JP2009301024A - 位相変調を行う制御可能装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶分子を備えた変調セルを用いてコヒーレント光を位相変調し、変調セル毎に切り替え遅延が１ｍｓよりも小さい多数の位相ステップを実現する装置を提供する。
【解決手段】位相変調をする装置は、規則的に配置された制御可能なＬＣ変調セルから構成された変調マトリクスを有する空間光変調器と、変調マトリクスを照明する光源手段と、ＬＣ変調セル内の位相変調を制御する制御手段とを備え、変調マトリクスが、２つの制御可能でないλ/４プレートの間に設けられた制御可能なλ/２プレートを備え、ＬＣ変調セルがＰＳＳ液晶型であり、各ＬＣ変調セルは、書き込む実際の位相値により正または負の電圧を用いてローカルに制御可能で、制御手段は、１フレームおきに書き込む位相値についてグローバルに一定の位相オフセットを生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間光変調器を用いるコヒーレント光位相変調装置に関し、この空間光変調器は、変調マトリクスを備え、規則的に配置された制御可能なＬＣ変調セルと、変調マトリクスを照明する少なくとも１つの光源と、ＬＣ変調セルにおける位相変調を制御する制御ユニットとを有する。この装置をディスプレイ装置として使用した場合、この装置を用いて画像の３次元表示を実現することが可能になる。

本発明のアプリケーション分野には、ＬＣ装置の変調エレメント内で一般に個数が５０を超える数から数百の間で変動する位相ステップにおいて、光の位相を制御するために用いられる液晶（ＬＣ）装置を、コヒーレント光を変調するために備えた、コヒーレント光学アプリケーションが含まれる。ＬＣ装置は、３次元表示、好適にはホログラフィ画像表示に用いることが可能である。

コヒーレント光学アプリケーションの分野においては、切り替え遅延が１ｍｓ未満の範囲に収まるように、空間光変調器（ＳＬＭ）を非常に高速に切り替えることが要求されるが、これは好適には位相変調空間光変調器として用いることが可能である。液晶（ＬＣ）変調器（ＬＣ ＳＬＭ）はこのために用いることができ、これは、他の種類の変調器に対して、従来の製造技術を用いて安価に製造可能であるという利点を有している。

ＬＣ ＳＬＭ内のＬＣ分子の切り替え遅延は、他の要因との間で、ＬＣの種類（ネマチック、スメクティック、…）と、ＬＣ ＳＬＭの変調マトリクスの変調セル内のＬＣ分子の配置とに依存する。

非特許文献１には、偏向シールド・スメクティック液晶型空間光変調器（ＰＳＳ ＬＣ ＳＬＭ）を振幅変調光変調器として用いる発想が開示されている。この種の変調器のために、切り替え遅延が５００μｓ未満であることが記載されている。一般に、電場が適用された場合、押しつぶされた円錐の外形に沿って、ＬＣ分子の長軸が移動することが記載されている。この押しつぶしによって、円錐の底面は、円形から細い楕円形となるように変形する。この例では、楕円の主軸はスクリーン・プレーン内に存在し、ＬＣ分子は主にスクリーン・プレーン内を移動する。

特許文献１も、振幅変調光変調器として、ＰＳＳ ＬＣＤを使用する設計について説明している。

さらに、ネマティックＬＣを有するＳＬＭを制御するために、電圧の符号を１フレームおきに変化させることがことが知られており、これは「フレーム反転」と呼ばれる。これは、ＤＣ場が適用された場合に代わりに発生しうる、望ましくない化学的作用の発生と、画像のスティッキング（焼き付き）との両方を防ぐために行われる。フレーム反転は、一実施形態において、第１のフレームでは、変調マトリクスの全ての変調セルが正電圧で制御され、第２のフレームでは、変調マトリクスの全ての変調セルが負電圧で制御されるように実現される。

あるいは、電圧の符号はフリッカ（ちらつき）を防ぐために、ドット・ワイズ（「ドット反転」）、又は、ライン・ワイズ（「ライン反転」）で変形することが可能である。ライン反転を用いて、第１のフレームでは、例えば、変調マトリクスの偶数番目の列は正電圧で制御され、奇数番目の列は負電圧で制御される。第２のフレームでは、列は逆に制御される。ドット反転の場合、変調マトリクスは、チェス盤状の正負の制御電圧のパターンを示す。

従来のネマチックＬＣ ＳＬＭにおいては、ＬＣ分子の配向性は適用された電圧の絶対値にのみ依存し、符号には依存しない。このため、これらのＬＣ分子の配向性は、フレーム判定が適用された場合に変化しない。

これに対して、非特許文献１には、ＰＳＳ液晶型（ＰＳＳ ＬＣ）のＬＣ ＳＬＭにおいて、ＬＣレイヤに適用される電圧の符号が変化する場合に、２つの異なる鏡面対称のＬＣ分子の配向が存在することが開示されている。しかし、これら２つの配向は同一振幅の変調光に作用し、これにより、振幅変調光変調器として用いられるＰＳＳ ＬＣは、ネマチックＬＣを有する従来の変調器と同様に、フレーム反転法、ライン反転法、又は、ドット反転法を用いて制御することが可能である。

さらに、非特許文献２には、２つのλ/４プレートの間に設けられた、λ/２プレートの配置が開示されており、これは、λ/２プレートの光軸がλ/４プレートとの関係で異なる角度で制御場合に、位相変調光変調器として用いられる。また、非特許文献２には、収色性（アクロマティック）λ/４プレートを複数の複屈折レイヤの組み合わせとして実現し、光軸が所定の角度となるように配置された、２つのλ/２プレートと１つのλ/４プレートとを組み合わせることによって、収色性円偏向子を取得することが提案されている。

このような構成は非特許文献３にも開示されており、ここでは、非常に高速に切り替える強誘電性のＬＣ ＳＬＭが開示されているが、これは変調セルごとに２つの位相条件しか実現することができないという欠点を有している。換言すれば、これはバイナリ（二値型）のＬＣ ＳＬＭである。

２つの固定された制御可能でないλ/４プレートの間の制御可能λ/２プレートとして用いられる、プレーン内切り替え（ＩＰＳ）ＬＣ ＳＬＭに対しても同様の構成が可能である。電場を適用して、ディスプレイ・プレーン内でＬＣ分子の角度を０°から９０°までの範囲で回転させることによって、０から２πまでの間で連続的な位相変調が可能である。

拡大された観察角範囲を実現するために変調セルが２つの半分に分割されている、一般に用いられているデュアル・ドメインＩＰＳ ＬＣ ＬＣＭとは対照的に、均一な変調セルを有する単一ドメイン構造が位相変調光変調器を得るために必要だろう。しかし、今日のＩＰＳ ＬＣ ＳＬＭは、１ミリ秒未満の所望の切り替え遅延を実現しない。このため、単にＩＰＳ ＬＣ ＳＬＭを修正することは、高速な切替を行う位相変調光変調器を得るのに適していないだろう。

米国特許出願公開第２００７／０００３７０９号明細書

A. Mochizuki , Journal of the SID 14 (2006) pp. 529-536 S. Pancharatnam, Proc. Ind. Acad. Sci. 41 (1955) pp. 130 (Parts I and II) G. Love, R. Bandari, Opt. Commun. 110, (1994), pp. 475-478

従って、本発明の目的は、従来の解決法の欠点を回避して、変調セル毎に少なくとも５０位相ステップを実現することが可能であり、１ｍｓ未満の切り替え遅延を示す、液晶分子（ＬＣ分子）に基づいてコヒーレント光の位相変調を行う制御可能装置を提供することである。公知で商用のＬＣ ＳＬＭの物理的な修正は、上記目的を実現することの可能性と同じくらい小さい。

本発明によれば、上記目的は、変調装置を備えたディスプレイ装置内で３次元画像表示を実現するために、規則的に配置された制御可能なＬＣ変調セルを有する変調マトリクスを備えた空間光変調器と、変調マトリクスを照明する少なくとも１つの光源と、ＬＣ変調セル内の位相変調を制御する制御ユニットとを有する、コヒーレント光位相変調装置に基づいて解決される。本発明に係る装置は、さらに、以下の特徴を有する。
・制御可能なＬＣ変調セルは、ＰＳＳ液晶セルの型及び構成のＬＣ分子を有する制御可能なλ/２プレートの機能を有するレイヤを有し、当該レイヤは、制御可能でないλ/４プレートの機能を有する２つのレイヤの間に設けられている。
・各ＬＣ変調セルは、書き込まれる位相値の正負の符号によって、個別に正又は負の電圧値を有する制御ユニットによりローカル（局所的）に制御可能である。
・制御ユニットは、ＬＣ変調セルに書き込まれる位相値について、グローバル（広範囲）で一定の位相オフセットを生成するようにプログラムされている。
・グローバルで一定の位相オフセットは１つおきのフレームにおいて生成される。

本発明のこれらの特徴は、位相変調用の制御可能装置を特徴付けるものであり、以下詳細に説明する。

背景技術の説明で述べたように、ＬＣ分子は主に変調マトリクスのプレーン内で移動するため、同様の振る舞いが、ＩＰＳ ＬＣ ＳＬＭにおけるのと同様に位相変調に関して期待されるはずであるが、切り替え遅延が短いという利点が実現される。

変調マトリクスのプレーンからのＬＣ分子の配向は振幅の変化を引きもたらすだろう。振幅変化の効果が小さい場合、これらは許容することができる。ＬＣ材料の複屈折とレイヤ厚はこれにより適合するため、ＬＣ材料は制御可能なλ/２プレートとして用いることが可能である。

位相変調光変調器において所望の方法でＰＳＳ−ＬＣ型変調セルを使用可能にするために、制御機能に関してさらに本質的な特徴が要求される。

上述のように、適用電圧の符号の変化は、ＰＳＳ ＬＣセルにおけるＬＣ分子の様々な配向をもたらす。分子配向に係るこの変化は、λ/２プレートの光軸の回転に対応する。分子配向と光軸は、正電圧を実現するために時計回りに回転し、負電圧を実現するために反時計回りに回転する。

振幅変調光変調器と対照的に、上述の構成の位相変調光変調器においては、位相条件は適用電圧の符号に応じて変化する。２つのλ/４プレートの間に設けられたλ/２プレートにおいては、λ/２プレートの光軸を時計回りに回転させることは正符号の位相シフトに対応し、反時計回りに回転させることは負符号の位相シフトに対応する。

ここで、例えば、変調セルが正符号の電圧Ｕ₀で制御された場合に、この電圧が光軸の回転角θ₀と位相＋φ₀に対応するならば、同一の変調セルが絶対値が同一で負符号の電圧−Ｕ₀で制御された場合は、光軸の回転角は−θ₀、位相は−φ₀、すなわち、同一の絶対値で符号が反対になる。

このため、位相値の広い変調範囲における位相変調につき、書き込まれる実際の位相値によって、電圧の符号を各変調セルについて個別に選択できるように制御方法を修正する必要がある。これにより、実現可能な位相範囲は、１つの符号の制御電圧のみしか使用可能でない場合と比べて２倍となる。

ＤＣ電圧を変調セルに長く適用することに起因する欠点を回避するために、発明装置の変調マトリクスのフレーム反転がさらに必要である。

しかし、変調マトリクスの全ての変調セルをグローバルかつ同時に正または負の電圧で制御するか、或いは、ライン反転またはドット反転を適用する、従来技術の所与の方法の１つによるフレーム反転は使用することができない。これは、書き込み対象の位相値に従って正または負の電圧で個別の変調セルを個別に制御することと矛盾するだろう。

各変調セルの電圧の符号が１つおきのフレームで変化するように、変調セルを個別の正または負の電圧値で個別に制御することも不都合であろう。１つおきのフレーム内での個々の変調セルには符号変化した位相が存在するだろう。ここで、ホログラムが変調マトリクスで示された場合、位相値の符号のグローバルな反転は鏡面対称に変化した再現を導くだろう。これを防止するために、このような反転は、１つおきのフレームのみが３次元表示に用いられる位相変調装置内で使用可能である。例えば、１つおきのフレーム期間に光源がオフになるように、光源の制御を変調マトリクスに同期させることが可能である。この装置は、光源を約半分の時間、オフにしなければならないため、光強度が低いという欠点がある。

そこで、さらに、この欠点を回避する好適な実施形態を提案する。ここでは、位相値は１フレームおきに適用される。これは、例えば、制御ユニットが生成した制御信号を用いて同じ情報が書き込まれるが、画像コンテンツ（内容）が同じ間は、符号が異なる電圧が、１つおきのフレーム内の個別の変調セルについて同時に生成されるように行われる。

異なる符号の制御電圧を生成しつつ同じ情報が書き込まれる状況は、以下のようにして満足される。書き込み対象の位相値のグローバル位相オフセットは、変調マトリクス全体について許容される。これは、各変調セルについて一定の位相値が同時に加算されることを意味する。例えば、ホログラム再現に関するもののような、ほとんどのコヒーレントなアプリケーションにおいて、問題となるのはＰＳＳ ＬＣ ＳＬＭの個別の変調セルの間の位相の相対値のみであり、位相の絶対値は問題とならない。これは、ここで位相オフセットを有利に適用可能であることの理由である。

このため、フレーム反転は以下のようにして等価的に置き換えることができる。すなわち、１つおきのフレームにおいて、ＬＣ ＳＬＭに書き込まれる位相値には（２πを法として）グローバルに一定の位相オフセットが与えられ、ここでは、オフセットの量はＳＬＭの変調範囲に依存する。好適な位相オフセットは、変調範囲が２πの変調器に対してはπである。

これについて例を用いて以下に説明する。位相変調光変調器は電圧０のときは相対位相は０となる。これは正の最大制御電圧Ｕ_maxのときに位相シフトが＋πとなることを示す。結果として、負の制御電圧−Ｕ_maxのときは、電圧０に対して位相シフトは−πとなる。このため、位相変調光変調器は範囲［−π...＋π］の２πの変調範囲を有する。サブ範囲［−π...０］は負電圧に対応し、サブ範囲［０...＋π］は正電圧に対応する。

第１のフレームにおいては、例えば、線形上昇位相パターンが、φ1＝−π/２，φ2＝−π/４，φ3＝０，φ4＝π/４の位相値を有する４つの隣接する変調セルに書き込まれる。隣接するセルに対して書き込まれる値の差分は常にπ/４であるため、位相パターンは線形上昇である。最初の２つの位相値はサブ範囲［−π...０］に存在するため、これらの２つの変調セルは負電圧で制御される。３番目のセルは電圧０で制御され、４番目のセルは正電圧で制御されるだろう。

２番目のフレームにおいては、この位相パターンは位相オフセットがπで書き込まれる。ここでは、位相値は、

である。２πを法とする位相値のみが複素数の表示に関係する。このため、サブ範囲［−π...０］はシフトされた範囲［π...２π］と等価である。したがって、位相値５π/４は、２π−５π/４＝−３π/４の位相値に対応する。

ここで最初の３つの位相値は範囲［０...π］に存在し、対応する変調セルは正電圧で制御される。４番目の値は範囲［−π...０］に存在し、対応する変調セルは負電圧で制御される。

このため、全ての変調セルについて制御電圧の符号が変化するが、３つめのものは、あるフレームで制御電圧は０であるため、例外を形成する。しかし、これも依然として同じ位相パターンであり、すなわち、変調セルには線形上昇位相が書き込まれる。これは、隣接セルの位相値間の差分が第２のフレームにもπ/４残存することを意味する。したがって、位相値の設定に従って、ほとんどのセルで電圧の符号が１フレームおきに反転するが、変調マトリクスに書き込まれる関連する位相パターンは同じままであることが実現される。

ＬＣ分子の分子軸をλ/４レイヤの光軸に平行に整列させることによって電場がオフにされている間、ローカルの位相オフセットはＬＣ変調セル内で生成することが可能である。

さらに、所与の電圧から得られる位相値は、ＬＣ変調セル内で同じ絶対値で実現されるが、電圧の極性が逆の場合は反対の符号になる。

制御可能装置の少なくとも１つの光源は、好適には、偏向された光（偏光）を提供するように設計されている。あるいは、変調マトリクスは、少なくとも１つの入側偏向子を備えることができる。この偏向子は好適には円形偏向子とすることが可能であり、これはλ/４プレートの機能と線形（直線）偏向子とを組み合わせたものである。

色表示を提供する本発明の更なる実施形態においては、変調マトリクスはλ/４プレートとλ/２プレートとの少なくともいずれかの構成を有しており、これにより、少なくとも３つの異なる色または波長について、位相変調を制御ユニットが制御することが可能である。位相変調について、λ/２プレートのＬＣレイヤは、変調された少なくとも３つの波長の真ん中のものに対して最適化された、厚さｄを有している。

カラー表示を可能にするために、位相変調装置は、その分散が波長によって変化するＬＣ材料の構成を有するＬＣ変調セルを備えることが可能であり、これにより、

が、少なくとも３つの色の異なる波長について適用される。

他の好適な実施形態によれば、λ/４プレートとλ/２プレートとの少なくともいずれかは、異なる波長に対応するＬＣ変調セルについて、レイヤ厚ｄと光軸の配向との少なくともいずれかが異なる。さらに、制御可能でないλ/４プレートは収色性エレメントとすることができる。これらのλ/４プレートの物理的形態と、λ/４プレートの機能が統合される収色性円形偏向子は、背景技術の記載で説明したものと同じにすることができる。

位相変調のために、制御可能でないλ/４プレートとλ/２プレートとの少なくともいずれかも、複数次数エレメントとすることが可能である。これは、波長λ_iの集合と、以下の数式を満たす整数ｍ_iの集合とが存在する場合にあてはまる。

Δｎ(λ_i)ｄ＝(２ｍ_i＋１)λ_i／２ （λ/２プレートと均等物との少なくともいずれか）
Δｎ(λ_i)ｄ＝(４ｍ_i＋３)λ_i／２ （λ/４プレート）
ここでは、全てのｉ＝１，２，３，．．．についてほぼ成立する。

上述の物理的形態を有する位相変調装置は、好適には、切り替え遅延の小ささを誇る従来技術のＬＣ ＳＬＭを、比較的単純だが効果的に修正することによって、好適に提供することが可能である。

以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。
本発明に従って位相変調を行うＬＣ構成を模式的に示す図である。 適用電圧に従いＬＣ分子が回転する好適な方向を模式的に示す図である。 、 従来技術に従い、２つの連続するフレーム内でのＬＣ変調セルの反転を有する、変調マトリクスの模式図である。 個別にローカルに制御されたＬＣ変調セルを有する変調マトリクスの模式図である。 グローバル位相オフセットにより反転したＬＣ変調セルを有する変調マトリクスの模式図である。

本発明に係るコヒーレント光位相変調装置は、空間光変調器（ＳＬＭ）と、ＳＬＭの変調マトリクスを照明する少なくとも１つの光源手段と、変調マトリクスの変調セルの位相変調を制御する制御ユニットとを備える。変調セルは、行列状に規則的に配置され、好適には方形形状のＬＣ変調セルである。本発明の機能は他の形態のＬＣ変調セルを用いても実現可能である。制御ユニットは、ソフトウェア・エレメント及びハードウェア・エレメントを用いて互いに通信するメモリ・ユニットと計算ユニットとを備え、好適には３次元画像表示のための制御信号を用いてＬＣ変調セルを制御するためのデータを生成し交換する。位相変調装置は、例えば、ホログラフィ・ディスプレイ装置に統合することができる。

制御可能位相変調装置の設計が、主要な構成要素とともに、図１に模式的に示されている。レイヤ厚がｄの３次元変調マトリクス３は、制御可能なλ/２プレートを形成し、制御可能でない２つの静的なレイヤの間に設けられる。２つの静的なレイヤは制御可能でないλ/４プレート２，２’の機能を有する。機能と特性に関して、これは背景技術で説明した非特許文献２の構成と同様である。λ/４プレート２，２’は、例えば、フィルム形態で実現可能である。

λ/２プレートは制御ユニット４により制御可能なＰＳＳ液晶型のＬＣレイヤを備え、行列状に規則的に配置された変調セルを示す。配向ＬＣ分子の例を図面の複数の変調セル内に示す。２つのλ/４プレート２，２’の光軸は平行であり、これらは縦線で示されている。符号１，１’は、変調装置の入側及び出側での入射光の偏向方向を示している。

ＬＣレイヤの厚さｄはλ/２プレートの機能を提供し、式

と特徴づけられる。ここで、Δｎは使用されるＬＣ材料の複屈折を記述し、λは使用される光の波長であり、ｍは整数である。

ここで、電場が適用されていない場合の複屈折ＬＣ分子の配向に対するλ/４プレート２，２’の配向は、λ/４プレートの光軸とλ/２プレートの光軸とが平行になるように選択される。一般に、光軸の他の相互配向を用いることも可能である。

光源手段（不図示）により放射され、好適には線形偏向光１は、制御可能でないλ/４プレート２に対して４５°の偏向角αで入射する。このλ/４プレートは線形偏向光を円形偏向光に変換する。伝播入射光の方向に存在する制御可能λ/２プレートは、実際に設定された光軸の回転角により、通過する光の位相を変調する。ここに示す光軸の平行な配向は相対位相０と考えられる。λ/２プレートの制御の結果、位相に変化がもたらされるだろう。このようにして、λ/２プレートに後続する第２のλ/４プレート２’は、入側と平行な偏向方向を有する線形偏向光１’を再度、生成する。

少なくとも１つの光源は、例えば、好適には、線形偏向光を生成するレーザである。図１に示す構成は、付加的に起動可能な少なくとも１つの線形偏向子を備えることも可能である。

グローバル位相オフセットを生成する他の可能性は、線形偏向子の機能とλ/４プレートの機能とを既に組み合わせた、商用の円形偏向子を用いることである。

従来のＬＣ光変調器は、ＬＣレイヤの各面上に（一般には薄いガラスプレートの形態で）少なくとも２つの基板が存在するように設計されることが多い。一方の基板は、一般に、全ての変調セルに対して共通の電極（基本電極）を提供し、他方の基板は、各変調セルを制御する個別の電極を提供する。従来手法によれば、装置は、共通の電極に、例えば６Ｖ（ソースバス電圧としても知られる）のような０ではない平均電圧が与えられるように制御される。そして、例えば、ある変調セルには９Ｖ、他のセルには３Ｖというように、個別の電極に高い又は低い可変電圧値を与えることができる。外部から起動された電圧値は正である。これらの電極に対して、第１の場合には＋３Ｖ（＝９Ｖ−６Ｖ）の正電圧が適用されるが、第２の場合には−３Ｖ（＝３Ｖ−６Ｖ）の負電圧が適用される。従来手法においては、変調セルに適用される電圧の符号は、ソースバス電圧を選択することでそれに応じて変化させることができる。以下、「正電圧」「負電圧」の用語はこの意味で用いる。

これに対して、本発明によれば、ＤＣ電圧に起因するであろう望ましくない化学的作用を回避するために、後続のフレームにおいて電圧の符号を変化させる。

従来の多くのＬＣＤにおいては、変調マトリクスの液晶は、電圧の符号ではなく絶対値に依存してその配向を変化させるだけである。このため、これらの種類の変調器においては、符号は、液晶分子の配向に対して何ら悪影響を有しない。

前述のように、ＰＳＳ液晶型ディスプレイ（ＰＳＳ ＬＣＤ）は、分子の配向が電圧の符号に依存する点で従来のＬＣＤと異なる。

これを図２に模式的に示す。透視図で示す変調マトリクス３のセクションにおいては、電圧が適用された場合にそれぞれ配向を有する１つのＬＣ分子を有する３つの変調セルが存在する。ここで、矢印はこれらの配向分子を示している。負電圧が印加された１つの変調セル（マトリクスの左手側）においては、ＬＣ分子は時計回り方向に角度−θ回転する。正電圧が印加された１つの変調セル（マトリクスの中央）においては、ＬＣ分子は時計回り方向に角度＋θ回転する。比較のために、第３の変調セル（マトリクスの右手側）に電圧０を示している。

ＰＳＳ ＬＣＤが振幅変調ディスプレイとして使用された場合、セルを様々な符号で制御することは常に同一の振幅をもたらす。これは、振幅制御が線形偏向光の回転に基づくからである。入射光の偏向に対して角度θを有するλ/２プレートは２θだけそれを回転させる。交差偏向子を有する振幅変調光変調器の透過率は２θの二乗正弦に比例する。したがって、正の角度２θと負の角度−２θについて、これは同一である。結果として、ディスプレイ装置または変調マトリクスにおいては、分子が時計回りに回転するか反時計回りに回転するかは関係ない。したがって、振幅変調光変調器がＰＳＳ ＬＣＤを用いて実現された場合、この装置は従来のように制御することが可能である。

しかし、ＰＳＳ ＬＣＤ型位相変調光変調器を用いたときは事情は異なる。ここで、正電圧によって作成された位相値の符号は負電圧によって作成されたものと異なるだろう。

位相変調について、制御ユニットによる電子制御は、本発明に従い、個別の変調セルが正電圧または負電圧でローカルに制御可能となるように適合されなければならない。

０...＋φの正の値の範囲における位相変調を実現可能にするために、制御ユニットは、ＬＣ分子が時計回りに回転するように、変調マトリクス３の変調セルを正電圧値で制御しなければならない。ＬＣ分子が反時計回りに回転するように、変調セルが同じ大きさの負電圧値で制御された場合、位相は０...−φの負の値の範囲で変調される。複素数を示すために位相値は２πのみを法とするため、負の値−φは２π−φと等価である。

図３ａ及び図３ｂは従来技術に従いＳＬＭの従来の制御を模式的に示しており、２つの連続するフレームＭ及びＭ＋１に係る画素反転の原理を示す。ＳＬＭは、行列状に規則的に配置された４×４の変調セルを有する変調マトリクスを備えている。

図３ａに示すフレームＭにおいては、個別の変調セルで実現される正及び負の電圧の規則的パターンが存在する。ここでは、電圧の絶対値は書き込まれた振幅値に依存するが、電圧の符号はコンテンツとは独立に用いられる。

図３ｂに示すように、後続するフレームＭ＋１においては、４×４の変調セルの各々に対する電圧の個別の符号は、フレームと比べて反転している。ここで示す反転は、セルを制御するためにチェス盤状のパターンを利用している。変調セルは、制御ユニットにより異なるパターンで制御することも可能である。例えば、フレームＭ内の１つおきの列は、負の電圧値のみ又は正の電圧値のみで制御することができよう。あるいは、フレームＭ内の全ての変調セルは、正電圧値で制御し、フレームＭ＋１内の変調セルは負電圧値で制御することも可能だろう。

本発明に係る位相変調装置を有するＰＳＳ ＬＣＤにおいては、制御手段は、書き込まれる所与の位相値に従って、各変調セルを正電圧または負電圧で個別にローカルに制御する。これは図４ａ及び図４ｂに示すＳＬＭの実施形態に示されている。

以下の数値例１（表１）は、位相変調する４×４の変調セルで構成されるＳＬＭ用に、線形位相パターンで０と２πの間で書き込まれる位相値を示している。この位相値は例えば事前に計算され、制御ユニットのメモリユニットに格納される。

図４ａは、個別のセルにプラス・マイナスの符号で示した、正・負の電圧値で制御される変調セルを模式的に示している。範囲［０...π］の位相値を有する変調セルは全て正電圧で制御される。範囲［π...２π］の位相値は全て負電圧値で制御されるが、これは、範囲［π...２π］は、２πを法とする表現では範囲［−π...０］と等価であるからである。

０．７πの位相が付与される最上行の左の変調セルは、例えば、電圧Ｕ₁で制御され、１．３π＝２π−０．７πの位相が付与される最上行の左から３番目の変調セルは、絶対値は同じだが符号が反転した、電圧−Ｕ₁で制御される。

しかし、変調セルを正および負の電圧値で個別にローカルに制御することは、上述した、ＤＣ電圧が長時間適用された場合、すなわち、同一コンテンツが長時間表示された場合に、雑音となる化学的作用が発生するという問題の原因となる。これを実現するためには、同一の位相値を同一の変調セルに、複数回書き込まなければならない。

本発明によれば、この問題を解消するために、全変調マトリクスについて連続して表示されるフレームの間で、グローバルに一定の位相オフセットが導入される。この位相オフセットは、制御ユニットにより生成されるか、或いは、例えばホログラム計算のような計算に直接統合される。位相オフセットを使用するという発想は、個別の変調セルの間の相対位相のみが、コヒーレント光学アプリケーションにおける位相変調光変調器としての機能に関係し、個別のセルの絶対位相は関係しないという見解に基づいている。

上述の数値例１（表１）にπのグローバル・オフセットを適用すると、以下の数値例２（表２）で示される４×４の変調セルの例示的なＳＬＭの位相値が与えられる。

図４ｂから分かるように、各変調セルで符号が反転している。最初の行の左のセルの制御電圧は、例えば、数値例１（表１）の０．７π（正電圧）から数値例２（表２）の１．７π（すなわち、２π−０．３π、負電圧）へ変化する。

グローバル位相オフセットは、位相変調装置において様々な方法で実現することが可能である。１つの可能性は、例えばホログラム計算の間、光変調器に書き込まれるデータを生成する計算ユニットにおいて位相オフセットを処理することである。書き込まれる位相値に依存して制御されるＳＬＭ内の各変調セルについて、電子制御電圧が制御ユニット内で計算される。このため、グローバル位相オフセットを実現するさらなる可能性は、１つおきのフレームの制御電圧を計算する場合に、制御ユニットが位相オフセットを考慮することである。

振幅変調を行う従来のＬＣＤと比較して、現在の位相変調光変調器における２つの連続するフレームにおける平均電圧は０ではない。上述の例に適用したように、これは表の左上の隅の第１変調セルについて意味する。第１のフレームにおける＋０．７πの位相値と、同一画像コンテンツを有する第２のフレームにおける−０．３πの位相値とは、正電圧Ｕ₁と、絶対値が小さい（|−Ｕ₂|＜|Ｕ₁|）負電圧−Ｕ₂とに対応するだろう。

それゆえ、一般の機能に重要な平均電圧は、この例では０．５（Ｕ₁−Ｕ₂）であるが、位相オフセット（この例ではＵ₁）のないＤＣ電圧と比較して大幅に削減されている。

平均電圧を０に削減するために、数値例１、２の反転された位相値は変調セルに書き込むことが可能であるが、本発明によれば、少なくとも１つの光源を書き込み処理の間はオフにすることが可能である。そして、ＳＬＭは１つおきのフレーム内で光を変調するだけであろう。他のフレームでは、光源により照明されない。３次元画像表示のディスプレイ装置としてこの装置が用いられた場合、この３次元画像表示は１つおきのフレーム内でのみ生成されるだろう。

数値例１の左上の変調セルは、第１のフレームでは電圧Ｕ₁を用いて０．７πの位相値が書き込まれたが、次のフレームでは電圧−Ｕ₁を用いて制御されて、１．３π（２π−０．７π）の位相値が得られるだろう。少なくとも１つの光源と変調マトリクスの制御を同期させることによって、光源は、第１のフレームではオフになるが、第２のフレームではオフになるだろう。

本実施形態は、平均電圧を０に削減するという利点を誇っている。しかし、３次元画像表示の平均明度が、１以上の光源を有する装置内で、上述の実施形態と比べて約５０％に落ち込むことは欠点である。

本発明に係るλ/４プレートを有するＰＳＳ液晶型位相変調光変調器の設計によれば、例えば、複屈折フィルムの物理形態をとることが可能であり、各変調セルに適用される電圧の符号を個別にローカルに選択する可能性を有し、グローバル位相オフセットを介したＤＣ電圧の補償を行うことで、効率的な位相変調ＳＬＭが提供される。切り替え時間が短いため、このＳＬＭは、ホログラフィ再現を表示するのに好適に使用することが可能である。

ＰＳＳ型液晶を用いて位相変調を行う制御可能装置の他の実施形態は、例えば、色再現を行うホログラフィ・ディスプレイ装置において要求されるように、色表示用に修正することで実現される。ＬＣ ＳＬＭは、少なくとも３つの異なる色、典型的には原色の赤、緑、青について、位相変調をしなければならない。これらの色は、例えば、異なる狭放射波長帯の３つのレーザを用いて実現することが可能である。しかし、これは、λ/４プレートとλ/２プレートのレイヤ厚は１つの波長にのみ最適化されることが多いという問題に関連づけられる。

一般に、この問題は振幅変調ＬＣディスプレイにおいても発生する。従来のプレーン内切り替え（ＩＰＳ）ディスプレイは、例えば、分子の光軸の配向が可変のλ/２プレートのように機能する。そして、線形偏向における分子の単純な回転は、１波長について発生するのみである。ＬＣレイヤの出側においては、他の波長の光が楕円偏光状態を示す。変調セルの出側の線形偏向子を経過すると（図１参照）、異なる波長の光は同一の電圧で異なる振幅を有する。振幅変調ディスプレイでは、これは波長の逸脱により発光効率が少し低下するという欠点のみを有する。

λ/４−λ/２−λ/４プレートの構成を有する位相変調光変調器においては、波長の依存関係は大きな問題を引き起こしうる。一定の振幅での単なる位相変調は、１波長についてのみ実現可能である。望ましくない、連動した振幅の変化は、他の波長についての位相の変化とともに発生するだろう。この影響を最小限にするために、以下の措置と対策をとることが可能である。

第１に、振幅変調ディスプレイから公知の手段は、一般に、位相変調ディスプレイに適用することが可能である。

（ａ）単純なアプローチは、緑光に対応する中央の波長に対して、ＬＣレイヤの厚さｄを最適化することである。この場合、赤光および青光の波長に対する、λ/２プレートの最適なレイヤ厚の偏差は、位相に依存した最小の振幅変化をもたらすが、これは受容しなければならない。

（ｂ）ディスプレイ用ＬＣ材料は複数の異なる物質の混合物であることが多いが、その混合比は複屈折等のパラメータに影響しうる。これは、そのような物質は、

の関係が１つにのみ適用されないが、複数の波長には適用するように、その分散が波長によって好適に変化する位相変調光変調器のために混合すべきである理由である。

（ｃ）さらに、位相変調光変調器は、赤、緑、青の光をローカルに変調するＬＣレイヤが、それが変調する波長に適合されたλ/４プレート又はλ/２プレートの個別の厚さｄを有するように、λ/４プレートのＬＣレイヤとλ/２プレートのＬＣレイヤとの少なくともいずれかを空間的に構成することによって、実現することができる。各画素又は各変調セルについて空間的に構成された色フィルタを用いて一色のみを変調し他の色を吸収する赤、緑、青の色画素を、従来のスクリーンが備えるように、様々な厚さのλ/４プレートは個別の色画素に対して使用することができる。

さらに、位相変調装置は以下のようにしても実現可能である。

（ｄ）収色性エレメントを製造するために一般に使用可能なλ/４プレート及びλ/２プレートについて解決手法が知られている。例えば、結晶石英の薄プレートとフッ化マグネシウムのプレートのように、２つの異なる材料を組み合わせて、２つの材料の光軸を適切な角度に設けることが可能である。各プレートの複屈折のスペクトル分散は、ある波長範囲で互いに打ち消し合う。このような収色性エレメントは、好適には、本発明に係る位相変調光変調器の静的で、制御可能でないλ/４プレートについて使用することが可能である。
動的収色性エレメントを実現するために、２つのλ/４プレートをアクティブに回転させることが必要となる。これは、そのとき２つのアクティブレイヤ制御しなければならないことを意味するが、これは一般に可能である。
さらに、光軸が互いに所与の角度だけ回転する、同一材料の３つの複屈折プレートを組み合わせることによって、収色性λ/４プレートを得る可能性も存在する。

（ｅ）一般に、複数次数エレメントを光変調に使用可能であることが知られているが、これは位相ディスプレイの状況ではない。複数次数エレメント又は複数次数回折光学エレメント（ＤＯＥ）は、例えば、複数の波長の光を収束させる、回折ゾーンレンズとすることが可能である。ゾーンレンズの隣接するゾーンにおける相対光路は、連続位相機能を実現するならば、複数の波長分だけ異なる必要がある。２つ又は３つの異なる波長に対して、少数の個別の波長につきこの条件を満たすことは可能である。
λ/２プレートに係る上述の式の
（１） Δｎ ｄ＝(２ｍ＋１)λ/２
は、様々な次数ｍ_i（整数）と様々な波長λ_iについて、同時に満足させることが可能である。
すなわち、複屈折のスペクトル分散が存在せず、全ての波長についてΔｎが一定ならば、
（２ａ） (２ｍ_i＋１)／(２ｍ_j＋１)＝λ_j／λ_i
が成り立つ。これは、例えば、可視光の青、緑、赤のスペクトルに存在し、ｍ＝５，６，７の、４６５ｎｍ、５３７ｎｍ、６３５ｎｍの波長について成り立つ。
分散を考慮すると、引用する波長は若干シフト可能である。この場合、式
（２ｂ） (２ｍ_i＋１)／(２ｍ_j＋１)＝λ_jΔｎ(λ_i)／(λ_iΔｎ(λ_j))
を満たす必要がある。
同様に、分散がない複数次数λ/４プレートについて、以下の式を得ることが可能である。

（４ａ） (４ｍ_i＋１)／(４ｍ_j＋１)＝λ_j／λ_i
このため、４５０ｎｍ，５３５ｎｍ，６２１ｎｍの波長を得ることが可能である。
分散を考慮すると、次の式が成り立つ。
（４ｂ） (４ｍ_i＋１)／(４ｍ_j＋１)＝λ_jΔｎ(λ_i)／(λ_iΔｎ(λ_j))
これらの式の関係は、レーザ波長λ_i及びλ_jを適用し、整数ｍ_i及びｍ_jを選択し、さらに適用可能ならば、これらの波長に係る複屈折率Δｎ(λ_i)、Δｎ(λ_j)の適切な分散を用いてＬＣ材料を選択することによって、２つの式（２ｂ）又は（４ｂ）のいずれか一方が満たされる可能性をもたらす。
結果として、λ/２プレート又は２つのλ/４プレートは、式（１）及び（３）に従い、これらのプレートのレイヤ厚ｄを適合させることによって、上述の波長について収色性を有するようにすることが可能である。
このような高次数のエレメントは、一般に、光の波長の偏差と入射角に対してより感度が高い。しかし、このことは、レーザ又は特別ＬＥＤのような規定の狭帯域光源がそこで用いられる場合は、３次元画像ホログラフィ表示装置における位相変調光変調器として使用する上で何ら悪影響を及ぼさない。このとき、ＳＬＭは、ほぼ平行なコヒーレント光を用いても照明される。
制御可能λ/２プレートが関係する限り、レイヤの厚さｄがより厚くなるに従って、切り替え遅延と所与の制御電圧レベルに影響を及ぼしうることを考慮しなければならない。制御可能でないλ/４プレートの厚さｄは、何ら問題を引き起こさずに増大させることが可能である。
式（２ｂ）及び（４ｂ）が同じパラメータに対して異なる条件を示し、これらは同時に両方を満たすことができないため、λ/４条件（式４ｂ）とλ/２条件（式２ｂ）の両方を１つの材料で満たす３波長の組は存在しないことになる。しかし、制御可能でないλ/４プレートと制御可能なλ/２プレートに対してとにかく異なるＬＣ材料が用いられるため、共通の波長が存在するように複屈折Δｎ（λ）の分散を有する材料を選択することが可能であり、これにより、この材料をλ/４プレートとλ/２プレートとの両方を複数次数エレメントとして実現するために使用することが可能である。

（ｆ）第１の実施形態において説明した制御可能な位相変調装置は、２つのλ/４プレートと１つのλ/２プレートとを備える。２つのλ/４プレートの光軸は、互いに平行又は適切な角度で設けることが可能である。レイヤ厚ｄが最適ならば、単なる位相変調はどちらかの場合に影響を受けるが、位相変調光変調器の出側での相対偏向は異なる。両者の構成は波長依存性が異なるため、使用波長について所与の位相変調からの偏差が小さい構成が、ＬＣ変調マトリクスの好適な物理形態として選択されるだろう。

Claims (16)

1. ３次元画像表示を実現するために、コヒーレント光を位相変調する制御可能な装置であって、
   規則的に配置された制御可能な複数のＬＣ変調セルを有する変調マトリクスを備えた空間光変調器と、
   前記変調マトリクスを照明する少なくとも１つの光源と、
   前記複数のＬＣ変調セルにおける位相変調を制御する制御ユニットと
   を有し、
   −前記制御可能な複数のＬＣ変調セルは、ＰＳＳ液晶セルの型及び配置のＬＣ分子を有する制御可能なλ/２プレートの機能を有するレイヤを有し、当該レイヤは、制御可能でないλ/４プレートの機能を有する２つのレイヤの間に設けられ、
   −前記複数のＬＣ変調セルの各々は、前記制御ユニットが、書き込む位相値の正負の符号により、正または負の電圧値を個別に用いてローカルに制御することが可能であり、
   −前記制御ユニットは、前記複数のＬＣ変調セルに書き込む前記位相値に係るグローバルに一定の位相オフセットを生成するようにプログラムされており、
   −前記グローバルに一定の位相オフセットは１フレームおきに生成される
   ことを特徴とする装置。
2. 前記グローバルの位相オフセットは、全てのＬＣ変調セルについて同時に生成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記グローバルの位相オフセットは、フレーム反転と等価なものとして生成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記グローバルの位相オフセットの位相値は、前記変調マトリクスの変調範囲に依存することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記グローバルの位相オフセットの位相値は、２πの変調範囲に対してπであることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記ＬＣ分子の分子軸が前記λ/４のレイヤの光軸に平行に整列することで電場がオフになっている間、ローカルの前記位相オフセットは前記複数のＬＣ変調セル内で生成可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 電圧の極性が反転した場合に、絶対値が同じで符号が逆の、所与の電圧値から得られる前記位相値をＬＣ変調セルにおいて実現可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記少なくとも１つの光源は、偏向光を提供するように設計されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記変調マトリクスは、少なくとも入側に偏向子を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. λ/４プレートの機能と線形偏向子の機能とを組み合わせた、少なくとも１つの円形偏向子を有することを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 色表示のために、前記変調マトリクスは前記λ/４プレートとλ/２プレートとの少なくともいずれかの構成を有し、これにより、少なくとも３つの異なる色または波長について前記制御ユニットは位相変調を制御可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記λ/２プレートは、変調に用いる前記少なくとも３つの波長のうち中央のものについて最適化された、厚さｄの前記ＬＣのレイヤを有することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記ＬＣ変調セルは、分散が前記波長により変化するＬＣ材料の混合物を備え、これにより、前記少なくとも３つの色の異なる波長について、
    

    

    が成立することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
14. 前記λ/４プレートと前記λ/２プレートとの少なくともいずれかは、前記異なる波長に対応する前記ＬＣ変調セルに対して、レイヤ厚ｄと光軸の配向との少なくともいずれかが異なることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
15. 前記制御可能でないλ/４プレートは収色性エレメントであることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
16. 前記制御可能でないλ/４プレートと前記λ/２プレートとの少なくともいずれかは、ｉ＝１，２，３，...の全てについて、前記λ/２プレートについての式
    Δｎ(λ_i)ｄ＝(２ｍ_i＋１)λ_i/２
    と、前記λ/４プレートについての式
    Δｎ(λ_i)ｄ＝(４ｍ_i＋３)λ_i/２
    と、の少なくともいずれかを少なくともほぼ満たすような、波長λ_iの組と整数ｍ_iの組とが存在するように設計された、複数次数のエレメントであることを特徴とする請求項１１に記載の装置。

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