JP2001194626A - 光学装置 - Google Patents
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Abstract
独立に制御できる光学装置を提供することを目的にして
いる。 【構成】 振幅変調用空間光変調素子と位相変調用空間
光変調素子と、これらふたつの素子を直列に空間接続す
るための手段を備えていることを特徴とする。
Description
学装置に関する。
ずに、光の振幅情報と位相情報を同時にかつ独立に記
録、再生できる光学装置はなかった。このため、物体の
3次元像を記録する場合は、振幅分布か位相分布のどち
らか一方だけで構成される計算機ホログラムを空間光変
調素子(SLM)へ表示していた。
リ位相型ホログラムを記録したという報告がある(例え
ば、Applied Optics Vol.26,N
o.5,p929(1987)参照)。
は以下のような問題点があった。
光利用効率がきわめて低く、オフアクシス型ホログ
ラムを記録するために情報をのせるキャリアを必要と
し、SLMの解像度を有効に利用できない。
物体波面の振幅成分は一定であるという近似をするため
に、奥行き感や明るさ感など、もとの物体に忠実な3次
元像を再生することが難しい。
であって、その目的は、簡便な手段により光の振幅と位
相を同時に制御できる光学装置を提供することにある。
は、少なくとも、振幅変調用空間光変調素子と、位相変
調用空間光変調素子と、前記ふたつの空間光変調素子に
対する信号発生器を備えて成ることを特徴とする。
学装置において、振幅変調用空間光変調素子の変調点と
位相変調用空間光変調素子の変調点の光学長が、照明す
る光源のコヒーレンス長より短いことを特徴とする。
学装置において、振幅変調用空間光変調素子と前記位相
変調用空間光変調素子の間に設置される光学素子部材な
らびに支持部材の光学長の和が、照明する光源のコヒー
レンス長より短いことを特徴とする。
し第3の光学装置において、少なくとも一方の空間光変
調素子が、電気アドレス型であることを特徴とする。
し第4の光学装置において、振幅変調用空間光変調素子
と位相変調用空間光変調素子が対応する画素をそろえて
直列に空間接続されていて、これらを照明する照明光源
を有することを特徴とする。本発明の第6の光学装置
は、前記第1ないし第5の光学装置において、振幅変調
用空間光変調素子もしくは位相変調用空間光変調素子の
いずれか一方が液晶素子であることを特徴とする。
学装置において、少なくとも1対の挟持部材で液晶を挟
持する液晶素子を備え、前記挟持部材の少なくとも一つ
にフォトクロミック材料を用いたことを特徴とする。
学装置において、液晶素子の表示モードがECB(電界
制御複屈折)方式であることを特徴とする。
学装置において、振幅変調用空間光変調素子および位相
変調用空間光変調素子の両方が液晶素子であることを特
徴とする。
光学装置において、振幅変調用液晶素子と位相変調用液
晶素子が、互いに一方の挟持部材を共有し、対応する画
素を揃えて直列に接続されていることを特徴とする。
の光学装置において、共有された挟持部材が、光が最初
に入射する液晶素子の画素による回折の効果がもう一方
の液晶素子の開口部分に現れない程度に、薄いことを特
徴とする。
または11の光学装置において、2つの液晶素子のうち
の少なくとも一方が、マトリックス駆動方式であること
を特徴とする。
光学装置において、振幅変調用空間光変調素子がTN
(ねじれネマチック)モード液晶素子であり、位相変調
用空間光変調素子がECB(電界制御複屈折)モード液
晶素子であることを特徴とする。
の光学装置において、TNモード液晶素子とECBモー
ド液晶素子の間に少なくとも2枚のレンズから成るアフ
オーカル光学系を備え、かつ前記アフオーカル光学系の
前段と後段のレンズ群の間に空間フィルタを備え、前記
ふたつの液晶素子が前記アフオーカル光学系に対して共
役な位置にくるように配置されて成ることを特徴とす
る。
の光学装置において、TNモード液晶素子とECBモー
ド液晶素子の間に一対の平板マイクロレンズアレイから
成るアフオーカル光学系を備え、前記ふたつの液晶素子
が前記アフオーカル光学系に対して共役な位置にくるよ
うに配置されて成ることを特徴とする。
の光学装置において、TNモード液晶素子とECBモー
ド液晶素子の間に偏光ビームスプリッタと、4分の1波
長板と、レンズと、空間フィルタと、反射板を備えて成
ることを特徴とする。
ないし15の光学装置において、TNモード液晶素子の
出射側偏光板の透過軸と出射光波面の法線が作る平面
が、前記ECBモード液晶素子において液晶分子ディレ
クタと液晶パネル基板の法線が作る平面とほぼ平行にな
るように、前記ふたつの液晶素子が配置されて成ること
を特徴とする。
の光学装置において、TNモード液晶素子の出射側偏光
板の透過軸と出射光波面の法線が作る平面が、ECBモ
ード液晶素子において液晶分子ディレクタと液晶パネル
基板の法線が作る平面とほぼ直交するように、ふたつの
液晶素子が配置されて成ることを特徴とする。
いて詳しく説明する。
ある。図1はその構成図であり、本発明のSLMは振幅
変調用SLM(以下、振幅SLMと称する)101と、
位相変調用SLM(以下、位相SLMと称する)102
から成る。このふたつのSLMは、ほぼ一体に作られて
いる。図1示すように、振幅SLMと位相SLMが対応
する画素103をそろえて、直列に空間接続されてい
る。使用する光源のコヒーレンス長にもよるが、位相を
乱さずに、振幅と位相の変調点をほぼ一体に重ねるため
には、コヒーレンス長よりも短い光学長で対応する画素
を重ねる必要がある。このためには、少なくとも一方の
SLMは、薄い構造を有する電気アドレス型のSLMが
藻ぞましい。
Mを用いた構成図である。液晶SLMとして、薄膜トラ
ンジスタ(以下、TFTと称する)をアクティブ素子と
して各画素に配置したTFT−LCSLMを用いた。光
源側のTFT−LCSLM201は振幅を変調するもの
で、出力面側に偏光板205が配置されている。この偏
光板に近接して、位相SLM202が配置されている。
この振幅SLM、位相SLM間の光学長を使用光源のコ
ヒーレンス長よりも短くするために、TFT基板206
に対向する基板204には、薄いガラス基板、偏光板に
は薄い偏光板を用いている。なお、203は液晶層であ
る。振幅と位相の変調点の光路差は、このように薄いガ
ラス基板、偏光板を用いることによりきわめて短くでき
る。そのため、フーリエエ変換光学系である投影レンズ
207の焦点距離に比べ、変調点のずれは小さく、再生
像点からみると、振幅、位相変調点は1点に見える。
一方に対し対応した画素をもっている。最も簡単な場合
には等間隔、等形状の画素が重ね合わされて配置され、
各々の画素には振幅、位相の変調情報が与えられる。
光であり、振幅用TFT−SLMに設定した方位に偏光
した直線偏光として入射する。なお入射側のレーザ光源
との間、あるいは出射側に偏光素子を設置してもよい。
調用のSLMについて説明する。SLMの液晶層は、振
幅用と位相用で使われているモードが異なっている。振
幅用には液晶表示装置に使われるねじれネマチック(以
下TNと称する)モードを用いた。ここではΔndを大
きく設定して振幅変調に加わる位相変化を少なくした。
屈折(以下ECBと称する)モードを採用した。ここで
は液晶の配向を平行に行い、さらにΔndを調整するこ
とによって2π以上の位相変調が可能となった。また位
相変調にともなう振幅の変化をできるだけ抑えるために
配向のプレチルト角を高めに設定し、液晶の横ねじれを
規制するとよい。
す。
振動面)と出射側の偏光方向について説明する。図3は
電界がかからない状態の偏光方向、液晶分子方向(以下
ダイレクタと称する)を示している。311は光の進行
方向、308、309はそれぞれ振幅変調用SLM、位
相変調用SLMから取り出した液晶層を示している。入
射偏光301は振幅変調用SLMのダイレクタ302に
平行もしくは直交して入射する。図3では平行入射の場
合を示している。TNモードを採用しているため出射光
は入射に対し90ー回転した偏光303となる。振幅変
調用SLMの出射側には偏光素子である直線偏光板30
4を設置し、これを通過することにより振幅変調された
直線偏光306が得られる。305は偏光板の透過偏光
方向を示している。次に、この直線偏光306は位相変
調用SLMのダイレクタ307に平行に入射する。こう
して振幅、位相を別々のSLMで変調された偏光310
が出射する。必要に応じて出射側に偏光を揃えるための
直線偏光素子を設置してもよい。
御するものであり、任意の振幅、波面コントロールを可
能とする。さらに実時間での書換えが可能なことから、
ホログラム再生、3次元のビームステアリング、計測、
補償光学素子の分野におけるアクティブな光学エレメン
トとして幅広く応用が可能である。
Nモード、位相変調SLMにECBモードを用いたが、
これに限定されるものではない。さらにSLM間の画素
を1:1に対応させるだけでなく、一方のSLMの画素
をもう一方の複数画素に対応させるように設定すること
もできる。また振幅SLMと位相SLMの配置は、本実
施例のような透過形の場合偏光の方向を上述のように考
慮すれば、その順番はどちらが先でも構わない。
もう一つの例であり、一方の変調器には光入力の可能な
反射形のSLM(以下光入力SLMと称する)を用いて
いる。実施例1で述べたように本発明のSLMは、ほぼ
一体に作られた振幅SLM、位相SLMからなり、各々
の画素は直列に空間接続されている。少なくとも一方の
SLMは薄い構造を有するSLMが好ましく、マトリク
ス駆動の電気アドレス形のSLMが適している。図4は
その具体的な例として液晶を用いた光SLM 401と
マトリクス駆動の電気アドレス形SLM 402として
TFT−SLMを用いた装置の構成図である。ここで光
入力SLMは振幅変調、TFT−SLMは位相変調機能
を受け持っている。光入力SLMの読みだし側に近接し
てTFT−SLMが設置されている。403は光入力S
LMの検光用の偏光板、404は光電変換層、405は
反射層、406は入力パターン光、407は読みだし光
である。この振幅SLM、位相SLM間の光学長をコヒ
ーレンス長よりも小さくするために、両SLM間に配置
される基板408、偏光板403には薄いものを用いて
いる。振幅と位相の変調点の光路差は、このように薄い
ガラス基板、偏光板を用いることによりきわめて小さく
できる。そのため、フーリエ変換光学系である投影レン
ズの焦点距離に比べ、変調点のずれは小さく、再生像点
からみると、振幅、位相変調点は1点に見える。
光であり、TFT−SLMに設定した方位に偏光した直
線偏光として入射する。なお入射側の光源とSLMの間
に偏光素子を設置してもよい。
調用のSLMについて説明する。SLMの液晶層は、振
幅用と位相用で使われているモードが異なっている。実
施例1と異なり、振幅用にはJapanese Jou
rnal of Applied Physics v
ol.29、p.L1231 (1990)記載のねじ
れネマチック電界制御複屈折モード(以下TN−ECB
と称する)モードを用いた。位相変調用のモードには電
界制御複屈折(以下ECBと称する)モードを採用し
た。一方位相用のECB−SLMは液晶の配向を平行に
行い、さらにΔndを調整することによって2π以上の
位相変調が可能としている。実施例1と異なるのは反射
した光が再び位相SLMを通過するため2倍の位相変調
を受けることになる。そこでΔndは実施例1の半分に
設定している。
す。
動面)と出射側の偏光方向について図4を用いて説明す
る。入射偏光409は位相変調用SLM402のダイレ
クターに平行に入射する。ここで位相変調された光は、
振幅変調用SLMの入射側に設置された直線偏光板40
3を通過することにより、位相変調を受けた直線偏光と
なる。次に振幅変調用SLM 401に入射し、反射型
TN−ECBモードによって振幅変調がされる。出射光
は入射時に通過した直線偏光板403を再び通過するこ
とにより振幅変調された直線偏光が得られる。この直線
偏光は位相変調用SLMに入射し、再び位相変調がされ
る。つまり半分の位相変調、振幅変調、位相変調のもう
半分が行われ、入射と同じ方向に出射する。入力光源光
409と出力光407の分離は入力方向に対し、出力方
向を微小角ずらして読みだす方法をとった。こうして振
幅、位相を別々のSLMで変調した出力光を得ることが
できた。入出力の分離はこの他にもビームスプリッター
を用いる方法も可能である。
LMに用いることによって画像光の直接入力ができるよ
うになるばかりか、CCDカメラ等の電気変換系を通さ
ない、光によるフィードバック回路を構成できる。これ
は光コンピューティングの分野で全光学的な処理を実現
する。
光によって画素が決定されるため、マトリクスによる画
素サイズの制限がなくなる利点もある。
の例である。基本的に一般のホログラム再生と同じ光学
系で行なわれる。図5はその構成図である。SLMは実
施例1の装置を用いた。照明光源504はHe−Neレ
ーザの633nmを用い、イクスパンダー505、偏光
子506を通して直線偏光とし、これを実施例1に示し
た本発明の振幅位相SLM 501に入射した。その結
果、出力光は出力空間に結像508する。図5では実像
を得たが、図6に示すように再生光を眼602に対して
発散させ、虚像601を再生することもできる。502
は両SLMに入力するパターンデータを計算するコンピ
ュータ、507はデータのメモリー、503は2つのS
LMの駆動回路である。ここでは照明光にコリメート光
を用いたが、照明光はホログラム記録時の参照光に対応
するため、発散形の照明をもとにSLMの表示データを
生成するとコリメート光以外でも照明できる。
ザ光と本発明のSLMを用いて、簡単に3次元像の表示
装置を構成できる。またホログラム記録時の参照光に対
応する照明光の設定、光源波長、虚像、実像再生の選択
など従来のホログラムでは記録時に決定されてしまう要
素をすべて計算によって選択できる。さらに本発明のS
LMの実時間性を活用し、高速に表示パターンを変える
ことにより、実時間の3次元表示装置を得ることができ
る。
施例のみならず、広くレーザ光学素子に応用が可能であ
る。
ける液晶SLMの構成を示す。
ス基板701の間に液晶704が挟まれた構造をしてい
る。
スは、アルミノホウケイ酸塩にハロゲン化銀を加えたも
のである。ハロゲンは塩素の比率を高めにして波長60
0nm以上の光に対する感度を低くしている(例えば、
「オプトテクノロジーと高機能材料」,(株)シーエム
シー(1985),p75参照)。
ジスタ)素子707と透明電極706を備えている。フ
ォトクロミックガラス基板の表面には、透明電極702
と、遮光マスク703が配置されている。またガラス基
板とフォトクロミックガラス基板には、液晶と接する面
に、配向膜708と709がそれぞれ塗布されている。
に平行となるように配向処理を施してある。こうするこ
とにより、液晶に電圧を印加したとき、光の振幅を変え
ずに位相のみを変化させることができる。入射光の偏光
方向を液晶のダイレクタの向きにあわせるため、フォト
クロミックガラス基板の外側には、偏光板710を透過
軸が配向膜709の配向方向と平行になるように配置す
る。
厚さdは6μmである。印加電圧を1.8ボルトから4.
2ボルトまで変化させると、位相を連続的に2π変化さ
せることができる。
400nmの光で透過率を変化させて、振幅分布を記録
した。また、位相分布に対応する電気信号を作成し、液
晶SLMを駆動した。
ト光は、まずフォトクロミックガラスによって振幅変調
を受ける。次に、液晶の複屈折により位相変調を受け
る。これで各画素ごとに振幅と位相を独立に変調するこ
とができる。本実施例では、コヒーレント光源として波
長633nmのHe−Neレーザを用いた。この波長で
はフォトクロミックガラスの感度が低いので、記録した
振幅分布を変化させることなく光の振幅位相変調ができ
る。
ス基板と、光の位相を変調する液晶がほとんど接してい
るので、振幅と位相は一点で変調されているとみなすこ
とができる。すなはち、変調点が離れているために起こ
る回折などの問題がなく、乱れの少ない振幅位相変調が
実現できる。
ける液晶SLMの構成を示す。本発明を反射型液晶SL
Mへ応用した。
ス基板809の間に、液晶804が挟まれた構造をして
いる。
極802と、配向膜803が配置されている。ガラス基
板上には透明電極808、アモルファスシリコン80
7、誘電体ミラー806、配向膜805が配置されてい
る。
内側にして液晶を挟んだ。Δnラdは0.13ラ6μmで
ある。液晶の配向は実施例1と同様平行配向である。
ラス基板の透過率を変化させて振幅分布を記録した。ま
た、波長600nmの光でアモルファスシリコンの導電
率を変化させて液晶にかかる電圧を変化させることによ
り、液晶の複屈折性を利用して位相分布を記録した。
(波長633nm)をフォトクロミックガラス基板側か
ら入射すると、フォトクロミックガラスによって振幅変
調を受け、次に液晶により位相変調を受ける。そして、
誘電体ミラーによって反射され、液晶により再び位相変
調を受け、次にフォトクロミックガラスによって再び振
幅変調を受ける。すなわち、実施例1の透過型液晶素子
のときと較べると、位相変化量は2倍となり、フォトク
ロミックガラスのコントラスト比は2乗になる。 本実
施例はフォトクロミックガラスのコントラスト比が小さ
いときに特に有効である。本実施例の液晶SLMは解像
度が非常に高い。本実施例では1mmあたり40本の線
を引くことができた。
ける液晶SLMの構成を示す。
液晶904が、ガラス基板917と共通基板901の間
に液晶914が、それぞれ挟まれた構造をしている。
折)モードの液晶素子として、液晶914の側がTN
(ツイストネマティック)モードの液晶素子として機能
する。
FT(薄膜トランジスタ)素子906、916と配向膜
905、915を備えている。共通基板901の両面に
は透明電極902、912と、配向膜903、913が
ある。また、ガラス基板907とTFT素子906、透
明電極912と配向膜913の間には、それぞれ遮光マ
スク911と921がある。
は互いに平行で、915はそれから86度ひねった方向
に配向処理を施してある。ガラス基板907、917の
外側には、偏光板908と918をそれぞれ配置する。
ただし、ふたつの偏光板の透過軸は配向膜905の配向
方向と平行になるようにする。
Bモードの液晶素子によってまず位相変調だけを受け
る。このとき光の偏光方向は変わらない。次に、TNモ
ードの液晶素子によって振幅変調のみを受ける。すなは
ち、振幅と位相を同時にかつ独立に変調することができ
る。このようにECBモードの液晶素子の側から光を入
射することにより、偏光板をふたつの液晶素子の間に配
置する必要がなくなるため、素子の製造が極めて容易に
なる。
圧回路に接続されている。また、共通基板は、ふたつの
液晶素子の間を完全に絶縁している。これによって漏れ
電流や容量結合をなくし、ふたつの液晶素子を互いに影
響を与えることなく独立に駆動できる。なお、本実施例
の液晶素子はTFT素子を用いて駆動するため、透明電
極902、912は画素などに区切る必要がない。
ことによるTFT素子の誤動作や特性の劣化を防ぐた
め、遮光マスク911をガラス基板とTFT素子の間に
配置した。まずガラス基板上にクロムの膜で遮光マスク
911を形成し、その上にSiO2を堆積させて絶縁膜
を作る。この絶縁膜上にTFT素子を形成した。一方、
TFT素子916のための遮光マスク921は、共通基
板901のTNモードの液晶素子に配置した。
示す。
コヒーレント光1001は、ガラス基板907の遮光マ
スク911によって回折を受ける。この回折光1002
は広がりが少なければ少ないほどよい。すなわち、ふた
つの液晶素子の間の距離は短ければ短いほどよい。この
ためには共通基板901をできるだけ薄くする必要があ
る。
選べば、この回折光の大部分を共通基板901のTNモ
ードの液晶素子にある遮光マスク921によって遮るこ
とができる。光の波長をλ、画素ピッチをD、遮光マス
クの幅をdとすれば、回折光を遮るために必要な基板間
の最長距離Lは、 L〜d・D/λ で見積もることができる。
d=15μmであり、λ=0.7μmであるからLは約
1mmとなる。本実施例では共通基板901として厚さ
0.3mmのガラスを使用した。これにより高次の回折
光も除くことができ、良好な振幅位相変調特性を得た。
FT素子906とガラス基板907との間に配置した
が、ガラス基板の反対側の面に配置してもよい。ただ
し、この場合は、製造は若干容易になるが、遮光マスク
による回折光がTFT素子に悪影響を与える可能性があ
る。
ードの液晶素子の振幅および位相変調特性を表す図であ
る。横軸に印加電圧をとり、縦軸には位相変化量と振幅
透過率をとった。偏光板の配置を変えればコントラスト
と位相変化量を調節することができる。本実施例では偏
光板を平行ニコルの配置にしてコントラストをかせい
だ。透過率の変化する2.2ボルトから5.0ボルトの間
では、TNモードの液晶素子による位相変化がないこと
がわかる。このほかにも、直交ニコルの配置にすれば、
ほぼ全域にわたって位相変化を防ぐことができる。
モードの液晶素子の振幅および位相変調特性を表す図で
ある。Δndを調節することにより2π以上の位相変調
が可能となった(本実施例ではΔnラd=0.13ラ6μ
m)。また、位相変調にともなう振幅の変化を抑えるた
めに、配向のプレチルト角を高めに設定し、液晶の横ね
じれを規制した。
光学装置に入射する光の偏光方向を液晶分子のダイレク
タと平行にしたが、配向膜913、915の配向方向を
変えれば任意の角度に設定できる。この角度を変えるこ
とによりTNモードの液晶電素子の振幅位相変調特性を
変えることができるため、偏光板の配置条件と組み合わ
せれば、さまざまな振幅位相変調特性をもつ液晶素子を
作ることができる。
おける液晶SLMの構成を示す。
基板901の代わりに厚さ20μmの絶縁性薄膜120
1を使用した。このため、液晶素子の組立に固相液晶を
用いる方法をとった。
示す。
備えたガラス基板907、917にポリイミドを塗布
し、研磨してTFTの面を平坦化する(図13では、こ
れらをまとめてガラス基板1307とした)。ラビング
配向処理を施した後、液晶相の液晶材料904、914
(図13では1304)を、スピンコートによりそれぞ
れのガラス基板上に均一な厚さで塗布する。液晶層の厚
さは、ECBモードの液晶素子が6.0μm、TNモー
ドの液晶素子が7.0μmである。本実施例に用いた液
晶材料は、固相から液晶相への相転移温度が−15℃で
あり、このときの体積膨張率は0.1%以下である(図
13(a))。
晶相であった液晶材料を固相にする。それぞれの基板
で、封止材を塗布する場所の液晶材料をレーザ光の照射
により取り除く(図13(b))。
性が低く、硬化時の体積変化の無い、紫外線硬化型の封
止材1300を塗布する(図13(c))。
を−20?に冷やし、液晶材料904、914との間の
空気を追い出しながら2枚の基板の間に挟む(図13
(d))。
後、徐々に温度を上げて固相であった液晶材料904、
914を液晶相に戻す(図13(e))。
に大きな圧力を加える必要はない。このため共通基板と
して薄膜を用いることができた。
ったことにより、従来問題となっていた光の散乱やセル
厚むらがなくなった。このため、本液晶素子を高精度な
光波面制御などの目的にも応用することができるように
なった。
おける共通基板上の遮光マスク921は必要ない。基板
間の距離が約30μmであるため入射側の遮光マスク9
11による回折光がほとんど広がらないためである。
ッチの細かい液晶素子を用いた場合でも、回折光がとな
りの画素に悪影響を与えたりすることなく振幅位相変調
を実現することができる。
位相を同時かつ独立に2次元的に制御できるので、高精
度な光波面制御ができる。さらに実時間での書換が可能
なことから、ホログラム再生、3次元ビームステアリン
グ、光相関器、3次元計測、補償光学素子などの分野に
おけるアクティブな光学素子として幅広く応用が可能で
ある。
について述べてきたが、本発明は反射型液晶SLMへも
応用可能である。
の構成を示す。レーザ光源1400から出射されたビー
ム1409は、コリメートレンズ1401で拡大された
平行光となり、TN(ツイストネマチック)モード液晶
素子1402へ入射する。ここで光は2次元的な振幅変
調を受ける。そして、レンズ1403と空間フィルタ1
404とレンズ1405から構成されるアフォーカル光
学系の作用により、TNモード液晶素子1402に対し
て共役な位置にあるECB(電界制御複屈折)モード液
晶素子1406へ導かれる。ここで光は2次元的な位相
変調を受ける。そして、フーリエ変換レンズ1407の
作用により、出力面1408上に所定の像を出力する。
1410は信号発生器であり、液晶素子1402、14
06へ所望の信号を入力する。図中のfはレンズの焦点
距離を表す。ここでは、倍率が等倍のアフォーカル光学
系を用いたが、液晶素子1402と1406の画素ピッ
チの大小関係、対応させる画素数によって、非等倍のア
フォーカル光学系を用いることも可能である。
02は、各画素にTFT(薄膜トランジスタ)素子を備
えたマトリクス駆動型の液晶素子である。液晶分子の初
期配向が90゜ねじれたTNモードの液晶パネルとこれ
を挟むように配置された2枚の偏光板から成る。一方、
ECBモード液晶素子1406もTFTマトリクス駆動
型のものであるが、液晶分子の初期配向はねじれのない
ホモジニアス配向である。
ド液晶素子1402に接続するには、TNモード液晶素
子1402の出射側偏光板の透過軸の方位をECBモー
ド液晶素子1406の液晶分子ディレクタと平行にする
必要がある。この時に問題になるのが、TNモード液晶
素子1402で発生する位相変化である。図17(a)
に、TNモード液晶素子1402の位相変調特性を示
す。曲線1は2枚の偏光板の方位を平行にして入射側偏
光板の透過軸方位を入射面における液晶分子ディレクタ
と平行にした場合、曲線2は2枚の偏光板の方位を平行
にして入射側偏光板の透過軸方位を入射面における液晶
分子ディレクタと直交させた場合、曲線3は2枚の偏光
板の方位を直交させて入射側偏光板の透過軸方位を入射
面における液晶分子ディレクタと平行にしたた場合、曲
線4は2枚の偏光板の方位を直交させて入射側偏光板の
透過軸方位を入射面における液晶分子ディレクタと直交
させた場合である。図17(a)から、偏光板の方位を
互いに直交させてかつ入射側偏光板の方位を液晶分子軸
と直交させた時に、位相変化がもっとも小さいことがわ
かる。この条件の時の振幅変化と印加電圧の関係を図1
7(b)に示す。高いコントラストと充分な階調性が得
られた。
素子1406で位相変調を行う時に同時に、TNモード
液晶素子1402で発生した位相変化を補償することが
できる。ECBモード液晶素子1406の位相変調特
性、振幅変調特性を図18(a)、(b)にそれぞれ示
す。
なTNモードの液晶素子と位相変調が可能なECBモー
ドの液晶素子を光学的に接続して一体構造の液晶SLM
と機能的にほぼ等価なシステムを実現することにより、
コヒーレント光の振幅と位相を同時に制御することが可
能になる。
いて記録したキノフォーム(IBMJ.Res.De
v.,Vol.13,p150(1969)参照)の振
幅分布を示す。物体が持っている振幅情報をも利用する
ことによって、量子化誤差の小さい鮮明な像を再生する
ことができた。ちなみに、図19(b)に示すように振
幅情報を考慮せずに記録したキノホームからは、良好な
再生像は得られなかった。
順序を入れ換えて配置することも可能である。
の構成を示す。レーザ光源1400から出射したビーム
1409は、コリメートレンズ1401で平行光とな
り、TNモードの液晶素子1402へ入射する。この時
のビーム1409は紙面に垂直な直線偏光であるが、T
Nモード液晶素子1402で振幅変調を受けると同時に
偏光面が90゜回転して、紙面に平行な直線偏光となっ
て偏光ビームスプリッタ1501へ入射する。さらに、
ビームは4分の1波長板1502の作用で円偏光とな
り、レンズ1403、空間フィルタ1404と通過した
後に、反射板1503へ到達する。ここからビームは光
路を逆にたどり、4分の1波長板1502の作用で紙面
に垂直な直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ150
1で反射されてECBモード液晶素子1406へ入射す
る。ここで、ビームは位相変調を受ける。そして、フー
リエ変換レンズ1407によって、出力面1408上へ
所望の像を出力する。ここで用いた2枚の液晶素子は、
実施例8のものと同じである。
変化をECBモード液晶素子1406のところで補償す
るために、本実施例では、TNモード液晶素子1402
の出射側偏光板の透過軸の方位をECBモード液晶素子
1406の液晶分子ディレクタと直交させる必要があ
る。
タを用いて反射型の構成にすることにより、装置全体を
小さくまとめることができた。
2枚の液晶素子を配置することも可能である。
置の構成を示す。レーザ光源1400から出射したビー
ム1409がコリメートレンズ1401を経てTNモー
ド液晶素子1402へ至るまでの部分、およびECBモ
ード液晶素子1406から。フーリエ変換レンズ140
7を経て出力面1408へ至るまでの部分は、図14な
らびに図15に示した構成と同様である。ここで用いた
2枚の液晶素子は、実施例8ならびに実施例9のものと
同じである。
つの液晶素子1402と1406を接続するために、一
対の平板マイクロレンズアレイ1601、1603から
構成されるアフォーカル光学系を用いた点にある。この
部分を拡大して、図16(b)に示す。2枚の液晶素子
1402、1406の対応する画素を一対の平板マイク
ロレンズアレイで接続する。フーリエ変換面1602
は、前段の平板マイクロレンズアレイ1601の像側焦
点面であると同時に、後段の平板マイクロレンズアレイ
1603に対する物体側焦点面でもある。
変化をECBモード液晶素子1406のところで補償す
るために、本実施例では、TNモード液晶素子1402
の出射側偏光板の透過軸の方位をECBモード液晶素子
1406の液晶分子ディレクタと平行にする必要があ
る。
レンズアレイから構成されるアフォーカル光学系を用い
ることにより、装置全体をさらに小さくまとめることが
できた。
制御して、所望の光波面を再生することが可能になっ
た。本発明の光学装置は、その実時間性を活かして計算
機ホログラムを記録することにより、3次元動画像表示
へ応用することが可能である。さらに、光認識や光コン
ピューティングなどの情報処理、3次元ビームステアリ
ング、計測、補償光学素子の各分野におけるアクティブ
な光波面制御手段としても幅広く応用が可能である。
ある。
いた構成図である。
がかからない状態の偏光方向、液晶分子方向を示した図
である。
を示す側面図である。
である。
成図である。
を示す側面図である。
を示す側面図である。
を示す側面図である。
ひとつの画素についての光路を説明する図である。
および位相変調特性を示す図である。 (b)本発明のECBモード液晶素子の振幅および位相
変調特性を示す図である。
成を示す側面図である。
液晶SLMの製造方法を示す工程図である。
る。
る。
面図である。 (b)本発明の実施例10の構成の詳細を示す部分断面
図である。
を示す図である。 (b)TNモード液晶素子の振幅変調特性を示す図であ
る。
性を示す図である。 (b)ECBモード液晶素子の振幅変調特性を示す図で
ある。
フォームの振幅分布を示す図である。 (b)従来の光学装置に記録されたキノフォームの振幅
分布を示す図である。
29)
の振幅を変調する振幅変調用空間光変調素子と、光の位
相を変調する位相変調用空間光変調素子とを備えてなる
光学装置であって、前記位相変調用空間光変調素子が液
晶素子から形成されてなり、前記振幅変調用空間光変調
素子がフォトクロミック材料からなることを特徴とす
る。また、好ましくは前記位相変調用空間光変調素子に
は薄膜トランジスタ及び透明電極が形成されてなること
を特徴とする。また、好ましくは前記位相変調用空間光
変調素子には誘電体ミラーが形成されてなることを特徴
とする。
Claims (18)
- 【請求項1】 光の波面を制御する技術に関し、少なく
とも、振幅変調用空間光変調素子と、位相変調用空間光
変調素子と、前記ふたつの空間光変調素子に対する信号
発生器を備えて成ることを特徴とする光学装置。 - 【請求項2】 前記振幅変調用空間光変調素子の変調点
と前記位相変調用空間光変調素子の変調点の光学長が、
照明する光源のコヒーレンス長より短いことを特徴とす
る請求項1に記載の光学装置。 - 【請求項3】 前記振幅変調用空間光変調素子と前記位
相変調用空間光変調素子の間に設置される光学素子部材
ならびに支持部材の光学長の和が、照明する光源のコヒ
ーレンス長より短いことを特徴とする請求項2に記載の
光学装置。 - 【請求項4】 少なくとも一方の空間光変調素子が、電
気アドレス型であることを特徴とする請求項1ないし3
に記載の光学装置。 - 【請求項5】 振幅変調用空間光変調素子と位相変調用
空間光変調素子が対応する画素をそろえて直列に空間接
続されていて、これらを照明する照明光源を有すること
を特徴とする請求項1ないし4に記載の光学装置。 - 【請求項6】 前記振幅変調用空間光変調素子もしくは
前記位相変調用空間光変調素子のいずれか一方が液晶素
子であることを特徴とする請求項1ないし5に記載の光
学装置。 - 【請求項7】 少なくとも1対の挟持部材で液晶を挟持
する液晶素子を備え、前記挟持部材の少なくとも一つに
フォトクロミック材料を用いたことを特徴とする請求項
6に記載の光学装置。 - 【請求項8】 前記液晶素子の表示モードがECB(電
界制御複屈折)方式であることを特徴とする請求項7に
記載の光学装置。 - 【請求項9】 前記振幅変調用空間光変調素子および前
記位相変調用空間光変調素子の両方が液晶素子であるこ
とを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 - 【請求項10】 振幅変調用液晶素子と位相変調用液晶
素子が、互いに一方の挟持部材を共有し、対応する画素
を揃えて直列に接続されていることを特徴とする請求項
9に記載の光学装置。 - 【請求項11】 前記共有された挟持部材は、光が最初
に入射する液晶素子の画素による回折の効果が、もう一
方の液晶素子の開口部分に現れない程度に薄いことを特
徴とする請求項10に記載の光学装置。 - 【請求項12】 前記ふたつの液晶素子のうちの少なく
とも一方は、マトリックス駆動方式であることを特徴と
する請求項10または11に記載の光学装置。 - 【請求項13】 振幅変調用空間光変調素子がTN(ね
じれネマチック)モード液晶素子であり、位相変調用空
間光変調素子がECB(電界制御複屈折)モード液晶素
子であることを特徴とする請求項9に記載の光学装置。 - 【請求項14】 前記TNモード液晶素子と前記ECB
モード液晶素子の間に少なくとも2枚のレンズから成る
アフオーカル光学系を備え、かつ前記アフオーカル光学
系の前段と後段のレンズ群の間に空間フィルタを備え、
前記ふたつの液晶素子が前記アフオーカル光学系に対し
て共役な位置にくるように配置されて成ることを特徴と
する請求項13に記載の光学装置。 - 【請求項15】 前記TNモード液晶素子と前記ECB
モード液晶素子の間に一対の平板マイクロレンズアレイ
から成るアフオーカル光学系を備え、前記ふたつの液晶
素子が前記アフオーカル光学系に対して共役な位置にく
るように配置されて成ることを特徴とする請求項13に
記載の光学装置。 - 【請求項16】 前記TNモード液晶素子とECBモー
ド液晶素子の間に偏光ビームスプリッタと、4分の1波
長板と、レンズと、空間フィルタと、反射板を備えて成
ることを特徴とする請求項13に記載の光学装置。 - 【請求項17】 前記TNモード液晶素子の出射側偏光
板の透過軸と出射光波面の法線が作る平面が、前記EC
Bモード液晶素子において液晶分子ディレクタと液晶パ
ネル基板の法線が作る平面とほぼ平行になるように、前
記ふたつの液晶素子が配置されて成ることを特徴とする
請求項13ないし15に記載の光学装置。 - 【請求項18】 前記TNモード液晶素子の出射側偏光
板の透過軸と出射光波面の法線が作る平面が、前記EC
Bモード液晶素子において液晶分子ディレクタと液晶パ
ネル基板の法線が作る平面とほぼ直交するように、前記
ふたつの液晶素子が配置されて成ることを特徴とする請
求項16に記載の光学装置。
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