施形態では、複数の導波路のうちのそれぞれの導波路は、波長のそれぞれの特定の色または帯域の光学画像入力光線を選択的に反射するように構成された回折光学素子過焦点反射スポットのそれぞれのグループを含む。いくつかの実施形態では、複数の導波路のうちの１つの導波路内の過焦点反射スポットの１つのグループによって選択的に反射された光学画像入力光線の波長の色または帯域の特定の波長は、導波路のもう１つにおける過焦点反射スポットの別のグループによって選択的に反射された光学画像入力光線の波長の特定の色または帯域とは異なる。いくつかの実施形態では、複数の導波路のうちの１つまたは複数は、過焦点反射スポットの複数の異なるグループを含む。いくつかの実施形態では、複数の導波路のうちの導波路内の過焦点反射スポットのうちの１つのグループによって選択的に反射された光学画像入力光線の波長の特定の色または帯域は、同じ導波路内の過焦点反射スポットの別のグループによって選択的に反射された光学画像入力光線の波長の特定の色または帯域とは異なる。

光学過焦点反射システムが、回折光学ディスプレイとして構成されるいくつかのアプローチでは、システムは、２つの導波路を備えている。光学入力画像１０６は、多色画像である。このような実施形態では、多色画像は、３つの異なる色（第１、第２、および第３の色）から成り、光学入力画像１０６の色は、２つの導波路に分けられる。第１の光導波路の回折入力カプラは、第１および第２の色の光学画像入力光線のいくつかを選択的に回折する一方で、第２の光導波路に、第３の色の光学画像入力光線を通し、第２の色の光学入力画像光線の少なくとも一部を通すように構成される。第２の光導波路の回折入力カプラは、第１の回折入力カプラを通過してきた第３の色および第２の色の光学画像入力光線の少なくとも一部を選択的に回折するように構成される。

例として、図３７から図３９は、１つの実施形態による、複数の光導波路を備える回折導波路ディスプレイとして構成された光学過焦点反射システムを示す。第１の導波路の回折入力カプラは、波長λ１およびλ２の光線の光学入力光線１０７を回折するように最適化され、一方で、第２の導波路は、波長λ２およびλ３の光学入力光線１０７を回折するよう最適化される。典型的には、λ１＝青、λ２＝緑、およびλ３＝赤である。他の実施形態では、λ１、λ２、およびλ３は、異なる色にそれぞれ対応させることができる。いくつかの実施形態では、λ１、λ２、およびλ３は、青、緑、および赤を異なる順序で表すことができる。例えば、いくつかの実施形態では、λ１＝赤、λ２＝緑、およびλ３＝青である。非限定的な例として、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ：ｏｒｇａｎｉｃｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ）などの画像ソースについて、λ１＝４５０ｎｍ、λ２＝５３２ｎｍ、およびλ３＝６４０ｎｍである（例えば、ＯＬＥＤの典型的な放射スペクトルを示す図２６を参照）。いくつかの実施形態では、λ１、λ２、およびλ３の少なくともいくつかは互いに異なり、光のいずれかの波長に対応する。導波路内の回折格子は、一定の波長の光を選択的に回折するように構成される。１つの非限定的な例では、青、緑、赤色光のいずれか１つまたは組合せを選択的に回折するために、入力回折格子のピッチは、約３００ｎｍから５００ｎｍの間隔のオーダーで適宜選択される。選択されるピッチは、（臨界角誘導条件に対する）ＦＯＶ、および基板材料のタイプによって決まる。

図３７から図３９の例示的実施形態をより詳細に参照すると、図３７は、分離して利用される光導波路、すなわち、第１の光導波路基板１０１Ｇ１の１つの透視図である。各光導波路基板は、本明細書で開示された実施形態のいずれかの光導波路基板１０１などの拡張現実または仮想現実ディスプレイに適した任意の光導波路基板である。光学導波路基板１０１Ｇ１は、第１の光学入力連結部分１５０Ｇ１および第１の出力連結部分１６０Ｇ１を含む。第１の光学入力連結部分１５０Ｇ１および第１の光学連結部分１６０Ｇ１は、射出瞳拡大方向１１８に第１の導波路基板１０１Ｇ１に沿って互いに間隔を隔てられる。第１の光学入力連結部分１５０Ｇ１は、追加の第１の瞳孔拡大領域１５５Ｇ１を介して第１の光学出力連結部分１６０Ｇ１に光学連結される。いくつかの実施形態では、追加の第１の瞳孔拡大領域は、省略されてもよい。

第１の光学入力連結部分１５０Ｇ１は、瞳孔拡大方向１１８に第１の光導波路基板に沿って（図３９参照）、特定の第１の波長λ１の光学入力光線１０７、および、特定の第２の波長λ２の光学入力光線１０７の一部を、第１の導波路１０１Ｇ１に選択的に回折し、これにより、内部で反射するように構成された第１の光学入力回折格子１５１Ｇ１を備える。第１の光学入力回折格子１５１Ｇ１は、第１の導波路１０１Ｇ１に回折されなかった特定の波長λ２の光学入力光線１０７の少なくとも一部を、第１の光学入力回折格子１５１Ｇ１を通じて通し、これらを内部で反射するのではなく第１の光学基板の面から第１の光学入力回折格子１５１Ｇ１を通じて第３の特定の波長λ３の光学入力光線１０７も通すようにさらに構成される。第１の入力回折格子１５１Ｇ１は、瞳孔拡大方向１１８に光導波路基板１０１Ｇ１に沿って特定の波長または波長帯域λ１、λ２の光学入力波１０７を選択的に反射し、第１の入力回折格子１５１Ｇ１を通って他の波長を透過させるための回折格子構成およびピッチを備える。

第１の追加の瞳孔拡大領域１５５Ｇ１は、第１の光学入力連結部分１５０Ｇ１と第１の光学出力連結部分１６０Ｇ１との間に配置された第１の拡張回折格子１５６Ｇ１である。他の実施形態では、第１の追加の瞳孔拡大領域１５５Ｇ１は、第１の光学入力連結領域１５０Ｇ１によって選択的に内部で反射された特定の波長の光学入力光線を瞳孔拡大方向１１８に拡大し、第１の光導波路に沿って伝搬させるのに適した別のタイプの瞳孔拡大構成要素であってもよい。第１の拡張回折格子１５１Ｇ１は、拡大方向１１８に２次元で画像生成システムの射出瞳を拡大するために、第１の光導波路１０１Ｇ１に沿って内部で、特定の波長の光学入力光線１０７を選択的に回折するように構成される。図３７から図３９に示された例では、第１の拡張回折格子１５１Ｇ１は、瞳孔拡大方向１１８に第１の光導波路基板にさらに沿って、波長λ１、λ２の、受け取った反射後の第１の光学入力光線１０７を選択的に回折するための回折格子構成およびピッチを備える。

第１の光学出力連結１６０Ｇ１は、第１の光導波路１０１Ｇ１に配置された回折光学素子の形態の第１の過焦点ビューポート１０２Ｇ１の複数の第１の過焦点反射スポット１０３Ｇ１を備える。第１の回折光学素子反射スポット１０３Ｇ１は、第１の光導波路基板の表面に埋め込まれた回折格子である。他のいくつかの実施形態では、回折格子は、基板１０１Ｇ１のボリューム内にさらに埋め込まれるか、表面に配置される。第１の回折格子過焦点反射スポット１０３Ｇ１は、第１および第２の特定の波長１０５λ１およびλ２の光線から成る個別スポットビームとして、特定の第１の波長λ１および特定の第２の波長λ２の光学入力光線１０２を、目のレンズまたは視線標的エリアの方に選択的に反射するように構成される。この例では、第１の回折格子過焦点反射スポット１０３Ｇ１は、第１および第２の特定の波長の光線から成る個別スポットビーム１０５λ１、λ２として、第１の特定の波長λ１および第２の特定の波長λ２の第１の光学入力波１０７を目または他の光検出ターゲットの方に選択的に反射するための回折格子構成および回折格子ピッチを備える。第１の回折格子過焦点反射スポット１０３Ｇ１は、第１の導波路基板の第１の出力連結部分に沿って第１のパターン内に配置される。光導波路で異なる色を拡大し、選択的に反射するための回折格子ピッチおよび材料の例は、ＵＳ９９４８０６８で見つけることができ、その内容が、参照により本明細書に組み込まれる。

第２の光導波路基板１０１Ｇ２は、光導波路基板１０１Ｇ１と同様であり、並列に、または挟まれた構成で第１の光導波路１０１Ｇ１の隣に配置される。第１の光導波路基板１０１の正面は、第２の光導波路基板１０１の裏面に面する。第１の光導波路１０１Ｇ１は、第２の光導波路１０２Ｇ２と平行または実質的に平行に配置される。ギャップは、第１の光導波路１０１Ｇ１と第２の光導波路１０１Ｇ２との間に配置される。他のいくつかの実施形態では、第１の光導波路１０１Ｇ１は、その間にいずれのギャップもない第２の光導波路１０１Ｇ２と直接接触していてもよい。

第２の光導波路基板１０１Ｇ２に含まれる要素は、一般に、「Ｇ１」ではなく「Ｇ２」の付いた第２の基板エンドにおける素子を識別する参照数字を除いた、同じ参照数字の番号で識別された第１の光導波路１０１Ｇ１内のこれらの要素に対応する。それでも、第２の光学入力部分１０５Ｇ２、第２の追加の瞳孔拡大領域１５５Ｇ２、および第２の出力連結部分１０５Ｇ２の構成は、特定の第２の波長λ２および特定の第３の波長λ３の光学入力光線を選択的に反射するように構成されているという点で、第１の光学入力部分１０５Ｇ１、第１の追加の瞳孔拡大領域１５５Ｇ１、および第１の出力連結部分１０５Ｇ１の構成とはそれぞれ異なる。第１の波長λ１、第２の波長λ２、および第３の波長λ３は、異なる波長である。図３７から図３９の例では、λ１は青色に対応し、λ２は緑色に対応し、λ３は赤色に対応する。第２の光学入力回折格子１５１Ｇ１は、第２の拡張回折格子１５５Ｇ２の方に第２の光学基板に沿って、波長λ２およびλ３の光学入力光線１０７を選択的に反射するための回折格子構成および回折格子ピッチを備える。第２の拡張回折格子１５５Ｇ２は、第２の出力連結部分１８０Ｇ２の方に第２の光学基板１０１Ｇ２にさらに沿って、波長λ２およびλ３の受け取った光学入力光線を選択的に反射するための回折格子構成およびピッチを備える。さらに、第２の光学出力連結１６０Ｇ２は、瞳孔拡大方向１１８に沿って第２の光導波路１０１Ｇ２内に分散された回折光学素子の形態の第２の過焦点ビューポート１０２Ｇ２の複数の第２の過焦点反射スポット１０３Ｇ２を備える。本実施形態における過焦点反射回折光学素子スポット１０３Ｇ２は、第２および第３の波長１０５λ２およびλ３の光線から成る個別スポットビーム１０５として、第２および第３の波長λ２、λ３の光学入力光線をそれぞれ、目のレンズまたは視線標的エリアの方に選択的に反射するように構成された第２の回折格子である。この例では、第２の回折格子過焦点反射スポット１０３Ｇ２は、緑色光および赤色光にそれぞれ対応する波長λ２およびλ３を選択的に反射するための回折格子構成回折格子ピッチを備える。

第２の回折格子過焦点反射スポット１０３Ｇ２は、第２の導波路基板の第２の出力連結部分に沿って第２のパターン内に配置される。本実施形態では、第２の回折格子過焦点反射スポット１０３Ｇ２の第２のパターンは、第１の回折格子過焦点反射スポット１０３Ｇ２の第１のパターンとは異なる。第１の回折格子過焦点反射スポットおよび／または第２の回折格子過焦点反射スポットの他のパターンが予想され、これは、規則的であっても、不規則であってもよい。

第１および第２の過焦点反射スポット１０３Ｇ１および１０３Ｇ２は、個別の反射されたスポットビーム１０５が、図７から図９Ｂを参照しながら上記で既に説明された手法で、ディスプレイの完全な視野をキャプチャするのに必要な、目のレンズ２０５または視線標的エリアに対する角度の方向を保持するように、射出瞳拡大方向１１８に沿って間隔を空けられる。過焦点反射スポット１０３Ｇ１および１０３Ｇ２の開口部サイズは、上記で説明された手法で仮想画像スポットの過焦点ビューを実現するように、個別スポットビームが、目または他のレンズ検出器の標的エリアにおいて直径Ｄを保持するように、選択される。

第１の光導波路基板１０１Ｇ１の第１の出力連結部分１６０Ｇ１の第１の過焦点反射スポット１０３Ｇ１は、第１の過焦点反射スポット１０３Ｇ１から反射された個別スポットビーム１０５λ１λ２によって形成された、視線標的エリア、または他の光検出標的エリアにおいて眺められるような過焦点スポット画像が、第２の過焦点反射スポット１０３Ｇ２から反射された個別スポットビーム１０５λ２λ３によって形成された過焦点スポット画像に重ならないように、第２の光波基板１０１Ｇ２の第２の出力連結部分１６０Ｇ２における第２の過焦点反射スポット１０３Ｇ２に対して射出瞳拡大方向１８にずらされるか、そうでなければ分散される。単一導波路についての過焦点スポット画像と同じ手法で（図２１から図３３の例を参照）、これは、画質および視野について利益をもたらす。例えば、これにより、過焦点スポット画像の重なりを生じる配置に比べて、全体的な視聴画像の視野および／または品質を向上させることができる。

他のいくつかの実施形態では、波長選択過焦点反射スポット１０３Ｇ１、１０３Ｇ２は、図３７から図３９に示されたものより多くても、少なくてもよい。他のいくつかの実施形態では、各グループの波長選択スポット１０３Ｇ１、１０３Ｇ２のパターン、サイズ、および形状は、示されたパターンとは異なっていてもよい。他の実施形態では、各特定の波長は、示されたものとは異なっていてもよい。さらに、いくつかの実施形態では、第１の過焦点反射スポット１０３Ｇ１および第２の過焦点反射スポット１０３Ｇ２は、６角形のスポット、または、規則的、不規則、もしくは両方の組合せであってもよい他の形状として形作られてもよく、第１の過焦点反射スポット１０３Ｇ１および第２の過焦点反射スポット１０３Ｇ２を組み合わせて利用することによって形成された過焦点スポット画像が、単一の光導波路内の過焦点反射スポットと同様に視線標的エリアに過焦点スポット画像のテッセレーションを形成するように、互いに関連して配置される（例えば、スポットの形状、および過焦点スポット画像のテッセレーションについての図２１から図３３および対応する説明を参照）。

光学過焦点反射システムが回折光学ディスプレイとして構成されるいくつかのアプローチでは、システムは、少なくとも３つの光導波路を備える。各導波路は、異なる３色のうちの１色だけをサポートするように設計され、したがって、２つの光導波路だけを使用するときより単純な回折格子設計になる。光学入力画像１０６は、多色画像である。本実施形態では、多色画像は、異なる３色（それぞれ、青、緑、赤などの第１、第２、および第３の色）から成り、光学入力画像１０６の色は、３つの導波路に分けられる。導波路内の回折格子は、一定の波長の光を選択的に回折するように構成される。１つの非限定的な例では、青、緑、および赤色光のいずれか１つまたは組合せを選択的に回折するために、入力回折格子ピッチは、約３００ｎｍから５００ｎｍ間隔のオーダーで適宜選択される。選択されるピッチは、（臨界角誘導条件に対する）ＦＯＶ、および基板材料のタイプによって決まる。

第１の光導波路基板に関連付けられた第１の回折入力カプラは、光学画像入力の一部を第１の色で回折する一方、第２の光導波路に光学画像を第２および第３の色で通すように構成される。第２の光導波路基板に関連付けられた第２の回折入力カプラは、光学画像入力の一部を第２の色で回折する一方、第３の光導波路に光学画像を第３の色で通すように構成される。第１、第２、および第３の光導波路基板の第１、第２、および第３の瞳孔拡張回折格子は、それぞれ、基板に沿って内部で、第１、第２、および第３の色で光学画像を選択的に反射する。第１の導波路基板の第１の過焦点反射スポットは、第１の波長の光線から成る個別スポットビームを選択的に反射するように構成される。第２の導波路基板の第２の過焦点反射スポットは、第２の波長の光線から成る個別スポットビームを選択的に反射するように構成される。第３の導波路基板の第３の過焦点反射スポットは、第３の波長の光線から成る個別スポットビームを選択的に反射するように構成される。

３つの光導波路を備えるこのような光学過焦点反射システムの例として、１つの実施形態による３つの光導波路を備える回折導波路ディスプレイを示す図４０および図４１を参照する。第１の導波路基板１０１Ｇ１内の第１の回折入力カプラ１７１Ｇ１は、射出瞳拡大方向１１８に内部で波長λ１の光学入力光線１０７を選択的に回折し、光学光線１０７λ２およびλ３を第２の光導波路１０２Ｇ２に通すように構成される。第２の導波路１０１Ｇ２は、第１の回折光カプラ１７１Ｇ１を通過する光学光線１０７λ２およびλ３が、第２の光導波路１０１Ｇ２の第２の回折光カプラ１７１Ｇ２によって受け取られるように、第１の回折光カプラ１７１Ｇ１に関連して位置する第２の回折入力カプラ１７１Ｇ２を備える。第２の回折入力カプラ１７１Ｇ２は、波長λ２の受け取った光学入力光線１０７を回折し、受け取った光学光線１０７λ３を第３の光導波路１０３Ｇ２に通すように構成される。第３の導波路１０１Ｇ３は、第１および第２の回折光カプラを通過する光学光線１０７λ３が、第３の光導波路１０１Ｇ３の第３の回折光カプラ１７３Ｇ３によって受け取られるように、第１および第２の回折光カプラ１７３Ｇ１および１７３Ｇ２に関連して位置する第３の回折入力カプラ１７３Ｇ２を備える。第１、第２、および第３の波長をそれぞれ選択的に回折する第１、第２、および第３の回折拡張回折格子１７６Ｇ１、１７６Ｇ２、および１７６Ｇ３は、光学入力画像生成システムの射出瞳を方向１８にさらに拡大するように、第１、第２、および第３の光導波路１０１Ｇ１、１０１Ｇ２、１０１Ｇ３内にそれぞれ配置される。

第１、第２、および第３の過焦点反射スポット１７３Ｇ１、１７３Ｇ２、および１７３Ｇ３は、第１、第２、および第３の光導波路の第１、第２、および第３の出力連結部分１６０Ｇ１、１６０Ｇ２、および１６０Ｇ３にそれぞれ分散される。過焦点反射スポットは、部分反射スポット、完全反射スポット、または両方の組合せであってもよい。第１の過焦点反射スポット１７３Ｇ１は、個別スポットビーム１０５λ１として目のレンズまたは視線標的エリアの方に、λ１の光線１０７の波長を選択的に反射するように構成される。第１の過焦点反射スポット１７３Ｇ１は、第１の光学基板１０１Ｇ１の第１の出力連結部分１６０Ｇ１における第１のパターン内に分散される。第２の過焦点反射スポット１７３Ｇ２は、個別スポットビーム１０５λ２として目のレンズまたは視線標的エリアの方に、λ２の光線１０７の波長を選択的に反射するように構成される。第２の過焦点反射スポット１７３Ｇ２は、第２の光学基板１０１Ｇ２の第２の出力連結部分１８０Ｇ２における第２のパターン内に分散される。第３の過焦点反射スポット１０３Ｇ３は、個別スポットビーム１０５λ３として目のレンズまたは視線標的エリアの方に、λ３の光線１０７の波長を選択的に反射するように構成される。第３の過焦点反射スポット１０３Ｇ３は、第３の光学基板１０１Ｇ３の第３の出力連結部分１６０Ｇ３における第３のパターン内に分散される。

このように、３つの光導波路は、異なる波長λ１、λ２、およびλ３の光学入力光線１０７をそれぞれ回折するために最適化される。典型的には、λ１＝青、λ２＝緑、およびλ３＝赤である。他の実施形態では、λ１、λ２、およびλ３は、異なる色にそれぞれ対応してもよい。いくつかの実施形態では、λ１、λ２、およびλ３は、青、緑、および赤を異なる順序で表すことができる。例えば、いくつかの実施形態では、λ１＝赤、λ２＝緑、およびλ３＝青である。非限定的な例として、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）などの画像ソースについて、λ１＝４５０ｎｍ、λ２＝５３２ｎｍ、およびλ３＝８４０ｎｍである（例えば、ＯＬＥＤの典型的な放射スペクトルを示す図２６を参照）。いくつかの実施形態では、λ１、λ２、およびλ３の少なくともいくつかは互いに異なり、光のいずれかの波長に対応する。

第１、第２、および第３の過焦点反射スポット１７３Ｇ１、１７３Ｇ２、１７３Ｇ３は、個別の反射されたスポットビーム１０５が、図７から図９Ｂを参照しながら上記で既に説明された手法でディスプレイの完全な視野をキャプチャするのに必要な、目のレンズ２０５または視線標的エリアに対する角度の方向を保持するように構成される。過焦点反射スポットの開口部サイズは、上記で説明された手法で仮想画像スポットビューの過焦点を実現するように、目または他のレンズ検出器に直径Ｄの個別スポットビームを投影するように選択される。

第１の過焦点反射スポット１７３Ｇ１、第２の過焦点反射スポット１７３Ｇ２、および第３の過焦点反射スポット１７３Ｇ３は、第１、第２、および第３の過焦点反射スポット１７３Ｇ１、１７３Ｇ２、および１７３Ｇ３からそれぞれ反射された個別スポットビーム１０５λ１、１０５λ２、１０５λ３によって形成された、視線標的エリア、または他の光検出標的エリアにおいて眺められるような過焦点スポット画像が、互いに重ならないように、射出瞳拡大方向１１８に互いに対してずらされるか、そうでなければ分散される。単一導波路についての過焦点スポット画像と同じ手法で（図２１から図３３の例を参照）、これは、画質および視野について利益をもたらす。例えば、これにより、過焦点スポット画像の重なりを生じる配置に比べて、全体的な視聴画像の視野および／または品質を向上させることができる。

他のいくつかの実施形態では、波長選択過焦点反射スポットは、図４０および図４１に示されるよりも多くても、少なくてもよい。他のいくつかの実施形態では、各グループの波長選択スポットのパターン、サイズ、および形状は、示されたパターンとは異なっていてもよい。他の実施形態では、各特定の波長は、示されたものとは異なっていてもよい。さらに、いくつかの実施形態では、過焦点反射スポットは、６角形のスポット、または、規則的、不規則、もしくは両方の組合せであってもよい他の形状として形作られ、第１の過焦点反射スポット１７３Ｇ１、第２の過焦点反射スポット１７３Ｇ２、および第３の過焦点反射スポット１７３Ｇ３を組み合わせて利用することによって形成された過焦点スポット画像が、単一の光導波路内の過焦点反射スポットと同様に、過焦点スポット画像のテッセレーションを視線標的エリアに形成するように、互いに関連して配置される（例えば、スポットの形状、および過焦点画像スポットのテッセレーションの形成についての図２１から図３３および対応する説明を参照）。

２つ以上の光導波路基板を備える光学過焦点反射システムの異なる例示的実施形態を参照しながら示したように、異なる導波路からの出力カプラの配置は、形成された過焦点スポット画像が、本明細書で以前に説明された単一の光導波路基板のための波長選択反射ビューポートと同様に、重ならないように配置することができる。同じ手法で、これにより、出力のＦＯＶを増加させることができる。

複数の光導波路を備える回折ディスプレイの前述の例でわかるように、各出力連結回折格子は、独立した過焦点ビューポートで構成され、ビューポートの寸法は、単一の光導波路を使用するが、第２の導波路に対する第１の導波路の光路長の差を明瞭なスポットが標的にすることを考慮して、システムの他の実施形態を参照しながら本明細書で説明される部分または完全反射ビューポートの寸法と同じであってもよい。

他のいくつかのアプローチでは、４つ以上の異なる波長の個別スポットビームを選択的に反射するために、４つ以上の光導波路を使用する光学過焦点反射システムが予想される。

さらに他のいくつかのアプローチでは、本明細書の実施形態によって開示された複数の光導波路を備える光学過焦点反射システムは、図３５および図３６の実施形態のものなどであるがこれらに限定されない異なる偏光反射スポットとしてさらに構成された過焦点反射スポットを備えるが、システムは、単一の光導波路について本明細書で既に論じられた利益を実現するために望まれるような、光学入力画像の偏光をそれぞれの光導波路に動的にスイッチするためのＬＣモジュールまたは他のモジュールを含む。

実施形態の前述の光学表示システムは、過焦点反射ビューポートを使用することによって、システムが、分解能を失うことなく、当初無限遠にある画像に目が快適に遠近調節できる、無限遠からＨまで下がる範囲（過焦点距離）を可能にすることを示す。その上、システムは輻輳を使用して、レンズがその最も快適な位置に焦点を合わせ、我々の以前の定義の通り、許容できる程度に鮮明な画像を維持することを可能にすることによって、目のレンズの遠近調節を推進する。

ディスプレイ内の光学過焦点反射システムの仮想画像の過焦点人視線ビューを最適化するための、本技術のいくつかの態様によるいくつかの制御システムをここで参照する。

いくつかの態様によれば、視線追跡表示画像編集システムおよび方法が提供され、この中で、視標追跡を通じて、実世界の何を目が見ていようと、コンピュータ生成オブジェクトに焦点が合っていると信じるように脳をだますために輻輳が使用され、ビューポートの過焦点範囲が適切な遠近調節をサポートできるようにする。１つの実施形態では、システムは、シースルーの実世界のシーンと同じ様子で、範囲外のオブジェクトに選択的なぼけを適用するように構成される。

非限定的な例として、本明細書で説明された実施形態による説明された手法で、光学過焦点反射システムが光学結合器として構成される図４２および図４３を参照する。人間の目は、過焦点仮想表示画像に重ね合わせた実世界シーンを観察している。実世界シーンは、観察者の目から間隔を空けられた異なる平面にある実世界オブジェクトを含む。この非限定的な例では、実世界シーンは、オブジェクト平面１および実世界オブジェクト平面２を含む。視線標的エリア平面からＸ１の距離に配置された実世界オブジェクト平面１、および、実オブジェクト平面２は、視線標的エリアまたは目の平面からＸ２の距離である、平面１より遠くの平面２に配置される（図４２および図４３を参照）。視線が直接中心に置かれるとき、すなわち目の凝視角がゼロであるときの、それぞれの目の光の中立軸も図４２および図４３に示されている。

図４２では、目は、平面１にある実オブジェクトを凝視しており、そこ、すなわち、平面１に重ね合わされた過焦点仮想画像は、視線標的エリアまたは目から距離Ｘ１である。各視線の凝視方向は、視線が実世界シーンの中心に直接置かれ、仮想表示画像に重ね合わされたときの、目の光軸に対する凝視角として表現される。凝視角θ１ａおよびθ１ｂは、平面２より近い平面１を見ている左目および右目の凝視角にそれぞれ対応する。凝視方向は、眼球運動、頭の動き、および／または他の体の動きによる影響を受け得る、例えば目の視線、または目の可視軸など、異なる方式で測定し、表現することができる。本明細書で開示された視線追跡および画像編集実施形態の方法およびシステムは、凝視方向または角度の測定または表現についてのいずれの特定の方式にも限定されない。それぞれの目の凝視方向の代表的なものである任意のタイプの測定を採用することができる。

図４３では、目は、実世界シーンオブジェクト平面２の方向を凝視しており、過焦点仮想表示画像は、そこ、すなわち、視線標的エリアまたは目の平面からの距離Ｘ２に重ね合わされている。凝視角θ２ａおよびθ２ｂは、平面１より目から遠く離れた平面２を見ている左目および右目の凝視角にそれぞれ対応する。視線を追跡し、凝視方向を決定することによって、目が見ている実世界オブジェクト平面が決定される。目が見ている実世界オブジェクト平面に近い方の、または平面から遠く離れた過焦点仮想画像内に現れるようにするための表示画像内のオブジェクトが識別される。目が凝視している実世界オブジェクト平面より遠い、または目に近いことが意図されるように識別された表示画像内のオブジェクトの１つまたは複数は、過焦点仮想表示画像が実世界シーンに重ね合わされたとき、実世界オブジェクト平面に対して、識別されたこれらのディスプレイオブジェクトの焦点がずれているという印象を与えるために、表示画像オブジェクトがぼけるか、そうでなければ変化するように編集することができる。

非限定的な例として、元の未編集表示画像は、四角形オブジェクトおよび円形オブジェクトを含む。実世界オブジェクト平面が近い図４２の場合、目の両眼連動角度が大きくなり、元の画像は、ディスプレイ上のディスプレイ生成画像が、距離ｘ１にあることが意図される円、距離ｘ２にあることが意図される四角形になるように編集される。両方の画像に焦点が合っているように見えることになるので、平面ｘ１を見ている場合、デジタルぼけが四角形に（および全体的に、平面ｘ１にない任意のオブジェクトに）適用されるように、目の凝視を監視するために、視線追跡が使用される。四角形の位置と一致するオブジェクト平面ｘ２に目がさらに焦点をずらすとき、デジタルぼけは、円に（および全体的に、平面ｘ２にない任意のオブジェクトに）代わりに適用される。

視線追跡は、間接ビュー上の直接ビューによって実施することができる。前者の場合、小型広視野角カメラモジュールは、直接目を見るためにディスプレイの近くに置かれる。例として、図４４は、１つの実施形態による光学過焦点反射システムを通じて実世界シーンを観察している視線を追跡する直接ビュー構成で構成された視線追跡カメラモジュールを示す。間接ビューを用いると、ディスプレイまたは別のすぐ近くの面は、小型広視野角カメラモジュールに目の画像を反射することができるＮＩＲ領域に反射ホログラフィ層または回折層を組み込むことができる（３Ｍなどのいくつかの会社が、ホログラフィフィルム上で機能する同様のものを開発した）。例として、図４５は、１つの実施形態による光学過焦点反射システムを通じて実世界シーンを観察している視線を追跡する間接ビュー構成で構成された視線追跡カメラモジュールを示す。

両方のケースで、可視またはＮＩＲ波長領域で、表示面のそばに照明を設置することができる。

図４６は、１つの実施形態による光学過焦点反射システムの仮想画像の過焦点人視線ビューを最適化するための様々な制御システムのブロック図である。光学過焦点反射システムは、本技術の本明細書で示された実施形態の光学過焦点反射システムのいずれか１つである。図４６に示されるように、制御システム４０００は、表示画像編集システム４２０４に動作可能なように接続された視線追跡システム４２０１を備える視線追跡表示画像編集システムを含む。表示画像編集システムもしくはコントローラ４２０４またはその一部は、ディスプレイからリモートに位置し、図４９の例示的コンピュータ機械などであるがこれらに限定されないコンピュータ処理機械によって実行されてもよい。他のいくつかの実施形態では、表示画像編集システム４２０４は、ヘッドマウントディスプレイまたは他のディスプレイにおいてローカルに位置し、コンピューティング機械と同様の機能を実施するように構成された統合型または他の電気回路機器を備えることができる。リモートに位置する場合、表示画像編集システムは、ワイヤレスまたはセルラーモジュール４２０３を介して視線追跡システムに動作可能なように接続される。

視線追跡システム４２０１は、視線追跡カメラ４２０２、および、任意の追跡プロセッサまたはコントローラ４２０３を含む関連構成要素を含む。追跡プロセッサまたはその一部は、ディスプレイからリモートに位置し、図４９の例示的コンピュータ機械などであるがこれらに限定されないコンピュータ処理機械によって実行されてもよい。視線追跡カメラは、ワイヤレス／セルラーモジュールを介してローカルまたはリモートに視線追跡プロセッサに動作可能なように連結される。他のいくつかの実施形態では、視線追跡プロセッサは、ヘッドマウントディスプレイまたは他のディスプレイにローカルに位置し、コンピューティング機械と同様の機能を実施するように構成された統合型または他の電気回路機器を備えることができる。リモートに位置する場合、追跡プロセッサは、ワイヤレスまたはセルラーモジュール４２０３を介して視線追跡カメラ４２０２に動作可能なように接続される。表示画像処理プロセッサは、表示画像生成システム４２０５自体に組み込まれてもよく、または、表示画像生成システムに動作可能なように連結された独立したプロセッサであってもよい。表示画像生成システムは、光学過焦点反射システムに光学連結される。

図４６の制御システムは、光学過焦点反射システムの観察者の目に届く外界輝度の量を制御するための輝度制御システムも含む。輝度制御システムは、視線追跡システムに動作可能なように接続された電子遮光フィルタ４５０１を備え、視線追跡システムは、凝視方向を監視するための同じ視線追跡システム４２０１であってもよく、または、別の独立した視線追跡システムであってもよい。視線追跡システムは、目の瞳孔サイズを監視するように構成される。電子遮光フィルタ４５０１は、目に達する外界輝度の量、およびしたがって、外界輝度に応じた目の瞳孔サイズを制御するように、視線追跡システムからのフィードバック制御に応じて構成可能である。（エレクトロクロミックフィルタ／パネルとして知られる）電子遮光フィルタは、したがって、システム内の外界輝度、およびしたがって、瞳孔サイズを制御することができる。このように、目によって同時に観察されている過焦点ビューポートの数は、システムで制御することができる。いくつかの実施形態では、電子遮光フィルタシステムは、目によって同時に観察されている過焦点ビューポートの最大数を制御し、許容できる程度に鮮明な画像を保証するように構成される。

他のいくつかの実施形態では、電子遮光フィルタシステムは、表示画像編集システムのない制御システムに含まれる。他のいくつかの実施形態では、表示画像編集システムは、電子遮光フィルタのない制御システムに含まれる。

いくつかの態様では、本明細書で開示された実施形態の光学過焦点反射システムのいずれかの１つまたは複数は、ヘッドマウントディスプレイに組み込まれる。いくつかの実施形態では、１組の光学過焦点反射システムが、眼鏡または他のフォームファクタの拡張現実ヘッドマウントディスプレイに含まれる。図４７は、１つの実施形態による１つのヘッドマウントディスプレイ眼鏡の正面図を示す。ゴーグルタイプのヘッドマウントディスプレイまたは他のタイプの眼鏡は、左目の光学過焦点反射システム４２１５、および右目の光学過焦点反射システム４２１０を備える。表示画像生成システムは、ヘッドマウントディスプレイに含まれる。光学過焦点反射システムは、電子遮光フィルタの有無にかかわらず、本明細書で説明される実施形態の光学過焦点反射システムのいずれか１つであってもよい。光学表示画像生成システムは、両眼ビューおよび光学画像プロジェクタ４２０６、４２０７、ならびにそれぞれの目のための関連付けられた光結合のための、コンピュータ形成画像を生成する処理モジュール４２０５を含むことができる。光学表示画像生成システムは、使用されている光学過焦点反射システムのタイプにふさわしい、本明細書で開示された実施形態の表示画像生成システムのいずれか１つであってもよい。オプトメカニカルフレーム４２２０は、確実かつ正確な幾何学的配列で光学部品を保持する。いくつかの実施形態では、形成された画像は、単眼用ビューのためのものであり、光学過焦点反射システムおよび関連付けられた表示画像生成システムのただ１つが、ヘッドマウントディスプレイに含まれる。視線追跡システムおよび輝度制御システムも含まれる（４２０８参照）。視線追跡システムおよび輝度制御システムは、本明細書で説明される実施形態の視線追跡システムおよび輝度制御システムのいずれか１つ、または別のタイプのシステムであってもよい。いくつかの実施形態では、視線追跡システムは省略される。いくつかの実施形態では、電子遮光フィルタおよび輝度制御システムは、省略される。

いくつかの実施形態では、光学結合器の１つまたは複数が組み込まれたヘッドマウントディスプレイは、ヘルメットのフォームファクタの拡張現実ヘッドマウントディスプレイである。図４８は、１つの実施形態によるヘッドマウントディスプレイヘルメットの正面図を示す。ヘルメットヘッドマウントディスプレイは、両眼ビューのためのコンピュータ形成画像を生成する処理モジュール４３０５を備える。左目の光学過焦点反射システム４３１５および表示画像生成システム４３０７、ならびに、右目の光学過焦点反射システム４３２０および表示画像生成システム４３０６は、ヘッドマウントディスプレイに含まれる。各システムにおける光学過焦点反射システムは、電子遮光フィルタの有無にかかわらず、本明細書で説明される実施形態の光学過焦点反射システムのいずれか１つであってもよい。表示画像生成システムは、使用されている光学過焦点反射システムのタイプにふさわしい本明細書で開示された実施形態の表示画像生成システムのいずれか１つであってもよい。光学画像プロジェクタおよび光結合は、例えば、表示画像生成システムの一部を形成することができる。オプトメカニカルサブフレーム４３００は、光学部品を確実かつ正確な幾何学的配列で保持する。オプトメカニカルサブフレームは、ヘルメットの機械的に堅牢なシェルによってサポートされる。視線追跡システムおよび輝度制御システムも含まれる（４３０８参照）。視線追跡システムおよび輝度制御システムは、本明細書で説明される実施形態の視線追跡システムおよび輝度制御システム、または別のタイプのシステムのいずれか１つであってもよい。いくつかの実施形態では、視線追跡システムは、省略される。いくつかの実施形態では、電子遮光フィルタおよび輝度制御システムは、省略される。

他の実施形態では、図４７および図４８に示されたヘッドマウントディスプレイは、深度センサカメラ、カラーカメラ、マイクロフォン、スピーカ、入出力ポート、およびバッテリなどであるがこれらに限定されない他の光学および電子構成要素を含むことができる。

いくつかの実施形態では、形成された画像は、単眼用ビューのためのものであり、光学過焦点反射システムおよび表示画像生成システムのただ１つが、ヘッドマウントディスプレイに含まれる。

図４９は、コンピュータシステム４４０１の形態の機械の実施形態の図式表現であり、この中で、本明細書で論じられる方法の任意の１つまたは複数を機械が実施するための命令のセットは、本明細書で開示された光学過焦点反射システムのいずれか１つに組み込む拡張または仮想現実ディスプレイのコンピューティングシステムとして実行することができ、機能することができる、表示画像生成、視線追跡、表示画像編集、輝度制御、および他の処理のいずれか１つまたは組合せを実施する際に使用されるコンピュータ実行方法のステップを含む。様々な例の実施形態では、機械は、スタンドアロンデバイスとして動作し、他の機械に接続されても（例えば、ネットワーク化される）、ヘッドマウントディスプレイまたはヘッドアップディスプレイ自体に統合されてもよい。ネットワーク化された配置では、機械は、サーバクライアントネットワーク環境におけるサーバもしくはクライアントマシンとして、または、ピアツーピア（もしくは分散型）ネットワーク環境におけるピアマシンとして動作することができる。機械は、コンストラクションマーキングデバイス型ロボット、基地局、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットＰＣ、セットトップボックス（ＳＴＢ）、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、セルラー電話、携帯型音楽プレーヤ（例えば、ムービングピクチャエキスパートグループオーディオレイヤ３（ＭＰ３）プレーヤなどの携帯型ハードドライブオーディオデバイス）、ウェブアプライアンス、ネットワークルータ、スイッチもしくはブリッジ、または、この機械によって行われることになるアクションを指定する命令のセットを（連続的に、もしくは別のやり方で）実行することができる任意の機械であってもよい。さらに、単一の機械しか示されていないが、用語「機械」は、本明細書で論じられる方法の任意の１つまたは複数を実施するための命令のセット（または複数のセット）を個別にまたは一緒に実行する機械の任意の集合体も含むものと理解される。

コンピュータシステム４４０１の実施形態は、プロセッサまたは複数のプロセッサ４４０５（例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、画像処理装置（ＧＰＵ）、または両方）、ならびに、メインメモリ４４１０およびスタティックメモリ４４１５を含み、これらは、バス４４２０を介して互いに通信する。コンピュータシステム４４０１は、ビデオディスプレイ４４３５（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ））をさらに含むことができる。コンピュータシステム４４０１は、英数字入力デバイス４４３０（例えば、キーボード）、カーソル制御デバイス（例えば、マウス）、音声認識またはバイオメトリック検証ユニット（図示せず）、ドライブユニット４４３７（ディスクドライブユニットとも呼ばれる）、信号生成デバイス４４４０（例えば、スピーカ）、およびネットワークインターフェースデバイス４４４５も含むことができる。コンピュータシステム４４０１は、データを暗号化するためのデータ暗号化モジュール（図示せず）をさらに含むことができる。

ドライブユニット４４３７は、本明細書で説明される方法または機能の任意の１つまたは複数を具体化または利用する命令およびデータ構造の１つまたは複数のセット（例えば、命令４４５５）を格納したコンピュータまたは機械可読媒体４４５０を含む。命令４４５５は、コンピュータシステム４４０１による命令の実行中に、メインメモリ４４１０内および／またはプロセッサ４４０５内に、完全にまたは少なくとも部分的に常駐してもよい。メインメモリ４４１０およびプロセッサ４４０５も、機械可読媒体とみなすことができる。

命令４４５５は、いくつかのよく知られた転送プロトコル（例えば、ハイパーテキスト転送プロトコル（ＨＴＴＰ））の任意の１つを利用するネットワークインターフェースデバイス４４４５を介してネットワークでさらに伝送すること、または受け取ることができる。機械可読媒体４４５０は、単一の媒体であると例の実施形態に示されているが、用語「コンピュータ可読媒体」は、命令の１つまたは複数のセットを格納する単一の媒体または複数の媒体（例えば、集中型もしくは分散型データベースならびに／または関連付けられたキャッシュおよびサーバ）を含むものと理解されるべきである。また、用語「コンピュータ可読媒体」は、機械による実行のための命令のセットの格納、エンコード、もしくは搬送を行うことができ、本出願の方法の任意の１つもしくは複数を機械が実施する、または、このような命令のセットによって利用される、もしくはこのような命令のセットに関連付けられたデータ構造の格納、エンコード、もしくは搬送を行うことができる、任意の媒体を含むものと理解されなければならない。用語「コンピュータ可読媒体」は、したがって、ソリッドステートメモリ、光学および磁気媒体、ならびに搬送波信号を含むがこれらに限定されないものと適宜理解されなければならない。このような媒体は、ハードディスク、フロッピーディスク、フラッシュメモリカード、デジタルビデオディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）なども限定することなく含むことができる。本明細書で説明される実施形態の例は、コンピュータに、ハードウェアに、または、ソフトウェアとハードウェアの組合せにインストールされたソフトウェアを備える動作環境で実行することができる。

コンピュータシステム４４０１の全ての構成要素が必要とされるわけではなく、したがって、入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス（例えば、入力デバイス４４３０）など、コンピュータシステム４４０１の一部は、必要でなければ除去してもよい。インターネットサービスは、インターネットサービスに連結された１つまたは複数のコンピューティングデバイスへのインターネットアクセスを提供するように構成できること、および、コンピューティングデバイスは、１つまたは複数のプロセッサ、バス、メモリデバイス、表示デバイス、入出力デバイスなどを含むことができることを、当業者は認識するであろう。さらに、インターネットサービスは、本明細書で説明されるような本開示の実施形態のいずれかを実行するために利用することができる１つまたは複数のデータベース、リポジトリ、サーバなどに連結できることを、当業者は認識することができる。

本明細書で使用されるように、用語「モジュール」は、また、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）、電子回路、１つもしくは複数のソフトウェアもしくはファームウェアプログラムを実行するプロセッサ（共有、専用、もしくはグループ）、組合せ論理回路、および／または、説明された機能を提供する他の適切な構成要素のいずれかを指す。

コンピューティング機械は、視線追跡システムおよび表示画像生成システムとともにローカルに、ならびに／または、視線追跡システムおよび表示画像生成システムからリモートに実装されてもよい。いくつかの実施形態では、コンピューティングシステムは、視線追跡表示画像編集システムとして機能し、リモートに位置する。視線追跡システムおよび画像生成表示システムは、コンピューティングシステムとワイヤレス通信するように構成される。いくつかの実施形態では、リモートコンピューティングシステムも、画像表示生成システムによって別のやり方で実施されるコンピュータ画像を生成するための機能の一部を提供する。いくつかの実施形態では、視線追跡表示画像編集システムの少なくとも一部は、ヘッドマウントディスプレイ上の１つまたは複数のモジュールの形など、ヘッドマウントディスプレイ上でローカルに実行されるコンピューティング機械である。

下記の特許請求の範囲における機能要素に加えて全ての手段またはステップの対応する構造、材料、作用、および同等物は、特に特許請求されるような他の特許請求される要素と組合せて機能を実行するための任意の構造、材料、または作用を含むことを意図するものである。本技術の説明は、例証および説明のために提示されてきたが、網羅的であること、または、開示の形式の本技術に限定されることを意図するものではない。本技術の範囲および精神から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態が当業者には明らかであろう。例示的実施形態は、本技術の原理、およびその実用的用途を最も良く説明するために、および、想定される特定の使用に適したような、様々な変更形態を伴う様々な実施形態について本技術を他の当業者が理解できるようにするために、選ばれ、説明された。

本技術の態様は、本技術の実施形態による方法、装置（システム）、およびコンピュータプログラム製品の流れ図および／またはブロック図を参照しながら上記で説明される。流れ図および／またはブロック図の各ブロック、ならびに流れ図および／またはブロック図におけるブロックの組合せは、コンピュータプログラム命令によって実行できることが理解されよう。これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータまたは他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサによって実行する命令が、流れ図および／またはブロック図の１つまたは複数のブロックで指定された機能／作用を実行するための手段を作り出すべく、機械を生み出すために、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに提供することができる。

これらのコンピュータプログラム命令は、また、コンピュータ可読媒体に格納された命令が、流れ図および／またはブロック図の１つまたは複数のブロックにおいて指定された機能／作用を実行する命令を含む製品を生み出すべく、コンピュータ可読媒体に格納することができ、特定の手法で機能するようにコンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、または他のデバイスに指図することができる。

コンピュータプログラム命令は、コンピュータまたは他のプログラム可能装置上で実行する命令が、流れ図および／またはブロック図の１つまたは複数のブロックにおいて指定された機能／作用を実行するための処理を提供するべく、コンピュータ、他のプログラム可能装置、または他のデバイス上で一連の動作ステップを実施してコンピュータ実行処理を生み出すように、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、または他のデバイス上にロードすることもできる。

図におけるブロック図は、様々な本技術の実施形態によるシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品の可能な実装形態のアーキテクチャ、機能、および動作を示す。この点に関して、ブロック図は、指定の論理機能を実行するための１つまたは複数の実行可能命令を含むコードのモジュール、セグメント、または一部を表すことができる。いくつかの代替実装形態では、ブロックに記された機能は、図に記された順序とは異なる順序で発生してもよいことにも留意されたい。例えば、連続して示された２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行されてもよく、または、ブロックは、時には、含まれる機能に応じて、逆の順序で実行されてもよい。ブロック図および／または流れ図の各ブロック、ならびに、ブロック図および／または流れ図におけるブロックの組合せは、指定の機能または作用を実施する専用ハードウェアベースのシステム、または専用ハードウェアおよびコンピュータ命令の組合せによって実行できることにも留意されたい。

「１つの実施形態（ｏｎｅｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「１つの実施形態（ａｎｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」への本明細書の全体にわたる言及は、実施形態とともに説明された特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体にわたる様々な場所における、句「１つの実施形態では（ｉｎｏｎｅｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「１つの実施形態では（ｉｎａｎｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「１つの実施形態によれば（ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｏｎｅｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」（または同様の意味を含む他の句）の出現は、必ずしも全て、同じ実施形態に言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、任意の適切な手法で、１つまたは複数の実施形態に結合されてもよい。さらに、本明細書における議論の文脈に応じて、単数形の用語は、その複数形を含むことができ、複数形の用語は、その単数形を含むことができる。同様に、ハイフンでつなげた用語（例えば「オンデマンド（ｏｎ－ｄｅｍａｎｄ）」）は、時として、そのハイフンでつながないバージョン（例えば「オンデマンド（ｏｎｄｅｍａｎｄ）」）と区別なく使用することができ、大文字のエントリ（例えば「ソフトウェア（Ｓｏｆｔｗａｒｅ）」）は、その大文字でないバージョン（例えば「ソフトウェア（ｓｏｆｔｗａｒｅ）」）と区別なく使用することができ、複数形の用語は、アポストロフィ（例えば、ＰＥ’ｓまたはＰＥｓ）の有無にかかわらず示すことができ、イタリック体の用語（例えば「Ｎ＋１」）は、そのイタリック体でないバージョン（例えば「Ｎ＋１」）と区別なく使用することができる。このような時折の入替え可能な使用は、互いに一致しないものとみなさないものとする。

また、いくつかの実施形態は、タスクまたはタスクのセットを実施する「ための手段（ｍｅａｎｓｆｏｒ）」の観点から説明することができる。「ための手段」は、プロセッサ、メモリ、カメラなどのＩ／Ｏデバイス、またはその組合せなどの構造の観点から本明細書で表現できることが理解されよう。代替として、「ための手段」は、機能または方法ステップを記述したアルゴリズムを含むことができる一方で、さらに他の実施形態では、「ための手段」は、数学の公式、もしくは散文の観点から、または、流れ図もしくは信号図として表現される。

本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態だけを説明するためのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用されるように、単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、および「前記（ｔｈｅ）」は、別途文脈がはっきり示さない限り、複数形も同様に含むことを意図するものである。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書で使用されるとき、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそのグループの存在または追加を排除しないことがさらに理解されよう。

いずれかの開示が参照により本明細書に組み込まれ、このような組み込まれた開示が、本開示と部分的および／または全体的に競合する場合、競合、および／またはより広い開示、および／または用語のより広い定義まで、本開示は制御する。このような組み込まれた開示が、互いに部分的および／または全体的に競合する場合、競合の範囲まで、後の日付の開示が制御する。

本明細書で使用される専門用語は、直接または間接の、完全または部分的な、一時的または永久的な、即時のまたは遅延した、同期式または非同期式の、活動または非活動を意味することができる。例えば、要素が、別の要素の「上に「ｏｎ」」、または別の要素に「接続される「ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ」」、もしくは「連結される「ｃｏｕｐｌｅｄ」」と言及されるとき、要素は、他の要素の直接的に上にある、または他の要素に直接的に接続もしくは連結されてもよく、および／あるいは、間接および／または直接の変形物を含む介在要素が存在してもよい。対照的に、要素が、別の要素に「直接的に接続される」または「直接的に連結される」と言及されるとき、存在する介在要素はない。本明細書で説明は、例証的であり、制限的ではない。本開示を見直す際、技術の多くの変形形態が当業者には明らかであろう。

様々な上記で開示されたおよび他の特徴および機能、またはその代替形態は、望ましくは、ヘッドアップタイプディスプレイなどの他の多くの異なるシステムまたは用途に組み合わされてもよいことが理解されよう。様々な現時点で予想していないまたは予期していない代替、修正、変更、またはその改善が、当業者によって後で行われてもよく、以下の特許請求の範囲に包含されることも意図するものである。例えば、ヘッドマウントディスプレイセットは、バイザ、ゴーグル、またはヘッドバンド構造であってもよく、図に示された特定のタイプに限定されない。同様に、光学結合基板の形状は、以前に本明細書で説明された手法で画像を誘導および結合することができる任意の形状であってもよい。

本開示の説明は、例証および説明のために提示されてきたが、網羅的であること、または、開示の形で本開示に限定されることを意図するものではない。本開示の範囲および精神から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態が当業者には明らかであろう。例示的実施形態は、本開示の原理、およびその実用的用途を最も良く説明するように、ならびに、想定される特定の使用に適しているような様々な変更形態を伴う様々な実施形態について本開示を当業者が理解できるように、選ばれ、説明された。

様々な実施形態が上記で説明されてきたが、限定ではなく、ほんの一例として提示されてきたことを理解されたい。説明は、本明細書で示された特定の形に技術の範囲を限定することを意図するものではない。したがって、好ましい実施形態の広さおよび範囲は、上述の例示的実施形態のいずれかによって限定されるべきではない。上記の記述は例証的であり、制限的でないことを理解されたい。逆に、本説明は、添付の特許請求の範囲によって定義されるような、また、当業者によって認識されるような、技術の精神および範囲内に含まれ得るような代替形態、変更形態、および、同等物をカバーすることを意図するものである。技術の範囲は、したがって、上記の説明を参照しながら決定されるべきではなく、代わりに、同等物のこれらの完全な範囲と共に添付の特許請求の範囲を参照しながら決定されるべきである。

Claims

光学過焦点反射システムであって、
少なくとも１つの光学基板と、
コリメート表示画像を前記光学基板に入力連結するように構成された光学入力連結部分と、
前記光学基板と統合された光学過焦点出力連結部分と
を備え、
前記光学出力連結部分が、少なくとも１つの過焦点反射ビューポートを含み、
前記過焦点反射ビューポートが、前記光学基板と統合された少なくとも１つの個別光学過焦点反射スポットを備え、
前記個別光学過焦点反射スポットが、少なくとも部分反射性であり、かつ、光学入力連結表示画像光線の個別部分を、個別仮想表示画像部分を形成する光線の個別光学スポットビームとして、前記過焦点反射ビューポートから所定の作動距離に位置する標的エリアに反射投影するように構成され、
前記個別光学過焦点反射スポットが、前記標的エリアに置くことができるレンズ検出システムによって視認される前記個別仮想表示画像部分のビューが過焦点になるような前記標的エリアに、直径を有する前記個別光学スポットビームを形成するように大きさを調整される
光学過焦点反射システム。
前記光学過焦点出力連結部分が、前記光学基板と統合された複数の前記過焦点反射ビューポートを含み、前記光学過焦点反射スポットが、前記光学過焦点連結部分に沿って伸びるパターン内に互いに間隔を隔てて分散され、前記表示画像またはその一部に一括して実質的に対応する複数の前記仮想表示画像部分の過焦点ビューを形成する、請求項１に記載の光学システム。
前記標的エリアが、人間の目のための標的エリアであり、前記標的エリアに置くことができる前記人間の目で観察できる前記仮想表示部分の前記過焦点ビューが、過焦点になる、請求項２に記載の光学システム。
前記光学基板が、前記光学基板の面を通じて受け取った、視線標的エリアからそれる実世界画像の光学光線を、部分的または実質的に透過させるものである、請求項２に記載の光学システム。
前記光学過焦点反射スポットの少なくともいくつかが、前記光学基板に埋め込まれる、請求項２に記載の光学システム。
前記光学反射スポットの少なくともいくつかが、前記光学基板の面に配置される、請求項２に記載の光学システム。
前記光学過焦点反射スポットのそれぞれが、約１００ミクロンと１０００ミクロンとの間の開口直径を有する、請求項２に記載の光学システム。
前記個別スポットビームのそれぞれが、前記標的エリアにおいて１００ミクロンと１０００ミクロンとの間の直径を有する、請求項２に記載の光学システム。
前記複数の過焦点ビューポートの前記光学過焦点反射スポットのそれぞれまたはいくつかが、反射間距離だけ間隔を隔てられ、前記反射間距離が、約５００μｍと８ｍｍとの間ある、請求項２に記載の光学システム。
前記光学過焦点反射スポットの形状およびパターンが、前記複数の過焦点ビューポートによって形成された仮想表示画像ビューが碁盤目状になるように選択される、請求項２に記載の光学システム。
前記光学過焦点反射スポットのそれぞれまたはいくつかが、波長選択反射スポットである、請求項２に記載の光学システム。
前記複数の過焦点反射ビューポートが、複数の赤色光過焦点反射ビューポート、複数の緑色光過焦点反射ビューポート、および複数の青色光過焦点反射ビューポートを備え、
前記複数の赤色光過焦点ビューポートのそれぞれの前記光学過焦点反射スポットが、特定の波長または波長帯域の赤色光を含む入力連結されたコリメート表示画像光線を選択的に反射して、他の波長を含む光を実質的に通すように構成され、
前記複数の緑色光過焦点ビューポートのそれぞれの前記光学過焦点反射スポットが、特定の波長または波長帯域の緑色光を含む前記入力連結されたコリメート表示画像光線を選択的に反射して、他の波長を含む光を実質的に通すように構成され、
前記複数の青色光過焦点ビューポートのそれぞれの前記光学過焦点反射スポットが、特定の波長または波長帯域の青色光を含む前記入力連結されたコリメート表示画像光線を選択的に反射して、他の波長を含む光を実質的に通すように構成される、請求項１０に記載の光学システム。
前記光学基板が、前記光学基板の面を通じて受け取った、視線標的エリアからそれる実世界画像の光学光線を、部分的または実質的に透過させるものである、請求項１１に記載の光学システム。
前記複数の過焦点ビューポートのそれぞれの各反射スポットが、前記反射スポットによって反射されない光の前記他の波長を含む実世界画像の光学光線を実質的に通し、前記反射スポットによって選択的に反射された前記特定の波長または波長帯域を含む前記表示画像光線に重ね合わされた視線標的エリアに前記光学光線が達することを可能にするように構成される、請求項１２に記載の光学システム。
過焦点反射スポットの前記パターンが、交互になった赤色光過焦点反射スポット、青色光過焦点反射スポット、および緑色光過焦点反射スポットを含む、請求項１３に記載の光学システム。
前記過焦点スポットのそれぞれが、少なくとも１つの反射コーティングを備える、請求項２に記載の光学システム。
前記過焦点反射スポットのそれぞれが、回折光学素子を備える、請求項２に記載の光学システム。
前記過焦点反射スポットのそれぞれが、偏光選択反射スポットを含む、請求項２に記載の光学システム。
複数の前記過焦点反射スポットが、第１の偏光状態選択反射スポット、および第２の偏光状態選択反射スポットを含み、前記第１の偏光状態が、前記第２の偏光状態とは異なる、請求項２に記載の光学システム。
第１の偏光状態が、第２の偏光状態に対して直交しているか、前記光学基板に沿った前記過焦点反射スポットの位置に応じて選択された中間の角度である、請求項１８に記載の光学システム。