JP2011501213A - エレクトロウェッティングセルを使用する空間光変調器 - Google Patents

Abstract

空間光変調器は画素を備え、各画素について、画素により送信された光照射野の振幅及び位相の少なくともいずれかがエレクトロウェッティングセルにより変調される。
【選択図】 図１ａ

Description

１．発明の分野
本発明は、空間光変調器及びそのような空間光変調器を含む装置、特にホログラフィック表示装置に関する。

２．技術的背景
空間光変調器（ＳＬＭ）は、従来技術において周知である。種々の物理的原理に基づく種々のＳＬＭが存在する。ＳＬＭは、画像を反射又は透過するため、あるいは電気入力又は光入力に対応するホログラフィック再構成を生成するために、空間パターンで入射光照射野を変調する光学装置である。一般にＳＬＭは、入射光照射野を透過又は反射できるアドレス指定可能な要素（画素）の１次元アレイ又は２次元アレイを含む。確立した例は、電圧により誘起される複屈折が入射光照射野の振幅又は位相を変調するために使用される液晶（ＬＣ）変調器である。空間光変調器は、可変の又は適応的な光コンポーネントを利用する光学技術及び光学情報処理のほぼ全ての分野で使用される。空間光変調器の応用例の範囲は、ディスプレイ及び投影システムから顕微鏡技術、ビーム及び波面成形、光計測、マスクレスリソグラフィ、地上望遠鏡における収差補正に対する超高速レーザパルス変調に及ぶ。

種々のＳＬＭが従来技術において周知である。それらのＳＬＭには、例えば電気アドレス型ＳＬＭ（ＥＡＳＬＭ）、光アドレス型ＳＬＭ（ＯＡＳＬＭ）及び光磁気ＳＬＭ（ＭＯＳＬＭ）が含まれる。

ＳＬＭは、画素アレイを含んでもよい。「画素（pixel）」という用語は、「ピクチャエレメント（picture element）」から派生し、デジタルイメージングと関連付けられる用語である。ＳＬＭにおいて、「画素」は、閲覧者により見られる画像のピクチャエレメントの表示を制御するハードウェア素子である。閲覧者により見られる画像は、３次元シーンのホログラフィック表現であってもよい。

従来のＳＬＭは、種々の欠点を有する。今日市販されている殆どの液晶空間光変調器は、８ミリ秒より長い応答時間に対応する６０〜１２０Ｈｚの範囲の再生速度を示す。そのようなスイッチング速度は、多くの応用例に対して十分である。しかし、更に速いスイッチング、すなわち更に高いフレームレートを要求する応用例が多く存在する。これは、特に時分割多重化方法を含む応用例を含む。時分割多重化の可能な応用例は、異なる観察者に異なる情報を提示するディスプレイである。そのようなディスプレイは、光の方向を異なる観察者へと変更し、同時に観察者毎に指定されたディスプレイの情報コンテンツを変更する。観察者毎の再生速度が約６０Ｈｚより速い限り、すなわち応答時間が１７ｍｓ未満である限り、観察者は表示される画像のちらつきを知覚しない。可能な応用例は自動車のディスプレイであり、運転者がナビゲーションシステムを見たいと考える一方で、別の同乗者は映画を見たいと考える。別の例は３Ｄ裸眼立体ディスプレイであり、全ての観察者が自身の位置から３Ｄシーンを見たいと考える。

本明細書で開示される実現例の目的は、光照射野の振幅又は位相、あるいは振幅及び位相を空間変調することであり、所望の値の時間変調はＬＣ ＳＬＭと比較される。一般に振幅は変域（０〜１）全体において調整可能であり、その一方で、一般に位相は変域（０〜２π）全体において調整可能であり且つ目標とする再生速度は数百Ｈｚ〜数ｋＨｚの範囲内である。すなわち、５ミリ秒以下であるが一般に１００μ秒以上である応答時間に対応する。実現例の更なる目的は、平面１次元アレイ又は平面２次元アレイの個々の画素間の振幅値及び／又は位相値の相対的な変化により振幅範囲及び／又は位相範囲全体を範囲に含むことである。

本発明に準拠するＳＬＭは、ＳＬＭが採用される任意の周知の応用例において使用されてもよいことが当業者には理解されるだろう。本明細書で説明する空間光変調器の応用例はホログラフィックディスプレイに限定されないが、ホログラフィックディスプレイは本明細書で説明する空間光変調器の好適な応用例である。本明細書で説明するＳＬＭは、任意の周知の形態のホログラフィックディスプレイにおいて使用されてもよいことが当業者には理解されるだろう。しかし、計算機生成ビデオホログラムを生成することに対する本出願人の好適な方法について以下に説明する。

計算機生成ビデオホログラム（ＣＧＨ）は、１つ以上の空間光変調器（ＳＬＭ）において符号化される。ＳＬＭは、電気制御可能なセル又は光制御可能なセルを含んでもよい。セルは、ビデオホログラムに対応するホログラム値を符号化することにより光の振幅及び／又は位相を変調する。ＣＧＨは、例えばコヒーレント光線追跡により計算されてもよく、シーンにより反射される光と参照波との間の干渉をシミュレートすることにより計算されてもよく、あるいはフーリエ変換又はフレネル変換により計算されてもよい。ＣＧＨ計算方法は、例えば内容が参考として取り入れられる特許文献１及び特許文献２において説明される。理想的なＳＬＭは、任意の複素数を表すこと、すなわち入射光波の振幅及び位相を別個に制御することが可能である。しかし、一般的なＳＬＭは、振幅又は位相のうち一方の特性のみを制御し、他方の特性にも影響を及ぼすという望ましくない副作用を伴う。光の振幅又は位相を空間変調する種々の方法が存在し、例えば電気アドレス型液晶ＳＬＭ、光アドレス型液晶ＳＬＭ、光磁気ＳＬＭ、マイクロミラーデバイス又は音響光学変調器がある。光の変調は、空間的に連続していてもよく、あるいは個別にアドレス指定可能なセルにより構成されてもよい。セルは１次元又は２次元に配置され、２値であるか、多値であるか又は連続している。

本明細書において、「符号化」という用語は、３ＤシーンがＳＬＭから再構成可能であるように、ホログラムを符号化する制御値が空間光変調器の領域に供給される方法を示す。

単なる裸眼立体ディスプレイとは異なり、観察者は、ビデオホログラムにより３次元シーンの光波面の光学再構成を見れる。３Ｄシーンは、観察者の眼と空間光変調器（ＳＬＭ）との間又は可能性としてＳＬＭの後方に広がる空間において再構成される。観察者がＳＬＭの前方で再構成された３次元シーンの物体を見ることができ且つＳＬＭ上又はＳＬＭの後方に他の物体を見ることができるように、ＳＬＭはビデオホログラムにより更に符号化される。

空間光変調器のセルは、光が通過する透過型セルであってもよく、その光線は少なくとも規定された位置で数ｍｍの空間的コヒーレンスの長さにわたり干渉を発生させることができる。これにより、少なくとも１次元で適切な解像度のホログラフィック再構成が可能になる。この種の光は、「十分にコヒーレントな光」と呼ばれる。しかし、反射型幾何学的配置において動作するセルも可能である。

十分な時間的コヒーレンスを保証するために、光源から放射される光のスペクトルは、十分に狭い波長範囲に限定される必要がある。すなわち、その光のスペクトルは近単色である必要がある。高輝度ＬＥＤのスペクトル帯域幅は十分に狭く、ホログラフィック再構成に対する時間的コヒーレンスを保証する。ＳＬＭにおける回折角は波長に比例し、これは、単色光源のみが物点の鮮明な再構成をもたらすことを意味する。広いスペクトルにより、物点は広くなり且つ物体再構成はにじむ。レーザ光源のスペクトルは、単色であると考えられる。ＬＥＤのスペクトル線幅は十分に狭く、適切な再構成を容易にする。

空間的コヒーレンスは、光源の横方向の範囲に関連する。ＬＥＤ又は冷陰極蛍光灯（ＣＣＦＬ）等の従来の光源が十分に狭い開口部を介して光を放射する場合、それらの従来の光源はそれらの要求を満たすことができる。レーザ光源からの光は、回折限界内で点光源から生じると考えられ、モード純度に依存して物体の鮮明な再構成をもたらす。すなわち、各物点は、回折限界内の点として再構成される。

空間的にインコヒーレントな光源からの光は、横方向に拡大され、再構成物体のにじみの原因になる。にじみの量は、所定の位置において再構成された物点の拡大されたサイズにより与えられる。ホログラム再構成に対して空間的にインコヒーレントな光源を使用するために、開口部を有する光源の横方向の範囲を限定することと輝度との間の妥協点を見つける必要がある。光源が小さい程、その空間的コヒーレンスは向上する。

線光源は、その長手方向の範囲に対して９０度の角度から見ると点光源であると考えられる。光波は、その方向にコヒーレントに伝播するが、その他の全ての方向にはインコヒーレントに伝播する。

一般に、ホログラムは、水平方向及び垂直方向の波のコヒーレントな重畳によりシーンをホログラムとして再構成する。そのようなビデオホログラムは、全方向視差ホログラムと呼ばれる。再構成された物体は、実際の物体のように水平方向及び垂直方向の運動視差を伴って見られる。しかし、視野角を大きくするには、ＳＬＭの水平方向及び垂直方向の双方の解像度が高い必要がある。

多くの場合、ＳＬＭに対する要求は、水平視差のみの（ＨＰＯ）ホログラムに制限することにより軽減される。ホログラフィック再構成は水平方向にのみ行なわれ、垂直方向のホログラフィック再構成は存在しない。その結果、水平運動視差を有する再構成物体が得られる。透視投影画像は、垂直運動に対して変化しない。ＨＰＯホログラムは、全方向視差ホログラムと比較して垂直方向のＳＬＭの解像度が低いことを要求する。垂直視差のみの（ＶＰＯ）ホログラムも可能であるが一般的ではない。ホログラフィック再構成は、垂直方向にのみ行なわれ、その結果として垂直運動視差を有する再構成物体が得られる。水平方向の運動視差は存在しない。左眼及び右眼に対する異なる透視投影画像は、別個に作成される必要がある。

本明細書で説明する一部の実現例において、エレクトロウェッティングセルが使用される。「エレクトロウェティング」という用語が最初に使用されたのは１９８１年であった。「エレクトロウェッティング」は、非特許文献１において使用された。エレクトロウェッティング効果は、元々は「固体と電解液との間の印加された電位差による固体と電解液との接触角の変化」と規定された。その後、エレクトロウェッティングに基づく多くの装置が考案された。エレクトロウェッティング現象は、印加された電界の結果得られる力の点で理解される。電解液の液滴の角のフリンジ電界は、液滴を電極に落とし、肉眼で見える接触角を小さくし且つ液滴の接触面積を増加する。あるいは、エレクトロウェッティングは、熱力学の観点から考察される。界面の表面張力は、その表面の特定の領域を作成するのに必要とされるギブスの自由エネルギーとして規定されるため、化学成分及び電気成分の双方を含む。化学成分は、電界のない固体／電解液の界面の固有の表面張力である。電気成分は、導体と電解液との間に形成されるコンデンサに蓄積されたエネルギーである。本明細書において、「エレクトロウェッティングセル」という用語は、特に波動場の振幅及び／又は位相を変更する単一の光学素子を説明する。エレクトロウェッティングセルは、少なくとも２つの異なる不混和流体又は液体、特に水のような導電性の極性流体又は液体及び油のような非導電性流体又は液体で充填されるセルの壁を有するチャンバを含む。尚、流体は液体又はガスであってもよいことが理解される。一般に流体は、材料の位相の部分集合であり、液体、（飽和した）ガス、プラズマ及び多少の塑性固体を含む。尚、本明細書の状況内での「エレクトロウェッティング」という用語は「誘電体上のエレクトロウェッティング」（ＥＷＯＤ）としても理解される。

３．従来技術の説明
本出願人により出願された特許文献３（特許文献１）は、十分にコヒーレントな光の開設により３次元シーンを再構成する装置を説明する。装置は、点光源又は線光源、光を集束するレンズ及び空間光変調器を含む。従来のホログラフィックディスプレイとは異なり、透過モードのＳＬＭは少なくとも１つの「仮想観察者ウィンドウ」（この用語及び関連技術の説明については付録Ｉ及び付録IIを参照）において３Ｄシーンを再構成する。各仮想観察者ウィンドウは、観察者の眼に近接して位置し、仮想観察者ウィンドウが単一の回折次数に位置するようにサイズ制限されるため、各眼は、ＳＬＭ表面と仮想観察者ウィンドウとの間にわたる錐台形状の再構成空間において３次元シーンの完全な再構成を見れる。外乱のないホログラフィック再構成を可能にするためには、仮想観察者ウィンドウのサイズは再構成の１つの回折次数の周期間隔を超えてはならない。しかし、そのサイズは、少なくとも閲覧者がウィンドウを通して３Ｄシーンの再構成全体を見れるようにするのに十分な大きさである必要がある。他方の眼は、同一の仮想観察者ウィンドウを通して見ることができるか又は第２の光源により作成される第２の仮想観察者ウィンドウを割り当てられる。本明細書において、可視領域、すなわち観察者が正確な再構成を見れる位置の範囲は非常に大きいが、局所的に位置付けられる仮想観察者ウィンドウに制限される。この仮想観察者ウィンドウ解決策は、従来のＳＬＭ表面の更に大きな面積及び高解像度を使用して、仮想観察者ウィンドウのサイズである更に小さな面積から閲覧される再構成を生成する。これにより、幾何学的な理由による小さな回折角及び現在のＳＬＭの解像度は、手頃な消費者レベルの計算機器を使用して高品質なリアルタイムホログラフィック再構成を達成するのに十分であるという結果が得られる。

３次元画像を生成する移動電話は、特許文献４で開示される。しかし、特許文献４で開示される３次元画像は、裸眼立体を使用して生成される。裸眼立体で生成された３次元画像の１つの問題は、一般的に画像がディスプレイ内にあるように閲覧者が知覚する一方で、閲覧者の眼がディスプレイの表面上に焦点を合わせる傾向があることである。閲覧者の眼が焦点を合わせる場所と３次元画像の知覚された位置との不一致により、多くの場合、閲覧者はしばらく後に不快感を感じる。この問題は、ホログラフィにより生成された３次元画像の場合には起こらないか又は大きく軽減される。

米国特許出願公開第２００６／０５５９９４号明細書 米国特許出願公開第２００６／１３９７１０号明細書 国際公開第ＷＯ２００４／０４４６５９号 米国特許出願公開第２００６／０２２３０４９号明細書

G.Beni及びS.Hackwood，Apps. Phys. Lett. 38, 4、pp.207-209（1981年）.

本発明によれば、空間光変調器は画素を備え、各画素について、画素により送信された光照射野の振幅及び位相の少なくともいずれかがエレクトロウェッティングセルにより変調される。

特に光照射野の振幅を変調する空間光変調器の好適な一実施形態において、エレクトロウェッティングセルの各々は、ほぼ透明な電極と疎水性の分離層とにより被覆されたほぼ透明な第１の基板と、画素を分離する側壁と、不透明または吸収性のある液体と、導電性または極性を有する液体とを含む、少なくとも２つの不混和性の液体と、ほぼ透明な第２の基板とを備え、エレクトロウェッティングセルを通過する光量は、導電性または極性を有する液体に印加される電圧により制御される。ここではエレクトロウェッティングセルが少なくとも２つの不混和性の液体を備える場合を説明したが、一般には、エレクトロウェッティングセルの液体の代わりに、不混和性の流体を用いることもできる。

好適には、エレクトロウェッティングセルの各々は、ほぼ透明な電極と疎水性の分離層とにより被覆されたほぼ透明な第１の基板と、画素を分離する側壁と、不透明または吸収性のある第１の液体と、導電性または極性を有する第２の液体とであって、互いに混和しない２つの液体と、ほぼ透明な第２の基板とを備え、エレクトロウェッティングセルを通過する光量は、導電性または極性を有する液体に印加される電圧により制御される。

導電性または極性を有する液体とほぼ透明な第２の基板との間の接触角が、種々の電圧を印加することにより連続的に変更可能であり、それによりエレクトロウェッティングセルにおける連続的に可変な吸収が実現されるように構成することもできる。

第２の基板の上面は、光を透過する開口部がほぼ中央に配設された、光学的に不透明な層で被覆することもできる。

好適には、電極と対電極との間に交流電圧または直流電圧が印加されているときは、エレクトロウェッティングセルはＯＮ状態であり、導電性または極性を有する液体は静電力により疎水性の絶縁層に引き寄せられ、これにより、ほぼ透明な第１の基板上の中央のスポットの周囲に存在する不透明または吸収性のある液体が移動し、また、電極と対電極との間に電圧が印加されていないときは、エレクトロウェッティングセルはＯＦＦ状態である。

一実施形態においては、不透明または吸収性のある液体は、電圧が印加されていないときは当該不透明または吸収性のある液体が底面部にわたって広がるように、エレクトロウェッティングセルの縁部に配置することもでき、好適な手段により当該位置に位置づけられ、小さな分離リングがエレクトロウェッティングセルの中央に位置づけられ、これにより、導電性または極性を有する液体に永続的に接触することと、エレクトロウェッティングセルに電源が投入されたときに不透明または吸収性のある液体が全ての方向に均一に広がることとが保証される。

特に光照射野の位相を変調する空間光変調器の好適な実施形態において、エレクトロウェッティングセルの各々は、可変に調整可能な少なくとも２つの光学界面を有する少なくとも３つの不混和性液体層を備え、液体の少なくとも２つは異なる光学特性を示す。３つの不混和性液体層の中央の液体層は、位相変調のために高次で動作する、傾斜したほぼ平面なプレートを形成することもできる。

３つの不混和性液体層の中央の液体層は傾斜したほぼ平面なプレートを形成することができ、必要ならば、第１のエレクトロウェッティングセルを伝わる光ビームの横方向のオフセットを補償するために、当該第１のエレクトロウェッティングセルの後に第２のエレクトロウェッティングセルが設けられる。

３つの不混和性液体層の中央の液体層は傾斜したほぼ平面なプレートを形成することができ、必要ならば、エレクトロウェッティングセルを伝わる光ビームの横方向のオフセットを補償するために、当該エレクトロウェッティングセルのビーム出射側に固定プリズムが設けられる。

３つの不混和性液体層の中央の液体層は傾斜したほぼ平面なプレートを形成することができ、必要ならば、エレクトロウェッティングセルを伝わる光ビームの横方向のオフセットを補償するために、当該エレクトロウェッティングセルのビーム入射側に固定プリズムが設けられる。

３つの不混和性液体層の中央の液体層は傾斜した平面なプレートを形成することができ、必要ならば、エレクトロウェッティングセルを伝わる光ビームの横方向のオフセットを防止するために、当該エレクトロウェッティングセルのビーム出射側の中央位置に開口部が設けられる。

本発明の他の実施形態では、各画素について、画素毎に連続する２つのエレクトロウェッティングセルを用いて光照射野が複素数に基づき変調され、２つのエレクトロウェッティングセルは、複素数の振幅及び位相の別個の変調を可能にする。２つのエレクトロウェッティングセルは、画素間のクロストークが０又は許容可能なレベルに保たれるように、十分に近接して配置することもできる。

複数の画素は、ラインアレイ又はマトリクスの形態で配置することもできる。

各画素により送信される光照射野の振幅は、５ｍｓ以下であるか、１００μｓ以上であるか、またはその両方を満たすスイッチング時間で変調することもできる。空間光変調器は、従来のスイッチング周波数であって好適には１５Ｈｚから数ＫＨｚの範囲の周波数で動作可能に構成することもできる。これに代えて、またはこれに加えて、空間光変調器は、所定の期間、所定の状態を維持するように動作可能に構成することもできる。

エレクトロウェッティングセルは集束素子の焦点の近傍に位置づけることもできる。エレクトロウェッティングセルのサイズは、集束素子のサイズよりも小さくするか、はるかに小さくすることもできる。

エレクトロウェッティングセルを通過して伝達する光は、該エレクトロウェッティングセルに割り当てられた少なくとも１つの光ビーム形成手段により、球状又は円柱状の出力波面で送信することもできる。

変調された光は、可視光と、近赤外光と、近紫外光との少なくともいずれかとすることもできる。空間光変調器は、軍用アプリケーション、特にレーザレーダシステムで用いることもできる。空間光変調器は、副次的な光源を形成するために用いることもできる。空間光変調器は、可変振幅を有する光源アレイを形成するために用いることもできる。あるいは、空間光変調器は、可変位相を有する光源アレイを形成するために用いることもできる。空間光変調器は、伝達又は反射型幾何学的配置において用いることもできる。

空間光変調器は３Ｄディスプレイにおいて用いることもできる。空間光変調器は、ホログラフィックディスプレイ、立体ディスプレイ、又は自動立体ディスプレイにおいて用いることもできる。１以上の観察者の目に対して、１つ又は２つの仮想観察者ウィンドウを用いることもできる。

空間光変調器は、２次元振幅変調ディスプレイにおいて用いることもできる。

本発明の一側面によれば、装置は請求項１から３２のいずれか１項に記載の空間光変調器を備え、この装置は、位相及び振幅の少なくともいずれかを変調する装置か、または、複素光波変調装置である。

本発明の他の側面によれば、ディスプレイ装置は、請求項１から３２のいずれか１項に記載の空間光変調器を備える。ディスプレイ装置は数百万個以下の画素を有することができる。ディスプレイ装置はディフューザフォイルを有することもできる。

ディスプレイ装置は２Ｄ位相変調ディスプレイ装置または自働立体ディスプレイ装置とすることができる。あるいは、ディスプレイ装置はホログラフィックディスプレイ装置とすることもできる。ホログラフィックディスプレイ装置は、好適には観察者の目に対して仮想観察者ウィンドウを使用する。

本発明の更に他の側面によれば、方法は請求項３４から３８のいずれか１項に記載のディスプレイ装置を使用し、ディスプレイは空間光変調器を照明するための光源及び光学系を有し、この方法は、各画素について、当該画素の各々により送信された光照射野の振幅及び位相の少なくともいずれかをエレクトロウェッティングセルを用いて変調する工程を有する。

、 、 中央に吸収油の液滴を有する１つのエレクトロウェッティングセルを示す概略断面図であり、図１（ａ）はＯＮ状態のセルを示し、図１（ｂ）はＯＦＦ状態のセルを示し、図１（ｃ）は部分的に光が減衰している状態のセルを示す図である。 、 第１の集束素子及び焦点を共有するように位置付けられる第２の集束素子の焦点近くに位置付けられるエレクトロウェッティングセルを含む１つの表示画素を示す断面図である。 、 ディフューザフォイルが後続する集束素子の焦点近くに位置付けられるエレクトロウェッティングセルを含む１つの表示画素を示す断面図である。 、 円形のピンホール開口部を含むエレクトロウェッティングセルと球状集束素子との組合せ及びスリット開口部を含むエレクトロウェッティングセルと円柱状の集束素子との別の組合せを示す図である。 、 ＯＮ状態のセル及びＯＦＦ状態のセルをそれぞれ有するリング形状の吸収油の液滴を含む１つのエレクトロウェッティングセルを示す概略断面図である。 表面レリーフ格子内の液晶の制御可能な屈折率n_LCが固定焦点の制御可能な強度を結果として与える方法を示す図である。回折光の部分（破線）は、回折構造の回折効率ηに依存する。回折効率は、変調の変更Δn(U)＝n_LC(U)-n_substrateにより変更される。 振幅変調を実現するために表面レリーフ格子及び液晶の組合せの異なる構成を示す図である。 高いコントラストの振幅変調装置を達成するために円形の焦点が使用される方法を示す図である。レンズの焦点距離を変更することにより、透過される強度値が選択される。円形のスポットは、アキシコン及びレンズの組合せにより実現される。レンズの前方の円形位相機能は、円形の焦点を取得するために使用される。拡大された円形の焦点は、光が開口絞りＡＳの中央のクリア域を通過しないように開口絞りＡＳにより遮光される。従って、高いコントラストが達成される。 レンズ及びレンズの後方に配置されるアキシコンのセットアップを示す図である。 円形の焦点を形成するレンズ及びアキシコンの組合せを示す側面図である。 レンズ及びアキシコンの組合せの後方の円形の焦点を示す図である。 円形の焦点を形成するレンズ及びアキシコンの組合せを通るビームパスを示す側面図である。円形の焦点の直径は、レンズの焦点距離を変更することにより連続的に変更される。 単一の素子においてレンズをアキシコンと組み合わせることにより円形の焦点を生成することを示す図である。 図１３に示すセットアップの像面において実現された円形の焦点を示す図である。 焦点距離ｆを長くした場合に図１３に示すセットアップの像面において実現された焦点を示す図である。図１４と比較すると、焦点距離はこの例において３０％拡張されている。 、 エレクトロウェッティングセルを使用する光位相変調素子を示す図である。 、 エレクトロウェッティングセルを使用する光位相変調素子を示す図である。 エレクトロウェッティングセルを使用する光位相変調素子を示す図である。 ビーム伝播方向を変更するためのプリズムを有し且つエレクトロウェッティングセルを使用する光位相変調素子を示す図である。 ビームが出射する側に開口部を有し且つエレクトロウェッティングセルを使用する光位相変調素子を示す図である。 図１６に示す例に対して計算される傾斜角γの関数として横方向ビームオフセット又はビームの横方向シフト、光路長の差及び位相遅れをそれぞれ示す図である。 振幅及び位相変調が順次適用される本発明の好適な一実施形態の光学配置を示す図である。 光源アレイが提供され、光源アレイの単一の光源が可変／調整可能位相値を含む本発明の好適な一実施形態の光学配置の一部を示す図である。 光源アレイが提供され、光源アレイの単一の光源が可変／調整可能位相値及び振幅値を含む本発明の好適な一実施形態の別の光学配置の一部を示す図である。

次に、種々の実現例を説明する。

〔Ａ．光照射野の振幅を変調する空間光変調器及びエレクトロウェッティングセルを使用する表示装置〕
本実現例は、空間光変調器に関し、特に、画素毎にその画素により透過される光照射野の振幅がエレクトロウェッティングセルにより変調される画素を含む空間光変調器に関する。空間光変調器は、所望のビデオホログラムを生成するために使用されてもよい。

本実現例は、空間光変調器に関し、特に、光照射野の振幅が空間変調される動的な計算機生成ホログラムを表示するのに適する空間光変調器に関する。更に本実現例は、実現例に係る空間光変調器を内蔵するアクティブマトリクス表示装置に関し、特にエレクトロウェッティング表示装置に関する。また、本実現例は、本実現例の光変調器を内蔵し且つ個々に調整可能な強度を有する切替可能な光源及び光源アレイに関する。

本実現例の目的は、エレクトロウェッティング原理及び対応する表示装置を使用して光照射野の高速又は超高速振幅変調を提供することである。しかし、空間光変調器は、従来のスイッチング周波数で動作可能であってもよい。

各エレクトロウェッティングセルは、少なくともほぼ透明な電極及び疎水性の分離層により被覆されるほぼ透明な第１の基板と、画素を分離する側壁と、不混和性である第１の不透明な液体又は吸収液体及び第２の導電性液体又は極性液体と、ほぼ透明な第２の基板とを含む。エレクトロウェッティングセルを通過する光量は、導電性液体又は極性液体に印加される電圧により制御される。

第１の実現例によると、複数のエレクトロウェッティングセルを有する空間光変調器が提供される。好適な一例において、各セルは：
−ほぼ透明な電極及び疎水性の分離層により被覆される第１のほぼ透明な基板と；
−画素を分離する側壁と；
−不混和性の第１の不透明な液体又は光吸収液体及び第２の導電性液体又は極性液体と；
−中央に透明な開口部（アパーチャ）が配設されたほぼ光を吸収する層によりオプションとして被覆される第２のほぼ透明な基板とを含み、
エレクトロウェッティングセルは、集束素子の焦点に近接して位置付けられ、エレクトロウェッティングセルを通過する光量は、第１の不透明な液体の接触角が変更され且つ不混和性液体間の界面の形状が変更されるように第２の液体に印加される電圧により制御され、その結果、多少の光が不透明な液体により吸収される。エレクトロウェッティングセルは、集束素子より小さいか又ははるかに小さい。印加される電圧は、電気アドレス型ＳＬＭ等における電位差の制御可能電源等から直接印加される。導電性液体又は極性液体と第１のほぼ透明な基板との間の接触角は、種々の電圧を印加することにより連続的に変更可能であり、それによりセルにおける連続的な可変吸収を実現する。

本実現例に係る表示装置は、光源、第１の集束素子、エレクトロウェッティングセル及び第２の集束素子を含む。表示装置の最小画素ピッチは、光集束素子のサイズにより規定される。

第２の実現例によると、１つ以上のエレクトロウェッティングセルを有する切替可能な点光源又は点光源アレイが提供される。本実現例に係る切替可能な点光源又は点光源アレイは、光源、集束素子及びエレクトロウェッティングセルを含む。

「不透明」、「吸収」及び「透明」という用語は、波長に依存する材料特性を示す。すなわち、それらの用語は、振幅が本実現例に係る変調器を使用して変調される電磁放射の波長に関連する。本実現例に係る変調器は、可視光線のスペクトル域に限定されず、近赤外線及び近紫外線を含む。例えば、レーザレーダシステム等の近赤外線での軍用アプリケーションが可能である。

次に、特定の例を使用して実現例を詳細に説明する。その例は、エレクトロウェッティング方法に関し、種々の集束素子と組み合わされて振幅変調空間光変調器を実現できる。空間光変調器は、表示装置において、特にホログラフィック表示装置において使用される。これらの空間光変調器を使用して、可変振幅を有する副次的な光源又は光源アレイを形成できる。副次的な光源は、表示装置のバックライトユニット（ＢＬＵ）において使用されてもよい。

図１は、エレクトロウェッティングセルの第１の例を示す。エレクトロウェッティングセルは、２つの不混和性液体で充填される密閉中空体を含む。一方の液体は、光を透過し、極性であり且つ導電性である。これは、以下において水性液体と呼ばれる。液体は食塩水であってもよく、あるいは極性又は導電性液体であってもよく、あるいはイオン成分を加えることにより導電性にされる任意の他の液体であってもよいことは、従来技術において周知である。第２の液体は、例えば油性液体である光を透過しない光吸収液体を含む。この第２の液体は、絶縁体であるか又は非極性である。適切な材料は、例えば油、アルカン又はアルカン混合物である。双方の液体は、重力又は機械振動による形状偏差を防止するように同一又は同様の密度を有するのが好ましいことは周知である。

光吸収液体の形状は、透過された光放射が減衰されないように、あるいは部分的又は完全に減衰されるようにエレクトロウェッティング原理を利用する特別な方法で変更される。本実現例に係るエレクトロウェッティングセルは、オプションとして透明であり且つ導電性である電極薄膜（例えば、約５０〜１００ｎｍの厚さの酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層）が塗布される透明な基板（例えば、ガラス又はプラスチック）を含む。ＩＴＯ被膜は、例えばスパッタリング法を使用して塗布される。その後、例えば約１μｍの厚さの疎水性誘電体絶縁層が浸漬被覆及び硬化等により電極膜に塗布される。この絶縁膜は、例えばフッ化溶液に溶解される非晶質フルオロポリマー（例えば、テフロン（登録商標））を使用して作成される。追加のセンタリング手段が例えば疎水性スポットであるセルの中心に配設されてもよく、油性液体の液滴が好適な位置に保持されるのを可能にする。セルの側壁は、例えばリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）又はプラズマエッチング（ＩＣＰ）等の一般に使用されるエッチング処理を使用してシリコンを成形することにより作成される。あるいは、光構造化方法が使用され、側壁はフォトレジストを使用して形成される。シリコン壁が使用される場合、それらのシリコン壁は対電極を直接形成する。フォトレジスト壁が使用される場合、それらのフォトレジスト壁は導体で塗布されてもよく、又給電線は水性液体量で直接終端してもよい。更なる薄いカバー基板はセルを密閉する。

エレクトロウェッティングセルの好適な一例によると、カバー基板の上面は、中央に配設された光を透過する開口部（ピンホール開口部）を示す光を透過せず且つ好ましくは光を吸収する層により被覆される。この開口部は、空間フィルタリングを行ない、調整可能な強度を有する副次的な光源を表す。本実現例において、光は球状又は円柱形の出力波面を有するエレクトロウェッティングセルを透過される。セルは、焦点に近接して位置付けられるか、あるいは光線束又はガウスビームのビームウエストに近接して位置付けられる。図１に示すように、直流電圧又は交流電圧が電極と対電極との間に印加される場合、セルはＯＮ状態である。この状態において、導電性液体、極性液体又は水性液体は、静電力により疎水性絶縁層に引き付けられ、それにより、中央のスポットの周辺に位置付けられる不透明な液滴又は吸収する液滴又は油性液滴を変位させる。その結果、光の大部分はセルを透過する。図１（ｃ）に示すように、種々の電圧を印加することにより、水の接触角は連続的に変化し、それによりセルにおける連続的な可変吸収を実現し、結果としてエレクトロウェッティングセルを通過する光の振幅Ａが得られる。図１（ｂ）に示すように、電圧が印加されない場合、セルはＯＦＦ状態である。誘電体基板の疎水性被覆のために、油液滴は底面部全体又は少なくともその底面部の大部分にわたり広がる。セルに入射する光は、ＯＦＦ状態で完全に吸収される。

図５は、エレクトロウェッティングセルの第２の例を示す。図１の第１の例とは異なり、不透明な液体、吸収液体又は油性液体は、エレクトロウェッティングセルの縁部に配置され、適切な手段によりこの好適な位置に保持される。電圧が印加されない場合、油性液体は底面部にわたり広がる。小さな分離リングはセルの中央に位置付けられるのが好ましく、これにより、水性溶液に永続的に接触すること及びセルの電源が投入された時に油が全ての方向に均一に広がることを保証する。エレクトロウェッティングセルの構成の他の例は、当業者には明らかだろう。

図２は、表示装置の第１の例に係る２つの収束素子又は集束素子と組み合わせてエレクトロウェッティングセルを使用することを示す。これらの３つの素子の組合せは、ディスプレイの画素を表す。最小の画素ピッチは、集束素子のサイズにより判定される。エレクトロウェッティング（ＥＷ）セルは、集束素子の横方向の寸法と比較して小さいか又は非常に小さくてもよく、これにより、移動される液体の体積が小さく且つ移動される距離が短いため、非常に速いスイッチング時間が達成される。一般的なスイッチング時間は、１００μｓ〜５ｍｓの範囲であるが、これはセルサイズに大きく依存する。セルは、第１の集束素子の焦点に近接して配設されるか又は光源の中間画像に近接して配設される。位置は、エレクトロウェッティングセルの射出瞳が中間焦点の位置と一致するように選択されるのが好ましい。エレクトロウェッティングセルにおける屈折による中間焦点の軸方向のシフトが考慮されるのが好ましい。エレクトロウェッティングセルの射出瞳は副次的な光源を表し、これは第２の光学素子を介して所望の位置に結像される。図２は、光を再度平行にする屈折マイクロレンズを示す。あるいは、第２の光学素子は、発散効果を有するか、あるいは中間焦点と焦点を共有せずに配設される。図示する光学素子の効果は屈折であってもよいが、反射又は回折であってもよい。図２の２つの図は、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態の画素の状態を示す。ここで、いくつかの他の図面において、１つの画素のみが示されるが、実際の表示装置は最大数百万画素又はそれ以上の任意の数の画素を有してもよいことが当業者には理解されるだろう。尚、図２及び図３に示す単一の画素は縮尺通りではない。図２の画素の辺の長さは、右側に示すレンズの直径とほぼ同一のサイズである。

図３は、表示装置の第２の例に従って収束素子又は集束素子及びディフューザフォイル（拡散フォイル）と組み合わせてエレクトロウェッティングセルを使用することを示す。更なる結像が要求されない場合及びディフューザフォイルが照明される表示面として使用される場合、そのような配置が好ましい。図３の２つの図は、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態の画素の状態を示す。本明細書では１つの画素のみを示すが、実際の表示装置は、最大数百万画素又はそれ以上の任意の数の画素を有してもよいことが当業者には理解されるだろう。

図４は、エレクトロウェッティングセルの種々の例を示す。エレクトロウェッティングセルの開口部は種々の形状を有することができる。既に上述したように、好適な一例は円形の開口部であり、これにより、光が開口部を通して放射される場合に球状の副次的な光波が形成される。別の好適な例は、スリット開口部であり、光が開口部を通して放射される場合に円柱形の副次的な光波が形成される。後者の例において、エレクトロウェッティングセルは矩形の底面を有し、吸収液体は例えば線の形状で配置される。

好適な配置によると、複数の画素はラインアレイ又はマトリクスの形態で配置される。個々の画素は、別個に制御可能である。それらの画素のサイズが小さいため、それらの画素は迅速に又は非常に迅速に切替可能である。ディスプレイの応用例において、マトリクスの形状の配置が好ましい。カラーコンテンツは、時分割多重化方法を使用して原色である赤、緑及び青を順に切り替えることによりディスプレイ上に提示されてもよい。色の混合は、パルス幅変調により達成されてもよく、パルス幅変調は、本実現例に従って表示画素までの途中にある光源において実現されるか、あるいは直接エレクトロウェッティングセルにおいて実現される。後者は、セルのＯＮ状態又はＯＦＦ状態の維持時間を変更することにより達成される。しかし、原色のディスプレイに対する個々のセルも可能である。

本実現例に係る更なる例は、可変光源又は可変光源アレイに関する。光源は、点光源又は線光源の形態を有するのが好ましい。本明細書において、「可変」という用語は、各光源の可変強度を記述するために使用される。図４に例示的に示されるような配置は、可変振幅を有する球状又は円柱形の副次的な光波を生成するために使用される。可変光源又は切替可能光源は、例えばホログラフィックディスプレイ、振幅変調ディスプレイ又は光学測定機器等における応用例にとって興味深い。

エレクトロウェッティングセルの利点は、移動する部分が液体であることである。移動する固体部分がないことにより、移動する固体部分が他の固体部分と機械的に接触している装置と比較して装置の磨耗が低減される。装置の磨耗は、装置の寿命を短くし、ある時間にわたる性能の一貫性を低減させる。

振幅変調が画素毎に実行されてもよいこと及びディスプレイが最大数百万画素又はそれ以上の画素を含んでもよいことは、当業者には理解されるだろう。説明される振幅空間変調器は、ホログラフィックディスプレイ、特に閲覧者が仮想観察者ウィンドウを介してホログラフィック再構成を閲覧するホログラフィックディスプレイ等の３Ｄディスプレイにおいて使用されてもよい。１人以上の観察者の眼に対して１つ又は２つの仮想観察者ウィンドウが使用される。説明する振幅空間変調器は、２次元振幅変調ディスプレイ又は振幅変調空間光変調器が採用される他の応用例において使用されてもよい。説明する振幅空間変調器は、透過型幾何学的配置又は反射型幾何学的配置で使用されてもよい。

〔Ｂ．結像手段及びホログラフィックディスプレイに対する振幅変調装置〕
目的は、２Ｄ又は３Ｄディスプレイにおいて使用される高速振幅変調装置を実現することである。３Ｄディスプレイは、ホログラフィックディスプレイ、特に例えば内容が参考として取り入れられる特許文献１、米国特許出願公開第２００６／１３９７１１号明細書及び特許文献２において説明されるホログラフィに対する本出願人の好適な方法を使用するホログラフィックディスプレイを含む。画素の高速変調により、時間多重化閲覧ウィンドウ又は疎物体再構成によるクロストークの低減のような技術を実現する機会が与えられる。疎物体再構成は、全ての物点の格子の一部のみが所定のフレームに再構成されることを意味する。従って、隣接する物点間のクロストーク量は低減される。例えばｘ方向及びｙ方向の第２の物点のみが１フレーム内で再構成される場合、全ての物点を再構成するのに４つのフレームが必要とされる。これは、より速いＳＬＭ画素が望ましい１つの理由である。例えばｘ方向及びｙ方向のそれぞれにおいて第４の物点のみが再構成される場合、この疎再構成の１６個のフレームが全ての物点を再構成する。

光変調装置の応答時間は、短時間であるべきであり、再構成（又は表示）される物点の実現される強度値の数は、許容可能な品質の画像を閲覧者に提供するのに十分なほど多い必要がある。しかし、空間光変調器は、従来のスイッチング周波数で動作可能であってもよい。ＳＬＭは、振幅変調画素、位相変調画素又は複素値生成画素を有してもよい。

１つの機会は、回折レンズとして動作する表面レリーフ格子を使用することであり、液晶は表面格子構造の溝を充填するために使用される。n_LC＝n_substrateである屈折率整合の状況において、装置は、平面プレートとしての役割を果たす。すなわち、平面波は、伝播方向を変更せずにこの装置を通して伝播する。換言すると、この場合、平面波は格子状の構造を考慮しない。

電圧Ｕが印加される場合、入力光波が通る液晶の屈折率n_LCは変更される。電極は、例えばＩＴＯを使用することにより透明にされる。屈折セットアップにおいて、電圧の連続的な変化は焦点の連続的なシフトの原因になる。回折セットアップにおいて、電圧の連続的な変化は、格子の回折効率の連続的な変化の原因になる。従って、２値表面レリーフ格子は初期強度の０〜１００％の種々の強度値を有する固定焦点を実現できる。回折されない部分は、平面波として素子を通過する。この非回折波は、図６において、光が装置を出射するようにまっすぐに伝わる点線により示される。

図６において、表面レリーフ格子内の液晶の制御可能な屈折率n_LCにより、固定焦点において制御可能な強度が得られる。回折光の一部（図６における装置から出射する光に対する破線）は、回折構造の回折効率ηに依存する。回折効率は、Δn(U)＝n_LC(U) - n_substrateにより与えられる変調の変更により変更される。図６において、液晶ドメインとホスト材料との間の境界に勾配の不連続性が存在する。

開口絞り（ＡＳ）が可変レンズの後方に配置される場合、開口絞りの後方に伝播する強度は印加される電圧により制御される。回折レンズの場合、開口絞りは、レンズ又は光変調素子までの焦点距離ｆの距離で固定焦点面に配置される。これを図７Ａに示す。平行な平面波を得るために、第２のレンズが図７Ａの配置に追加され、図７Ｂに示すセットアップが得られる。開口絞りの内部面積が大きすぎる場合、非回折光の多くの部分は依然として開口絞りの後方に伝播する。従って、実現されるコントラストは、変調器の特定の応用例に対して低すぎる可能性がある。この問題は、図７Ｃに示すように、開口絞り内に球面レンズ又はボールレンズを配置することにより軽減される。図７Ｃに示すように、可変レンズにより集束される光は、変化せずに小さな球面を通過する。球面に入射する平面波は、図７Ｃの球面レンズを出射する光に対する強く発散する光線により示されるように、強い発散を伴って球面を出る。これは、開口絞りの透過面積に入射する平面波の一部が分散されることを意味する。この望ましくない光の割合は、大きく減少される。

液晶で充填される表面レリーフ格子から構成される装置を使用する利点は、５ｍｓ未満、好ましい例においては２ｍｓ未満であるが液晶を使用する場合には一般に１００μｓより長い高速スイッチング時間を実現する機会である。ＮＡ＜０．４の小さい開口数の場合、実現される機能性は使用される光の偏光に依存しないと仮定される。更に、電気光学材料を使用できる。そのような材料は、例えばカーセル又はポッケルスセルにおいて使用される。切り替えるために、低電圧結晶質材料は少なくとも１００Ｖを必要とし、高電圧材料は数千Ｖを必要とするが、スイッチング時間は１００μｓより短くてもよい。電気光学ポリマーは、より低い電圧で使用される。

２値表面レリーフ構造の代わりに多次数フレネルレンズを使用できる。従って、変調器は、同一の方法でいくつかの波長に対して動作するように最適化される。

更に、連続的に成形される（すなわち、急激なエッジが存在しないか又は同様に勾配の不連続性が存在しない）表面レリーフパターンを液晶で充填することができる。従って、焦点の連続的なシフトは電圧をは電圧Ｕを印加することにより達成される。焦点距離f(U)が開口絞り（ＡＳ）の距離と等しくなるように選択される場合、ほぼ全ての強度は変調器を透過される。焦点距離が無限大に設定される場合、伝播する光の小さな部分のみが開口絞りを通過する。図７Ｂと同様に、光を再度平行にするために使用される第２のレンズの後方に伝播する部分は大きく減少される。これは、開口絞りの中央の内部において小さな球面レンズを実現することにより行なわれる。そのような球面レンズを使用すると、セットアップは図７Ｃと類似する。

振幅変調素子に使用される可変焦点距離を達成する１つの機会は、エレクトロウェッティングセルを使用することである。この場合、可能なセットアップは図７に示すセットアップと同等である。回折レンズは、可変焦点距離f(U)を実現するエレクトロウェッティングレンズにより置換される。エレクトロウェッティングセルは、本明細書の他の場所で説明されるようなものでもよい。

位相シフトが可変焦点距離により実現され且つそれに加えて光吸収エレクトロウェッティング流体から構成される開口絞りが使用される場合、伝播場の複素値を実現する素子が取得される。軸上の光の一部を見ると、エレクトロウェッティングレンズの焦点距離の変更は光路長の変更と同等である。従って、レンズの中央の厚さが変更されると、位相も変更される。光を吸収する油は、エレクトロウェッティングを使用するフラットパネルディスプレイにおいて光バルブを形成するために使用されてもよいことが周知である。同一の油が種々の波長に対して使用可能である。

変調素子により取得されるコントラストを向上する種々の機会が存在する。１つの機会は、円形の焦点を生成することである。例えばこれは、円形の開口部、ファブリーペロ干渉計又はアキシコンとレンズ機能とを組み合わせることにより行なわれる。アキシコンは、円錐面を有する特別な種類のレンズである。これは、円錐レンズと呼ばれることもある。アキシコンは、平行レーザビームをベッセルビームに変換する。それに加えて凸レンズが使用される場合、リングが形成される。焦点距離f(U)は、完全に円形のスポットが開口絞りを通過するように選択される。これを図８に示す。焦点距離を変更することにより、焦点スポットは、伝播する光が開口絞りを通過しないように拡大される。従って、初期値の０〜１００％の範囲の連続強度範囲は、適切な電圧を印加することにより選択される。

ファブリーペロ干渉計の場合、ファブリーペロ干渉計が収束する球状の光波により照明される場合、円形のリングの集合がファブリーペロエタロンの出射面で見られる。このエタロンの挙動は周知である。ファブリーペロエタロンの前方に配置されるレンズの焦点距離の変更は、円形のリングの直径を変更するために使用される。

図８において、円形の焦点は、高いコントラストの振幅変調装置を取得するために使用される。レンズの焦点距離を変更することにより、透過される強度値が選択される。円形のスポットは、アキシコン及びレンズの組合せにより実現される。更にレンズの前方にある円形位相機能は、円形の焦点を取得するために使用される。拡大された円形の焦点は、開口絞りＡＳの中央のクリア域を通過しないように開口絞りＡＳにより遮光される。従って、高いコントラストが達成される。十分に小さなリングは完全に透過されるが、大きなリングは完全に阻止される。図８に示す開口絞りの内部領域内にディフューザが配置される場合、第２のレンズは、第２のレンズのｚ位置を変更せずに又は第２のレンズの焦点距離を変更せずに要求される方法で伝播する光を平行にする。

図９は、レンズをアキシコンと組み合わせることにより円形の焦点を生成することを示す。円形の焦点の直径は、レンズの焦点距離を変更することにより連続的に変更される。

上述したセットアップの変形例として、円形のスポットの直径は可変アキシコンを実現することにより変更される。円錐と組み合わされる液晶は、可変アキシコンとして動作可能である。

図１０は、円形の焦点を形成するアキシコン及びレンズの組合せを示す側面図である。図１１は、レンズ及びアキシコンの組合せの後方の円形の焦点を示す。画像解析は、ZEMAX Development Corporation, 3001 112th Avenue NE, Suite 202, Bellevue WA 98004-8017 USAにより供給されるZemaxソフトウェアを使用して実行される。

リング形状の焦点を取得するのに必要な素子は、レンズの１つの表面を使用してアキシコンを作成することにより減少される。これを図１２示す。図１２は、Zemaxソフトウェアを使用して作成された。図１２は、円形の焦点を形成するアキシコン及びレンズの組合せを通過するビームパスを示す側面図である。円形の焦点の直径は、レンズの焦点距離を変更することにより連続的に変更される。アキシコンは、回折円形構造として実現可能である。しかし、開口数が小さい（例えば、NA＜0.4）限り、本明細書で説明するセットアップの機能性は使用される光の偏光状態に依存しない。

図１３は、単一の素子においてレンズをアキシコンと組み合わせることにより円形の焦点を生成することを示す。図１３において、図１２に示すセットアップの３Ｄレイアウトを示す。光は左側からセットアップに入射し、開口絞りが配置される平面は図１３の右側の平面である。

図１４は、図１３に示すセットアップの像面において実現される円形の焦点を示し、これは、Zemax画像解析ソフトウェアを使用して取得される。図１４は、開口絞りが配置される平面における２次元強度分布を示す。レンズの焦点距離f(U)又はアキシコンを形成する円錐のプリズム頂点角κ(U)を変更することにより、円形スポットの直径が変更される。円形焦点の直径d(U)が十分に大きくなるように選択される場合、伝播する光は開口絞りＡＳを使用して遮られる。

図１５は、焦点距離ｆが増加した場合の図１３に示すセットアップの像面において実現される焦点を示し、これは、Zemax画像解析ソフトウェアを使用して取得される。図１４と比較すると、焦点距離は３０％拡張されている。

別の方法は、複屈折材料により充填される基板の円柱溝を使用することである。これは、１つの偏光が屈折率整合の状態を認識し且つ垂直偏光が円柱レンズを認識するように行なわれる。このレンズの焦点距離において、スリットが配置される。従って、振幅は、偏光状態を変更することにより変更される。スリットが開口部を形成するために使用される場合、透過率は、説明した構成に入射する光の偏光状態を変更することにより変更される。

振幅変調が画素毎に実行されてもよいこと及びディスプレイが最大数百万画素又はそれ以上の画素を含んでもよいことは、当業者には理解されるだろう。説明する振幅空間変調器は、ホログラフィックディスプレイ、特に閲覧者が仮想観察者ウィンドウを介してホログラフィック再構成を閲覧するホログラフィックディスプレイにおいて使用されてもよい。説明する振幅空間変調器は、２次元振幅変調ディスプレイにおいて又は振幅変調空間光変調器が採用される他の応用例において使用されてもよい。

〔Ｃ．エレクトロウェッティングセルに基づいて光照射野の位相を変調する空間光変調器及び表示装置〕
本実現例は、液体で充填されたセルが入射光照射野の位相を変調するようにエレクトロウェッティング原理を使用して別個に制御されるそれらのセルのアレイを含む空間光変調器に関する。位相は、液体セルアレイの個々の画素において個別に変調される。セル（画素）は、可変に調整可能な少なくとも２つの光学界面を有する少なくとも３つの不混和性液体層を含み、少なくとも２つの液体は異なる光学特性を示す。一般に、可変に調整可能な２つの光学界面は平行であってもよく、あるいはプリズム形状が結果として得られるように平行でなくてもよい。エレクトロウェッティング原理を利用して、液体の接触角は変更され、これにより可変光学界面における可変屈折が起こる。可変界面は、画素により放射される光波（すなわち、平行な光線束）が他の画素により放射される光波と平行して進むように調整される。画素アレイの個々のセル内の種々の光路長のために、個々の画素により透過されるか又は制御される光波間で相対位相遅れが起こる。

本実現例は、光照射野の位相変調のための空間光変調器に関し且つそのような空間光変調器の製造業者に関する。

空間光変調器（ＳＬＭ）の種々の設計は、種々の名前で従来技術において周知であり、それらの設計の一部を本明細書の他の場所で説明する。最も周知の例は液晶（ＬＣ）変調器であり、電圧により誘起される複屈折が光照射野の位相又は振幅変調のために使用される。空間光変調器は、光学技術に基づく広範な応用例において使用され、可変の又は適応的な素子が必要とされる。空間光変調器の応用例の分野の範囲は、消費財部門に対するディスプレイ及び投影システムから顕微鏡技術（光ピンセット、位相フィルタ、デジタルホログラフィック顕微鏡技術、生体内イメージング）、動的回折素子（レーザ加工、測定機器、焦点制御）を使用するビーム及び波面形成、光計測機器（デジタルホログラフィ、干渉縞投影、Shack-Hartmannセンサ）、並びにマスクレスリソグラフィ、超高速レーザパルス変調（分散補償）又は地上望遠鏡（動的収差補正）における応用例に及ぶ。

現在市販されている殆どの液晶空間光変調器は、６０〜１２０Ｈｚの再生速度が達成可能なスイッチング速度を示す。すなわち、スイッチング時間は８ｍｓより長い。これらのスイッチング速度は、多くの応用例に対して十分である。しかし、より短いスイッチング時間又はより速い再生速度を要求する応用例も多く存在する。これは、特に時分割多重化方法を含む応用例を含む。

本実現例の目的は、光照射野の位相を空間変調することであり、ＬＣ ＳＬＭとは異なり、所望の位相値が迅速に又は非常に迅速に変更される。位相φは0≦φ＜m2π, m＞1の範囲で調整可能であるべきであり、ｍは自然数であり、再生速度は数百Ｈｚ〜数ｋＨｚの範囲に入ることを目標とする。すなわち、応答時間は５ｍｓ以下であるべきであるが、一般に１００μｓ以上である。しかし、空間光変調器は、従来のスイッチング周波数で動作可能であってもよい。更なる目的は、面積マトリクスの個々の画素間の位相値の相対変更により位相値の範囲全体を範囲に含むことである。

本実現例に係る空間光変調器の物理的な機能原理は、エレクトロウェッティングセル内の可変光路長の結果である位相遅れに基づく。エレクトロウェッティングセルは、光の伝播方向から見て、光が順次透過する少なくとも３つの透明な光学液体を含む。セル内の光路長は、不混和性液体間の可変に調整可能な界面を使用して変更される。

本実現例に係る変調器は、可視光のスペクトル域に限定されず、近赤外線及び近紫外線を含む。例えば、レーザレーダシステム等の近赤外線での軍用アプリケーションが可能である。

本実現例の例を以下に詳細に説明し、添付の図面により示す。

第１の好適な例（図１６に示す）は、平行な辺を有する可変の回動プレートの機能原理に基づく。垂直位置から離れて傾斜する平行な辺を有する固体プレートが位相遅れ及び透過された光波の平行オフセットの原因となることは、例えばMalacara, D.、Servin, M.及びMalacara, Z.のInterferogram Analysis for Optical Testing, 2^nd Ed.（Taylor & Francis、New York、２００５年）、３６０〜３６３ページから周知である。本明細書において、エレクトロウェッティング作動液体セルが適切に構成される場合にこの原理がその液体セルにおいて使用されることが開示される。

エレクトロウェッティング液体セルは、交互に配置される３つの不混和性液体を含んでもよい。例えば油性溶液及び水性溶液が使用される。中央に配置される液体は、外側の２つの液体とは異なる光学特性（特に、屈折率ｎ）を示す。外側の２つの液体は、同一の屈折率を有してもよい。例えばSmith, N.R.、Abeysinghe, D.C.、Haus, J.W.及びHeikenfeld, J.のOptics Express 14（２００６年）、６５５７〜６５６３ページにより示されるように、特定の電圧差が２つの対抗する電極間に印加される場合に平面界面が２つの液体間で達成されることは文献から周知である。本明細書において、この原理が採用される。しかし、好適な一例において、３つの液体が使用され、３つの液体間の２つの界面が平行になるように制御される。初期状態において、２つの界面は、外側の固定された基板界面（傾斜角γ＝0）に平行である。規定された電圧差を印加することにより、光学界面は平面さを維持しつつ傾斜する。傾斜角は、文字γにより示される。更に、２つの可変界面の傾斜角γ₁；γ₂は同一であると仮定される。すなわち、双方の界面が平行であるのが好ましく、γ₁＝γ₂である（図１６を参照）。このように、同一平面上の回動プレートの光学機能性が実現されるが、液体プレートが傾斜するのに伴って液体プレートの厚さが変更する（減少する）という点において、典型的な光学において周知の固体プレートとは異なる。これは、セル内の液体の体積が一定であるためである。位相遅れΔφは、幾何学的条件から導出され、以下により与えられる。

式中、図１６に示すように、n_iは液体番号i（i＝1, 2又は3）の屈折率であり、γは傾斜角であり、dはプレートの厚さであり、λは真空中の光波長であり、vは横方向のオフセットである。満たされた液体の有効なプレートの厚さは以下のように規定される。

横方向のオフセットvは以下のように規定される。

図１６は、本実現例の空間光変調器のエレクトロウェッティングセルの第１の例を示す断面図である。３つの透明な光学液体は、セルにおいて層状に配置され、側壁及び透明なカバー基板により密閉される。この例において、絶縁液体又は非極性液体（例えば、油性溶液）は、２つの極性の導電性液体（例えば、水性溶液）の間に挟まれる。４つの電極は側壁に配設され、別個にアドレス指定可能である。より多くの電極が描画平面（不図示）に平行に配置される他の壁に配設可能である。これらの電極は、２つの隣接する液体間の界面と各側壁との間の所定の角度が調整されるように制御される。所定の角度は、約９０°に設定されるのが好ましい。光学液体は屈折率n₁；n₂；n₃を有し、好適な一例によると、n₁＝n₃である。図１６（ａ）は、エレクトロウェッティングセルの初期状態を示す。ここで、電極に印加される電圧U_T1；U_T2；U_B1；U_B2は、水の接触角θ_T1；θ_T2；θ_B1；θ_B2が初期状態において全て９０°になるように選択される。側壁は、例えば約１μｍの厚さである薄い疎水性絶縁層により塗布される。疎水性絶縁層の厚さは、約５０ｎｍ〜数μｍの範囲であってもよい。中央の液体層の初期の厚さはh_bにより示される。図１６（ｂ）は、作動状態のセルを示す。本明細書において、電極に印加される電圧パターンは、中央の液体層が角度γだけ傾斜されるように選択される。水の接触角は、θ_T1＝θ_B2及びθ_B1＝θ_T2である。これにより、中央の液体層の厚さdは減少する。本明細書において、厚さは光学界面に垂直な表面上で測定される。光学界面における屈折の結果、エレクトロウェッティングセルを通過する光の光路長は変化する。これにより、位相遅れΔθ及び平行オフセットvが得られる。

位相変調の場合、各エレクトロウェッティングセルは、セルにおいて層状に配置される少なくとも３つの透明な光学液体を含み、側壁及び透明なカバー基板により密閉される。ここで、絶縁液体又は非極性液体は２つの極性の導電性液体間に挟まれ、光学液体は屈折率n₁；n₂；n₃を有する。４つの電極は側壁に配設され、別個にアドレス指定可能である。側壁は疎水性絶縁層により塗布される。光学界面における屈折の結果、エレクトロウェッティングセルを通過する光の光路長は変化する。あるいは、セルは２つの絶縁液体又は非極性液体間に挟まれる極性の導電性液体の層を含んでもよい。

図１７は、ビーム伝播方向の無視できる程の些細な変化に対して制御可能な位相変更を可能にする本実現例に係る空間光変調器のエレクトロウェッティングセルの第２の例を示す断面図である。一般的な配置は、図１６に示す第１の例の配置と同様である。しかし、電気アドレス指定及び従ってセルの光学機能性は異なる。プリズムの光学機能性は、屈折率n₁；n₂；n₃を有する３つの液体を使用して達成される。n₁＝n₃である必要はない。液体１及び３に対して異なる液体を使用できる。例えば異なる液体１及び３は、互いの分散特性に対してある程度補正でき且つ液体２の分散特性に対してある程度補正できてもよい。一般的な概念は、同一の回折角βがプリズム角度γ₁；γ₂の異なる組合せにより実現されることである。光学界面における屈折の結果、光は異なるパスでエレクトロウェッティングセルを通過し、異なる値に設定されたプリズム角γ₁；γ₂により隣接するセルとは異なる位相遅れを与えられ、その一方で回折角βは同一のままである。図１７（ａ）は初期状態のセルを示し、図１７（ｂ）は作動状態のセルを示す。一般に、任意の状態が初期状態と呼ばれる。この用語は、他の状態の位相値が関連付けられる基準状態を示すためだけに使用される。

図１８は、スイッチングが起きた時に移動される液体の体積を減少し且つスイッチングが起きた時に液体が移動する必要がある距離を減少する目的のエレクトロウェッティングセルの好適な一例を示す断面図である。移動される液体の体積が減少し且つ移動される距離が減少されると、スイッチング時間が短縮される。この概念は、上記の双方の種類のセル、すなわち第１の例に係るセル（図１６）及び第２の例に係るセル（図１７）で実現可能である。２つのサブセルは交互に配設され、空間光変調器の位相遅れのある画素を表す。光を透過する分離基板は、セルの中央で２つのサブセルの間に挟まれる。分離基板は、周囲の液体の屈折率に屈折率整合するのが好ましく、その結果、反射による光の損失がなくなる。図１６に係る例においては、光学特性が異なる２つの液体が使用され、図１７に係る例においては、少なくとも２つの異なる液体が使用される。２つのサブセルの光軸は一致する必要はなく、一定の横方向のオフセットを示すのが好ましい。横方向のシフトの動的部分を減少するためには、特に傾斜した平面プレートが位相変調のために高い次数で動作する場合に図１６に係る解決策において起こるこの一定の横方向のオフセットが好ましい。位相変調に対する高い次数の一例を図２１Ｃに示す。図２１Ｃにおいて、約２５°〜３４°のγの値に対して０〜２πの位相シフトが達成される。これは、（図２１Ａを参照すると）頂点角γが０°〜２５°で変動する場合に０〜１０μの横方向のシフトが発生することを意味する。一方、頂点角が２５°〜３４°で変動する場合、横方向のシフトは１０〜１４μである。この場合、例えば１２μの一定の横方向のオフセット（偏心のような双方のセルの横方向にシフトされたアセンブリに起因する）を選択するのが好ましい。横方向のシフトの可変部分は±２μに減少される。

図１８において、更に一般的には、０〜２πラジアンの位相シフトを生成し且つ相対的に小さな２つの液体層の間の界面の傾きを変更することによりこれを達成する能力が要求される。これは、所定の位相シフトを達成するのに必要とされる傾斜角の変化が小さい程、位相変調器は高速になるからである。液体界面又は平行な平面プレートが最初に傾いている場合（すなわち、シフトされた横方向のオフセットがある場合）、最大２πの必要とされる位相シフトを得るために導入される必要がある追加の傾斜は、傾斜のない初期状態の場合より小さいか又ははるかに小さい。このため、事前に傾けられた液体セルが好ましい。しかし、初期状態においてこの大きな傾斜がある場合、セルに垂直に伝播する平面波が液体間の界面に対して非垂直に伝播し且つ従って屈折するため、装置の初期状態で垂直に入射するビームに対してビーム伝播方向の大きな横方向のシフトがある。例えば、ゼロ位置又はセルの初期状態を規定するこの横方向のオフセット（すなわち、セルを横断する時のセルに対して垂直に伝播するビームの横方向の偏向）は、計算されるセルの幅の２０％であってもよい。これを補正するために、セルの第２のアレイ（このうち、図１８の右側のセルが一例である）を配置し、単一のセルの幅の２０％の横方向のオフセットを補償する。導入された位相シフトに依存して依然として横方向のオフセットv(γ)が存在し且つ横方向のオフセットに依存して依然として位相シフトが存在するが、可変の横方向のシフトのダイナミックレンジは大きく減少される。

図１９は、図１７に示す例を実現する時にもたらされる固定のプリズム角度βが装置のビーム出射側の固定のプリズムを使用して補償される一例を示す。あるいは、当業者には理解されるように、固定のプリズムは装置のビーム入射側にあってもよい。

図２０は、図１７に示す例を実現する時に起こるビームの平行オフセットを防止するために使用されてもよい一例を示す。図２０において、光は左から右に伝播する。開口部は、画素の出射面の中央位置に配設される。開口部は、常に完全に照明されるように設計される。平行オフセット光波の一部は、開口部により吸収される。画素の出射面は、開口部の位置に局限されたままであり、液体界面の傾斜角に依存しない。

図２１Ａ、図２１Ｂ及び図２１Ｃは、図１６に示す例に対して計算されるγの関数である横方向のビームオフセット又はビームの横方向のシフト、光路長差及び位相遅れをそれぞれ示す。使用されるパラメータは、n₁＝n₃＝1.33；n₂＝1.6、h_b＝130μｍである。２πの位相遅れを達成するために、いくつかの傾斜方法が可能である。例えば２πの位相遅れは、0°≦γ≦25°の範囲内又は25°≦γ≦34°の範囲内の傾斜により達成される。より好適な線形性及びより小さい可変平行オフセットのために、より高い次数を使用すること、すなわち、25°≦γ≦34°の範囲等の０とは異なるγの値において初期状態を規定することが好ましい。平面平行シフトの初期オフセットは、第１のサブセルに関して第２のサブセルの同等であるが反対側の平面平行シフトにより、あるいは液体で充填される傾斜した円柱溝を使用することにより補償される。

位相変調が画素毎に実行されてもよいこと及びディスプレイが最大数百万画素又はそれ以上の画素を含んでもよいことは、当業者には理解されるだろう。説明する位相空間変調器は、ホログラフィックディスプレイ、特に閲覧者が仮想観察者ウィンドウを介してホログラフィック再構成を閲覧するホログラフィックディスプレイにおいて使用されてもよい。説明する位相空間変調器は、２次元位相変調ディスプレイ又は位相変調空間光変調器が採用される他の応用例において使用されてもよい。

〔Ｄ．エレクトロウェッティングセルを使用する複素空間光変調器及び表示装置、並びに表示装置〕
上記第Ａ部及び第Ｃ部の空間光変調器は組み合わされ、表示装置において使用されてもよいエレクトロウェッティングセルを使用する複素空間光変調器を提供してもよい。光波の複素変調の場合、光波の振幅及び位相を個別に変調できる必要がある。それぞれ光波の振幅及び位相を変調する上記第Ａ部及び第Ｃ部の空間光変調器を直列で使用することにより、光波の複素変調は可能になる。上記第Ａ部及び第Ｃ部の空間光変調器は、画素間のクロストークが０又は許容可能なレベルに保たれるように、すなわち１人以上の閲覧者が受け入れられる程ディスプレイアーティファクトが小さいように、十分に近接して配置される必要がある。目標とする再生速度は、数百Ｈｚ〜数ｋＨｚの範囲内である。すなわち、応答時間は、５ｍｓ未満であり且つ１００μｓ以上である必要がある。しかし、空間光変調器は、従来のスイッチング周波数で動作可能であってもよい。

本実現例に係る変調器は、可視光のスペクトル域に限定されず、近赤外線及び近紫外線を含む。例えば、レーザレーダシステム等の近赤外線での軍用アプリケーションが可能である。

図２２は、本発明の好適な一実施形態の光学配置の概略的な表現を示す。ここで、振幅及び位相変調が順次適用される。左から右に、すなわち光の伝播方向に、光コンポーネントであるピンホール、マクロレンズ、第１のサンドイッチ及び第２のサンドイッチが示される。ピンホールは、主光源又は副次的光源を示す。光源は、点形状又は線形状であってもよい。マクロレンズは、球状又は円柱形を含み、光源から放射される光を平行にする。マクロレンズの直径又は断面サイズは、例えば３〜１０ｍｍである数ｍｍの範囲である。第１のサンドイッチは、光軸に垂直な双方の表面上にマイクロレンズを含む。マイクロレンズの直径又は断面サイズは、例えば２０〜１００μｍであってもよい。マイクロレンズは、球状又は円柱形を含む。図２２に示されるような第１のサンドイッチの左側の表面のマイクロレンズは、平行光をエレクトロウェッティングセルに集束する。そのようなエレクトロウェッティングセルは、図１〜図３に示すエレクトロウェッティングセルと同等である。すなわち、そのエレクトロウェッティングセルは、ピンホール又はスリットを含む。第１のサンドイッチは、線状の配置又はマトリクス状の配置（図２２の表現において互いに上下に配置される；不図示）を形成する１つ以上の方向に互いに隣接して配置される複数のそのようなエレクトロウェッティングセルを含む。第１のサンドイッチは、第１のサンドイッチに向けられる光の振幅を変調するＳＬＭを実現するように動作可能である。図１ａ〜図１ｃに示す状態と同等であるスイッチング状態に依存してエレクトロウェッティングセルを通過する光は、図２２に示すような第１のサンドイッチの右側の表面のマイクロレンズにより平行にされる。第１のサンドイッチは、スペーサ（不図示）により第２のサンドイッチと離間されてもよく、あるいは第１のサンドイッチは、第２のサンドイッチと直接接触してもよい。２つのサンドイッチの順序は逆でもよい。第２のサンドイッチは、線状の配置又はマトリクス状の配置（図２２の表現において互いに上下に配置される；不図示）を形成する１つ以上の方向に互いに隣接して配置される複数のエレクトロウェッティングセルを含む。第１のサンドイッチのエレクトロウェッティングセルから放射される光は、第２のサンドイッチのエレクトロウェッティングセルを通過する。第２のサンドイッチのエレクトロウェッティングセルは、図１８に示すような種類である。第２のサンドイッチのエレクトロウェッティングセルは、第２のサンドイッチを通過するように向けられる光の位相を変調するＳＬＭを実現するように動作可能である。図２２に示すような光学配置は、図２２の垂直方向に延在し且つ従ってより多くのピンホール／光源及びより多くのマクロレンズをそれぞれ含むディスプレイのカットアウトとして考えられる。このディスプレイの画素により放射される光は、第１のサンドイッチ及び第２のサンドイッチにより振幅及び／又は位相が変調され、従って複素値を提供できる。そのようなディスプレイは、３次元シーンのホログラフィック表現を視覚化するためにホログラムが符号化されるホログラフィックディスプレイのホログラム記録媒体として使用される。そのようなホログラフィックディスプレイは、例えば付録Ｉで説明される。例えば視線追跡を実現するために、ディスプレイの画素により放射される光が偏向される必要がある場合、追加の光学層又はサンドイッチは第２のサンドイッチの右側に追加される（図２２には示さない）。

図２３は、本発明の好適な一実施形態の光学配置の一部の概略的な表現を示す。図中、光源アレイが提供される。光源アレイの単一の光源は可変／調整可能位相値を含む。左側から入射する平行光は、エレクトロウェッティングセルを通過する光の位相を変調又は変更するように構成されるエレクトロウェッティングセルを通過する。エレクトロウェッティングセルは、図１６〜図２０に示すような種類である。透過され且つ依然として平行な光は、球面レンズ又は円柱レンズによりピンホール又はスリットにそれぞれ集束される。ピンホール又はスリットの光は、光がピンホール又はスリットを通過している場合、単一の点又は線光源として考えられる。その位相は、エレクトロウェッティングセルの制御に依存して変更される。図２３に示す光学配置は、図２３の垂直方向に配置される複数の光源、エレクトロウェッティングセル、レンズ及びピンホールのアレイのカットアウトとして考えられる。このアレイの光源の位相値は、互いに依存せずに変調される。

図２４は、本発明の好適な一実施形態の別の光学配置の一部の概略的な表現を示す。図中、光源アレイが提供される。光源アレイの単一の光源は、可変／調整可能位相値及び振幅値を含む。左側から入射する平行光は、エレクトロウェッティングセルを通過する光の位相を変調又は変更するように構成されるエレクトロウェッティングセルを通過する。エレクトロウェッティングセルは、図１６〜図２０に示すような種類である。透過され且つ依然として平行な光は、球面レンズ又は円柱レンズによりピンホール又はスリットを含む第２のエレクトロウェッティングセルに集束される。第２のエレクトロウェッティングセルは、図１〜図３に示すようなエレクトロウェッティングセルであってもよい。従って、第２のエレクトロウェッティングセルは、スイッチング状態に依存して通過する光の振幅を変調するように構成される。光がピンホール又はスリットを通過している場合、第２のエレクトロウェッティングセルのピンホール又はスリットは、単一の点又は線光源として考えられる。その位相及び／又は振幅は、２つのエレクトロウェッティングセルの制御に依存して変更される。図２４に示すような光学配置は、図２４の垂直方向に配置される複数の光源、エレクトロウェッティングセル及びレンズのアレイのカットアウトとして考えられる。このアレイの光源の位相値及び／又は振幅値は、互いに依存せずに変調可能である。

複素変調が画素毎に実行されてもよいこと及びディスプレイが最大数百万画素又はそれ以上の画素を含んでもよいことは、当業者には理解されるだろう。説明する複素空間変調器は、ホログラフィックディスプレイ、特に閲覧者が１つ又は２つの仮想観察者ウィンドウを介してホログラフィック再構成を閲覧するホログラフィックディスプレイにおいて使用されてもよい。当業者には明らかであるように、説明する複素空間変調器は他の応用例において使用されてもよい。
注記
添付の図面と共に上記説明により実現例を詳細に図示し且つ説明したが、そのような図示及び説明は例示であり且つ限定するものではないと考えられる。実現例は、開示される例に限定されない。開示される例における他の変形例は、図面及び開示を研究することにより当業者により理解され且つ実現例を実施する際に実行される。

本明細書における図面において、図示される相対的な寸法は縮尺どおりである必要はない。

本発明の範囲を逸脱せずに、本発明の種々の変形及び変更が当業者には明らかとなるだろう。本発明は、本明細書で示される図示する例及び実現例に不当に限定されないことが理解されるべきである。

〔付録Ｉ〕
（技術入門）
以下の節は、本発明を実現するいくつかのシステムにおいて使用されるいくつかの主な技術に対する入門書となることを意図する。

従来のホログラフィにおいて、観察者は、物体のホログラフィック再構成（変化するシーンであってもよい）を見れる。しかし、ホログラムからの観察者の距離は関係ない。１つの代表的な光学配置において、再構成は、ホログラムを照明する光源の像面にあるか又はそれに近接するため、ホログラムのフーリエ平面にある。従って、再構成は、再構成される実世界の物体の同一の遠視野光分布を有する。

１つの初期のシステム（特許文献３及び特許文献１において説明される）は、再構成物体がホログラムのフーリエ平面にないか又はそれに近接しない非常に異なる配置を規定する。その代わり、仮想観察者ウィンドウゾーンがホログラムのフーリエ平面にある。観察者は自身の眼をその場所に位置付け、適切な再構成を見れる。ホログラムは、ＬＣＤ（又は他の種類の空間光変調器）上で符号化され、仮想観察者ウィンドウがホログラムのフーリエ変換になる（従って、仮想観察者ウィンドウが眼に直接結像されるフーリエ変換になる）ように照明される。再構成物体は、レンズの焦点面にないため、ホログラムのフレネル変換である。再構成物体は、その代わりに近視野光分布により規定される（遠視野分布の平面波面に対して、球面波面を使用してモデル化される）。この再構成は、仮想観察者ウィンドウ（上述したように、ホログラムのフーリエ平面にある）とＬＣＤ又はＬＣＤの後方との間の任意の場所に仮想物体として現れる。

この方法に対していくつかの結果が存在する。第１に、ホログラフィックビデオシステムの設計者が直面する基本的な制限は、ＬＣＤ（又は他の種類の光変調器）の画素ピッチである。目標は、妥当な価格で市販される画素ピッチを含むＬＣＤを使用して大きなホログラフィック再構成を可能にすることである。しかし、このことは以下の理由によりこれまで不可能であった。フーリエ平面の隣接する回折次数の間の周期間隔は、λD/pにより与えられる。式中、λは照明光の波長であり、Dはホログラムからフーリエ平面までの距離であり、pはＬＣＤの画素ピッチである。しかし、従来のホログラフィックディスプレイにおいて、再構成物体はフーリエ平面にある。従って、再構成物体は周期間隔より小さく保持される必要がある。再構成物体が周期間隔より大きい場合、そのエッジは隣接する回折次数による再構成においてぼやける。これにより、高価で小さなピッチの専用ディスプレイによっても一般に幅数ｃｍの非常に小さな再構成物体が得られる。しかし、この方法に対して、仮想観察者ウィンドウ（上述したように、ホログラムのフーリエ平面にあるように位置付けられる）は瞳孔と同一の大きさである必要がある。その結果、適度なピッチサイズを有するＬＣＤも使用できる。再構成物体が仮想観察者ウィンドウとホログラムとの間の錐台を全体的に満たすことができるため、実際には再構成物体は非常に大きい。すなわち、周期間隔より非常に大きい。更に、ＯＡＳＬＭが使用される場合、画素化がないため周期性もなく、仮想観察者ウィンドウを周期間隔より小さく保持する制約は当てはまらなくなる。

１つの変形例において展開される別の利点が更に存在する。ホログラムを計算する時、再構成物体の知識を使用して開始する。例えば、レーシングカーの３Ｄ画像ファイルを有する。そのファイルは、物体が複数の種々の閲覧位置からどのように見えるべきかを記述する。従来のホログラフィにおいて、レーシングカーの再構成を生成するのに必要なホログラムは、多くの計算を必要とする処理において３Ｄ画像ファイルから直接導出される。しかし、仮想観察者ウィンドウの方法は、更に計算効率の良い異なる技術を可能にする。再構成物体の１つの平面から開始すると、仮想観察者ウィンドウは物体のフレネル変換であるため仮想観察者ウィンドウを計算できる。その後、全ての物体面に対してこれを実行し、累積フレネル変換を生成するために結果を合計する。これは、仮想観察者ウィンドウにわたる波動場を規定する。その後、その仮想観察者ウィンドウのフーリエ変換としてホログラムを計算する。仮想観察者ウィンドウが物体の全ての情報を含むため、単一平面の仮想観察者ウィンドウのみがホログラムに変換される必要があり、複数平面の物体は変換されない。仮想観察者ウィンドウからホログラムまでの間に単一の変換ステップではなく反復フーリエ変換アルゴリズムのような反復変換が存在する場合、これは特に有利である。各反復ステップは、物体面毎にフーリエ変換を含むのではなく仮想観察者ウィンドウの単一のフーリエ変換のみを含む。その結果、計算労力は非常に減少される。

仮想観察者ウィンドウの方法の別の興味深い結果は、所定の物点を再構成するのに必要な全ての情報がホログラムの相対的に小さなセクション内に含まれることである。これは、所定の物点を再構成するための情報がホログラム全体に分布される従来のホログラムと異なる。情報をホログラムの非常に小さなセクションに符号化する必要があるため、それは処理及び符号化する必要のある情報量が従来のホログラムと比較して非常に少ないことを意味する。従って、それは、従来の演算装置（例えば、一般大衆市場向け装置に適切な価格及び性能を有する従来のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ））がリアルタイムビデオホログラフィに対しても使用可能であることを意味する。

しかし、望ましくない結果が存在する。第１に、ホログラムからの閲覧距離が重要である。眼がホログラムのフーリエ平面に位置付けられた時にのみ適切な再構成を見れるように、ホログラムは符号化及び照明される。その一方で、通常のホログラムにおいて、閲覧距離は重要ではない。しかし、このＺの感度を低減するか又はそれに基づいて設計する種々の技術が存在し、実際には、ホログラフィック再構成のＺの感度は一般にそれ程高くない。

最適なホログラフィック再構成が厳密で小さな閲覧位置（すなわち、上述したような厳密に規定されたＺ、並びにＸ座標及びＹ座標）からのみ見れるように、ホログラムが符号化及び照明されるため、視線追跡が必要とされてもよい。Ｚの感度と同様に、Ｘ、Ｙの感度を低減するか又はそれに基づいて設計する種々の技術が存在する。例えば、画素ピッチが減少すると（ＬＣＤ製造が進歩すると）、仮想観察者ウィンドウのサイズは拡大する。更に、より効率的な符号化技術（キノフォーム符号化等）は、周期間隔の大きな部分を仮想観察者ウィンドウとして使用し易くするため、仮想観察者ウィンドウを拡大し易くする。

上記説明は、フーリエホログラムを処理していることを仮定した。仮想観察者ウィンドウは、ホログラムのフーリエ平面、すなわち光源の像面にある。利点として、非回折光は、いわゆるＤＣスポットに集束される。この技術は、仮想観察者ウィンドウが光源の像面にないフレネルホログラムに対しても使用可能である。しかし、非回折光が妨害する背景として不可視であることを考慮すべきである。尚、変換という用語は、光の伝播を記述する変換と同等であるか又はそれに類似する任意の数学的な技術又は計算技術を含むと解釈されるべきである。変換は、マクスウェル波動方程式でより正確に規定される物理処理に対する近似値にすぎない。フレネル変換及びフーリエ変換は２次近似値である。しかし、それらの変換は、（ａ）微分とは異なり代数的であるため、計算上効率的に処理され、（ii）光学系において正確に実現されるという利点を有する。

更なる詳細は、内容が参考として取り入れられる米国特許出願公開第２００６／０１３８７１１号明細書、特許文献２及び米国特許出願公開第２００６／０２５０６７１号明細書において与えられる。

〔付録II〕
（明細書において使用される用語集）
○計算機生成ホログラム
計算機生成ビデオホログラムＣＧＨは、シーンから計算されるホログラムである。ＣＧＨは、シーンを再構成するのに必要な光波の振幅及び位相を表す複素数を含んでもよい。ＣＧＨは、例えばコヒーレント光線追跡により計算されてもよく、シーンと参照波との間の干渉をシミュレートすることにより計算されてもよく、あるいはフーリエ変換又はフレネル変換により計算されてもよい。

○符号化
符号化は、ビデオホログラムの制御値が空間光変調器（例えば、構成セル又はＯＡＳＬＭのような連続するＳＬＭに対する連続領域）に供給される手順である。一般にホログラムは、振幅及び位相を表す複素数から構成される。

○符号化領域
一般に符号化領域は、シーンの単一の点のホログラム情報が符号化されるビデオホログラムの空間的に制限された領域である。空間的な制限は、ビデオホログラムへの仮想観察者ウィンドウのフーリエ変換により達成される円滑な遷移又は突然の打切りにより実現されてもよい。

○フーリエ変換
フーリエ変換は、空間光変調器の遠視野における光の伝播を計算するために使用される。波面は平面波により記述される。

○フーリエ平面
フーリエ平面は、空間光変調器における光分布のフーリエ変換を含む。任意の集束レンズなしで、フーリエ平面は無限遠にある。集束レンズが空間光変調器に近接する光路にある場合、フーリエ平面は光源の画像を含む平面と等しい。

○フレネル変換
フレネル変換は、空間光変調器の近視野における光の伝播を計算するために使用される。波面は球面波により記述される。光波の位相因子は、横方向の座標に二次的に依存する項を含む。

○錐台
仮想錐台は、仮想観察者ウィンドウとＳＬＭとの間に構成され、ＳＬＭの後方に延在する。シーンは、この錐台内に再構成される。再構成シーンのサイズは、ＳＬＭの周期間隔ではなくこの錐台により制限される。

○結像光学装置
結像光学装置は、１つの光源（又は複数の光源）の画像を形成するために使用されるレンズ、レンチキュラーアレイ又はマイクロレンズアレイ等の１つ以上の光コンポーネントである。本明細書において結像光学装置がないことを示すことは、ホログラフィック再構成を構成する際にフーリエ平面と１つ又は２つのＳＬＭとの間に位置している平面において本明細書で説明するように１つ又は２つＳＬＭの画像を形成するために結像光学装置が使用されないことを示す。

○光システム
光システムは、レーザのようなコヒーレント光源又はＬＥＤのような部分的コヒーレント光源を含んでもよい。部分的コヒーレント光源の時間的コヒーレンス及び空間的コヒーレンスは、適切なシーン再構成を容易にするのに十分である必要がある。すなわち、スペクトル線幅及び放射面の横方向の範囲が十分に小さい必要がある。

○仮想観察者ウィンドウ（ＶＯＷ）
仮想観察者ウィンドウは、再構成３Ｄ物体を見る際に使用する観察者平面における仮想ウィンドウである。ＶＯＷは、ホログラムのフーリエ変換であり、物体の複数の再構成が可視となるのを回避するために１周期間隔内に位置付けられる。ＶＯＷのサイズは、少なくとも瞳孔のサイズである必要がある。少なくとも１つのＶＯＷが観察者追跡システムにより観察者の眼に位置付けられる場合、ＶＯＷは、観察者の動きの横方向の範囲よりはるかに小さくてもよい。これにより、適度な解像度及び従って小さな周期間隔を有するＳＬＭが使用し易くなる。ＶＯＷは、再構成３Ｄ物体を見る際に使用するキーホールとして考えられる。ＶＯＷは、眼毎に１つであってもよく、あるいは双方の眼に対して１つであってもよい。

○周期間隔
ＣＧＨは、個別にアドレス指定可能なセルから構成されるＳＬＭ上に表示される場合にサンプリングされる。このサンプリングにより、回折パターンの周期的な繰返しが得られる。周期間隔はλD/pである。式中、λは波長であり、Dはホログラムからフーリエ平面までの距離であり、pはＳＬＭセルのピッチである。しかし、ＯＡＳＬＭは、サンプリングを有さないため、回折パターンの周期的な繰返しがない。実質上、繰返しは抑制される。

○再構成
ホログラムにより符号化された照明された空間光変調器は、元の光分布を再構成する。この光分布は、ホログラムを計算するために使用された。観察者は、再構成された光分布を元の光分布と区別できないのが理想的である。殆どのホログラフィックディスプレイにおいて、シーンの光分布は再構成される。本発明のディスプレイにおいては、仮想観察者ウィンドウにおける光分布が再構成される。

○シーン
再構成されるシーンは、実際の３次元光分布又は計算機生成３次元光分布である。特別な例として、シーンは２次元光分布であってもよい。シーンは、空間に配置される種々の固定物体又は移動物体を構成できる。

○空間光変調器（ＳＬＭ）
ＳＬＭは、入射光の波面を変調するために使用される。理想的なＳＬＭは、任意の複素数を表すこと、すなわち光波の振幅及び位相を別個に制御することが可能である。しかし、一般的な従来のＳＬＭは、振幅又は位相のうち一方の特性のみを制御し、他方の特性にも影響を及ぼすという望ましくない副作用を伴う。

Claims (39)

1. 複数の画素を備え、各画素について、画素により送信された光照射野の振幅及び位相の少なくともいずれかがエレクトロウェッティングセルにより変調されることを特徴とする空間光変調器。
2. 特に光照射野の振幅を変調する空間光変調器であって、
   前記エレクトロウェッティングセルの各々は、
   ほぼ透明な電極と疎水性の分離層とにより被覆されたほぼ透明な第１の基板と、
   画素を分離する側壁と、
   不透明または吸収性のある液体と、導電性または極性を有する液体とを含む、少なくとも２つの不混和性の液体と、
   ほぼ透明な第２の基板と
   を備え、
   前記エレクトロウェッティングセルを通過する光量は、前記導電性または極性を有する液体に印加される電圧により制御される
   ことを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
3. 特に光照射野の振幅を変調する空間光変調器であって、
   前記エレクトロウェッティングセルの各々は、
   ほぼ透明な電極と疎水性の分離層とにより被覆されたほぼ透明な第１の基板と、
   画素を分離する側壁と、
   不透明または吸収性のある第１の液体と、導電性または極性を有する第２の液体とであって、互いに混和しない２つの液体と、
   ほぼ透明な第２の基板と
   を備え、
   前記エレクトロウェッティングセルを通過する光量は、前記導電性または極性を有する液体に印加される電圧により制御される
   ことを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
4. 前記導電性または極性を有する液体とほぼ透明な前記第２の基板との間の接触角は、種々の電圧を印加することにより連続的に変更可能であり、それにより前記エレクトロウェッティングセルにおける連続的に可変な吸収が実現されることを特徴とする請求項２または３に記載の空間光変調器。
5. 前記第２の基板の上面は、光を透過する開口部がほぼ中央に配設された、光学的に不透明な層で被覆されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の空間光変調器。
6. 電極と対電極との間に交流電圧または直流電圧が印加されているときは、前記エレクトロウェッティングセルはＯＮ状態であり、前記導電性または極性を有する液体は静電力により前記疎水性の絶縁層に引き寄せられ、これにより、ほぼ透明な前記第１の基板上の中央のスポットの周囲に存在する前記不透明または吸収性のある液体が移動し、
   電極と対電極との間に電圧が印加されていないときは、前記エレクトロウェッティングセルはＯＦＦ状態である
   ことを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の空間光変調器。
7. 前記不透明または吸収性のある液体は、電圧が印加されていないときは当該不透明または吸収性のある液体が底面部にわたって広がるように、前記エレクトロウェッティングセルの縁部に配置され、好適な手段により当該位置に位置づけられ、
   小さな分離リングが前記エレクトロウェッティングセルの中央に位置づけられ、これにより、前記導電性または極性を有する液体に永続的に接触することと、前記エレクトロウェッティングセルに電源が投入されたときに前記不透明または吸収性のある液体が全ての方向に均一に広がることとが保証される
   ことを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の空間光変調器。
8. 特に光照射野の位相を変調する空間光変調器であって、
   前記エレクトロウェッティングセルの各々は、可変に調整可能な少なくとも２つの光学界面を有する少なくとも３つの不混和性液体層を備え、
   前記液体の少なくとも２つは異なる光学特性を示す
   ことを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
9. 前記３つの不混和性液体層の中央の液体層は、位相変調のために高次で動作する、傾斜したほぼ平面なプレートを形成することを特徴とする請求項８に記載の空間光変調器。
10. 前記３つの不混和性液体層の中央の液体層は傾斜したほぼ平面なプレートを形成し、
    第１のエレクトロウェッティングセルを伝わる光ビームの横方向のオフセットを補償するために、当該第１のエレクトロウェッティングセルの後に第２のエレクトロウェッティングセルが設けられる
    ことを特徴とする請求項９に記載の空間光変調器。
11. 前記３つの不混和性液体層の中央の液体層は傾斜したほぼ平面なプレートを形成し、
    前記エレクトロウェッティングセルを伝わる光ビームの横方向のオフセットを補償するために、当該エレクトロウェッティングセルのビーム出射側に固定プリズムが設けられる
    ことを特徴とする請求項９に記載の空間光変調器。
12. 前記３つの不混和性液体層の中央の液体層は傾斜したほぼ平面なプレートを形成し、
    前記エレクトロウェッティングセルを伝わる光ビームの横方向のオフセットを補償するために、当該エレクトロウェッティングセルのビーム入射側に固定プリズムが設けられる
    ことを特徴とする請求項９に記載の空間光変調器。
13. 前記３つの不混和性液体層の中央の液体層は傾斜した平面なプレートを形成し、
    前記エレクトロウェッティングセルを伝わる光ビームの横方向のオフセットを防止するために、当該エレクトロウェッティングセルのビーム出射側の中央位置に開口部が設けられる
    ことを特徴とする請求項９に記載の空間光変調器。
14. 各画素について、画素毎に連続する２つのエレクトロウェッティングセルを用いて前記光照射野が複素数に基づき変調され、
    前記２つのエレクトロウェッティングセルは、前記複素数の振幅及び位相の別個の変調を可能にする
    ことを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
15. 前記２つのエレクトロウェッティングセルは、画素間のクロストークが０又は許容可能なレベルに保たれるように、十分に近接して配置されることを特徴とする請求項１４に記載の空間光変調器。
16. 複数の前記画素が、ラインアレイ又はマトリクスの形態で配置されることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の空間光変調器。
17. 各画素により送信される前記光照射野の振幅は、５ｍｓ以下であるか、１００μｓ以上であるか、またはその両方を満たすスイッチング時間で変調されることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の空間光変調器。
18. 従来のスイッチング周波数であって好適には１５Ｈｚから数ＫＨｚの範囲の周波数で動作可能であるか、または、所定の期間、所定の状態を維持するように動作可能であることを特徴とする請求項１７に記載の空間光変調器。
19. 前記エレクトロウェッティングセルは集束素子の焦点の近傍に位置づけられることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の空間光変調器。
20. 前記エレクトロウェッティングセルのサイズは、前記集束素子のサイズよりも小さいか、はるかに小さいことを特徴とする請求項１９に記載の空間光変調器。
21. 前記エレクトロウェッティングセルを通過して伝達する光は、該エレクトロウェッティングセルに割り当てられた少なくとも１つの光ビーム形成手段により、球状又は円柱状の出力波面で送信されることを特徴とする請求項１から２０のいずれか１項に記載の空間光変調器。
22. 変調された前記光は、可視光と、近赤外光と、近紫外光との少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項に記載の空間光変調器。
23. 軍用アプリケーション、特にレーザレーダシステムで用いられることを特徴とする請求項１から２２のいずれか１項に記載の空間光変調器。
24. 副次的な光源を形成するために用いられることを特徴とする請求項１から２３のいずれか１項に記載の空間光変調器。
25. 可変振幅を有する光源アレイを形成するために用いられることを特徴とする請求項１から２４のいずれか１項に記載の空間光変調器。
26. 可変位相を有する光源アレイを形成するために用いられることを特徴とする請求項１から２５のいずれか１項に記載の空間光変調器。
27. 伝達に用いられることを特徴とする請求項１から２６のいずれか１項に記載の空間光変調器。
28. 反射型幾何学的配置において用いられることを特徴とする請求項１から２６のいずれか１項に記載の空間光変調器。
29. ３Ｄディスプレイにおいて用いられることを特徴とする請求項１から２８のいずれか１項に記載の空間光変調器。
30. ホログラフィックディスプレイ又は立体ディスプレイにおいて用いられることを特徴とする請求項１から２９のいずれか１項に記載の空間光変調器。
31. １以上の観察者の目に対して、１つ又は２つの仮想観察者ウィンドウが用いられることを特徴とする請求項３０に記載の空間光変調器。
32. ２次元振幅変調ディスプレイにおいて用いられることを特徴とする請求項１から２８のいずれか１項に記載の空間光変調器。
33. 請求項１から３２のいずれか１項に記載の空間光変調器を備えた装置であって、位相及び振幅の少なくともいずれかを変調する装置か、または、複素光波変調装置であることを特徴とする装置。
34. 請求項１から３２のいずれか１項に記載の空間光変調器を備えることを特徴とするディスプレイ装置。
35. 数百万個以下の画素を有することを特徴とする請求項３３に記載のディスプレイ装置。
36. ディフューザフォイルを有することを特徴とする請求項３３又は３４に記載のディスプレイ装置。
37. ２Ｄ位相変調ディスプレイ装置または自働立体ディスプレイ装置であることを特徴とする請求項３４から３６のいずれか１項に記載のディスプレイ装置。
38. 前記ディスプレイ装置はホログラフィックディスプレイ装置であり、
    前記ホログラフィックディスプレイ装置は、好適には観察者の目に対して仮想観察者ウィンドウを使用する
    ことを特徴とする請求項３４から３７のいずれか１項に記載のディスプレイ装置。
39. 請求項３４から３８のいずれか１項に記載のディスプレイ装置を使用する方法であって、
    前記ディスプレイは前記空間光変調器を照明するための光源及び光学系を有し、
    各画素について、当該画素の各々により送信された光照射野の振幅及び位相の少なくともいずれかをエレクトロウェッティングセルを用いて変調する工程を有する
    ことを特徴とする方法。