JP5409611B2 - 光変調用装置 - Google Patents

Description

本発明は、規則的に構成された制御可能な光変調素子を含む光変調用装置に関する。光変調用装置は、十分にコヒーレントな光波の位相及び振幅を変調するために複屈折材料を含み、その分子軸は、制御可能な力に影響される際にある特定の方位を向く。

本発明は、光変調手段の分野に適用され、例えば、ビデオ及びＴＶ装置、並びにプロジェクタ及びホログラフィック表現用の同様の装置において表示パネルとして使用される高い画像解像度の平面型空間光変調器の分野に適用される。照明手段と光学系を組み合わせることにより、これらのパネルは、シーンのホログラフィック再構成用のホログラフィックディスプレイとして使用可能である。ホログラフィックディスプレイは、直視型ディスプレイ及び投影型ディスプレイの双方であってもよい。制御可能な素子は、光変調器の画素であってもよい。

好ましくはリアルタイム又はほぼリアルタイムであるビデオのホログラフィック表現に関連して、本発明を参照する。本明細書において、ビデオは、各々が光変調手段の素子においてホログラムの形状に個別に符号化される多数のシーン（フレーム）を含む。ホログラムを符号化する多くの方法が周知であり、それらは提供された光変調手段の特性を考慮する。

本発明の説明において、「規則的に構成された制御可能な素子」という用語は、光変調器の画素又は連続的に可変であり、且つ、非ピクセル化された光変調器の符号化表面のいずれか一方を示し、表示される情報により形式的に個別の領域に分割される。

ホログラフィックディスプレイの特定の種類は、本出願人により出願された先行文献、例えば、特許文献１乃至３から周知である。

そこで、ホログラム計算は、以下に基づいて実行される。３次元シーンは、符号化及びホログラフィック再構成のために多数の物点に分割される。コヒーレント光が光変調器を透過する間、制御可能な素子は、シーンの各物点を再び再構成できるように光の振幅及び／又は位相を変調する。各物点は、例えば、光変調手段の符号化表面のある特定の領域において符号化され、その後、前記領域は、それを再構成する。この領域は、この物点のサブホログラムと呼ばれる。サブホログラムは、その焦点においてこの１つの物点を再構成するホログラムとして符号化されたレンズ機能にほぼ対応する。物点は、複素数値の形式に符号化される必要がある。複素数値の絶対値、即ち、振幅は、サブホログラム全体にわたりほぼ一定であり、その大きさは、画面までの物点の軸距離及び物点の光度に依存する。サブホログラム内の複素数値の位相分布は、焦点距離が光変調手段又は画面までの物点の軸距離に依存するレンズの機能にほぼ対応する。サブホログラムの外側において、値「０」は、この物点毎に光変調手段に書き込まれる必要がある。サブホログラム内にある光変調器のこれらの画素のみが、その単一の物点の再構成に寄与する。ホログラム全体は、個々のサブホログラムを追加することで得られる。

例えば、シーンのホログラフィック再構成は、可視領域と光変調手段との間にわたる再構成ボリュームにおいて光再構成システムと共に動作することで生成される。光変調手段上に符号化されるシーンのホログラムにより放射される波面は、可視領域において重ね合わされ、再構成された物点は、可視領域において眼の位置から見ることができる。重ね合わされ、且つ、変調された波面の再構成は、観察者の両眼で同時に見ることができない。３次元シーンの各次元の斜視図は、時分割多重方式処理又は空間多重方式処理において観察者の眼毎に生成される。前記図は、視差は異なるが、単一のホログラフィック３Ｄ表現として脳により知覚される。

観察者は、３次元シーンの再構成を観察するために、シーンのホログラムが直接符号化される光変調手段及び画面として機能する光変調手段のどちらかを見る。これを直視型の構成と呼ぶ。あるいは、観察者は、光変調手段上で符号化される画像又はホログラム値の変換のいずれか一方が投影される画面を見る。これを投影型の構成と呼ぶ。観察者の眼の位置は、ソフトウェア手段により計算ユニットにリンクされる位置検出器により周知の方法で検出される。

計算機ホログラムであってもよく、且つ、その値がメモリユニットにおいてルックアップテーブルの形式で使用可能であるシーンのホログラムを計算することにより、光変調手段上で符号化される必要がある、即ち、光変調手段に書き込まれる必要がある複素数又は複素数値を計算ユニットにおいて物点毎に提供する。複素数値は、ピクセル化ＳＬＭの場合には空間光変調器（ＳＬＭ）の画素において符号化され、非ピクセル化ＳＬＭの場合には表示される情報により形式的に規定される連続的な符号化表面の個別の領域において符号化される。

コヒーレントな入射光波は、光波の位相のみを変調するＳＬＭ又は振幅変調のみに影響するＳＬＭにより変調される。更に、組み合わされた位相及び振幅変調を実行するＳＬＭが存在する。振幅値と位相値との固定の組合せはこれらのＳＬＭに書き込まれるが、任意の複素数値は書き込まれない。

ＳＬＭ上に複素数を示す従来の解決策は、例えば、１つの複素数を示すＳＬＭの複数の隣接する画素を使用することである。これは、常に不利益である。例えば、複数の隣接する画素において振幅を符号化することは、通常、光変調手段の回折効率の低下につながる。位相値のみが複数の隣接する画素において符号化される場合、符号化される値を実際のシーンに可能な限り近づけるために、時間のかかる反復計算処理が更に必要になる。

特許文献４等に開示されるような複素数を示す他の周知の解決策は、複数の光変調器の組合せ、例えば、２つの位相変調光変調器又は１つの位相変調光変調器と１つの振幅変調光変調器との組合せを利用することである。この場合の欠点の１つは、２つの光変調器の画素グリッドを厳密に一致させるために、非常に困難で面倒な調整処理が必要なことである。

特許文献５において、振幅及び位相をそれぞれ個別に制御する光変調器が説明されている。それは、それぞれが１つの液晶層を含む２つの偏光回転素子を含み、前記素子の各々は２つの支持基板の間に配設される。また、基本電極及びグリッド電極は、各層に別個に提供される。２つ素子は、製造中に既に配向される。しかしながら、今日、ホログラフィックシーンの複素数値の情報が直接書き込まれ、且つ、光で変調される１つの液晶層のみを含むＳＬＭは市販されていない。

公知のように、光変調器を実現する１つの方法は、液晶（ＬＣ）の使用に基づく。液晶は、電界の印加等により分子の光軸が所望の方位を有するように制御される複屈折材料である。ネマティック液晶において、光軸は分子の縦軸である。そのような種類の光変調器において、入射光の変調は、光変調器を介する光の透過の方向に対する分子の光軸の設定方位及び光の偏光に依存する。ＬＣ型光変調器は周知であり、振幅変調光変調器又は位相変調光変調器のいずれか一方として使用される。

特許文献６において、光アドレス型ＳＬＭ（ＯＡＳＬＭ）が説明されている。それは、液晶層及び電極に加えて光導電層を含む。光導電層の導電率は、ＳＬＭ上に入射する書込み光の強度に依存して変動する。その後、電界が電極及び光導電層を介して印加される場合、光導電層は、書込み光により制御される導電率に依存して液晶層に印加される電界に影響を及ぼす。液晶層の分子の方位は、印加される電界の影響を受け、十分にコヒーレントな読出し光を変調する働きをする。ＥＡＳＬＭにおいて個別の制御電圧が各画素にアドレス指定される必要がある一方、ＯＡＳＬＭにおいて一定の制御電圧が供給され、分子の局所的な方位は書込み光からの影響を受ける。しかしながら、従来のＯＡＳＬＭは、読出し光の位相又は振幅のいずれか一方を変調するためだけに使用される。

単一の液晶層を含む単一の光変調器において、ＬＣ層に印加される電界又は同様の慣性力が液晶分子の軸の方位に影響を及ぼすために常に１つのパラメータのみを変更するため、位相及び振幅はそれぞれ個別に変調されない。位相変調を示す図１及び振幅変調を示す図２を参照して、これを以下に更に詳細に説明する。

図１は、ピクセル化された位相変調光変調器を示す概略図である。図１は、先行技術を示し、位相変調光変調器の機能について、１つの画素Ｐの大きさを有する変調器の領域の例と共に以下に説明する。主な素子のみが図示され、且つ、説明される。

画素Ｐは、フレームを有するように示され、殆どのコヒーレント光が入射する分子Ｍを含む液晶層ＬＣ等の複屈折材料を含む。十字形を含む丸で図示されるように、入射光の方向は図面の平面に対して垂直である。

図１ａの上面図において、分子Ｍは、初期の状況において、位相変調光変調器のオフ状態で示される。入射光は垂直に偏光され、両矢印で示される。分子Ｍの光軸は、入射光に対して平行となる。

図１ｂ及び１ｃにおいて、画素Ｐは、中間電圧において位相変調光変調器のオン状態で概略的に示される。分子Ｍの光軸は、印加される電圧Ｖにより形成されるある特定の角度だけ配向する。最大電圧が印加される場合、軸は、平面に対して直角に配向する。図１ｃに示すように、液晶層ＬＣは、ガラス板等の２つの対向する支持基板ＴＳ内に組み込まれる。分子Ｍは、対向する電極Ｅ１とＥ２との間に電界を印加することにより、光特性において制御される。入射光の方向は、矢印で示される。光の偏光方向は、印加される電圧Ｖにより変化しないが、光の位相は、分子Ｍの光軸の方位に影響される。

これは、例えば、面内スイッチング（ＩＰＳ）ディスプレイにおいて使用されるような従来技術に係る振幅変調光変調器に類似する。その機能は、１つの画素Ｐの大きさを有する領域の例と共に、図２に示される。図１と同様に、図２ａ及び２ｂは画素Ｐの上面図であり、図２ｃは側面図である。

図２ａの画素Ｐのオフ状態における分子Ｍの光軸の方位及び入射光の偏光ＰＯは、図１ａと同一である。しかしながら、電極Ｅ１及びＥ２は、図２ａにおいて異なって構成される。印加される電圧Ｖがこの構成において左から右に有効である一方、側面図において電界は示されない。この図は概略的であり、非常に大まかである。一般に、画素の横の長さが数マイクロメータより長いため、横電極は、通常、高すぎる電圧を印加しなくてもよいように細分される。その結果、複数の電極が画素毎に直列接続される。但し、図面のある特定の明確さを維持するため、本明細書では２つの電極のみを示す。

図２ｂ及び２ｃは、オン状態において画素Ｐを示す図である。中間電圧Ｖが印加される場合、分子の光軸は、図２ｂに示すように平面上で回転し、これは、分子Ｍのわずかな傾きにより示される。これに対して、分子軸は、図２ｃにおいて上面図の平面上で回転しない。電圧Ｖが液晶層ＬＣの所定の厚みに印加される際に分子Ｍの光軸が配向するため、入射光の偏光は、値ＰＯ１から開始してある特定の角度だけ回転されて値ＰＯ２になる。偏光の回転角の大きさは、入射光の偏光ＰＯと分子Ｍの光軸の合成方位との角度の２倍である。

光の振幅は、この層の後に配設される偏光子（不図示）により、光が液晶層ＬＣを透過した後に変調される。例えば、平行偏光子を使用することにより、電圧を印加することなく最大振幅が得られ、電圧を印加することでゼロの振幅が得られ、且つ、分子の光軸は４５°だけ回転する。その結果、偏光において９０°だけ回転する。要約すると、単一の光変調器を使用することにより、入射光波は、常に、複素数値の１つの部分のみで変調される。

液晶型の２つのＳＬＭの組合せが、取付具により製造中の振幅及び位相の同時変調で既に実現される場合、ある特定の基準が維持される必要がある。２つのＳＬＭが、ＬＣ層に加え、ガラス板又は柔軟な層であってもよい支持基板を必要とするため、２つのＬＣ層間の距離は相対的に長い。割り当てられた画素に従って光が常に２つのＳＬＭを通過するため、２つのＳＬＭは、複素数値を正確に変調するために、画素が完全に一致するように配設される必要がある。完全に回避できない２つのＬＣ層間の距離のため、この条件は、光が斜角でＳＬＭパネルを介して透過される場合は言うまでもなく、入射光線の小さな角度の場合も達成されない。但し、垂直な入射光の場合であっても、２つの画素に割り当てられる光源の不正確な調整により、光が２つのＳＬＭパネルにおいて２つの異なる画素を通過する。

この欠点は、特に、ホログラフィック再構成の際に特に好まれる数マイクロメータの大きさの小さな横の画素に影響する。このため、２つのＳＬＭを組み合わせて適切なホログラフィックシーンの再構成を実現することは困難である。

欧州特許第１，５６３，３４６Ａ２号公報 独国特許出願公開第１０ ２００４０６３ ８３８ Ａ１号 独国特許出願公開第１０ ２００５０２３ ７４３ Ａ１号 米国特許５，４１６，６１８号公報 米国特許５，７１９，６５０号公報 欧州特許第０，５８３，１１４号公報

本発明の目的は、複雑なホログラム値を示す際に上述の従来技術の欠点を回避すること、並びに単一の光変調装置を使用して光波の振幅及び位相の変調を簡略化することである。

本発明は、十分にコヒーレントな光波の位相及び振幅を変調するために分子形態の複屈折材料を含み、規則的に構成された制御可能な光変調素子を含み、力を加えることの影響を受ける分子の光軸の方位を変調コントローラが制御する装置に基づく。

目的は、光変調素子における分子の光軸の方位を２次元において各次元ごとに変化させる制御可能な手段及び光の射出側上に配設される偏光子により、本発明に従って達成される。好適な一実施形態において、複屈折材料は液晶の単一層を含む。

本発明の１つの特徴によれば、分子の光軸の方位は、２つの制御可能な外部の有効手段からの影響を受ける。それらは、複屈折材料の光軸の投影の２つの角度をそれぞれ個別に２つの垂直な平面に設定するために分子の光軸に影響を及ぼすように徐々に制御される。

光軸の方位が２次元において互いに独立しているため、複素数値は、振幅と位相との種々の組合せにより示されることが好ましい。従来技術とは異なり、光波の振幅変調のための値及び位相変調のための値は、本発明に従って設計された光変調器において固定して組み合わされておらず、また、互いに依存もしない。

手段の第１の実施形態において、外部の有効手段のうち少なくとも１つは電界である。

手段の第２の実施形態において、外部の有効手段のうち少なくとも１つは磁界である。

手段の第３の実施形態において、分子の少なくとも１つの軸は、光手段を活用して配向される。

本発明を更に特徴付ける特徴は、電界又は磁界を生成する２つの手段が、光変調器の各光変調素子において互いに直角に周囲に配設されることである。

光手段を活用して方位に影響を及ぼす２つの実施形態が提案される。

第１の実施形態において、液晶の層又は他の複屈折材料には染料分子が添加（ドープ）され、１つの平面における方位は、装置上に入射する書込み光の偏光を変化させることの影響を受ける。他の平面における方位は、電界又は磁界を生成することの影響を受ける。

第２の実施形態において、分子の光軸は、入射書込み光の強度を変化させることで１つの平面上で配向する。このため、装置は、書込み光上で反応する光導電材料の層を更に含む。他の平面における方位は、電界又は磁界を生成することにより再度影響を受ける。

しかしながら、これらの実施形態の任意の他の組合せも可能である。

本発明の別の実施形態において、装置は、光変調素子を含む空間光変調器である。シーンのホログラムがこれらの素子に書き込まれる場合、並びに装置が照明ユニット及び光学系を更に含む場合、それは、ホログラフィックシーンを示すために使用される。そのような構成の装置は、ホログラフィックディスプレイにおいて光変調器として使用される。

本発明を更に特徴付ける特徴は、光変調素子が画素であること、並びに個々の画素において入射光の位相及び振幅の双方を同時に変調するために、方位影響手段の対が２つの平面において方位に影響を及ぼすように割り当てられることである。

目的は、十分にコヒーレントな光波の振幅及び位相を変調するために分子形態の複屈折材料を含み、規則的に配置された制御可能な光変調素子を含む装置を使用する光変調の方法により更に達成される。分子の光軸の方位は、変調コントローラにより制御される力を加えることにより影響を受ける。本発明によれば、方法は、分子の光軸が、外側から光変調素子に影響を及ぼす制御可能な手段により、２次元において各次元ごとに配向されることと、射出側上に配設される偏光子が提供されることとを特徴とする。

分子の軸の方位は、処理ステップにおいて、それぞれ個別に制御される２つの外部の有効手段からの影響を受ける。軸の方位は、連続的に制御されることが好ましい。

方法の一実施形態において、シーンのホログラムは、空間光変調手段の形状で設計される装置に書き込まれる。照明ユニットがホログラムを照明する場合、シーンのホログラフィック再構成は光学系に関連して生成され、構成要素はホログラフィックディスプレイ手段を共に実現する。

方法の別の実施形態において、電気手段により生成され、垂直な有効方向を有し、且つ、強さがそれぞれ個別に制御される２つの電界は、入射光の位相及び振幅を同時に変調するために、分子の光軸に影響を及ぼす。

上述の方法の変形例において、垂直な有効方向を有し、且つ、強さがそれぞれ個別に制御される２つの磁界が分子の光軸に影響を及ぼし、それらの方位を変更させることも可能である。また、分子の光軸を配向するために、垂直な有効方向を有する電界と磁界との組合せを使用することも可能である。更に、装置の請求項において言及される分子の光軸を配向する手段の他の組合せが、この方法で使用されてもよい。

光変調手段の平面における分子の光軸の方位は、例えば、染料分子が添加される複屈折材料において偏光された書込み光を活用する光配向により及び前者に対して垂直な平面における電界又は磁界の作用により光学的に影響を受ける。装置が少なくとも１つの直線偏光光源を含む照明手段を既に含む場合、光源の偏光は、照明手段が含まれない場合に入射光の面上に配設される必要がある偏光子の機能を既に果たす。この場合、書込み光の偏光は、偏光子が引き起こす任意の妨害の影響が発生することなく変更される。

使用する偏光された書込み光の更なる候補は、読出し光の波長に反射し、且つ、背面から書き込まれる光変調器である。

本明細書で説明される方法及び本明細書で説明される光変調手段を使用することにより、ホログラフィックディスプレイ装置は、ホログラフィック再構成を生成するために実現される。ホログラフィックディスプレイ装置は、規則的に構成された画素と液晶層とを有する光変調手段を含む光変調装置を含み、照明ユニットから放射される十分にコヒーレントな光波の位相及び振幅を変調するために、上述の実施形態に係る変調コントローラにより制御され、且つ、外部からの画素に作用する制御可能な手段により、液晶（ＬＣ）分子の光軸の方位が２次元において各次元ごとに影響を受け、ホログラフィックに符号化された３Ｄシーンの合成された位相値及び振幅値を同時に変調するために、ホログラフィックディスプレイ装置が、光変調手段において変調される光波を活用して再構成ボリュームにおいて３Ｄシーンを再構成する光学系を更に含む。

本発明に係る装置により、１つの液晶層を含む１つのＳＬＭのみが必要とされるため、３Ｄシーンの計算された複雑なホログラム値の符号化、並びに位相値及び振幅値を含むコヒーレントな入射光波の変調は簡略化される。これに対し、複数のＳＬＭの組合せ又は複数の個々の液晶層を含む１つのＳＬＭが、従来技術の装置及び方法において使用される。更なる利点は、複数のＳＬＭを要する解決策と比較して、光の伝播中の個々のＬＣと基板層との間の妨害の影響が回避されることである。

次に、添付の図面を活用して、本発明に係る光変調用装置及び対応する方法を更に詳細に説明する。

図１ａは、従来技術を示し、オフ状態において液晶層の分子を含む位相変調のためのＳＬＭの画素を示す上面図である。 図１ｂは、従来技術を示し、オン状態において液晶層の分子を含む位相変調のためのＳＬＭの画素を示す上面図である。 図１ｃは、図１ｂの状況を示す側面図である。 図２ａは、従来技術を示し、オフ状態において液晶層の分子を含む振幅変調のためのＳＬＭの画素を示す上面図である。 図２ｂは、従来技術を示し、オン状態において液晶層の分子を含む振幅変調のためのＳＬＭの画素を示す上面図である。 図２ｃは、図２ｂの状況を示す側面図である。 図３ａは、本発明を示し、オフ状態において液晶層の分子を含むＳＬＭの画素を示す上面図である。 図３ｂは、図３ａの状況を示す第１の側面図である。 図３ｃは、９０°だけ回転させて図３ｂの状況を示す第２の側面図である。 図３ｄは、オン状態において液晶層の分子を含むＳＬＭの画素を示す上面図である。 図３ｅは、図３ｄの状況を示す第１の側面図である。 図３ｆは、９０°だけ回転させて図３ｅの状況を示す第２の側面図である。 図４ａは、分子の光方位を含む液晶層の分子を含むＳＬＭの画素を示す上面図である。 図４ｂは、図４ａの状況を示す側面図である。 図５ａは、書込み処理中における分子の光方位を含む画素を示す側面図である。 図５ｂは、光方位の読出し処理を示す第１の側面図である。 図５ｃは、９０°だけ回転させて図５ｂの状況を示す第２の側面図である。 図６は、複素数値変調を示す振幅と位相との組合せのグラフィック表現を示す図である。

装置は、光変調手段の物理的な形状で説明される。光変調手段は、ピクセル化された符号化表面を有し、透過型又は反射型のいずれか一方である。それは、製造過程に起因する間隔により離間される有限の範囲の規則的に構成された画素を含む。液晶変調器の場合、符号化表面は、例えば、高精度な電極のグリッドにより交差し、その間には、互いにある特定の距離で特徴付けられる画素、即ち、画素ピッチが存在する。画素の振幅及び位相が透過又は反射に対して符号化されるように、電極は、特にソフトウェア手段によるコンピュータを活用して、制御ユニットにより切り替えられる。複素数値で符号化される透過画素は入射光波を透過し、反射画素は光波を反射する。図面をある程度明確にするため、光手段、光関連手段及び他の電気手段又は電子手段の表現は省略する。

次に、本発明は、以下の概念に基づく。複屈折材料は、２つの異なる平面において有効な２つの光軸を含む分子を含むため、入射光波の変調のための複素数値を示すのに適する。光波の位相及び振幅をそれぞれ個別に制御できるように、それは、２次元において各次元ごとに分子の光軸の方位に影響を及ぼすことを実現する必要がある。これは、以下のように起こる。部分平面が複屈折材料にある場合及び座標軸がこの部分平面にある場合、この部分平面への光軸の幾何投影により、座標軸に対して角度が形成される。この角度は、この平面において分子の光軸を移動することにより変更される。第２の部分平面が第１の部分平面に対して直角である場合及び第２の座標軸が第１の座標軸に対して直角でこの第２の部分平面にある場合、光軸の幾何投影により、この座標軸に対して角度が更に形成される。互いに独立したこれらの２つの角度の変形は、本発明に従って、分子の光軸の方位に２次元において各次元ごとに対応する。

光軸の方位は、一般に、入射光の偏光と組み合わされる。複屈折材料を含む光変調器等の画素において２次元で分子の光軸の回転を得るために、偏光子は光変調器の前に配置される。直線偏光光源が照明に使用される場合、その光源自体によって放射される光の偏光は、追加の偏光子に置換される。

まず、分子の光軸の方位が上面図において１つの平面のみで考慮される場合、直線偏光入射光が、分子の光軸に対して平行な構成要素とそれに対して垂直な構成要素とに分割されることが考えられる。光が液晶（ＬＣ）層等の複屈折材料を介して透過される際、その光軸に対して平行なＬＣ層及び垂直なＬＣ層の屈折率が異なるため、これら２つの構成要素間にリタデーションがある。

一方では、このリタデーションは、光が透過される層の厚みに依存する。他方では、それは、この平面からのＬＣ分子の回転の影響を受ける。光軸に対して最初に垂直に配向された光の構成要素は、依然として直角となるように存在するが、光軸に対して最初に平行な他の構成要素は、分子のこの回転のために分子の光軸に対する角度を変える。これは、光に対して異なる有効な屈折率を形成する。従って、ＬＣ層の厚みが変化しない一方、２つの構成要素間のリタデーションは減少する。

その結果、一般的な場合、ＬＣ層を透過した後で楕円偏光が生成される。ＬＣ層の後に配設される偏光子は、その部分のみを透過し、その後直線偏光される。この部分は、規定された振幅Ａ及び規定された位相遅れδを有する。１つの波長λの光リタデーションは、一般に、２πの位相遅れδと一致する。それは、複屈折Δｎ及びＬＣ層の層の厚みｄに依存する。等式によれば、
δ ＝ ２π ／ λ Δｎ ｄ
式中、Δｎは、平面に対して垂直な分子の光軸の回転角Ψに依存することになる。等式によれば、

式中、ｎ_＝は分子の光軸に対して平行な屈折率であり、ｎ_⊥はそれに対して垂直な屈折率である。これらのパラメータは、実際に使用される複屈折材料を特徴付けるため、材料特有のものである。

文字δは、ＬＣ層の厚みにより起こる光の位相遅れ及び分子の光軸が平面から出る角度Ψを示し、文字θは、ＬＣ層に入る前の光の偏光の方向に対する分子の回転角を示す。次に、ＬＣ層及び第２の偏光子を透過した後に双方の偏光子が平行に配設される場合、
振幅は以下の通りであり、

位相は以下の通りである。

光軸が平面から出る場合に、振幅が変更されない一般的な位相変調光変調器等において少なくとも２πの合成位相遅れがあるようにＬＣ層の厚みが選択されると、平面内でＬＣ分子を更に回転させることにより、即ち、角度θを変更させることにより、振幅値Ａと位相値φとの異なる組合せを実現できる。

これら２つの等式において、特例θ＝０及びδの変形は、一定の振幅において単なる位相変調と一致する。特例δ＝π及びθの変形は、単なる振幅変調と一致する。双方のパラメータの変形θ及びδにより、光の複素数値変調が発生する。

一般に、偏光子の他の構成も可能である。振幅及び位相に対する等式は、状況に応じて取得される必要がある。

上述したような光の変調に対して分子の光軸の方位に影響を及ぼすために、以下に説明する実施形態を活用して更に詳細に説明する種々な外部の有効手段が光変調用装置において使用される。

図３乃至図５は、本発明に係る装置の主な構成要素のみを示す概略図である。変調制御は、液晶層ＬＣを含む投影型光変調手段において画素毎に個別に実行されるのが好ましく、少なくとも２つの電極Ｅ１及びＥ２は、分子Ｍの機能制御に対して画素Ｐ毎に有効である。液晶層ＬＣの分子Ｍの光軸の方位も、画素毎に個別に影響を受ける。これは、当てはまらない場合でも示される。

本発明の第１の実施形態において、電界を生成する手段は、個々の画素の分子の光軸の方位に影響を及ぼすために使用される。

図３ａは、オフ状態において画素Ｐの形態の投影型光変調器を詳細に示す図である。上面図は、分子Ｍの機能制御に対して垂直な有効方向を含む２つの電極Ｅ１とＥ２との間の平面において液晶層ＬＣの分子Ｍを示す。更に、画素Ｐにおける入射光の垂直な偏光ＰＯは、図中、両矢印で示される。分子Ｍの光軸の方位、垂直な偏光ＰＯ及びコヒーレントな入射光の方向は、従来技術で上述された光変調器の種類におけるものと同一である。分子Ｍの方位を２つの異なる平面で比較できるように、図３ｂ及び３ｃは、オフ状態において画素Ｐの分子Ｍを示す第１の側面図及び第２の側面図である。矢印は、入射光の方向を示す。従来技術を示し、且つ、一方の側面図のみを示す図１及び図２とは異なり、９０°だけ回転させた角度からの第２の側面図が、明確にするために本明細書において示される。

図３ｄ乃至３ｆは、オン状態において第１の実施形態に係る画素Ｐを示す図である。変調コントローラによりそれぞれ個別にアドレス指定される２つの対向する電極Ｅ１及びＥ２は、分子の方位に影響を及ぼすために２つの電界を生成する。印加される電圧により、画素Ｐにおける分子Ｍの光軸の方位は影響を受ける。より厳密には、一方の平面において角度θだけ回転させ（図３ｄ参照）、他方の平面において角度Ψだけ回転させる。上記の等式から分かるように、これらの回転角θ及びΨは、入射光波の振幅及び位相の双方に影響を及ぼす。

図３ｅにおける第１の側面図は、印加された電圧により形成される他方の面において分子の光軸の回転角Ψを示す図である。

図３ｆは、９０°だけ回転させて図３ｅの状況を示す第２の側面図であり、４つの電圧値Ｖ０、Ｖａ、Ｖｂ及びＶａ＋Ｖｂを含む画素Ｐを示す。左下の電極には電圧値Ｖ０が与えられ、左上の電極には電圧値Ｖｂが与えられる。従って、左手側と右手側との間に電圧Ｖａ−Ｖ０が印加され、上端部と下端部との間に電圧Ｖｂ−Ｖ０が印加される。右上の電極は、電圧値Ｖａ＋Ｖｂを有する。

この構成により、画素Ｐの分子の光軸の方位は、電圧値Ｖａ及びＶｂを変化させることにより２次元、即ち、上面図及び側面図においてそれぞれ個別に影響を受ける。透過された光の振幅及び位相は、光軸の方位に従って変調される。電圧値がそれぞれ個別に制御されるため、振幅値と位相値との様々な組合せが実現される。図２と同様に、図３ｆは概略的であり、非常に大まかである。画素の様々な横の長さ及び厚みを可能にするため、図３ａ及び３ｄの１つの画素を範囲に含む電極は、直列接続される複数の単一の電極に置換されてもよい。

本明細書では詳細に説明されない手段の第２の実施形態において、画素上で垂直な有効方向に作用する磁界は、異なる電圧によって生成される２つの電界の代わりに生成されてもよい。このための手段は、２つの平面においてそれぞれ個別に分子の光軸の方位に影響を及ぼす電界を生成する構成と同様に配設される。垂直な有効方向を含む電界と磁界とを画素上又は光変調器において組み合わせることが更に可能である。

更なる実施形態において、光手段及び／又は方法は、分子の光軸の方位に影響を及ぼすために使用される。

光手段の第１の実施形態において、光配向原理の利点が採用され、ディスプレイ平面における分子の方位は、光変調器において複屈折材料により光学的に影響される。これは、例えば、液晶層に染料分子が添付され、分子の光軸の方位が入射書込み光の偏光の影響を受けることを意味する。そのような光変調装置は、染料添加光アドレス型空間光変調器（染料添加ＯＡＳＬＭ）として周知である。光源によって放射され、且つ、光変調器上に入射する書込み光は、非コヒーレント光であってもよい。ディスプレイ平面に対して垂直な平面における分子の光軸の方位は、従来の電極を活用して電界の作用の影響を受ける。そのような光変調器は、ＥＡＳＬＭとして周知である。

図４ａは、１つの画素Ｐの長さを含む詳細として、ＯＡＳＬＭとＥＡＳＬＭとの組合せの一例を示す上面図である。液晶層ＬＣにおける分子Ｍは、１つの平面からわずかに回転して示される。それらは、書込み光ＰＯＳの偏光の方向に対して直角に配向される。本明細書において、「書込み光」という用語は、液晶層ＬＣにおいて分子Ｍの方位に影響を及ぼす入射光を示すために使用される。これに対して、「読出し光」は、光変調器により変調される光である。本実施形態において、画素Ｐの外側の両矢印で示されるように、それは垂直な偏光ＰＯＬを有し、その更なる特性及び波長は書込み光とは異なる。光変調器の入射平面における偏光子は、不可欠ではない。

図４ｂは、他方の平面、即ち、図４ａの平面に対して垂直な分子Ｍの方位を示す側面図であり、その方位は図４ｂにおいて電界の作用の影響を受ける。図４ａに示す平面に対して、図４ｂの分子は、本実施形態において示される複素数値に従って、変調コントローラにより平面から更に出る。図４ｂにおいて１つの画素Ｐの実施形態と共に示される電極の構造、光変調器の電気アドレス指定及び支持基板ＴＳの構造は、従来の液晶変調器と同一である。読出し入射光の方向は、点線の矢印で示される。要約すると、光アドレス指定と電気アドレス指定との組合せにより、分子の光軸の方位は、２次元において各次元ごとに影響を受ける。

他の種類のＯＡＳＬＭにおいて、電界は、光アドレス指定及び書込み光により生成される。垂直に構成された他の電界は、例えば、ＴＦＴ及び電気アドレス指定を活用してＯＡＳＬＭにおいて分子の方位に個別に影響を及ぼす。これについて以下に詳細に説明する。

光手段の第２の実施形態において、光変調器は、液晶層に加えて光導電層を含む。図５ａは、液晶層ＬＣ、電極Ｅ１及びＥ２、支持基板ＴＳ、並びに光導電層ＰＳにおいて分子Ｍを含む画素Ｐの長さの光変調器の詳細を示す側面図である。分子は、初期の位置で示される。この図は、画素Ｐにおける書込み処理を示し、破線の矢印は、書込み光が光導電層ＰＳ上に入射する方向を示す。光導電層ＰＳの導電率は、書込み光の制御可能な強度に依存して変化する。

一定の外部電圧Ｖ_ｆｅｓｔは、読出し光と共に読出し処理に対して印加される。有効電圧Ｖ_ｅｆｆは、書込み光により制御されるような光導電層ＰＳの導電率に依存してＬＣ層にわたり生成される。分子Ｍの光軸は、有効電圧に従ってこの平面において配向される。これを図５ｂの第１の側面図に示す。これは、一般的なＯＡＳＬＭのように動作する。読出し光の偏光ＰＯは、両矢印で示される。

前者に対して垂直な平面において、電気制御はＩＰＳ−ＳＬＭと同様に実行される。「面内」電圧値は、光変調器の画素Ｐ毎にこの平面においてアドレス指定される。このため、電界は画素Ｐにおいて生成される。

図５ｃは、図５ｂと同一の状況を９０°だけ回転させて示し、且つ、別の角度からのアドレス指定を示す第２の側面図である。電圧値Ｖ０及びＶａを含む下部電極、並びに電圧値Ｖ_ｆｅｓｔ及びＶａ＋Ｖ_ｆｅｓｔを含む上部電極により、固定の外部電圧の差異が下から上に画素Ｐに印加され、ＬＣ層にわたる有効電圧は、書込み光により個別に光学的に制御される。しかしながら、個々の電圧は、左から右に光変調器の各画素Ｐ上に電気的にアドレス指定される。この組合せにより、分子Ｍの光軸の方位は、２つの平面においてそれぞれ個別に影響を受ける。

２つの個々の電圧値が水平方向及び垂直方向で各画素にアドレス指定される必要がある単なる電気制御に対して、分子の個々の方位に対する光変調器の画素の電気制御と光制御との組合せには、より単純なディスプレイエレクトロニクスを要求するという利点がある。

図６は、光変調器上に入射する光波の複素数値変調を示す振幅値と位相値との組合せを示すグラフィック表現である。横軸は０乃至１の相対的な振幅を示し、縦軸は０乃至２πの位相を示す。個々の点は、振幅及び位相をそれぞれ含む様々な複素数の例を示し、対応するパラメータθとδとの組合せにより実現される。

本発明は、ピクセル化光変調器及び非ピクセル化光変調器の双方において使用できる。手段のうち少なくとも１つが分子の光軸の方位に影響を及ぼす電界を生成する場合、即ち、電気制御と光制御との組合せが使用される場合、光変調器はピクセル化される必要がある。

分子の双方の光軸の方位が光手段からの影響を受ける場合、実際に表示される情報により画素構造が外側から形式的に生成される非ピクセル化光変調器も使用される。例えば、２つの書込み光線を含む構成が使用されてもよく、一方の書込み光線は、書込み光の強度を変化させることにより一方の平面において分子の方位に影響を及ぼし、他方の書込み光線は、偏光により他方の平面において分子の方位に影響を及ぼす。

３次元シーンのホログラムは、液晶層を含み、且つ、上述の実施形態のうちの１つに従って設計される光変調器を含むホログラフィックディスプレイ装置において符号化される。ほぼコヒーレントな光を放射する光源を含む照明ユニットは、光変調器を照明する。変調コントローラは、液晶層の分子の方位に影響を及ぼすことにより、２つの異なる平面においてそれぞれ個別に入射光の振幅及び位相の変調を制御する。その後、シーンは、光学系と共に変調された光波により再構成ボリュームにおいて再構成される。

本発明に係る光変調用装置によれば、単一の光変調器において振幅と位相との最多の組合せを示す複素数値の変調が実現できる。１つの光変調器のみが必要とされるため、ホログラフィックシーンを示すホログラフィックディスプレイにおいてそれらを使用することにより、材料のコスト及び計算負荷を好適に減少することができる。

Claims (22)

1. 十分にコヒーレントな光波の位相及び振幅をそれぞれ個別に変調するために分子形態の複屈折材料を含み、規則的に構成された制御可能な光変調素子を含み、力を加えることにより影響される前記分子の光軸の方位を変調コントローラが制御する装置であって、２次元において各次元ごとに前記光変調素子の前記分子（Ｍ）の前記光軸の前記方位に影響を及ぼす制御可能な手段と射出側上に配設される偏光子とを有し、
   前記２次元は、前記偏光子の面に平行な面及び前記偏光子の面に垂直な面によって定義されることを特徴とする装置。
2. 前記複屈折材料は、液晶（ＬＣ）の層を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記方位は、２次元において２つの制御可能な外部の有効手段からの影響を受けることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 少なくとも１つの外部の有効手段は、電界又は磁界であり、
   或いは、２つの外部の有効手段は、同一の種類であり、互いに垂直に配置され、各光変調素子上に提供されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記分子（Ｍ）の前記光軸の前記方位は、少なくとも１つの平面において光手段からの影響を受けることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記複屈折材料には、染料分子が添加されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記方位は、一方の平面における入射側の偏光子又は直線偏光光源及び他方の平面における電界により入射書込み光の偏光（ＰＯ）を変化させることの影響を受けることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 光導電材料を更に含み、複屈折層の前記分子（Ｍ）の前記光軸の前記方位は、光導電層に入射する書込み光の強度を変化させることの影響を受けることを特徴とする請求項５に記載の装置。
9. シーンのホログラムが書き込まれる光変調素子を含む空間光変調手段であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
10. 照明ユニットと、前記ホログラフィックシーンの再構成のための光学系とを更に含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記光変調素子は画素（Ｐ）であり、前記方位に影響を及ぼす前記手段は、これらの画素にそれぞれ割り当てられることを特徴とする請求項９に記載の装置。
12. 分子形態の複屈折材料を含む装置は、十分にコヒーレントな光波の振幅及び位相をそれぞれ個別に変調するための制御可能な光変調素子の規則的な構成を含み、前記分子の光軸の方位が変調コントローラにより制御される力を加えることの影響を受ける光変調の方法であって、前記分子（Ｍ）の前記光軸の前記方位は、前記光変調素子上で動作する制御可能な手段と射出側上に配設される偏光子とによって、２次元において各次元ごとに影響を受け、
    前記２次元は、前記偏光子の面に平行な面及び前記偏光子の面に垂直な面によって定義されることを特徴とする光変調の方法。
13. 前記分子（Ｍ）の前記光軸の前記方位は、個別に制御可能な外部の有効手段からの影響を受けることを特徴とする請求項１２に記載の光変調の方法。
14. 前記分子（Ｍ）の前記光軸の前記方位は、連続的に制御されることを特徴とする請求項１２に記載の光変調の方法。
15. 垂直な有効方向を有し、且つ、強さがそれぞれ個別に制御される２つの電界は、各光変調素子の分子軸上で作用する、又は、垂直な有効方向を有し、且つ、強さがそれぞれ個別に制御される２つの磁界は、各光変調素子の分子軸上で作用することを特徴とする請求項１３に記載の光変調の方法。
16. 前記分子（Ｍ）の前記方位は、少なくとも１つの平面において光手段からの影響を受けることを特徴とする請求項１３に記載の光変調の方法。
17. 前記分子（Ｍ）の前記方位は、電気手段と、磁気手段と、光手段との任意の組合せにより、２次元において各次元ごとに影響を受けることを特徴とする請求項１３に記載の光変調の方法。
18. 前記装置は、ホログラフィックディスプレイ装置の空間光変調手段であり、シーンのホログラムは、前記光変調手段の前記光変調素子に書き込まれ、
    照明ユニットは、前記ホログラムを照明し、光学系と共に前記シーンの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１３に記載の光変調の方法。
19. 前記分子軸の前記方位は、前記１つの平面において染料分子が添加される前記複屈折材料における光配向の影響を受け、且つ、前記１つの平面に対して垂直な平面における電界の作用の影響を受けることを特徴とする請求項１８に記載の光変調の方法。
20. 前記光変調手段の光入射面又は光射出面上に配設される偏光子は、光波を偏光することを特徴とする請求項１８に記載の光変調の方法。
21. 前記照明ユニットは、前記光入射面上に配設される前記偏光子の機能が偏光により置換される少なくとも１つの直線偏光光源を含むことを特徴とする請求項１８及び２０に記載の光変調の方法。
22. 規則的に構成された画素と液晶層とを有する光変調手段を含むホログラフィックディスプレイ装置用の光変調装置であって、照明ユニットによって放射される十分にコヒーレントな光波の位相及び振幅をそれぞれ個別に変調するために、請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載の変調コントローラにより制御され、且つ、外部からの画素に作用する制御可能な手段により前記液晶分子の光軸の方位が２次元において各次元ごとに影響を受け、ホログラフィックに符号化された３Ｄシーンの合成された位相値及び振幅値を同時に変調するために、前記ホログラフィックディスプレイ装置が、前記光変調手段において変調される前記光波を活用して再構成空間において前記３Ｄシーンを再構成する光学系を更に含むことを特徴とする光変調装置。

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