(57)【要約】  鏡の形をとる光学素子（２）と、光学素子（２）を変形するアクチュエータ（３、１０３）とを備える、入射光を誘導する結像装置（１、１００）が開示される。光学素子（２）は、入射光に面する表面を有する。アクチュエータ（３、１０３）は、光学素子（２）を変形するために、光学素子（２）の光学表面を側方にグリップする。
2010521003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を誘導する表示装置であって、
光学素子と、
前記光学素子を変形するアクチュエータユニットとを備え、
前記光学素子は、前記入射光に対向する表面を見せ、
前記アクチュエータユニット（３，１０３）は、前記光学素子（２）の前記光学表面上に横から係合することを特徴とする、表示装置。
【請求項２】
前記アクチュエータユニット（３）は、
前記光学素子（２）の光軸（１０）とは垂直な方向に、前記光学素子（２）に対して力を加えることができる少なくとも１つの主アクチュエータ（４）
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記アクチュエータユニット（１０３）は、前記光学素子（２）に対して曲げモーメントを加えることができる少なくとも１つの主アクチュエータ（１０４）を備え、
前記曲げモーメントの軸は、前記光学素子（２）の光軸（１０）と垂直であり、かつ前記光軸（１０）の放射方向と垂直であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記光学素子（２）の表面の偏向方向を設定することができる少なくとも１つの補助アクチュエータ（５，１０５）を備えることを特徴とする、請求項２又は３に記載の表示装置。
【請求項５】
前記主アクチュエータ（１０４）は、一方では前記光学素子（２）に対して曲げモーメントを加え、他方では周囲に対して回動可能に保持されるレバー（１４）を備え、
前記主アクチュエータ（１０４）には、少なくとも１つの補助アクチュエータ（１０５）が割り当てられ、
前記主アクチュエータ（１０４）の前記レバー（１４）は、前記補助アクチュエータ（１０５）上に、周囲に対して回動可能に保持され、
前記補助アクチュエータ（１０５）は、レバーの運動に対する補償運動を行うことができることを特徴とする、請求項３又は４に記載の表示装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの補助アクチュエータ（１０５）は、前記主アクチュエータ（１０４）によって加えられる前記曲げモーメントに加えて、前記光学素子（２）の光軸（１０）の放射方向に当該光学素子（２）に対して圧縮力を加えることができることを特徴とする、請求項５に記載の表示装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの補助アクチュエータ（５，１０５）を、前記光学素子（２）の軸受の位置を追跡するために備えることを特徴とする、請求項４乃至６の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項８】
前記光学素子（２）の光学表面は、光に対する誘導に応じて、Ｒ＝（−∞；−２５０ｍｍ）からＲ＝（＋２５０ｍｍ；＋∞）の調整範囲内で調整可能である湾曲半径に湾曲されうることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
【請求項９】
広い調整範囲内で前記光学素子（２）を変形するために、２Ｈｚから２０Ｈｚの間（好適には５Ｈｚ）の周波数が用いられることを特徴とする、請求項８に記載の表示装置。
【請求項１０】
目標値の±５％の精密な半径の調整範囲内で前記光学素子（２）を変形するために、１５０Ｈｚまでの周波数が用いられることを特徴とする、請求項８に記載の表示装置。
【請求項１１】
前記補助アクチュエータ（５，１０５）が圧電アクチュエータであることを特徴とする、請求項４乃至１０の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項１２】
前記主アクチュエータ（４，１０４）が電気力駆動であり、特にリニア駆動又は回転電磁気プランジャコイル駆動であることを特徴とする、請求項２乃至１１の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項１３】
前記主アクチュエータ（４，１０４）が圧電アクチュエータであることを特徴とする、請求項２乃至１２の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項１４】
前記光学素子（２）がフレームに保持され、
前記フレームは前記アクチュエータユニット（３，１０３）によって構成され、かつ前記光学素子（２）の反対側に配置された保持要素（６，１０６）を備え、
前記光学素子（２）は、前記保持要素（６，１０６）に締め付け固定され、
曲げモーメントを前記光学素子（２）に加えるために、前記保持要素（６，１０６）はそれぞれ少なくとも１つの主アクチュエータ（４，１０４）（特にレバー（１４））に接続されることを特徴とする、請求項１乃至１３の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項１５】
前記フレームは、前記光学要素（２）が偏向するのに加えて伸張しないように、前記光学要素（２）の伸張（Δｘ）を補償するように設計されることを特徴とする、請求項１４に記載の表示装置。
【請求項１６】
前記光学要素（２）は鏡（特に円筒状の鏡）であることを特徴とする、請求項１乃至１５の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項１７】
前記光学要素（２）の厚さが、当該光学要素（２）の変形の間に一定に保たれることを特徴とする、請求項１乃至１６の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項１８】
光学素子上への入射光を誘導する方法であって、
前記光学素子への前記入射光は結像され、
前記光学素子（２）は、請求項１乃至１６の何れか１項に記載の表示装置（１，１００）の一部であり、
前記光学素子は、光学表面上に横から係合するアクチュエータユニット（３，１０３）の補助によって変形されることを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記光学素子（２）を変形するための力は、前記光学素子（２）に対して、光学表面の外側に加えられることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記アクチュエータユニット（３，１０３）によって前記光学素子（２）上に加えられる前記力及び曲げモーメントは、（特に、コンピュータの補助により、電圧及び電流を前記アクチュエータユニット（３，１０３）に加えることによって）メカトロニックに生成されることを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記光学素子（２）の変形とともに、前記光学素子（２）に対して結像の調整が行われることを特徴とする、請求項１８乃至２０の何れか１項に記載の方法。
【請求項２２】
少なくとも１つの偏向素子の補助により結像される波面の波面誤差が、前記光学素子（２）を備える前記表示装置（１，１００）の補助により補正され、前記波面は前記偏向素子に角度を持って入射することを特徴とする、請求項１８乃至２１の何れか１項に記載の方法。
【請求項２３】
色収差（特に長手方向の色収差）が、前記光学素子（２）を備える前記表示装置（１，１００）の補助により補正されることを特徴とする、請求項１８乃至２２の何れか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記光学素子（２）の厚さを変更することにより、及び入力される力及びモーメントを修正することにより、前記光学素子（２）の偏向の曲げ線が設定されることを特徴とする、請求項１８乃至２３の何れか１項に記載の方法。
【請求項２５】
キャリア材料を所定のパラメータに機械加工する工程と、
前記キャリア材料上に、光学層としての役割を果たす材料を堆積させる工程と、
光学層としての役割を果たす前記材料を、（特に回転ダイヤモンド工具の助けによる）ミリング処理によって処理する工程と、
を実行することにより前記光学素子（２）が製造されることを特徴とする、請求項１８乃至２４の何れか１項に記載の方法。
【請求項２６】
特に少なくとも１人の観察者の眼を監視するのに応じて、前記表示装置（１，１００）の前記光学素子（２）を変形することにより、３次元シーンを表示するためのホログラフィック投影装置の光学軸（ＯＡ）に沿って波面が追跡されることを特徴とする、請求項１８乃至２５の何れか１項に記載の方法。
【請求項２７】
請求項１乃至１７の何れか１項に記載の表示装置（１，１００）がセンサの出力信号に応じて調整されることを可能とするコントローラ（１１）を用いて、画像の像面の位置を、当該像面と直角な方向に調整するためのシステム。
【請求項２８】
前記センサは位置検出センサであることを特徴とする、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記位置検出センサによって検出された観察者の位置に、前記画像の像面を移動するために、２Ｈｚと２０Ｈｚとの間（特に５Ｈｚ）の周波数で広範囲の調整が行われることを特徴とする、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
観察者の１つの眼に対する画像信号が２５Ｈｚの周波数で提供され、当該画像信号は前記表示装置（１，１００）によって同じ周波数で精密に調整されうることを特徴とする、請求項２７乃至２９の何れか１項に記載のシステム。
【請求項３１】
観察者の双方の眼に対する画像信号が５０Ｈｚの周波数で提供され、２つの眼の時分割多重化のために、画像信号は光学素子（２）上に眼ごとに２５Ｈｚの周波数で入射し、当該画像信号は前記表示装置（１，１００）によって同じ周波数で精密に調整されうることを特徴とする、請求項２７乃至２９の何れか１項に記載のシステム。
【請求項３２】
１５０Ｈｚの周波数で精密範囲の調整が行われ、観察者の双方の眼について、及び３つの単色についての信号が、時分割多重化の助けによって光学素子（２）上に入射することを特徴とする、請求項２７乃至２９の何れか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及び光学素子を変形するアクチュエータユニットを含む入射光を誘導する表示装置に関する。ここで、光学素子は入射光に対向する面を見せる。更に本発明は、光学素子を使用して光学画像を作成する方法及び上述のような表示装置を使用して画像の像面の位置を調整するシステムに関する。
【０００２】
本発明は、特に、主に光を操作するために使用される適応光学系に関する。そのようなシステムは、空間的に部分的にコヒーレントな光又はコヒーレント光の位相を特に変更することを目的とする。
【背景技術】
【０００３】
適応光学系は、多くの従来技術の文献により周知である。適応ミラーは、それらのシステムのある特定の下位分類を表す。そのような適応ミラーは、以前は主に天文学機器において使用されてきた。適応ミラーの面は、反射光の位相が誘導されるように変形可能に設計される。
【０００４】
反射面を変形する複数の種々の方法及び適応ミラーの種々の設計は、従来技術により周知である。一般に、アクチュエータは、変形される反射面又はミラーに力を作用させるために使用される。このために、圧電アクチュエータ、磁歪アクチュエータ及び電磁アクチュエータ等の種々のアクチュエータが使用可能である。
【０００５】
例えば独国特許出願公開第１９７ ２５ ３５３ Ａ１号において、適応ミラーを使用してレーザビームを誘導する装置が説明される。ミラーの裏面は圧電アクチュエータ本体に固定され、圧力伝達手段がミラーの裏面と圧電アクチュエータ本体との間に配設される。ミラーを変形するために、圧力伝達手段はミラーの裏面のほぼ全体に係合し、圧電アクチュエータ本体はミラーの裏面に直接影響を及ぼすことはないが、その力は圧力伝達手段を介してミラーに伝達される。そのようなシステムは、圧電アクチュエータ本体により小さな制限された範囲においてのみ調整が可能になるため、ミラー偏向の調整範囲が最小限であるという欠点を有する。
【０００６】
更に米国特許出願公開第２００４／０１５０８７１Ａ１号において、膜を有し且つ圧電アクチュエータにより変形される変形可能なミラーが説明される。ユニモルフの形態の複数の曲げアクチュエータは、ミラーを変形させるためにミラーの裏面に配設される。ユニモルフにおいて、圧電層は圧電層ではない弾性層に着脱不可能に接続される。ここで、圧電層ではない弾性層は導電性であり、電極としての役割を果たす。各アクチュエータは、ミラーの膜に結合され、ミラーの個々の領域を変形するために別個に制御される。アクチュエータの圧電層に印加される電圧は長手方向に張力を起こすため、圧電ユニモルフはミラーの各領域を加圧して変形させるように刺激される。しかし、それらのシステムの欠点は、それに応じてミラーの膜を変形するために例えば８ｍｍの直径に対して約１００個のアクチュエータが必要とされるため、そのような設計が非常に小さなミラーの直径にのみ適していることである。必要とされるアクチュエータの数が非常に多くなることにより、装置が複雑になり且つコストがかかりすぎるため、そのような設計はより大きなミラーの直径には適さない。
【０００７】
更に米国特許出願公開第２００６／０１３９５６Ａ１号において、基板上に反射面を示す変形可能なミラーが説明される。また、膨張及び収縮の結果としてミラーを変形できる変形可能な層が基板に配設される。ミラーを変形させる少なくとも１つのアクチュエータは、ミラーの裏面に配設される。そこで、アクチュエータは基本的な変形を行ない、変形可能な層は事前に変形された反射面の微調整を実現する。ここで、ミラー又は反射面の広い調整範囲が達成されないことは特に不利である。更に、力がミラーの裏面の一点にのみ作用するため、反射面の湾曲又は偏向を目標を設定して均一に変更又は調整することを達成するのは困難である。
【０００８】
米国特許出願公開第２００６／００２８７０３Ａ１号により、別の変形可能なミラーが周知である。ミラーは、第１の反射面、第２の面及び組み込み圧電アクチュエータを有し、圧電アクチュエータは、担持部材及び可動拡張部材を含む。拡張部材は、担持部材を基礎とし、第２の面に接続される。ここで、電極は個々の拡張部材に備えられる。ミラーを変形するために、拡張部材が制御信号に従って移動され、ミラーの反射面は変形される。ここでも、ミラーの広い調整範囲は達成されない。そのような拡張部材を提供することは非常に高価であり、更に拡張部材は、実際に変形が達成されるまでに相対的に長い応答時間を必要とする。
【０００９】
更に米国特許出願公開第２００６／０２４５０３５Ａ１号において、変形可能なミラーが説明される。ここで、隔壁及びミラーは多くの密閉空気室を形成する。制御要素は、少なくとも１つの空気室の気圧を制御する。気圧は、ミラーの形状が変更されるように制御される。そのようなシステムは、圧力制御要素、弁、ガス供給ライン等の追加の要素を必要とするため、それらの設計及び製造は非常に複雑でコストがかかる。また、そのようなガス圧力が制御された反射光学系は、相対的に大きな慣性を示す。米国特許出願公開第２００６／０１０４５９６Ａ１号において、同様の装置が示される。
【００１０】
独国特許出願公開第１０１ ５１ ９１９ Ｂ４号において、光軸に平行な拡張部を含むミラーを含む照明対物レンズが説明される。ミラーを変形するために、力はアクチュエータを制御することにより伝達要素を介して拡張部に導入される。ミラーは、取り付け要素を使用して照明対物レンズに固定される。光学表面は、ミラーのそのような変形により伸張又は歪曲され、その特性に悪影響を及ぼす。
【００１１】
更に従来技術の文献により、セグメント化適応光学系が周知である。しかし、それらは反射面の十分な形状安定性を示さない。
【発明の概要】
【００１２】
従って、本発明の目的は、光学素子を使用して入射光を誘導する表示装置を提供することである。前記装置は、従来技術の欠点を除去し、光学素子の結像品質に悪影響を及ぼさずに単純で安価で効率的に光学素子の誘導されたパラメータに関して広範な応用例に適応可能である。
【００１３】
この目的は、アクチュエータユニットが光学素子の光学表面上に横向きに係合する本発明に従って解決される。
【００１４】
本発明に係る表示装置は、入射光を誘導するために、光学素子、好ましくはミラーとアクチュエータユニットとを含む。光学素子は、入射光を結像するために又は入射光から画像を生成するために使用され且つ入射光に対向する好適な反射光学表面を示す。アクチュエータユニットは、光学素子を制御することにより光学素子の変形を実現し、入射光を誘導する。アクチュエータユニットは、光学素子を変形するために光学素子の光学表面上に横方向に係合する。本発明において、「光学表面上に横方向に係合する」とは、両側から光学素子の面に係合することを意味する。
【００１５】
光学表面への横方向の係合は、光学表面の同一の変形を達成するために周知の適応光学素子において必要とされる力と比較して相対的に小さな力又はモーメントを単に必要とする。利点は、光学素子の背面又は裏面からの係合と比較して大きな力を作用する必要なく、光学素子が広い調整範囲（例えば、平坦な光学素子又は凹形に湾曲した光学素子から凸形に湾曲した光学素子まで）において変形可能であることである。更に、アクチュエータユニットの移動距離は短いままである。これは、調整が数ｍｍの範囲で可能になり、従来の装置から周知のように数μｍの範囲に限定されないことを意味する。その結果、相対的に大きな開口部を有する光学素子は、光学特性を低下せず且つ多くのアクチュエータを使用する必要なく変形可能である。本発明に係る表示装置により、広い調整範囲に加え、速い調整速度及び高い調整周波数が達成可能である。
【００１６】
光学素子を変形するために光学表面の外側から横方向に力を加えた結果、結像品質に関して実質的な利点が得られる。このように、けられ（陰影）及び不連続性の例は、アクチュエータが光学素子の裏面に係合される周知のシステムのように光学素子の曲げ線上に発生しない。
【００１７】
光学素子の偏向の異なる調整のために、光学素子の焦点距離は非常に広範囲で変化する。そのために、そのような表示装置は、特に好適に３次元再構成されたシーンを観察する時の観察者の位置に従って波面を追跡するホログラフィック投影装置において、光を追跡するのに特に適する適応光学系である。本発明に係る表示装置は、信号追跡及び波面追跡に加えて、例えばホログラフィック投影装置における波面誤差を動的に補正し且つシステム特有の収差を補正するように動作可能である。
【００１８】
センサの出力信号に応答して画像信号を追跡するシステムは、請求項２７から３２の内容である。
【００１９】
本発明の好適な一実施形態によると、アクチュエータユニットは、光学素子に対して光学素子の光軸にほぼ垂直な方向に力を作用できる少なくとも１つの主アクチュエータを含むことができる。膨張又は反りの変形である光学素子の偏向又は湾曲は、光学素子の一方側の少なくとも１つの主アクチュエータにより達成可能である。ここで、主アクチュエータは、光学素子のその一方側に押し付け圧縮力を作用させ、光学素子が他方側に固定保持された場合に光学素子を変形する。しかし、少なくとも１つの主アクチュエータが光学素子の両側に提供されるのが好ましく、設計は中央に関して対称的であるのが好ましい。同一の力が光学素子の両側に作用する場合、対称的な偏向が生成される。偏向又は膨張は、主アクチュエータを制御することにより誘導される。上記のことは、特に軸方向に対称的な光学素子に当てはまる。円形の光学素子又は更に別の形状の光学素子に対しては、異なる数のアクチュエータが適切だろう。
【００２０】
あるいは、アクチュエータユニットは、曲げモーメントを光学素子に加える少なくとも１つの主アクチュエータを含むことができる。ここで、曲げモーメントの軸は、光学素子の光軸にほぼ垂直であり且つ光軸の放射方向にほぼ垂直である。この場合、偏向又は湾曲は光学素子を曲げることにより達成される。更に、圧縮力を加える１つの主アクチュエータ及び光学素子に曲げモーメントを加える１つの主アクチュエータが提供可能である。光学素子は、このように更に変形可能である。ここでも、光学素子に曲げモーメントを加える１つの主アクチュエータは、光学素子の両側に提供されるのが好ましい。上述のように、押し付け力を加えるのと共に曲げモーメントを加えることも可能である。
【００２１】
曲げの利点は、曲げ線が膨張曲線より光学的に所望の変形に適合することである。
【００２２】
光学素子への主アクチュエータの横方向の係合のために、広い調整範囲で光学素子の所望の偏向又は湾曲を実現するのに僅かな力及びモーメントで十分である。
【００２３】
本発明の更なる好適な実施形態によると、光学素子の面の湾曲の方向、特に偏向方向又は膨張方向を調整できる少なくとも１つの補助アクチュエータが提供される。要求される偏向方向を設定するために、少なくとも１つの補助アクチュエータが提供されるのが好ましい。補助アクチュエータは、例えば光学素子の反射面と逆方向を向く光学素子の面に配設される。膨張させる主アクチュエータの場合、補助アクチュエータは、要求される曲げ線が凸形であるか又は凹形であるかに依存して引くか又は押すことにより偏向方向を設定できる。更に、膨張させる主アクチュエータの場合、補助アクチュエータにより、膨張加工中の初期の不連続性を容易に克服し且つ光学素子の非常に小さな湾曲又は偏向（すなわち、大きな半径）を容易に正確に実現する。
【００２４】
更に、曲げる主アクチュエータの場合、主アクチュエータは、一方では光学素子に曲げモーメントを加え且つ他方では周囲に対して回動可能に支持されるレバーを含むのが好ましい。主アクチュエータは、主アクチュエータのレバーが周囲に対して支持される少なくとも１つの補助アクチュエータを割り当てられる。補助アクチュエータは、光学素子の偏向により引き起こされる可能性があるレバーの旋回運動に対する補償運動を実行する。主アクチュエータの力は、主アクチュエータ及び光学素子に接続されるレバーを通して光学素子に伝達される。光学素子が偏向される間に更に伸張できないか又は伸張しないため、その支持される端部は実際の偏向量に従って変位される。実際の偏向量は、必ずしもレバーの旋回運動に対応するわけではない。これは、所望のレバーの運動が組み合わせて行なわれ且つ光学素子の光学特性が低下されないように主アクチュエータを移動させる少なくとも１つの補助アクチュエータを使用して行なわれる。
【００２５】
本発明の好適な一実施形態によると、光学素子の光学表面は、所望の光の誘導に依存してR=(-∞; -250mm)〜R=(+250mm; +∞)の調整範囲で調整可能な湾曲の半径で湾曲されると更に仮定される。特にホログラフィック投影装置において、例えば３次元シーンを観察する観察者の変更された位置に従う光の追跡が実現される際の光学素子の焦点距離を取得するために特に好ましい又は必要な光学素子の湾曲、特に偏向は、そのような広い調整範囲を使用して達成される。
【００２６】
更に、光を追跡するか又は画像の像面を規定するホログラフィック投影装置における応用例の場合、広い調整範囲で光学素子を変形するために、２Ｈｚ〜２０Ｈｚの範囲の周波数、好ましくは５Ｈｚの周波数が使用されるのが好ましく、半径の目標値の５％前後の微調整範囲で光学素子を変形するために、１５０Ｈｚまでの周波数が使用されるのが好ましい。広い調整範囲は、本発明における合計調整範囲を表す。光学素子の半径の調整又は偏向は、調整範囲全体にわたり５Ｈｚで達成されるのが好ましい。これに対して、半径の目標値を正確に調整するための半径の微調整又は半径の小さな変更は、最大約１５０Ｈｚで達成される。そのような最大約１５０Ｈｚでの変更は、半径の目標値の±５％の範囲で行なわれる。小さな調整移動は、半径の小さな調整に必要である。そのため、初期の膨張又は曲げを得るための広範囲の調整の場合より小さな力及びモーメントがシステムに加えられる。しかし、５０Ｈｚの信号が与えられる３色の光学誤差補正を実行するために、そのような変更は非常に高速である必要がある（最大約１５０Ｈｚ）。これは、調整移動が小さくなるのに伴って、力の差が小さくなることを意味する。それにも関わらず、最大の力が加えられ、その力は絶対位置の非線形的な関係に依存する。
【００２７】
そのような高精度な制御及び調整を実行できるように、請求項２７記載の像面に対して直角方向に画像の像面の位置を調整するシステムが提供される。前記システムは、制御器又は制御ユニットと上述の表示装置を含み、表示装置は、センサ、特に位置検出センサの出力信号に応答して調整される。このシステムは、ホログラフィック投影装置だけでなく他の分野においても好適に使用される。広範囲の調整は、２Ｈｚ〜２０Ｈｚの範囲の周波数、特に５Ｈｚで実行されるのが好ましいだろう。
【００２８】
補助アクチュエータは、圧電アクチュエータの形態で設計されるのが好ましい。これは、その種類のアクチュエータが数μ秒の範囲の非常に短い応答時間及び達成可能な大きな力を示すためである。更に圧電アクチュエータは、複数の圧電スタックを結合することにより非常に適切な大きさにされる。
【００２９】
本発明において、主アクチュエータを使用して広範囲の調整及び精密範囲の調整を実行できる。
【００３０】
主アクチュエータは、電気力駆動、特にリニア又は回転電磁気プランジャコイル駆動であるのが好ましい。そのような電気力駆動、いわゆるボイスコイル駆動は、多くの繰り返し、高い位置決め精度及び大きな加速により特徴付けられるため、力及び曲げモーメントは高性能光学素子に加えられ、位置決め速度は実際の要望に従って非常に速くなる。光学素子の偏向は、非常に高い精度で達成され且つ繰り返される。
【００３１】
光学素子はフレームに保持される。フレームは、アクチュエータユニットにより構成され、光学素子の両側に配設される保持要素を含み、光学素子が締め付け固定される。保持要素は、曲げモーメントを光学素子に加えるために少なくとも１つの主アクチュエータ、特にレバーに接続される。１つの保持要素は特に光学素子の左側縁部に接続されるのが好ましく、１つは右側に接続される。可能な限り対称的な光学素子の偏向を達成するために、光学素子は円形でないのが好ましく、１つの可能性として多角形を示す。保持要素は、光学素子の偏向又は膨張の間に光学素子の中心に向かって移動可能である。このように、光学表面の望ましくない伸張又は付勢が防止され、要求される光学特性は制約なしで保証される。
【００３２】
本発明の目的は、光学素子を使用して光学画像を作成する方法により更に解決される。光学素子は、請求項１から１６のいずれか１項に係る表示装置の一部を表し、光学素子は、光学表面に横方向に係合するアクチュエータユニットを使用して変形される。
【００３３】
光学画像を作成するため又は光学装置において光を誘導するために、光学素子を含む表示装置は、光学素子が焦点距離を変更するように制御され、それにより光の焦点は変更する。これは、制御がコンピュータにより支援されるメカトロニックアクチュエータユニットにおいて特に高精度で達成される。この利点は、２次元及び／又は３次元シーンを観察する観察者の位置に従って光を追跡するホログラフィック投影装置において使用されるのが好ましい。観察者が表示画面に向かって移動するか又は表示画面と反対方向に移動する場合、光は表示画面、すなわち観察者領域において追跡される。
【００３４】
本発明の好適な一実施形態によると、少なくとも１つの偏向素子を使用して結像される波面の波面誤差は、光学素子を含む表示装置を使用して補正されるのが好ましい。ここで、波面は角度を持って偏向素子に入射する。光源から発生する波面が光学系を介して伝達される場合、その波面は変形される。変形した波面は、結像が妨害され且つ画質が低下するという影響を及ぼす。波面誤差を除去するために、表示装置はアクチュエータユニットを介して制御される。すなわち、光学素子は、波面の変形が光学素子の面の適応された偏向又は湾曲によりリアルタイムに補正されるように制御及び調整される。
【００３５】
更に、色収差、特に長手方向の色収差が光学素子を含む表示装置を使用して補正されると仮定されるのが好ましい。光が例えばレンズにより回折される場合、色収差は起こる。ここで、短波すなわちスペクトルの青色端が長波すなわちスペクトルの赤色端より強く回折される。その後、光の種々の色は、種々の焦点を有するため、レンズの焦点で集束しない。光学素子の種々の偏向が種々の焦点距離の原因となるため、表示装置を使用して特に光学系の長手方向の色収差を補正できる。光学素子の偏向は、光の色の個々の焦点がレンズの基準波長焦点で常に集束するように調整可能である。それにより、色収差は最小限にされ、画像の鮮明度が向上する。
【００３６】
本発明の更なる実施形態は、他の従属請求項により規定される。添付の図面と共に、本発明の一実施形態を以下に詳細に説明し図示する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】光を誘導する表示装置の第１の実施形態を概略的に示す側面図である。
【図２】表示装置の別の好適な実施形態を示す透視図である。
【図３】図２に示す実施形態の補助アクチュエータの機能原理を示す概略図である。
【図４】図１に示す表示装置において支持される光学素子の偏向を示す概略図である。
【図５ａ】光学素子の面が曲げられていない状態の図２に示す表示装置を含むホログラフィック投影装置の詳細を示す概略図である。
【図５ｂ】光学素子の面が曲げられた状態の図５ａに示すホログラフィック表示装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
次に、表示装置１の基本設計及び機能原理を説明する。
【００３９】
図１は、表示装置１の一般的な設計を示す側面図である。図中、表示装置１は非常に簡略化されている。表示装置１は、ここでは例えばミラーである光学素子２と、少なくとも１つの主アクチュエータ４及び少なくとも１つの補助アクチュエータ５を含むアクチュエータユニット３とを含む。表示装置１の図示される実施形態は、対称的な設計であり、２つの主アクチュエータ４及び２つの補助アクチュエータ５を含む。ここで、１つは左側から光学素子２に係合し、１つは右側から光学素子２に係合する。
【００４０】
光学素子２は、光を反射又は誘導する反射面を有する。そのために、光学素子２は変形可能な設計になっている。光学素子２は、ミラー、特に円筒ミラーであるのが好ましい。すなわち、光学素子２を変形するように光学素子２に力を加えた後、光学素子２は球形ではなく円筒形の反射光学表面を有する。光学素子２が変形可能な設計であるため、高い光学表面品質を有する一方で非常に良い弾性変形性及び疲れ強さを示すことが重要である。これを達成するため、素材又はキャリア材料は任意の適切な弾性材料であってもよいが、キャリア材料としては鋼（ばね鋼）又はチタンが好ましい。そのような光学素子２の製造法の種々の選択肢を以下に説明する。
【００４１】
第１の可能性は、第１の工程において、微粉砕したばね鋼等のキャリア材料が周知の機械加工機器を使用してサイズ、厚さ及び形状等の所定のパラメータに合わせて機械加工されることである。その後、第２の工程において、光学層としての役割を果たす材料が堆積される。例えば１００μｍのニッケル（ＮｉＰ）が無電解めっき加工においてキャリア材料上に光学層として堆積される。堆積は、光学特性に影響を及ぼす条痕、介在物又は他の傷なしで実現されるのが好ましい。このニッケル−リン被膜（ＮｉＰ）は、リン含有量により特徴付けられ且つ特に硬度に関して焼戻しにより正確に修正される特性を示す。更に、それらのＮｉＰ被膜は、磨耗に対する大きな耐性及び好適な耐腐食性を示すため、光学素子２の長い実用寿命が達成される。無電解めっき法（又は化学析出）を利用することにより、輪郭に適合するように且つ均一な層の厚さを常に示すように被膜がキャリア材料上に堆積されることが保証される。ＮｉＰ被膜を塗布した後、光学層としての役割を果たす材料は、更なる工程において好ましくはモノリシックダイヤモンドの回転工具を特に使用してミリング加工によって処理される。ＮｉＰ被膜は、特に回転ダイヤモンドポイント（フライカッティング）を使用する微細機械加工プロセスにおいて、ミリングによりキャリア材料上に光学表面を形成するように処理される。このように、ＵＨＰ（超精密）機械加工プロセスによって表面は反射するようになる。
【００４２】
適切な光学素子２を製造する別の可能性は、ばね鋼又はばね青銅等のキャリア材料を平面研削及び研磨し、その後高反射光学表面を作成するためにキャリア材料をアルミニウムで塗布することである。そのように堆積されたアルミニウム層は、光学層を周囲の影響から保護することを意図する追加の薄い保護被膜により覆われる。
【００４３】
更に、光学反射被膜が平坦な表面に塗布されるように、ガラス、シリコン又は炭素繊維強化プラスチック等の弾性キャリア材料にその平坦な表面を与えることができる。
【００４４】
光学素子２を製造するために、反射するように被覆されたプラスチックウエブを、弾性キャリア材料に積層することも考えられる。
【００４５】
安定した支持を容易にするために多角形であるのが好ましい光学素子２を変形するために、その製造後、入射光を誘導するために表示装置１を使用して、光学素子２はアクチュエータユニット３により形成されるフレームに配設又は支持される。アクチュエータユニット３及び従ってフレームは、２つの部分から成る設計である。両側の１つの保持要素６は光学素子２の各縁部にフレームを接続する。すなわち、各縁部は各保持要素６に固定される。この種の光学素子２の支持は、光学素子２の弾性伸張を起こさないが弾性偏向を起こす。これを実現するため、光学素子２が変形されている間又は曲げられている間に、各縁部に対する軸受又は保持要素６が光学素子２の中心に向かって移動可能になるように、アクチュエータユニット３は可動軸受のように設計される。
【００４６】
上述のように、表示装置１は、主に光学素子２を変形するために使用される主アクチュエータ４を含む。主アクチュエータ４は、電気力駆動、特に電磁気プランジャコイル駆動の形態である。更に表示装置１は、上述のように、圧電アクチュエータの形態であり且つ主に光学素子２の中心に向かう移動を成し遂げるために使用される補助アクチュエータ５を含む。圧電アクチュエータは、非常に短い応答時間を示し且つ大きな力を作用させられるため、特に補助アクチュエータ５として適切である。補助アクチュエータ５は主アクチュエータ４と接続され、補助アクチュエータ５はレバー７を介して保持要素６と接続され、主アクチュエータ４は側部材又はレバー８を介して保持要素６と接続される。更に保持要素６は、レバー７と直接接続される一種の接合部を有する。
【００４７】
光学素子２の変形又は偏向を実現するために、補助アクチュエータ５は、事前定義済みの偏向方向を開始するように制御ユニット９により制御される。これは、光の誘導方法に依存して、光学素子２の凹形又は凸形の偏向が力Ｆ１を作用させることにより実現されるように、１つ又は複数の補助アクチュエータ５が制御されることを意味する。更に、種々の方法で偏向を開始又は初期化する補助アクチュエータ５により、膨張加工における初期の不連続性を克服することを助け、非常に小さな偏向が非常に正確に実現されるようにする。偏向方向を同様に設定するために、光学素子２又は保持要素６の接合部は、更に事前に応力をかけられる。偏向方向が補助アクチュエータ５により設定されると、制御ユニット９は主アクチュエータ４を制御し、主アクチュエータ４は放射方向、又は光学素子２の光軸１０に直交する方向の力Ｆ２を光学素子２に作用させる。主アクチュエータ４は、光学素子２の平面において直進運動を起こす。これにより、Δx/2の直進運動が両側で生成されるように、必要な力Ｆ２が両側に作用する。ここで、Δxは移動距離である。ここで、移動距離の半分が光学素子２の一方側で実現され且つ移動距離の半分が他方側で実現されるため、システム全体は対称的に挙動し、Δxは二等分される。微調整のために、光学素子２の縁部と共に保持要素６は、それに応じて補助アクチュエータ５を制御することにより更に移動される。補助アクチュエータ５により作用される力は、結果として、保持要素６の上部の矢印により示されるように保持要素６の線形運動を起こす。Ｆ３は、変形している間に光学素子２に作用する力を表す。光学素子２の偏向は、光学素子２の縁部の線形変位により起こる座屈又は曲げのないことを実現することにより達成される。従って、けられ及び不連続性が曲げ線上に発生しないように、力は両側から、つまり光学表面の外側から光学素子２に加えられる。
【００４８】
光学素子２の変形は弾性的であり、双方の偏向方向に起こる。表示装置１を使用して光学素子２を変形する場合、全ての力はコンピュータに支援されて設定され且つメカトロニックに伝達されるのが好ましい。プロセッサユニット１１又は制御器は、加えられた力の強度を一時的に制御する。変形は、光学素子２の平面上の移動距離（Δx）又は達成された偏向ｈを測定することにより監視可能である。力等の設定された特性は、出力装置上にΔx、ｈ及びＲ（光学素子２の半径）により表される。
【００４９】
光学素子２への力の伝達は例えば、保持要素６における光学素子２の締め付け固定により又は２つの軸受の間の保持要素６における光学素子２の緩い締め付けにより、保持要素６の固体接合部を使用して種々の方法で実現可能である。
【００５０】
光学素子２は、約８０ｍｍの開口部を示すのが好ましいが、より大きな開口部又はより小さな開口部も当然可能である。光学素子２、すなわち光学素子２の光学表面は、変形の前又は主アクチュエータ４及び補助アクチュエータ５の制御前には、ほぼ∞である半径Ｒの面を有する。表示装置１の場合、光学素子の偏向に対する調整範囲  はR=(-∞; -250mm)〜R=(+250mm; +∞)の範囲にあるのが好ましく、光学素子２の半径は光の誘導に依存してその調整範囲内で変更可能である。約８０ｍｍの開口部の場合、この調整範囲は±３．５ｍｍの偏向ｈに一致する。そのような偏向は、従来の装置を使用して達成できない。
【００５１】
更に、主アクチュエータ４及び／又は補助アクチュエータ５を使用して光学素子２を変形するために必要な変位を起こすことにより、高い調整周波数(frequency)が実現可能であり、必要な力が加えられる。光学素子２は、２Ｈｚ〜２０Ｈｚの周波数において、調整範囲全体において又はR=-250mm〜R=+250mmの広範囲の調整において影響を受けるか又は調整される。５Ｈｚの周波数が特に好ましい。更に、小さな調整範囲で光学素子２を調整できる。すなわち、最大１５０Ｈｚ及びそれ以上で目標値の±５％の半径（精密範囲の調整）に変更できる。
【００５２】
図２は、表示装置１００の更なる実施形態を示す透視図である。表示装置１００は、固定されていることを保証し且つ装置への組込みを容易にするように調整ユニット１２上に支持される。補助アクチュエータ１０５は、両側で、２つの軸受板１３ａ、１３ｂの間でこの調整ユニット１２上に支持される。図１を参照して上述したように、補助アクチュエータ１０５は、圧電トルクアクチュエータであり、好ましくは個々の圧電素子のスタックである。個々の補助アクチュエータ１０５は、組込み電極構造のために別個に制御可能であるアクチュエータユニットを含むセラミック積層板である。角度傾斜の直進運動への変換は、固体積層板において直接達成され、平行移動距離の偏位としてレバーの終端で利用される。図３を参照。偏位及び剛性は、レバーの長さ、圧電ブロックの高さ及び横断面を設計することによりある特定の仕様又はパラメータに従って変化しうる。図２に示す表示装置１００の補助アクチュエータ１０５の機能原理を以下に説明する。
【００５３】
図２に示す表示装置１００は、図１に示すような対称的な設計である。図中、二対の対向する主アクチュエータ１０４が提供される。主アクチュエータ１０４は、上部の軸受板１３ａに固定的に接続されるフレーム１４に回動可能に支持される。主アクチュエータ１０４に接続されるレバー１５は、保持要素１０６に対して関節部のように他方の端部に固定される。図２に示すように、レバー１５の２つの端部及び光学素子２の１つの縁部は軸受軸１６を共に形成する。各主アクチュエータ１０４は、レバー１５を介して軸受軸１６に回動可能に固定される。電気力駆動として設計される主アクチュエータ１０４は、フレーム１４内である特定の範囲又はある特定の角度以下で旋回可能である。レバー１５は、軸受軸１６を支持し且つ全体の安定性を向上するためにフレーム１４の側部材１７と接続される。
【００５４】
光学素子２の変形を実現するために、まず、必要な目標半径が所望の光の誘導に依存して判定又は指定される。ここで、偏向が凹形及び凸形のいずれの曲げ線を示すかを認識する必要がある。半径の目標値として指定される値に依存して、補助アクチュエータ１０５は制御ユニット９により制御される。補助アクチュエータ１０５は、必要な偏向に依存して、方向を設定するために、光学素子２を引くか又は押すように命令する信号を受信する。このように、偏向方向又は膨張方向が設定される。補助アクチュエータ１０５の制御は、それ以上必要ない。その後、制御ユニット９は、主アクチュエータ１０４が旋回運動を行ない且つレバー１５を介して光学素子２に加えられる曲げモーメントを発生するように主アクチュエータ１０４を制御する。これは、主アクチュエータ１０４を制御する時、各レバー１５が電流の方向及び強さに依存して図２に示す矢印のように曲線軌道上を左又は右に動くことを意味する。このように、曲げモーメントは光学素子２の両側において光学素子２に加えられ、それにより対称的な変形が得られる。曲げモーメントの軸は、光学素子２の光軸１０に垂直であり且つ光軸１０に対する放射方向に垂直である。加えられる曲げモーメントの連続的な制御が必要である。光学素子２が偏向される一方で、変形は連続して測定され、目標値と実際の値との比較が実行される。光学素子２は、そのために光学的に走査される。この時点で測定された半径は、制御ユニットに信号として送信され且つ解析される。光学素子２の必要とされる変形を非常に正確に実現するために、制御は連続的である必要がある。第１の工程において、変形される光学素子２の規定された半径が例えば２０Ｈｚで広い調整範囲で生成され、第２の工程において、半径の目標値がより小さな力又は曲げモーメントで例えば１５０Ｈｚで微調整される場合、特に好ましい。ここで、小さな調整範囲での調整とは、目標値の±５％の範囲での半径の変更を意味する。１５０Ｈｚでの半径の変更は、精密範囲の調整において加えられる力が偏向方向の初期化又は広範囲の調整に必要とされる力に対して非常に小さいため可能になる。曲げ又は膨張加工の開始時の不連続性を克服するために加えられる種々の力及び曲げモーメントは、互いに結合され且つ連続制御されるということに注意が払われる。このように、半径の要求される目標値は高精度で調整可能である。
【００５５】
曲げモーメントが加えられる一方で、補助アクチュエータ１０５は、偏向と同期して光学素子２の縁部のホルダーの位置を移動する必要がある。光学素子２の縁部を保持する保持要素１０６が可動軸受の形態で実質的に設計されるため、傾斜運動は補助アクチュエータ１０５（図３を参照）を制御することによりレバー１５を使用して線形変位に変換され、その結果、縁部は偏向量に従って光学素子２の中心に向かって移動される。更に、より強い偏向を実現するために、補助アクチュエータ１０５は、必要に応じて主アクチュエータ１０４の曲げモーメントに加えて放射方向又は光学素子２の光軸１０に直交する方向に作用する圧縮力を加える。
【００５６】
凸形又は凹形偏向又は膨張を初期化するために、補助アクチュエータが光学表面とは逆向きの光学素子２の面、すなわち裏面に配設されることも可能である。このために、補助アクチュエータはいわゆる圧電パッチとして形成される。圧電パッチは、裏面に塗布又は接着され、要求される偏向又は膨張方向を実現するように制御ユニットにより制御される。
【００５７】
光学素子２に加えられる全ての力及び曲げモーメントは、コンピュータにより設定及び監視され且つメカトロニックに伝達される。
【００５８】
表示装置１又は１００を使用して光学素子２を変形する場合、円、楕円又は余弦等の種々の曲げ線は、コンピュータの支援により、加えられる種々の力及び曲げモーメントを同期してバランスを取ることにより設定される。要求される曲げ線はこうして、加えられる力又は曲げモーメントに依存して実現される。曲げ線は、当然数学的に記述可能であり且つ再現可能な曲げ線である。これは、曲げ線が設定値に依存して再現可能である必要があることを意味する。これは、光学素子２が対称的に移動される２つの保持要素６又は１０６により支持されるという点で達成されるのが好ましい。ここで、２つの保持要素は、可動軸受として設計され、光学素子２が変形された時に他方に向かって変位される。力が光学素子２の反射光学表面の両側から作用するため、曲げ線は不連続性を示さない。曲げ線の再現性は、光学素子２に対して種々の材料を選択することにより影響を受け且つ向上される。曲げ線は、使用される材料により異なる挙動をする。更に、式R=f(Δx)を使用して学習曲線を構成できる。ここで、設定された半径は光学素子２の変形後に達成される半径の目標値と比較され、光を誘導する際のどんなありうる偏差もが考慮されうる。そのような手順を使用して、曲げ線の高い形状安定性の保証が可能になる。形状安定性は、光学素子２の種々の方向で一定である。力が両側から光学素子２に加えられるため、形状安定性に悪影響を及ぼす不連続性が防止される。
【００５９】
曲げ線は、光学素子２の横断面に影響を及ぼすことにより変更される。これは、光学素子２が保持要素６又は１０６に支持される前に光学素子２の厚さを変更することにより、横断面が影響を受けることを意味する。例えば、光学素子２の縁部は中央の領域の厚さと異なる厚さを有することができ、あるいはその逆も可能である。曲げ線は、光学素子２の厚さを変更することにより変更される。更に、これは再現性を向上する。形成される曲げ線の設定される特性は、出力装置上でΔx、ｈ及びＲ（図１を参照）により表せる。
【００６０】
制御性を向上し且つ固有の振動を最小限にするために、保持要素６又は１０６の特定の設計又はフレーム１４の特定の設計等、重さを軽減し且つ必要とされる力又は曲げモーメントを最小限にするための対策が提供される。
【００６１】
そのような高い周波数が変形のために使用される場合、ノイズレベルが受け入れ可能な適度な程度まで低下されるように、表示装置１又は１００に消音対策を提供する必要がある。ここで、消音効果を達成する種々の方法が存在する。第１の可能性は、表示装置１又は１００を密封筺体に装着することである。筺体内に音波が伝播可能な媒体が存在しないため、減衰効果が達成される。更なる可能性は、追加のアクチュエータを使用して能動減衰を実行することである。追加のアクチュエータは、例えば光学素子２の光学表面とは逆向きの光学素子２の面に配設される。それらのアクチュエータは、表示装置１又は１００により発生される振動に対する防振を実行する。そのようなアクチュエータに対して、圧電材料も使用可能である。更に、制御自体を減衰することにより能動消音を達成できる。これは、特に例えば必要とされる半径の目標値の９０％を高速で調整する一方で、残りの１０％が顕著に低速で調整されることにより達成される。更に、例えば振動減衰された足部材上に表示装置１又は１００を支持する等、表示装置１又は１００全体を収納することにより受動消音を達成することも考えられる。
【００６２】
図４は、変形を達成するように光学素子２にモーメントを加える動作原理を概略的に示す。図中、ｇａは接合部間の距離であり、Ｍは曲げモーメントであり、ｚｍａｘは一偏向方向への最大偏向である。光学素子２の必要とされる変形に対するパラメータは、図４に示す図を使用して指定及び計算される。
【００６３】
R〜250ｍｍの一偏向方向の必要とされる最大調整範囲を達成するために、光学素子２のパラメータは力又は曲げモーメントと一致させられ、計算解析が実行される。例えば軸受の接合部間の距離ｇａが１００ｍｍ、光学素子２の厚さｄが０．７ｍｍ；０．６ｍｍ，０．５ｍｍ、光学素子２の幅ｂが８０ｍｍの時、一偏向方向の最大調整範囲ｚｍａｘ、及び加えられる曲げモーメントＭＬ及び光学素子２の平坦な表面と最大まで曲げられた表面との間の角度αを判定するために以下の式が使用される。
【数１】
2010521003.tif 000003
【００６４】
以下の表は、光学素子２の設計及び偏向を実現するために加えられる曲げモーメントを規定するために判定される値を一覧表示する。
【表１】
2010521003.tif 000004
【００６５】
光学素子２の第１の固有周波数の各々は、有限要素法（ＦＥＭ）を使用して判定された。光学素子２の第１の固有周波数が制御周波数（約１５０Ｈｚ）より高い必要があるため、任意の可能な共鳴振動を防止するために厚さｄが０．７ｍｍの光学素子２が好ましい。この例において光学素子２に加えられる曲げモーメントＭは、約１，９２０．８Ｎｍｍである。
【００６６】
当然、光学素子の厚さを変更できるが、第１の固有周波数が常に１５０Ｈｚを超えることが保証される。
【００６７】
図４は、角度βを更に示す。この角度βは、以下の式を使用して導出される。
【数２】
2010521003.tif 000005
【００６８】
計算された角度β〜0.085°は、光学素子２の縁部のホルダーの位置の線形運動を最大の偏向で実現するために、被制御補助アクチュエータ５又は１０５により達成される必要がある値を表す。角度βは、光学素子２の偏向に依存して０°〜０．０８５°の範囲で変更可能である。
【００６９】
光学素子２の偏向が表示装置１又は１００のアクチュエータユニット３又は１０３を使用して非常に広い調整範囲で調整されるため、光学素子２の焦点距離は光軸１０に沿って非常に広い範囲で変更される。このことにより、表示装置１又は１００は、光学追跡システムとして、例えばホログラフィック投影装置の一部として使用可能になる。非常に広いダイナミックレンジ及び速い調整速度を有する適応光学系は、表示画面の前方の観察者の位置に従って光波面を追跡するのに必要とされる。そのような必要とされる適応光学系は、半径の広い調整範囲を達成する能力、高い形状安定性、並びに凸形及び凹形偏向を設定し且つ再現可能な曲げ線を作成する能力を示す必要がある。これらの全ての要求は、本発明に係る表示装置１又は１００により満たされる。
【００７０】
画像又は像面は、例えば表示画面の前方の観察者の位置等の測定された入力パラメータに従ってホログラフィック投影装置の光軸に向かう方向に追跡される。
【００７１】
次に、２次元及び／又は３次元シーンのホログラフィック再構成に使用されるホログラフィック投影装置用の表示装置１００の機能原理について、図５ａ及び図５ｂを参照して以下に詳細に説明する。例えば天体望遠鏡において、感光性基板（ウエハ）にマスク（レチクル）の画像を結像する結像露光システムにおいて、レーザビーム機械加工機器において、医療工学、自動車業界、あるいはそのような表示装置１又は１００が使用される応用例の他の分野等の分野において、当然、表示装置１又は１００を採用できる。
【００７２】
図５ａ及び図５ｂに示すホログラフィック投影装置を詳細に考慮して、本発明にとって重要な部分のみを示す。そのようなホログラフィック投影装置は、例えば独国特許出願第１０ ２００５ ０２３ ７４３号から周知である。機能原理を以下に簡単に説明する。図５ａ及び図５ｂに示すホログラフィック投影装置は、コヒーレント光により照明されるのが好ましい光変調器装置１８、結像素子Ａ１、Ａ２、Ａ３及び表示画面１９を含む。図面を単純にし且つ理解し易いようにするために、双方の図面において光路を展開して示す。図５ａを参照すると、光変調器装置１８上で符号化されるホログラム又は光変調器装置１８自体は、ここではレンズで表される結像素子Ａ１、Ａ２、Ａ３により表示画面１９上に結像される。ここで、波面を表すために２つの光路のみが示される。光路は破線により示される。空間周波数スペクトルの平面に配設される空間周波数フィルタ２０、例えば開口部は、結像素子Ａ１、Ａ２、Ａ３及び表示画面１９を通して観察者平面２１に同時に結像され、このように仮想可視領域又は仮想観察者ウィンドウ２２をそこに生成する。図示されるように、光変調器装置１８は、結像素子Ａ１、Ａ２を通して結像素子Ａ２の画像側焦点面又は結像素子Ａ３の対象物側焦点面に結像される。そこで作成される光変調器装置１８の画像は倒立像である。その後、光変調器装置１８は結像素子Ａ３を通して画面１９に結像される。連続ビームは、光変調器装置１８が画面１９に結像される方法を示す。結像素子Ａ３の対象物側焦点面で作成される光変調器装置１８の画像が倒立像であるため、ここでも表示画面１９上の光変調器装置１８の画像は直立である。
【００７３】
観察者が好ましくは３次元シーンである再構成シーンを観察できるように、観察者は少なくとも一方の眼で仮想観察者ウィンドウ２２を通して見る必要がある。すなわち、観察者ウィンドウ２２は観察者の眼の瞳と一致するのが理想的である。しかし、観察者が光軸ＯＡに沿って表示画面１９に向かって移動するか又は表示画面１９と反対方向に移動する時に制約なしで再構成シーンを観察できるように、仮想可視領域又は仮想観察者ウィンドウ２２は観察者の各眼に対して追跡される必要がある。
【００７４】
これを達成するために、ホログラフィック投影装置の光軸ＯＡに沿って仮想観察者ウィンドウ２２を追跡できるように、上述の表示装置１００は少なくとも１つの光変調器装置１８と表示画面１９との間に配設される。表示装置１００は、光変調器装置１８の画像が作成される平面に、例えば図５ａ及び図５ｂにおいて非常に単純に示される結像素子Ａ２とＡ３との間に配設されるのが好ましい。そのような平面への表示装置１００の配設は非常に重要である。これは、表示装置１００を配設しない場合、光変調器装置１８の画像が表示画面１９上で移動し、必要に応じたシーンの正確な再構成が不可能になるためである。表示装置１００は、そのような平面に配設されるため、表示画面１９上の光変調器装置１８の画像に影響を及ぼさない。図５ａは、表示装置１００が制御されない場合の２つの光路を示す。従って、光学素子２はほぼ平坦な表面を示す。
【００７５】
図５ｂは、図５ａのホログラフィック投影装置を示すが、表示装置１００の光学素子２が光軸ＯＡに沿って観察者ウィンドウ２２を追跡するように湾曲される。ここでは、表示装置１００の画像側焦点面は結像素子Ａ３の対象物側焦点面と一致する。それにより、その平面で作成される空間周波数フィルタ２０の画像は無限空間に結像されるため、空間周波数フィルタ２０は結像素子Ａ３と表示画面１９との間に結像されない。このように、空間周波数フィルタ２０の画像により形成される観察者ウィンドウ２２は、表示画面１９の画像側焦点面２３において作成される。既に説明したように、光変調器装置１８は、表示装置１００に同時に結像され、結像素子Ａ３を通って画面１９に結像される。この結像は、表示装置１００による影響を受けない。図５ａ及び図５ｂに示す２つのホログラフィック投影装置を比較すると分かるように、図５ｂの観察者ウィンドウ２２は表示画面１９に向かってある距離だけ光軸ＯＡに沿って変位している。
【００７６】
次に、図５ｂに示すように、観察者ウィンドウ２２を追跡できるように光学素子２の必要な偏向が達成される方法を説明する。上述したように、変形される光学素子２は円筒ミラーであるのが好ましい。光学素子２である球面ミラーが更に適切であるが、これは先に特定された要求により実現不可能である。しかし、球面光学素子の効果をもたらすために、一方に対して９０°回転される２つの表示装置１００はホログラフィック投影装置の光軸ＯＡ上に並べて配設される。各表示装置１００は円筒ミラーを含む。光伝播の方向に見てホログラフィック投影装置の光軸ＯＡ上にまず配設され且つ第１の円筒ミラーを含む表示装置１００の効果は、第２の円筒ミラーを含む後続する表示装置１００の効果に集中される。２つの円筒ミラーは、それぞれ１つの平面においてのみ動作する。ここで、２つの平面は異なる。並べて配設される２つの表示装置１００は、球面ミラーが変形されたかのように光の焦点の変更が達成されるように円筒ミラーを変形する必要がある。
【００７７】
ホログラフィック投影装置の光軸ＯＡに沿って仮想観察者ウィンドウ２２を追跡するために、アクチュエータ４及び５又は表示装置１００は、波面が必要とされる集束を与えられるか又はその後者が追加されるように各光学素子２が変形されるように制御されるため、光は光軸ＯＡに沿って所望の位置に集束される。このように、観察者の位置が変化するのと共に、観察者ウィンドウ２２は光軸ＯＡに沿って表示画面１９に向かって追跡されるか又は表示画面１９と反対方向に追跡される。
【００７８】
観察者が表示画面１９に向かって移動するか又は表示装置１９と反対方向に移動する場合、仮想観察者ウィンドウ２２は表示装置１００のみを使用して追跡される。観察者が観察者平面２１内を移動する場合、波面を水平方向に偏向するために検流計ミラー等の別の表示装置が必要である。
【００７９】
表示装置１又は１００は、信号追跡に加えて波面誤差及びシステム特有の収差を動的に補正することを更に意図する。
【００８０】
２つの表示装置１００は、ホログラフィック投影装置において波面誤差を同時に補正する。更に観察者が観察者平面２１内で移動するため、観察者が再構成シーンを観察し続けられるように、観察者が移動すると観察者に対する仮想観察者ウィンドウ２２を追跡する必要がある。この追跡は、上述のように偏向素子を使用して実行されるが、波面誤差又は収差が副作用として発生する。それらは、追跡の品質又は仮想観察者ウィンドウ２２の品質に大きく影響する。そのような波面誤差を補正するために、例えば１つの表示装置１００のみの光学素子２の面が、例えば仮想観察者ウィンドウ２２を追跡するために必要であるよりも強い湾曲により、僅かに異なる方法で変形される。これは、波面誤差を補正し且つ同時に仮想観察者ウィンドウ２２を追跡できることを意味する。ここで、光学素子２の面は波面誤差の補正に従って変形され、それと同時に追跡を実現するために特別な表面形状が追加される。これは、２つの表面形状が幾何学的に追加されることを意味する。
【００８１】
非点収差等のシステム特有の収差又は幾何収差は、２つの表示装置１００を使用して特に好ましい方法で補正される。しかし、他の幾何収差を補正することも可能である。ここで、収差の総量の低減は、例えばホログラフィック投影装置における光学最適化に対して最も実用的である。
【００８２】
光を結像するホログラフィック投影装置におけるミラー（例えば、光学素子２）に加えてレンズ及びレンズ系（例えば、結像素子Ａ１、Ａ２、Ａ３）が提供されるため、光がレンズを通過中に色収差が発生する。これは、レンズの屈折率の波長依存性のために色収差が発生することを意味する。異なる波長の光は、異なる点に集束する。観察者がカラーの再構成シーンを見たいため、例えば時分割多重化法を使用してリアルタイムにカラーシーンを再構成する必要がある。シーンのカラー再構成は、３原色ＲＧＢ（赤色、緑色、青色）を順次処理することにより達成される。この種の再構成を実行するため、単色性の原色（ＲＢＧ）を順次制御するために十分なコヒーレンスを示す好適な色光源及び切り替えユニットが必要とされる。これにより、カラー再構成は高速に順に生成可能である。し
かし、それにより発生する色収差、すなわち青色光が赤色光より強く回折されて単色光ビームの焦点が一致しないために発生する色収差は、画質を低下させる。
【００８３】
特に、長手方向の色収差は、それに応じて光学素子２を変形することにより、仮想観察者ウィンドウ２２を追跡するためにまず提供される表示装置１又は１００を使用して補正される。仮想観察者ウィンドウ２２の位置は、幾何学的にだけでなく波長別にも規定される。
【００８４】
観察者が制約なしで再構成カラーシーンを観察できるように、個々の単色原色ＲＧＢの間の切り替え動作が高速に行なわれるのと同時に色収差を補正することが必要である。シーンの再構成が１つの光路において観察者の両眼に対して提供される場合、左眼から右眼及び右眼から左眼への切り替え動作が必要であり、これは、観察者が再構成シーンを両眼で同時に見ているという印象を得るように高速に実行される必要がある。更に、仮想観察者ウィンドウ２２は、観察者が移動した場合の新しい観察者の位置に対して追跡される必要がある。観察者が約２０ｃｍ／ｓの速度で移動すると仮定すると、画像信号は、上記の広範囲の調整において約２５Ｈｚで光学素子２の変形の間に一方の眼に対してゆっくりと追跡される。観察者の２つの眼に対して、画像信号は５０Ｈｚの周波数で提供される。ここで、時分割多重化処理において、画像信号は眼毎に２５Ｈｚで提供される。しかし、左眼と右眼との間及び個々の単色原色ＲＧＢの間の切り替え動作は、常に同時に実行される必要がある。これらの切り替え動作は、約１５０Ｈｚの周波数で実行されるのが好ましい（精密範囲の調整）。それら要求の全てを実現できるように、広範囲の調整が精密範囲の調整と重畳されることが必要である。これは、コンピュータ支援制御及び調整アルゴリズムを使用して行なわれる。
【００８５】
表示装置１又は１００を使用して、速い調整速度で且つ広い調整範囲で入射光を誘導するために光学素子を変形できる。ここで、更に波面誤差及びシステム特有の収差が補正可能である。そのような表示装置１又は１００は、光を追跡する投影装置において特に使用可能である。
【００８６】
当然、表示装置１又は１００の種々の実施形態が可能であることは明らかである。特に図２は、それらのうち好適な一実施形態を示すだけである。種々の電気力アクチュエータ、電気機械アクチュエータ、電磁気アクチュエータを使用して又は更に磁歪アクチュエータを使用して、他の実施形態が実現可能である。本発明の範囲を逸脱せずに、上記に示される実施形態の変形例が考えられる。
【００８７】
ホログラフィック投影装置に加えて表示装置１又は１００の応用例の可能な分野は、天文学機器、材料処理及びレーザビームを使用する機械加工、あるいはレーザ共振器の素子を含むことができる。表示装置１又は１００が上述されていない他の領域においても適用可能であることは、当業者には明らかである。
【図１】
2010521003.tif 000006
【図２】
2010521003.tif 000007
【図３】
2010521003.tif 000008
【図４】
2010521003.tif 000009
【図５ａ】
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【図５ｂ】
2010521003.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月5日(2009.11.5)
【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】
入射光を誘導する表示装置であって、
光学素子と、
前記光学素子を変形するアクチュエータユニットとを備え、
前記光学素子は、前記入射光に対向する表面を見せ、
前記アクチュエータユニット（３，１０３）は、前記光学素子（２）の前記光学表面上に横から係合することを特徴とする、表示装置。
【請求項２】
前記アクチュエータユニット（３）は、
前記光学素子（２）の光軸（１０）とは垂直な方向に、前記光学素子（２）に対して力を加えることができる少なくとも１つの主アクチュエータ（４）と、
前記光学素子（２）に対して曲げモーメントを加えることができる主アクチュエータ（１０４）であって、前記曲げモーメントの軸は、前記光学素子（２）の光軸（１０）と垂直であり、かつ前記光軸（１０）の放射方向と垂直である、少なくとも１つの主アクチュエータ（１０４）と、
の少なくとも一方を備えることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記光学素子（２）の表面の偏向方向を設定することができる少なくとも１つの補助アクチュエータ（５，１０５）を備えることを特徴とする、請求項２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記主アクチュエータ（１０４）は、一方では前記光学素子（２）に対して曲げモーメントを加え、他方では周囲に対して回動可能に保持されるレバー（１４）を備え、
前記主アクチュエータ（１０４）には、少なくとも１つの補助アクチュエータ（１０５）が割り当てられ、
前記主アクチュエータ（１０４）の前記レバー（１４）は、前記補助アクチュエータ（１０５）上に、周囲に対して回動可能に保持され、
前記補助アクチュエータ（１０５）は、レバーの運動に対する補償運動を行うことができることと、
前記少なくとも１つの補助アクチュエータ（１０５）は、前記主アクチュエータ（１０４）によって加えられる前記曲げモーメントに加えて、前記光学素子（２）の光軸（１０）の放射方向に当該光学素子（２）に対して圧縮力を加えることができることと
を特徴とする、請求項２又は３に記載の表示装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの補助アクチュエータ（５，１０５）を、前記光学素子（２）の軸受の位置を追跡するために備えることを特徴とする、請求項２又は３に記載の表示装置。
【請求項６】
前記光学素子（２）の光学表面は、光に対する誘導に応じて、Ｒ＝（−∞；−２５０ｍｍ）からＲ＝（＋２５０ｍｍ；＋∞）の調整範囲内で調整可能である湾曲半径に湾曲されうることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
【請求項７】
広い調整範囲内で前記光学素子（２）を変形するために、２Ｈｚから２０Ｈｚの間（好適には５Ｈｚ）の周波数が用いられ、又は、
目標値の±５％の精密な半径の調整範囲内で前記光学素子（２）を変形するために、１５０Ｈｚまでの周波数が用いられることを特徴とする、請求項６に記載の表示装置。
【請求項８】
前記補助アクチュエータ（５，１０５）が圧電アクチュエータであることを特徴とする、請求項３乃至７の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項９】
前記主アクチュエータ（４，１０４）が電気力駆動であり、特にリニア駆動又は回転電磁気プランジャコイル駆動であることと、
前記主アクチュエータ（４，１０４）が圧電アクチュエータであることと、
の少なくとも一方を特徴とする、請求項２乃至８の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項１０】
前記光学素子（２）がフレームに保持され、
前記フレームは前記アクチュエータユニット（３，１０３）によって構成され、かつ前記光学素子（２）の反対側に配置された保持要素（６，１０６）を備え、
前記光学素子（２）は、前記保持要素（６，１０６）に締め付け固定され、
曲げモーメントを前記光学素子（２）に加えるために、前記保持要素（６，１０６）はそれぞれ少なくとも１つの主アクチュエータ（４，１０４）（特にレバー（１４））に接続されることを特徴とする、請求項１乃至９の何れか１項に記載の表示装置。
【請求項１１】
前記フレームは、前記光学要素（２）が偏向するのに加えて伸張しないように、前記光学要素（２）の伸張（Δｘ）を補償するように設計されることを特徴とする、請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１２】
光学素子上への入射光を誘導する方法であって、
前記光学素子への前記入射光は結像され、
前記光学素子（２）は、請求項１乃至１１の何れか１項に記載の表示装置（１，１００）の一部であり、
前記光学素子は、光学表面上に横から係合するアクチュエータユニット（３，１０３）の補助によって変形されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記光学素子（２）を変形するための力は、前記光学素子（２）に対して、光学表面の外側に加えられることと、
前記アクチュエータユニット（３，１０３）によって前記光学素子（２）上に加えられる前記力及び曲げモーメントは、（特に、コンピュータの補助により、電圧及び電流を前記アクチュエータユニット（３，１０３）に加えることによって）メカトロニックに生成されることと、
の少なくとも一方を特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの偏向素子の補助により結像される波面の波面誤差が、前記光学素子（２）を備える前記表示装置（１，１００）の補助により補正され、前記波面は前記偏向素子に角度を持って入射することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
色収差（特に長手方向の色収差）が、前記光学素子（２）を備える前記表示装置（１，１００）の補助により補正されることと、
前記光学素子（２）の厚さを変更することにより、及び入力される力及びモーメントを修正することにより、前記光学素子（２）の偏向の曲げ線が設定されることと、
の少なくとも一方を特徴とする、請求項１２乃至１４の何れか１項に記載の方法。
【請求項１６】
キャリア材料を所定のパラメータに機械加工する工程と、
前記キャリア材料上に、光学層としての役割を果たす材料を堆積させる工程と、
光学層としての役割を果たす前記材料を、（特に回転ダイヤモンド工具の助けによる）ミリング処理によって処理する工程と、
を実行することにより前記光学素子（２）が製造されることを特徴とする、請求項１２乃至１５の何れか１項に記載の方法。
【請求項１７】
特に少なくとも１人の観察者の眼を監視するのに応じて、前記表示装置（１，１００）の前記光学素子（２）を変形することにより、３次元シーンを表示するためのホログラフィック投影装置の光学軸（ＯＡ）に沿って波面が追跡されることを特徴とする、請求項１２乃至１６の何れか１項に記載の方法。
【請求項１８】
コントローラ（１１）と、請求項１乃至１１の何れか１項に記載の表示装置（１，１００）とを用いて、画像の像面の位置を、当該像面と直角な方向に調整するためのシステムであって、
前記表示装置（１，１００）はセンサの出力信号に応じて調整されるか、又は前記表示装置（１，１００）は位置検出センサの出力信号に応じて調節されることを特徴とするシステム。
【請求項１９】
前記位置検出センサによって検出された観察者の位置に、前記画像の像面を移動するために、２Ｈｚと２０Ｈｚとの間（特に５Ｈｚ）の周波数で広範囲の調整が行われることと、
観察者の１つの眼に対する画像信号が２５Ｈｚの周波数で提供され、当該画像信号は前記表示装置（１，１００）によって同じ周波数で精密に調整されうることと、
の少なくとも一方を特徴とする、請求項１８に記載のシステム。
【国際調査報告】
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