JP2022161038A - 液晶表示装置を使用するホログラム表示 - Google Patents

Abstract

【課題】表示装置を駆動する方法を提供する。【解決手段】表示装置は、液晶パネル、表示エンジン、およびホログラムエンジンを備える。液晶表示パネルは複数のピクセルを備える。表示装置は、表示装置によって定義された複数の表示間隔の各表示間隔中に複数のピクセルの各ピクセルを駆動するように構成された表示エンジンを備える。各ピクセルは駆動信号に従って駆動される。駆動信号はピクセルごとのピクセル電圧を含んでよい。表示エンジンは、表示間隔ごとに駆動信号の極性を反転するように構成される。ホログラムエンジンは、表示用のマルチレベル位相ホログラムを表示エンジンに送信するように構成される。方法は、フィールド反転なしに直接連続する表示間隔でマルチレベル位相ホログラムを表示することを含む。【選択図】図９

Description

本開示は、ホログラフィおよびホログラムの表示に関する。より具体的には、本開示は、ホログラフィ用の表示装置および表示装置を駆動する方法に関する。いくつかの実施形態は、ネマチック液晶表示装置を含む液晶表示装置、およびそれ用のドライバに関する。他の実施形態は、液晶オンシリコン空間光変調器などの液晶空間光変調器、およびそれ用の駆動方式に関する。

物体からの散乱光には、振幅と位相の両方の情報を含む。この振幅および位相の情報は、たとえば、周知の干渉技法によって感光板上で捕捉されて、干渉縞を含むホログラフィック記録、すなわち「ホログラム」を形成することができる。ホログラムは、元の物体を表す２次元または３次元のホログラフィック復元、すなわち再生画像を形成するために、適切な光の照明によって復元されてよい。

コンピュータ生成ホログラフィは、干渉プロセスを数値的にシミュレートすることができる。コンピュータ生成ホログラムは、フレネル変換またはフーリエ変換などの数学的変換に基づく技法によって計算されてよい。これらのタイプのホログラムは、フレネル／フーリエ変換ホログラムまたは単にフレネル／フーリエホログラムと呼ばれる場合がある。フーリエホログラムは、物体のフーリエ領域／平面表現または物体の周波数領域／平面表現と見なされてよい。コンピュータ生成ホログラムは、たとえば、コヒーレント光線追跡または点群技法によって計算されてもよい。

コンピュータ生成ホログラムは、入射光の振幅および／または位相を変調するように構成された空間光変調器上で符号化されてよい。光変調は、たとえば、電気的にアドレス可能な液晶、光学的にアドレス可能な液晶、またはマイクロミラーを使用して実現されてよい。

空間光変調器は、通常、セルまたは素子と呼ばれる場合もある複数の個別にアドレス可能なピクセルを含む。光変調方式は、バイナリ、マルチレベル、または連続であってよい。あるいは、デバイスは、連続（すなわち、ピクセルから構成されていない）であってよく、したがって、光変調はデバイスにわたって連続であってよい。空間光変調器は、変調された光が反射して出力されることを意味する反射型であってよい。空間光変調器は、同様に、変調された光が透過して出力されることを意味する透過型であってよい。

液晶は、直視型ディスプレイ、投射型ディスプレイ、およびフォトニクスデバイスに使用される拡張性をもつ。液晶の安定性が第一の関心事であり、液晶表示装置は長い動作寿命をもつことが必要とされる。しかしながら、液晶表示装置にわたる不均衡な場の存在は、媒体を分極させる傾向がある。一方向の正味の電場はイオンの蓄積を引き起こす。このイオン電荷の蓄積は、印加された電場を妨害し、表示装置の性能を低下させる傾向がある。電場を連続的に逆転させることにより、液晶表示装置をＤＣ平衡させることは当技術分野で知られている。このプロセスはフィールド反転と呼ばれる場合がある。しかしながら、フィールド反転のマイナスの結果が存在する。本開示はこれらの問題のいくつかに対処する。

本開示の態様は、添付の独立請求項において定義される。

本明細書では、液晶表示パネル、表示エンジン、およびホログラムエンジンを備える表示装置が開示される。液晶表示パネルは複数のピクセルを備える。表示エンジンは、複数の表示間隔の各表示イベントの間に複数のピクセルの各ピクセルを駆動するように構成される。複数の表示間隔は表示エンジンによって定義される。各ピクセルは駆動信号に従って駆動される。表示エンジンは、（ＤＣ平衡を実現するために）ｎ個の表示間隔ごとに駆動信号の極性を反転するように構成される。表示ドライバは、表示間隔ごとに駆動信号の極性を反転するように構成されてよい。あるいは、表示エンジンは、２つごとまたは３つごとの表示間隔で駆動信号の極性を反転するように構成されてよい。ホログラムエンジンは、表示用のマルチレベル位相ホログラムを表示エンジンに送信するように構成される。連続する各マルチレベル位相ホログラムは、異なる画像に対応する。連続する各マルチレベル位相ホログラムは、異なる画像コンテンツを備えると言える。より具体的には、連続する各マルチレベル位相ホログラムから形成可能なホログラフィック復元は異なる。言い換えれば、マルチレベル位相ホログラムのシーケンスは、変化する（たとえば、移動する）画像／ホログラフィック復元に対応する。表示エンジンは、それぞれの表示間隔中にシーケンスの各マルチレベルホログラムを表示するように構成され、シーケンスのマルチレベル位相ホログラムを表示するために使用される表示間隔は、（各ホログラムがフィールド反転なしに表示されるように）直接連続（immediately consecutive）する。すなわち、シーケンスのホログラムを表示するために、連続する／途切れないグループの表示間隔が使用される。整数ｎは、６未満の整数であってよい。整数ｎは、フレームあたりのサブフレームの数よりも小さい整数であってよい。いくつかの実施形態では、各マルチレベル位相ホログラムは一度だけ表示される、すなわち、ただ１つの表示間隔中に表示される。したがって、ホログラムは、極性の反転に関係なしに順序正しく表示される。

マルチレベル位相ホログラムは、それぞれ、直接連続する表示間隔で表示される。言い換えれば、ホログラムは、直接隣り合う表示間隔で次々に順序正しく表示される。誤解を避けるために、ただ１つのホログラムが表示間隔ごとに表示される。たとえば、ホログラムのシーケンス内の第１のホログラムは第１の表示間隔中に表示され、シーケンス内の第２のホログラムは第２の表示間隔中に表示され、第２の表示間隔は第１の表示間隔の直後にあり、以下同様である。すなわち、連続するホログラムの表示の間に表示間隔は存在しない。たとえば、第１の表示間隔と第２の表示間隔との間に表示間隔は存在しない。ピクセルを駆動して第１のホログラムを表示するために使用される第１の表示信号は第１の極性を有し、ピクセルを駆動して第２のホログラムを表示するために使用される第２の表示信号は第２の極性を有し、第２の極性は第１の極性と反対である。第１のホログラムは第２のホログラムとは異なる、すなわち、第１のホログラムから形成されるホログラフィック復元は、第２のホログラムから形成されるホログラフィック復元とは異なる。言い換えれば、第１のホログラムに対応する画像コンテンツは、第２のホログラムに対応する画像コンテンツとは異なる。第１のホログラムは、独自のフィールド反転を使用してＤＣ平衡なしに表示されており、同じことが第２のホログラムにも当てはまる。したがって、各ホログラムはフィールド反転されていないことが理解されよう。しかしながら、第１のホログラムは、第２のホログラムに対してフィールド反転されていると言える。

フィールド反転が液晶セルの性能特性を維持するための鍵であることは、液晶業界でよく理解されている。液晶セルに印加される電圧の極性を繰り返し反転させることは一般的である。たとえば、共通電極とピクセル電極との間の電圧は、第１のフレームでは正であり、第２のフレームでは負であってよい。２つのフレームにおいて等しいが反対の電場は同じグレーレベルになるが、分子がＤＣ平衡され、「付着」しないことを保証する。この例では、同じ画像が２回表示され、１回は正の電場を使用し、１回は負の電場を使用する。ＤＣ平衡を実現するために、正のフィールドを使用して画像が表示される回数は、負のフィールドを使用して画像が表示される回数と等しくなければならない。このルールから逸脱することに対して、当技術分野ではかなりの偏見がある。

発明者は、ホログラムのシーケンスの表示中に、表示中の個々のピクセル値の変化が本質的にランダムであることを見出した。これは、利用可能なグレーレベルを均等に使用する傾向があるホログラム計算プロセスの結果である。発明者は、シミュレーションにより、画像のビデオシーケンスの動的ホログラフィック投影中の各個々のピクセルのグレーレベルが本質的にホワイトノイズであることを見出した。発明者は、長時間ホワイトノイズを受けた液晶セルの性能が劣化しないことを試験によって確認した。具体的には、ＤＣ不均衡に関連する悪影響は観察されなかった。発明者は、これらの現象の結果が、各ホログラムをフィールド反転する必要がないので、コンピュータ生成ホログラムから形成されるとき、液晶デバイスを使用して表示される画像コンテンツをより頻繁に更新できることであることを認識した。したがって、ホログラムのシーケンスは、従来のディスプレイでは不均衡と見なされる駆動方式を使用して表示されてよい。具体的には、マルチレベル位相ホログラムは、正の電場および負の電場を使用して表示される必要はない。要するに、本明細書では、ＤＣ平衡なしに液晶表示パネル上にマルチレベル位相ホログラムを表示する方法が開示される。

各ホログラムは、ただ１つの正の駆動信号またはただ１つの負の駆動信号を用いて表示されてよい。２回以上ホログラムのいずれも表示することなく、表示間隔の対応するシーケンス中にホログラムのシーケンスを表示することが可能である。この構成は、表示装置の最大リフレッシュレートを最大限に活用するので有利である。これは、各ホログラムが１回だけ表示され、連続するホログラムが連続する表示間隔中に表示されるので実現される。

ホログラムエンジンは、各ホログラムを計算するように構成されてよい。ホログラムは、複数のホログラムを含むメモリから取り出されたコンピュータ生成ホログラムであってよく、またはホログラムは、画像のビデオストリームのリアルタイム処理などの動作中にターゲット画像から計算されてよい。ホログラムは、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムに基づく場合がある反復位相回復アルゴリズムを使用してコンピュータ生成されてよい。順フーリエ変換および逆フーリエ変換を含む反復プロセスにより、利用可能／許容可能なグレーレベルが実質的に均等に使用される。ホログラム計算プロセスは、少なくとも１つの順フーリエ変換および少なくとも１つの逆フーリエ変換を含んでよい。アルゴリズムの反復回数は３回より多い場合がある。したがって、ホログラムは位相ホログラムであり、これは、各グレーレベルが位相遅延値を含むことを意味する。グレー（たとえば、位相）レベルの数は２ｎであってよく、ここで、ｎは整数であり、場合によっては、３よりも大きい。

各ピクセルは、ネマチック液晶を備えるフリーデリックスセルであってよい。言い換えれば、各ピクセルは、駆動信号に応答してフリーデリックス遷移を実行するように構成されたネマチック液晶を備えてよい。液晶分子は、セルにわたって電圧が印加されると、平面状態からホメオトロピック状態に遷移するように構成される。電圧は正または負であってよい。液晶分子は、同じように正または負の電圧に応答する。したがって、単に電圧を逆にすることによってフィールド反転を実現することができる。共通電極電圧ＶＣＯＭを使用してこれを実現するいくつかの方法が知られている。駆動信号はピクセルごとの電圧差を含み、電圧差は、それぞれのピクセル電極電圧から共通電極電圧を引いたものである。駆動信号が正である場合、各電圧差は正である。駆動電圧が負である場合、各電圧差は負である。

本明細書では、表示装置を駆動する方法も開示される。表示装置は、液晶パネル、表示エンジン、およびホログラムエンジンを備える。液晶表示パネルは複数のピクセルを備える。表示装置は、表示装置によって定義された複数の表示間隔の各表示間隔中に複数のピクセルの各ピクセルを駆動するように構成された表示エンジンを備える。各ピクセルは駆動信号に従って駆動される。駆動信号はピクセルごとのピクセル電圧を含んでよい。表示エンジンは、表示間隔ごとに駆動信号の極性を反転するように構成される。ホログラムエンジンは、表示用のマルチレベル位相ホログラムを表示エンジンに送信するように構成される。方法は、各ホログラムの個々のフィールド反転なしに、直接連続する表示間隔でマルチレベル位相ホログラムを表示することを含む。

画像の復元を投影する方法がさらに開示される。方法は、画像に対応するマルチレベル位相ホログラムを計算する第１のステップを含む。前の段落のように表示装置を駆動し、各画像のホログラフィック復元が表示装置から空間的に分離された再生面上に形成されるように、対応する表示間隔中に各マルチレベル位相ホログラムを照らす方法。マルチレベル位相ホログラムは、反復位相回復アルゴリズムを使用して計算されてよい。

本明細書では、液晶表示パネル、表示エンジン、およびホログラムエンジンを備える表示装置が開示される。液晶表示パネルは複数のピクセルを備える。表示エンジンは、複数の表示イベントの各表示イベント中に複数のピクセルの各ピクセルを駆動するように構成される。複数の表示イベントは表示エンジンによって定義される。各ピクセルは駆動信号に従って駆動される。表示エンジンは、駆動信号の極性を周期的に反転するように構成される。ホログラムエンジンは、表示エンジンに表示用のホログラムを送信するように構成される。表示エンジンは、各ホログラムが等しくない数の正および負の駆動信号を使用して表示されるように構成される。すなわち、正の駆動信号を使用してホログラムが表示される回数は、負の駆動信号を使用してホログラムが表示される回数と等しくない。正の駆動信号を使用してホログラムが表示される回数、または負の駆動信号を使用してホログラムが表示される回数はゼロになる場合があるが、ホログラムは少なくとも１回表示されなければならない。各ホログラムは等しくない回数表示される場合がある。

「表示間隔」という用語は、本明細書では、表示装置のピクセルがリフレッシュされ得る最短の時間ウィンドウを指すために使用される。液晶表示装置のリフレッシュレートは、ビデオを表示するために必要なフレームレートよりも大きい場合がある。したがって、表示装置の各液晶ピクセルは、同じ画像フレームの表示中に複数回駆動される場合がある。したがって、ビデオを構成する画像フレームのシーケンスの各画像フレームは、複数のサブフレームに分割される場合がある。したがって、ビデオレート表示のコンテキストでは、「表示間隔」という用語はサブフレームの持続時間を指す。

「ホログラム」という用語は、物体に関する振幅情報もしくは位相情報、またはそれらの何らかの組合せを含む記録を指すために使用される。「ホログラフィック復元」という用語は、ホログラムを照らすことによって形成される物体の光学的復元を指すために使用される。本明細書に開示されたシステムは、ホログラフィック復元が実像であり、ホログラムから空間的に分離されているので、「ホログラフィックプロジェクタ」として記載される。「再生フィールド」という用語は、ホログラフィック復元が形成され、完全に焦点が合っている２Ｄ領域を指すために使用される。ホログラムがピクセルを備える空間光変調器上に表示される場合、再生フィールドは複数の回折次数の形で繰り返され、各回折次数はゼロ次の再生フィールドの複製である。ゼロ次の再生フィールドは、最も明るい再生フィールドなので、一般的に優先または一次の再生フィールドに対応する。特に明記されていない限り、「再生フィールド」という用語は、ゼロ次の再生フィールドを指すように解釈されるべきである。「再生面」という用語は、すべての再生フィールドを含む空間内の平面を指すために使用される。「画像」、「再生画像」、および「画像領域」という用語は、ホログラフィック復元の光によって照らされる再生フィールドの領域を指す。いくつかの実施形態では、「画像」は、「画像スポット」または便宜上「画像ピクセル」と呼ばれる場合がある個別のスポットを含んでよい。

「符号化」、「書込み」、または「アドレス指定」という用語は、ＳＬＭの複数のピクセルに、各ピクセルの変調レベルをそれぞれ決定するそれぞれの複数の制御値を提供するプロセスを記載するために使用される。ＳＬＭのピクセルは、複数の制御値の受信に応答して光変調分布を「表示」するように構成されると言える。したがって、ＳＬＭは、ホログラムを「表示」すると言われてよく、ホログラムは、光変調の値またはレベルの配列と見なされてよい。

許容可能な品質のホログラフィック復元は、元の物体のフーリエ変換に関連する位相情報のみを含む「ホログラム」から形成できることが見出されている。そのようなホログラフィック記録は、位相のみのホログラムと呼ばれる場合がある。実施形態は位相のみのホログラムに関するが、本開示は、振幅のみのホログラフィにも等しく適用可能である。

本開示は、元の物体のフーリエ変換に関連する振幅情報および位相情報を使用してホログラフィック復元を形成することにも等しく適用可能である。いくつかの実施形態では、これは、元の物体に関連する振幅情報と位相情報の両方を含む、いわゆる完全な複素ホログラムを使用する複素変調によって実現される。そのようなホログラムは、ホログラムの各ピクセルに割り当てられた値（グレーレベル）が振幅成分および位相成分を有するので、完全な複素ホログラムと呼ばれる場合がある。各ピクセルに割り当てられた値（グレーレベル）は、振幅成分と位相成分の両方を有する複素数として表されてよい。いくつかの実施形態では、完全な複素コンピュータ生成ホログラムが計算される。

「位相遅延」の略記として、コンピュータ生成ホログラムまたは空間光変調器のピクセルの位相値、位相成分、位相情報、または単に位相に対して参照が行われてよい。すなわち、記載された任意の位相値は、実際には、そのピクセルによって提供される位相遅延の量を表す数（たとえば、０～２πの範囲）である。たとえば、π／２の位相値を有すると記載された空間光変調器のピクセルは、π／２ラジアンだけ受信光の位相を遅延させる。いくつかの実施形態では、空間光変調器の各ピクセルは、複数の可能な変調値（たとえば、位相遅延値）のうちの１つで動作可能である。「グレーレベル」という用語は、複数の利用可能な変調レベルを指すために使用されてよい。たとえば、「グレーレベル」という用語は、異なる位相レベルが異なるグレーの濃淡を提供しない場合でも、位相のみの変調器における複数の利用可能な位相レベルを指すために、便宜上使用されてよい。「グレーレベル」という用語はまた、複素変調器において複数の利用可能な複素変調レベルを指すために、便宜上使用されてよい。

したがって、ホログラムは、グレーレベルの配列、すなわち、位相遅延値または複素変調値の配列などの光変調値の配列を含む。ホログラムはまた、空間光変調器に表示され、空間光変調器のピクセルピッチに匹敵する、一般に、それより短い波長を有する光で照らされたときに回折を引き起こすパターンなので、回折パターンと見なされる。本明細書では、レンズまたは格子として機能する回折パターンなどの他の回折パターンとホログラムを組み合わせることが参照される。たとえば、格子として機能する回折パターンは、再生面上の再生フィールドを平行移動させるためにホログラムと組み合わされてよく、またはレンズとして機能する回折パターンは、ホログラフィック復元の焦点を近場の再生面に集中させるためにホログラムと組み合わされてよい。

様々な実施形態および実施形態のグループは、以下の詳細な説明において別々に開示されてよいが、任意の実施形態または実施形態のグループの任意の特徴は、任意の実施形態または実施形態のグループの任意の他の特徴または特徴の組合せと組み合わされてよい。すなわち、本開示で開示された特徴のすべての可能な組合せおよび順列が想定される。

特定の実施形態は、以下の図を参照して、ほんの一例として記載される。

スクリーン上にホログラフィック復元を生成する反射型ＳＬＭを示す概略図である。 例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎタイプのアルゴリズムの最初の反復を示す図である。 例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎタイプのアルゴリズムの２回目以降の反復を示す図である。 例示的なＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎタイプのアルゴリズムの代替の２回目以降の反復を示す図である。 反射型ＬＣＯＳ ＳＬＭの概略図である。 フィールド反転を示す図である。 液晶セルおよび印加された電場を示す図である。 液晶セルおよび印加された電場を示す図である。 液晶セルおよび印加された電場を示す図である。 反復位相回復アルゴリズムを使用するホログラム計算から得られたグレーレベルのヒストグラムである。 実施形態による液晶の静電容量を示す図である。 実施形態による駆動方式を示す図である。 実施形態による駆動方式を示す図である。 実施形態による駆動方式を示す図である。 実施形態による駆動方式を示す図である。 実施形態によるさらなる駆動方式を示す図である。

同じまたは同様の部分を指すために、図面全体を通して同じ参照番号が使用される。

本発明は、以下に記載される実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の全範囲に及ぶ。すなわち、本発明は、様々な形態で具現化されてよく、説明の目的で提示された、記載された実施形態に限定されると解釈されるべきではない。

単数形の用語は、別段の指定がない限り、複数形を含んでよい。

別の構造の上部／下部、または他の構造の上／下に形成されていると記載された構造は、構造が互いに接触する場合、さらに、それらの間に第３の構造が配置される場合を含むと解釈されるべきである。

時間関係を記載する際に、たとえば、イベントの時間的順序が「後」、「後続」、「次」、「前」などと記載されるとき、本開示は、別段の指定がない限り、連続イベントおよび非連続イベントを含むと解釈されるべきである。たとえば、「ちょうど」、「即時」、または「直ちに」などの文言が使用されない限り、連続的でない場合も含むと解釈されるべきである。

「第１」、「第２」などの用語は、本明細書では、様々な要素を記載するために使用されてよいが、これらの要素はこれらの用語によって限定されない。これらの用語は、ある要素を別の要素から区別するためにのみ使用される。たとえば、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、第１の要素は第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素は第１の要素と呼ぶことができる。

様々な実施形態の特徴は、部分的または全体的に互いに結合または組み合わされてよく、互いに様々に相互運用されてよい。いくつかの実施形態は、互いに独立して実行されてもよく、相互依存関係で一緒に実行されてもよい。

光学構成

図１は、コンピュータ生成ホログラムが単一の空間光変調器上で符号化される実施形態を示す。コンピュータ生成ホログラムは、復元用の物体のフーリエ変換である。したがって、ホログラムは物体のフーリエ領域表現または周波数領域表現またはスペクトル領域表現であると言える。この実施形態では、空間光変調器は、シリコン上の反射型液晶「ＬＣＯＳ」デバイスである。ホログラムは空間光変調器上で符号化され、ホログラフィック復元は、再生フィールド、たとえば、スクリーンまたはディフューザなどの受光面に形成される。

光源１１０、たとえば、レーザーまたはレーザーダイオードは、コリメーティングレンズ１１１を介してＳＬＭ１４０を照らすように配置される。コリメーティングレンズは、光の全体的に平らな波面をＳＬＭに入射させる。図１では、波面の方向は垂直ではない（たとえば、透明層の平面に真に直交する方向から２または３度離れている）。しかしながら、他の実施形態では、全体的に平らな波面が垂直入射に提供され、入力光路と出力光路を分離するためにビームスプリッタ構成が使用される。図１に示された実施形態では、構成は、光源からの光がＳＬＭの鏡面背面から反射され、光変調層と相互作用して出口波面１１２を形成するような構成である。出口波面１１２は、フーリエ変換レンズ１２０を含む光学系に印加され、スクリーン１２５に焦点を合わせる。より具体的には、フーリエ変換レンズ１２０は、ＳＬＭ１４０から変調光のビームを受け取り、周波数空間変換を実行して、スクリーン１２５にホログラフィック復元を生成する。

特に、このタイプのホログラフィでは、ホログラムの各ピクセルが全体の復元に寄与する。再生フィールド上の特定のポイント（または画像ピクセル）と特定の光変調素子（またはホログラムピクセル）との間に１対１の相関関係は存在しない。言い換えれば、光変調層を出る変調光は、再生フィールドにわたって分配される。

これらの実施形態では、空間内のホログラフィック復元の位置は、フーリエ変換レンズの屈折（集束）力によって決定される。図１に示された実施形態では、フーリエ変換レンズは物理レンズである。すなわち、フーリエ変換レンズは光学フーリエ変換レンズであり、フーリエ変換は光学的に実行される。どのレンズもフーリエ変換レンズとして機能することができるが、レンズの性能により、実行するフーリエ変換の精度が制限される。当業者は、光学フーリエ変換を実行するためにレンズをどのように使用するかを理解している。

ホログラム計算

いくつかの実施形態では、コンピュータ生成ホログラムは、フーリエ変換ホログラム、または単にフーリエホログラムもしくはフーリエベースのホログラムであり、その中で、画像は正レンズのフーリエ変換特性を利用することによって遠視野で復元される。フーリエホログラムは、再生面の所望の光フィールドをフーリエ変換してレンズ面に戻すことによって計算される。コンピュータ生成フーリエホログラムは、フーリエ変換を使用して計算されてよい。

フーリエ変換ホログラムは、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムなどのアルゴリズムを使用して計算されてよい。さらに、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、（写真などの）空間領域内の振幅のみの情報から、フーリエ領域内のホログラム（すなわち、フーリエ変換ホログラム）を計算するために使用されてよい。物体に関連する位相情報は、空間領域内の振幅のみの情報から効果的に「回復」される。いくつかの実施形態では、コンピュータ生成ホログラムは、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムまたはその変形形態を使用して、振幅のみの情報から計算される。

Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、それぞれ、平面ＡおよびＢにおいて、光ビームＩ_Ａ（ｘ，ｙ）およびＩ_Ｂ（ｘ，ｙ）の明度断面が既知であり、Ｉ_Ａ（ｘ，ｙ）およびＩ_Ｂ（ｘ，ｙ）が単一のフーリエ変換によって関連付けられる状況を考慮する。

与えられた明度断面では、平面ＡおよびＢにおける位相分布の近似値、それぞれ、Ψ_Ａ（ｘ，ｙ）およびΨ_Ｂ（ｘ，ｙ）が見出される。Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、反復プロセスに従うことによってこの問題に対する解決策を見出す。より具体的には、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、空間領域とフーリエ（スペクトルまたは周波数）領域との間で、Ｉ_Ａ（ｘ，ｙ）およびＩ_Ｂ（ｘ，ｙ）を表すデータセット（振幅および位相）を繰り返し転送しながら、空間およびスペクトルの制約を繰り返し適用する。スペクトル領域内の対応するコンピュータ生成ホログラムは、アルゴリズムの少なくとも１回の反復によって取得される。アルゴリズムは収束し、入力画像を表すホログラムを生成するように構成される。ホログラムは、振幅のみのホログラム、位相のみのホログラム、または完全な複素ホログラムであってよい。

いくつかの実施形態では、位相のみのホログラムは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、英国特許第２，４９８，１７０号または第２，５０１，１１２号に記載されているようなＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムに基づくアルゴリズムを使用して計算される。しかしながら、本明細書で開示された実施形態は、ほんの一例として、位相のみのホログラムを計算することを記載する。これらの実施形態では、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、既知の振幅情報Ｔ［ｘ，ｙ］を生じさせるデータセットのフーリエ変換の位相情報Ψ［ｕ，ｖ］を回復し、ここで、振幅情報Ｔ［ｘ，ｙ］はターゲット画像（たとえば、写真）を表す。強度および位相はフーリエ変換で本質的に組み合わされるので、変換された強度および位相は、計算されたデータセットの精度に関する有用な情報を含む。したがって、アルゴリズムは、振幅情報と位相情報の両方に対するフィードバックとともに繰り返し使用されてよい。しかしながら、これらの実施形態では、画像平面にターゲット画像のホログラフィック表現を形成するために、位相情報Ψ［ｕ、ｖ］のみがホログラムとして使用される。ホログラムは、位相値のデータセット（たとえば、２Ｄ配列）である。

他の実施形態では、完全な複素ホログラムを計算するために、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムに基づくアルゴリズムが使用される。完全な複素ホログラムとは、強度成分および位相成分を有するホログラムである。ホログラムは、複素データ値の配列を含むデータセット（たとえば、２Ｄ配列）であり、各複素データ値は強度成分および位相成分を含む。

いくつかの実施形態では、アルゴリズムは複素データを処理し、フーリエ変換は複素フーリエ変換である。複素データは、（ｉ）実数成分および虚数成分、または（ｉｉ）強度成分および位相成分を含むと見なされてよい。いくつかの実施形態では、複素データの２つの成分は、アルゴリズムの様々な段階で異なって処理される。

図２Ａは、位相のみのホログラムを計算するためのいくつかの実施形態によるアルゴリズムの最初の反復を示す。アルゴリズムへの入力は、ピクセルまたはデータ値の２Ｄ配列を含む入力画像２１０であり、各ピクセルまたはデータ値は、強度または振幅の値である。すなわち、入力画像２１０の各ピクセルまたはデータ値は位相成分をもたない。したがって、入力画像２１０は、強度のみまたは振幅のみまたは明度のみの分布と見なされてよい。そのような入力画像２１０の例は、写真またはフレームの時間的シーケンスを含むビデオの１つのフレームである。アルゴリズムの最初の反復は、開始複素データセットを形成するために、ランダムな位相分布（またはランダムな位相シード）２３０を使用して、入力画像の各ピクセルにランダムな位相値を割り当てることを含むデータ形成ステップ２０２Ａで始まり、セットの各データ要素は強度および位相を含む。開始複素データセットは、空間領域内の入力画像を表すと言える。

第１の処理ブロック２５０は、開始複素データセットを受け取り、複素フーリエ変換を実行して、フーリエ変換された複素データセットを形成する。第２の処理ブロック２５３は、フーリエ変換された複素データセットを受け取り、ホログラム２８０Ａを出力する。いくつかの実施形態では、ホログラム２８０Ａは位相のみのホログラムである。これらの実施形態では、第２の処理ブロック２５３は、ホログラム２８０Ａを形成するために、各位相値を量子化し、各振幅値を１に設定する。各位相値は、位相のみのホログラムを「表示する」ために使用される空間光変調器のピクセル上で表され得る位相レベルに従って量子化される。たとえば、空間光変調器の各ピクセルが２５６個の異なる位相レベルを提供する場合、ホログラムの各位相値は２５６個の可能な位相レベルのうちの１つの位相レベルに量子化される。ホログラム２８０Ａは、入力画像を表す位相のみのフーリエホログラムである。他の実施形態では、ホログラム２８０Ａは、受け取ったフーリエ変換された複素データセットから導出された（各々が振幅成分および位相成分を含む）複素データ値の配列を含む完全な複素ホログラムである。いくつかの実施形態では、第２の処理ブロック２５３は、ホログラム２８０Ａを形成するために各複素データ値を複数の許容可能な複素変調レベルのうちの１つに制約する。制約するステップは、各複素データ値を複素平面内で最も近い許容可能な複素変調レベルに設定することを含んでよい。ホログラム２８０Ａは、スペクトル領域またはフーリエ領域または周波数領域内の入力画像を表すと言える。いくつかの実施形態では、アルゴリズムはこの時点で停止する。

しかしながら、他の実施形態では、アルゴリズムは、図２Ａの点線矢印によって表されるように続く。言い換えれば、図２Ａの点線矢印に続くステップはオプションである（すなわち、すべての実施形態に必須ではない）。

第３の処理ブロック２５６は、第２の処理ブロック２５３から修正された複素データセットを受け取り、逆フーリエ変換を実行して、逆フーリエ変換された複素データセットを形成する。逆フーリエ変換された複素データセットは、空間領域内の入力画像を表すと言える。

第４の処理ブロック２５９は、逆フーリエ変換された複素データセットを受け取り、強度値の分布２１１Ａおよび位相値の分布２１３Ａを抽出する。場合によっては、第４の処理ブロック２５９は強度値の分布２１１Ａを評価する。具体的には、第４の処理ブロック２５９は、逆フーリエ変換された複素データセットの強度値の分布２１１Ａを、それ自体、もちろん強度値の分布である入力画像５１０と比較することができる。強度値の分布２１１Ａと入力画像２１０との間の差が十分小さい場合、第４の処理ブロック２５９は、ホログラム２８０Ａが許容可能であると判断することができる。すなわち、強度値の分布２１１Ａと入力画像２１０との間の差が十分に小さい場合、第４の処理ブロック２５９は、ホログラム２８０Ａが入力画像２１０を十分正確に表すと判断することができる。いくつかの実施形態では、逆フーリエ変換された複素データセットの位相値の分布２１３Ａは、比較の目的には無視される。強度値の分布２１１Ａと入力画像２１０とを比較するための任意の数の異なる方法が利用されてよく、本開示はいかなる特定の方法にも限定されないことが諒解されよう。いくつかの実施形態では、平均二乗差が計算され、平均二乗差がしきい値未満である場合、ホログラム２８０Ａは許容可能であると見なされる。ホログラム２８０Ａが許容可能ではないと第４の処理ブロック２５９が判断した場合、アルゴリズムのさらなる反復が実行されてよい。しかしながら、この比較ステップは必須ではなく、他の実施形態では、実行されるアルゴリズムの反復回数は、事前に決定されるか、事前に設定されるか、またはユーザー定義される。

図２Ｂは、アルゴリズムの２回目の反復、およびアルゴリズムのそれ以上の反復を表す。前の反復の位相値の分布２１３Ａは、アルゴリズムの処理ブロックを通してフィードバックされる。強度値の分布２１１Ａは、入力画像２１０の強度値の分布を選択して拒否される。最初の反復では、データ形成ステップ２０２Ａは、入力画像２１０の強度値の分布をランダムな位相分布２３０と組み合わせることにより、最初の複素データセットを形成した。しかしながら、２回目以降の反復では、データ形成ステップ２０２Ｂは、（ｉ）アルゴリズムの前の反復からの位相値の分布２１３Ａを（ｉｉ）入力画像２１０の強度値の分布と組み合わせることにより、複素データセットを形成することを含む。

次いで、図２Ｂのデータ形成ステップ２０２Ｂによって形成された複素データセットは、第２の反復ホログラム２８０Ｂを形成するために、図２Ａを参照して記載された同じ方法で処理される。したがって、ここではプロセスの説明は繰り返さない。アルゴリズムは、第２の反復ホログラム２８０Ｂが計算されたときに停止してよい。しかしながら、アルゴリズムの任意の数のさらなる反復が実行されてよい。第３の処理ブロック２５６は、第４の処理ブロック２５９が必要であるか、またはさらなる反復が必要である場合にのみ必要であることが理解されよう。一般に、出力ホログラム２８０Ｂは反復ごとに改善される。しかしながら、実際には、通常、測定可能な改善が見られないか、追加の処理時間のマイナスの影響によって、さらなる反復を実行することのプラスの利点が上回らないポイントに到達する。したがって、アルゴリズムは反復的かつ収束的であると記載される。

図２Ｃは、２回目以降の反復の代替実施形態を表す。前の反復の位相値の分布２１３Ａは、アルゴリズムの処理ブロックを通してフィードバックされる。強度値の分布２１１Ａは、強度値の代替の分布を選択して拒否される。この代替実施形態では、強度値の代替分布は、前の反復の強度値の分布２１１から導出される。具体的には、処理ブロック２５８は、前の反復の強度値の分布２１１から入力画像２１０の強度値の分布を引き、その差をゲイン係数αによってスケーリングし、スケーリングされた差を入力画像２１０から引く。これは以下の式で数学的に表され、下付きのテキストおよび数字は反復回数を示す。
Ｒ_ｎ＋１［ｘ，ｙ］＝Ｆ’｛ｅｘｐ（ｉΨ_ｎ［ｕ，ｖ］）｝
Ψ_ｎ［ｕ，ｖ］＝∠Ｆ｛η・ｅｘｐ（ｉ∠Ｒ_ｎ［ｘ，ｙ］）｝
η＝Ｔ［ｘ，ｙ］－α（Ｒ_ｎ［ｘ，ｙ］－Ｔ［ｘ，ｙ］）

ここで、
Ｆ’は逆フーリエ変換であり、
Ｆは順フーリエ変換であり、
Ｒ［ｘ，ｙ］は第３の処理ブロック２５６によって出力された複素データセットであり、
Ｔ［ｘ，ｙ］は入力画像またはターゲット画像であり、
∠は位相成分であり、
Ψは位相のみのホログラム２８０Ｂであり、
ηは強度値の新しい分布２１１Ｂであり、
αはゲイン係数である。
ゲイン係数αは、固定または可変であってよい。いくつかの実施形態では、ゲイン係数αは、入ってくるターゲット画像データのサイズおよびレートに基づいて決定される。いくつかの実施形態では、ゲイン係数αは、反復数に依存する。いくつかの実施形態では、ゲイン係数αは、単なる反復数の関数である。

図２Ｃの実施形態は、他のすべての点で図２Ａおよび図２Ｂの実施形態と同じである。位相のみのホログラムΨ（ｕ，ｖ）は、周波数領域またはフーリエ領域内の位相分布を含むと言える。

いくつかの実施形態では、フーリエ変換は、空間光変調器を使用して実行される。具体的には、ホログラムデータは、光学パワーを提供する第２のデータと組み合わされる。すなわち、空間光変調に書き込まれるデータは、物体を表すホログラムデータおよびレンズを表すレンズデータを含む。空間光変調器上に表示され、光で照らされると、レンズデータは物理レンズをエミュレートする、すなわち、対応する物理光学素子と同じ方法で光を焦点に合わせる。したがって、レンズデータは、光学的または集束的なパワーを提供する。これらの実施形態では、図１の物理的フーリエ変換レンズ１２０は省略されてよい。レンズを表すデータを計算する方法は知られている。レンズを表すデータは、ソフトウェアレンズと呼ばれる場合がある。たとえば、位相のみのレンズは、その屈折率および空間的に変化する光路長に起因して、レンズの各点によって引き起こされる位相遅延を計算することによって形成されてよい。たとえば、凸レンズの中心での光路長は、レンズの縁部での光路長よりも長い。振幅のみのレンズは、フレネルゾーンプレートによって形成されてよい。物理的なフーリエレンズを必要とせずにホログラムのフーリエ変換を実行することができるように、レンズを表すデータをホログラムと組み合わせる方法もコンピュータ生成ホログラフィの技術分野で知られている。いくつかの実施形態では、レンズ化データは、単純なベクトル加算などの単純な加算によってホログラムと組み合わされる。いくつかの実施形態では、フーリエ変換を実行するために、物理レンズがソフトウェアレンズとともに使用される。あるいは、他の実施形態では、ホログラフィック復元が遠視野で行われるように、フーリエ変換レンズは完全に省略される。さらなる実施形態では、ホログラムは、同じ方法で、格子データ、すなわち、画像ステアリングなどの格子の機能を実行するように構成されたデータと組み合わされてよい。この場合も、そのようなデータを計算する方法が当技術分野で知られている。たとえば、位相のみの格子は、ブレーズド格子の表面上の各点によって引き起こされる位相遅延をモデル化することによって形成されてよい。振幅のみの格子は、ホログラフィック復元の角度ステアリングを提供するために、振幅のみのホログラムと単に重ね合わされてよい。レンズ化および／またはステアリングを提供する第２のデータは、画像形成機能または画像形成パターンと呼ばれる場合があるホログラムデータと区別するために、光処理機能または光処理パターンと呼ばれる場合がある。

いくつかの実施形態では、フーリエ変換は、物理的なフーリエ変換レンズおよびソフトウェアレンズによって連帯して実行される。すなわち、フーリエ変換に寄与する何らかの光学パワーはソフトウェアレンズによって提供され、フーリエ変換に寄与する残りの光学パワーは物理光学素子によって提供される。

いくつかの実施形態では、画像データを受け取り、アルゴリズムを使用してリアルタイムでホログラムを計算するように構成されたリアルタイムエンジンが提供される。いくつかの実施形態では、画像データは画像フレームのシーケンスを含むビデオである。他の実施形態では、ホログラムは事前に計算され、コンピュータメモリに記憶され、ＳＬＭでの表示のために必要に応じて呼び出される。すなわち、いくつかの実施形態では、所定のホログラムのリポジトリが提供される。

実施形態は、ほんの一例として、フーリエホログラフィおよびＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎタイプのアルゴリズムに関する。本開示は、同様の方法によって計算され得るフレネルホログラフィおよびフレネルホログラムに等しく適用可能である。本開示は、点群法に基づく技法などの他の技法によって計算されたホログラムにも適用可能である。

光変調

空間光変調器は、コンピュータ生成ホログラムを含む回折パターンを表示するために使用されてよい。ホログラムが位相のみのホログラムである場合、位相を変調する空間光変調器が必要とされる。ホログラムが完全な複素ホログラムである場合、位相および振幅を変調する空間光変調器が使用されてもよく、位相を変調する第１の空間光変調器および振幅を変調する第２の空間光変調器が使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、空間光変調器の光変調素子（すなわち、ピクセル）は、液晶を含むセルである。すなわち、いくつかの実施形態では、空間光変調器は、光学活性成分が液晶である液晶デバイスである。各液晶セルは、複数の光変調レベルを選択的に提供するように構成される。すなわち、各液晶セルは、いつでも複数の可能な光変調レベルから選択された１つの光変調レベルで動作するように構成される。各液晶セルは、複数の光変調レベルとは異なる光変調レベルに動的に再構成可能である。いくつかの実施形態では、空間光変調器は、シリコン上の反射型液晶（ＬＣＯＳ）空間光変調器であるが、本開示はこのタイプの空間光変調器に限定されない。

ＬＣＯＳデバイスは、小さい開口部（たとえば、幅が数センチメートル）内に、光変調素子またはピクセルの高密度配列を提供する。ピクセルは、通常、約１０ミクロン以下であり、数度の回折角になるので、光学システムをコンパクトにすることができる。ＬＣＯＳ ＳＬＭの小さい開口部を適切に照らすことは、他の液晶デバイスの大きい開口部よりも容易である。ＬＣＯＳデバイスは、通常、反射性であり、それは、ＬＣＯＳ ＳＬＭのピクセルを駆動する回路を反射面の下に埋め込むことができることを意味する。その結果、開口率が高くなる。言い換えれば、ピクセルは密集しているので、ピクセル間にデッドスペースはほとんどない。これは、再生フィールド内の光学ノイズを低減するので有利である。ＬＣＯＳ ＳＬＭは、ピクセルが光学的に平坦であるという利点をもつシリコンバックプレーンを使用する。これは、位相変調デバイスにとって特に重要である。

図３を参照して、ほんの一例として、適切なＬＣＯＳ ＳＬＭが以下に記載される。ＬＣＯＳデバイスは、単結晶シリコン基板３０２を使用して形成される。それは、基板の上面に構成された、ギャップ３０１ａによって離間された正方形の平面アルミニウム電極３０１の２Ｄ配列を有する。各電極３０１は、基板３０２に埋め込まれた回路３０２ａを介してアドレス指定することができる。各電極はそれぞれの平面鏡を形成する。配向層３０３は電極の配列上に配置され、液晶層３０４は配向層３０３上に配置される。第２の配向層３０５は、たとえば、ガラスの平面透明層３０６上に配置される。たとえば、ＩＴＯの単一の透明電極３０７は、透明層３０６と第２の配向層３０５との間に配置される。

正方形電極３０１の各々は、透明電極３０７の上にある領域および介在する液晶材料とともに、しばしばピクセルと呼ばれる、制御可能な位相変調素子３０８を画定する。有効ピクセル面積または曲線因子は、ピクセル間のスペース３０１ａを考慮に入れて、光学活性された全ピクセルの割合である。透明電極３０７に対して各電極３０１に印加される電圧を制御することにより、それぞれの位相変調素子の液晶材料の特性が変更されてよく、それにより、そこに入射する光に可変遅延が提供される。この効果は、波面に位相のみの変調を提供することであり、すなわち、振幅効果は発生しない。

記載されたＬＣＯＳ ＳＬＭは、空間的に変調された光を反射して出力する。反射型ＬＣＯＳ ＳＬＭは、信号線、ゲート線、およびトランジスタが鏡面より下にあるという利点をもち、これにより、曲線因子が高くなり（通常は９０％を超える）、解像度が高くなる。反射型ＬＣＯＳ空間光変調器を使用する別の利点は、透過型デバイスが使用された場合に必要な厚さよりも液晶層の厚さを半分にできることである。これにより、液晶のスイッチング速度が大幅に向上する（動画像を投影するための重要な利点）。しかしながら、本開示の教示は、透過型ＬＣＯＳ ＳＬＭを使用して等しく実装されてよい。

従来の画像形成のための液晶駆動方式

図４は、ＤＣ平衡のプロセスの説明を助けるために、液晶表示装置のピクセル配列を駆動するための方式を示す。ｘ軸は時間であり、ｙ軸は液晶にわたる電位差、すなわち、共通電極とピクセル電極との間の電位差である。電位差は、（本明細書では、ｘ軸の上の電圧によって表される）正または（本明細書では、ｘ軸の下の電圧によって表される）負であってよい。４つのフレームが示され、各フレームは６つのサブフレームを含む。各フレームは、投影用の画像のシーケンスのうちの１つの画像に対応する。画像のシーケンスは、動画を形成する画像のビデオレートシーケンスであってよい。図４のハッチングされた各長方形は表示イベントを表す。各表示イベントは、表示装置上のピクセルに画像を表示することを含む。したがって、各表示イベントは、表示装置の各ピクセルに個別のピクセル電圧を印加することを含む。各ピクセル電圧は、液晶のローカルの動作、たとえば、配向を決定する。液晶は複屈折性なので、各ピクセル電圧は位相変調値などの光変調値に対応する。説明のためだけに、フレーム間のギャップが同じフレームのサブフレーム間のギャップよりも大きいことが図４に示されている。実際には、サブフレーム間の時間ギャップは均一であってよい。

この例では、各フレームは６つの表示イベント、すなわち、６つのサブフレームを含む。フレームの各サブフレームは投影用の同じ画像に対応する。実際には、同じ画像がフレーム間隔内で６回表示される。表示装置のピクセルは、フレームごとに５回リフレッシュされて、画像ごと（またはフレームごと）に合計６つの表示イベントを形成すると言える。電位差の極性は、各フレーム内で交互になっていることに留意されたい。この例では、各フレームは、負の電位差を使用する３つの表示イベントと交互に配置された正の電位差を使用する３つの表示イベントを含む。正の電位差または負の電位差のいずれかを使用して各画像を表示する概念は、図５を参照して以下でさらに記載される。誤解を避けるために、サブフレームの間のピクセル配列の各ピクセルにわたって印加される電位差の極性は同じである。すなわち、サブフレームの間、すべてのピクセルが正の電位差を受けるか、またはすべてのピクセルが負の電位差を受ける。本明細書では、正および負という言葉は、主に、電位差が反転する方向を反映するために使用される。電位差の極性、したがって、電場が常に反転していることは必須ではない。たとえば、各フレームは、連続する３つの正のフィールド表示イベントと、それに続く連続する３つの負のフィールド表示イベントとを含んでよい。当技術分野で許容された主要な原則は、フレーム内の正および負のフィールド表示イベントの順序に関係なく、各フレーム内の正のフィールド表示イベントの数が各フレーム内の負のフィールド表示イベントの数と等しくなければならないことである。これにより、いわゆるＤＣ平衡が保証され、液晶の付着が防止される。

各画像は、正の電場または負の電場を使用して表示することができる。画像のピクセル値（たとえば、光変調値）は、キャリブレーションに従ってピクセル電圧に変換される。各光変調値は、正の電圧または負の電圧をピクセルに印加することによって実現されてよい。言い換えれば、特定の液晶の向き（すなわち、光変調値）は、正の電場（図５Ａ）または負の電場（図５Ｂ）を使用して実現されてよい。図５Ａおよび図５Ｂは、共通電極電圧ＶＣＯＭおよびピクセル電極電圧Ｖ_{ＰＩＸＥＬ}を示す。共通電極とピクセル電極との間の電位差の方向は、Ｅとラベル付けされた矢印によって表されるように、液晶にわたる電場の方向を決定する。液晶ダイレクタは電場に応答するが、電場の強度は、極性ではなく液晶ディレクタの向きを決定する。

図５Ｃは６Ｖの共通電極電圧を示す。画像を表すために６Ｖと１２Ｖとの間のピクセル電圧が使用された場合、液晶に正の電場が誘起される。画像を表すために０Ｖと６Ｖとの間のピクセル電圧が使用された場合、液晶に負の電場が誘起される。図５は、正の電場または負の電場を使用して同じ光変調レベルがどのように実現され得るかを示す。正および負のフィールド表示イベントを提供するためにピクセル電圧および／または共通電圧を操作するためのいくつかの技法が当技術分野で知られており、これらの方法のいくつかは、（正のフィールドの場合および負のフィールドの場合のＶ_ＣＯＭが６Ｖである図５Ａおよび５Ｂのように）固定Ｖ_ＣＯＭを使用することを含み、他の方法は可変Ｖ_ＣＯＭを使用することを含む。相補的な正のフィールドと負のフィールドを提供するために選択される方法は、本開示の文脈では重要でない。

本開示は、ＤＣ平衡の必須プロセスに基づく従来の画像形成のための十分に確立された原理から逸脱するホログラフィック投影用の駆動方式に関する。

ホログラフィック投影用の液晶駆動方式

実施形態では、画像ではなくホログラムが液晶表示装置に表示される。各ホログラムは画像に対応する。各ホログラムは、上述された方法を使用して対応する画像から計算されてよい。実施形態では、各ホログラムはマルチレベルホログラムである。各ホログラムのピクセル電圧は光変調値に対応する。いくつかの実施形態では、光変調値は０と２πとの間の位相変調値であり、各ホログラムは位相遅延値の分布を含み、配列の各位相遅延値はピクセル配列の各ピクセル上に表される。

発明者は、ホログラムのシーケンスの表示中に、表示中の個々のピクセル値の変化が本質的にランダムであることを見出した。これは、利用可能なグレーレベルを均等に使用する傾向があるホログラム計算プロセスの結果である。

図６は、反復位相回復アルゴリズムを使用するホログラム計算の結果を示す。図６は、ピクセル配列上の各グレーレベルの発生回数を数えることによって得られている。グレーレベルの使用は実質的に均一であることが分かった。言い換えれば、各グレーレベルを使用するピクセルの数は実質的に均一である。

発明者は、シミュレーションにより、画像のビデオシーケンスの動的ホログラフィック投影中の各個々のピクセルのグレーレベルがホワイトノイズと似ていることを見出した。発明者は、以下でさらに説明されるように、長時間ホワイトノイズを受けた液晶セルの性能が劣化しないことを検査によって確認した。具体的には、ＤＣ不均衡に関連する悪影響は観察されない。

ホワイトノイズを受けたネマチック液晶混合物の安定性が観察された。液晶は、標準のＩＴＯガラステストセル（厚さ１０μｍ、プレチルトが５°）に細長く満たされ、３週間（５００時間）の間波形発生器を使用して、ホワイトノイズ信号４８０Ｈｚ、５ＶＲＭＳに接続された。出力波形の均一性はオシロスコープを使用して監視され、印加電圧はデジタル電圧計を使用して監視された。ここでの電圧は二乗平均平方根値である。誘電体データは、インピーダンス／ゲインフェーズアナライザを使用して静電容量を測定することによって決定された。電場誘起されたフリーデリックス遷移を使用して静電容量を測定することは、標準的な方法である。図７に示されたように、ノイズ信号にさらされている間、液晶の静電容量はわずか（３％未満）しか変化しないことが分かった。静電容量は安定したままだったので、ホワイトノイズをもつ液晶セルを駆動しても液晶を付着させないと結論付けることができる。

発明者は、これらの現象の結果が、各ホログラムをフィールド反転する必要がないので、コンピュータ生成ホログラムから形成されるとき、液晶デバイスを使用して表示される画像コンテンツをより頻繁に更新できることであることを認識した。したがって、ホログラムのシーケンスは、従来のディスプレイでは不均衡と見なされる駆動方式を使用して表示されてよい。具体的には、マルチレベル位相ホログラムは、正の電場および負の電場を使用して表示される必要はない。

これらのブレイクスルーに従って、図８はホログラムを表示するための実施形態を表す。いくつかの実施形態では、フレームごとの正のフィールド表示イベントの数は、フレームごとの負のフィールド表示イベントの数と等しくない。図８Ａは、すべてのホログラム表示イベントが正のフィールドを使用する第１の実施形態を示す。図８Ｂは、すべてのホログラム表示イベントが負のフィールドを使用する第２の実施形態を示す。図８Ｃは、１番目、２番目、５番目、および６番目のホログラム表示イベントが正のフィールドを使用し、３番目および４番目のホログラム表示イベントが負のフィールドを使用する第３の実施形態を示す。図８Ｄは、１番目および５番目のホログラム表示イベントが正のフィールドを使用し、２番目、３番目、４番目、および６番目のホログラム表示イベントが負のフィールドを使用する第４の実施形態を示す。本開示は、図７に示された不平衡液晶ディスプレイ方式に限定されず、代わりに、（ソース画像ごとの）正のフィールド表示イベントの数が負のフィールド表示イベントの数に等しくない場合、正のフィールド表示イベントと負のフィールド表示イベントの任意の組合せに拡張される。

図８に示されたようないくつかの実施形態では、各フレームは不平衡である。すなわち、液晶駆動方式はフレームレベルで不平衡である。他の実施形態では、少なくともいくつかの個々のフレームは平衡しているが、全体的な方式は不平衡である。すなわち、ｎが１より大きい整数であるｎ個のフレームの持続時間にわたって、負のフィールド表示イベントよりも正のフィールド表示イベントが多い。これらの実施形態では、液晶駆動方式はマクロレベルで不平衡であると言える。

いくつかの実施形態では、ホログラムが空間光変調器を満たすように、ホログラムのサイズ（各方向のピクセル数）は空間光変調器のサイズに等しい。すなわち、ホログラムは空間光変調器のすべてのピクセルを使用する。他の実施形態では、ホログラムは空間光変調器よりも小さい。より具体的には、ホログラムピクセルの数は、空間光変調器上で利用可能な光変調ピクセルの数よりも少ない。これらの他の実施形態のうちのいくつかでは、ホログラムの一部（すなわち、ホログラムのピクセルの連続サブセット）が未使用のピクセルで繰り返される。この技法は「タイリング」と呼ばれる場合があり、空間光変調器の表面領域は、各々が少なくともホログラムのサブセットを表すいくつかの「タイル」に分割される。したがって、各タイルは空間光変調器よりもサイズが小さい。「タイリング」の技法は画質を向上させるために実装される。具体的には、いくつかの実施形態は、ホログラフィック復元に入る信号コンテンツの量を最大化しながら、画像ピクセルのサイズを最小化するためにタイリングの技法を実装する。いくつかの実施形態では、空間光変調器に書き込まれるホログラフィックパターンは、少なくとも１つのタイル全体（すなわち、完全なホログラム）およびタイルの少なくとも１つの断片（すなわち、ホログラムのピクセルの連続サブセット）を含む。「タイリング方式」という用語は、本明細書では、タイル全体およびタイルの一部の特定の構成を指すために使用される。

いくつかの実施形態では、タイリング方式は、フレーム中またはフレーム間で変化する場合がある。たとえば、フレームの第１のホログラム表示イベントは、第１のタイリング方式を使用することができ、フレームの第２のホログラム表示イベントは、第１のタイリング方式とは異なる第２のタイリング方式を使用することができる。いくつかの実施形態では、第１のフレームのすべてのホログラム表示イベントは、第１のタイリング方式を使用し、第２のフレームのすべてのホログラム表示イベントは、第１のタイリング方式とは異なる第２のタイリング方式を使用する。

本開示による駆動方式は、より多くの異なる表示イベントを可能にする。具体的には、各表示イベントは等しく反対の表示イベントを必要としないので、図８の例は、たとえば、フレームごとに同じベースホログラムの６つの異なるタイリング方式を使用することができる。これは画質を向上させることができる。同様に、より多くの異なるサブフレームを使用して、複素インターレーシング技法を組み込むことができる。本開示は、表示コンテンツが変更され得るレートを効果的に２倍にする。

いくつかの実施形態では、（タイル化されているか否かにかかわらず）各ホログラムは一度だけ表示される。すなわち、各ホログラムを表示するためにただ１つのサブフレームが使用される。したがって、次の（異なる）ホログラムは次のサブフレームに表示されてよい。したがって、ＤＣ平衡を保証するために各ホログラムは複数回表示されないので、表示システムのフレームレートが増加する。

したがって、本明細書では、液晶表示パネル、表示エンジン、およびホログラムエンジンを備える表示装置が開示される。液晶表示パネルは複数のピクセルを備える。表示エンジンは、複数の表示イベントの各表示イベント中に複数のピクセルの各ピクセルを駆動するように構成される。複数の表示イベントは表示エンジンによって定義される。各ピクセルは駆動信号に従って駆動される。表示エンジンは、駆動信号の極性を周期的に反転するように構成される。ホログラムエンジンは、表示エンジンに表示用のホログラムを送信するように構成される。表示エンジンは、各ホログラムが等しくない数の正および負の駆動信号を使用して表示されるように構成される。すなわち、正の駆動信号を使用してホログラムが表示される回数は、負の駆動信号を使用してホログラムが表示される回数と等しくない。正の駆動信号を使用してホログラムが表示される回数、または負の駆動信号を使用してホログラムが表示される回数はゼロになる場合があるが、ホログラムは少なくとも１回表示されなければならない。各ホログラムは等しくない回数表示される場合がある。

本開示の教示は、フィールド反転のために構成された、既存の液晶表示装置を含む、液晶表示装置と互換性がある。たとえば、図４に示された液晶駆動方式は、ＤＣ平衡用に設計されている場合でも本開示と互換性がある。いくつかの実施形態では、図４の駆動方式は、サブフレームごとに異なるホログラム（すなわち、異なるソース画像に対応するホログラム）を表示するために使用される。いくつかの実施形態では、液晶デバイスは、ソース画像フレームごとに少なくとも２つのサブフレームが必要とされないので、より頻繁に（たとえば、少なくとも２倍の周波数で）更新／変化する画像（たとえば、動画）を表示するために使用される。したがって、ソースのフレームレートは、ホログラフィック投影に以前可能であったフレームレートよりも高い可能性がある。いくつかの実施形態では、各ホログラムはフィールド反転されていないか、または各ホログラムは不均一なフィールド反転、たとえば、負のフィールド表示イベントよりも多い正のフィールド表示イベントで表示される。図９は、連続ホログラムＨ１～Ｈ２４が連続サブフレームに表示される実施形態を示す。誤解を避けるために、各ホログラムＨ１～Ｈ２４は、ソース画像のシーケンスのうちの異なるソース画像に対応する。特に、各ホログラムは１回だけ表示される、すなわち、フィールド反転はない。図９から、デバイスの最大許容表示レートが効果的に増加することが分かる。たとえば、図４の表示装置は複数の別個の表示間隔を提供し、連続ホログラムは、連続表示イベントで、すなわちフィールド反転なしに表示される。いくつかの実施形態では、本開示の教示は、図４の駆動方式を使用して実装され、フレームとサブフレームとの間のいかなる区別も効果的に無視されることが理解されよう。

したがって、本明細書では、液晶表示パネル、表示エンジン、およびホログラムエンジンを備える表示装置が開示される。液晶表示パネルは複数のピクセルを備える。表示エンジンは、複数の表示間隔の各表示イベントの間に複数のピクセルの各ピクセルを駆動するように構成される。複数の表示間隔は表示エンジンによって定義される。各ピクセルは駆動信号に従って駆動される。表示エンジンは、ｎ個の表示間隔ごとに駆動信号の極性を反転するように構成される。表示ドライバは、表示間隔ごとに駆動信号の極性を反転するように構成されてよい。あるいは、表示エンジンは、２つごとまたは３つごとの表示間隔で駆動信号の極性を反転するように構成されてよい。ホログラムエンジンは、表示用のマルチレベル位相ホログラムを表示エンジンに送信するように構成される。各マルチレベル位相ホログラムは、異なる画像に対応する。表示エンジンは、それぞれの表示間隔中にシーケンスの各マルチレベルホログラムを表示するように構成され、シーケンスのマルチレベル位相ホログラムを表示するために使用される表示間隔は直接連続する。すなわち、シーケンスのホログラムを表示するために、連続する／途切れないグループの表示間隔が使用される。いくつかの実施形態では、ｎは６未満の整数である。いくつかの実施形態では、ｎは、フレーム当たりのサブフレームの数よりも小さい整数である。

本明細書に記載された方法およびプロセスは、コンピュータ可読媒体上で具現化されてよい。「コンピュータ可読媒体」という用語は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、バッファメモリ、フラッシュメモリ、およびキャッシュメモリなどの、データを一時的または永続的に記憶するように構成された媒体を含む。「コンピュータ可読媒体」という用語はまた、命令が１つまたは複数のプロセッサで実行されると、全体的または部分的に本明細書に記載された方法のいずれか１つまたは複数をマシンに実行させるような、マシンによる実行のための命令を記憶することが可能な任意の媒体または複数の媒体の組合せを含むと解釈される。
「コンピュータ可読媒体」という用語は、クラウドベースのストレージシステムも包含する。「コンピュータ可読媒体」という用語は、ソリッドステートメモリチップ、光ディスク、磁気ディスク、またはそれらの任意の適切な組合せの例示的な形態の１つまたは複数の有形および非一時的なデータリポジトリ（たとえば、データボリューム）を含むが、それらに限定されない。いくつかの例示的な実施形態では、実行のための命令はキャリア媒体によって伝達されてよい。そのようなキャリア媒体の例には、一時的な媒体（たとえば、命令を伝達する伝播信号）が含まれる。

添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な修正形態および変形形態を作成できることは、当業者には明らかであろう。本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内のすべての修正形態および変形形態を網羅する。

１１０ 光源
１１１ コリメーティングレンズ
１１２ 出口波面
１２０ フーリエ変換レンズ
１２５ スクリーン
１４０ ＳＬＭ
２０２Ａ データ形成ステップ
２０２Ｂ データ形成ステップ
２０２Ｃ データ形成ステップ
２１０ 入力画像
２１１ 強度値の分布
２１１Ａ 強度値の分布
２１１Ｂ 強度値の分布
２１３Ａ 位相値の分布
２３０ ランダムな位相分布
２５０ 第１の処理ブロック
２５３ 第２の処理ブロック
２５６ 第３の処理ブロック
２５８ 処理ブロック
２５９ 第４の処理ブロック
２６０ 処理ブロック
２８０Ａ ホログラム
２８０Ｂ 第２の反復ホログラム
３０１ 平面アルミニウム電極
３０１ａ ギャップ
３０２ 基板
３０２ａ 回路
３０３ 配向層
３０４ 液晶層
３０５ 第２の配向層
３０６ 平面透明層
３０７ 透明電極
３０８ 位相変調素子

Claims (10)

1. 複数のピクセルを備える液晶表示パネルと、
   表示エンジンによって定義された複数の表示間隔の各表示間隔中に、駆動信号に従って前記複数のピクセルの各ピクセルを駆動するように構成された前記表示エンジンであって、前記表示エンジンが、ｎ回の表示間隔ごとに前記駆動信号の極性を反転するように構成され、ｎが整数であるものと、
   前記表示エンジンが、さらに、前記液晶表示パネルを駆動して、マルチレベル位相ホログラムのシーケンスを表示するように構成されており、前記シーケンスの連続する各マルチレベル位相ホログラムは、異なるそれぞれの画像に対応し、前記シーケンスの各マルチレベル位相ホログラムは、異なるそれぞれの表示間隔で、直後に連続するように表示される
   表示装置。
2. 各ホログラムが、ただ１つの表示間隔の間に表示される
   請求項１に記載の表示装置。
3. 前記表示装置が、反復位相回復アルゴリズムを使用して各ホログラムを計算するように構成されたホログラムエンジンをさらに備える
   請求項１または２に記載の表示装置。
4. 各ピクセルが、ネマチック液晶を備えるフリーデリックスセルである
   請求項１から３のいずれか一項に記載の表示装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の表示装置と、
   各ホログラムに対応するホログラフィック復元が前記表示装置から空間的に分離された再生面上に形成されるように、対応する前記表示間隔中に各ホログラムを照らすように構成された光源とを備える、
   ホログラフィックプロジェクタ。
6. 請求項５に記載の前記ホログラフィックプロジェクタを備える、
   ヘッドアップディスプレイ。
7. 表示装置を駆動する方法であって、
   前記表示装置が、
   複数のピクセルを備える液晶表示パネルと、
   前記複数のピクセルの各ピクセルを駆動するように構成された前記表示エンジンとを備え、
   前記方法が、
   それぞれの表示間隔中にシーケンスの各マルチレベル位相ホログラムを表示するように前記液晶表示パネルを駆動するステップであって、後続の各ホログラムは、連続するそれぞれの先行するホログラムが表示された表示間隔の直後に連続する表示間隔に表示されるステップを含み、
   前記シーケンスのそれぞれの連続するマルチレベル位相ホログラムは、異なるそれぞれの画像に対応し、
   前記表示エンジンは、ｎ回の表示間隔ごとに前記駆動信号の極性を反転するように構成され、ここでｎは整数である
   方法。
8. マルチレベル位相ホログラムのシーケンスをホログラムエンジンから前記表示エンジンへ送信するステップをさらに含む
   請求項７に記載の方法。
9. 前記画像に対応するマルチレベル位相ホログラムを計算するステップと、
   各画像のホログラフィック復元が前記表示装置から空間的に分離された再生面上に形成されるように、対応する前記表示間隔中に各マルチレベル位相ホログラムを照らすステップをさらに含む、
   請求項７又は請求項８に記載の方法。
10. 前記マルチレベル位相ホログラムを計算する前記ステップが、反復位相回復アルゴリズムを使用するステップを含む、
    請求項９に記載の方法。

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