(57)【要約】  本発明は、３次元光変調器（ＳＬＭ）に関し、光変調器の画素（Ｐ０１、Ｐ０２）は変調素子（ＭＥ）を形成するために組み合わされる。３次元に配列された物点をホログラフィックに再構成できるように、各変調素子（ＭＥ）は事前設定された離散値によって符号化されてもよい。本発明に係る光変調器は、変調素子（ＭＥ）ごとに画素（Ｐ０１、Ｐ０２）により変調された光波部分を出力側の屈折又は回折によって結合することにより、設定された伝播方向に変調素子（ＭＥ）から射出する共通光束を形成する光束分割器又は光束結合器が変調器の画素（Ｐ０１、Ｐ０２）に割り当てられることを特徴とする。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の変調素子（ＭＥ）を形成するように結合された、離散的に符号化可能な複数の変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）を含む、少なくとも１つの変調アレイを有する光変調装置であって、
伝播光波場（ＬＷ）の干渉を生成する光波は、空間的に構造化された方法でホログラム情報を用いて、前記複数の変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）により変調され、
各変調素子（ＭＥ）の前記複数の変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）は、前記伝播光波場の伝播方向において、前記変調アレイ内に並んで配置され、
各変調素子（ＭＥ）は、空間的に配置された物体光点をホログラム的に再現するために、予め設定可能な離散複素物体走査値を用いて符号化され、
光波多重化手段は、前記変調アレイの前記複数の変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）に割り当てられ、
変調された光波多重が、実質的に共通な位置を通過する実質的に共通な伝播方向において変調素子（ＭＥ）から出射するように、前記光波多重化手段は、前記変調された光波多重を形成するために、屈折あるいは回折を介して、各変調素子（ＭＥ）について前記複数の変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）により変調された部分光波を出射側で結合する
ことを特徴とする光変調装置。
【請求項２】
前記光波多重化手段は、少なくとも１つの体積ホログラムを含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
【請求項３】
前記光波多重化手段は、複屈折の光学部品を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光変調装置。
【請求項４】
前記光波多重化手段は、１つの変調素子（ＭＥ）の前記複数の変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）を出射する前記部分光波に、個別の偏光を割り当てる偏光層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項５】
前記光波多重化手段は、構造化された体積ホログラム要素を有するコプレーナ光学板を含み、
体積ホログラムは、異なる体積ホログラム要素が、１つの変調素子（ＭＥ）の前記複数の変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）に割り当てられるように構造化され、
前記異なる体積ホログラム要素は、前記コプレーナ光学板と互いに向かい合うように光透過軸を傾斜させ、
同一の変調素子（ＭＥ）の前記複数の変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）の、前記変調された部分光波は、共通の出射位置を通過するように前記コプレーナ光学板を出射する
ことを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
【請求項６】
各変調素子（ＭＥ）は、前記部分光波の位相及び振幅の少なくともいずれかを離散的に変調する、少なくとも１つの変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）を有することを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
【請求項７】
個々の変調素子（ＭＥ）の前記複数の変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）は、行あるいは列が結合されており、
前記複数の変調素子（ＭＥ）の前記複数の変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）には、偏光フィルタフィルムの細片が割り当てられ、
１つの変調素子（ＭＥ）の各変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）に割り当てられた前記フィルタフィルムの細片は、光透過において個別の偏光を与える
ことを特徴とする請求項３に記載の光変調装置。
【請求項８】
異なる変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）を通過する部分光波間の位相差は、１つの変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）を通過する部分光波が予め設定可能な位相シフトを与えられた場合に、相殺可能であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項９】
前記変調素子（ＭＥ）から出射する、前記部分光波の横方向に存在するオフセットは、定義された透過特性を有するアポディゼーションフィルタ、あるいは定義されたマスク配列を有する開口マスクを含む、当該変調素子（ＭＥ）の後段に配置されたフィルタあるいはマスクにより相殺されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項１０】
前記光波多重化手段は、少なくとも偏光手段と、第１及び第２の偏向層（Ｖｇ１、Ｖｇ２）を有し、
前記偏光手段は、予め設定可能な第１の偏光を有する第１の変調セル（１）、及び予め設定可能な第２の偏光を有する第２の変調セル（２）を通過する光を与え、
前記予め設定可能な１の偏光は、直線偏光であって前記予め設定可能な第２の直線偏光に対して垂直であるか、あるいは円偏光であって前記予め設定可能な第２の円偏光に対して逆方向の回転方向を有し、
前記第１の偏向層（Ｖｇ１）は、光の伝播方向において前記偏光手段の後段に配置され、
前記第２の偏向層（Ｖｇ２）は、光の伝播方向において、所定の距離をおいて前記第１の偏向層（Ｖｇ１）に続く
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項１１】
前記第１の偏向層（Ｖｇ１）の光学特性は、前記第１の変調セル（１）を通過する光が実質的に偏向されず、前記第２の変調セル（２）を通過する光が第１の規定角で偏向されるように定められることを特徴とする請求項１０に記載の光変調装置。
【請求項１２】
前記第２の偏向層（Ｖｇ２）の光学特性は、前記第１の変調セル（１）を通過する光が、実質的に偏向されず、前記第２の変調セル（２）を通過する光が第２の規定角で偏向されるように定められ、
前記第２の規定角の絶対値は、第１の規定角の絶対値と実質的に同一であってよい
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の光変調装置。
【請求項１３】
前記第２の偏向層（Ｖｇ２）には、光の伝播方向において、所定の距離をおいて第３及び第４の偏向層（Ｖｇ３、Ｖｇ４）が続き、
前記第３の偏向層（Ｖｇ３）の光学特性は、第１の変調セル（１）を通過する光が第３の規定角で偏向され、前記第２の変調セル（２）を通過する光が実質的に偏向されないように定められ、
前記第４の偏向層（Ｖｇ４）の光学特性は、第１の変調セル（１）を通過する光が第４の規定角以上で偏向され、前記第２の変調セル（２）を通過する光が実質的に偏向されないように定められ、
前記第３の規定角の絶対値は、前記第４の規定角の絶対値と実質的に同一であってよい
ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項１４】
前記偏光手段は、異なる配向性により特徴付けられる複数の領域を有する、好ましくはλ／２板である遅延板を含むか、
前記偏光手段は、第１の配向性を有する、好ましくはλ／２板である第１の遅延板と第２の配向性を有する第２の遅延板とを含み、前記第１の配向性を有する前記第１の遅延板が前記第１の変調セル（１）を通過する光に割り当てられ、前記第２の配向性を有する前記第２の遅延板が前記第２の変調セル（２）を通過する光に割り当てられるか、のいずれかである
ことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項１５】
前記第１の偏向層（Ｐｇ１）の光学特性は、前記第１の変調セル（Ｐ０１）を通過する光が第１の方向に第１の規定角で偏向され、第２の変調セル（Ｐ０２）を通過する光が第２の方向に第２の規定角で偏向されるように定められることを特徴とする請求項１０に記載の光変調装置。
【請求項１６】
前記第２の偏向層（Ｐｇ２）の光学特性は、前記第１の変調セル（Ｐ０１）を通過する光が第２の角度で偏向され、前記第２の変調セル（Ｐ０２）を通過する光が第１の角度で偏向されように定められ、
前記第１の角度の絶対値は、前記第２の角度の絶対値と実質的に同一である
ことを特徴とする請求項１０または１５に記載の光変調装置。
【請求項１７】
前記偏光手段は、異なる配向性により特徴付けられる複数の領域を有する、好ましくはλ／４板の遅延板を含むか、
前記偏光手段は、第１の配向性を有する、好ましくはλ／４である第１の遅延板と第２の配向性を有する第２の遅延板とを含み、前記第１の配向性を有する前記第１の遅延板が前記第１の偏光セル（Ｐ０１）を通過する光に割り当てられ、前記第２の配向性を有する前記第２の遅延板が前記第２変調セル（Ｐ０２）を通過する光に割り当てられるか、のいずれかである
ことを特徴とする請求項１５または１６に記載の光変調装置。
【請求項１８】
前記偏光層（Ｖｇ１、Ｖｇ２、Ｖｇ３、Ｖｇ４、Ｐｇ１、Ｐｇ２）は、ホログラム、体積格子、ブラッグ格子の少なくともいずれか、または偏光格子を有する層であることを特徴とする請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項１９】
前記光波多重化手段は、少なくとも１つの偏光手段、及び予め設定可能な光学特性を有する少なくとも１つの複屈折媒体（ＳＰ）を有し、
前記偏光手段は、予め設定可能な第１の偏光を有する第１の変調セル（Ｐ０１）を通過する光、及び予め設定可能な第２の偏光を有する第２の変調セル（Ｐ０２）を通過する光を与え、前記予め設定可能な第１の偏光は、前記予め設定可能な第２の偏光と垂直であってよく、
前記複屈折媒体（ＳＰ）は、光の伝播方向において、前記偏光手段、並びに前記第１及び第２の変調セル（Ｐ０１、Ｐ０２）の少なくともいずれかの後段に配置される
ことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項２０】
前記複屈折媒体（ＳＰ）の光学特性は、前記第１の変調セル（Ｐ０１）を通過する光が、該複屈折媒体（ＳＰ）により実質的に偏向されず、前記第２の変調セル（Ｐ０２）を通過する光が該複屈折媒体（ＳＰ）により規定角で偏向されるように定められることを特徴とする請求項１９に記載の光変調装置。
【請求項２１】
前記複屈折媒体（ＳＰ）は、該複屈折媒体（ＳＰ）の入射側界面においては第１の規定角で、前記入射側界面と同一平面である、該複屈折媒体（ＳＰ）の出射側界面においては第２の規定角で、前記第２の変調セル（Ｐ０２）を通過する光を偏向し、
実質的に平行移動された光の出射部について、前記第２の規定角の絶対値は、前記第１の規定角の絶対値と実質的に同一であってよい
ことを特徴とする請求項２０に記載の光変調装置。
【請求項２２】
正常分散あるいは異常分散を有する前記複屈折媒体（ＳＰ１）は、光の伝播方向において、異常分散あるいは正常分散を有する別の複屈折媒体（ＳＰ２）に続き、
２つの複屈折媒体（ＳＰ１、ＳＰ２）の厚さ比は、予め設定可能であり、好ましくは予め設定可能な少なくとも２つの光の波長における、該２つの複屈折媒体の回折次数差比によって決まる
ことを特徴とする請求項１０乃至２１のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項２３】
前記複屈折媒体（ＳＰ）は光の伝播方向において、別の複屈折媒体（ＳＰ３）に続き、
前記別の複屈折媒体（ＳＰ３）の光学特性は、該別の複屈折媒体（ＳＰ３）が、該別の複屈折媒体（ＳＰ３）の入射側界面において第３の規定角で、前記入射側界面と同一平面である、該別の複屈折媒体（ＳＰ３）の出射側界面において第４の規定角で、前記第１の変調セルを通過する光を偏向するように定められ、
前記別の複屈折媒体（ＳＰ３）は、前記第２の変調セルを通過する光を実質的に偏向せず、
実質的に平行移動された光の出射部について、前記第３の規定角の絶対値は、前記第４の規定角の絶対値と実質的に同一であってよい
ことを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項２４】
検光子効果を有し、予め設定可能な光学特性を有する偏光手段（ＷＧＰ、Ｐｏｌ）は、光の伝播方向において、複屈折媒体（ＳＰ、ＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３）あるいは偏向層（Ｖｇ１、Ｖｇ２、Ｖｇ３、Ｖｇ４、Ｐｇ１、Ｐｇ２）の後段に配置されることを特徴とする請求項１０乃至２３のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項２５】
前記光波多重化手段は、少なくとも２つの複屈折媒体（ＳＶ１、ＳＶ２）を有し、
各々が予め設定可能な光学特性を有する前記複屈折媒体（ＳＶ１、ＳＶ２）は、光の伝播方向において前記複数の変調セル（１、２）の前段及び後段のそれぞれに配置され、
前記複数の変調セル（１、２）の前段に配置された前記複屈折媒体（ＳＶ１）の光学特性は、光の第１の部分が第１の変調セル（１）に向けて第１の規定角で偏向され、かつ光の別の部分が偏向されないように定められ、
前記複数の変調セル（１、２）の後段に配置された前記複屈折媒体（ＳＶ２）の光学特性は、光の他の部分が第２の規定角で偏向され、かつ光の前記第１の部分が偏向されないように定められる
ことを特徴とする請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項２６】
前記少なくとも２つの複屈折媒体（ＳＶ１、ＳＶ２）が実質的に共通界面を有するか、好ましくはλ／２板である遅延板が、前記２つの複屈折媒体（ＳＶ１、ＳＶ２）の間に配置されるかの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項２５に記載の光変調装置。
【請求項２７】
光の伝播方向において前記複屈折媒体（ＳＶ１）の前段に開口マスクが配置され、
前記開口マスクは、各変調セル（１）に向けて伝播する光の非偏向部分がブロックされるように設計される
ことを特徴とする請求項２５または２６に記載の光変調装置。
【請求項２８】
前記光波多重化手段は、レンズ手段及びプリズム手段を有し、
第１の変調セルを通過する光（１０６）は、前記レンズ手段により、光の伝播方向において前記レンズ手段の後段に設けられる平面の第１の領域に集束され、
第２の変調セルを通過する光（１０８）は、前記レンズ手段により前記平面の第２の領域に集束され、
前記プリズム手段は、前記平面に配置され、
前記第１の領域の光が該プリズム手段により予め設定可能な第１の方向に偏向可能であり、前記第２の領域の光が予め設定可能な第２の方向に偏向可能であり、かつ予め設定可能な前記第１及び第２の方向が実質的に同一であるように、前記プリズム手段は設計される
ことを特徴とする請求項１乃至２７のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項２９】
前記第１の領域が前記第２の領域に対して距離を設けて配置されるか、前記レンズ手段がレンチキュラ（Ｌ）を有するかの少なくともいずれかであり、
前記プリズム手段は、プリズムアレイ（Ｐ）を有する
ことを特徴とする請求項２８に記載の光変調装置。
【請求項３０】
前記光波多重化手段は、第１のプリズム手段及び第２のプリズム手段を有し、
第１の変調セルを通過する光（１０６）は、前記第１のプリズム手段により第１の方向に偏向可能であり、
第２の変調セルを通過する光（１０８）は、偏向可能ではなく、
前記第１のプリズム手段は、光の伝播方向において前記第２のプリズム手段に所定距離（ｄ）をおいて続き、
前記第２のプリズム手段は、前記第１のプリズム手段により偏向された光（１１０）が該第２のプリズム手段により予め設定可能な方向に偏向可能なように設計され、
前記偏向されなかった光（１１２）は、前記第２のプリズム手段により偏向されない
ことを特徴とする請求項１乃至２７のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項３１】
前記第２のプリズム手段は、複屈折プリズム素子を有するプリズムアレイ（Ｐ２）を有し、
前記第１の変調セルを通過する光（１０６）は、前記第２のプリズム手段の複屈折プリズム素子により偏向されるように偏光され、
前記第２の変調セルを通過する光（１０８）は、前記第２のプリズム手段により偏向されないように偏光される
ことを特徴とする請求項３０に記載の光変調装置。
【請求項３２】
前記第１のプリズム手段は、プリズム素子を有するプリズムアレイ（Ｐ１）を含み、
前記プリズム素子は、前記第１の変調セルを通過する光（１０６）のみがプリズム素子に割り当てられ、前記第２の変調セルを通過する光（１０８）がプリズム素子に割り当てられないように配置される
ことを特徴とする請求項３０または３１に記載の光変調装置。
【請求項３３】
変調された光多重を形成するように結合された変調素子（ＭＥ）の光束に作用するアポディゼーション素子（ＡＰＦ）が与えられ、
前記アポディゼーション素子（ＡＰＦ）は、光の伝播方向の横断方向において、使用される光の各波長について実質的に独立である中性強度プロファイルを有する
ことを特徴とする請求項１乃至３２のいずれか１項に記載の光変調装置。
【請求項３４】
変調された光多重を形成するように結合された変調素子（ＭＥ）の光束に作用するアポディゼーション素子（ＡＰＦＣ）が与えられ、
前記アポディゼーション素子（ＡＰＦＣ）は、使用される光の各波長について実質的に依存する、少なくとも２つの強度プロファイルを有し、
前記強度プロファイルは、光の伝播方向の横断方向において、予め設定可能な値分、横方向に移動され、
前記強度プロファイルは、個別の層（ＡＰＦＳＲ、ＡＰＦＳＧ、ＡＰＦＳＢ）の形状で、光の伝播方向に次々と配置されうる
ことを特徴とする請求項１乃至３２のいずれか１項に記載の光変調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビデオホログラム情報を有する光波場を変調する空間光変調装置に関し、特に、ホログラムとして再現される物体光点を含む、３次元シーンの離散複素物体光点値を有する光波場を変調する空間光変調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、位置制御装置と、眼球検出器と、ホログラム情報を観測する観測者が位置を変更した場合に伝播する変調された光波場の光軸を実際の観測者の眼球の位置まで追跡する光波追跡手段と、を有するホログラム再現システムにおいて適用可能であることが好ましい。このようなホログラム再現システムは、例えば国際公開第２００６／１１９７６０号に記載される。
【０００３】
本発明は、ホログラム情報の提供方法とは無関係に使用可能であり、ホログラム的に再現されたビデオシーンを複数の観測者が同時に見ることができるシステムでも実現可能である。
【０００４】
一般に既知であるように、ビデオホログラフィによって３次元シーンを再現するために、光波発生器は、空間光変調装置に向かって干渉を発生することが可能な光波を放射する有向光波場を発生する。光変調装置を容易にアドレス指定可能にするために、光変調装置は、再現されるビデオシーン中の物体光点の空間配置に従って、変調制御器により離散複素ホログラム値で各々が符号化される変調素子の規則的な構造を有することが好ましい。
【０００５】
本明細書において、「符号化」は、光変調装置の変調セルの光学的透過率を個別に調整することであると理解されるべきである。この符号化の結果、変調セルは、光の伝播方向において空間光変調手段の後段の光路上の空間において、ビデオ信号によって記述されるシーンの複数の物体光点を、放射された複数の部分光波が建設的干渉あるいは相殺的干渉により再構成するような干渉を発生することが可能な光波場の部分入射光波を変調する。
【０００６】
本発明に関連して、離散複素ホログラム値は、ビデオホログラムによる変調アレイの離散符号化のためのホログラム情報を含む。各変調素子の光伝達関数の振幅及び位相のすくなくともいずれかに作用するために、変調制御器は、複素数でおける実部及び虚部のようなホログラムコードの要素を各変調素子に書き込む。
【０００７】
従来の光変調装置は、通常、振幅のみを変調する変調器、または位相のみを変調する変調器として作用するので、１つの実数値によって光波に影響を与えるだけである。これは、それらの変調器がセル符号化により振幅のみまたは位相情報のみを局所的に変化させることを意味する。
【０００８】
ビデオホログラムの場合、光変調装置は、リアルタイムで動作可能でなければならず、広い再構成空間においてフルカラー再現を生成可能でなければならない。
【０００９】
各光変調装置は、規則的に配列された変調素子を有する少なくとも１つの変調アレイを備え、各変調素子は複数の変調セルを備える。通常、変調アレイは空間光変調器（ＳＬＭ）により実現される。このような空間光変調器は、一般に画素としても知られる個々の変調セルを有する。
【００１０】
ホログラム再現の原理によれば、変調制御器は、物体光点のホログラム再現に関連するすべての変調素子に対して、シーンのその物体光点に対応する離散複素値に基づいて離散複素ホログラム値を同時に計算する。符号化処理に先立って、離散複素ホログラム値ごとに対応するコード値成分が生成される。各変調素子のすべての変調セルが相互に作用することで、該変調素子から期待される局所的な複素光変調が実際に実現されるように、変調素子ごとのコード値成分は計算され、互いに調整される。複素物体光点値は、符号化に先立って、例えば奥行情報を有するビデオ信号に基づいて変調制御器により計算される。
【００１１】
例えば、米国特許第５，４１６，６１８号公報は、複数の積層された空間光変調アレイの組み合わせを有する光変調装置を開示している。例えば、振幅光変調セルを有する１つの光変調アレイ及び位相光変調セルを有する１つの光変調アレイ、あるいは同一種類の光変調セルを有する２つのアレイが光の伝播方向に積層される。複数の単一セルを有し、複素ホログラム値で光波場を変調する複数の変調素子が、該積層により生成される。しかしながら該構成は、光変調アレイが隣接される場合に、セル構造の正確な一致を実現するための多分な調整労力を必要とする欠点がある。
【００１２】
しかし、１つの変調アレイの複数の変調セルから成るセル群により複素ホログラム値が実現される場合、特に、複数の変調セルが光の伝播方向に関して並列に配置される場合には、上記の欠点は発生しない。
【００１３】
従って、本出願に係る光変調装置は個々に符号化可能であるが、光学的効果及び電気的アドレス指定に関しては協調する変調素子を形成するように組み合わされる、規則的に配列された変調セルを有する少なくとも１つの変調アレイを備える。光変調装置の変調素子は、アレイとして配列されかつ伝播光波場の干渉を発生可能な光波を、空間構造化によって変調する。これは、変調アレイに実際に入射する伝播光波場の部分光波のみを各変調素子がその変調素子の実際のホログラム値に従って変化させるだけであることを意味する。これを実現するために、変調制御器は、個々の変調セルごとに変調素子に割り当てられる複素物体走査値の個別の値成分を提供する。
【００１４】
従って、各変調素子は変調セルの組み合わせを備え、変調セルは、位相変調光変調セルまたは振幅変調光変調セルの形態で実現されてもよい。このことは、変調セルの構造及び局所的な配置に応じて、各変調素子が入射する伝播光波場の部分光波を、波の位相については一方の変調セルを用い、波の振幅については他方の変調セルを用いる、あるいは波の位相または振幅について全ての変調セルを用いて変調可能であることを意味する。
【００１５】
例えば二相符号化方法に従って、変調素子ごとに異なる値成分によって、互いに無関係にアドレス指定可能である、位相変調のみを提供する変調素子による上述のような空間光変調の一般的な原理は、国際公開第２００７／０８２７０７号において出願人により既に説明されている。
【００１６】
上記の公開特許出願は、複数の位相値によって空間光変調装置を符号化する好適な方法を示す。複素物体走査値は、同一の絶対振幅値及び異なる位相値を有する２つの位相成分の和により表され、同一の変調アレイの２つの隣接する位相変調光変調セルに符号化される。これは、位相ψ及び０〜１の範囲の振幅ａを有する各複素物体走査値が同一の振幅値及び位相値ψ±ａｃｏｓ ａを有する２つの複素位相成分の和から構成されることを意味する。上記の国際特許出願では、変調素子を構成する位相変調セルの数が必ずしも２に限られないことも述べられている。
【００１７】
位相変調のみを実行する空間光変調器は、振幅変調のための変調セルによる光波変調と比較して大きな利点を有する。二相符号化を伴う光変調装置の場合、変調セルは位相設定ごとに最大限の光透過率を実現するので、より高い強度で再現できる。二相符号化方法の別の利点は、再現中に更によい波長従属性を示すので、カラービデオシーンを高品質で再現できることである。
【００１８】
すなわち、上述の二相符号化方法は、変調素子の隣接する変調セルにより変調された干渉を発生可能な光波場の部分光波が、複素物体走査値のすべての位相成分によって同時にアドレス指定されるような１つの変調器により変調された、部分光波と同一の干渉効果を示す状況を実現するということである。
【００１９】
しかし、変調素子を形成するために組み合わされる変調セルは変調アレイの中で互いに並列に位置しているので、空間的に位置がずれており、ホログラムの種類、再現された物体光点を観測する観測者の眼球の位置、及び（例えば、フーリエホログラムの場合に）変調セルにより再現される物体光点の位置によって異なる大きさの、遅延としても知られる光路長の差を示すため、上記の方法を実現することは困難である。このような変調セルのずれは、変調素子の変調セルの間の位相差に影響を及ぼす。その位相差は、観測者の眼球の位置及びシステムの光軸に関する再現物点の所望の角度位置（ホログラムの種類によって異なる）によって決まり、またビデオシーンの再現の品質を損ねるため、各変調素子の修正が必要である。先に説明したように、観測者位置が変化するたびに伝播中の変調光場を光学的に追跡する、位置制御装置及び眼球検出器を有するホログラム再現システムにおいて、眼球検出器により検出された眼球の位置に関して数ｍｍの観測者位置許容差を設定することは非常に有利である。光路長の差が発生すると、ホログラム再現システムの前方にいる観測者がホログラム再現を観測中に、自由に動けるわずかな範囲が相当に狭められてしまうだろう。
【００２０】
この問題を解決する方法は、名称「Light modulator for representing complex‐valued information」の国際公開第２００８／１３２２０６号の中で示唆されている。この方法によれば、変調アレイの光路に、すなわち変調アレイの前段及び後段の少なくともいずれかに、好ましくは変調セルと密接する状態で複屈折材料で形成された構造化遅延層が配置され、該層は、各変調素子の１つの変調セルについて、変調素子の他のセルを通る光路長に対する、放射された変調部分光波の光路長の、角度位置に特定付けられる適応に影響を及ぼす。この遅延層の層厚は、遅延層が光路長を変化させることで、各変調素子の変調セル間の光路の角度位置ごとの変化を相殺し、該角度位置ごとの変化を少なくとも部分的に補償するように選択される。この方法は、非常に微細に構造化されているが、同時にかなりの厚さを有する層を必要とするという欠点を有する。
【００２１】
名称「Device for determining the position of an object in an arbitrary section of a pencil of rays」の独国特許出願公開第２０５８４１８号において開示される装置は、特に点光源及びサヴァール板を利用する。該サヴァール板は、２つの直列に配置された、主要部が垂直状態に回転されて配置された複屈折単軸板型結晶を有しており、光軸と結晶面がなす角度は、双方の結晶で同一である。この特許出願の教示によれば、サヴァール板は、初めに点光源から放射されてサヴァール板の入射側に入射した光束を、互いに直行する偏光を示し、オリジナルと対称な平面の入射側に位置する２つの直線偏光仮想光源の発生を呈する、２つの直線偏光部分光束に分割する。更に、本特許出願の教示によれば、仮想光源が鏡像対称配置で配置されている平面の各点で、互いに垂直の偏光を示す部分光束間に光路長の差は存在しない。それ以外のすべての点では、部分光束間には光路長の差がある。
【００２２】
本発明において「サヴァール板」という用語は、少なくとも１つの複屈折板型単軸結晶を示すために使用される。更に、複屈折材料は、石英または方解石などの従来の結晶に限定されるべきではなく、例えば配向ポリマー及び適切なポリマー層の少なくともいずれか、あるいは適切な膜により複屈折材料を形成することも可能である。
【００２３】
本発明に関して、変調セルが実際にどのように設計されるかは重要ではない。例えば、液晶セルまたは液滴駆動セルから成る変調アレイを使用することが可能である。変調セルは、光波場の光波が通過する間または反射されるときに変調アレイがそれらの光波を変調するような性質であってもよい。
【００２４】
位相変調光変調セルを有する空間光変調装置に代わる装置として、振幅変調光変調セルのみを備えた変調アレイも可能であり、その場合、各変調素子は複数の振幅変調光変調セルから構成される。２つの振幅変調光変調セル、すなわち、複素数の実部に対応する光変調セル、及び虚部に対応する光変調セルを備える光変調装置の符号化方法は、バイアス符号化として知られる。３つの振幅変調光変調セルを備える光変調装置の別の符号化方法は、ブルクハルト符号化として既知である。
【００２５】
変調アレイの複数の変調セルの性質に関わらず、個々の変調セル間で光路長の角度位置ごとの差が現れることで、複数の隣接する変調セルを有する複素変調素子では、再現の品質を相当に劣化させる位相誤差が常に発生する。
【発明の概要】
【００２６】
従って、本発明の目的は、横方向に千鳥配列になるような位置に配置された複数の変調セルを有する複素変調素子を備えた空間光変調装置において、同一の変調素子についての千鳥配列された変調セルの間の光路長差を補償する補償手段を提供することである。さらに該補償は、例えば光波場を発生する働きをする光源において温度変化の影響として生じる、変調に使用される光の波長の変化とは、少なくとも広い範囲で無関係に実行されるべきである。
【００２７】
変調素子から出射する変調された部分光波は、ホログラム再現において離散複素ホログラム値によって変調可能な単一の小型変調セルで部分光波が発生したかのように、同様の影響を受けるべきである。従って、本発明によって処理された部分光波は、光路長の差によって起こる固有の位相差をまったく示さない。
【００２８】
本発明は、個々の変調セルまたは離散的に符号化可能である変調セルから構成される、少なくとも１つの変調アレイを備える光変調装置に基づく。変調セルは変調素子を形成するように組み合わされる。変調セルは、空間構造化方式でホログラム情報によって伝播中の光波場の干渉を発生させることが可能な光波を変調できる。各変調素子の変調セルは、伝播中の光波場の伝播方向に関して変調アレイの中で並列に配置され、空間的に配置された物体光点をホログラムに再現または表現するために、各変調素子は、予め設定可能な複素物体走査値または離散複素物体走査値によって符号化されてもよい。
【００２９】
上記の欠点を回避するために、本発明によれば、光変調装置において変調アレイの変調セルは、実質的に共通な、即ち実質的に空間的に重なる位置を通って、実質的に共通の伝播方向に変調素子から出射するような、変調された光波多重を形成するための、屈折あるいは回折により変調セルにより変調された部分光波を出射側において各変調素子について結合可能な光波多重化手段を割り当てられる。
【００３０】
本発明に関する限り、「光波多重化手段」または「出射された部分光波の空間分割多重化を行う光学多重化手段」は、本明細書において、少なくともある特定の部分光波が、光学配列の入射側界面の異なる位置から入射した部分光波が実質的に共通の伝播方向に、光学配列の出射側界面の共通の出射位置から出射するように、波偏向素子の構造体によって、光学配列または光学部品ユニットの内側で実質的に平行な向きに偏向する光学配列で構成されると理解されるべきである。
【００３１】
空間分割多重化を実行するための光学多重化手段は、変調アレイに可能な限り近接して配置されかつ変調素子の変調セルの形状、大きさ及び位置と一致する形状、大きさ及び位置を有する光学波偏向手段から成る面構造を有する平坦な光学板部の形で構成されることが好ましく、光波の出射位置は、少なくとも変調セルの一部に対して光波の入射位置に対して移動して配置される。
【００３２】
変調素子ごとの所望の空間光波多重化は、各変調素子についての全変調セルの部分光波が出射側界面において、前述の共通出射位置を通って共通の伝播方向へ出射するように、変調アレイの光軸とは異なる光学伝達軸を内側に有する波偏向素子が、各変調素子の少なくとも一部の変調セルに割り当てられることで実現される。光学多重化手段は変調素子ごとに個別の波出射位置を実現する。
【００３３】
空間分割多重化を実行する光学手段は、変調素子の変調セルの形状、大きさ及び位置に整合された構造を有する体積ホログラム、マイクロプリズムアレイ、及び複屈折光学素子の少なくともいずれかを含むフィルム構造のような平坦な光学素子で構成されうる。
【００３４】
（光束結合器としての偏光格子）
複数の異なる変調セルを通過する部分光がそれぞれ異なる光路長で進む場合、規定された光干渉効果または所望の光干渉効果を維持するために、一方の光変調セルを通過した光の部分と他方の光変調セルを通過した光の部分との間の光路長の差を、位相シフトによって修正することが一般に必要である。更に、先に述べた通り、異なる変調セルを通過した部分光の間には温度変動によって誘起される光路長の変化もある。
【００３５】
該修正は、例えば図８に示されるような、光を対称に偏向する構成により実現できる。まず、１つの変調セルから入射する光、及び配列内の隣に位置する別の変調セル（画素）から入射する光のそれぞれは、変調セルの中心間距離あるいは画素ピッチ間隔の半分だけ偏光される。このような配列は、互いに角度を成して回転される２つのサヴァール板、あるいは２つではなく合わせて４つの体積格子（図６または図７を参照）を必要とし、更に、２つのサヴァール板の間または２対の体積格子の間に偏光回転層が必要とされる。
【００３６】
体積格子の他に、例えば偏光格子などの他の種類の格子構造も知られている。多くの場合、＋１次回折で５０％の効率を示し、−１次回折で５０％の効率を示す他の既知の格子とは異なり、それらの格子は、いずれか一方の第１次数（＋１次または−１次のみ）で最大効率で光束を偏向する回折格子あるいはビーム偏光用として作用する。
【００３７】
＋１次回折では偏光格子により直線偏光光の５０％が偏向され、−１次回折で５０％が偏向されるが、偏光格子は、それらの第１次数のうちのいずれか一方のみで、円偏光光の１００％を偏向する特性を有する。どの次数かは、時計回り方向の円偏光光が入射するか、反時計回り方向の円偏光光が入射するかによって決まる。
【００３８】
更に、文献［１］（Chulwoo Oh及びMichael J. Escuti、「Achromatic polarization gratings as highly efficient thin-film beamsplitters for broadband light」、Proc. SPIE、第６６８２巻、第６２８２１１号、２００７年）に記載の、異なる波長に対して高い回折効率を示す無彩色偏光フィルタも知られている。
【００３９】
本発明の更なる目的は、２つの位相画素が対称の光束光路を有することにより、例えば温度及び他の周囲条件によって生じる厚差に関して更に大きな許容差を示すように、２つの位相画素の組み合わせ及び最小数の格子構造配列を実現することである。
【００４０】
この目的は、第１に既知の方法とは異なり、２つの位相画素の出射点に構造化λ／４層（λ／２層ではなく）を配置することにより達成される。
【００４１】
２つの変調セルにおけるλ／４層の向きが異なることによって、変調アレイまたはＳＬＭの出射点の直線偏光に基づいて変調素子の２つの位相画素のうち一方（マクロ画素）により放射された光に反時計回り方向の円偏光が与えられ、他方の位相画素により放射された光に時計回り方向の円偏光が与えられる。
【００４２】
第２に体積格子の代わりに偏光格子が使用される。２つの位相画素の円偏光が異なるため、偏光格子は２つの位相画素から入射する光を逆方向に偏向する。その後、２つの画素から入射した光は、体積格子のスタックに類似する構造の素子であるスペーサを通過し、互いに向かって、この場合には対称に動く。光束が偏向されるため、スペーサは、体積格子を使用する場合より薄い構造であってもよく、これが体積格子と比較した場合のもう１つの利点である。光の偏光は、第２の偏光格子により再び直線に戻されるか、または２つの異なる伝播方向から共通の伝播方向へ偏向される。
【００４３】
その後、偏光子は重なり合った光を結合して複素値を形成する。これは、サヴァール板または体積格子スタックの場合と同一の過程である。しかし、この偏光子は、サヴァール板または体積格子を有する構成の透過方向の向き、すなわち垂直または水平の方向と比較して４５°回転された透過方向の向きを有する。
【００４４】
このことはジョーンズ行列式により説明できる。
【００４５】
時計回り方向の円偏光は、以下に比例するジョーンズベクトルを有する。
2012530951.tif 000003
【００４６】
反時計回り方向の円偏光は以下のジョーンズベクトルを有する。
2012530951.tif 000004
【００４７】
２つの位相画素（変調セル）の光が位相φ１及びφ２をそれぞれ有する場合、その和は以下のベクトルを有する。
2012530951.tif 000005
【００４８】
水平偏光子は以下のジョーンズ行列を有する。
2012530951.tif 000006
【００４９】
これは、二相符号化で意図されるようにその偏光子の後段で以下の複素数が実現されることを意味する。
2012530951.tif 000007
【００５０】
あるいは、垂直偏光子の場合、以下の複素数が実現されるだろう。
2012530951.tif 000008
【００５１】
これは、体積格子、直線偏光及び＋４５°または−４５°の偏光子に対して実現されると考えられる結果と一致する。
【００５２】
光束の結合は、特に赤、緑、及び青の光のカラーディスプレイにおいて実現されるべきである。
【００５３】
文献［１］に記載されるような無彩色格子を使用可能である。しかし、１つの波長に対してのみ最適化される更に単純な格子を使用することも可能である。その場合、他の波長で回折損失が起こる。しかし、回折されなかった光がホログラムディスプレイを見ている観測者を妨げないように、絞りによりその光を阻止できる。
【００５４】
更に、先に説明した方法に関連して提案したように、波長の変化に伴って変化する偏向角度を絞りにより補償できる。
【００５５】
図９は、文献［２］（Jihwan Kim他「Wide-angle nonmechanical beam steering using thin liquid crystal polarization gratings」、Proc. SPIE、第７０９３巻、第７０９３０２号、２００８年）に記載される従来の偏光格子の機能原理を示す。図９は動的素子を示す。しかし、本発明に関連して受動素子を使用することも意図される。
【００５６】
図１０は、体積格子における光束光路（非対称）を示す。画素Ｐ０１の後には第１の向きを有するλ／２板が配置され、画素Ｐ０２の後には異なる向きを有するλ／２板が配置される。図１１は、偏光格子を有する構成における光束光路（対称）を示す。画素Ｐ０１の後には第１の向きを有するλ／４板が配置され、画素Ｐ０２の後には異なる向きを有するλ／４板が配置される。
【００５７】
図１２は例示的な構成を示す。直線偏光（太い実線）を放射する２つの画素（符号化可能な変調セル）Ｐ１、Ｐ２の後に構造化λ／４層ＱＷＰが配置される。ＳＬＭ（変調アレイ）により放射される光の偏光方向に対して一方の画素Ｐ１では＋４５°回転され、他方の画素Ｐ２では−４５°回転される光軸が図１２に示される。この光軸を通して円偏光が発生される（赤い環状矢印により示される）。
【００５８】
図１２に示される実施形態によれば、第１の偏光格子Ｐｇ１は光をその偏光に従って偏向する。光が適切な厚さのスペーサＤＬ（薄いガラス板またはポリマー膜）を通過し、空間的に重ね合わされた後、光は第２の偏光格子Ｐｇ２により逆方向に偏向されるので、２つの画素から入射した光は平行に出射する。それらの素子の後段に、０°または９０°で直線偏光子Ｐｏｌが配置される。
【００５９】
偏光格子は、円偏光の回転方向を変化させる特性、すなわち、時計回り方向の円偏光から反時計回り方向の円偏光に変化させ、逆に反時計回り方向の円偏光から時計回り方向の円偏光に変化させる（同様に図１２に示される）特性を有する。
【００６０】
同一の種類の（すなわち、格子における分子の配向が同一である）２つの格子を上記の構成で使用することができるため、該特性は光束結合器としての用途に非常に有利である。
【００６１】
円偏光は、第１の格子により偏向されることにより偏光の回転方向を変わるため、同一の種類の第２の格子により逆方向に偏向される。このように、光路に次々に配置された同一の種類の２つの格子は所望の平行なずれを発生する。
【００６２】
好適な一実施形態によれば、光波多重化手段は、偏光手段と、第１の偏向層Ｖｇ１及び第２の偏向層Ｖｇ２とを少なくとも備える。偏光手段は、第１の変調セル１を通過する光に予め設定可能な第１の偏光を割り当てるように作用する。偏光手段は、第２の変調セル２を通過する光に予め設定可能な第２の偏光を更に割り当てる。第１の偏向層Ｖｇ１は、光の伝播方向において偏光手段の後段に配置される。光の伝播方向に見て第１の偏向層Ｖｇ１の後に、規定された距離ｄだけ離間して第２の偏向層Ｖｇ２が配置される。予め設定可能な第１の偏光は、予め設定可能な第２の偏光に対して垂直であってもよい。あるいは、予め設定可能な第１の偏光は、円偏光であり、予め設定可能な第２の円偏光と比較して逆の回転方向を有してもよい。例えば使用される光源の特性上、光が既に適切な構造化偏光を有する場合、一般に偏光手段を使用する必要はない。
【００６３】
図７を参照すると、第１の偏向層Ｖｇ１の光学的特性は、第１の変調セル１を通過する光は実質的に偏向されず、第２の変調セル２を通過する光は第１の規定角だけ偏向されるように選択される。第２の偏光手段Ｖｇ２の光学的特性は第１の変調セル１を通過する光は実質的に偏向されないが、第２の変調セル２を通過する光は第２の規定角だけ偏向されるように選択される。第２の規定角の絶対値は第１の規定角の絶対値と実質的に同一である。
【００６４】
図８を参照すると、光の伝播方向において第２の偏向層Ｖｇ２の後に、規定された距離だけ離間して第３の偏向層Ｖｇ３及び第４の偏向層Ｖｇ４が配置される。第３の偏向層Ｖｇ３の光学的特性は第１の変調セル１を通過する光は第３の規定角だけ偏向されるが、第２の変調セル２を通過する光は実質的に偏向されないように選択される。第４の偏向層Ｖｇ４の光学的特性は第１の変調セル１を通過する光は更に別の第４の規定角だけ偏向されるが、第２の変調セル２を通過する光は実質的に偏向されないように選択される。第３の規定角の絶対値は第４の規定角の絶対値と実質的に同一であってもよい。
【００６５】
偏光手段は、異なる向きを特徴とする複数の領域を有する遅延板を備えてもよい。これは、変調セルの機能原理が既に偏光に基づいている場合、または少なくとも変調セルの機能が偏光の使用によって悪影響を受けない場合に特に好ましい。遅延板が使用されない場合、異なる向きを有する複数の領域を備え、ある特定の偏光方向の光を吸収する構造化偏光子が使用されなければならない。しかし、これに関連して光の損失が発生するだろう。この点に関して、構造化偏光子は、偏光子のある特定の予め設定可能な偏光と相互に作用する光に割り当てられる第１の空間領域及び第２の空間領域を備え、第１の空間領域は１つの種類の変調セルに割り当てられ、第２の空間領域は別の種類の変調セルに割り当てられるような偏光子であると特に理解されるべきである。遅延板は、λ／２板または１ｘ＋λ／２板または１ｘ−λ／２板であってもよい。すなわち、遅延板はλ／２の相対位相シフトを有する。あるいは、偏光手段は、第１の向きを有する第１の遅延板及び第２の向きを有する第２の遅延板を備えてもよい。第１の遅延板及び第２の遅延板は、それぞれλ／２板であってもよい。その場合、第１の向きを有する第１の遅延板は、第１の変調セル１を通過する光に割り当てられる。第２の向きを有する第２の遅延板は、第２の変調セル２を通過する光に割り当てられる。
【００６６】
図１１及び図１２を参照すると、第１の偏向層Ｐｇ１の光学的特性は第１の変調セルＰ０１を通過する光は第１の方向へ第１の規定角だけ偏向されるが、第２の変調セルＰ０２を通過する光は第２の方向へ第２の規定角だけ偏向されるように選択される。第２の偏向層Ｐｇ２の光学的特性は第１の変調セルＰ０１を通過する光は第２の角度だけ偏向されるが、第２の変調セルＰ０２を通過する光は第１の角度だけ偏向されるように選択される。第１の角度の絶対値は第２の角度の絶対値と実質的に同一であってもよい。
【００６７】
偏光手段は、異なる向きを特徴とする複数の領域を有する遅延板を備えてもよい。これは、変調セルの機能原理が既に偏光に基づいている場合、または少なくとも変調器の機能が偏光の使用によって悪影響を受けない場合に特に好ましい。遅延板が使用されない場合、異なる向きを有する複数の領域を備えた構造化円偏光子が使用されなければならない。しかし、これに関連して光の損失が発生するだろう。遅延板は、λ／４板または１ｘ＋λ／４板または１ｘ−λ／４板であってもよい。すなわち、遅延板はλ／４の相対位相シフトを有する。あるいは、偏光手段は、第１の向きを有する第１の遅延板及び第２の向きを有する第２の遅延板を少なくとも備えてもよい。第１の遅延板及び第２の遅延板は、それぞれλ／４板であってもよい。この場合、第１の向きを有する第１の遅延板は、第１の変調セルＰ０１を通過する光に割り当てられる。第２の向きを有する第２の遅延板は、第２の変調セルＰ０２を通過する光に割り当てられる。
【００６８】
偏向層Ｖｇ１、Ｖｇ２、Ｖｇ３、Ｖｇ４、Ｐｇ１、Ｐｇ２は、ホログラム、体積格子、及びブラッグ格子の少なくともいずれか、あるいは偏光格子を備える層であってもよい。
【００６９】
光の伝播方向において偏向層Ｖｇ１、Ｖｇ２、Ｖｇ３、Ｖｇ４、Ｐｇ１、Ｐｇ２の後に、検光子の効果を有する予め設定可能な光学的特性を持つ偏光手段ＷＧＰ、Ｐｏｌが配置されてもよい。
【００７０】
本発明のすべての実施形態において、変調光多重を形成するために結合されていた変調素子ＭＥの光束に影響を与えるアポディゼーション素子ＡＰＦが設けられてもよい。アポディゼーション素子ＡＰＦは、使用される光のそれぞれの波長とは実質的に無関係である中性強度プロファイルを光の伝播方向に対して横方向に有してもよい。そのような強度プロファイルは、分析に基づいて書き表すことができるアポディゼーション関数、例えば余弦関数または三角関数またはブラックマン関数またはハミング関数またはウェルチ窓関数により記述されてもよい。詳細には、アポディゼーション素子ＡＰＦは、各々が１つの変調素子ＭＥに割り当てられている適切なアポディゼーションマスクを有してもよい。例えば、図１６の側面図の左側に示されるようなアポディゼーションマスクは、変調素子ＭＥの結合光束の変調光波多重に影響を与える。アポディゼーションマスクは、例えば検光子として作用する偏光子ＷＧＰの後段、すなわち図１３にＰＣにより示される位置に配置されてもよい。
【００７１】
カラー表示に適用される場合、変調光多重を形成するために結合されていた変調素子ＭＥの光束に影響を与える適切に設計されたアポディゼーション素子ＡＰＦＣが設けられてもよい。アポディゼーション素子ＡＰＦＣは、使用される光のそれぞれの波長に従属する少なくとも２つの強度プロファイルを有する。それらの強度プロファイルは、光の伝播方向に対して横方向に側方へ予め設定可能な値だけ互いにずれている。このことは、図１６の側面図の右側に示される。強度プロファイルは、光の伝播方向に次々に配置された個別の層ＡＰＦＳＲ、ＡＰＦＳＧ、ＡＰＦＳＢに含まれてもよい。
【００７２】
（受動層の製造）
文献［１］及び［２］は、能動的に切り替え可能なＬＣＰＧを説明する。
【００７３】
それらのＬＣＰＧは、光重合可能な材料の配向層がＵＶ放射に露光されるように製造される。逆方向の円偏光を伴う２つのＵＶ光源が使用され、それらの光源の光は重ね合わされる。格子定数は、光源が重ね合わされる相対角度に応じて設定される。適切な配向層を有する基板が存在する場合、例えばスペーサボールにより厚さを規定されるＬＣ層が基板の間に充填される。
【００７４】
材料の配向が擬似凍結されるように配向された後に基板上で架橋される他のＬＣ材料も他の用途から既知である。光束結合器としての用途に関して、受動ＬＣＰＧが使用されるのが好ましい。従って、ここではポリマー材料の使用が提案される。
【００７５】
（ＲＢＧに対応する光束結合器）
使用される光の波長に関連して考慮されなければならない２つの異なる影響がある。
【００７６】
（ａ）格子の回折効率は一般に波長に伴って変化する。この影響は、通常格子の厚さによって異なる。
【００７７】
（ｂ）回折角度も、一般に波長に伴って変化する。これは、波長と格子定数との比によって決まる。
【００７８】
（ａ）回折効率に関して：
過去の文献［１］は、全可視範囲にわたり高い回折効率を有する特殊な偏光格子を説明する。しかし、その格子でも赤色光、緑色光、及び青色光に対して異なる角度を有する。
【００７９】
更に、印加電圧に応じて異なる波長に対して式ｄΔｎｅｆｆ（Ｖ）＝λ／２が任意に満たされるように、アレイ中のＬＣ分子をそれぞれ制御し、部分的に配向することにより能動ＬＣＰＧにおける有効複屈折を変化させることも、従来の技術で説明されている。
【００８０】
これにより回折効率も向上するが、回折角度は変化しない。その素子は、色の時分割多重化によってホログラムディスプレイで光束結合器として使用可能であり、適切な電圧を印加することにより、格子は実際に処理される色に適合される。能動格子は、格子自体がアドレス指定されかつそのアドレス指定が光源及びＳＬＭの制御と同期されることを想定する。
【００８１】
色の空間多重化を実現するために、製造工程の間に個別の画素列でＬＣ材料に異なる電圧を印加し、ＬＣ材料をその状態で重合することが可能だろう。
【００８２】
（ｂ）回折角度に関して：
光束結合器として使用することに関して、赤色光、緑色光及び青色光に対して同一の回折角度を実現することが特に非常に重要である。上記の方法はこの必要条件を満たさない。
【００８３】
同一の回折角度を実現できる好適な方法は、ＳＬＭの色の空間分割多重化と一致して格子周期の空間分割多重化を実行する方法である。このために、基板の配向層の露光中にマスクが使用され（上記の文献の「Manufacture of passive layers」の章を参照）、このマスクは領域の約２／３をストライプ状に被覆する。すなわち、マスクは他の２つの色の色画素に対応する部分を被覆する。次に、２つの露光ＵＶ光源の角度は、１つの色（ＲＧＢ）に対して所望の格子定数を実現するように適合される。マスクを移動し、それに従って角度を変更しつつ、この処理は３回繰り返される。
【００８４】
複数の格子が重ね合わされるか、あるいは直列配置で互いに積み重ねられるブラッグ格子とは異なり、重ね合わされていない３つの格子が交互配置される状態で得られる。
【００８５】
すべての波長に対して高い回折効率を示す文献［１］による従来の格子構造を、個別の波長で同一の回折角度を有する本実施形態と組み合わせることができる。
【００８６】
あるいは、１つの波長に対して高い回折効率が実現されるべきであり、他の波長に対しては、回折されなかった光が観測者に到達しないように、その光が何らかの方法で除去されるのであれば、この方法を単独で使用できる。これは、その光の出射位置、出射角度または場合によっては偏光を利用することにより実行可能である。
【００８７】
（数値の例）
従来の技術によれば、偏光格子において層厚と格子定数との比は限定される。この限界は、ＬＣの材料特性、例えばその複屈折特性によって決まる。
【００８８】
層厚ｄに対して条件ｄΔｎ＝λ／２が満たされなければならないので（式中、Δｎは屈折率差でありかつλは波長である）、格子定数は最小であり、従って、偏光角度は最大である。
【００８９】
実験構成において、約６μｍの格子定数を有する格子が既に説明されている。理論上の限界は約２μｍであると思われる。従って、偏向角度は約（２×）５°である。
【００９０】
格子＋スペーサ＋格子から成る構成は、通常、同一の屈折率差Δｎを有する材料から製造されたサヴァール板の厚さの約１／２〜１／３の厚さを有すると想定することができる。しかし、そのような構成において、偏光格子自体はわずか数μｍ、通常は２〜３μｍの厚さである。画素ピッチが６０μｍである場合、スペーサは２００〜３００μｍの範囲の厚さを有するだろう（格子定数は約４〜６μｍ）。
【００９１】
（偏光格子スタック）
可能なもう１つの方法は、１つの偏光格子の代わりに相前後して配置された複数の偏光格子のスタックを使用することである。偏光格子は入射角によって作用が大きく左右される。
【００９２】
しかし、総偏光角度が一定である受動格子を使用する場合、順次大きくなる入射角に関して後続して配置される格子を最適化することが可能である。
【００９３】
従って、複数の偏光格子を直列配置で配列することにより、一般に偏向角度を大きくし、全体の厚さを減少することができる。
【００９４】
（無彩色屈折による光束結合）
先に示したように、複素値を生成する二次画素、すなわち、画素を通過する光の位相及び振幅の双方を変調または変化させられる二次画素（変調素子）を形成するために２つの位相シフト画素（変調セル）を組み合わせるという目的を達成する方法として、屈折を利用する方法（サヴァール板）及び回折を利用する方法（体積格子）がある。
【００９５】
本明細書の特定の目的は、順次色表現に関連して屈折を利用する方法の無彩色オプションを提案することである。
【００９６】
図１３は、２つの位相画素を利用する複素値画素の生成を示す。図１３は、複素値画素ＰＣを形成するために、構造化された２分の１波長λ／２板及び偏光子ＷＧＰと組み合わされたサヴァール板ＳＰを示す。これにより形成される画素の例示的な余弦型アポディゼーションプロファイルは図示されない。すなわち、画素は均一に透明な画素として示される。通常軸と異常軸との屈折率差はΔｎｏｅ＝０．２であり、これは、ＴＭ偏光の偏向角度αＴＭ＝７．３８４°及び板のμｍ厚さごとの０．１２９６μｍの光束ずれに相当する。図１３はそれらの関係を縮尺通りに示す。
【００９７】
複屈折材料の中で、異常光束は通常光束に対してある特定の相対角度を成して伝播する。しかし、複屈折材料から光学等方性媒体への出射点において、正常光束及び異常光束は再び平行になるように方向を規定される。従って、ある特定偏光の光は、複屈折材料の入射側界面で、複屈折材料の複屈折の大きさ及び光軸の向きの双方によって決まる角度の偏向を与えられ、出射側界面では逆方向への偏向を与えられる。これにより、複屈折体の厚さによって大きさが決まる平行な位置ずれが観測される。この効果は、複屈折材料がコプレーナ板の形である場合に特に明らかに観測される。
【００９８】
図１４は、順次表現における分散の問題を示す。図１４は、赤色波長及び青色波長に対する分散ｎ＝ｎ（λ）によって生じる、横方向のずれｓの誤差Δｓを示すサヴァール板ＳＰを示す。サヴァール板ＳＰにおいて、例えば余弦型アポディゼーションプロファイル（図示せず）の中心に、緑色波長の光束を位置づける設計角度がＴＭ偏光光束に使用される場合、青色光束に対してはそれより大きい角度が得られ、赤色光束に対してはそれより小さい角度が得られるので、正の光束ずれまたは負の光束ずれ、すなわちアポディゼーションプロファイルの一方の側または他方の側に向かう光束のずれが起こる。
【００９９】
順次色表現に関連して、問題は、個々の複素値画素のアポディゼーションフィルタの中心が２つの色、すなわちこの例では赤及び青により照明されないことである。
【０１００】
その問題を解決する単純な方法は、アポディゼーションフィルタの寸法を縮小すること、すなわち、例えばフィルファクタＦＦを０．８から０．６に減少させることである。しかし、これは透明領域の約５０％を除去すること、すなわち吸収による放射力の５０％を排除してしまうことを意味する。更に、フィルファクタを減少させた場合、観測者ウィンドウに隣接する回折次数の抑制効率は低下する。
【０１０１】
別の解決方法は、使用される色の空間分割多重化を実行すること、すなわち１次元符号化３Ｄ物体に対して、例えば水平視差のみの（ＨＰＯ）ホログラムに対して問題を生じない色フィルタの空間構造化配列を使用することである。これは、明らかに人間の眼球の分解能以下の３Ｄ再現を十分に提供する画素を利用可能な場合に実施可能な方法である。これは、図１５に複素値画素を形成するように組み合わされた位相画素の空間分割多重化の形で示される。例えば、左側の第１の列Ｓ１Ｒは赤色フィルタを有する。その右側の列Ｓ２Ｂ（間に吸収黒色列ＳＢを挟む）は、青色フィルタを有する。更にその右側の列Ｓ２Ｇ（間に吸収黒色列ＳＢを挟む）は、緑色フィルタを有する。この構成は周期的に続く。
【０１０２】
別の解決方法は、「中性密度アポディゼーションフィルタ」の代わりに色知覚アポディゼーションフィルタ分布、すなわち、グレイスケール値の分布の形の強度フィルタプロファイルまたは透過率フィルタプロファイルを使用する。これは、グレイスケール値型または中性密度型のアポディゼーション関数（ＡＰＦにより示される左側のフィルタ）から横方向にずれた色知覚アポディゼーション関数（ＡＰＦＣにより示される右側のフィルタ）への遷移の形式で図１６に示される。カラースライドの場合の反転フィルムの層構造と同様に、色選択フィルタ処理は、例えば順次配列される層ＡＰＦＳＲ（赤）、ＡＰＦＳＧ（緑）及びＡＰＦＳＢ（青）として実現されてもよい。問題を解決するために、最大透過率点はそれぞれ対応するスペクトル色によって決まる。しかし、すべての色に対して曲線因子は同一であってもよい。更に、例えばエネルギー効率または観測者ウィンドウに隣接する回折次数の抑制をスペクトルに関して最適化するために、アポディゼーション関数の色選択修正が実行されてもよい。
【０１０３】
図１６を参照すると、強度分布の中心は例えば１０μｍより小さいため、ホログラム直視型ディスプレイによるホログラム再現において、知覚されないスペクトルの異なる横方向のずれを有することがわかる。
【０１０４】
更に別の解決方法は、異なる分散、すなわち正常分散及び異常分散を示す少なくとも２つの異なる複屈折材料ＳＰ１、ＳＰ２を使用することである。これは、サヴァール板が２つの層ＳＰ１、ＳＰ２から構成されることを意味し、例えば第１の層ＳＰ１は、青色スペクトル線に対して最大の屈折率を有し、赤色スペクトル線に対して最小の屈折率を有するが、第２の層ＳＰ２は、青色スペクトル線に対して最小の屈折率を有し、赤色スペクトル線に対して最大の屈折率を有する。
【０１０５】
２つの板ＳＰ１、ＳＰ２の厚さの比は、屈折率差と緑色スペクトル線との比に比例する。板の厚さはすべてのスペクトル色に対して２乗横方向位置偏差が最小になるように選択されてもよい。２つの板ＳＰ１、ＳＰ２から構成される色修正サヴァール板は図１７に示される。
【０１０６】
先に説明した実施形態によれば、光波多重化手段は、少なくとも１つの偏光手段及び予め設定可能な光学的特性を有する少なくとも１つの複屈折媒体ＳＰを備える。偏光手段は、第１の変調セルＰ０１を通過する光に、予め設定可能な第１の偏光を割り当てるように作用する。偏光手段は、第２の変調セルＰ０２を通過する光に、予め設定可能な第２の偏光を更に割り当てる。複屈折媒体ＳＰは、光の伝播方向において偏光手段、第１の変調セルＰ０１、及び第２の変調セルＰ０２の少なくともいずれかの後段に配置される。予め設定可能な第１の偏光は、予め設定可能な第２の偏光に対して垂直であってもよい。
【０１０７】
複屈折媒体ＳＰの光学的特性は、第１の変調セルＰ０１を通過する光は複屈折媒体ＳＰにより実質的に偏向されず、第２の変調セルＰ０２を通過する光は複屈折媒体ＳＰの入射側界面で第１の規定角だけ偏向されるように選択される。第２の変調セルＰ０２を通過する光は、入射側界面と共面である複屈折媒体ＳＰの出射側界面で第２の規定角だけ偏向される。第１の角度の絶対値は第２の角度の絶対値と実質的に同一であってもよい。従って、第２の変調器Ｐ０２を通過する光は、複屈折媒体ＳＰを通過した後、実質的に平行な位置ずれを伴って複屈折媒体ＳＰから出射する。
【０１０８】
図６〜図１１、図１２〜図１４、図１７、図２０及び図２１において、偏向層Ｖｇ１、Ｖｇ２、Ｖｇ３、Ｖｇ４、Ｐｇ１、Ｐｇ２と、もしあれば、遅延板及び複屈折媒体ＳＰ、ＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３、ＳＶ１、ＳＶ２の少なくともいずれかの光学的特性とは、光束の方向がそれぞれの図の図平面に実質的に位置する方向に向くように選択される。しかし、関連する素子の光学的特性の他の設定も可能であり、その場合、光束はそれぞれの図の図平面から外れる方向へ偏向されてもよい。変調素子の変調光波多重は、一方向への（例えば、変調セルの列に沿った）横方向のずれを伴うだけでなく、第１の方向及び第２の方向への横方向のずれも伴って光波多重化手段から出射する。
【０１０９】
伝播方向において、正常分散または異常分散を伴う複屈折媒体ＳＰ１の後に、異常分散または正常分散、すなわち複屈折媒体ＳＰ１とは逆の分散を伴う別の複屈折媒体ＳＰ２が配置されてもよい。これは図１７に示される。その場合、２つの複屈折媒体ＳＰ１、ＳＰ２の厚さの比は予め設定可能であり、好ましくは、２つの複屈折媒体ＳＰ１、ＳＰ２の屈折率差比、及び、例えば緑の波長光の予め設定可能な波長と例えば赤及び青の波長光の少なくとも１つの別の予め設定可能な波長との比に応じて決まる。
【０１１０】
少なくとも１つの複屈折媒体を使用する場合、図８に示される方法に類似する方法による光束の結合も可能である。これを実現するために、光の伝播方向において複屈折媒体ＳＰ２の後に別の複屈折媒体ＳＰ３が配置されてもよい。この別の複屈折媒体ＳＰ３の光学的特性は、別の複屈折媒体ＳＰ３が第１の変調セルＰ０１を通過する光を複屈折媒体ＳＰ３の入射側界面で第３の規定角だけ偏向し、入射側界面と共面である複屈折媒体ＳＰ３の出射側界面で第４の規定角だけ偏向するように選択される。別の複屈折媒体ＳＰ３は、第２の変調セルＰ０２を通過する光を実質的に偏向しない。第３の規定角の絶対値は、第４の規定角の絶対値と実質的に同一であってもよい。第１の複屈折媒体ＳＰ１に入射した光束は、第２の複屈折媒体ＳＰ３から出射するときに実質的に平行な位置ずれを与えられる。２つの複屈折媒体ＳＰ１及びＳＰ３の間にλ／２層が配置され、この層は層を通過する光の偏光方向を９０°回転させる。ＳＰ１及びＳＰ２の光軸（両方向矢印により示される）は直角の向きを有する。
【０１１１】
光の伝播方向において複屈折媒体ＳＰ；ＳＰ１、ＳＰ２の後段に、検波子の効果を有する予め設定可能な光学的特性を有する偏光手段ＷＧＰが配置されてもよい。
【０１１２】
本発明の教示を実現し、発展させる可能性はいくつかある。そのために、特許請求の範囲第１項に続く従属特許請求の範囲及び添付の図面を含む以下の本発明の好適な実施形態の説明を参照する。本発明の好適な実施形態及び添付の図面の説明と関連して、教示の一般に好適である物理的形態及び発展形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る空間光変調器の詳細を示す図である。
【図２】マイクロプリズムのアレイ及び体積格子によって出射される変調部分光波を空間多重化する光学多重化手段の第１の実施形態を示す図である。
【図３】回折光を使用し、マイクロプリズムのアレイ及び体積格子によって出射された変調部分光波を空間多重化する光学多重化手段の第２の実施形態を示す図である。
【図４】回折光が使用され、開口マスクを有する空間周波数フィルタにより非回折光が除去される出射された変調部分光波を空間多重化する光学多重化手段の第３の実施形態を示す図である。
【図５】偏光光波分割器によって出射された変調部分光波を空間多重化する光学多重化手段の第４の実施形態を示す図である。
【図６】、
【図７】、
【図８】光の波長の変化に関して補償される偏光光束分割器を有する光学多重化手段の実施形態を示す図である。
【図９】文献［２］に記載される従来の偏光格子の機能原理を示す図である。
【図１０】体積格子の光路（非対称）を示す図である。
【図１１】偏光格子を有する構成における光路（対称）を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態を示す図である。
【図１３】、
【図１４】本発明の更なる実施形態を示す図である。
【図１５】複素値画素を形成するために組み合わされる位相画素の空間分割多重化を示す図である。
【図１６】「中性密度」アポディゼーション関数（左側）及び横方向にずれた色知覚アポディゼーション関数（右側）を示す図である。
【図１７】、
【図１８】、
【図１９】、
【図２０】、
【図２１】、
【図２２】本発明の更なる実施形態をそれぞれ示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０１１４】
変調アレイの各変調セルのすべての光学多重化手段は同一の構造を有するので、図面を単純に、わかりやすくするために、以下の説明の中で参照される図面には変調アレイの１つの変調器のみが示される。
【０１１５】
同様の理由で、以下の説明中、規則的に構造化された変調セルを有し、各変調素子が変調アレイの２つの隣接する変調セルを含む変調アレイを例に、光学変調手段は説明される。このような空間光変調器の典型的な一例は、上述の二相符号化方法を実現するように構成された空間位相変調光変調器である。一般に、該構造は３つ以上の変調セルを含む変調素子に対応してもよい。
【０１１６】
以下に示される実施形態は振幅変調に同様に適応されてもよい。振幅変調に適応される場合、変調素子ごとに少なくとも１つの変調セルに対して光学位相シフト層が更に必要とされるだろう。バイアス符号化方法が採用される場合、２つの変調セルの一方に対してλ／２の一定の位相シフトが必要とされ、ブルクハルト符号化方法が採用される場合には、３つの変調セルのうち２つのセルに対して２π／３及び４π／３の位相シフトがそれぞれ必要とされる。
【０１１７】
図１は、第１の変調セルＰ０１及び第２の変調セルＰ０２を有する変調素子ＭＥを示す。２つの変調セルは変調アレイの中で互いに隣接して配列される。干渉を発生することが可能な光波場ＬＷは、変調アレイの変調素子ＭＥを照明する。ホログラム再現を生成するために、各変調セルＰ０１、Ｐ０２が方向Ｄと平行な光軸ａ０１、ａ０２を有する、個別に変調された部分光波ＬＷＰ１及びＬＷＰ２をそれぞれ放射するように、変調制御部ＣＵは、複素ホログラム値の位相成分によって各変調セルＰ０１、Ｐ０２を符号化する。本発明によれば、光学多重化手段のアレイは変調セルＰ０１、Ｐ０２に可能な限り近接して配置される。光学多重化アレイは、変調アレイＰ０１、Ｐ０２に空間的に割り当てられた波偏向手段Ｕ１、Ｕ２から成る構造を備える。波偏向手段Ｕ１、Ｕ２は互いに異なる光軸を有する。同一の変調素子ＭＥから放射される部分光波ＬＷＰ１及びＬＷＰ２が光学多重化手段のアレイにおいて組み合わされ、共通の光軸ａ０を有する変調共通部分光波ＬＷＰ０の波多重を形成するように、波偏光手段Ｕ１、Ｕ２の光軸は互いに関して向きを規定される。
【０１１８】
本発明の好適な一実施形態によれば、光学多重化手段のアレイは、積み重ねられた光学板から成る光学板部を備える。光学板は、例えば予め設定可能な光学的特性、特に複屈折特性を有する複数の透明なポリマー層を備えてもよい。
【０１１９】
図２は、各変調素子ＭＥの変調セルＰ０１、Ｐ０２に対して、変調セルＰ０１、Ｐ０２の所望の光学波偏向機能を実現するマイクロプリズムを構成するマイクロプリズムアレイＰＡを備える上記のような光学板部の第１の実施形態を示す。この光学板ユニットは、変調された共通部分光波ＬＷＰ０の波多重を形成するために、変調素子の部分光波ＬＷＰ１及びＬＷＰ２を更に組み合わせる。これは、ブラッグホログラムとして知られる体積ホログラムＢＧを光学板部の光路に更に配置することにより実現される。この体積ホログラムＢＧは、伝播中の部分光波ＬＷＰ１及びＬＷＰ２の交差を防止し、変調素子の変調セルＰ０１及びＰ０２により先に変調されていた２つの部分光波ＬＷＰ１及びＬＷＰ２を光路長差を生じることなく方向Ｄへ誘導するという機能を有する。体積ホログラムＢＧは、規定された波長を有する光波を著しく限定された偏向角または出射角で厳密に偏向するように符号化される。規定された波長として、カラー再現に必要とされるすべての光波長、例えば赤、緑、及び青の色の波長が考慮されなければならない。
【０１２０】
図３は、図２の光学板部の第２の実施形態を示す。２つの実施形態は、干渉を発生することが可能な光波場ＬＷの設定または入射角の点で異なる。図３に示される実施形態において、干渉を発生することが可能な光は、光軸に対して斜めに、空間光変調装置または変調セルＰ０１、Ｐ０２に入射する。このように斜め方向から入射することにより、再現に１次回折を使用可能である。図２の実施形態の場合、干渉を発生することが可能な光波場は、光軸と平行に空間光変調装置に入射するため、再構成に０次回折を使用可能である。
【０１２１】
図４によれば、配置された２つの無限焦点レンズアレイ系Ｌ１、Ｌ２間に配置された開口マスクＡＰを有する、追加の伸縮自在フィルタアレイ（ＴＦＡ）により、例えば０次回折次数の光波場の入射方向についての隣接する空間回折次数の光や使用されない周期間隔の光のような望まれない部分光の抑圧が実現される。同時に、配置された２つの無限焦点レンズアレイ系Ｌ１、Ｌ２により、変調アレイの変調素子ＭＥの変調セルの曲線因子を光学倍率に従って増加させることができる。
【０１２２】
図５は本発明の別の実施形態を示す。本実施形態において、偏光光波分割器Ｐｏｌは各変調素子の部分光波を結合する。空間多重化を実現する光学多重化手段は、変調素子の変調セルＰ０１、Ｐ０２の部分光波の各々にそれぞれ別の偏光を割り当てる偏光要素Ｓｐｏｌ及びＰｐｏｌを有する板を変調素子のすべての変調された部分光波ＬＷＰ１、ＬＷＰ２に個別の傾斜光軸を割り当てる複屈折コプレーナ板ＢＰと組み合わせて使用する。すべての部分光波の光軸は互いに関して傾斜し、かつコプレーナ板ＢＰの強度はすべての部分光波がその出射側界面で重なり合うように選択される。
【０１２３】
図６に示されるような偏光光波分割器は、ホログラム再現を生成するように選択された波長の変化に対して高い感度を示す。使用される光の波長に依存する、横方向のずれ及び光の位相関係の変化が得られる。
【０１２４】
図６及び図７は、図８に示される自己補償光束分割器二重板を実現する基礎を例示する２つの実施形態を示す。Ｖｇ１及びＶｇ２は光束分割器として作用する体積格子を示す。
【０１２５】
平面偏光光束分割器Ｖｇ２の後段で、幅ａを有する変調セル１の部分光波ＴＥと同様に幅ａを有する変調器２の部分光波ＴＭとを完全に重ね合わせるために、２つの平行な格子平面の間の距離ｄは、変調器のセル幅ごとにｄ＝ａ／（２・ｃｏｓ（π／２））、すなわち０．５７７３５μｍでなければならない。
【０１２６】
変調セルの幅が５０μｍであると仮定すると、偏光光束分割器の０°／６０°構造によって厚さｄ＝２８．８７μｍを実現できる。それと比較して、サヴァール板は、Δｎ＝０．２を得るべき場合に３８５．８μｍの最小厚を有していなければならない。
【０１２７】
偏光された部分光波ＴＥ及びＴＭは、偏光光束分割器の前段で平行であったならば、偏光光束分割器の後段で平行になる。従って、この場合、出射光束の平行度を問題にすべきではない。
【０１２８】
しかし、光の波長変動は問題になる。変調セルの幅が３０μｍであり、従って偏光光束分割器二重板の厚さが１７．３２μｍであるとすれば、重なり合う２つの変調セルの間の約２π／１０の相対位相差に、Δλ＝１ｎｍの波長偏差が起こる。この問題を解決するために、回折角度のより小さな偏光光束分割器構造を選択することが可能である。
【０１２９】
図６に示されるように、可能な偏光光束分割器偏光構造（偏光光束分割器Ｖｇ１、Ｖｇ２を有する）は０°／４８．２°である。この例では、部分光波ＴＥは偏向されるが、部分光波ＴＭは偏向されない。図７は、ＴＥ偏光光を偏向せずに透過し、ＴＭ偏光光を回折または偏向する０°／４１．２°偏光光束分割器（Ｖｇ１、Ｖｇ２）を示す。
【０１３０】
変調セルの幅がａ＝５０μｍであり、隣接する変調セル間のクロストークに関するＥＷプリズム（図示せず）までの最大許容距離がＤｍａｘ＝５×ａ＝２５０μｍであるとすると、θｍｉｎ＝ａｒｃｔａｎ（ａ／Ｄｍａｘ）＝ａｒｃｔａｎ（０．２）＝１１．３１°となる。Δｎ＝０．２である場合、サヴァール板は約７．４°を実現する。
【０１３１】
実現可能な偏光格子光束分割器構造は数学的には級数の項であるので、使用可能な角度は約１１°の範囲にある。しかし、その場合、必要とされる屈折率変化は非常に大きくなる。すなわち、偏光光束分割器構造としての１１°の使用は非現実的であるように思われる。
【０１３２】
しかし、０°／３３．５５７°の偏光光束分割器構造は実際には実現できそうもない。その場合、ＲＧＢ多重化のために屈折率変化の余裕が更に存在していなければならない。波長がΔλ＝１ｎｍで安定している場合、この構造は、結合された変調セル光束のΔφ＜２π／２０の相対位相差に相当するだろう。
【０１３３】
ドリフトする可能性があるキー波長の影響を補償するために実現可能ないくつかの方法がある。
【０１３４】
１つの方法は、動作中に位相シフトを単純かつ容易に補償するために、組み合わされた２つの変調セルから発生される加算信号を使用する。これを実現するために、一方の変調セルの位相は、例えばある特定の目標強度が実現される結果となるように動かされてもよい。これにより、修正位相を導入するための値が生成される。
【０１３５】
更に、移相干渉計を利用して、＜２π／５１２の精度で組み合わせ変調セルの相対位相を判定するために、１組の、すなわち少なくとも３つの位相シフトを導入することも可能である。
【０１３６】
わずかな数の光源しか含まないディスプレイの場合、波長ごと及び光源ごとにスペクトルに関して異なる特性を有する２つのダイオードを使用することが提案される。特性曲線が既知であれば、ダイオードの信号から＜０．１ｎｍの精度で波長を判定できる。この原理は、例えばＣｏｈｅｒｅｎｔ社により提供される波長測定装置ＷａｖｅＭａｔｅ（登録商標）で採用されている。
【０１３７】
キー波長が既知である場合、組み合わせ変調セルで設定される相対位相は、キー波長がドリフトした場合に直接修正可能である。その結果、組み合わせ変調セルで相対位相を設定する場合に＜２π／２５６の残留誤差が残るはずである。
【０１３８】
測定精度を向上し、それにより、波長ドリフトの影響を補償するために、上述のオンライン修正方法は互いに組み合わされてもよい。それとは無関係に、レーザーはΔλ＜０．１ｎｍに安定化されてもよい。
【０１３９】
図８は補償された偏光光束分割器の一実施形態を示す。本実施形態において、図７に示される構成に匹敵する初めの２つの光束分割器Ｖｇ１及びＶｇ２によってＴＭ偏光光は回折されるが、ＴＥ偏光光は回折されない。更に、図６に示される構成に匹敵する他の２つの光束分割器Ｖｇ３及びＶｇ４によってＴＥ偏光光は回折されるが、ＴＭ偏光光は回折されない。ＴＥ偏光光及びＴＭ偏光光に対して実現されなければならない光束のずれは２分の１だけでよいので、個別の光束分割器Ｖｇ１〜Ｖｇ４の間の距離は、図６及び図７に示される実施形態における距離より短くてもよい。
【０１４０】
図８は光の波長のドリフトをいかにして補償できるかを更に示す。Δφｒｅｌ（Δλ）の補償は、この影響が組み合わせ変調セル全体に同等に分布するという事実に基づく。必要とされる遅延層（１つは構造化され、１つは平坦で構造化されない）の厚さはわずか約１．５μｍであるので、４つの平面に配置された体積格子Ｖｇ１、Ｖｇ２、Ｖｇ３及びＶｇ４の厚さを無視できない（それぞれ約１０μｍの厚さ）としても、ＳＬＭと偏光子ＷＧＰとの間の距離はＤＤ＜２ａ（ａ〜５０μｍに適用される）である。ａ＝７０μｍである場合、厚さはＤＤ＜ａとなる。ａ＝２０μｍであれば、ＤＤは３ａ未満であり、小さな変調セルでワイヤグリッド偏光子以外の偏光子を使用することが可能になる。
【０１４１】
図６を参照すると、変調セル２と体積格子Ｖｇ１との間にλ／２板が示される。変調セル１、２に入射する光が１つの予め設定可能な偏光のみ、すなわち直線ＴＥ偏光光のみを有する場合に、λ／２板を設けることが必要になる。その場合、変調セル２を通過する光の偏光はλ／２板により９０°回転されるので、変調セル１を通過する光は変調セル２を通過する光の偏光に対して垂直な偏光を与えられる。変調セル１、２に入射する光が既に垂直偏光を有する場合、変調セル２と体積格子Ｖｇ１との間にλ／２板を設ける必要はない。言い換えれば、変調セル１を通過する光は変調セル２を通過する光とは異なる偏光、例えば垂直偏光を有し、そのため、一方の変調セルを通過する光は体積格子Ｖｇ１により偏向されるが、他方の変調セルを通過する光は体積格子Ｖｇ１により偏向されないということが重要である。以上説明したことは、図７、図８、図１３、図１４及び図１７にも同様に当てはまる。
【０１４２】
幾何学的角度設定は＜０．０５°の精度に適合している必要はない。０．１°の誤差は重大ではない。Ｄ＜ａである場合、０．３°の角度誤差は重大ではない。すなわち、誤差の結果発生する影響を補償するために測定が必要であっても、重大な問題にはならない。これは、Ｄ＜ａである場合に偏向されない光の部分がアポディゼーションフィルタＡＰＦの平面で阻止されるからである。
【０１４３】
しかし、同様の構造の２つの体積格子を備えるサンドイッチ部分を許容することは必要であるかまたは少なくとも推奨される。アポディゼーションフィルタＡＰＦの曲線因子は位相変調ＳＬＭの曲線因子より小さいので、すなわちＦＦＡＰＯ＜ＦＦＳＬＭなので、重ね合わされる波面の横方向のずれは問題にならない。従って、発光領域の寸法は一定であり、該領域は十分に均一に照明され、共通の重ね合わせ部分波面のみを含む。すなわち、５％程度の横方向のずれは問題にならないだろう。言い換えれば、変調素子ＭＥから出射した部分光波の横方向のずれは、フィルタまたはシャッタ、例えば変調素子ＭＥの後段に配置され、規定された透過率特性を有するアポディゼーションフィルタＡＰＦ、または規定されたマスク構造を有する開口マスクなどを利用することによって補償できる。このことは、図５〜図７に示される実施形態にも当てはまる。
【０１４４】
（レンズまたはプリズムを使用する屈折による光束結合）
次に、レンズ及びプリズムの少なくともいずれか、あるいはレンチキュラ及びプリズムアレイの少なくともいずれかの使用に基づく、屈折による光束結合の他の発展性について説明する。
【０１４５】
図１８は、一実施形態を示し、レンチキュラＬ及びプリズムアレイＰを備えた光学系１００の詳細を平面図で示す。レンチキュラＬのレンズ１０２及びプリズムアレイＰのプリズム１０４は、共にＳＬＭ（図１８には図示せず）の２つの画素に割り当てられる。図１８は、互いに割り当てられた２つの画素から入射する光束１０６、１０８、レンチキュラＬのレンズ１０２及びプリズムアレイＰのプリズム１０４を示す。画素ピッチはｐにより示され、レンズ１０２の前段の一方の光束１０６、１０８の直径はａにより示されかつレンチキュラＬとプリズムアレイＰとの距離はｄにより示される。
【０１４６】
レンズ１０２は、各光束１０６、１０８の光を集束しかつ２つの光束１０６、１０８を集束する。距離ｄはレンズ１０２の焦点距離より幾分短いので、集束された光束１１０、１１２はプリズムアレイＰの平面でわずかな距離Ｄだけ互いに離間している。２つの光束１１０、１１２はプリズム１１４の異なる側に入射する。プリズム角度は光束１１４がプリズムの後段で実質的に同一の方向に進むように選択される。図１８は二重発散角度２Θ及び二重ビームウエスト２ｗを示す。
【０１４７】
この構成において、２つの光束１０６、１０８は完全には収束せず、わずかな距離Ｄだけ互いに離間している。しかし、この距離は画素ピッチと等しい元の距離よりはるかに短い。従って、回折次数の縁部に向かう光の光路長ははるかに短くなるので、再現品質は大幅に向上する。
【０１４８】
ここで、レンチキュラＬとプリズムアレイＰとの距離ｄが焦点距離ｆと等しい、すなわちｄ＝ｆと簡単に仮定した数値例を挙げる。更に、光束はガウシアンビームであると仮定する。画素ピッチはｐ＝５０μｍである。光束の距離はｐ＝５０μｍからＤ＝ｐ／１０＝５μｍの最小値にされなければならない。ビームウエストはＤ＝２・ｗとなるように選択される。
【０１４９】
以下に示す関係が適用される。
Θ＊ｗ＝λ／π（ガウシアンビームの光束パラメータ＝ガウシアンビームの発散とビームウエストとの比）
ａ＝２Θ＊ｆ
Ｄ＝２ｗ
【０１５０】
この構成を利用して、光束の距離ｐが５０μｍから５μｍまで減少されると、５００ｎｍの波長に対して焦点距離はｆ＝０．３１ｍｍとなる。従って、レンズピッチが０．１ｍｍであるとき、レンズの半径は約０．１５ｍｍになる。
【０１５１】
レンチキュラＬ及びプリズムアレイＰは、大型の素子として製造し、位置合わせすることができる光学素子である。それらの素子は、２つの光束１０６、１０８の距離を相当に短縮することにより、再現品質を向上するように作用する。
【０１５２】
図１９は、別の実施形態を示しており、２つのプリズムアレイＰ１及びＰ２と、厚さｄを有するスペーサガラス板Ｇとを備えた光学系１００の詳細を平面図で示す。図１９は、互いに割り当てられたＳＬＭ画素（図示せず）から入射する２つの光束１０６、１０８を示し、それらの光束は、構造化遅延板（図示せず）を通過した後に垂直偏光方向を有する。
【０１５３】
第１のプリズムアレイＰ１は等方性材料から製造される。これに対し、第２のプリズムアレイＰ２は複屈折材料から製造される。一方の偏光方向は偏向されることなく正常光束１０８、１１２として透過されるが、垂直の偏光方向は異常光束１０６、１１０として偏向される。これは、Ｏｃｕｉｔｙ社により２Ｄ／３Ｄ切り換え可能ディスプレイに使用されている複屈折レンチキュラに類似している。正常屈折率は周囲を取り囲む材料の屈折率と等しくなるように選択される。これに対し、異常屈折率は異常光束が偏向されるように異なる値に設定される。
【０１５４】
下方の光束１０８は、平坦な界面に入射するので、偏向されることなくプリズムアレイＰ１を通過する。スペーサガラス板Ｇに入射した時点の光束は、図中符号１１２により示される。この光束は、正常光束の偏光方向を有するためプリズムアレイＰ２によっても偏向されない。上方の光束１０６は、異常光束であるので２つのプリズムアレイＰ１及びＰ２により偏向される。このようにして２つの光束１０６、１０８は結合され、重ね合わせ光束１１４の形で光学系から同一の方向に出射される。
【０１５５】
そこで、画素ピッチがｐ＝５０μｍの場合の数値の例を挙げる。ガラス板の厚さはｄ＝５００μｍであると仮定する。この構成において、上方の光束１０６は、各プリズムアレイＰ１においてδ＝５．７°だけ偏向されなければならない。角度が小さい場合、以下の関係が成り立つ。
δ＝（ｎ１／ｎ２−１）＊α
式中、αはプリズム角度、ｎ１及びｎ２はプリズムＰ１の屈折率と周囲を取り囲む材料、すなわちガラスＧの屈折率である。典型的な値はｎ１＝１．６５及びｎ２＝１．５である。すなわち、Δｎ＝０．１５の屈折率差がある。その結果、必要とされるプリズム角度はα＝５７°となる。
【０１５６】
Ｏｃｕｉｔｙ社は、本明細書において説明される用途とは異なる用途に使用するための数インチの大きさの複屈折レンチキュラを既に製造している。従って、光束の結合を実現するために、市販のプリズムアレイ、スペーサガラス板及び複屈折プリズムアレイのサンドイッチ構造を大型に形成することは可能である。
【０１５７】
従って、光波多重化手段はレンズ手段及びプリズム手段を備えてもよい（図１８を参照）。第１の変調セルを通過する光１０６は、光の伝播方向においてレンズ手段の後段に位置する平面の第１の領域においてレンズ手段により集束されてもよい。第２の変調セルを通過する光１０８は、その平面の第２の領域においてレンズ手段により集束されてもよい。プリズム手段はその平面に配置される。プリズム手段は第１の領域の光がプリズム手段により第１の予め設定可能な方向へ偏向され、第２の領域の光は第２の予め設定可能な方向へ偏向されるように構成される。第１の予め設定可能な方向及び第２の予め設定可能な方向は実質的に同一である。第１の領域は第２の領域に対して離間して配置される。レンズ手段はレンチキュラＬを備え、プリズム手段はプリズムアレイＰを備える。
【０１５８】
図１９に示される光波多重化手段は、第１のプリズム手段及び第２のプリズム手段を備える。第１の変調セルを通過した光１０６は、第１のプリズム手段により第１の方向へ偏向されてもよい。第２の変調セルを通過した光１０８は偏向されない。光の伝播方向において第１のプリズム手段の後に、規定された距離ｄだけ離間して第２のプリズム手段が配置される。第２のプリズム手段は、第１のプリズム手段により偏向された光１１０を第２のプリズム手段により予め設定可能な方向へ偏向できるように構成される。偏向されなかった光１１２は第２のプリズム手段により偏向されない。
【０１５９】
第２のプリズム手段は複屈折プリズム素子を有するプリズムアレイＰ２を備える。第１の変調セルを通過する光１０６は、第２のプリズム手段の複屈折プリズム素子により偏向可能であるように偏光される。第２の変調セルを通過する光１０８は、第２のプリズム手段により偏向されないように偏光される。
【０１６０】
第１のプリズム手段はプリズム素子を有するプリズムアレイＰ１を備える。プリズム素子は、第１の変調セルを通過する光１０６のみがプリズム素子に割り当てられ、第２の変調セルを通過する光１０８はプリズム素子に割り当てられないように配列される。
【０１６１】
図２０は本発明の別の実施形態を示す。本実施形態において、光波多重化手段は少なくとも２つの複屈折媒体ＳＶ１、ＳＶ２を備える。１つの複屈折媒体ＳＶ１は光の伝播方向において変調セル１、２の前段に配置され、別の複屈折媒体ＳＶ２は変調セル１、２の後段に配置される。各複屈折媒体ＳＶ１、ＳＶ２は予め設定可能な光学的特性を有する。変調セル１、２の前段に配置された複屈折媒体ＳＶ１の光学的特性は、光の第１の部分が第１の変調セル１に向かって第１の規定角で偏向されるように選択される。図２０の上部において、この部分光の光束直径は破線により示される。その下方に２つの別の光束が示され、すべての光束は素子の全面に沿ってこれと同様であるものと解釈されるべきである。光の別の部分は偏向されない。それらの部分光の光束は実線により示される。変調セル１、２の後段に配置された複屈折媒体ＳＶ２の光学的特性は、光の他方の部分が第２の規定角だけ偏向され、第１の部分は偏向されないように選択される。２つの複屈折媒体ＳＶ１、ＳＶ２の光学的特性は、特にそれぞれの複屈折媒体ＳＶ１、ＳＶ２の光軸または長軸の向きとして理解されるべきである。２つの複屈折媒体ＳＶ１、ＳＶ２の光軸は、両方向矢印により示され、実質的に同一の向きを有する。２つの複屈折媒体ＳＶ１、ＳＶ２の光軸の向きが図２０の図面の平面から外れている他の構成も考えられる。第１の複屈折媒体ＳＶ１に向かって進む光が偏向されないことも一般に可能であるが、第１の複屈折媒体ＳＶ１に入射する光は規定された直線偏光を受けることが好ましい。
【０１６２】
図２０の２つの複屈折媒体ＳＶ１、ＳＶ２だけではなく、図１３、図１４、図１７及び図２１の複屈折媒体ＳＰ、ＳＰ１、ＳＰ２及びＳＰ３も、実質的に共面の界面を有する。
【０１６３】
図２０を参照すると、２つの複屈折媒体ＳＶ１、ＳＶ２の間にλ／２板の形の遅延板が配置される。この遅延板は、変調セル１、２を通過する光の偏光方向を９０°回転させる。
【０１６４】
光の伝播方向において第１の複屈折媒体ＳＶ１の前段に開口マスクＢＡが配置される。この開口マスクは、各変調セル１に向かって伝播すると考えられる光の偏向されなかった部分を遮断するように構成される。言い換えれば、開口マスクＢＡは、変調セル１、２と実質的に同一の横断面面積を有する個別の開口を備える。開口マスクは、１つおきのすべての変調セル、すなわちすべての変調セル１に光を入射させないために、それらの変調セル１を遮蔽するように位置決めされる。これは、偏向されなかった光が変調セル１を通過することを阻止するためである。図をわかりやすくするために、図２０において個々の素子は互いに離間しているように示される。しかし、それらの素子はサンドイッチ構造の形に、すなわち互いに直接接触するように組み合わされてもよい。
【０１６５】
図２０に示される構成において、変調セル１、２と複屈折媒体ＳＶ２の後段に配置された別の光学素子（例えば、偏向プリズムセル構成またはアポディゼーションフィルタ（図２０には図示せず））との間の距離は、例えば図１７に示されるような構成と比較して短縮されることが好ましい。図２０に示される構成は、スペクトルに関して広帯域の光の光束結合に使用されることが特に好ましいが、スペクトルに関して狭帯域の光にも使用可能である。図２０に示される構成は、一方の光路長の偏差、及び重ね合わせ波面、すなわち組み合わされた波面の偏差の少なくともいずれかを最小限に抑える働きをする、対称形の光束分割及び光束結合の実現に有用である。従って、２つの重ね合わされた変調セル１、２が光変調装置の出射点で同一の強度分布及び位相分布（偏光状態の直交性を除く）を示す構成を実現できる。そのような光変調装置がホログラムディスプレイに使用された場合、これは高品質のホログラム再現を実現する主要な特徴である。同様に、構成の２つの隣接する変調セル１、２を通過する光のクロストークを最小限に抑えることは、高品質のホログラム再現を実現するもう１つの重要な特徴である。
【０１６６】
図２２は、図２０に示される実施形態に類似する機能の実現に有用な別の実施形態を示す。図２０に示される実施形態は、屈折素子、すなわち２つの複屈折媒体ＳＶ１及びＳＶ２を使用する。これに対し、図２２に示される実施形態は、回折素子、すなわち図示されるように体積格子の形で実現される偏向層Ｖｇ１、Ｖｇ２、Ｖｇ３及びＶｇ４を使用する。偏向層Ｖｇ１、Ｖｇ２は、光の伝播方向において変調セル１、２の前段に配置される。偏向層Ｖｇ３、Ｖｇ４は、光の伝播方向において変調セル１、２の後段に配置される。第１の偏向層Ｖｇ１に入射する光、すなわち開口Ｂを通された光は偏光されないが、個別の偏光部分の均一な分布を示す。すなわち、規定された偏光状態、例えば直線偏光を有する。
【０１６７】
第１の偏向層Ｖｇ１は光を２つの部分光束に分割するように構成される。一方の部分光束は、その後偏向されずに直線偏光される。すなわち、一方の部分光束は、例えばＴＥ偏光を有し、そのことは図２２において点線により示される。他方の部分光束は規定角だけ偏向されて同様に直線偏光されるが、例えばＴＭ偏光を有する。これは図２２において破線により示される。第２の偏向層Ｖｇ２は、第１の偏向層Ｖｇ１と平行に配置され、偏向されなかった光が偏向されず、規定角だけ偏向された光は別の角度で偏向されるように構成される。それら２つの偏向角度の絶対値は実質的に同一、すなわち６０°である。偏向されなかった光の偏光方向は、λ／２板の形で実現され、第２の偏向層Ｖｇ２の後段に配置された構造化遅延板により９０°回転される。その結果、変調セル１、２を通過する光は実質的に同一の偏光状態を有する。
【０１６８】
変調セル１、２は、それらのセルと相互に作用する光の位相を変更できるように構成される。変調セル１、２と第３の偏向層Ｖｇ３との間に、λ／２板の形の別の構造化遅延板が配置され、その遅延板は変調セル２を通過する光の偏光方向を９０°回転させる。光は第３の偏向層Ｖｇ３に入射する。第３の偏向層Ｖｇ３は、変調セル２を通過する光が実質的に偏向されず、第１の変調セル１を通過する光は規定角だけ偏向されるように構成される。第４の偏向層Ｖｇ４は、第３の偏向層Ｖｇ３と平行に配置され、第３の偏向層Ｖｇ３により偏向されていなかった光が偏向されず、第３の偏向層Ｖｇ３により規定角だけ偏向された光は別の角度で偏向されるように構成される。それら２つの別の偏向角度の絶対値は実質的に同一である。この点に関して、２つの変調セル１、２を通過する光束はこのように結合され、実質的に同一の方向に伝播する。２つの変調セル１、２が実質的に同一の位相値を実現する場合、２つの部分光束の光路長は実質的に同一である。
【０１６９】
規定された入射偏光を必要としない変調セル１、２、すなわちＳＬＭがある。その場合、変調セル平面の前段の構造化遅延板を省略し、変調器平面のすぐ後段に配置される第２の構造化遅延板の代わりに非構造化遅延板、すなわち非構造化２分の１波長板を使用できる。
【０１７０】
ＲＧＢ提示の場合、すなわち、異なる波長の光を使用する場合、各々が別の波長に適応されている３つの異なる体積格子が各偏向層Ｖｇ１〜Ｖｇ４に交互配置されるように露出させられる。図２２に示される構成は、列、線または行列の形で実現されることも当然考えられる。すなわち、図２２に示される素子が、図２０とまったく同様に上下、及び図の平面の外側の少なくともいずれかに続いている場合である。
【０１７１】
光波多重化手段は、通常、図において光の伝播方向において変調アレイの変調セルのすぐ後段に配置される。しかし、図示される光波多重化手段を異なる位置にも配置できる。例えば、変調アレイと光波多重化手段との間に別の光学素子が配置されてもよい。従って、図示され、特許請求の範囲に記載されるような光波多重化手段は、光の伝播方向に見て、その別の光学素子の後段に配置されてもよい。そのような別の光学素子は、例えば独国特許第１０ ２００９ ０２８ ９８４．４号公報または国際公開第２０１０／１４９５８３号に開示されるような照明ユニットであってもよい。該照明ユニットに入射された光は、例えば（変調アレイと平行に配置される）ユニットの面から直角に出射し、反射型変調アレイへ伝播されてもよい。照明ユニットから入射した光は変調アレイの変調セルにより変調され、例えば変調アレイの反射層により反射されると、該変調された光は、実質的に偏向されることなく照明ユニットを通過し、光波多重化手段に入射する。この場合、光波多重化手段は照明ユニットの変調アレイとは反対の側に配置される。変調アレイにより変調されて反射された光が、妨害なく照明ユニットを通過できるようにするために、光が通過するたびに偏光方向を例えば４５°回転させるフィルムが照明ユニットと変調アレイとの間に設けられる。
【０１７２】
最後に、以上説明した実施形態は、特許請求される教示を例示するとだけ理解されるべきであり、特許請求される教示は上述の実施形態に限定されないことを述べておかなければならない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２１】
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【図２２】
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【図４】
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【図５】
2012530951.tif 000027
【図１５】
2012530951.tif 000028
【図１６】
2012530951.tif 000029
【図２０】
2012530951.tif 000030
【国際調査報告】
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2012530951.tif 000032
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