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技術 2次元/3次元ホログラフィ表示システム

出願人 ツーツリーズフォトニクスリミテッド
発明者 クリスマスジャミーソンマシヤノダクソン
出願日 2017年3月2日 (4年8ヶ月経過) 出願番号 2017-039851
公開日 2017年8月17日 (4年2ヶ月経過) 公開番号 2017-142506
状態 特許登録済
技術分野 回折格子、ホログラム光学素子 ホログラフィ その他の光学系・装置、色の干渉・色の制御 電気信号の光信号への変換
主要キーワード 過励振 光学雑音 干渉じま 複合データセット 干渉プロセス 射出波 小型素子 オフノーマル
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年8月17日)のものです。
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図面 (6)

課題

ホログラフィック再構成仮想画像を形成し、空間における仮想画像の適応位置制御を提供するための改善された2次元リアルタイムプロジェクタに関し、再構成空間的フィルタリングを可能にする。

解決手段

空間光変調器(380)と、光源と、フーリエ変換レンズと、目視ステム(320、330)と、処理システムとを備える表示システム(300)光学系。空間光変調器は、光源によって照明されるフーリエ領域においてホログラフィックデータを表示、フーリエ変換レンズは、ホログラフィックデータに対応する空間領域(310)における2次元ホログラフィック再構成を生成、目視システムは、2次元ホログラフィック再構成の仮想画像(350)を生成するように配置され、処理システムは、2次元画像を表すフーリエ領域データを、位相のみのレンズを表すフーリエ領域データと組み合わせて光学系へ提供するように配置される。

概要

背景

物体から散乱する光は、振幅位相両方の情報を含む。この振幅および位相の情報は、例えば、干渉じまを含むホログラムを形成する周知の干渉法によって感光板上に取り込むことができる。ホログラムは、ホログラムを適切な光で照明することにより、元の物体を表す画像、すなわちホログラフィック再構成を形成するように再構成され得る。

コンピュータ生成ホログラフィは、フーリエ法を使用して干渉プロセス数値的にシミュレートし得る。

ホログラフィ法を2次元画像プロジェクタにおいて使用することが提案されている。

図1を参照すると、フーリエレンズ(120)を介して、この場合はおおむね平面状の波面としての空間光変調器(140)上へ光を当てる光源100が示されている。空間光変調器は、反射し、多数の位相変調素子アレイからなるものである。光は空間光変調器によって反射され、2つの部分、すなわち、(ゼロ次と呼ばれる)第1の鏡面反射される部分と、位相変調素子によって空間的に変化する位相の波面を形成するように変調されている第2の部分とからなる。空間光変調器による反射のために、すべての光はおおむね光源(100)の方へ反射され、そこで光は、系の軸に対して45°に配置された開口(160)を有する反射鏡に当たる。光の画像部分のすべてが反射鏡により、系の軸に対しておおむね平行な画面(180)へ向けて反射される。フーリエレンズ(120)の作用のために、画面(180)に当たる光は、位相変調素子へ適用された情報が由来する画像の再構成である実像を形成する。

概要

ホログラフィック再構成の仮想画像を形成し、空間における仮想画像の適応位置制御を提供するための改善された2次元リアルタイムプロジェクタに関し、再構成の空間的フィルタリングを可能にする。空間光変調器(380)と、光源と、フーリエ変換レンズと、目視ステム(320、330)と、処理システムとを備える表示システム(300)光学系。空間光変調器は、光源によって照明されるフーリエ領域においてホログラフィックデータを表示、フーリエ変換レンズは、ホログラフィックデータに対応する空間領域(310)における2次元ホログラフィック再構成を生成、目視システムは、2次元ホログラフィック再構成の仮想画像(350)を生成するように配置され、処理システムは、2次元画像を表すフーリエ領域データを、位相のみのレンズを表すフーリエ領域データと組み合わせて光学系へ提供するように配置される。

目的

実施形態は、ホログラフィック再構成の仮想画像を形成し、空間における仮想画像の適応位置制御を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

光学系と処理システムとを備える表示システムであって、前記光学系が、フーリエ領域におけるホログラフィックデータを表示するように配置された空間光変調器と、前記空間光変調器を照明するように配置された光源と、前記空間光変調器によって目視者から空間的に離れた空間領域における再生場に表示され前記ホログラフィックデータに対応する2次元ホログラフィック再構成画像を生成するように配置されたフーリエ変換レンズと、前記現実の2次元ホログラフィック再構成画像の仮想画像を形成するように構成された目視システムとを備え、前記処理システムが、第1のホログラフィックデータを生成するために、第1の2次元画像の第1のフーリエ変換データを、第1のフーリエ変換データと組み合わされたときに第1の現実の2次元ホログラフィック再構成画像を第1の再生場に形成させるレンズの代わりとなる第1のデータと組み合わせ、前記第1のホログラフィックデータを前記空間光変調器へ提供して、前記空間光変調器に前記第1のホログラフィックデータを表示させるように構成されている、表示システム。

請求項2

前記目視システムは、光コンバイナを含む、請求項1に記載の表示システム。

請求項3

前記目視システムは、前記再生場と前記光コンバイナの間に配置されたレンズをさらに含む、請求項2に記載の表示システム。

請求項4

前記処理システムが、さらに、第2のホログラフィックデータを生成するために、第2の2次元画像の第2のフーリエ変換データを、第2のフーリエ変換データと組み合わされたときに第2の現実の2次元ホログラフィック再構成画像を第2の再生場に形成させるレンズの代わりとなる第2のデータと組み合わせ、前記第2のホログラフィックデータを前記空間光変調器へ提供して、前記空間光変調器に前記第2のホログラフィックデータを表示させるように構成されており、前記第1の再生場と前記第2の再生場が相互に対して空間的に変位されている、請求項1から請求項3のいずれかに記載の表示システム。

請求項5

前記空間光変調器が画素化された回折素子アレイを備える、請求項1から請求項4のいずれかに記載の表示システム。

請求項6

前記表示システムは、前記第1の現実の2次元ホログラフィック再構成画像の第1の仮想画像と前記第2の現実の2次元ホログラフィック再構成画像の第2の仮想画像を、目視者にとって同時に存在する疑似3次元画像に見えるように表示する、請求項4に記載の表示システム。

請求項7

前記空間光変調器が反射型液晶素子(LCOS)空間光変調器である、請求項1から請求項6のいずれかに記載の表示システム。

請求項8

前記再生場の深さが、ユーザによって制御される、請求項1から請求項7のいずれかに記載の表示システム。

請求項9

HUDを構成する、請求項1から請求項8のいずれかに記載の表示システム。

請求項10

前記現実の2次元ホログラフィック再構成画像は、2次元画像のホログラフィック再構成である請求項1から請求項9のいずれかに記載の表示システム。

請求項11

前記2次元ホログラフィック再構成の少なくとも1つの回折次数任意選択ゼロ次を選択的に遮断するように構成された空間フィルタをさらに備える、請求項1から請求項10のいずれかに記載の表示システム。

請求項12

前記仮想画像が2次元ビデオ連続フレームである、請求項1から請求項11のいずれかに記載の表示システム。

請求項13

前記画素化アレイが直径15μm未満の画素からなる、請求項1から請求項12のいずれかに記載の表示システム。

請求項14

前記空間光変調器は、位相のみの空間光変調器である、請求項1から請求項13のいずれかに記載の表示システム。

請求項15

前記ホログラフィックデータは、位相のみのホログラフィックデータである、請求項1から請求項14のいずれかに記載の表示システム。

請求項16

前記第1の現実の2次元ホログラフィック再構成画像は、フーリエホログラフィを使用して形成される、請求項1から請求項15のいずれかに記載の表示システム。

請求項17

レンズの代わりとなる前記第1のデータは、負のレンズ効果を持つ、請求項1から請求項16のいずれかに記載の表示システム。

請求項18

画像を表示する方法であって、ホログラフィックデータを生成するために、2次元画像を表すフーリエ変換データを、前記フーリエ変換データと組み合わされたときに現実の2次元ホログラフィック再構成画像を目視者から離れた空間領域における再生場に形成させるレンズの代わりとなるデータと組み合わせるステップと、前記ホログラフィックデータを空間光変調器へ提供するステップと、前記空間光変調器を照明するステップと、フーリエ変換により、前記現実の2次元ホログラフィック再構成画像を再構成するステップと、結果として得られる光を、前記現実の2次元ホログラフィック再構成画像の仮想画像を形成するための光学系に当てるステップと、を含む方法。

請求項19

前記現実の2次元ホログラフィック再構成画像の少なくとも1つの回折次数を選択的に遮断するために、前記SLMから結果として得られる光を空間的にフィルタリングするステップをさらに含む、請求項18に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、表示システムおよび画像を表示する方法に関する。実施形態は、仮想画像表示のシステムおよび方法に関し、いくつかの実施形態は、ヘッドアップディスプレイ・システムに関する。

背景技術

0002

物体から散乱する光は、振幅位相両方の情報を含む。この振幅および位相の情報は、例えば、干渉じまを含むホログラムを形成する周知の干渉法によって感光板上に取り込むことができる。ホログラムは、ホログラムを適切な光で照明することにより、元の物体を表す画像、すなわちホログラフィック再構成を形成するように再構成され得る。

0004

ホログラフィ法を2次元画像プロジェクタにおいて使用することが提案されている。

0005

図1を参照すると、フーリエレンズ(120)を介して、この場合はおおむね平面状の波面としての空間光変調器(140)上へ光を当てる光源100が示されている。空間光変調器は、反射し、多数の位相変調素子アレイからなるものである。光は空間光変調器によって反射され、2つの部分、すなわち、(ゼロ次と呼ばれる)第1の鏡面反射される部分と、位相変調素子によって空間的に変化する位相の波面を形成するように変調されている第2の部分とからなる。空間光変調器による反射のために、すべての光はおおむね光源(100)の方へ反射され、そこで光は、系の軸に対して45°に配置された開口(160)を有する反射鏡に当たる。光の画像部分のすべてが反射鏡により、系の軸に対しておおむね平行な画面(180)へ向けて反射される。フーリエレンズ(120)の作用のために、画面(180)に当たる光は、位相変調素子へ適用された情報が由来する画像の再構成である実像を形成する。

発明が解決しようとする課題

0006

実施形態は、ホログラフィック再構成の仮想画像を形成し、空間における仮想画像の適応位置制御を提供するための改善された2次元リアルタイムプロジェクタに関し、再構成の空間的フィルタリングを可能にする。

課題を解決するための手段

0007

本発明の態様は添付の独立請求項に定義されている。

0008

要約すると、空間光変調器(SLM)が、プロジェクタを形成するために、SLMを正しく照明することによって再構成することができる所望の画像の位相のみのフーリエ変換集合的に表す位相変調素子のアレイを形成する。位相のみの分布はホログラムと呼ばれ得る。画像は、ホログラフィック再構成として説明され得る。SLMの素子画素と呼んでもよい。

0009

ホログラフィック再構成は、仮想画像を形成するための光学目視システムによって画像化される。発明者は、ホログラムに可変レンズ法(variable lensing)データを提供することにより、目視者に対する仮想画像の位置を変更することができることを認めている。これにより、表示システムに「深さ」が提供され、仮想画像を目視者から異なる距離において提示させて、擬似3次元システムをリアルタイムで提供することができる。特に、発明者は、中間再構成を形成することにより、空間的フィルタリングが、ホログラムによって生成されるより高い回折次数を除去するように行われ得ることを認めている。これにより、特に、ヘッドアップディスプレイといったリアルタイム用途のための改善された目視システムが生じる。

0010

次に、本発明の実施形態を、添付の図面に合わせて説明する。

図面の簡単な説明

0011

従来のホログラフィック画像ディスプレイの基本原理を示す図である。
反射SLMの一例を示す概略図である。
ディスプレイを示す概略図である。
仮想画像の位置においてレンズ法情報を変化させることの影響を示す図である。
LCOSSLMデバイスを示す概略図である。 各図において、類似の参照番号は類似の部分を指す。

実施例

0012

許容できる品質のホログラフィック再構成を生じさせることができるホログラムを生成するには位相情報だけで十分であることがわかっている。すなわち、ホログラム中の振幅情報廃棄することができる。これにより必要なレーザ光源の出力を低減することができるが、これには他の利点もある。したがって、フーリエベースのコンピュータ生成ホログラフィ法は、位相情報だけを使用して策定されている。

0013

ホログラムによって再構成される画像は、ホログラムのフーリエ変換によって与えられる。したがって、ホログラムは物体のフーリエ変換を表す位相のみのパターンであるのに対して、再構成される画像(またはホログラフィック再構成)は、振幅と位相両方の情報を含み得る。

0014

Gerchberg−Saxton(ジャーチバーグ・ザクストン)法は、振幅情報だけを含む入力画像データから位相のみのホログラムを計算するための反復アルゴリズムの一例である。このアルゴリズムは、ランダム位相パターンから開始し、これを振幅データと結合して複合データを形成する。複合データに対して離散フーリエ変換が行われ、結果として得られるデータセットは、振幅と位相からなるフーリエ成分である。振幅情報は均一な値に設定され、位相は、利用可能な位相値マッチするように量子化される。次いで逆離散フーリエ変換が行われる。その結果は別の複合データセットであり、その場合、振幅情報がターゲット画像上書きされ、プロセスが繰り返される。したがって、Gerchberg−Saxtonアルゴリズムは、空間領域とフーリエ(スペクトル)領域との間でデータセット(振幅および位相)を繰り返し変換する間に、空間制約条件およびスペクトル制約条件を反復して適用する。

0015

Gerchberg−Saxtonアルゴリズムおよびその派生アルゴリズムは、多くの場合、直接バイナリサーチ・アルゴリズムといった「非フーリエ変換」アルゴリズムよりずっと高速である。Gerchberg−Saxtonに基づく修正アルゴリズムが策定されている。例えば、参照により本明細書に組み込まれる同時係属公開PCT出願WO2007/131650を参照されたい。

0016

これらの改良型技法は、2次元ビデオ投影が実現されるのに十分な速度でホログラムを計算することができる。本明細書で説明する実施形態は、そのような修正Gerchberg−Saxtonアルゴリズムを使用して計算されるコンピュータ生成ホログラムを使用した2次元ビデオ投影に関するものである。

0017

ホログラフィを用いて生成される2次元ビデオ画像は、特に、鮮明度および効率の点で、従来の投影2次元画像に優る著しい利点を有することが知られている。しかし、現在のホログラム生成アルゴリズムの計算およびハードウェアが複雑であるため、そのリアルタイム用途での使用が妨げられている。最近、これらの問題が解決された。例えば、参照により本明細書に組み込まれる公開PCT出願WO2005/059881を参照されたい。

0018

位相のみのホログラフィックデータを表示するには、位相変調デバイスが必要である。これらのデバイスは、振幅を変調しないため、一般に光透過性である。したがって、例えば光が吸収により失われることがない。これには、すべての再構成光がホログラフィック再構成の作成に使用されるという大きな利点がある。これは言い換えると、よりエネルギー効率のよい表示システムということになる。

0019

位相変調デバイスは画素化されてもよく、各画素は回折素子として働くことになる。各画素からの回折パターンは、再生場(replay field)と呼ばれる画面における複雑な干渉パターンを生じさせる。この複雑な関係のために、ホログラム上の各画素は、再構成される画像の複数の部分に寄与する。

0020

位相変調デバイスの一例が空間光変調器(SLM)である。典型的には、SLMは、アドレス指定可能な位相変調素子のフィールドを有する。あるSLMでは位相変調素子は素子の線形または1次元アレイであり、別のSLMでは2次元アレイが設けられる。簡潔にするために、多くのSLMは、全体として四角い位相変調素子の規則的な2次元アレイを有する。しかし、位相変調素子が同様のサイズおよび形状を有する必要はない。

0021

図2に、本開示による、LCOSといった反射SLMを使用した再生場位置におけるホログラフィック再構成の生成の一例を示す。

0022

光源(210)、例えばレーザレーザダイオードなどが、コリメーティングレンズ(211)を介してSLM(240)を照明するように配置されている。コリメーティングレンズは、光のおおむね平面状の波面をSLMに入射させる。波面の方向はわずかにオフノーマルである(すなわち、透明層の面に対して直角から2、3度ずれている)。この配置は、光源からの光がSLMの鏡面反射する背面から反射され、位相変調層相互作用して射出波面(exiting wavefront)(212)を形成するというものである。射出波面(212)は、その焦点が画面(225)のところにあるフーリエ変換レンズ(220)を含む光学系へ当てられる。

0023

フーリエ変換レンズは、SLMから光を受け、周波数空間変換を行って、空間領域で画面(225)においてホログラフィック再構成を生成する。

0024

このプロセスで、光源からの光は、SLM(240)全体に、また位相変調層全体におおむね均一に配光される。位相変調層を出る光は、画面全体に配向され得る。画面の特定の画像領域とどの1つの位相変調素子との間にも対応関係はない。

0025

図3を参照すると、前述のSLMベースのシステムを使用した本開示による実施形態が示されている。図3には、ホログラフィック再構成(310)の実像を提供するためのSLMベースのシステム(305)を有するヘッドアップディスプレイ(300)が示されている。ホログラフィック再構成は、いわゆる再生場のところに形成される。再生場の空間位置は、本明細書で説明する実施形態に従って変更され得る。

0026

ディスプレイは、光コンバイナ(320)と、ホログラフィック再構成(310)とコンバイナ(320)との間に配置されたレンズ(330)とからなる。この配置は、コンバイナ(320)の方を見ている目視者(340)に、コンバイナ(320)の背後の、目視者から距離dのところにあるホログラフィック再構成(310)の仮想画像(350)が見えるというものである。そのようなシステムは、例えば、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイにおいて使用することができる。

0027

光学系(335)は、焦点距離fを有し、目視者から距離edのところに位置するレンズからなっていてよい。ホログラフィック再構成(310)は、レンズの背後の実距離odのところにある。ホログラフィック再構成(310)がレンズ(330)の焦点面に配置される場合には、目視者(340)は画像(350)が無限遠にあると感じる。

0028

しかし、ホログラフィック再構成(310)がレンズ(330)の焦点距離よりもレンズ(330)に近い場合には、画像(350)はもはや無限遠ではなくなる。

0029

ホログラフィック再構成がレンズの焦点距離よりもレンズ(330)に近いとすれば、画像(350)を、無限遠より近くに見え、仮想距離vdのところに見えるように構成することができる。その計算は以下の通りである。

0030

0031

前述の再生場の位置は、空間光変調器(380)に当てられる位相のみのレンズ法データのレンズ法特性を変更することによって変更されてもよい。よって、第1のレンズ法特性については、実像(310)の位置を相対的にレンズ(330)に近いものとすることができ、レンズ法データの第2の値については、実像310はレンズ(330)から相対的により遠い。これは、仮想画像ディスプレイによって作成される画像(350)の見かけ上の深さが変更され得ることを意味する。

0032

要約すると、SLM(380)の位相変調素子に適用される情報は2つの部分、すなわち、最終画像を表す情報を含む第1の部分と、負のレンズ法および調整特性を提供する効果を有する第2の部分とからなる。この第2の部分を変更することにより、ホログラフィック再構成の、したがって仮想画像(350)の位置を変更させることが可能である。

0033

十分に速い空間光変調器、適切なコンピュータアルゴリズムを使用し、データを空間光変調器へ適切に書き込むことにより、データの異なるサブフレームを異なる見かけ上の深さのところに画像化することが可能である。SLMは、情報が、標準ビデオフレームにおいて複数回電気的に書き込まれ、光学的に読み出されるのに十分な速さでなければならない。サブフレームが十分迅速に表示される場合、サブフレームは人間の目視者には同時に存在するように見えるはずである。

0034

例えば、全体画像が目視者(340)から2.5メートルのところにあるように見えるが、画像の一部、例えば、目視者にとって特に重要な画像を、その画像化データを別のサブフレームとして提供し、当該サブフレームについてのレンズ法データを変更することにより、当該画像を全体画像面の前にあるように見せることができる。これは、501、502、503、および504で表す4つの異なるサブフレーム画像位置が示される図4に概略的に示されている。

0035

図3の配置は、目視者が実像(310)のところに位置する構成とは区別すべきである。そのような構成は、「直視(direct view)」と呼んでもよい。そのような場合、目視者の目はフーリエレンズとなる。

0036

要約すると、本開示は、ホログラフィック再構成(310)がまず空間における実像として形成される仮想画像ディスプレイに関するものである。実像(310)は、実像(310)の仮想画像(350)を生成するレンズ(330)にとっての「物体」を形成する。仮想画像(350)は、目視者により、図3に示すような光コンバイナ(320)を介して見られ得る。

0037

空間光変調器(380)に適用されるレンズ法データを変更することにより、実像(310)の位置を変更することができる。したがって、仮想画像(350)の位置も変更することができる。

0038

これに対して、目視者が実像(310)のところに位置するときには、目視者は、フーリエレンズとして機能し、そのため、再構成場のすべての回折次数が見える。すなわち、目視者は、1次再構成の複数のレプリカ、言い換えると複数の再構成を見るはずである。複数の次数の存在は、例えば、特にヘッドアップディスプレイなどにおける混乱つながり得る。

0039

加えて、再構成されるホログラムの品質も、再構成の回折性の結果であるいわゆるゼロ次問題の影響を受ける。

0040

そのようなゼロ次光は、「雑音」とみなすことができ、例えば、鏡面反射光や、空間光変調器上のパターンによって屈折されない他の光を含む。

0041

この「雑音」は、おおむね、フーリエレンズの焦点に合わせられ、再構成されるホログラムの中心の明るい点が生じることになる。直視の適用例では、ゼロ次は、仮想画像を見るときにかなり注意そらすものになるはずである。

0042

有利には、中間再構成を画像化することにより、中間再構成におけるゼロ次および高次の回折次数を除外することが可能である。これは、例えば、実像(310)のところに空間フィルタ位置決めして、1次といった好ましい次数だけを通すための物理開口を設けることなどによって達成されてもよい。

0043

従来、ゼロ次光は単純に締め出されるが、これは明らかに、明るい点を暗い点で置き換えることを意味するはずである。

0044

しかし、ホログラムは3次元情報を含むため、再構成を異なる面へ変位させることが可能である。例えば、参照により本明細書に組み込まれる公開PCT出願WO2007/131649などを参照されたい。

0045

本発明の適用例は、特に、ヘッドアップディスプレイおよびヘッドマウントディスプレイを含む。本発明は、目視者から異なる距離または深さのところに異なる情報を有し、複数のサブフレームを積み重ねることにより非常に限られた体積でフル3次元を有し、多数の異なる画像が異なる距離のところにあり、物体の遠近法的追跡を伴い、現実性が高められた、例えば、異なる深さのところで異なる情報を重ね合わせることができるニアアイ(near−eye)型拡張現実システムなどを備えるフル・カラー・ホログラムを可能にする。

0046

実施形態において、空間光変調器は、LCOS(Liquid Crystal over silicon:シリコン上の液晶)デバイスである。画像品質は、当然ながら、画素数および1画素当たりの可能な位相レベルの数の影響を受ける。

0047

LCOSデバイスは、従来の透過型液晶表示装置ハイブリッドであり、共通の電気導体として働くように前面基板酸化インジウムスズ(Indium Tin Oxide)で被覆されたガラスである。下部基板は、シリコン半導体プロセスを使用して作成され、さらに最終的にアルミニウム蒸発プロセスを使用して鏡面反射面が作成され、その場合これらの反射鏡は画素対電極として働く。

0048

従来のガラス基板と比べて、これらの装置には、信号線ゲート線およびトランジスタが鏡面反射面の下にあり、その結果、ずっと高い充填率(fill factor)(典型的には90%超)および高い解像度がもたされるという利点がある。

0049

LCOSデバイスは現在、4.5μmから12μmの間の画素のものが利用可能であり、このサイズは、動作モード、したがって、各画素において必要とされる回路の量によって決定される。

0050

LCOSデバイスの構造が図5に示されている。

0051

LCOSデバイスは、単結晶シリコン基板(402)を使用して形成される。LCOSデバイスは、あるギャップ(401a)だけ間隔をおいて、基板の上面に配置された四角い平面状のアルミニウム電極(401)の2次元アレイを有する。各電極(401)は、基板(402)に埋め込まれた回路(402a)によってアドレス指定することができる。各電極は、個々の平面状の反射鏡を形成している。電極のアレイ上に配向膜(403)が配置され、配向膜(403)上に液晶層(404)が配置される。第2の配向膜(405)が液晶層(404)上に配置され、第2の配向膜(405)上にガラスなどの平面状の透明層(406)が配置される。透明層(406)と第2の配向膜(405)との間には、ITOなどの単一の透明電極(407)が配置される。

0052

四角い電極(401)はそれぞれ、透明電極(407)および介在する液晶材料の重なり合う領域と相まって、画素と呼ばれることの多い制御可能な位相変調素子(408)を定義する。実効画素面積、すなわち充填率は、画素間の空間(401a)を考慮に入れた、光学活性を有する総画素のパーセンテージである。透明電極(407)に対して各電極(401)に印加される電圧を制御することにより、個々の位相変調素子の液晶材料の特性を変化させ、それによって、素子に入射する光に可変遅延が与えられ得る。その効果は、波面に位相のみの変調が提供されるものであり、すなわち、振幅の影響は生じない。

0053

反射LCOS空間光変調器を使用することの主な利点は、液晶層が、それが透過型デバイスであった場合になるはずの半分の厚さになることである。これは液晶のスイッチング速度を大幅に改善する(動くビデオ画像の投影のためのキーポイント)。またLCOSデバイスは、独自に、位相のみの素子の大きなアレイを小さい開口において表示することができる。小型素子(典型的にはおおよそ10ミクロン(ミリメートル))は、結果として、光学系があまり長い光路を必要としないような実用的な回折角数度)をもたらす。

0054

LCOSSLMの小さい開口(数平方センチメートル)を照明する方が、より大きい液晶デバイスの開口を照明する場合よりも容易である。またLCOS SLMは大きな口径比を有し、画素間にほとんどデッドスペースが生じない(LCOS SLMを駆動するための回路が反射鏡の下に埋め込まれているため)。これは、再生場における光学雑音を低減する際に重要な問題である。

0055

上記デバイスは、典型的には、10℃から約50℃までの温度範囲内で動作し、最適なデバイス動作温度は約40℃から50℃までである。

0056

LCOSデバイスは、その制御電子回路がシリコンバックプレインに埋め込まれているため、画素の充填率がより高く、デバイスを離れる非分散光(unscattered light)がより少なくなる。

0057

シリコンバックプレインの使用には、画素が光学的に平坦であるという利点があり、これは位相変調デバイスにとって重要である。

0058

カラー2次元ホログラフィック再構成を生成することができ、これを成し遂げる方法は主に2つである。これらの方法の1つは、「FSC(frame−sequential colour:フレーム・シーケンス・カラー)」と呼ばれる。FSCシステムでは、3つのレーザ(赤、緑および青)が使用され、各レーザは、ビデオの各フレームを生成するためにSLMにおいて連続して発射される。各色は、人間の目視者に3つのレーザの組み合わせからの多色画像が見えるように十分に速いレートで繰り返される(赤、緑、青、赤、緑、青など)。したがって各ホログラムは色別のものである。例えば、1秒当たり25フレームのビデオでは、第1のフレームが赤色レーザを1/75秒にわたって発射することによって生成され、次いで、緑色レーザが1/75秒にわたって発射され、最後に青色レーザが1/75秒にわたって発射されるはずである。次いで、次のフレームが赤色レーザから以下同様に生成されるはずである。

0059

別の方法は、「SSC(spatially separated colours:空間的に分離された色)」と呼ばれ、3つのレーザすべてが同時に発射されるが異なる光路を辿り、例えば、それぞれが異なるSLMを使用し、次いでカラー画像を形成するように組み合わされることを伴う。

0060

FSC(frame−sequential colour)法の利点は、全SLMが色ごとに使用されることである。これは、SLM上のすべての画素がカラー画像のそれぞれに使用されるために、生成される三色画像の品質が損なわれないことを意味する。しかし、FSC法の不都合点は、各レーザが3分の1の時間にわたってしか使用されないために、生成される全体画像が、SSC法によって生成される対応する画像の約3分の1の明るさになることである。この欠点には、おそらくは、レーザを過励振することにより、またはより強力なレーザを使用することにより対処できるはずであるが、これにはより多くの電力の使用が必要とされ、より高いコストを伴い、システムのコンパクト性を低下させることになるはずである。

0061

SSC(spatially separated colours)法の利点は、3つすべてのレーザが同時に発射されるために画像がより明るいことである。しかし、スペース限界のためにただ1つのSLMだけを使用する必要がある場合には、SLMの表面積を3つの等しい部分に分け、事実上3つの別々のSLMとして働かせることができる。この方法の欠点は、各単色画像に使用できるSLM表面積が低減されるために、各単色画像の品質が低下することである。したがって、多色画像の品質もそれに対応して低下する。使用できるSLM表面積の低減は、SLM上のより少数の画素が使用され、よって、画像の品質が低下し得ることを意味する。画素の品質は、その解像度が低減されるために低下する。

0062

各実施形態は「タイリング」の技法を実施し、タイリングではSLMの表面積がいくつかのタイルへさらに分割され、各タイルは、元のタイルと同様の、または同一の位相分布において設定される。したがって各タイルは、SLMの全割振り面積が1つの大きな位相パターンとして使用された場合よりも小さい表面積のものである。タイル内の周波数成分の数が小さいほど、再構成される画素は、画像が生成されるときにより遠くに分離される。画像はゼロ次の回折次数内で作成され、1次および後続の次数は、画像と重なり合わないように十分遠くに変位され、空間フィルタによって遮断され得ることが好ましい。

0063

前述のように、(タイリングありであれなしであれ)この方法によって生成される画像は、画像画素を形成する点を含む。使用されるタイルの数が大きいほど、これらの点は小さくなる。無限正弦波のフーリエ変換を例に取ると、単一周波数が生成される。これは最適な出力である。実際には、ただ1つのタイルが使用される場合、これは正弦波の単一位相の入力に対応し、正弦波の終端ノード(end node)から正と負の方向に無限遠まで延在するゼロ値を有する。単一周波数がそのフーリエ変換から生成されるのではなく、基本周波数成分(principle frequency component)は、そのどちらの側にも一連の隣接する周波数成分を伴って生成される。タイリングの使用は、これらの隣接する周波数成分の振幅を低減し、その直接の結果として、隣接する画像画素間で生じる干渉が(強め合う干渉であれ、弱め合う干渉であれ)より少なくなり、それによって画像品質が改善される。

0064

好ましくは、各タイルは完全なタイルであるが、タイルの部分を使用することも可能である。

0065

物体の画像が画像面に対して異なる深さのところに形成され得るように、空間光変調器に適用される画像化データを変更するのと同時に空間光変調器上のレンズ法データを変更するステップを含む、画像を表示する方法が提供される。

0066

この画像面は、仮想画像化システムにおいて使用され得る。

0067

データを変更するステップは、異なる深さのところに形成される複数の画像が人間の目に同時に存在するように見えるように実行され得る。

0068

SLMに画像を形成するためのデータを適用するステップと、SLMを照明するステップと、結果として得られる光を、仮想画像を形成するための光学系に当てるステップとを含む、表示する方法が提供され、SLMに適用されるデータは第1のデータと第2のデータとを含み、第1のデータは画像のコンテンツに関連し、第2のデータは、SLMによって少なくとも1つのレンズ法機能を提供するように決定され、この方法は、第2のデータを、異なる深さのところに形成される複数の画像が人間の目に同時に存在するように見えるように変更するステップをさらに含む。

0069

この方法は、複数の画像が相互に異なるように第1のデータを変更するステップを含んでいてもよい。

0070

SLMと、SLMを操作するための回路と、SLMを照明するための照明装置と、SLM上のデータから再構成される仮想画像を形成するように適合された光学系とを備えるディスプレイが提供され、回路は、SLMに画像を形成するためのデータを適用するように適合されており、適用されるデータは第1のデータと第2のデータとを含み、第1のデータは画像のコンテンツに関連し、第2のデータはSLMによって少なくとも1つのレンズ法機能を提供するように決定され、回路は、第2のデータを、異なる深さのところに形成される複数の画像が人間の目に同時に存在するように見えるように変更するように適合されている。

0071

光学系はフーリエレンズを備えていてもよい。

0072

ディスプレイは、ヘッドアップディスプレイを形成していてもよい。

0073

本発明は、前述の実施形態だけに限定されず、添付の特許請求の範囲の全範囲に及ぶものである。

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