JP5427034B2 - 光変調用マイクロミラーを用いたホログラフィ投影システム - Google Patents

Description

本発明は、光波面を変調するための、電気機械的に可動なマイクロミラーの形式の個別に制御可能な変調セルを有する光変調手段、すなわち、いわゆるマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）を有するホログラフィ投影システムに関する。変調セルは干渉を生成可能な光によって照明され、３次元シーンの光学的外観をホログラフィ的に再構成するために、これらの変調セルは動画ホログラムのシーケンスで符号化される。このシステムは、動いている３次元シーンをホログラフィ動画手段を用いて、リアルタイムまたは少なくともほぼリアルタイムに再構成するために主に使用されるものである。このことは、局所的で一時的なクロストークをほとんど存在させずに、高解像度、高輝度、および高コントラストのホログラフィ再構成を実現可能にするために、光変調手段の解像度および速度に対して特に高い要求を課すものである。マイクロ機械システムでは電子制御器と変調セルが１チップ上に集積されるため、光変調手段の変調器表面領域の対角線の長さは、一般に数センチメートルだけである。１以上の観察者に対して十分に大きな観察角度で３次元シーンを提示可能にするために、変調済みの光波面が光学投影システムを用いて拡大される。

光波面を拡大するホログラフィ投影システムは、この分野の当業者によく知られている。例えば、出願人はホログラフィ再構成用のシステムを過去の特許出願（特許文献１）で説明している。なお、この過去の出願は、本特許出願が提出された時点にはまだ公開されていない。

上記の出願は、十分コヒーレントな光がマイクロ空間光変調器を照明する投影システムを説明している。この装置は２つの投影手段を有する投影システムを有しており、これらの投影手段はコヒーレントな光を１以上の可視領域に投影する。それにより、第１の投影手段は、光変調器で符号化されたホログラムを拡大して第１の投影手段よりも大きな第２の投影手段に対し投影する。大きい方の投影手段は、動画ホログラムの空間周波数スペクトル、いわゆるフーリエスペクトルを可視領域に投影する。ホログラフィ情報を伝達する符号化されたホログラムを第２の投影手段に対して光学的に拡大することによって、シーンの再構成が、拡大された再構成空間内の１以上の観察者の目に集束する。このため、可視領域は動画ホログラムの使用された回折次数の画像である。第１の投影手段は、光変調器の全体を第２の投影手段に対して投影する。

ここで、第２の投影手段は各可視領域に対する投影システムの出口をあらわしており、錐台形状の再構成空間を規定する。シーンはこの再構成空間内で再構成される。光変調器は、再構成空間が第２の投影手段の後方に継続するように、符号化することができる。このため、観察者は、可視領域に位置する大きな再構成空間内で、再構成されたシーンを観察することができる。

ホログラフィ投影システムにおいて、液晶光変調器またはデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）を用いて光波面を変調する方法が知られている。その他の理由の中で、その動作速度が限られているという理由のために、液晶光変調器は、例えば、シーンの画像の一時的な多重化のようなリアルタイムのアプリケーションで用いられた場合に重大な欠点を露呈する。このため、以下では、これについてこれ以上検討しない。

公知の種類のデジタル・マイクロミラー・デバイス、いわゆるＤＭＤ変調器は、光変調器の各画素について、２つの反射角の間でシーソーのように定期的に傾斜する、微視的に小さな角度可変のマイクロミラーを有している。投影システムは、画像を再生するために、２つの反射角のうちの一つの反射光を用いるだけである。これは、光の空間変調がパルス幅変調を用いて行われることを意味する。つまり、光の強度だけが制御可能である。ホログラフィ投影システムにおけるその応用は、例えば、「デジタル・マイクロミラー・ホログラフィ投影」と題された特許文献２から公知である。ＤＭＤ変調器は光の振幅も位相も直接実現しないため、限られた一時的なコヒーレンスしか達成されないから、これはホログラフィでは限られた範囲でしか使用に適していない。

さらに、投影システムを有する２次元画像再生用に、制御可能光回折格子を有する様々な反射型光変調器が知られている。これらは、回折格子を形成するように構成され、制御電圧を適用することによって機械的に偏位させられる、複数の細長いマイクロミラーを各画素について有している。それにより、画像情報は光波の対応する位相変調に変換される。次に、投影システムは、光波の位相変調を観察者空間内の光強度変調に変換するが、これは、例えば、変調されていない光を抑制し、変調されている光を観察者に送信することによって行われる。このような変調の利点は、画素の小型化と実現可能なきわめて多数の画素による制御に係るエネルギー・バランスが好ましいことである。

これらのマイクロ変調器において、各変調セルは超微細なマイクロミラーを有し、より正確には、基板越しに偏位させられた小さな反射型リボン状の交互に配置された固定マイクロミラーおよび可変マイクロミラーを有する。文字通り、これらの光変調器は、「格子電気機械システム（Grating Electromechanical Systems）」（ＧＥＭＳ(商標)、イーストマン・コダック社）、または、「格子光バルブ（Grating Light Valves）」（ＧＬＶ（商標）、シリコン・ライト・マシーン社）と呼ばれる。選択されたリボンの機械的偏位、または、基板に対する適正な角度のリボンの個別の偏位によって、反射波面の一部の光路長が修正される。これにより光波面は回折させられる。

以下、本発明に用いられる光変調手段の技術的背景を最もよく説明する最良の文献を、多数の文献の中から簡略化して示す。

回折格子光バルブを有する制御可能光変調器は、従来の投影システムにおいて所定距離を有する入射光ビームを変調して２次元画像を形成するために用いられているが、これは「２次元画像を形成するために入射光ビームを変調する方法および装置」と題された欧州特許（特許文献３）から公知である。各変調セルは回折格子として設計され、反射面を有する変形可能な長方形の複数のエレメントを有するが、これらのエレメントは平行な配置となるように基板上でその端部が取り付けられる。制御電圧を印加した場合、変調セルの反射エレメントは、基板に対する機械的な回折格子の幅によって、基板に接触することなく、刻一刻、変形可能である。エレメントと基板の間の距離は格子の幅と比べて大きいため、エレメントを偏位させるときに、ヒステリシスや他の形態の制御バイアスは回避される。

制御電圧としての所定の初期電圧によって、変調セルの全ての反射エレメントは、基板から均一な距離の共通のアイドル位置に保持される。このようにして、セルは全体として、回折を全く行わない、すなわち制御電圧を適用しないで光波を反射し、プレーンミラー（平面鏡）として機能する。

これに対して、制御電圧により全ての他の反射エレメントが変形させられた場合、セルは光波を回折するだろう。このような変形の間、制御電圧は、エレメントのほぼ平坦な中央部を、基板に対してλ／４の格子幅で押圧する。そして、変形させられた反射エレメントと変形させられていない反射エレメントとの光路長の差は波長の半分となるが、このことによって、干渉の効果により、入射光波が正と負の一次回折次数に回折させられる。制御電圧を修正することによって、格子幅の微調整が行われる。

集束レンズは、回折格子により回折させられた光を収集し、それを２次元画像の離散画像光点の形で観察者に投影する。格子幅の変化は光波の一部の位相に影響を与えるが、制御可能回折格子を有する変調器のこのような従来の動作モードにおいてでさえも、所定の期間における反射と回折の割合は各変調セルの表示強度を決定づける。

一実施形態によれば、この投影システムは、一次回折次数の回折光のみをシステムから出力可能とするスロット・ダイアフラムを有する。他の実施形態においては、固定反射器、光シールド、またはシャッタが反射エレメントの端部に配置されている。これらのコンポーネントによれば、２次元画像のみをほぼ平坦な中央部により生成することが保証される。これにより変調器は、マイクロミラーをその保持位置から下げることによって、明らかに規定された位相関係を設定する。

「等角格子装置を有する空間光変調器」と題された欧州特許（特許文献４）もマイクロミラーを有する制御可能で機械的な回折格子光変調器を説明している。各変調セルは反射面を有する１以上の細長い弾性リボンを有する。このリボンは変調セルの端部において、１以上の中間支持部により、リボンの固定部と機械的に弾力がある部分とが交互に存在して制御可能回折格子を形成するように取り付けられている。位相格子は、弾力がある部分の弾性的変形、すなわち、光波長の４分の１（λ／４）で基板に対して偏位させて、リボンに沿って回折格子が存在するようにすることで、作成される。変調器はデジタル的に作動する。これは、リボンの変形可能な部分が基板に対して引き寄せられて回折格子が形成される回折動作状態と、リボンがプレーンミラーのように光を反射する反射動作状態とを有する。ほとんどの光は、正および負の、１次および２次の回折次数の光に回折させられる。投影システムの光学的設計に依存して、１以上のこれらの回折次数を光学的に用いることが可能である。高いコントラストと性能を要求するアプリケーションにおいては、反射し回折されていない光はシステムがブロックすべきである。以下、非回折光の反射方向を次数Ｄ₀と呼ぶ。

公知の回折格子光変調器を活用するディスプレイは、「空間的に分離された光ビームを有する電気機械格子ディスプレイシステム」と題された特許文献５や、「１次元高速格子光バルブアレイを組み込んだディスプレイ装置」と題された国際特許出願（特許文献６）の両方から公知である。これら２つの公知の解決手法の変調セルは画像情報に従って光を反射または回折し、そしてこの光はある別々の方向に分かれる。この光は、そのレンズシステムと、投影システムの光軸上に設けられた傾斜したミラーを経由して、ほぼ適正な角度で変調セルに向けられる。

傾斜したミラー、レンズ、およびシャッタを有する光学システムは少なくとも回折光から非回折光を分離し、これにより画像はディスプレイスクリーンを介して観察可能になる。このように、画像は、人間の目が知覚できない速度でスクリーンを介して再生される。

上述の回折格子光変調器のアプリケーションでは、デューティファクタを介したパルス幅変調により、変調波の光強度が画像投影システムで調整される。画像信号が各変調セルを回折格子の機能と反射ミラーの機能との間で切り替えて、光学投影システムは変調セルをスクリーンに投影する。シャッタまたは半透過型ミラーが回折次数Ｄ₀の非回折光をブロックするか、反射して照明に返すため、変調セルの全てのリボンが基板からの距離が同一になるように設定された場合、変調セルは暗く見えることになる。これに対して、基板からの距離が異なる位相プロファイルがセルのリボンに設定された場合は、変調セルは明るく見える。

しかし、回折効率を継続的に調整することによって変調セルの光強度を設定する、他の解決手法も知られている。例えば、「回折効率を継続的に制御可能な電気機械格子装置」と題された欧州特許出願（特許文献７）は、強度変調と呼ばれる変調を説明しているが、ここでは回折格子を有する変調器の回折効率が格子振幅を介して継続的に制御される。このために、変調セルの各々について、回折強度が低いまたは０のポイントと、回折強度が最大のポイントとの間で、格子振幅を継続的に調整可能である。このとき、最大の回折強度に用いられる振幅は用いられる光波長のせいぜい４分の１である。上述の格子構造と対照的に、ここでは変形可能な細長いエレメントの２つの集合が櫛状に組み合わされ、これらの集合が交互に互いに反対方向に変形できるように、その端部が（中間支持部を用いずに）ダクトに取り付けられる。

独国特許出願第１０ ２００５ ０２３ ７４３号 米国特許出願公開第２００２／１７６１２７号明細書 欧州特許第１ ０９０ ３２２号明細書 欧州特許第１ １２２ ５７７号明細書 欧州特許出願公開第１ １９３ ５２５号明細書 国際公開第９８／４１８９３号 欧州特許出願公開第１ ２９６ １７１号明細書

本発明の目的は、電気機械的に可動なマイクロミラー面を有する別個に制御可能な変調セルを用いて光波面を変調する公知の光変調手段の中から、ホログラフィ投影システムで用いられた場合に高品質なホログラフィ表示を提供し、特に、３次元の動画シーンの動画ホログラムの急速に変化するシーケンスが存在する場合に十分な解像度及び輝度を提供するものを見いだすことである。同時に、本発明は、高品質なホログラフィ再構成のための投影システムにおいて、特に高速に変化する動画ホログラムのシーケンスが存在しつつ高解像度と低雑音を実現するために、このような光変調手段を活用するのに必要な技術的手段を特定することを目的とする。

本発明は、動画シーンの動画ホログラムのシーケンスに対応する位相ホログラムを用いて、変調セルを有する公知の空間光変調手段を連続的に符号化するという発想に基づいている。変調セルの各々は、１以上の制御回路の基板で集積的に形成されたマイクロミラー面を有する制御可能な回折格子を有している。この制御回路は、マイクロミラー面を基板に対して垂直に機械的回折格子の振幅で移動させるが、この振幅は符号化された位相ホログラムの内容に依存する。このため、変調セルによって放射され、干渉を生成可能な照明を生成する光波について、変調セルは、途切れなく局所的に調整可能な位相変調を有する制御可能な回折格子として動作する。その結果、光変調手段の回折格子は放射された光波を変調及び回折し、これにより回折され位相変調済みの光波の部分が生成される。これらの光波の部分はホログラフィ再構成に使用される。

しかし、このような光変調器を実現する場合の技術的課題は、制御可能な回折格子の固定のマイクロミラー面であり、これは移動したマイクロミラー面の間に設けられる。移動したマイクロミラー面の振幅と無関係に、これは回折次数Ｄ₀の非回折光の一部分が永続的にもたらされる原因となる。上述の光変調器を用いる従来の２次元ディスプレイにおいてと同様に、光のこの部分は、ホログラフィ情報を全く伝達しないため、ホログラフィ再構成を阻害する。これが、変調済みの放射された光波の回折光の部分を投影システムが分離して、ホログラフィ情報を伝達するこの光波の部分のみが再構成用の出口経路を介してシステムを離れるようにしなければならない理由である。

本発明によれば、光学システムは、変調セル上で符号化された位相ホログラムを変換するフーリエ変換手段を含んでいる。この位相ホログラムの変調済みの光波の空間周波数スペクトルは第１フーリエ平面に現れるが、このスペクトルは、回折され位相変調済みの光波部分と、局所的に分離された空間範囲に変調されていない光を含んでいる。

分離手段と光学的拡大手段がフーリエ平面内に設けられ、これにより、光学的に分離され、位相変調済みの位相ホログラムの光波は、分離手段によって一つの回折次数のみから完全に分離されるが、拡大されてディスプレイスクリーンに投影される。

ディスプレイスクリーンは集束光学装置であり、これは分離され位相変調済みの光を観察者の目の前方の再構成空間内の可視領域に集束するだけであるが、この光は、位相ホログラムのホログラフィ情報を伝達する。それにより、分離した回折次数からの位相変調済みの光波の部分は、干渉によってオブジェクト光点からの光波面を再構成する。この光波面は３次元シーンに光学的に適合し、観察者の目に対して伝播する。

ディスプレイスクリーンの構成は集束レンズか凹面ミラーを用いることができる。再構成を観察する場合の使用可能な観察角度を非常に大きく実現するために、ディスプレイスクリーンは、好適には、可能な限り大きなスクリーン広さを有している。最良で費用効率が高いディスプレイスクリーンの実施形態は凹面ミラーを使用する。

上述の回折格子光変調器の位相変調動作は、３次元シーンのホログラフィ再構成に特に良好に適している。これは、マイクロミラーの動作速度が高速であることと、非常に大きな解像度を低価格に実現可能であるからである。

その他の問題は、２次元動画ディスプレイ用の公知技術の変調器は、使用される光波長の４分の１の限られた最大回折格子振幅のみを実現可能であるように、機械的に寸法が合わされていることである。このため、変調セルは、最小値φ_min＝０と最大値φ_max＝πとの間の範囲で変調波において位相値を設定できるだけである。この位相値の範囲は、変調波の光波長の半分をカバーするだけである。位相ホログラムを用いた誤りのないホログラフィ再構成のために、光波長の後半分に存在する位相値範囲の全ての位相値が失われる。これらは最大格子振幅を２倍にして設定可能なだけである。

最大格子振幅を２倍にすることは、例えば、赤外領域の波長用に設計された光変調器を、ホログラフィ再構成用の波長が半分の可視光で照明することによって実現できる。

一般に、公知の光変調器は、２倍にされた格子振幅に対しても設計することができる。しかし、このことは公知の従来の変調器を費用集約的に再設計することを要する。さらに、動的振る舞いを最適化するための多数の機械的手段は、格子振幅を２倍にすることの実現を困難にする。格子振幅が大きい場合は線形の位相変調は困難である。これは、変形した格子エレメントの偏位を引き起こす非線形の移動が増加し、より大きな制御電圧が必要となるからである。環境条件、特に温度の変動またはマイクロミラーのクリープによるドリフトによって、表示品質が低下しうる。

これらの欠点を回避するために、本発明の拡張した実施形態は、光学的に直列に配置された２つの空間格子光変調器を光変調手段が有するホログラフィ投影システムに関するが、ここでも本発明の一般的な技術的思想は維持されている。これらの格子光変調器は光学的投影システムを介して連結されており、これらが共同して、光波長内に存在する位相範囲の全体にわたって連続的な位相変調を実現する。

本発明の更なる実施形態は、ミラーのアナログ偏位における機械的なバイアスを線形に保つことが可能であるという技術的特徴を特定する。それにより各リボンの機械的な下降が動的に測定され、制御される。

以下、実施形態を用いて本発明を詳細に説明する。
空間光変調を行うための制御可能な回折格子の形式の変調セルを有する回折格子光変調器と、ディスプレイスクリーンとしての集束レンズを有する、本発明に係る投影システムの上面図である。 公知技術の回折格子光変調器の単一の変調セルの詳細を示す図である。 ディスプレイスクリーンとしての凹面レンズと、回折格子光変調器の画像平面内の空間周波数フィルタを有する、図１に示した投影システムの他の実施形態を示す側面図である。 光学的に直列に配置された２つの空間回折格子光変調器であって、これらが共同して要求された位相変調範囲の全体を実現する空間回折格子光変調器を光変調手段が有する、本発明の拡張された実施形態を示す図である。

図１は、回折格子光変調器ＳＬＭを有する、光変調手段を備えたホログラフィ投影システムを示している。この光変調器ＳＬＭは複数の変調セルを有する変調器表面を有し、この変調セルはマイクロミラー構造の形式で制御回路の基板上に集積的に形成され、これにより別々に制御可能な回折格子が形成される。この場合において、光変調ＳＬＭは、各変調セルのための複数の電気機械的に可動なマイクロミラー面を有する公知技術の回折格子光変調器の一つであり、このマイクロミラー面はホログラフィ入力情報を用いて制御される。

高品質のホログラフィ再構成を実現するために、各変調セルのマイクロミラーの回折格子振幅Ａを少なくとも光波長λの半分まで低減可能であることが必要である。光変調器ＳＬＭは反射モードで動作するため、したがって変調セルは、所望とする任意の局所位相値を光波長λ全体の範囲内で設定することが可能である。

このような変調器の単一の変調セルは、例えば図２のように模式的に示される。各セルは、固定のマイクロミラー面２１，２２，２３，２４と、基板１０上で連続的に下降させることが可能なマイクロミラー面３１，３２，３３とを有し、マイクロミラー面３１，３２，３３は、制御電圧を印加することによってλ／２の最大回折格子振幅Ａ_maxまで下降させることが可能である。

この種類の回折格子光変調器において、全ての変調セルは単一列に配置される。公知技術のスキャナ装置は、変調済みの光波面の断面領域を１ラインずつ順に生成していくが、これは光波面の領域を変調するために用いられなければならない。このようなラインスキャナの詳細な説明は、その設計及び機能は一般に広く知られているため、本出願では割愛する。ラインスキャナは、例えば、機械的に傾斜したミラーとすることができる。これはボックスＳＭとして図３に示されている。

図１に係る本実施形態においては、照明装置ＬＳはマイクロミラー構造を、干渉を生成可能な規定の波長λの光で照明する。光軸上に設けられた半透過型傾斜ミラーＭは、好適には、変調器表面に対して垂直なマイクロミラーに向けて光を導く。このことは、本実施形態では、照明装置ＬＳと半透過型ミラーＭとが、光変調器ＳＬＭとの関係で、光波が主に光変調器ＳＬＭの回折格子の低減する方向に沿って伝播するように、配置されることを意味する。したがって、光波長の半分のλ／２まで移動を低減させることにより、可動マイクロミラー面３１，３２，３３は、光波ＬＷ_modの所望の位相変調を実現することができるが、この光波は、光変調器ＳＬＭから伝播し、また図２に示すように、その他のより高次の回折次数の光とともに、正負の１次回折次数の光の部分Ｄ₊₁及びＤ_-1と、非回折光Ｄ₀とを含んでいる。高次の回折次数の光は本発明を実現するために用いることはできないため、図面の一定の明確さを維持するために、図１及び図２では示していない。

光変調器ＳＬＭの各セルはホログラム処理部ＨＰの分離された出口に接続されているが、動画ホログラムのシーケンスの内容に依存して、この場合における位相ホログラムとして特に計算された、動画ホログラム用のホログラフィ情報の離散値が提供される。３次元シーンについての現存する情報からこのような位相ホログラムを計算することは、様々な文献から公知であり、したがって本出願ではこれ以上詳述しない。

従来の２次元ディスプレイのように、本発明は、変調済みの光波から寄生（parasitic）光波の部分を除去するために、空間周波数フィルタまたは空間ブロック手段のような、分離手段も要求する。これらの手段は、非回折光が投影システムから観察者に向かって出ることを効果的に防がなければならない。公知技術の解決手法と対照的に、１つの単一の回折次数内に存在する回折格子のマイクロミラー面によって回折され変調済みの光波の部分だけが、ホログラフィ再構成に用いることができる。観察者がその他の回折次数の光も見える場合は、観察者は複数の３次元シーンの再構成が見えるだろう。

したがって、本発明によれば、再構成のために光変調器ＳＬＭによって回折され位相変調済みの光波の部分だけを光学システムが使用するように、光学システムは設計される。これは、集束手段と光分離手段とを、ある配置に設けることによって実現される。

これを実現するために、投影システムは、変調済みの光波をフーリエ平面ＦＴＬ内に変換する、例えば集束レンズＬ１のようなフーリエ変換手段を有しており、これにより、全ての寄生光回折次数の変調済み光波ＬＷ_modの配置を有する位相ホログラムのフーリエスペクトルがフーリエ平面内に存在する。

本発明の一実施形態によれば、要求された光波の部分を通過させるアパーチャを有するアパーチャマスクＡＰのような空間周波数フィルタが、フーリエ平面ＦＴＬ内、または少なくともフーリエ平面の近傍に設けられる。この周波数フィルタは、正の１次回折次数の変調済みの光Ｄ₊₁を、投影システムの光射出口へ、排他的に、かつ誤りのない再構成の便宜のために完全に、送信するような幾何学的形状をとっている。一般に、アパーチャは、正の１次回折次数の変調済みの光Ｄ ₊₁ に代えて、負の１次回折次数の変調済みの光Ｄ_-1 が分離されるように設けることもできる。その他の回折次数は、光強度が低いため、ホログラフィ再構成には適していない。

さらに、フーリエ平面ＦＴＬ内では、投影レンズＬ２の形式の光拡大手段も設けられており、これは、アパーチャマスクＡＰにより分離された１回折次数の位相変調済みの光波の部分を、拡大して、広表面ディスプレイスクリーンＳに対して投影する。この場合、ディスプレイスクリーンＳは、集束レンズか、或いは好適には、集束ミラーとすることが可能である。

ディスプレイスクリーンＳは、分離された回折次数の変調済みの光波を伝達する分離された位相変調済みの光波の部分を、１以上の観察者の目のアイ・ポジション（目の位置）ＥＰの各々の前方に存在する、可視領域ＯＷに投影する。２次元画像を表示する場合のように、ディスプレイスクリーンＳは、大きな観察角のために、可視領域よりも遙かに大きな断面を有している。

位相ホログラムは光変調器ＳＬＭ上において、３次元シーンの再構成がディスプレイスクリーンＳと目の位置ＥＰとの間の空間内で生成されるように符号化される。

したがって、図１に示すホログラフィ投影システムは、以前の特許出願（特許文献１）で出願人が既に説明している投影システムの基本的原理を活用する。図１は、回折次数Ｄ_-1、Ｄ₊₁、Ｄ₀を用いて、光変調器ＳＬＭが、放射された光波の制御可能な回折を水平方向にだけ実現している様子を示している。これは、使用されている光変調器が光波をライン方向にのみ変調しており、したがってホログラフィ再構成はライン状にのみ生成可能であることを意味する。

このため、ホログラムは１次元のラインホログラムとして符号化されなければならず、これは、動画処理において一般的に用いられている公知の波偏向手段を用いて、１ラインずつ目の位置へ投影される。１次元のラインホログラムは、観察者の目についての視差情報を水平方向にのみ示すだけである。これに必要な技術及びその利点は広く知られている。本発明の目的ではないため、本明細書ではこの技術についてこれ以上説明しない。

公知技術の解決手法と対照的に、この場合では、傾斜ミラーＭは半透過型のものでなければならない。これは、従来用いられている完全反射型の傾斜ミラーＭは、その機能のために、光軸軸、すなわち、システムの光路上に配置する必要があるが、誤りのない再構成に必要となる、用いられる回折次数Ｄ₊₁の変調済み光の重要な部分をも遮ってしまうからである。

傾斜ミラーＭの形状及び大きさは、放射された光波の光路上におけるその位置により、用いられる回折次数Ｄ₊₁の光波ＬＷ_modの全ての部分について同一の光学的特性が示されるように設計しなければならず、これにより、分離された光波の全ての部分が光学的に同様に作用され、ミラーＭを通過する場合に干渉が維持される。

例えば、偏向の方向の角度に設けられた、選択的ビームスプリッタを介することと、直接放射光源システムを用いることとの少なくともいずれかによって、干渉を生成可能な光をマイクロミラー構造に対して様々な方向に向けることも可能であることは、当業者には明らかである。これは様々な点で光学的コンポーネントを適応させることを要求するが、このことは本発明の目的ではない。例えば、光がマイクロミラー面に対して、直接、ある角度で向けられた場合、マイクロミラー制御器は、個々のミラー面３１．．．３３を様々な回折格子振幅で下降させなければならない。

本発明の延長において、更なる分離手段を光変調器ＳＬＭの画像平面内に設けることも可能である。

上述の投影システムは以下のように機能する：。

照明装置ＬＳは光変調器ＳＬＭを照明し、集束レンズＬ１は照明装置ＬＳをフーリエ平面ＦＴＬ内に投影する。アパーチャマスクＡＰと拡大レンズＬ２はこのフーリエ平面の近傍に設けられる。光変調器ＳＬＭは集束レンズＬ１の直近に設けられるため、光変調器ＳＬＭのフーリエ変換は、照明装置ＬＳの画像平面内にも存在する。固定マイクロミラー面２１．．．２４により反射される、回折次数Ｄ₀の非回折光の領域は、照明装置ＬＳの画像が存在するこの平面内に位置する。

図２に示すように、回折次数Ｄ₊₁は＋α₁の角度で放射され、回折次数Ｄ_-1は−α₁の角度で放射される。角度±α₁は、２つの隣接する下降可能なマイクロミラー面の中央の距離ｐと、光波長λとに依存する。すなわち、これは次式で表すことができる。：
（１） ±α₁＝±λ／ｐ

他の光の回折も寄生回折次数の形式で現れるが、本発明ではこれ以上検討しない。

全ての可動マイクロミラー面が同じ振幅で下降させられた場合、回折次数Ｄ₊₁、Ｄ_-1の回折が、この振幅そのものとは独立に、式（１）で規定される角度に発生する。

これに対して、可動マイクロミラー面が様々な振幅で下降させられた場合、１次回折次数Ｄ₊₁、Ｄ_-1の光は、±α₁の周囲、すなわち、α_n＝０．５λ／ｐ〜１．５λ／ｐの範囲の角度に分配される。

これらの角度範囲の一つは、ホログラフィ投影装置のために用いることができる。他の角度範囲の光は分離されなければならない。

図１では、非回折光Ｄ₀と回折次数Ｄ_-1の回折光が遮られ、回折次数Ｄ₊₁の回折光がシステム出口へ送信されるように、アパーチャマスクＡＰが設けられている。

投影システムを設計する際は、回折次数Ｄ₊₁の光は、隣接する回折次数の光、即ち、非回折光Ｄ₀や寄生回折次数の光に重ならないことに重きを置かなければならない。

その位置の距離ｄに依存して、フーリエ平面ＦＴＬ、光変調器ＳＬＭ、及びアパーチャマスクＡＰは、送信範囲が０．５λ*ｄ／ｐ〜１．５λ*ｄ／ｐのみとなるように、同時に設計及び配置されなければならない。

拡大レンズＬ２は光変調器ＳＬＭをディスプレイスクリーンＳ上に投影し、ディスプレイスクリーンＳはアパーチャマスクＡＰのアパーチャを目の位置ＥＰに投影する。アパーチャマスクＡＰのアパーチャの画像は目の位置ＥＰにおいて可視領域ＯＷを形成し、ここではホログラフィ再構成された３次元シーン３ＤＳが観察可能である。可視領域において観察者は一つの回折次数の光のみを観察するという事実に注意しなければならない。これは、そうでなければ邪魔になる３次元シーンの複数の再構成が観察可能になるであろうからである。

図３は本発明に係る投影システムのその他の実施形態を示しており、これは、凹面ミラースクリーンＳと、光変調器ＳＬＭの画像平面におけるアパーチャマスクＡＰ２の形式の空間周波数フィルタとを有している。

第１のアパーチャマスクＡＰ１は任意であり、フーリエ平面内に存在する。これは、ここでは寄生回折次数を分離するだけである。寄生回折次数を十分に抑制することは、光変調器ＳＬＭの充てん比（fill factor）が高いことによっても実現可能である。拡大レンズＬ２は、光変調器ＳＬＭを凹面ミラースクリーンＳの平面内に投影する。アパーチャマスクＡＰ２はこの平面内に設けられる。これは光変調器ＳＬＭの拡大された中央間距離ｐと同一の間隔を有し、光変調器ＳＬＭは拡大して投影される。可動マイクロミラー面３１．．．３３がアパーチャマスクＡＰ２の透過部に投影され、固定マイクロミラー面２１．．．２４がアパーチャマスクＡＰ２の吸収部に投影されるように、アパーチャマスクＡＰ２は位置づけられる。このような構成によれば、固定面２１．．．２４から反射された光は遮蔽される。可動面により変調された光はシーンを再構成し、このシーンは可視領域ＯＷの目の位置において観察可能である。

本発明のその他の好適な実施形態が図４に示されている。光変調手段は第１の回折格子光変調器ＳＬＭ１を有しており、これは、ここでは集束レンズＬ１及び第２の集束レンズＬ４の投影手段によって、反対側に設けられた第２の回折格子光変調器ＳＬＭ２に対して投影される。光変調器ＳＬＭ１及びＳＬＭ２は同一の設計であり、放射された変調済みの光波の光路長が光学的に直列接続しており、これらが共同して、全ての所望の位相変調値が実現されるように整列されている。このため、光変調器ＳＬＭ１及びＳＬＭ２の各々が小さな回折格子振幅しか実現しない場合であっても、位相は最大位相角φ_max＝２πまで変調することも可能である。これは、例えば、光変調器ＳＬＭ１及びＳＬＭ２が２次元装置用の従来の型のものであり、これらは、光波長の４分の１の最大回折格子振幅を有し、最大位相角φ_max＝πしか持たないような場合である。

光変調器ＳＬＭ１及びＳＬＭ２は、好適には、第２の光変調器ＳＬＭ２が第１の光変調器ＳＬＭ１の画像平面内に存在するように、互いに面するように配置される。

２つの光変調器ＳＬＭ１とＳＬＭ２との間の光路には、光源ＬＳから放射された、干渉を生成可能な光を回折格子光変調器ＳＬＭ１へ連結する第１の半透過型ミラーＭと、回折格子光変調器ＳＬＭ２からの変調済みの光波ＬＷ_modを投影装置の拡大レンズＬ２へ分離する第２の半透過型ミラーＭ２とが設けられる。本発明のこの実施形態では、図１から分かるアパーチャマスクＡＰと、光源ＬＳの画像と、光変調手段、すなわち光変調器ＳＬＭ１及びＳＬＭ２の両方のフーリエ変換ＦＴＬとは、全て、拡大レンズＬ２の平面内に存在する。

本発明のその他の改良はマイクロミラーの連続的な移動に関する。光波ＬＷ_modの所望の位相は、高品質の再構成を実現するために非常に精確に設定されなければならない。各マイクロミラーの振幅の低減は、ミラーと基板との間に適用される制御電圧を介して制御される。実際の偏位の測定及び制御を行わずに、キャリブレーション（較正）・テーブルを用いてマイクロミラーが制御された場合、ヒステリシス、エイジング、ドリフト、クリーピング等のような影響が発生して、位相エラーがもたらされるかもしれない。これが実際の偏位を測定及び制御することが好ましい理由である。

マイクロミラー面と基板を備えた機械システムは、リボンと基板との間の距離に静電容量（キャパシタンス）が依存する平板コンデンサ（キャパシタ）に相当する。同一サイズの平坦で平行な２つの平板を有する理想的な平板コンデンサでは、静電容量Ｃは、平板の表面積Ａ、平板間の距離ｄ、材料固有の非誘電率ε_r、及び空き領域の誘電率ε₀により、Ｃ＝ε_rε₀Ａ／ｄと定義される。本当の静電容量を計算するならば、例えば、より小さなミラー面領域に対する大きな基板面領域１０の関係ような、平板の正確な形状を考慮しなければならない。

本発明によれば、静電容量を求めるために、マイクロミラー面を移動するために用いられる制御電圧が、はるかに高い周波数ｆ_cを用いて、Ａ／Ｃテスト電圧により重畳される。コンピュータは、容量性インピーダンスＸ_cを測定し、この情報から、基板までの距離ｄを計算する。インピーダンスＸ_cはＸ_c＝１／ωＣで定義される。Ｃと、したがって距離ｄは、インピーダンスＸ_cに基づいて計算可能である。このように、マイクロミラー面の実際の位置と、したがって実際の位相シフトは、この情報から導出可能である。

したがって、所望の光学的位相シフトに対応する機械的位置が実現されているか否かを判定可能にするために、容量性インピーダンスＸ_cを測定するための電気回路は、各マイクロミラー面に接続されていなければならない。この回路構成は光学的光格子回路のチップ上に集積可能である。測定周波数ｆ_cはマイクロミラー面の共振周波数よりもはるかに高く、これにより振動が十分減衰され、表面は振動を開始しないということに重きを置かなければならない。

Claims (14)

1. 空間的に変調された光波を用いて、観察者の目の前方に、３次元シーンの光学的外観に適合する光点を再構成するホログラフィ投影システムであって、
   −光波を連続的に変調する、別個に制御可能な複数の変調セルを有する空間光変調手段と、
   −変調された前記光波を光学的に変換して、フーリエ平面において変調された光波のフーリエスペクトルを実現するフーリエ変換手段と、
   −ディスプレイスクリーンと、
   を備え、
   −前記変調セルの各々は、変調器表面上の制御可能な回折格子であり、位相ホログラムの内容により回折格子振幅に設定され、これにより光波を位相変調し、
   −光学的拡大手段は、単一の選択された回折次数の前記光波から分離手段により排他的に分離された、前記光波の光部分を拡大し、
   −前記ディスプレイスクリーンは、集束され、分離され、変調された光波が、観察者の各目の位置の前方の可視領域から広がる再構成空間であって、前記ディスプレイスクリーンの手前の空間、又は前記ディスプレイスクリーンの手前と後方との両方の空間を含む再構成空間の中の、当該目の位置の前方にシーンを再構成するような、集束光学装置である
   ことを特徴とするホログラフィ投影システム。
2. 可動マイクロミラー面である別個に制御可能な変調セルであって、１以上の制御回路で集積的に形成された変調セルを有することを特徴とする請求項１に記載のホログラフィ投影システム。
3. 前記ディスプレイスクリーンは凹面レンズであることを特徴とする請求項１に記載のホログラフィ投影システム。
4. 前記分離手段と前記光学的拡大手段とは、前記フーリエ変換手段のフーリエ平面の近傍に設けられることを特徴とする請求項１に記載のホログラフィ投影システム。
5. 前記分離手段は、前記選択された回折次数の前記変調された光波を目の位置に対して排他的に送信する、１以上のアパーチャ出口を有するアパーチャマスクであることを特徴とする請求項１に記載のホログラフィ投影システム。
6. 前記アパーチャマスクの前記アパーチャ出口の画像が前記目の位置で観察可能であるように設計されたことを特徴とする請求項５に記載のホログラフィ投影システム。
7. 前記変調器表面に対して実質的に垂直に設けられた光軸を有し、
   前記変調された光波が前記光軸に沿って伝播するように、干渉を生成可能な光が前記マイクロミラー面を照明する
   ことを特徴とする請求項２に記載のホログラフィ投影システム。
8. 前記マイクロミラー面を垂直に照明するために、前記光軸上に設けられた半透過型傾斜ミラーを有し、
   前記ミラーは、前記分離された回折次数の光路中に存在する全ての光をカバーする面領域を少なくとも有する
   ことを特徴とする請求項２に記載のホログラフィ投影システム。
9. 電気機械的に移動した前記マイクロミラー面は、実質的に平坦であり、前記光波の伝播方向に対して垂直に移動していることを特徴とする請求項２に記載のホログラフィ投影システム。
10. 前記フーリエ変換手段は、前記空間光変調手段の近傍に設けられた集束レンズであることを特徴とする請求項１に記載のホログラフィ投影システム。
11. 前記空間光変調手段は、光学的に直列に配置された２つの空間格子光変調器であって、これらが共同して連続的な位相変調を実現する空間格子光変調器を有することを特徴とする請求項１に記載のホログラフィ投影システム。
12. 前記空間格子光変調器は互いに面し、
    第１の空間格子光変調器を前記第２の空間格子光変調器に対して画像形成するように、投影手段が設けられる
    ことを特徴とする請求項１１に記載のホログラフィ投影システム。
13. 半透過型傾斜ミラーを用いて、前記２つの空間格子光変調器により変調された前記光波が前記光学的拡大手段に対して分離されることを特徴とする請求項１１に記載のホログラフィ投影システム。
14. 前記フーリエ変換手段が前記第２の空間格子光変調器の近傍に設けられ、これにより前記位相ホログラムが、前記第２の半透過型傾斜ミラーの後方に存在するフーリエ平面内に光学的に変換され、光伝播の方向で観察されることを特徴とする請求項１１に記載のホログラフィ投影システム。