JP2009540351A

JP2009540351A - 非偏光の光で動作する液晶表示装置を用いたホログラム表示

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Publication number: JP2009540351A
Application number: JP2009513814A
Authority: JP
Inventors: アロクゴヴィル; ルシアンレムズアルブ
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2009-11-19
Also published as: WO2007141707A3; US8830549B2; EP2033052A2; CN101467106A; US20100238527A1; WO2007141707A2

Abstract

ホログラム画像を表示するための電子ホログラム表示システム800、900であって、当該システムは、位相の揃った（コヒーレントな）平行光線を作るためのコヒーレント光源830、930と、第1の偏光をもつ第1の部分と、第1の偏光に直交する第2の偏光をもつ第2の部分とを含む空間的に変調された光線を作るために、コヒーレントな平行光線を受光し、空間的に変調する空間光変調器（SLM）820、920と、ホログラム画像を表すホログラムデータを生成し、当該SLMがホログラムデータでコヒーレントな平行光線を変調するよう、当該SLMのピクセルへ適切な電圧を印加するデータプロセッサ及び駆動ユニット810、910とを含む。第1の偏光をもつ第1の部分と、第1の偏光に直交する第2の偏光をもつ第2の部分とを含むホログラム画像を作るために、空間的に変調された光線が画像面に投影される。

Description

本発明はホログラム表示に関し、より特定すると、空間光変調器として液晶表示装置を用いた電子ホログラム表示装置に関する。

ホログラフィは、3次元（3-D）の画像を記録及び再生する方法である。一般に、画像を作り出す光線の強度（振幅）の点から点への記録及び再生である写真とは異なり、ホログラフィでは（通常、一つの特定の波長の）光の振幅及び位相の両方が記録される。再生するとき、結果として生じた光照射野は、完全な3次元の画像を付与する、元の対象物又は元の風景から発したものと同一である。

図1は、対象物25の3-Dの画像を記録するシステム100と方法とを例示している。システム100は、光源110と、ビームスプリッタ120と、ミラー130と、画像記録装置140とを含んでいる。光源110は、レーザ又は他の位相が揃った（コヒーレントな）光生成装置である。画像記録装置140は、感光板である。

動作的には、光源110は、コヒーレントな光線をビームスプリッタ120へ供する。ビームスプリッタ120は、照射ビームとして対象物25に当てるための当該コヒーレントな光線の第1の部分を透過させ、コヒーレントな光線の第2の部分を基準ビームとして反射する。ミラー130は、当該基準ビームを画像記録装置140へ向けて導く。前記照射ビームから、対象物25は、画像記録装置140で基準ビームと組み合わされる対象ビームを作る。光波の重ね合わせに起因して、基準ビームと対象ビームとの間の光学的な干渉が、一連の強度の縞模様を作る。これらの縞模様は一種の回折格子を形成し、画像記録装置140上に記録される。

記録された画像が再生されるとき、縞模様のパターンからの回折が、強度及び位相の両方で、元の対象ビームを再構築する。位相及び強度の両方が再生されるので、画像は3次元で現れ、観察者は視点を動かすことができ、元の対象物と全く同じように、画像が回転するのを見る。

最近、画像の完全3次元（「3-D」）の再構築を生成するための電子ホログラム表示システムが開発された。特に、空間光変調器を用いる電子ホログラム表示システムが開発されている。

一方、2-Dの表示システムで、液晶表示（LCD）装置を空間光変調器として用いることが知られている。

図2A及び図2Bは、2-Dの表示システムで空間光変調器として使われる反射型のLCD装置の動作原理を例示している。図2A及び図2Bで示されるように、反射型のLCD 200は、第1の基板220と第2の基板230との間に配置された液晶（LC）の材料層210を含んでいる。第1の基板220は透明である。（直接置かれることは必要とされないものの）第2の基板230上に配置されるのは、アルミ層などの反射材料240である。反射材料240は、LCD装置200に付随するピクセルをオン・オフするための電圧が印加される、反射型のピクセル電極を形成している。図2A及び図2Bの例では、LC材料層の液晶210は、電圧が印加されないとき（図2A）は、通常螺旋状にねじられており、電場が印加されたとき（図2B）は、第1の直線方向に整列されている。

LCD装置200から、及びLCD装置200へと光を導くために、偏光ビームスプリッタ50が図2A及び図2Bで供されている。特に偏光ビームスプリッタ50は、LCD装置200へ光を導くときは偏光子として動作し、LCD装置200から表示スクリーン75へと光を導くときは検光子として動作する。

図2Aは、LC材料層210間に電圧が印加されていない場合を示している。動作的には偏光ビームスプリッタ50は、第1の(p)偏光をもつ光をLCD装置200へ向かって反射するよう動作する。この場合、反射型のピクセル電極へ到達するために、LCD装置200に当たった光は透明な第1の基板220とLC材料層210とを透過する。印加された電圧がゼロなので、LC材料層210を通過する間に、当該光の偏光は45度だけ回転される。その後、当該光は反射型のピクセル電極によって反射され、透明な第1の基板220を通り抜けるためにLC材料層210を逆方向に透過する。LC材料層210を逆方向に透過する間に、光の偏光は45度だけ追加で回転され、90度の合計偏光回転となる。従って、LCD装置200を通り抜けた光は、当該LCD装置200に入った光に対して90度回転（直交偏光）され、第2の(s)偏光をもつ。偏光ビームスプリッタ50は、第2の（s）偏光をもつ光が、例えば表示スクリーン75へと当該ビームスプリッタを透過できるよう、検光子として設定される。

他方、図2Bは、第1の(p)偏光の方向と平行な第1の方向に沿って液晶を整列させるのに十分な電圧が、LC材料層210間に印加された場合を示している。この場合、光はLC材料層210を透過し、反射型のピクセル電極で反射し、基本的には何ら偏光の変化無く、LC材料層210を逆方向に透過する。従って、LCD装置200を通り抜けた光は、当該LCD装置200へ入った光と同じ、第1の(p)偏光をもっている。上で留意されるように、第1の(p)偏光をもつ光が表示スクリーン75へは到達せぬよう、偏光ビームスプリッタ50は検光子として設定される。

従ってLCD装置200は、所望の画像を再生するために各ピクセルに対して選択的に印加される電圧によって光の位相と偏光とを選択的に変調する、空間光変調器として動作することができる。

同様に、図3A及び図3Bは、2-Dの表示システムで空間光変調器として使われる透過型のLCD装置の動作原理を例示している。図3A及び図3Bで示されるように、透過型のLCD装置300は、第1の透明基板320及び第2の透明基板330との間に配置された液晶（LC）材料層310を含んでいる。一方又は両方の基板320、330上には、LCD装置300に付随するピクセルをオン・オフする電圧が印加される透明なピクセル電極が供されている。図3A及び図3Bの例では、LC材料層の液晶310は、電圧が印加されていないとき（図3A）は、通常螺旋状にねじられており、電場が印加されたとき（図3B）は、第1の直線方向に整列されている。

LCD装置300へ供される光を偏光するために、偏光子55が図3A及び図3Bに供されている。一方、LCD装置300を通り抜けた光が検光子57へ供され、そこから表示スクリーン75へ供される。

図3Aは、LC材料層310間に電圧が印加されていない場合を示している。動作的には、偏光子55は、第1の(p)偏光をもつ光をLCD装置300へ向けて透過させるよう動作し、当該第1の偏光と直交する第2の(s)偏光をもつ光を遮断するよう動作する。この場合、透明な第2の基板330へ到達するために、LCD装置300に当たった光は、透明な第1の基板320とLC材料層310とを透過する。LC材料層310を透過する間に、光の偏光は90度だけ回転される。従って、LCD装置300を通り抜けた光は、当該LCD装置300へ入った光に対して90度回転（直交偏光）されており、第2の(s)偏光をもつ。検光子57は、第2の(s)偏光をもつ光が例えば表示スクリーン75へ透過し、第1の(p)偏光をもつ光が遮断するよう、設定されている。

他方、図3Bは、第1の(p)偏光の方向と平行な第1の方向に沿って液晶が整列するのに十分な電圧がLC材料層310間に印加された場合を示している。この場合、何ら偏光の変化無く、光はLC材料層310を透過する。従って、LCD装置300を通り抜けた光は、当該LCD装置300へ入った光と同じく、第1の(p)偏光をもっている。上で留意されるように、検光子57は第1の(p)偏光をもつ光を遮断するよう設定されている。

従って、LCD装置300は、所望の画像を再生するために各ピクセルに対して選択的に印加された電圧に従って光を選択的に変調する、空間光変調器（SLM）として動作することができる。

しかしながら、図2A及び図2B、並びに図3A及び図3Bで設定されたLCDを、3-Dの表示装置用の空間光変調器として用いることには欠点がある。黒色のピクセルを生成するために、検光子57は光を遮断することが上で留意される。遮断された光のエネルギは無駄になる。

図4は、背面からの平行光（図示されず）によって照射されたスクリーンを示す。出願人はスクリーン上の部分を任意で二つの部分に -1つは黒色の部分、一方、他は白色の部分で- 分割した。これら二つの部分に起因して、どこの点でも光照射野は殆ど互いに反対の方向を指し示している。これは殆ど完全な光照射野の相殺を生じる。残存する光照射野は、スクリーン上の「事実上」正に1点からである光照射野を有する。これは0次の回折ビームに相当し、3-Dホログラムでは重要な情報を担持してはいない。

光照射野が殆ど相殺するので、どの点の光の強度も比較的弱い。この光照射野の相殺効果は、Babinet（バビネ）の原理と呼ばれている。

図5は、Fresnel（フレネル）のゾーンプレートと呼ばれる、スクリーンの明暗の「縞模様」への分割の例を示している。図6では、図5の明暗のエリアが反転されている。もしも光照射野が、お互いに重ね合わされたこれらのプレートの両方から透過することができるのであれば、上で簡潔に説明されたバビネの原理により、光照射野は、殆ど相殺し合う。

図5のパターンが図3A及び図3BのLCDシステムに置かれた場合、（図6の明るいエリアに相当するであろう）図5の暗いエリアが光照射野を遮断する。この態様では、二つのエリアのうちの一つの光照射野の貢献が阻止されてしまう。これは図7で、一つの光照射野のベクトル（矢印）の欠如によって示されている。

結果としてこれは、特定の点に、高強度の光を生じる。この点の位置は、使われたフレネルのゾーンプレートのパラメータに依存する。LCDパネルの検光子が第2の光照射野のベクトルを遮断したので、これは前に説明したように、エネルギの無駄を生じる。

従って、より明るい画像を供することができる電子ホログラム装置を供することが所望されよう。更に、より少ない光の無駄で、より明るい画像を作る、電子ホログラムを表示する方法を供することが所望されよう。

本発明の一つの態様では、ホログラム画像を表示するための電子ホログラム表示システムは、
− コヒーレントな平行光線を作るためのコヒーレント光源と、
− 第1の偏光をもつ第1の部分と、当該第1の偏光に直交する第2の偏光をもつ第2の部分とを含む空間的に変調された光線を作るために、コヒーレントな平行光線を受光し、空間的に変調する空間光変調器（SLM）と、
− ホログラム画像を表すホログラムデータを生成し、当該SLMがホログラムデータでコヒーレントな平行光線を変調するよう、当該SLMのピクセルへ適切な電圧を印加するデータプロセッサ及び駆動ユニットとを有し、第1の偏光をもつ第1の部分と、当該第1の偏光に直交する第2の偏光をもつ第2の部分とを含むホログラム画像を作るために、空間的に変調された光線が画像面に投影される。

本発明の別の態様では、ホログラム画像を表示する方法は、
− コヒーレントな平行光線を、複数のピクセルを有する空間光変調器（SLM）へ供するステップと、
− 第1の偏光をもつ第1の部分と、当該第1の偏光と直交する第2の偏光をもつ第2の部分とを含む、空間的に変調された光線を作るために、SLMが、ホログラムのデータでコヒーレントな平行光線を変調するための適切な電圧を当該SLMのピクセルに印加するステップと、
− 第1の偏光をもつ第1の部分と、当該第1の偏光と直交する第2の偏光をもつ第2の部分とを含むホログラム画像を作るために、空間的に変調された光線を画像面に投影するステップとを有する。

図8は、電子ホログラム表示システム800の一つの実施例を示している。電子ホログラム表示システム800は、データプロセッサ及び駆動ユニット810と、空間光変調器（SLM）820と、コヒーレント光源830と、ビームスプリッタ840とを有する。データプロセッサ及び駆動ユニット810は、データプロセッサ及びドライバのディスクリートな回路又は部品を有してもよく、読み取り専用メモリ（ROM）、ランダムアクセスメモリ（RAM）等などのメモリを含んでもよい。様々なアルゴリズムを実行するためのソフトウエアが、データプロセッサ及び駆動ユニット810内のメモリに記憶される。SLM 820は、シリコン上にある反射型の液晶（LCOS）装置などの、反射型の液晶表示（LCD）である。一つの実施例では、コヒーレント光源830は、レーザ発光ダイオード（LED）832と、平行光用光学系834とを有する。代替的には、別のレーザ生成装置又は他のコヒーレント光生成器が使われることができる。幾つかの実施例で、コヒーレント光源830からSLM 820へと光を導くための、及び変調された光をSLM 820から所望の画像面880に向けて光を導くための別の手段又は別の光学系の構成が供されるのであれば、ビームスプリッタ840は省略されてもよい。

オプションでLED 832は、光線をSLM 820用に適するようなサイズの平行光線にする平行光用光学系834へ供する。即ち、好都合なことに、実質的に完全にSLM 820の全ピクセルを（いわゆるカラー走査システムとは対照的に）同時に照らすよう、光線はサイズが合わされ、整形される。光源830からのコヒーレントな平行光線が、当該光線をSLM 820 へと導くビームスプリッタ840へ供される。一方、データプロセッサ及び駆動ユニット810はホログラムデータを生成し、SLM 820のピクセルを駆動するために、当該データを用いる。反射されてビームスプリッタ840へ戻される、空間的に変調された光線を生成するために、SLM 820のピクセルの各々を駆動するデータに応じて、コヒーレントな平行光線が空間的に変調される。ビームスプリッタ840は、空間的に変調された光線を画像面880へ透過させる。所望のホログラム画像を生成するために、SLM 820の各ピクセルからの回折光を画像面880で一緒に加える。

好都合なことに、電子ホログラム表示システム800は、SLM 820の出力と画像面880との間の光路に何ら検光子を含んでいない。従って、図10に関して、更なる詳細が以下に説明されるように、SLM 820による画像面880への空間的に変調された光線出力は位相が回転した光線を含んでいる。

一方、図9は、電子ホログラム表示システム900の第2の実施例を示している。

電子ホログラム表示システム900は、データプロセッサ及び駆動ユニット910と、空間光変調器（SLM）920と、コヒーレントな光源930とを有する。データプロセッサ及び駆動ユニット910は、データプロセッサ及びドライバのディスクリートな回路又は部品を有してもよく、読み取り専用メモリ（ROM）、ランダムアクセスメモリ（RAM）等などのメモリを含んでもよい。様々なアルゴリズムを実行するためのソフトウエアが、データプロセッサ及び駆動ユニット910内のメモリに記憶される。SLM 920は透過型の液晶表示（LCD）装置である。一つの実施例では、コヒーレント光源930はレーザ発光ダイオード（LED）932と平行光用光学系934とを有する。代替的には、別のレーザ生成装置又は他のコヒーレント光生成器が使われることができる。

オプションでLED 932は、光線をSLM 920用に適するようなサイズの平行光線にする平行光用光学系934へ供する。即ち、好都合なことに、実質的に完全にSLM 920の全ピクセルを（いわゆるカラー走査システムとは対照的に）同時に照らすよう、光線はサイズが合わされ、整形される。光源930からのコヒーレントな平行光線が、SLM 920の背面基板へ供される。一方、データプロセッサ及び駆動ユニット910はホログラムデータを生成し、SLM 920のピクセルを駆動するために、当該データを用いる。SLM 920の前面から画像面980へと透過される、空間的に変調された光線を生成するために、SLM 920のピクセルの各々を駆動するデータに応じて、コヒーレントな平行光線が空間的に変調される。所望のホログラム画像を生成するために、SLM 920の各ピクセルからの回折光を画像面980で一緒に加える。

好都合なことに、電子ホログラム表示システム900は、SLM 920の出力と画像面980との間の光路に何ら検光子を含んでいない。更に好都合なことに、コヒーレント光源930は非偏光の光を、入力部に何ら偏光子を含んでいないSLM 920へ供している。

図10は、検光子を含むシステム用に使用されたピクセルと同じか又は同じでなくてもよいが、ピクセルへ適切な電圧が印加されたときに、図8のシステム及び図9のシステムに何が起きるかを示している。図示された矢印は、検光子を含むLCDシステムが入射光の偏光面を回転させない場合の光照射野のベクトルが有る方向を示している。検光子が取り除かれ、光の位相が回転すると、この矢印は図示された矢印に対して90度の角度を指し示し、これは同図中で「南西」を指し示す矢印によって示される。2本の矢印は、図4の場合のように反対方向は指し示すのではなく、しかし代わりに、お互いに直交しているので、これら二つのベクトルは相殺せず、加算し、結果として、他の二つの矢印のベクトル和を示す北西を指し示す矢印になる。

従って、図8のシステム及び図9のシステムでは、第2の光照射野のエネルギは無駄になるのではなく、第1の光照射野のエネルギを加え、対象となる光照射野の強度の相殺を生じることもない。この結果、本システムでの点の（明るさの）強度は、図7のシステムの強度よりも高い。

本明細書で、好ましい実施例が開示されたものの、本発明の概念及び範囲に留まる、多数の変更が可能である。仕様、図面、及び記載の請求項の精査の後、当業者の１人にとっては、斯様な変更が明らかになろう。これゆえ、本発明は添付の請求項の意図及び範囲を除き、制限されるものではない。

対象物の3-D画像を記録するシステム及び方法を例示する。液晶材料層に電圧が印加されていない場合の、反射型LCD装置の動作原理を例示する。液晶材料層に電圧が印加されている場合の、反射型LCD装置の動作原理を例示する。液晶材料層に電圧が印加されていない場合の、透過型LCD装置の動作原理を例示する。液晶材料層に電圧が印加されている場合の、透過型LCD装置の動作原理を例示する。背面からの平行光線が投影されているスクリーンを示す。フレネルのゾーンプレートと呼ばれる、明暗の「縞模様」へのスクリーンの分割の例を示す。図5の明暗のエリアが反転された、フレネルのゾーンプレートを示す。図5のパターンがLCD上に置かれたとき、背面からの平行光線が投影されているスクリーンを示す。電子ホログラム表示システムの、第1の実施例を示す。電子ホログラム表示システムの、第2の実施例を示す。図8のシステム又は図9のシステムから生成された背面からの平行光線が投影されているスクリーンを示す。

Claims

コヒーレントな平行光線を作るためのコヒーレント光源と、
第1の偏光をもつ第1の部分と、前記第1の偏光に直交する第2の偏光をもつ第2の部分とを含む空間的に変調された光線を作るために、前記コヒーレントな平行光線を受光し、空間的に変調する空間光変調器（SLM）と、
ホログラム画像を表すホログラムデータを生成し、前記SLMがホログラムデータで前記コヒーレントな平行光線を変調するよう、前記SLMのピクセルへ適切な電圧を印加するデータプロセッサ及び駆動ユニットとを有する、ホログラム画像を表示するための電子ホログラム表示システムであって、前記第1の偏光をもつ前記第1の部分と、前記第1の偏光に直交する前記第2の偏光をもつ前記第2の部分とを含む前記ホログラム画像を作るために、前記空間的に変調された光線が画像面に投影される、電子ホログラム表示システム。
前記SLMが反射型の液晶表示（LCD）装置である、請求項1に記載のシステム。
前記コヒーレントな光源からの前記コヒーレントな平行光線を前記反射型のLCD装置へ導き、前記反射型のLCD装置からの前記変調された光線を前記画像面へと導くビームスプリッタを更に有する、請求項2に記載のシステム。
前記SLMがシリコンの上にある反射型の液晶表示（LCOS）装置である、請求項1に記載のシステム。
前記コヒーレントな光源からの前記コヒーレントな平行光線を前記反射型のLCOS装置へ導き、前記SLMからの前記変調された光線を前記画像面へと導くビームスプリッタを更に有する、請求項4に記載のシステム。
前記SLMが透過型の液晶表示（LCD）装置である、請求項1に記載のシステム。
前記コヒーレントな光源がレーザである、請求項1に記載のシステム。
コヒーレントな平行光線を、複数のピクセルを有する空間光変調器（SLM）へ供するステップと、
第1の偏光をもつ第1の部分と、前記第1の偏光と直交する第2の偏光をもつ第2の部分とを含む、空間的に変調された光線を作るために、前記SLMが、ホログラムのデータで前記コヒーレントな平行光線を変調するための適切な電圧を前記SLMのピクセルに印加するステップと、
前記第1の偏光をもつ前記第1の部分と、前記第1の偏光と直交する前記第2の偏光をもつ前記第2の部分とを含むホログラム画像を作るために、前記空間的に変調された光線を画像面に投影するステップとを有する、ホログラム画像を表示する方法。
前記SLMが反射型の液晶表示（LCD）装置である、請求項8に記載の方法。
前記SLMがシリコン上にある反射型の液晶表示（LCOS）装置である、請求項8に記載の方法。
前記SLMが透過型の液晶表示（LCD）装置である、請求項8に記載の方法。
前記コヒーレントな光源が発光ダイオード及びレーザの少なくとも一つを含む、請求項8に記載の方法。