JP2009300621A - 光空間変調装置およびスペクトラム光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペクトラム変調用の変調素子部の機能を使わずに突出波長帯域を抑圧する。
【解決手段】入力光が入力する面に沿って配列された複数の光学素子を有し、複数の光学素子を通過する入力光の偏光状態および強度の少なくともいずれか一方を、外部からの指令に基づいて光学素子ごとに互いに独立して変調した、出力光を出力する変調素子部と、入力光および出力光の少なくとも一方が通過するときに、入力光および出力光の少なくとも一方を、複数の光学素子の配列の方向の関数として予め定められた強度に変調する強度変調フィルタとを備える光空間変調装置が提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、光空間変調装置およびスペクトラム光源装置に関する。本発明は、特に、連続波長分布を有する光を任意の波長分布に変調する光空間変調装置およびスペクトラム光源装置に関する。

連続波長分布を有する光を任意の波長分布に変調するスペクトラム光源装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このスペクトラム光源は、連続波長分布を有する光を発する光源と、任意の分光透過率特性を有する変調素子としてのチューナブルフィルタとを有する。このスペクトラム光源装置において、光源からの入力光が、チューナブルフィルタを通過することによって任意の波長分布を有する光に変換されて出力される。より詳しくは、このスペクトラム光源装置において、チューナブルフィルタの分光器が形成したスペクトラム像の位置に、透過型液晶素子アレイとその前後に偏光板を設置し、個々の透過型液晶素子を独立に階調的に制御してスペクトラム像の透過光量を変調した後、再度、内蔵分光器によって波長合波することにより、入力光に対して任意の分光特性変調を付加した出力光を出力する。
特開平１１−１０１９４４号公報

スペクトラム光源装置の光源として、キセノンランプが用いられる。キセノンランプは、は例えば近赤外域に局所的に突出した光強度を複数有する。この突出波長帯域を低く抑えて出力したい場合に、液晶素子と偏光板との組み合わせによる減衰能力では、入力光の突出部分を抑えるためにその能力のかなりの部分を使ってしまうので、さらに求めているスペクトラム特性を得る微調整のための液晶素子の減衰階調数が足りなくなる。また入力光の光強度が強すぎると、求めている減衰量が得ることが難しい。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態においては、入力光が入力する面に沿って配列された複数の光学素子を有し、複数の光学素子を通過する入力光の偏光状態および強度の少なくともいずれか一方を、外部からの指令に基づいて光学素子ごとに互いに独立して変調した、出力光を出力する変調素子部と、入力光および出力光の少なくとも一方が通過するときに、入力光および出力光の少なくとも一方を、複数の光学素子の配列の方向の関数として予め定められた強度に変調する強度変調フィルタとを備える光空間変調装置が提供される。

本発明の第２の形態においては、入力光を発生する光源と、入力光を特定の偏光状態に変換する偏光光学系と、特定の偏光状態に変換された光を、一方向について広がったスペクトラム像に分光する波長分散型分光光学系と、スペクトラム像の広がり方向に沿って配列された複数の光学素子および反射面を有し、反射面で反射されて複数の光学素子内を往復する入力光のスペクトラム像の偏光状態を、外部からの指令に基づいて光学素子内を往復する波長領域ごとに互いに独立して変調した、出力光を反射する変調素子部と、入力光および出力光が通過するときに、入力光および出力光を波長領域ごとに予め定められた強度に変調する強度変調フィルタとを備え、強度変調フィルタを通過した出力光は、波長分散型分光光学系に再入力されて波長合波され、波長合波された出力光は、偏光光学系に再入力されて一の偏光方向を有する偏光を他の偏光から分離して出力されるスペクトラム光源装置が提供される。

本発明の第３の形態においては、入力光を発生する光源と、入力光を特定の偏光状態に変換する入力偏光光学系と、特定の偏光状態に変換された光を、一方向について広がったスペクトラム像に分光する波長分散型分光光学系と、スペクトラム像の広がり方向に沿って配列された複数の光学素子を有し、入力光のスペクトラム像が複数の光学素子を透過するときに、偏光状態を外部からの指令に基づいて光学素子内を透過する波長領域ごとに互いに独立して変調した出力光を出力する変調素子部と、入力光および出力光の少なくとも一方が通過するときに、入力光および出力光の少なくとも一方を波長領域ごとに予め定められた強度に変調する強度変調フィルタと、スペクトラム像の出力光を波長合波する波長合波光学系と、波長合波された出力光のうち、一の偏光方向を有する偏光を他の偏光から分離して出力する出力偏光光学系とを備えるスペクトラム光源装置が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、実施形態の一例であるスペクトラム光源装置１０の概略図を示す。スペクトラム光源装置１０は、連続的な波長分布を有する光源２０からの入力光９０を、任意の波長分布を有する出力光９２に変調して、オプティカルファイバ８６へ出力する。図１に示すスペクトラム光源装置１０は、光源２０と、偏光光学系３０と、スリット３８と、波長分散型分光光学系４０と、光空間変調装置５０と、変調素子ドライバ６６と、光学系８４とを備える。

光源２０は、連続的な波長分布を有する入力光９０を発生する。光源２０の一例は、キセノンランプである。キセノンランプのスペクトラムには特定波長帯域で光強度の突出があるが、波長に対する強度分布が既知であれば、光源２０として用いることができる。

偏光光学系３０は、光学系３２、偏光ビームスプリッタ３４および光学系３６を有し、入力光９０を特定の偏光状態に変換する。ここで、光学系３２は、偏光光学系３０からの入力光９０をコリメートし、偏光ビームスプリッタ３４は、電場の方向が図面平行方向の直線偏光を直進通過させると共に、これと直交する直線偏光の進行方向を曲げて破棄光９４として破棄する。さらに、光学系３６は、偏光ビームスプリッタ３４を直進通過した直線偏光をフォーカスする。なお、図１において、進行方向８０を矢印で示すと共に、当該矢印に重ねて偏光方向８２を示した。図１の往復矢印は、偏光方向８２が紙面に平行であることを示し、丸印は、偏光方向８２が紙面に垂直であることを示す。

波長分散型分光光学系４０は、コリメータ４２、グレーティング４４およびカメラ４６を有し、上記直線偏光を、一方向について空間的に広がりを有するスペクトラム像に分光する。また、偏光光学系３０と波長分散型分光光学系４０との間には、スリット３８が配される。この場合に、スリット３８は、光学系３６の後側焦点およびコリメータ４２の前側焦点に位置することが好ましい。上記光学系３６は、直線偏光を当該スリット３８上にフォーカスする。スリット３８のスリットを通過した光は拡散してコリメータ４２に入力される。コリメータ４２は、入力された拡散光をコリメートしてグレーティング４４に入力させる。

グレーティング４４は、入力光を、波長に応じて空間的に広がりを有するスペクトラム像に分光する。図１に示す例において、グレーティング４４は、入力光を、波長の長いほうから低いほうへ紙面に垂直な方向に広がるスペクトラム光に分光する。ここで、グレーティング４４にはコリメータ４２でコリメートされた平行光束が入力されるので、グレーティング４４を通過する過程での偏光状態変調のローカリティを抑えることができる。さらに、カメラ４６でスペクトラム像を光空間変調装置５０にフォーカスする。

光空間変調装置５０は、強度を変調する強度変調フィルタ７０、および、入力された光の偏光状態を変調して出力する変調素子部６０を有する。これら強度変調フィルタ７０および変調素子部６０については後に詳述する。

変調素子部６０から出力された光は、往路とは反対に、強度変調フィルタ７０、カメラ４６、グレーティング４４、コリメータ４２、スリット３８および光学系３６を通って、偏光ビームスプリッタ３４に再入力される。ここで、強度変調フィルタ７０を再通過した出力光は、カメラ４６に再入力されてコリメートされ、さらにグレーティング４４に再入力されて波長合波され、コリメータ４２に再入力されてスリット３８上にフォーカスされて、光学系３６によりコリメートされる。

光学系３６にコリメートされた出力光が偏光ビームスプリッタ３４に再入力されると、偏光ビームスプリッタ３４は、当該出力光のうち、一の偏光方向を有する偏光を他の偏光から分離して出力する。すなわち、偏光ビームスプリッタ３４は、再入力された出力光のうち、強度変調フィルタ７０で偏光方向が変調されなかった波長成分を直線透過させて破棄する。一方、偏光ビームスプリッタ３４は、再入力された出力光のうち、強度変調フィルタ７０で偏光方向が変調された波長成分の進行方向を曲げて（例えば、図１において９０°）、光学系８４に入力させる。光学系８４は、入力された光を出力光９２としてオプティカルファイバ８６にフォーカスして出力する。なお、図１には、変調素子部６０において変調された出力光が示されている。

図２は光空間変調装置５０を入力光が入力する方向から見た正面図であり、図３は光空間変調装置５０の平面図であり、図４は光空間変調装置５０の側面図である。光空間変調装置５０は、保護ガラス７６、強度変調フィルタ７０および変調素子部６０を有する。

変調素子部６０は、反射型液晶であって、複数の液晶素子６２、これら液晶素子６２を封止するカバーガラス６８、および、液晶素子６２の背面に密着した平面ミラー６４を有する。カバーガラス６８には、これら液晶素子６２に対して個別に電界を付与する透明電極が形成される。なお、液晶素子６２は光学素子の一例であり、平面ミラー６４は反射面の一例である。

ここで、図２に示すように、複数の液晶素子６２は、一次元的に配列されており、その配列方向は、スペクトラム像の広がり方向（例えば、図２における左右方向）に沿っている。個々の液晶素子６２は図１の変調素子ドライバ６６によって独立的に制御され、個々の液晶素子６２内を往復する光には液晶素子６２ごとに異なるリターデーションが付加される。よって、変調素子部６０から出てきたスペクトラム像は、液晶素子６２ごとに、すなわち波長領域ごとに異なる楕円偏光になる。

これにより、変調素子部６０は、平面ミラー６４で反射されて複数の液晶素子６２内を往復する入力光のスペクトラム像の偏光状態を、変調素子ドライバ６６からの指令に基づいて、波長領域ごとに互いに独立して変調した、出力光を出力する。この場合に、変調素子部６０は反射型であるので、大きな開口率を得ることができる。

また、カバーガラス６８の入出力面上には強度変調フィルタ７０が接合される。強度変調フィルタ７０の上には、保護ガラス７６が接合される。保護ガラス７６の外面には、反射防止コートが施される。ただし、保護ガラス７６なしで強度変調フィルタ７０上に直接反射防止コートを施してもよい。保護ガラス７６の外面からの、または、保護ガラス７６がない場合における強度変調フィルタ７０の外面からの表面反射光が迷光を抑えるべく、図４に示すように、保護ガラス７６をウェッジ型にしてもよい。これにより、保護ガラス７６の外面反射光の進路を信号光から分離し出力光に混入するのを防ぐことができる。なお、強度変調フィルタ７０と保護ガラス７６との接合面については、屈折率マッチングを取ることにより、反射率を極小に抑えて、迷光を抑えることができる。また、光源２０から発せられてグレーティング４４で分光された光のスペクトラム像は、平面ミラー６４上に形成されるが、強度変調フィルタ７０は図１に示す通り平面ミラー６４のごく近傍に存在配されるので、強度変調フィルタ７０上にも該スペクトラム像がわずかにデフォーカスした状態で形成される。

図５（ａ）はスペクトラムの一例を示し、図５（ｂ）は強度変調フィルタ７０の正面図である。強度変調フィルタ７０は、光を遮光する遮光部７３、および、光を透過する窓７２を有するフィルムである。例えば強度変調フィルタ７０は、透明で複屈折性がほとんどない樹脂製のフィルム上に、窓７２に対応する領域を除いて、黒色インクを遮光部７３として印刷することにより形成される。強度変調フィルタ７０は、当該窓７２の形状に基づいて強度変調フィルタ７０を通過する光を、複数の液晶素子６２の配列方向の関数として予め定められた強度に変調する。

例えば、図５（ｂ）に示す例において、窓７２は、通過する光の強度を小さくすべき領域ほど、液晶素子６２の配列方向に直交する方向の幅が狭い。これにより、強度変調フィルタ７０は、液晶素子６２の配列方向に波長分散された変調素子部６０への入力光、および、変調素子部６０からの出力光すなわち強度変調フィルタ７０への再入力光が通過するときに、入力光および出力光を波長領域ごとに窓７２に対応した強度に変調する。なお、窓７２は、液晶素子６２の配列方向を軸として対称形を有するが、窓７２の形状は非対称形であってもよい。

ここで、図５（ｂ）の窓７２の形状は、光源２０で発生する光の波長に対する強度分布に対応する。例えば、光源２０で発生する光の波長λに対する強度Ｉが図５（ａ）の細線で示す分布を有し、波長λｓから波長λｌまでが使用波長領域であるとする。この場合に、図５（ｂ）に示すように、グレーティング４４によって分散された波長領域について、光源２０で発生する光の強度が大きい領域ほど、窓７２の幅（図中の縦方向の長さ）を狭くする。これにより、強度変調フィルタ７０は、光源２０で発生する光のうち強度が大きい波長領域ほど相対的に多く遮光する。よって、図５（ａ）の太線に示すように、強度変調フィルタ７０および液晶素子６２内を往復した光の波長の強度分布を、光源２０の強度分布に比較してより平坦にすることができる。

また、窓７２は、光源２０の光における波長の強度分布に対応した形状に限られず、他の形状を有してもよい。例えば、光学系３２、グレーティング４４および液晶素子６２等を光が通過する場合に光の吸収について波長依存性がある場合に、窓７２は、この波長依存性に対応して、光学系３２等での吸収率が大きいほど、窓７２の幅を広くした形状を有してもよい。

さらに、強度変調フィルタ７０は、変調素子部６０に対して着脱可能に接合されてもよい。これにより、光源２０を取り替えて使う場合に、それぞれの光源２０における波長の強度分布に対応した窓７２の形状を有する強度変調フィルタ７０を用いることにより、いずれの光源２０に対しても強度分布をより平坦にすることができる。

以上、本実施形態によれば、キセノンランプのように特定波長帯域で光強度の突出があるような光源を用いる場合において、各波長領域の偏光状態を変調する変調素子部６０の機能を使わずに、突出波長帯域を抑圧することができる。よって、変調素子部６０を各波長領域の偏光状態を変調する機能に適用することができ、よりきめ細かな階調で偏光状態を変調することができる。

図６は、強度変調フィルタ７０の他の例を示す正面図である。図６の強度変調フィルタ７０は、液晶素子６２の配列方向に直交する方向について均一であって、強度を小さくすべき領域ほど、透過率が低いパターン７４を有する。例えば、透明で複屈折性がほとんどない樹脂製のフィルム上に、黒色インクで濃淡が印刷されることにより、強度変調フィルタ７０のパターン７４が形成される。

図５の遮光部７３、および図６のパターン７４は黒色インクの代わりにクロム薄膜など鏡面状の薄膜を使ってよい。この場合にパターン７４はエッチングによって、強度を小さくすべき領域ほど表面を鏡面状に形成する。これにより、強度変調フィルタ７０において、強度を小さくすべき領域ほど入力光を反射する。強度変調フィルタ７０で反射された入力光の偏光状態が波長分散型分光光学系４０、スリット３８を通過中にほとんど変化しない場合は、強度変調フィルタ７０によって反射された光は、偏光光学系３０によって出力成分から振り分けれられ廃棄側に出力されるので、出力光９２の方には出て行かない。

図１から図６に示す実施形態において、変調素子部６０は反射型液晶であるが、液晶は反射型に限られない。他の例として、透過型液晶が用いられてもよい。この場合には、スペクトラム光源装置１０は下記構成を有する。

すなわち、スペクトラム光源装置１０は、図１に示す光源２０、偏光光学系３０、スリット３８、波長分散型分光光学系４０を備えると共に、図１における変調素子部６０が配される位置に、透過型液晶を有する。さらに、光源２０、スリット３８および波長分散型分光光学系４０と共役な位置に、これらと同一の構成が配される。これにより、スペクトラム光源装置１０は、入力偏光光学系としての偏光光学系３０およびこれと共役な出力偏光光学系、並びに、波長分散型分光光学系４０およびこれと共役な波長合波光学系を有する。

スペクトラム光源装置１０はさらに、波長分散型分光光学系４０と透過型液晶素子との間、透過型液晶素子と波長合波光学系との間、または、それらの両方に、図５（ｂ）または図６に示す強度変調フィルタ７０を有する。これにより、図１から図６に示す実施形態と同様の効果を得ることができる。

この場合に、偏光ビームスプリッタ３４およびこれと共役な偏光ビームスプリッタに代えて、特定の偏光方向の光を透過する偏光板がそれぞれの個所に配されてもよい。また、これらの偏光板が、図１の偏光ビームスプリッタ３４およびこれと共役な偏光ビームスプリッタの位置に代えて、波長分散型分光光学系４０と透過型液晶素子との間、および、透過型液晶素子と波長合波光学系との間に配されてもよい。この場合に、透過型液晶素子とこれらの偏光板とは、スペクトラム光の強度を、液晶素子毎すなわち当該液晶素子に入力される波長領域毎に互いに独立して変調する。この場合に、強度変調フィルタ７０は、透過型液晶素子と偏光板との間に配されてもよいし、偏光板の外側に配されてもよい。

また、変調素子部６０が反射型および透過型のいずれの場合であっても、その共役像を形成しそこに強度変調フィルタ７０を設置してもよい。これにより、変調素子部６０に強度変調フィルタ７０を密着配置した場合と同様の効果を得られる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

実施形態の一例であるスペクトラム光源装置１０の概略図を示す。 光空間変調装置５０を入力光が入力する方向から見た正面図である。 光空間変調装置５０の平面図である。 光空間変調装置５０の側面図である。 （ａ）はスペクトラムの一例を示し、（ｂ）は強度変調フィルタ７０の正面図である。 強度変調フィルタ７０の他の例を示す正面図である。

符号の説明

１０ スペクトラム光源装置、２０ 光源、３０ 偏光光学系、３２ 光学系、３４ 偏光ビームスプリッタ、３６ 光学系、３８ スリット、４０ 波長分散型分光光学系、４２ コリメータ、４４ グレーティング、４６ カメラ、５０ 光空間変調装置、６０ 変調素子部、６２ 液晶素子、６４ 平面ミラー、６６ 変調素子ドライバ、６８ カバーガラス、７０ 強度変調フィルタ、７２ 窓、７３ 遮光部、７４ パターン、７６ 保護ガラス、８０ 進行方向、８２ 偏光方向、８４ 光学系、８６ オプティカルファイバ、９０ 入力光、９２ 出力光、９４ 破棄光

Claims (8)

1. 入力光が入力する面に沿って配列された複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子を通過する入力光の偏光状態および強度の少なくともいずれか一方を、外部からの指令に基づいて前記光学素子ごとに互いに独立して変調した、出力光を出力する変調素子部と、
   前記入力光および前記出力光の少なくとも一方が通過するときに、前記入力光および前記出力光の前記少なくとも一方を、前記複数の光学素子の配列の方向の関数として予め定められた強度に変調する強度変調フィルタと
   を備える光空間変調装置。
2. 前記強度変調フィルタは、強度を小さくすべき領域ほど、前記複数の光学素子が配列された方向に直交する方向について、光が透過する幅が狭い窓を有する請求項１に記載の光空間変調装置。
3. 前記窓は、前記複数の光学素子が配列された方向を軸として対称形を有する請求項２に記載の光空間変調装置。
4. 前記強度変調フィルタは、前記複数の光学素子が配列された方向に直交する方向について均一であって、強度を小さくすべき領域ほど、透過率が低いパターンを有する請求項１に記載の光空間変調装置。
5. 前記変調素子部は、反射型液晶である請求項１から４のいずれかに記載の光空間変調装置。
6. 前記変調素子部は、透過型液晶である請求項１から４のいずれかに記載の光空間変調装置。
7. 入力光を発生する光源と、
   前記入力光を特定の偏光状態に変換する偏光光学系と、
   前記特定の偏光状態に変換された光を、一方向について広がったスペクトラム像に分光する波長分散型分光光学系と、
   前記スペクトラム像の広がり方向に沿って配列された複数の光学素子および反射面を有し、前記反射面で反射されて前記複数の光学素子内を往復する前記入力光のスペクトラム像の偏光状態を、外部からの指令に基づいて前記光学素子内を往復する波長領域ごとに互いに独立して変調した、出力光を反射する変調素子部と、
   前記入力光および前記出力光が通過するときに、前記入力光および前記出力光を波長領域ごとに予め定められた強度に変調する強度変調フィルタと
   を備え、
   前記強度変調フィルタを通過した前記出力光は、前記波長分散型分光光学系に再入力されて波長合波され、波長合波された出力光は、前記偏光光学系に再入力されて一の偏光方向を有する偏光を他の偏光から分離して出力されるスペクトラム光源装置。
8. 入力光を発生する光源と、
   前記入力光を特定の偏光状態に変換する入力偏光光学系と、
   前記特定の偏光状態に変換された光を、一方向について広がったスペクトラム像に分光する波長分散型分光光学系と、
   前記スペクトラム像の広がり方向に沿って配列された複数の光学素子を有し、前記入力光のスペクトラム像が前記複数の光学素子を透過するときに、偏光状態を外部からの指令に基づいて前記光学素子内を透過する波長領域ごとに互いに独立して変調した出力光を出力する変調素子部と、
   前記入力光および前記出力光の少なくとも一方が通過するときに、前記入力光および前記出力光の前記少なくとも一方を波長領域ごとに予め定められた強度に変調する強度変調フィルタと、
   前記スペクトラム像の出力光を波長合波する波長合波光学系と、
   前記波長合波された出力光のうち、一の偏光方向を有する偏光を他の偏光から分離して出力する出力偏光光学系と
   を備えるスペクトラム光源装置。

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