JP2010507826A - 光磁気空間光変調器を含むホログラフィック・ディスプレイ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
A.光磁気SLMを有するホログラフィック・ディスプレイ装置
本実現例は、光磁気SLMを有するホログラフィック・ディスプレイ装置を提供し、その組合せは、適切な照明条件の下で3次元画像を生成できる。ディスプレイは、複数の光源又は単一の光源により照明されてもよい。ホログラフィック・ディスプレイは、テレビ、モニタ、ラップトップコンピュータ、移動電話、PDA、デジタル音楽プレーヤ又は一般的にディスプレイが使用される任意の他のデバイスにおいて使用されてもよい。
α = VLH (1)
式中、αは偏光回転角であり、Vはヴェルデ定数であり、Lは媒体の長さであり、Hは磁界強度である。ファラデー効果は、磁界により異方性が与えられることにより発生する。磁界は、回転方向の感度を示す軸性ベクトルである。従って、左右の円偏光の状態は、もはや縮退状態ではないため、異なる屈折率の作用を受け且つ媒体において異なる位相ずれの作用を受ける。直線偏光が左円偏光及び右円偏光から成るため、円成分が再度組み合わされて直線偏光を形成する時、それらの成分の異なる位相ずれにより直線偏光角の回転が起こる。
本実現例は、光の複素変調、すなわち振幅及び位相の独立変調のための空間光変調器(SLM)に関する。特に本実現例は、ファラデー効果による光の変調に基づくSLMに関する。SLMは、ホログラフィック・ディスプレイにおいて使用されてもよい。ホログラフィック・ディスプレイは、テレビ、モニタ、ラップトップコンピュータ、移動電話、PDA、デジタル音楽プレーヤ又は一般的にディスプレイが使用される任意の他のデバイスにおいて使用されてもよい。
第1の回転子におけるファラデー効果により、この円偏光成分の位相は、式(1)により記述されるような以下の式により表される分だけシフトされる:
α1 = V1L1H1 = V1N1I1
ファラデー回転子の後の振幅は以下の通りである:
第1の直線偏光子の後の振幅は以下の通りである:
第2のファラデー回転子による偏光回転を計算するために、直線偏光は、それぞれα2及び-α2だけシフトされた位相である左円偏光状態及び右円偏光状態に分解される:
α2 = V2L2H2 = V2N2I2
第2のファラデー回転子の後の振幅は以下の通りである:
最後に、第2の直線偏光子の後の振幅は以下の通りである:
2つのMOSLMは、|cos(α2)|だけ振幅を変調し、α1だけ位相を変調する。
・ビームステアリングのためのプリズムエレメント59
・ホログラムの計算、並びに変調器及びプリズムエレメントの制御のためのSLMに組み込まれたコンピュータ。これは、ディスプレイ(CIAD)52のコンピュータと呼ばれてもよい。そのようなコンピュータに対する回路網は、本出願人による英国特許出願公開第0709376.8号及び英国特許出願公開第0709379.2号において説明されるように、ガラス基板上に成長させられてもよい。実際のデバイスは、図5に示す3画素より多くの画素を有する。例えば実際のデバイスは、100万画素を与える1,000×1,000画素のアレイを有することができる。
・コンピュータCIAD52
・3つのコイルの横断面図が示されるコイル53を有する第1のレイヤ
・第1の磁性フォトニック結晶レイヤ54
・第1の偏光子55
・第2の磁性フォトニック結晶レイヤ56
・3つのコイルの横断面図が示されるコイル57を有する第2のレイヤ
・第2の偏光子58
・ビームステアリングのためのプリズムエレメント59
・上部ガラス基板510
3つの画素511、512、513を図5に示す。破線で示すように、各画素スタックは、コイル53の第1のレイヤから第2の偏光子58に及ぶ。画素511に関してSLMを説明する。光の伝搬の方向は、底部ガラス基板51から上部ガラス基板510である。
・偏光子55の各側に1つずつ存在する2つのCIAD。これは、コイルまでの距離が短いことを保証する。
・ガラス基板、MPC、コイル又は偏光子に取り付けられる柔軟性のあるシートの片側又は両側にある1つ又は2つのCIAD。
CIAD、コイル及びプリズムエレメントの電極の間又は複数のCIADの間の貫通接続又はコンタクトに対していくつかの可能性が存在する。例えば、以下の通りである。
・穴部のエッチング又はドリリング、あるいは穴部のフォトリソグラフィによる製造及び導電材料による充填。
・導電接着剤による一方のレイヤの接続領域の他方のレイヤの接続領域への接着。
・1つ又は複数のCIAD、偏光子又はコイルを含んでもよい複合多層シートの製造。
磁界の間のクロストークを回避又は補償するために注意が必要である。
・光変調に対する誤りの原因になる第1のコイル514及び第2のコイル516の磁界(漂遊磁界)の間のクロストークが計算及び補償される。計算及び補償は、リアルタイムで行なわれるか又はルックアプテーブル(LUT)を使用して行なわれる。
・コイルの軸から離れた漂遊磁界が小さいため、通常、隣接する画素間のクロストークは無視されてもよい。無視されない場合、クロストークはオンラインで又はLUTを使用して計算又は補償されてもよい。
・MPCに対するCIAD(及びCIADに対するMPC)の漂遊磁界のクロストークは、レイアウトを注意深く設計することにより最小限になる。一例として、反対方向の等しい電流を含む回路の経路は、遠視野磁界が相殺して適切な近似になるように近接して位置付けられる。
・高分子シート偏光子。
・一方の偏光方向を吸収する小さな埋め込み金属粒子を含むレイヤ。
・一方の偏光方向の光を透過し且つ他方の偏光方向を反射する平行ナノ構造ワイヤのアレイから構成されるワイヤグリッド偏光子(例えば、Moxtek Inc. of 452 West 1260 North, Orem, UT 84057, USAにより製造)。
・振幅及び位相の独立変調のための2つのMPC
・ビームステアリングのためのプリズムエレメント
・ホログラム計算、並びにコイル及びプリズムエレメントの制御のためのCIAD
より複雑でないSLMも製造できる。
・プリズムエレメントを有さないSLMは、光源追跡、走査ミラー又は外部のプリズムエレメント等の外部のビームステアリングエレメントと組み合わせて使用できる。
・CIADを有さないSLMは、ホログラム計算、並びにコイル及びプリズムエレメントの制御のための外部コンピュータと共に使用できる。
・ユーザがVOWを眼の位置に配置するように手動でデバイスを向ける場合、視線追跡を有さないSLMはハンドヘルドデバイスにおいて使用できる。
本実現例は、MOSLM及び十分なコヒーレンスの小型の光源の小型の組合せを提供する。その組合せは、適切な照明条件下で3次元画像を生成できる。
単純な場合において、固定単一光源を用いることができる。もし、観察者が動けば、観察者はトラッキングされ、ディスプレイは、観察者の新しい位置において観察可能な画像を生成するために調整されるであろう。ここでは、VOWのトラッキングが無い、もしくは、トラッキングがSLMの後方のビーム・ステアリング・エレメントを用いて実行されることとなる。
合焦手段は、単一もしくは複数の光源を観察者平面へ結像させる。SLMが焦点手段に近接しているので、SLMにてエンコードされた情報のフーリエ変換は、観察者平面ないに存在する。合焦手段は、1もしくは複数の合焦エレメントを有する。SLMと合焦手段との位置は、入れ替えられても良い。
ホログラムはSLMでエンコードされる。通常、ホログラムのためのエンコーディングは、複素数の2Dアレイからなる。よって、理想的には、SLMは、SLMの各画素を通過するローカル・ライト・ビームの振幅と位相を変調できるであろう。しかしながら、典型的なSLMは振幅と位相とのいずれかを変調することはできるが、振幅と位相を独立に変調することはできない。
VOWは、SLMにおいてエンコードされる情報のフーリエ変換の一つの周期的インターバルに限定される。現在利用可能な解像度が最大のSLMによれば、VOWのサイズは、10mmのオーダである。ある状況では、トラッキング無しのホログラフィック表示のアプリケーションでは、これは小さすぎるかも知れない。この問題に対する一つの解決策は、VOWを空間的に多重化することであり、2つ以上VOWが生成される。空間多重化を行う場合、VOWはSLMの異なる位置から同時に生成される。これは、ビーム・スプリッタにより実現されてもよい。例えば、SLMのある画素グループは、VOW1の情報によりエンコードされ、他のグループはVOW2の情報によりエンコードされる。ビーム・スプリッタは、VOW1とVOW2とが観察面において並列になるように、光をこれらの2つのグループから分離する。より大きなVOWは、VOW1とVOW2とをシームレスにタイル化することで生成されてもよい。多重化はまた、左目と右目のVOWを生成するために利用されてもよい。その場合、シームレスな並列化は必要とされず、左目用の一つまたはいくつかのVOWと、右目用の一つまたはいくつかのVOWとの間でギャップが生じてもよい。ここで、あるVOWの高次の回折次数が他のVOWの高次の回折次数とオーバラップしないように注意する必要がある。
時間多重化を行う場合、VOWはSLMの同一位置から連続的に生成される。これは、光源の位置を変更し、それに同期して再エンコーディングをすることによって実現されてもよい。光源位置の変更は、観察面においてVOWがシームレスに並列化されるように行われなければならない。もし、時間多重化が十分に高速な場合、すなわち全サイクルについて25Hzより大きい場合、人の目には連続的な拡張VOWが映るであろう。
MOSLMと視線追跡と十分に整合する小型の光源との小型の組合せでは、目位置検出器により観察者の目の位置を検出してもよい。一つ以上のVOWは、観察者が再構成されたオブジェクトをVOWを介して見ることができるようにするために、自動的に目の位置に配置される。
MOSLMと十分にコヒーレントな小型光源との小型の組合せについて、例を説明する。当該組合せにより、適切な露光条件下において3次元画像を生成することが可能となり、PDAや携帯電話に搭載されてもよい。MOSLMの小型の組合せ及び十分にコヒーレントな小型光源は、図12に示すように、光源アレイ、MOSLM及びレンズアレイとしてOLEDディスプレイを有する。
さらに他の実施形態において、2つのMOSLMの組み合わせは、順々に、かつ、小型の方法で光の振幅及び位相を変調するために使用されうる。このように、振幅及び位相から成る複素数は、画素単位ごとに透過光にエンコーディングされうる。
ホログラムにおける振幅及び位相情報をエンコーディングするための小型の配列の一例を図10に示す。104は、平面領域への照明を提供するための照明装置である。当該照明は、三次元画像の生成を導くことができるように、十分なコヒーレンスを有する。米国特許出願2006/250671号明細書には、広域ビデオホログラムの場合の照明装置の一例が開示されている。104のような装置は、光を照射する冷陰極蛍光ランプ、又は、白色発光ダイオードのような白色光源の配列の形式をとってもよい。これらの光の照射は、レンチキュラ・アレイ又はマイクロレンズ・アレイのような小型である合焦システムでの入射となる。或いは、104における光源は、十分なコヒーレンスの光を発光する、赤色、緑色及び青色レーザ、又は、赤色、緑色及び青色発光ダイオードを含んでもよい。しかしながら、十分な空間コヒーレンスを有する非レーザ光源(例えば、OLED、冷陰極蛍光ランプ)はレーザ光源よりも望ましい。レーザ光源は、ホログラフィック再構成においてレーザ・スペックルを引き起こしたり、相対的に高価であったり、ホログラフィック表示の観察者やホログラフィック・ディスプレイ装置の組立に従事している人の目に損傷を与える可能性に関する安全性の問題があったりなどの不利益がある。
図19にオブジェクトのホログラフィック再構成機能を有する、1つ若しくは2つのMOSLMの小型の組み合わせを内蔵する高倍率三次元画像ディスプレイ装置コンポーネントを示す。装置コンポーネントは、MOSLMとコヒーレンスの小型の光源との小型の組み合わせを含む。この小型の組み合わせは、適切な照明条件の下でVOW(図19のOWで示す)で見れる三次元画像を生成することができる。装置コンポーネントは、例えば、PDA又は移動電話機に内蔵されうる。SLMとコヒーレンスの小型の光源との小型の組み合わせは、図19に示すように、光源の配列、SLM、及びレンズ・アレイを備える。図19において、SLMは、1つ若しくは2つのMOSLMの小型の組み合わせを内蔵する。
多数のVOWに光を投影する代わりに、装置からの光は、スクリーン、壁、又は、いくつかの他の面に投影されてもよい。このように、移動電話機やPDAにおいて三次元ディスプレイ装置は、ポケット・プロジェクタとしても利用されうる。1つ若しくは2つの組のMOSLMの小型の組合せを含む他のどのような三次元ディスプレイ装置も、プロジェクタとして利用されうる。
本実施形態は、2Dエンコーディングを用いて組み合わされたホログラフィック・ディスプレイの仮想観察者ウィンドウ(VOW)の空間多重化に関する。或いは、ホログラフィック・ディスプレイは、セクションA、B、C、Dで説明したようなものか、又は、任意の既知のホログラフィック・ディスプレイであってもよい。
例えば、GaInAs又はGaInAsN材料に基づくRGB固体レーザの光源は、小ささ及び高い光の指向性を理由として、小型ホログラフィック・ディスプレイ用の光源に適している。そのような光源には、アメリカ合衆国カリフォルニア州のNovalux(登録商標)Inc.のRGB垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)が含まれる。各光源は、回折光学エレメントの使用を通じて複数のビームを生成するために使用され得るが、そのような光源は、単一のレーザとして、又はレーザのアレイとして提供され得る。コヒーレンスが、レーザスペックルパターン等の望ましくない結果を招くことなしに小型ホログラフィック・ディスプレイを使用するには高すぎる場合、当該ビームは、コヒーレンスレベルを低下させながら、マルチモード光ファイバを進む。
以下では、図2のデバイスを製造するためのプロセスの概要を説明するが、当該プロセスの多くの変形が当業者には明らかとなろう。
以下のセクションは、本発明を実施するいくつかのシステムにおいて使用される、いくつかの重要な技術の手引きとして意図されている。
(コンピュータ生成ホログラム)
実装例に対応するコンピュータ生成ビデオホログラム(CGH)は、シーンから算出されるホログラムである。CGHは、シーンの再構成に必要とされる光波の振幅及び位相を表現する複素数値を含み得る。CGHは、例えば、コヒーレント・レイ・トレーシングによって、シーンと参照波との間の干渉によって、又はフーリエ変換若しくはフレネル変換によって、算出され得る。
空間光変調器(例えば、構成セル)にビデオホログラムの制御値を供給する手順である。一般的に、ホログラムは、振幅及び位相を表現する複素数値を含む。
エンコーディングされた領域は、典型的には、単一のシーン点のホログラム情報がエンコーディングされる、空間的に制限されたビデオホログラムの領域である。空間的な制限は、急峻な打ち切りによって、又はビデオホログラムに対する仮想観察者ウィンドウのフーリエ変換によって実現されるなだらかな遷移によって、実現される。
フーリエ変換は、空間光変調器の遠視野における光の伝搬を算出するために使用される。当該波面は、平面波によって表現される。
フーリエ平面は、空間光変調器における光分布のフーリエ変換を含む。集束レンズがない場合、フーリエ平面は無限遠にある。集束レンズが空間光変調器に近接した光路にある場合、フーリエ平面は、光源の画像を含む平面に等しい。
フレネル変換は、空間光変調器の近視野における光の伝搬を算出するために使用される。当該波面は、球面波によって表現される。光波の位相要素は、横座標に二次的に依存する項を含む。
仮想的な錐台は、観察者ウィンドウとSLMとの間に構成され、SLMの後段に広がっている。シーンは、この錐台の中に再構成される。再構成されるシーンの大きさは、この錐台によって制限され、SLMの周期性間隔によって制限されることはない。
結像光学系は、1以上の光学部品であって、例えば、1つの光源(又は複数の光源)の画像を形成するために使用されるレンズ、レンチキュラ・アレイ、又はマイクロレンズ・アレイである。本明細書において、結像光学系が欠如することは、ホログラフィック再構成を構成する際に、フーリエ平面と1つ又は2つのSLMとの間に位置付けられた平面において、本明細書で説明したとおり1つ又は2つのSLMの画像を形成するために結像光学系が使用されていないことを意味する。
光システムは、レーザのようなコヒーレントな光源、又はLEDのような部分的にコヒーレントな光源を含む。部分的にコヒーレントな光の時間的及び空間的なコヒーレンスは、シーンの良好な再構成を容易にするのに十分でなければならない。即ち、スペクトル線の幅及び放射面の横方向の拡張は、十分に小さくなければならない。
マイクロレンズアレイは、ディスプレイの小領域において局所化されたコヒーレンスを提供する。当該領域は、再構成されたオブジェクトの所定の点を再構成するのに利用される情報をエンコードするディスプレイのごく一部である。局所化されたコヒーレンスは、典型的にはアレイの1つのマイクロレンズに存在する。サブホログラム、即ち、エンコードされた領域は、単一のマイクロレンズよりも大きくてもよい。再構成点は、異なるマイクロレンズからのいくつかの最構成像をインコヒーレントに重ねあわせたものであろう。典型的には、サブホログラム、即ち、エンコードされた領域は、1又は2マイクロレンズに広がっている。
仮想観察者ウィンドウは、再構成された3Dオブジェクトが観察される観察者平面における仮想的なウィンドウである。VOWは、ホログラムのフーリエ変換であり、可視状態にあるオブジェクトの複数の再構成を避けるために、1つの周期性間隔内に位置付けられる。VOWの大きさは、少なくとも目の瞳孔の大きさでなければならない。観察者トラッキング・システムを用いて少なくとも1つのVOWが観察者の目に位置付けられる場合には、VOWは、観察者の横方向の移動範囲よりずっと小さくなり得る。このことは、適度な解像度と、それによる小さい周期性間隔とを有するSLMの使用を容易にする。VOWは、それぞれの目に対する1つのVOW又は両方の目に対する1つのVOWが、再構成された3Dオブジェクトが観察され得るキーホール(keyhole)と想像され得る。
個別にアドレス指定可能な(addresable)セルから成るSLM上に表示される場合、CGHはサンプリングされる。このサンプリングは、回折パターンの周期的な繰り返しを生じさせる。周期性間隔は、λD/pであり、λは波長、Dはホログラムからフーリエ平面までの距離、及び、pはSLMセルのピッチである。
ホログラムを用いてエンコーディングされた、照明された空間光変調器は、元の光分布を再構成する。この光分布は、ホログラムを算出するために使用されていた。理想的には、観察者が、再構成された光分布と元の光分布とを区別することが不可能であろう。大部分のホログラフィック・ディスプレイでは、シーンの光分布が再構成される。本発明のディスプレイでは、仮想的な観察者ウィンドウにおける光分布が再構成される。
再構成されるシーンは、現実の又はコンピュータにより生成される三次元の光分布である。特別な場合として、二次元の光分布の場合もある。シーンは、空間に配置された、固定された又は移動する異なるオブジェクトを構成し得る。
SLMは、入射光の波面を変調するために使用される。理想的なSLMは、任意の複素数値を表現でき、即ち、光波の振幅及び位相を独立に制御することができよう。しかし、従来の典型的なSLMは、他の特性にも影響を及ぼす望ましくない副作用を生じた状態で、振幅及び位相の何れか1特性のみを制御する。
Claims (25)
- 少なくとも1つの光磁気SLMを備えるホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 第1のMOSLM及び第2のMOSLMを備え、該第1のMOSLM及び該第2のMOSLMはホログラムをエンコーディングし、ホログラフィック再構成を生成することを特徴とする請求項1に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 前記第1のMOSLM及び前記第2のMOSLMは独立制御された方法でホログラム画素のアレイの振幅及び位相を変調することを特徴とする請求項2に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 振幅及び位相から構成される複素数が透過光において画素毎にエンコーディングされるように、小型で且つ順番に光の振幅及び位相を変調するのに使用される前記第1のMOSLM及び前記第2のMOSLMの小型の組合せを備えることを特徴とする請求項2又は3に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- MOSLMと十分なコヒーレンスの小型の光源との小型の組合せを備え、該組合せは、適切な照明条件下で3次元画像を生成可能であることを特徴とする請求項1に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- オブジェクトのホログラフィック再構成と共に、1つ又は2つのMOSLMの小型の組合せを内蔵する高倍率の3次元画像ディスプレイ装置コンポーネントを備えることを特徴とする請求項1に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 1つ又は2つのMOSLMの小型の組合せを内蔵し、プロジェクタとして使用可能な、請求項1に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 少なくとも1つのSLMがホログラムをエンコーディングし、ホログラフィック再構成を生成する請求項1乃至7のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- ファラデー効果を使用して光を変調することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 前記ファラデー効果が磁性フォトニック結晶を使用して実現されることを特徴とする請求項9に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 前記ファラデー効果がドープガラス繊維を使用して実現されることを特徴とする請求項9に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 前記ファラデー効果が光磁気フィルムを使用して実現されることを特徴とする請求項9に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 前記ホログラフィック再構成が複数の仮想観察者ウィンドウを介して視認可能であることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 前記複数の仮想観察者ウィンドウが空間多重化又は時間多重化を使用してタイル状に配置されることを特徴とする請求項13に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 前記ディスプレイが観察者の左眼及び右眼に対するホログラムを含む媒体上のホログラムを時系列に再エンコーディングするように動作可能であることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 前記ディスプレイが2人以上の観察者の各々の左眼及び右眼に対してホログラムを含む媒体上のホログラムを時系列に再エンコーディングするように動作可能であることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 前記ディスプレイがビームステアリングのためのエレメント又はビームスプリッタを有することを特徴とする請求項1乃至16のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 前記ディスプレイがCIADレイヤを有することを特徴とする請求項1乃至17のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 前記ディスプレイが視線追跡を有することを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 前記ディスプレイがバックライト及びマイクロレンズアレイにより照明されることを特徴とする請求項1乃至19のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- テレビ装置であることを特徴とする請求項1乃至20のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- モニター装置であることを特徴とする請求項1乃至20のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- 携帯可能であることを特徴とする請求項1乃至22のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置。
- ホログラフィック・ディスプレイ装置を製造する方法であって、ガラス基板を用意し、該基板上にMOSLMのためのレイヤを連続してプリントするか、又は、生成する工程を備えることを特徴とする方法。
- 請求項1乃至23のいずれか1項に記載のホログラフィック・ディスプレイ装置を利用する工程を備える、ホログラフィック再構成の生成方法。
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