(57)【要約】  本発明は、セル部に規則的に配設され且つ伝播する光波面において部分光波に局所的に影響を及ぼす光変調セルを有する波面を動的に整形するための光学ユニットに関する。各セル部は、光変調器セルの光学挙動を個別に調整するセル制御器に接続される。本発明によると、各々が変調器セル（ＭＣ）を有する直列に配設されたセル部（Ａ１、Ａ２）は、光波面の光路に配置される。セル制御手段は、第１のセル部（Ａ１）においては変調器セルが連続する位相値を有する位相シフト（ＰＨｍ）を個別に実現するように、第２のセル部（Ａ２）においては変調器セルが部分光波に対して連続する方向値を有するプリズム機能を実現するように、変調器セルを調整する。光学ユニットの射出瞳に部分光波を誘導する放射波面の集束機能を実現する手段は、光学ユニットの光路に配置される。
2011501212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光波面に基づいて放射部分光波における局所的に異なる位相シフト（ＰＨ１．．．ＰＨｎ）及び異なる偏向角の双方を個別に設定するために、セルアレイに規則的なパターンで配置される空間光変調のための光変調器セルを有する動的波形成ユニットであって、
−セル制御器手段（μＣ）により制御される変調器セル（ＭＣ１、ＭＣｎ）のアレイ（Ａ１、Ａ２）は、
−第１のセルアレイ（Ａ１）においては、前記変調器セルが連続する位相値を有する位相シフト（ＰＨｍ）を個別に実現するように、
−第２のセルアレイ（Ａ２）においては、前記変調器セルが前記部分光波に対して連続する方向値（αｍ）によりプリズム機能を実現するように、前記光波面（ＷＦＩＮ）の光路に直列に配設され、
−射出瞳の共通の位置に光学ユニットの部分光波を誘導する前記放射波面（ＷＦＯＵＴ）に対する集束機能を実現する手段は、前記光学ユニットの光路に配設されることを特徴とする動的波形成ユニット。
【請求項２】
少なくとも１つのセルアレイは、エレクトロウェッティングセルを含むことを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項３】
前記セル制御器手段（μＣ）は、制御可能なプリズム機能を実現するように１つのセルアレイ（Ａ２）のエレクトロウェッティングセルを制御することを特徴とする請求項２記載の波形成ユニット。
【請求項４】
前記セル制御器手段（μＣ）は、制御可能な位相シフト機能を実現するように前記エレクトロウェッティングセルを制御することを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項５】
前記セル制御器手段（μＣ）は、残りの位置に関連する−πと＋πとの間の位相シフト機能を実現するように各エレクトロウェッティングセルを制御することを特徴とする請求項４記載の波形成ユニット。
【請求項６】
前記セルアレイは、同一のセル構造を有することを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項７】
１つのセルアレイ（Ａ２）は制御可能マイクロプリズムを含むことを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項８】
１つのセルアレイは、少なくとも前記集束機能を更に実現することを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項９】
少なくとも１つの更なるセルアレイを備えることを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項１０】
前記更なるセルアレイの変調器セルは、他のセルアレイの設定により起こる光の損失を補償するために種々の輝度値を実現するように局所的に制御されることを特徴とする請求項９記載の波形成ユニット。
【請求項１１】
前記更なるセルアレイは、複数のレンズを含むアレイの機能を実現することを特徴とする請求項１又は９記載の波形成ユニット。
【請求項１２】
前記セル制御器手段（μＣ）は、少なくとも１つのセルアレイがホログラフィック再構成システムにおいて空間光変調器の機能を実現するように、前記プリズム機能及び／又は前記位相シフトを実現するために、現在のビデオホログラムに依存してホログラフィック情報により少なくとも１つのセルアレイ（Ａ１、Ａ２）を少なくとも部分的に符号化することを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項１３】
前記制御器手段は、前記光波の伝播方向を観察者の眼の少なくとも１つの眼の位置に適応させるために、前記眼の位置に依存して前記プリズム機能及び／又は前記位相シフトを実現するように少なくとも１つのセルアレイを符号化することを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項１４】
前記制御器手段は、前記放射波面（ＷＦＯＵＴ）を横方向に調整するためにプリズム機能により１つのセルアレイを符号化し、前記制御器手段は、種々の焦点位置に対して軸方向に前記放射波面（ＷＦＯＵＴ）を集束するためにレンズ機能により１つのセルアレイを更に符号化することを特徴とする請求項１３記載の波形成ユニット。
【請求項１５】
ホログラフィック再構成システムの少なくとも１つのセルアレイは、前記表示画面のサイズを表し且つ／又は実現することを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項１６】
少なくとも１つのセルアレイ及び前記セル制御器手段の一部はコンパクトなユニットを形成することを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項１７】
少なくとも１つのセルマトリクスは、全ての変調器セルの光学挙動を個別に制御するために変調器セル毎に制御アドレシング手段を含むことを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項１８】
少なくとも１つのセルマトリクスは、電子データバスを介してアドレス指定されることを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項１９】
少なくとも１つのセルマトリクスは、光電子データバスを介してアドレス指定されることを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項２０】
照明素子のアレイにより照明されることを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルアレイに規則的に配置される光変調器セルを含む動的波形成のための光学ユニットに関する。前記光変調器セルは、伝播する光波面において部分光波に局所的に影響を及ぼす。各セルアレイは、光変調器セルの光学挙動を個別に制御する制御器と組み合わされる。これにより、目標とする形状を整形するように特に伝播する光波面の形状を局所的に適応させることができる。特に、大きな開口部を有する高解像度光学系において、収差は妨害するものであり、光学系の射出瞳において画像表現の品質を低下する。コンピュータ手段により光学結像システムにおける収差を効果的に補償するために、光学ユニットを使用して、例えば適応光学系が実現される。
【０００２】
本発明の有用な応用例は、例えば処理が材料の形態及び状態に対して焦点の適応を必要とする場合、工業生産している測定及びテスト機器を更に含む。また、融通性のあるネットワーク構造を有する光ネットワークにおいて、本発明は、好ましくはネットワークハブへの接続の可変割当てを実現するために使用される。
【０００３】
再構成を見るために十分に広い視野角を提供するために、ホログラフィックディスプレイが数ｄｍの開口部を含む表示画面を要求するため、本発明は、物体をホログラムとして再構成するシステムにおいて適用されるのが好ましい。
【０００４】
更に、裸眼立体及びホログラフィックシステムの双方は、眼の位置を見つけ且つ光波を誘導及び追跡する手段を含むことが多い。この手段は、眼の位置に依存して光学系の光軸に対して斜角で光学系を射出するように裸眼立体画像又はホログラフィック再構成に対する変調光を誘導する。
【０００５】
多くの場合、高解像度で且つ高い光度で画像又はホログラフィック再構成を提示する光学結像システムは、広い開口部を有するいくつかの光学素子を必要とする。これは、ビームパスにおいて局所的に変動する収差を引き起こす。これらの周知の収差の組合せは、システムの射出点において伝播する光波面の品質を低下する。
【０００６】
本明細書において、「波面」は、伝播する光波の領域として規定される。伝播空間を伝播している間、全ての光点がその領域に存在し、例えば空間光変調器ＳＬＭである送信機から同一の走行時間を有する。本明細書において、「セルアレイ」は、ある平面において制御可能な空間光変調器の変調器セルの規則的な配置として規定される。本発明の主題にとって、変調器セルがマトリクス状に配置されるか又は例えば蜂の巣状のパターンである任意の他の規則的なパターンで配置されるかは関係ない。
【０００７】
広域光波が伝播する場合、伝播空間における媒体の温度、湿度、組成及び密度の変動等の周囲の影響が波面の上述の収差の部分を動的に変更する可能性があるという欠点がある。天文学的物体が望遠鏡で観察される場合、例えば大気中の動的な密度の変動は受け入れた波面の光学的状態に影響を及ぼす可能性がある。これらの有力要因は、例えば観察される物体の画像の鮮明度を動的に変更する光学系の収差及び屈折率を一時的に変更する。ぼやけた部分は、閲覧平面における画像の位置変位により起こる部分及び結像される像点を広くすることにより起こる部分から構成される。後者の影響は、点光源又は物体光点に対する光学系の応答を規定する点広がり関数ＰＳＦにより記述される。
【０００８】
同様の問題が、例えば顕微鏡で観察される。この例においても、顕微鏡の対物レンズの焦点を早急に追跡し且つ／又は波面における局所的な収差を補償するのが望ましい。
【０００９】
コンピュータ手段により自動的且つ可能な限り迅速に収差を補正するために、最小の機械的移動を伴って妨害された波面の形状に適応的に影響を及ぼす必要がある。上述の光学系において、例えば光学ユニットは、可能な限り多くの物体光点の点広がりを補償し、収差が可能な限り除去されるように物体光点の範囲を補正する。
【００１０】
伝播する光波の光波追跡による物体の３次元再構成のためのシステムにおいて、同様の問題が生じる。光波追跡は、対応する観察者の眼の現在の位置の各々に対して光波の伝播方向を光学的に適応させ、眼の位置が変更された場合にはそれらを追跡する。そのようなシステムにおいて、光波面は、観察者の位置に依存してシステムの光軸とは異なる伝播方向に伝播する。これは、伝播方向が光軸に対して異なる傾斜角であるため、変動する部分を含む収差を引き起こすことを意味する。
【００１１】
更に干渉を起こす波面の能力に関するホログラフィック再構成に対する要求により、収差を低減する必要性が増加する。変調波面が適切な位置で所望されるように３次元シーンの全ての光点を再構成することを保証するために、収差は再構成の前に除去される必要がある。これは、観察者の可能な眼の位置毎に、その特定の位置に適応される収差補償を必要とする。この問題は、動的に制御可能な波面形成器によってのみ解決可能である。
【００１２】
適応光学系は、可変に制御可能な非構造化セル表面を有する波形成器、すなわち光学的に連続するセル表面を有する波形成器を利用することが多い。例えば、個別に移動可能な超小型素子を含むアレイが使用される。光学系の軸に対するそのアレイの傾きは移動手段を使用して電気的に個別に調整可能であり、アレイは反射膜により被覆される。そのような解決策は、例えば国際公開第ＷＯ９９／０６８５６号の「Microscope with adaptive optics system」において開示され、観察又は照明ビームパスにおいて適応光学系を含む従来の顕微鏡が提供される。適応光学系は、一方では規定された方法で空間波面の光の位相及び／又は振幅を局所的に変更し、他方では物体空間において焦点を変位する。
【００１３】
本明細書は、静電気により、圧電により又は曲げ要素を使用することにより移動されるＬＣＤパネルに基づく透過型波面形成器及び融通性のある膜を有する反射型波面形成器の双方を開示する。
【００１４】
構造化配置と比較して、波面形成器の非構造化セル表面は、セル表面において光の回折が起きる危険性がないという利点を有する。光の回折により、光の損失及び／又は種々の回折次数の相互作用のために放射された波面の品質が低下する。
【００１５】
非構造化セル表面の主な欠点は、低い制御速度及びＲ＝１ｍより狭いことがない非常に大きな曲率半径のみが達成可能であることである。これは、多くの応用例においてダイナミックレンジを限定し、その結果、非構造化波面形成器がある特定の条件下でのみ使用可能になる。
【００１６】
本出願人は、国際公開第ＷＯ２００７／０９９４５６号の「Wave front forming device」により、数μｍのサイズを有する個別に移動可能なマイクロミラー素子のアレイを使用する２次元で制御可能な反射型波面形成器に対する保護を既に要求している。波面形成器は、構造化反射パターンを機械的に設定するために、照明されるマイクロミラー素子を傾けるか又は変位させるか、あるいはそれらの２つの動きの組合せを実行する可動素子を有する。ホログラム信号は、ビデオ画像周波数と同期して速いペースでマイクロミラー素子を移動することにより反射パターンを変更し、動画シーンをホログラムとしてリアルタイムに再構成するためにホログラム波面のビデオシーケンスを生成する。反射パターンは、局所的に異なる光の反射の結果、ビデオホログラム信号に従って入射光波の同様な波形を再度整形する。可動素子は、少なくとも１つの全光波長によりマイクロミラー素子を移動できる。
【００１７】
提案される装置は、全ての可動ミラー素子、並びに複数の可動素子及び対応するアドレシング手段の全てが半導体基板上に集積回路として共に配置されるという欠点を有する。これにより、数ｃｍ２のみの有効な形成器の表面積が可能になるため、光拡張手段が波面に対して要求される。
【００１８】
しかし、非構造化波形成器と異なり、構造化セル表面を有する波形成器、特に位相変調のための空間光変調器は、高い制御速度及び数ｍｍの狭い曲率半径を実現できる。実質的にはより小さな曲率が達成可能であるため、構造化波形成器は実質的にはより高い空間周波数で非構造化波形成器より１０倍大きいダイナミックレンジを実現できる。
【００１９】
更に、国際公開第ＷＯ２００５／０５７２５０号の「Variable focus system」は、多くの可動光学素子を有する焦点システムを開示し、電子制御器は、種々の焦点設定間で光学系の焦点位置を切り替える。制御器は、いくつかの像面間で光学系の焦点距離を切り替えるか、あるいは光軸とは異なる種々の焦点方向間で切り替えることができる。特別な一実施形態において、焦点システムは、空間を自由に浮遊している３次元表現を結像する空間的に交互に配置される像面を順次生成するために３次元画像プロジェクタとしての役割を果たすビデオモニタと共に使用される。可動光学素子は、２次元で横方向に傾けられる反射素子であってもよく又は屈折光学素子であってもよい。
【００２０】
更に本出願人は、未公開の独国特許出願第１０ ２００７ ００５ ８２３５号の「Optical wave front correction for a holograhic imaging system」により、動的波面形成器を含む再構成システムに対する保護を既に要求している。システムは、シーンを再構成する前に表示画面上にビデオホログラムを結像する。位置制御器は、変調された光波面が位置の変更に関係なく所望の眼の位置に現れるように光波追跡手段を制御するために現在の眼の位置の位置情報を使用する。制御可能な波面形成器は、表示画面のホログラム側に配設される。コンピュータ手段は、現在の眼の位置を記述する位置情報に基づいて、再構成シーンが現在の位置に依存せずに同一の幾何学的配置及び光学品質を示すように光波面形成器の光学挙動を適応する。
【００２１】
本出願の主題とは異なり、独国特許出願第１０ ２００７ ００５ ８２３５号は、ホログラフィック結像システムにおいて動的波形成のためのユニットを使用することに関するが、種々の応用例を適合させる設計特徴、例えば直視型ディスプレイには関係しない。
【００２２】
国際公開第ＷＯ２００７／０９６６８７号の「Diffraction gratings with tunable efficiency」は、光度を個別に局所的に変調し且つ／又は光路を偏向するために、回折格子を含むセルアレイを利用する光変調器を開示する。各回折格子は、バックライトの光路に配設される制御可能なエレクトロウェッティングセルを含む。この光変調器は、透過モードでも動作する。エレクトロウェッティングセルは、表面張力を通して電界により毛細管の粘着性に影響を及ぼし且つ光学媒体の充填レベル又は表面形状及び光透過率を制御する制御電極を有する。このために、ウェッティングセルは、電極間の空間が油等の疎水性液体材料により部分的に充填され且つ水により部分的に充填されるコンデンサを形成する。少なくとも１つの電極は、疎水性材料により被覆される。電界が印加されないと、疎水性液体媒体は膜として電極を被覆し、電界が印加されると、電界は水面において双極子の偏光を除去するため、水は疎水性媒体を変位させる。
【００２３】
光変調器は、例えば速い応答時間及び速い再生速度で直視モード又は結像モードで動作可能であるグラフィカルカラーディスプレイにおける応用例に対するものである。更に光変調器は、制御可能なビームスプリッタのために及び光ビームを偏向するために一連の画像提示により裸眼立体ディスプレイにおいても適用可能である。
【００２４】
周知の構造化波形成器の欠点は、構造化波形成器が１つの所望の回折次数でのみ光を誘導できるわけではないことである。更に、寄生回折次数は、空間周期性で常に発生する。波形成器を使用する光学系に依存して、寄生回折次数は光度の損失及び／又は個々の回折次数間の相互作用等の種々の負の特性を示す。このため、寄生回折次数を抑制するための開口部マスク又は誘蛾灯等の空間フィルタは、構造化波形成器を有する光学系の光路に配置されることが多い。
【００２５】
位相格子を有する波形成器は、寄生回折次数の上述の欠点を示す。
【００２６】
本明細書において、「位相格子」という用語は、変調器セルに対する制御信号が通過する光波の位相に局所的に影響を及ぼすが振幅には影響を及ぼさない光回折格子に対して使用される。任意の他の回折格子として、位相格子は透過型格子又は反射型格子の形態で設計される。制御可能な振幅格子を有するセルアレイと比較すると、制御可能な位相格子を有するセルアレイは、理想的な例において、変調器セルを制御する時に入射波面と比較して輝度の損失がないという利点を有し、これは、理想的な制御可能位相格子における制御処理により光度が低下しないことを意味する。
【００２７】
回折格子は、入射光波を放射された要素波に分割し、それらの要素波は互いに干渉し且つ格子の間隔に依存して空間周波数スペクトルを生成する。格子定数が大きい程、空間周波数スペクトルにより結像される最大値はより明確であり、より多くの極大値がより低い強度で生成される。これにより、解像度が増加する。
【００２８】
次に、制御可能な位相格子を有する波面形成器の問題は、回折格子が照明手段により複数の方向に放射されるコヒーレント光を常に偏向することである。位相格子の照明が直角に自身の表面に入射する場合、入射光の大きな部分は格子により回折次数＋１及び１次回折と対称的である回折次数−１に偏向される。非回折光及び他の寄生回折次数は、回折格子の周知の構造を使用して、例えば弱め合う干渉により抑制される。更に、照明が直角に入射する場合、回折次数＋２及び＋３等の高い次数も発生する。
【００２９】
一般に回折次数＋１及び−１の光度は同一であり、光の一部分が上述したように他の回折次数に誘導されるため、位相格子がそのように照明された状態において、光の有用な部分は実質的には入射光の５０％未満である。
【００３０】
位相格子が異なる入射角で照明される場合、同様の状況が観察される。その場合、殆どの入射光は、回折光及び１次回折の双方を含む同一部分の格子により放射される。光波長λが格子の間隔より大きい場合、回折角が９０°より大きいため、２次回折は存在しない。その構成において、妨害する回折次数は、空間フィルタ手段なしで除去され、格子の後方の有用な空間は形成された波面の伝播に使用される。格子周期は、ほぼ波長の大きさを有する。
【００３１】
しかし、可視光の波長λの大きさのセル幅を有する制御可能な位相格子は、要求される大きさのサイズでは市販されていない。
【００３２】
制御可能な位相格子の別の問題は、空間周波数内で非連続的な制御により起こる。制御可能な位相格子により放射される波面は、２つの隣接する回折次数間で連続的に制御できない。例えば変調波面が位相格子によりある空間の射出瞳の任意の位置に誘導されることが要求される場合、波面は格子の空間周波数スペクトル外に配置される位置に到達できない。
【００３３】
本明細書において、「連続的」という用語は、セル制御器手段が量子化位相値により制御可能位相格子を制御するか又は周知のアナログ／デジタル変換により位相格子を量子化偏向角に設定するデジタルコンピュータ手段であるのが好ましい場合に使用される。セル制御の「準連続性」は、コンピュータ手段の解像度に依存する定量化レベルの精度で達成される。
【００３４】
構造化波形成器の上述の欠点にも関わらず、上述の非構造化波形成器の欠点のために、例えば位相格子の構造化波形成器、特に位相変調器なしで行なうことができない。
【００３５】
従って、本発明の目的は、セルアレイに規則的に配置される光変調器セルにより動的波面を形成する光波形成器を提供することである。前記波形成器は、従来技術の解決策の欠点を回避する。任意のサイズのセル表面を有し且つ数百個のフレームの波面に対してある再生速度でシステム制御器により動的に制御される波形成器は、特に光の損失がほぼない波面を形成し、この波面を空間の任意の位置に連続的に誘導する。大きな制御ダイナミクスを達成するために、波形成器は、所望の再生速度で数ｃｍの曲げ半径を実現でき、セル表面は、波形成器をビデオホログラムによるシーンのホログラフィック再構成に対する直視型ディスプレイにおける一応用例に適するようにするサイズを有する。
【００３６】
この目的は、光波形成ユニットにより本発明に従って解決される。光波形成ユニットは、光波面の光路に配設され、複数の動的制御可能波面形成器を交互に含む。各波面形成器は、光波面の放射された部分光波の局所的に異なる位相シフト及び異なる偏向角の双方を個別に制御するために、空間光変調のための規則的に配置された変調器セルを含む少なくとも１つのセルアレイを含む。
【００３７】
本発明の別の特徴によると、波形成ユニットは、セルアレイの各変調器セルが連続的に制御可能な位相値を有する位相シフトを個別に実現し且つ第２のセルアレイの変調器セルが部分光波に対する連続的に制御可能な偏向角を有する個別に制御可能なプリズム機能を実現するように、第１のセルアレイの変調器セルを制御するセル制御器手段を更に含む。第１のセルアレイが制御可能位相格子の機能を有する一方、他方のセルアレイは制御可能マイクロプリズム構造の機能を有する。
【００３８】
デジタル信号プロセッサ等のコンピュータ手段がセル制御器手段としての役割を果たす場合、２つのセルアレイは、デジタル定量化値の分解能内で条件付きでのみ連続的に制御される。
【００３９】
本発明の別の特徴は、光学ユニットの射出瞳における部分光波を共通の位置に誘導するために、光波面の光路にある波形成ユニットが放射される波面に対して集束機能を実現する手段を使用することである。
【００４０】
集束機能は、入射波面が平行光を含む場合、最も単純な例においては集束視野レンズ、例えばフレネルレンズであってもよい。このレンズは、光波面の光路に物理的に追加して配設されるが、必ずしも波形成ユニットの内蔵部である必要はない。あるいは、セルアレイがセグメント化されて照明されるのを波形成ユニットを内蔵する光学系の機能が機能的に可能にする場合、レンチキュラー又はレンズアレイは、集束機能を実現するように適合される。
【００４１】
しかし、本発明の好適な一実施形態によると、集束機能は、セルアレイを符号化することによっても実現可能である。例えば制御可能プリズム機能を実現する変調器セルを符号化するためのセル制御器手段は、追加の集束機能を重ね合わせることができる。
【００４２】
大きな視野レンズに対する労力を節約するために、本発明によると、波形成ユニットは、前記集束機能を有するセル制御器手段により符号化される別のセルアレイを含む。この解決策は、波形成ユニットが使用されるシステムの焦点距離を軸方向に動的に適応させることができるという利点を達成する。
【００４３】
本発明の別の実施形態によると、追加のセルアレイに対処するのに必要とされる労力は、変調器セルの制御電極が別個のハードウェア回路を介して相互に連結される更なるセルアレイを使用することにより回避される。
【００４４】
一般に、透過された光波の強度が理想的な位相格子を有する変調器セルの制御に依存して変化しないため、波形成ユニットの応用例は集束機能を必要とする。ユーザの眼は、視覚補助なしで位相格子の変調を感知できない。１つの可能性は、入射波面が平面であり且つ平行であるという条件の下、光学系の焦点に回折画像を投影するためにレンズの偏向機能を利用することである。
【００４５】
本発明に係る波形成ユニットは、特に位相ホログラムのシーケンスにより形成された波面を観察者の眼に集束する直視型のホログラフィック再構成システムに対して使用されるのが好ましい。
【００４６】
本出願人は、例えば国際公開第ＷＯ２００４／０４４６５９号の「Video hologram and device for reconstructing video holograms」において、そのようなホログラフィック再構成システムの原理を開示している。再構成システムは、ビデオホログラムのシーケンスにより変調される光波面を少なくとも１つの可視領域に集束する。本明細書において、各可視領域は、ホログラフィック再構成を見る観察者の少なくとも一方の眼の位置を規定する。空間光変調器手段は、空間光変調器と可視領域との間の空間における干渉の結果として得られる変調波面が３次元シーンの光点をホログラムとして再構成するように、ビデオホログラムを使用して符号化される。
【００４７】
本発明に係る波形成ユニットは、ホログラフィック再構成システムが光学集束手段なしで且つ光波の偏向なしで実現されるという利点を達成する。
【００４８】
本発明の手段を含む国際公開第ＷＯ２００４／０４４６５９号に係る再構成システムは、セル制御器手段により連続的に制御可能な位相格子として広がるセルアレイがセル制御器手段により位相ホログラムのシーケンスにより符号化されるように設計される。制御可能位相格子として動作するセルアレイは、空間光変調器の機能を果たす。
【００４９】
これに対して、セル制御器手段は、個別に制御可能なプリズムにより変調部分波面の種々の偏向角を連続的に制御し且つ観察者の眼の所望の追跡範囲内にある眼の位置に変調部分波面を誘導するように、制御可能マイクロプリズム構造として動作する他のセルアレイを符号化する。
【００５０】
本発明に係る波面形成ユニットは、２つのセルアレイの相互作用により、ホログラフィック再構成に対する観察者の眼の追跡範囲内の任意の所望の眼の位置に変調部分波面を誘導するために、変調波面を集束する光学手段も変調波面を誘導及び追跡する光学手段も必要ないようにする。
【００５１】
これは、数ｄｍの直径を有する波面が収差によりホログラフィック再構成を妨害することなく変調及び誘導されるという利点を有する。収差は、波面の光が光軸に対してある傾斜角で光学素子を通過する時に発生する。
【００５２】
本発明に係る波形成ユニットの別の利点は、２つのセルアレイのセル構造が幾何学的配置に関して同一であってもよいことである。同一の種類のセルアレイは、波形成ユニットの全てのセルアレイに対して使用可能である。
【００５３】
セル制御器手段のみで、異なる符号化によりセルアレイの変調器セル間の機能的な差を実現できる。
【００５４】
一般に画像の結像及びホログラフィック再構成の双方が２次元変調波面により実行されるため、少なくともマイクロプリズム機能を実現するセルアレイにおいて、変調器セルに対処するための回路を含む制御電極は、システムの光軸から離れて配置される全ての焦点位置に到達するために、セル表面が２次元で横方向に傾けられるように設計される。一般にこれは、それらの変調器セルが互いに対して直角に変形され且つ別個の制御信号により制御される制御電界を実現する変調器セルの方向別アドレシングのための回路を含む二重制御電極対を備えるという点において達成される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、局所的なベクトルと共に単一の形成された光波面の図形表現の一例を示す図である。
【図２】図２は、波形成ユニットの好適な一実施形態に対する主な構成要素と共に本発明に係る機能原理を示す図である。
【図３ａ】、
【図３ｂ】図３ａ、３ｂは、被制御プリズム機能又は被制御位相値を含むセルアレイの詳細としてある行の変調器セルを示すセルアレイの側面図である。
【図４ａ】、
【図４ｂ】、
【図４ｃ】図４ａ〜図４ｃは、本発明に係る波形成ユニットを使用して制御される異なる方法で形成された放射波面の図形表現を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
次に、実施形態及び添付の図面を使用して本発明を詳細に説明する。
【００５７】
図１は、光波面ＷＦの単一の形状の一例を示す。光波面ＷＦの形状は、別個の部分光波に対するベクトルＶ１．．．Ｖｎを使用して局所的に記述される。ベクトルＶ１．．．Ｖｎは、伝播する波面ＷＦに垂直である。ベクトルＶ１．．．Ｖｎの各々は、均一な長さを有し且つｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面の双方に対する角度を示す法線ベクトルを含む。
【００５８】
図２は、本発明の好適な一実施形態を示す。本発明によると、図示される波面形成ユニットは、第１の透過型セルアレイＡ１及びその後第２の透過型セルアレイＡ２に向かって平行に伝播する平面波面ＷＦＩＮを含む。透過型セルアレイＡ１及びＡ２の各々は、光変調器セルＭＣ１．．．ＭＣｎを含む変調器表面を有する。各セルは、数μｍの断面を有し、空気又は水とは異なる光波伝播特性を示す透明な媒体から構成される。各光変調器セルは、横方向に異なって、すなわち２次元(x, y)で作用する電界に対する影響をもたらすように設計されるのが好ましい制御電極（不図示）を含む。コンピュータ支援セル制御器μＣは、各変調器セルに対する制御電極を使用して、透明な媒体を通る光路の長さ又は形状を変更する。このように、セル制御器μＣは、対応する部分波面の局所的な位相シフトＰＨｍ、PH1 ≦ PHm ≦ PHnに影響を及ぼすために、セルアレイＡ１の変調器セルの光路長を変更できる。それに関係なく、セル制御器μＣは、所望の局所的な伝播方向を達成するように局所的な方向ベクトルαｍ、α1 ≦ αm ≦ αnを制御するために、セルアレイＡ２の変調器セルのプリズム形状を変更でき、それにより、例えば方向別光波伝播誤差を補正する。そうすることにより、一般にセル構造は、入射波面ＷＦＩＮを大量の部分光波面に分割し、その断面及び変調器セルの数により放射波面ＷＦＯＵＴにおける部分光波面のアレイ構造を更に判定する。
【００５９】
２つのセルアレイのセル構造が同一であるという仮定の下、放射波面ＷＦＯＵＴの表面は、変調器表面と同一のアレイ構造を有する。放射波面ＷＦＯＵＴの各部分光波には、変調器セルの直列光接続が機能的に割り当てられる。
【００６０】
セル制御器μＣは、別個の電気制御値により１つのセルアレイにおいて割り当てられた変調器セルの部分光波の位相条件を制御する一方で、第２の制御値を含む後続のセルアレイの対応する変調器セルにおいて、同一の部分光波の伝播方向に影響を及ぼす。
【００６１】
各セルアレイは、セル制御器μＣが他のセルに依存せずに各変調器セルの制御電極に対処できるようにセルアドレシング手段を有するのが好ましい。従って、セルアレイにより放射される各部分光波は、個別の位相値及び個別の伝播方向の双方を別個に制御できる。
【００６２】
セル制御器μＣ及びセルアドレシング手段との対話のために、波形成ユニットは、３次元光波構造を形成できる空間光変調器を実現できる。光波面の空間パラメータを制御するために、セル制御器μＣには、ある空間における所望の光点の位置を記述する複素光点値を含むデータレコードが供給される。
【００６３】
波形成ユニットの波動場が大きな面積を有するように実現され且つ高い再生速度を示すため、波形成ユニットは、特にビデオホログラムのホログラフィック再構成に対して使用されるのが好ましい。
【００６４】
いわゆるブレーズ格子の形態で設計され且つ格子回折に関して最適化される回折格子とは異なり、プリズム機能を実現するセルアレイは、部分波面毎に別個の局所的な方向ベクトルαｍを実現できる。
【００６５】
任意の光学格子として、本発明に係るセルアレイは変調器セルの均一な断面のために一定の間隔を有する。しかし、変調器セルの光放射面は、主に非正三角形の断面を表し且つ段階的な構造を有する変調器表面を形成する種々の屋根の角度に設定される屋根形状を有する。
【００６６】
特に格子素子の形状に影響を及ぼすことにより、回折放射線の強度が所望の回折次数において最大値を示し且つ格子が所望の波長範囲において高い効率を示すことが達成される。
【００６７】
図３ａ及び図３ｂに示す本発明の特定の一実施形態によると、例えば可変の屋根の角度に加えて可変のセル周期を実現するために、プリズムとして符号化される変調器セルの機能が組み合わされる。
【００６８】
複数の変調器セルから構成される合成プリズム周期にわたり屋根の角度は一定である。この角度は、変調器セルの組合せ毎に制御可能である。しかし、可変の屋根の角度及び可変周期を含む表面レリーフ格子をシミュレートするために、合成周期内にある組合せ変調器セルは互いに異なる最大２πの位相シフトを実現する必要がある。
【００６９】
切替可能マイクロプリズムの形態で実現されるコヒーレントに照明されるセルアレイは、回折構造として処理される。全体的に見て、セルアレイは、表面レリーフ格子と同一の特性、例えば変調波動場の非連続的な角度偏向を示す。セルアレイのプリズム角度が変更される場合、この波動場の個々の回折次数における回折効率も変更される。これは、強度が分散され且つ回折格子の式により判定される角度に関して表されることを意味する。従って、アレイがホログラフィック３Ｄディスプレイにおいて使用される場合、光エネルギーがなく且つその結果として観察者ウィンドウが位置付けられない回折次数の間の位置が常に存在する。この欠点は、位相の継続により補償される。
【００７０】
位相の継続は、切替可能マイクロプリズムにおいて偏向角の不連続な切替えと関連して起こる位相ジャンプを補償するために行なわれる対策である。これは、セルアレイの隣接するマイクロプリズムが組み合わされて、例えば２Ｄ符号化の場合には１０×１０マイクロプリズム又は１Ｄ符号化の場合には列になった１×１０マイクロプリズムである合成して作成された周期を有する単一のセルを形成するという点において達成される。変更された合成周期により、連続的に可変な偏向角を実現できる。
【００７１】
位相の継続は、波動場の位相をシフトする追加の素子がセルアレイに提供されるという点で実現される。回折次数の位置は、特にマイクロプリズム及び追加の素子に対して横方向に変位可能である。２つの回折次数の間のセルアレイの遠視野に位置するホログラフィック３Ｄディスプレイの観察者ウィンドウは、連続的に変位される。本発明によると、各マイクロプリズムには制御可能な位相シフト素子が割り当てられる。これらの素子は、マイクロプリズムのセルアレイの前に光路に配設されるのが好ましい。個々のマイクロプリズムは、２つの平面において目標となる角度を局所的に設定できる。位相シフト素子は、最大２πの範囲の連続する位相値を生成する。
【００７２】
時間的に十分にコヒーレントな光が使用される場合、位相の継続は２πを法としてのみ実行される必要がある。
【００７３】
そのような素子を含むアレイにより、波動場において連続する位相勾配を取得でき且つ連続する相転移を生成できる。これにより、目的を持って波動場を動的に形成できる。
【００７４】
３Ｄ物体を再構成する時に位相符号化が十分である場合、上述のアレイは、ホログラム、すなわち位相値が書き込まれる位相シフトＳＬＭを表す。
【００７５】
別の実施形態によると、平面波動場により照明されるＳＬＭは、視野レンズの機能を更に実現できる。
【００７６】
これらの可能性について、図４を参照して更に詳細に説明する。
【００７７】
図４は、本発明に係る波形成ユニットを使用して波面ＷＦを可変に形成するための種々のオプションを示す。図４ａに示すように、波形成ユニットは変形した波面をまっすぐにできる。
【００７８】
図４ｂに示すように、波形成ユニットは湾曲した波面を放射できる。このように、例えば集束素子のほぼどの機能もそれぞれセルアレイを符号化することにより実現可能である。数μｍの断面を示す変調器セルを含むセルアレイが高解像度を実現するため、セル制御器μＣは、例えばマトリクス状に配置された複数の光源を含む光源アレイから波面を供給するために、セルアレイにおいて適応レンズアレイの機能を符号化できる。
【００７９】
平面波により照明され且つ画像情報により符号化され且つ従って空間光変調器ＳＬＭとしての役割を果たすセルアレイの制御信号は、追加のレンズ機能により重畳される。例えばセルアレイは、視野レンズの機能を更に実現する。
【００８０】
少なくとも１つのセルアレイがホログラフィック再構成システムにおいて空間光変調器の機能を実現するように、セル制御器手段μＣは、現在のビデオホログラムに依存してホログラフィック情報により波形成ユニットの少なくとも１つのセルアレイＡ１又はＡ２を少なくとも部分的に符号化できる。
【００８１】
図４ｃに示すように、セル制御器μＣに対する制御信号は、波面を湾曲して傾ける等、種々の光学機能の組合せを実現できる。変調波面は、対応する制御信号成分を使用して空間のある特定の位置に誘導される。
【００８２】
本出願は、例えば観察者の眼に対してホログラフィック再構成を追跡する場合に非常に重要である。
【００８３】
本発明に係る解決策は、個々の被制御変調器セル内で位相勾配が実現され、その結果、個々の回折次数の回折効率が特に向上されるように波面を動的に変更できる。
【００８４】
２値位相格子とは異なり、制御可能回折格子に基づいて動作するセルアレイは、特定の回折次数でほぼ１００％の回折効率を実現できる。
【００８５】
本発明に係る波形成ユニットのために、連続的な位相制御を実現でき、それにより要望に応じて使用された回折次数の位置を横方向に適応させる。
【００８６】
波面の動的変調は、透過モード又は反射モードの双方で実現可能である。
【００８７】
本発明の大きな利点は、波形成ユニットにより、大きなダイナミックレンジ及び従来の２値位相変調より大きな回折効率を有する特に平坦で軽量な光学系が実現可能であることである。これは、伝播空間における媒体の局所的な温度、湿度、組成及び密度の変動等の周囲の影響を速いペースで補償でき、光学系の個々の光コンポーネントの調整不良を補正できる。可変の位相値、振幅値及び角度値が導入される場合、入射波面の変調に対する設計の自由度は向上される。
【００８８】
隣接次数が光学系において妨害効果を有する場合又は単純な手段により除去されない場合、隣接次数を抑制するために変調器セルの照明ビームパスにおいてアポダイゼーションが利用されるのが好ましい。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年6月15日(2010.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光波面に基づいて放射部分光波における局所的に異なる位相シフト（ＰＨ１．．．ＰＨｎ）及び異なる偏向角の双方を個別に設定するために、セルアレイに規則的なパターンで配置される空間光変調のための光変調器セルを有する動的波形成ユニットであって、
−セル制御器手段（μＣ）により制御される変調器セル（ＭＣ１、ＭＣｎ）のアレイ（Ａ１、Ａ２）は、
−第１のセルアレイ（Ａ１）においては、前記変調器セルが連続する位相値を有する位相シフト（ＰＨｍ）を個別に実現するように、
−第２のセルアレイ（Ａ２）においては、前記変調器セルが前記部分光波に対して連続する方向値（αｍ）によりプリズム機能を実現するように、光波面（ＷＦＩＮ）の光路に直列に配設され、
−射出瞳の共通の位置に光学ユニットの部分光波を誘導する放射波面（ＷＦＯＵＴ）に対する集束機能を実現する手段は、前記光学ユニットの光路に配設されることを特徴とする動的波形成ユニット。
【請求項２】
少なくとも１つのセルアレイは、エレクトロウェッティングセルを含むことを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項３】
前記セル制御器手段（μＣ）は、制御可能なプリズム機能を実現するように１つのセルアレイ（Ａ２）のエレクトロウェッティングセルを制御する及び／又は、前記セル制御器手段（μＣ）は、制御可能な位相シフト機能を実現するように前記エレクトロウェッティングセルを制御することを特徴とする請求項２記載の波形成ユニット。
【請求項４】
前記セル制御器手段（μＣ）は、残りの位置に関連する−πと＋πとの間の位相シフト機能を実現するように各エレクトロウェッティングセルを制御することを特徴とする請求項３記載の波形成ユニット。
【請求項５】
前記セルアレイは、同一のセル構造を有することを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項６】
１つのセルアレイ（Ａ２）は制御可能マイクロプリズムを含む、及び／又は、１つのセルアレイは、少なくとも前記集束機能を更に実現することを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項７】
少なくとも１つの更なるセルアレイを備える、若しくは、少なくとも１つの更なるセルアレイを有し且つ前記更なるセルアレイの変調器セルは、他のセルアレイの設定により起こる光の損失を補償するために種々の輝度値を実現するように局所的に制御されることを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項８】
更なるセルアレイは、複数のレンズを含むアレイの機能を実現することを特徴とする請求項１又は７記載の波形成ユニット。
【請求項９】
前記セル制御器手段（μＣ）は、少なくとも１つのセルアレイがホログラフィック再構成システムにおいて空間光変調器の機能を実現するように、前記プリズム機能及び／又は前記位相シフトを実現するために、現在のビデオホログラムに依存してホログラフィック情報により少なくとも１つのセルアレイ（Ａ１、Ａ２）を少なくとも部分的に符号化することを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項１０】
前記セル制御器手段は、前記光波の伝播方向を観察者の眼の少なくとも１つの眼の位置に適応させるために、前記眼の位置に依存して前記プリズム機能及び／又は前記位相シフトを実現するように少なくとも１つのセルアレイを符号化することを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項１１】
前記セル制御器手段は、前記放射波面（ＷＦＯＵＴ）を横方向に調整するためにプリズム機能により１つのセルアレイを符号化し、前記セル制御器手段は、種々の焦点位置に対して軸方向に前記放射波面（ＷＦＯＵＴ）を集束するためにレンズ機能により１つのセルアレイを更に符号化することを特徴とする請求項１０記載の波形成ユニット。
【請求項１２】
ホログラフィック再構成システムの少なくとも１つのセルアレイは、表示画面のサイズを表し且つ／又は実現する、若しくは少なくとも１つのセルアレイ及び前記セル制御器手段の一部はコンパクトなユニットを形成することを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項１３】
少なくとも１つのセルマトリクスは、全ての変調器セルの光学挙動を個別に制御するために変調器セル毎に制御アドレシング手段を含むことを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項１４】
少なくとも１つのセルマトリクスは、電子データバス若しくは光電子データバスを介してアドレス指定されることを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【請求項１５】
照明素子のアレイにより照明されることを特徴とする請求項１記載の波形成ユニット。
【国際調査報告】
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