JP2011516909A - 制御可能な偏光デバイス - Google Patents

Abstract

発明により、プリズム機能を有する制御可能な液滴駆動セルによって重ね合わせられた光束により生成された視認領域は、光変調器の前の広角な範囲において追跡される。光束の断面の圧縮の弊害は、プリズムセルにおいて光束が偏向されることにより最小限にされる。複数の非混合物質間の境界面を調整する、プリズムセル（４）及び制御可能な電極を備える制御可能な光偏向デバイスにより、光束（１）は変調される。発明によれば、変調セル（２）の有効領域（３）が変更された強度分布に調整された形状を有する、及びプリズムセル（４）において用いられている物質が境界面において均一な屈折力分布を生成する、の少なくともいずれかとなるように、２次の回折次数の強度を最大限に減少させることにより、視認領域において光束（１）の光路において、変更された強度分布は補正される。発明が用いられる分野は、ホログラムディスプレイのような、様々な形式の変調を実行する光変調装置を含む。

Description

本発明は、制御可能な変調セルにより、観測面（observer plane）の視認領域にある観測者の眼球に向け放射された光束を偏光する、制御可能なプリズムセルを備える制御可能な偏光デバイスに関する。液適駆動セル（electrowetting cell）の原理で動作するプリズムセルにおいて、混合しない２つの物質間の界面は、制御手段によって制御される電極配置により、当該界面の可変な勾配がプリズムセルにおいて光束を偏向させるための少なくとも１つのくさび角度を生成するように、制御される。変調セルに向かう光束は、所定の強度分布を呈する。

制御可能な偏向デバイスは、光束を変調する一定の間隔で配置された変調セルを含む光変調器を備える光変調デバイスにおいて使用される。それぞれの変調セルは、制御可能な偏向デバイスに割り当てられる。本発明に適した光変調デバイスは、例えば少なくとも１人の観測者に３次元シーンをホログラフィカルに再現し、観測者が当該観測者の視認領域から閲覧する、ホログラムディスプレイにおいて用いられ得る。偏向デバイスは、観測者の眼の位置情報を検出し、そしてディスプレイデバイスの光軸に対する光束の偏向角が観測者の眼に向けられるために、制御手段を介し、位置検出システムを伴うソフトウェアによって接続される。

視認領域は、出願人によって出願された別の文書において、光束の重ね合わせの手段としてディスプレイの前の観測面において生成される、「観測者ウィンドウ（observer window）」としても言及される。視認領域は少なくとも観測者の瞳と同じくらいの大きさである。このことは、シーンのホログラム再現の右及び左の視点（perspective）が、観測者の右眼及び左目のそれぞれについて次々に生成され、再現の全体は、視認領域の眼球位置のそれぞれについて、正しい視点が観測者に提供されることを意味する。回折光のいくつかの回折次数は、観測面において発生する。本発明に係る回折次数は、個々の変調セル及び対応するプリズムセルの回折光により生成される。観測者の眼の視認領域は、追跡のために、２つの回折次数感の領域に常にあることが好ましい。本明細書において、０次の回折次数は本発明に係る適当なディスプレイデバイスの光軸に略一致する。従って、観測者の眼が０次から離れた回折次数にあるほど、隣りの眼に到達する、または当該眼の視認領域に入射する強度はより弱くなる。このことは、両目の情報の相互クロストークが生じることを意味する。これらの回折次数の強度がある角度、例えば生成された視認領域において強度の５％を上回る場合、隣接する観測者の眼に対するクロストークは、ホログラム再現を見る場合の外乱として知覚される。全光変調器の回折パターンは、個々の変調セルの回折パターンの重ね合わせに起因する。

クロストーク、即ち隣接する視認領域の回折次数の知覚は、例えばピクセルアポディゼーション（pixel apodisation）により、全体的または部分的に抑圧され得る。「ピクセル」という単語は、ここでは変調セルとして理解されるべきである。ピクセルアポディゼーションは、アポディゼーションプロファイルｔ_SLM-pixel（ｘ，ｙ）を利用する多くの方法を用いて実現され得る。単一変調セルの曲線因子ＦＦ（fill factor）が例えばＦＦ＞０．５である場合、及び変調セルの領域がそれほど小さくない場合、個々の変調セルの透過曲線の特異的選択は、回折次数における強度が隣りの眼を妨げないために用いられる。

ある出願において、これらの測定は十分ではないだろう。また、ディスプレイにおいて追跡機能を実現するために用いられる、及び広角の範囲で動く観測者の眼に向けて光束を追跡する光学部品を使用した場合、さらなる問題が生じる。電気的に可変な表面張力、即ち液滴駆動セルの実用的原則に従って好ましく機能する偏向デバイスは、追跡に適した部品の一例である。通常セルアレイ状で構成される偏向デバイスの多くは、光束を偏向させるために、光変調装置において用いられ得る。

周知のように液滴駆動セルは、引火された電圧により電極が制御されている場合、界面がレンズ機能及びプリズム機能の少なくともいずれかを実現可能な、例えば少なくとも２つの異なる物質、または例えば油や水のような液体を有するコンテナを備える。引火された電圧は、セル内の界面に平面を形成させ、少なくとも１つの軸周りに可変的に傾斜させることができ、これにより物質は、それぞれがあるプリズムのくさびを有する、２つの制御可能なマイクロプリズムを形成する。以下、このタイプのセルはプリズムセルとして述べる。マイクロプリズム間の傾斜された界面を通過する場合、入射光束はある角度によって偏向されるため、ホログラムディスプレイの観測面の、追跡される視認領域を生成するために用いられることができる。視認領域は、観測者がディスプレイの前を移動した場合に界面の傾斜、即ち光束の偏向角を変化させることにより追跡される。このようにした場合、界面で偏向された場合に光束の断面が圧縮される問題を招く。例えば２５度の偏向角において、軸対称の光束は偏向方向でおおよそ半分の大きさとなる。圧縮される場合、光束の強度が集中する領域は、より小さくなるだろう。このことは、プリズムセルとともに機能的なユニットを形成する変調セルの有効曲線因子ＦＦを減らすことも意味する。

図１は、ある偏向角での、２物質間の制御可能な界面を通過した後の光束の圧縮を図示している。２次元の範囲を有する入射光束は、ほぼ正方形の断面領域ｃを有する。明確にするため、図において選択された光束の外形光線のみが破線で示される。マイクロプリズム５及び６を通過する光路は、矢印により示される。マイクロプリズム５及び６は、２つの異なる非混合性液体間の制御可能な界面の傾斜により形成され、ここでは例えば３１度のくさび角度５５及び６６をそれぞれ有する。入射光束が傾斜された界面によって偏向されるため、偏向方向において圧縮も行われる。光束の断面は、領域ｃ’がもともとの領域ｃの１／３だけの大きさになり、マイクロプリズム５を出る場合には長方形状ａ’、ｂ’を有するように、この偏向の間圧縮される。このことは図において、領域ｃ’の外形を示す太線によって示される。マイクロプリズム５及び６を有するプリズムセルに割り当てられた、曲線因子ＦＦ＝０．８の変調セルは、この偏向に起因して０．８×０．３＝０．２４に減らされる。変調セルの当該減らされた有効領域において、隣接する回折次数、即ち隣りの眼に達する回折次数の強度は、アポディゼーションプロファイル単体で減らされない。

界面が傾斜するほど、光束はより圧縮される。これは、光束の多くのエネルギが、視認領域の外にある隣接する回折次数に分布される効果をもたらす。当該エネルギ分布は、クロストーク効果の妨げとして知覚されるほど大きいものである。この光束の圧縮及びそれに伴うクロストークは、ディスプレイの前の空間における視認領域を追跡する特性を狭角の範囲に限定する。これは、例えば回折次数が互いに近接して存在する回折パターンを生成し、より小さな領域にサイドピーク（side peak）の強度が集中するように動作し得る、より大きな変調セルを有する光変調器を用いることにより防止されることが可能である。しかしながら、より大きな変調セルをホログラムディスプレイにおいて用いることは、例えばλ＝４５０ｎｍの波長において実現可能な追跡に係る視認領域をとても小さくしてしまう。

プリズムセル、即ち単一の可変な界面ごとに２つのマイクロプリズムのみを有する場合、さらなる問題が生じる。界面から反射され、観測者の眼に到達しない光束の強度の割合は、２つのマイクロプリズム間における界面の傾斜が増加するほど増加する。それ故に、この開始からの強度損失を減少させる偏向を実現するために、１つのプリズムセル内に少なくとも３つのマイクロプリズムが生成されることは意味を成す。

要約すると、光束の偏向のためにマイクロプリズムを有する液滴駆動セルを用いる場合に、入射光束は偏向角が大きくなるほどより圧縮されることに留意する必要がある。マイクロプリズムを有するプリズムセルに割り当てられた変調セルの曲線因子ＦＦは、変調セルの有効領域自体は変化しないが、減少を示す。この問題は、変調セルの回折パターンの強度が、偏向角の増加に伴い広い領域に渡って分布され、結果、隣接する回折次数のサイドピーク強度の割り当ては増大し、隣りの眼において妨げとなるクロストークとして知覚される効果をもたらす。広い追跡範囲を提供するために付加的な手段を導入することによって、より大きな偏向角を保っている間のみクロストークを減らすことが可能である。

ホログラムディスプレイデバイスにおいてこの特性の使用とともに特に明らかになる、液滴駆動セルによる光束の偏向に基づく視認領域を追跡する場合、さらなる問題については以下の図面に関する記載で詳細に説明される。

本発明の目的は、観測面の広角の視認領域であって、光束により生成された視認領域において、制御可能なマイクロプリズムを用いた光束の偏向により実現される追跡のために、光変調デバイスにおいて提供されることにある。上述したマイクロプリズムによる偏向の問題は、可能な限り最小となるべきである。特に、圧縮により偏向後の光束の断面領域が縮小する効果は、ほぼ完全に補償されるべきである。

制御可能なプリズムセル及び電極を備える制御可能な偏向デバイスであって、プリズムセルは、複数の非混合物質を有し、光の伝播方向においてプリズムセルの前に配置されるとともに、所定の強度分布を有する光束により照射される、制御可能な１つの変調セルに割り当てられ、電極は、視認領域の検出された観測者の眼に向かうように光束を偏向するために、プリズムセル内の２つの非混合物質間に形成された界面を制御し、偏向された光束は、所定の強度分布とは異なる、または所定の強度分布から変更された、変調セルの回折パターンの強度分布を視認領域において有する、制御可能な偏向デバイスにより目的は達成される。

本発明に係る目的は、幾何光学要素が変調セルの有効領域、及びプリズムセル内の複数の物質の少なくともいずれかを有する、制御可能な偏向デバイスの光路上に提供されることにより達成される。本発明によれば、視認領域において変更された強度分布は、高次の回折次数のサイドピークの強度を減らすことにより、光束の光路において、変調セルの有効領域が変更された強度分布に適応された形状を有する、及び界面において均一な屈折力分布を生成するように、プリズムセル内の物質が用いられる、の少なくともいずれかの点で補正される。

このことは、強度分布が検出された眼の視認領域において大部分を占め、クロストークが知覚されないような、少ないエネルギのみを受ける観測者の他方の眼を含む視認領域の回折次数を補償する。

本発明の実施形態において、制御可能な偏向デバイスは、観測面において少なくとも１つの観測者の眼球位置を検出するための位置検出システムを有する制御手段を介して、検出された観測者の眼球位置に応じた少なくとも１つのくさび角を生成するために接続される。

さらに、本発明によれば、偏向デバイスに対して追跡範囲が割り当てられ、当該追跡範囲において、視認領域を生成する光束は観測者の眼球位置の変化に応じて偏向される。

第１の簡単な手段として、変調セルの形状は、光束の圧縮を最小限にするように変調される。有効領域は、対応するプリズムセルが光束の最大偏向を生成する方向において、最大範囲を有するように変調セルは提供される。このような構成により、変調セルの範囲は偏向方向において拡大され、当該方向の光束の圧縮により引き起こされる変更された強度分布を補正する。これにより、光束の断面の圧縮効果は最小限となる。

圧縮を最小限にするための第２の手段として、プリズムセルは少なくとも４つの界面を有し、４つの界面のうち、３つの物質間の少なくとも２つの界面は、屈折力が物質に渡って可能な限り均一に分散されるように、電圧が適用されることにより、可変に傾斜される。屈折力は、ここではプリズムセルの偏向角の手段である。このことは、プリズムセルの後段の物質に入る光束の偏向の挙動が、それぞれの界面において可能な限り均一であることを補償する。均一な屈折力分布は、３部構成のプリズムセルにおいて、プリズムセル内のマイクロプリズムの異なる層によって実現され得る。一方で、プリズムセル内の少なくとも２つの物質は、界面における同一のくさび角を有し、結果、光路に対して直角方向にみて互いに鏡面対称的に対するように配置された、同一のマイクロプリズムを形成する。これにより、最小限の光束の圧縮は実現される。当該解決方法は、偏向方向における傾斜角を実現するために生成されたマイクロプリズムごとに、少ない数の制御電圧線しか必要としないという利点を有する。

本発明の更なる実施形態において、少なくとも１つの偏光手段は、視認領域を追跡中、追跡範囲において位相跳躍を抑止するために光路に提供される。そして偏光手段は、視認領域が観測者の眼に追跡される平面に対して垂直をなす入力偏光

を、偏向される光束に与える。追跡範囲は、実現可能な光束の最大偏向角により制限される。

本発明の更なる実施形態において、変調セルのそれぞれは、視認領域における偏向及び反射により引き起こされた光束のエネルギ損失が所定値を超えた場合に、制御手段により、補正値として追加の強度値が与えられる。補正値は、連続値パターンを有する少なくとも１次元的な偏向のための補正値テーブルに格納されていることが好ましく、当該テーブルから読み出され得る。局所的に限定された方式で、検出された観測者の眼球位置において視認領域を拡張するために、眼球位置に生成された視認領域の周期的な高速側方運動を行う付加的な制御信号が制御手段により生成される。付加的な制御値は、当該局所的に限定された偏位を実現するために、位相信号及び振幅信号の少なくともいずれかとして、光変調器において符号化される値及びプリズムセルの制御値の少なくともいずれかの値に付加される。これらの付加的な信号または値は、検出された観測者の眼に対する偏向角に応じて設定される。

本発明の更なる実施形態において、水平及び垂直の少なくともいずれかに配置された複数のプリズムセルは、１つのユニットとして制御可能なプリズムセルのグループを作成するように組み合わされ、２つの隣接するプリズムセル間で実現される、観測者の眼に関する光束の角度差は閾値以下の状態にある。このことは、アレイ状のプリズムセルの設計を容易にする。

好ましい実施形態において、少なくとも１つの制御可能な偏向デバイスは光変調器に割り当てられ、提示されるホログラム再現のホログラムの複素数が、光変調器の変調セルにおいて符号化される光変調器であって、当該変調セル（２）及び後段の対応する偏向プリズムセル（４）で回折された後、観測面の視認領域において回折パターンの強度分布として重ね合わせられる、所定の強度分布を有する可干渉性の光束が通過する光変調器を備える。変調セルの回折パターンは、後段の対応する偏向プリズムセルに割り当てられる。プリズムセルによる偏向の後、光束は異なる強度分布を示す。光路上に適用される幾何光学要素は、検出された眼の視認領域における偏向パターンのサイドピーク強度は、他方の眼の視認領域において減らされるように、当該変化を補正する。このことは、変調セルの有効領域が変更された強度分布に適応された形状を有する、及びプリズムセルにおいて用いられる物質が界面において均一な屈折力分布を生成する、の少なくともいずれかの点において達成される。

発明の更なる実施形態において、多数の制御可能な偏向デバイスに適合された光変調器は、光変調デバイスに統合される。制御可能な変調セルは、光変調器において規則的に配置され、それぞれの変調セルは、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の１つの制御可能な偏向デバイスに割り当てられる。

光変調デバイスは、例えばホログラム再現を提示するために用いられるホログラムディスプレイにおいて利用され得る。

本発明は、実施形態及び添付の図面を参照して、以下に詳細に説明されるだろう。

２つの非混合性物質間の、制御可能な傾斜された界面による、光束の偏向及び圧縮を示した斜視図である。 、 変調セルの有効領域を例示した図である。 変調セルにより放射され、同様に設定されたくさび角を有する制御可能なプリズムセルにより観測者の眼に向けて偏向される光束の光路を示した上面図である。 異なって傾斜された界面を有する制御可能なプリズムセルを通過する間の光束を示した上面図である。 分極手段の電場の方向とともに視認領域の追跡範囲を示した図である。 分極手段を有する２部構成のプリズムセルを示した図である。

本発明に係る制御可能な偏向デバイスは、主構成要素として、マテリアル間で形成される界面を傾斜させるための電極Ｕ_αｉｊ１・・・Ｕ_αｉｊｎに接続された、少なくとも３つの物質を有するプリズムセル４を備える。さらに、制御手段ＣＭ（control means）は、電極を制御するためにそれぞれのプリズムセル４に提供される。添え字ｉｊは、１つのプリズムセルに割り当てられた制御可能な変調セル２に係り、光変調器（図示せず）における位置を定義する。電極Ｕ_ｍｉｊは対応する変調セル２を制御するために提供される。制御手段ＣＭは、位置検出システムＰＦ（position detection system）にさらに接続される。光束は、プリズムセルの第１の界面に常に直角を成して入射する。個々の構成要素は概略的にのみ示されるものであり、本発明の趣旨の理解を容易にするために重要な詳細部のみに限定されている。

図１については、上述した従来技術の説明で既に述べている。即ち、光束が液滴駆動セルによって偏向された場合に生じる圧縮を、概略的に示している。当該図において、さらなる構成要素の表示は省略されている。

図２Ａ及び２Ｂは、変調セル２の有効領域３を示しており、図２Ａでは正方形状、図２Ｂでは圧縮によって変化させられた長方形状となっている。

図２Ｂにおいて、変調セル２の範囲は、偏向方向において当該方向の圧縮を考慮して拡大されている。有効領域３の全領域は、図２Ａと同じ大きさである。本実施形態において、光変調器内に通常配置される変調セル２を制御するために必要な電気制御線のために、有効領域３の上部及び下部にさらに空間が存在する。ここでは有効領域３は、光束１が通過するまたは反射される表面の領域であり、それぞれ透過または反射するように作られた変調セル２であるものとして理解されるべきである。

図３は、観測者の眼９へ向かう光束１の光路を鎖線で示している。光束１は、変調セル２、及び定義された強度分布を有する割り当てられたプリズムセル４を通過する。第１の実施形態において、制御可能な偏向デバイスは、２つの異なる物質により作られた、連続的に生成された３つのマイクロプリズム５及び６を有するプリズムセル４を備える。同質のマイクロプリズム５は、２つの異なる物質の界面において、同一のくさび角が形成されるように２つの界面が傾斜されるような制御電圧が適用されて生成される。マイクロプリズム５は同一の物質で作られており、マイクロプリズム５に挟まれた物質が、光路に対して直角をなす方向から見て、互いに鏡面対称的に対面するように配置される。このことは、それぞれの界面において次の物質に、広範囲にわたる屈折力の均一な分散を補償し、これにより光束１の圧縮を最小限にする。光束１がプリズムセル４の第１の界面に直角をなして入射するため、１つの物質から他の物質への伝播は、屈折力分散に対して影響をもたらさない。

このマイクロプリズムの配置に伴い、マイクロプリズム５及び６を制御するために必要なそれぞれの偏向方向の電極の数は、２つの電極Ｕ_αｉｊ１及びＵ_αｉｊ２のみに減少させることができる。Ｕ_ｍｉｊは各変調セル２のためのデータ線を意味し、Ｕ０は接地線を意味する。一定の電圧Ｕ_Ｃは、一般的に水である、各プリズムセル４内の有極性の液体に対して継続的に供給される。プリズムセル４の電極は、観測面１０における観測者の眼９の位置検出用の位置検出システムＰＦを伴う制御手段ＣＭを介して電気的に接続される。

光束１の断面の圧縮は、プリズムセル４の複数の界面が異なる傾斜を有する場合に最小限にすることも可能である。図４は、３物質間の２つの界面が異なる角度に傾斜されているプリズムセルを示している。このような配置は、連続した配置において異なるくさび角を有するマイクロプリズム５、７、及び８を生成する。このようなタイプのプリズムセル４のために、２または３種の異なる物質を用いることが可能である。また、一定電圧Ｕ_Ｃは、例えば水のような有極性物質に適用される。しかしながら、界面の異なる傾斜に起因し、それぞれの偏向方向について、互いに独立して制御されなければならない電極の数は、４つの電極Ｕ１からＵ４に増加する。このことは、２つのマイクロプリズム５及び８の各くさび角の制御を許容する。プリズムセルの界面の入口及び出口が共平面であるため、３番目のくさび角は自動的に生じる。従って、視認領域が２つの方向において観測者の眼へと追跡される場合、１つのプリズムセルに対して８つの電極が必要となる。しかしながら、３つの異なる物質を用いることにより、界面が異なるように傾斜される電極の数はまだ減らすことが可能である。異なる物質は、本明細書において水と油とする。油を挟む水の２つの液滴は、それぞれの塩濃度が異なる。

図５Ａ及び５Ｂは、光束１の偏向において分極手段１２が有する効果を概略的に示しており、２部構成のプリズムセルの例における視認領域の追跡を示している。

図５Ａには、Ｘ−Ｚ平面における追跡範囲１１、及び当該平面に対し垂直に振動する電場

が座標系に示されている。観測者が移動した場合、光束及び視認領域は、平面において観測者の眼に対して追跡されるであろう。図において、追跡範囲１１は２つの例示的な矢印により限定されている。追跡範囲は、複数の観測者に同時に提供することを可能とするために、可能な限り大きくされるべきである。範囲外にある観測者の眼には提供されない。

図５Ｂは、描画面に対して平行及び垂直の両方に振動し、例えば分極フィルタのような光路に配置された分極手段１２に入射する、分極された成分

及び

を有する光束１を示している。描画面に対し垂直に振動する光束の成分のみが、後段に配置されたマイクロプリズム５及び６に入射するように分極フィルタ１２を通過する。当該成分は、界面により観測者の眼９に向けて偏向される。

光束において常に有効である電場

は、プリズムセルが大きい偏向角を実現する場合に、位相跳躍が生じることを抑止する。大きい偏向角における電場の

成分において生じる位相跳躍は、フレネル方程式により示される。追跡において、大体２０度ごとに、妨害となるπの位相跳躍が生じる。この発生は、くさび角及び隣接するマイクロプリズム５及び６そのものの屈折率に依存する。

本発明に係る制御可能な偏向デバイスの機能原則は、ホログラム直視ディスプレイの例を用いて、以下に詳細に説明される。定義された強度分布と比較し、プリズムセルにおける偏向、及び対応する光束の圧縮により変化された視認領域における変調セルの回折パターンの強度分布のみが、本明細書において考慮される。変調セルにおける光束の変調により引き起こされる、その他の生じうる強度変化は本発明において考慮されず、本発明の対象としない。

ディスプレイは、図３において例示されるアレイ状の偏向デバイスが設けられた光変調器を備える。生成されるホログラム再現のホログラムを表す複素数は、制御可能な変調セル２において符号化される。しかしながら、生成される再現の波面が直接符号化されることも可能である。変調セル２を通過することにより符号化された値とともに変調される可干渉性の光束１は、変調セル２を照射し、後段に配置されているそれぞれに割り当てられたプリズムセル４に入射する。位置検出システムＰＦは観測面１０において、光束が偏向されるべき観測者の眼９を検出する。観測者の眼９の３次元座標は検出される。位置情報は、制御手段ＣＭが光変調器またはディスプレイデバイスの光路に対する観測者の眼９の偏向角を判定するための基準となるように作られる。隣接する物質間の界面は、判定された偏向角に基づき、適宜アドレスされた電極Ｕ_αｉｊ１及びＵα_ｉｊ２により傾斜させられる。これにより、要求される偏向を実現するくさび角を伴うマイクロプリズム５、６は、界面の傾斜により形作られる。

それぞれのプリズムセルはアドレスされ、アレイ状のプリズムセルにおいて他のプリズムセルとは独立に制御される。このことは、プリズムセルによって放射され、少なくとも１つのホログラムの複素数において実現され得るそれぞれの光束について、個々の伝播方向が設定されることを可能にする。しかしながら、ソフトウェアにより水平及び垂直の少なくともいずれかについて、小グループを形成するようにアレイの複数のプリズムセルは組み合わせられることも可能である。このことは、隣接するプリズムセル間で生じる光束の最大角の違いが、ある閾値以下である場合において特に行われ得る。グループのプリズムセルは、同一の制御信号を受信するだろう。このようなプリズムセルのグループは、共通の制御信号によって制御され得る。制御信号の数は減らされるか、組み合わせられることが可能であり、制御手段により実行される制御処理は、単純化され得る。要求されるデータ転送速度は、これにより例えばホログラムディスプレイにおいて好ましく減少され得る。

可干渉性の変調された光束１は、変調セル２の回折パターンの分布の形状において、プリズムセル４を通過し、視認領域を生成する観測者の眼球位置９において重ね合わされる。このような視認領域は、観測者の検出されたそれぞれの眼に対して生成される。偏向されると同時に光束１は圧縮され、これにより回折パターンの定義された強度分布は変更される。観測面１０において有効なエネルギ（強度）は、広範囲にわたって分布される。この分布は高次の回折次数におけるサイドピークの強度の上昇を引き起こし、その結果、隣りの眼、及び隣接する視認領域に対するクロストークが知覚される。

光路上に配置された幾何光学手段は、光束の圧縮の影響を弱め、これにより観測者がもはや妨害として知覚しないような角度に、観測者の隣接する眼の間のクロストークを減らし得る。このことは、２つの手段（measure）のうちの１つ、またはその組み合わせを実装することにより実現され得る。

第１の簡単な手段は、光変調器の変調セルの有効領域を変調し、これにより変調セルを再設計することである。光束の圧縮効果を最小限にするために、変調セルは水平方向、即ち光束の変更方向において、広範囲に与えられることが好ましい。このことは、光束の有効領域を増加し、サイドピークの強度がとても弱いか、全くないと知覚され得る強度分布を生成する。

第２の手段は、少なくとも３つのマイクロプリズムにより生成された、３つの隣接する物質間の少なくとも２つの制御可能な界面の構成において、屈折力が複数の物質に渡って可能な限り均一に分布される点で、光束の圧縮を最小限にする。既に上述したように、３つのマイクロプリズムは対称的な、または非対称的な配置において、異なる大きさのプリズムのくさびに対して屈折力を分布させるように生成され得る。

制御を考慮する限り、図３に示すような対称的な配置が用いられることが好ましい。このような配置において、少なくとも２つの同一のマイクロプリズム５は、適宜制御された界面の傾斜を介して、３番目のマイクロプリズム６について、互いに鏡面対称的に対するように生成される。例えば、油及び水のみが液体として用いられる。プリズムセル４内の一連の物質は、水ー油ー水というようになっている。光束１の断面の圧縮は、２つのマイクロプリズムの同一のくさび角により最小限にされる。生成されたマイクロプリズム５の対称性は、制御可能な界面の傾斜が、観測者の眼９の位置に応じて変化されるまで持続される。

理論上、プリズムセル４における一連の物質は逆転されてもよいが、伝送が最も悪く、同一の偏向角で光束がより圧縮される例について実施形態は示している。

偏向角が増加する場合、観測者の眼で知覚される光度は減少する。この減少は、基本的には２つの異なる理由によるものである。１つの理由は、くさび角が大きいほど、界面で反射された光の一部、即ち屈折されず、要求された偏向角が実現されない部分の光は多くなることである。強度損失は、補正値により補正されなければならない。もう１つの理由は、くさび角が大きくなるほど光束の圧縮が大きくなることである。光束の圧縮は、観測面におけるエネルギが、視認領域外に位置する領域に次第に分布されることを引き起こす。このエネルギは検出された観測者に到達せず、生成される再現はとても暗いものとなる。この強度損失も、補正値により補正されなければならない。

変調セルそれぞれの強度は、制御手段によって上述した２つの補正値の合計の補正値を導入することにより、少なくとも１次元的な偏向において増加されなければならない。この偏向角依存の蓄積された補正値はそれぞれの変調セルの補正値テーブルに格納され、当該テーブルから読み出され得る。また、強度の補正は光源が放射するコヒーレント光の制御により直接的に行われることも可能である。

広い偏向角を実現する場合の他の重要な手段は、広い偏向角において生じる位相跳躍を抑止するために、図５Ｂに示されるような、少なくとも１つの偏光手段１２を光路上に配置する方法である。偏光手段１２は、視認領域が観測者の眼へ追跡される平面に対して、垂直をなす入力偏光

を光束１に与えるように、光路上に配置される。図５Ａにおいて、当該平面はＸ−Ｚ平面である。光束１の追跡範囲は、プリズムセル５，６の実現可能な最大偏向角により制限される。

上述した手段は、界面による偏向によって生じた光束の圧縮の影響を弱め、光束の圧縮を最小限にすることを目的とする。このことは、上述した実施形態において１次元的に行われる。非干渉性な方向において、偏向デバイスの回折パターンは視認領域において非干渉で重ね合わされる、即ち、観測者の眼が存在する領域では強度が加算される。この強度分布の非干渉の重ね合わせは、立体視ディスプレイデバイスにおける視認領域の生成に対応する。このことは、視認領域がそれぞれの眼に対して生成された場合に、ＥＷセルを有する自動立体視ディスプレイの光路上においても光束の圧縮の問題及び対応する効果が発生することを意味する。光束の圧縮が大きくなるほど、即ち、偏向後、個々の偏向デバイスの後段における光束の断面が小さくなるほど、視認領域に割り当てられたエネルギは、水平方向により拡散される。それ故に、検出された瞳により知覚され得るエネルギ量は偏向角につれて減少し、光束の圧縮はより大きくなる。観測者の瞳に入るエネルギ量は、同時に増加する。光束の圧縮は、自動立体視ディスプレイにおいて、検出されていない眼に対しても、強度のクロストークを引き起こす。

上述したような２次元的な問題の解決についても、本発明の対象とされるべきである。このようにした場合、光束の圧縮された断面が、観測者の眼球位置、及びプリズムセルごとに連続的に生成されたマイクロプリズムの数に依存することについて留意されなければならない。

観測者の眼がわずかにのみ移動した場合に、すぐに制御手段により視認領域の追跡が開始しないために、検出された観測者の眼球位置において、局所的に限定された方式に従って視認領域は拡張される。このことは、眼球位置において生成された視認領域が、周期的な高速側方運動を付加的に実行する点において実現され得る。このため制御手段は、位相信号及び振幅信号の少なくともいずれかとして付加された制御信号を、光変調器で符号化される値、及びプリズムセルの制御値の少なくともいずれかに生成する。追加の制御信号は、観測者の眼の実際の偏向角、及び局所的に限定された偏位に対応する角度に依存して決定される。より具体的には、例えばプリズムの制御信号において、正弦関数の電圧信号は変調される。

ホログラムディスプレイにおいて、継続的な視認領域の追跡を可能にするために、可変の制御可能なプリズム機能に加えて、位相シフトが要求される。その値は方向依存である。視認領域が左から右またはその逆方向に追跡されるべきであるかが考慮される。当該値は、変調セルのために、符号化する複素数に加えて、制御手段により提供されることが好ましい。

液滴駆動セルに基づくプリズム機能を有する本発明に係る制御可能な偏向デバイスを備える光変調デバイスを有するホログラム直視ディスプレイは、上述した手段の少なくとも１つにより、クロストークを知覚可能な程度に減少させ、複数の観測者のそれぞれに割り当てられた視認領域の追跡機能を実現することができる。生成される再現の質は、これにより改善される。

１ 光束
２ 変調セル
３ 変調セルの有効領域
４ プリズムセル
５〜８ マイクロプリズム
５５及び６６ くさび角
９ 観測者の眼
１０ 観測面
１１ 追跡範囲
ａ及びｂ 入射光束の範囲
ａ’及びｂ’ 放出する圧縮された光束の範囲
ｃ及びｃ’ 圧縮の前後における、光束の断面領域
ＣＭ 制御手段
ＰＦ 位置検出システム
Ｕ_αｉｊ１，・・・，Ｕ_αｉｊｎ プリズムセルの電極
Ｕ_ｍｉｊ 変調セルの電極

Claims (13)

1. 制御可能なプリズムセル及び電極を備える制御可能な偏向デバイスであって、
   前記プリズムセルは、複数の非混合物質を有し、光路において前段に配置されるとともに、所定の強度分布を有する光束により照射される、制御可能な１つの変調セルに割り当てられ、
   前記電極は、視認領域の検出された観測者の眼に向かうように光束を偏向するために、前記プリズムセル内の２つの前記非混合物質間に形成された界面を制御し、
   前記偏向された光束は、前記所定の強度分布から変更された、前記変調セルの回折パターンの強度分布を、前記視認領域において示し、
   前記視認領域の前記変更された強度分布は、高次の回折次数のサイドピークの強度を減らすことにより、前記光束（１）の前記光路において、
   前記変調セル（２）の有効領域が前記変更された強度分布に適応された形状を有する、及び
   前記プリズムセル（４）において用いられる前記物質が、前記界面において均一な屈折力分布を生成する
   の少なくともいずれかとなるように補正されることを特徴とする制御可能な偏向デバイス。
2. 前記視認領域を生成する可干渉性の前記光束（１）が追跡範囲（１１）の観測者の眼球位置の変化に応じて偏向される、前記追跡範囲（１１）を提供することを特徴とする請求項１に記載の制御可能な偏向デバイス。
3. 前記変調セル（２）の有効領域は、対応する前記プリズムセル（４）が前記光束（１）の最大偏向を生成する方向において、最大範囲を有することを特徴とする請求項１に記載の制御可能な偏向デバイス。
4. 前記プリズムセル（４）は少なくとも４つの界面を有し、
   前記４つの界面のうち、３つの物質間の少なくとも２つの界面は、前記屈折力が前記物質に渡って可能な限り均一に分散されるように、電圧が適用されることにより、可変に傾斜されることを特徴とする請求項１に記載の制御可能な偏向デバイス。
5. 少なくとも１つの偏光手段（１２）は、前記視認領域を追跡中、前記追跡範囲において位相跳躍を抑止するために光路に提供され、
   前記偏光手段（１２）は、追跡が実行される平面に対して垂直をなす入力偏光
   

   

   を、偏向される前記光束（１）に与えることを特徴とする請求項２に記載の制御可能な偏向デバイス。
6. 変調セル（２）のそれぞれは、偏向及び反射により引き起こされた前記可干渉性の光束（１）のエネルギ損失が所定値を超えた場合に、制御手段（ＣＭ）により、補正値として追加の強度値が与えられることを特徴とする請求項２に記載の制御可能な偏向デバイス。
7. 前記補正値は、連続値パターンを有する少なくとも１次元的な偏向のための補正値テーブルに格納され、当該テーブルから読み出され得ることを特徴とする請求項６に記載の制御可能な偏向デバイス。
8. 制御手段（ＣＭ）は、前記検出された観測者の眼球位置（９）において、当該観測者の眼（９）に対する前記視認領域を拡張するために、前記生成された視認領域の周期的な高速側方運動を行う制御信号を、局所的に限定された方式で付加的に生成することを特徴とする請求項２に記載の制御可能な偏向デバイス。
9. 前記付加的に生成された制御値は、位相信号及び振幅信号の少なくともいずれかとして、前記プリズムセル（４）の制御値及び前記変調セル（２）において符号化される値の少なくともいずれかの値に付加されることを特徴とする請求項８に記載の制御可能な偏向デバイス。
10. 水平及び垂直の少なくともいずれかに配置された複数の前記プリズムセル（４）は、１つのユニットとしてアドレスされたプリズムセルのグループを作成するように組み合わされ、
    ２つの隣接するプリズムセル（４）間で実現される、観測者の眼（９）に関する前記光束（１）の角度差は、閾値以下であることを特徴とする請求項２に記載の制御可能な偏向デバイス。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の制御可能な偏向デバイスを少なくとも１つ備える光変調器であって、
    生成されるホログラム再現のホログラムの複素数が符号化される変調セル（２）であって、当該変調セル（２）及び後段の対応する偏向プリズムセル（４）で回折された後、視認領域において当該変調セル（２）の回折パターンの強度分布として重ね合わせられる、所定の強度分布を有する可干渉性の光束が通過する変調セル（２）を備え、
    前記回折パターンは、個々の前記変調セル（２）及び前記後段の対応する偏向プリズムセル（４）に対応し、かつ、偏向後の視認領域における変更された強度分布を示し、
    前記変更された強度分布は、高次の回折次数のサイドピークの強度を減らすことにより、
    前記変調セル（２）の有効領域が、当該変更された強度分布に適応された形状を有する、及び
    前記プリズムセル（４）において用いられる物質が、界面において均一な屈折力分布を生成する、
    の少なくともいずれかとなるように補正されることを特徴とする光変調器。
12. 請求項１１に記載の光変調器を備える光変調デバイスであって、
    規則的に配置された多数の変調セル（２）を備え、
    前記変調セル（２）は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の１つの制御可能な偏向デバイスに割り当てられることを特徴とする光変調デバイス。
13. 請求項１２に記載の光変調デバイスを備えることを特徴とするホログラムディスプレイ。

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