JP2016091581A - 空間光変調装置及び空間光変調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの空間光変調装置を用いるだけで、光の複素振幅を任意に変調すると共に、光の利用効率を高め、且つ、解像度の高い光情報を記録し、再生する。
【解決手段】入力光に複数の固定位相を付与する位相付与部と、個別画素に割り当てられた位相値が偏角となる複素数値の絶対値または偏角を変調する光変調部と、を備え、複数の個別画素２１の一定範囲に存在する個別画素群を１画素として擬制することによって１つの仮想画素３０が構成され、個別画素群を構成する各個別画素２１の複素数値の和を前記仮想画素の複素振幅変調率と擬制する空間光変調装置及びこの空間光変調装置を用いた空間光変調方法で解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、空間光変調装置及び空間光変調方法に関し、さらに詳しくは、１つの空間光変調装置だけを用いて光情報の記録及び再生を行うことができる空間光変調装置及び空間光変調方法に関する。

ホログラムを利用したホログラフィックメモリは、光学的に情報を記録すると共に記録された情報を再生する方法の１つである。近年、ホログラフィックメモリは、流通する情報量の増大に伴って、従来から存在する、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ、ＨＤ−ＤＶＤ（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）、ＢＤ（Ｂｌｕｅ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ）等の情報記録媒体に代わる情報記録媒体として研究されている。

ホログラムを利用した情報の記録は、情報を持った信号光と情報を持たない参照光とを互いに干渉させて情報記録媒体に照射することによって情報をホログラムとして情報記録媒体に記録することによって行う。情報の再生は、参照光を情報記録媒体に照射することによって行っている。信号光に情報を持たせる際、２次元データを光波に載せるために、空間光変調装置が用いられている。

こうしたホログラムを利用した情報の記録及び再生は、記録及び再生することができる情報の容量を増大させる様々な手法が研究されている。空間光変調装置を利用したページデータの多値化は、容量を増大させる１つの手法である。

特許文献１によって提案されている光情報記録再生装置は、多値度を高めることを目的としている。この光情報記録再生装置は、２つの光束を対向させて光情報記録媒体中の同一箇所に集光させ、２つの光束の干渉により生じる定在波を記録する光情報記録再生装置である。この光情報記録再生装置は、２つの光束の少なくとも一方の位相を変調する位相変調手段と、光情報記録媒体に２つの光束のいずれか一方を照射することによって生成される再生光を、光源から生成される再生用参照光と干渉させ、互いに干渉の位相が異なる３つ以上の干渉光を同時に生成する干渉光学系と、３つ以上の干渉光を検出する検出器と、記検出器の出力から位相変調手段による位相変調を復調する復調器と、を備えている。

また、特許文献２により提案されているホログラフィックメモリ再生装置は、直交振幅変調信号を利用している。このホログラフィックメモリ再生装置は、第１の参照光をホログラフィックメモリに照射して、第１のホログラムの回折光を生成するホログラム回折光生成部と、第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから第２のホログラムを生成するホログラム生成部と、第２のホログラムの強度分布を検出する検出部と、強度分布に基づいて空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を復調する処理部と、を有している。

その他、記録及び再生することができる情報の容量を増大させる手法として、１つの空間光変調素子にホログラムを表示することによって、任意の複素振幅を得る方法がある。

特開２０１１−７６６９５号公報 国際公開第ＷＯ２０１２／０５３１９８号公報

しかしながら、直交振幅変調を行うためには、複素振幅を任意に変調する必要がある。複素変調を任意に変調するには２つの自由度が必要であるため、２つの空間変調素子が必要になる。また、２つの空間光変調素子の間は、結像関係にしなければならない。そのため、精密な光学設計が必要になり、装置の構造が複雑になると共に装置が大型化する。

一方、１つの空間光変調素子にホログラムを表示することによって、任意の複素振幅を得る方法は、ホログラムからの回折光を利用するため、光の利用効率が低いだけでなく、解像度が低下する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、（１）１つの空間光変調装置又は１つの空間光振幅変調装置を用いるだけで、光の複素振幅を任意に変調することができ、（２）光の利用効率が高く、且つ、解像度の高い光情報を記録し、再生することができる空間光変調装置及び空間光変調方法を提供することにある。

（１）上記課題を解決するための本発明に係る空間光変調装置は、入力光に複数の固定位相を付与する位相付与部と、個別画素に割り当てられた前記位相値が偏角となる複素数値の絶対値または偏角を変調する光変調部と、を備え、複数の前記個別画素の一定範囲に存在する個別画素群を１画素として擬制することによって１つの仮想画素が構成され、前記個別画素群を構成する各個別画素の複素数値の和を前記仮想画素の複素振幅変調率と擬制していることを特徴とする。

この発明によれば、複数の個別画素の一定範囲に存在する個別画素群を１画素として擬制することによって１つの仮想画素が構成され、個別画素群を構成する各個別画素の複素数値の和を仮想画素の複素振幅変調率と擬制しているので、１つの空間光変調装置を用いるだけで、光情報の記録及び再生を行うことができる。特に、光変調部において振幅または位相の変調度を二段階として個別画素に割り当てられた複素数値を変調しても仮想画素の複素振幅変調率を任意に設定できるので、迅速な複素振幅変調を行うことができる。さらに、ページデータを多値化することができるので、ホログラフィックメモリの容量を増大することができる。

本発明に係る空間光変調装置において、前記仮想画素は、各々が１つまたは複数の個別画素で構成される２行２列の４つの要素画素で構成され、前記位相付与部及び前記光変調部は、前記仮想画素の縦方向又は横方向に並んだ前記要素画素に、相互に独立した第１複素数値と第２複素数値とを割り当てると共に、前記第１複素数値が割り当てられた前記要素画素と対角をなす位置の前記要素画素に、前記第１複素数値との和が実数値となる第３複素数値を割り当て、前記第２複素数値が割り当てられた前記要素画素と対角をなす位置の前記要素画素に、前記第２複素数値との和が虚数値となる第４複素数値を割り当てていることを特徴とする。

具体的には、１つまたは複数の前記個別画素が要素画素を構成し、前記個別画素に前記位相付与部における固定位相値と前記光変調部における位相値との和を偏角とする複素数値を割り当て、１つまたは複数の前記個別画素に割り当てられた複素数値の総和の複素数値を割り当て、前記第１複素数値と第３複素数値の和が実数値、前記第２複素数値と第４複素数値の和が虚数値となるように割り当てている。

または、１つまたは複数の前記個別画素が要素画素を構成し、前記個別画素に前記位相付与部における固定位相値を偏角とし、前記光変調部における振幅変調率を絶対値とする複素数値を割り当て、１つまたは複数の前記個別画素に割り当てられた複素数値の総和の複素数値を割り当て、前記第１複素数値と第３複素数値の和が実数値、前記第２複素数値と第４複素数値の和が虚数値となるように割り当てている。

この発明によれば、仮想画素を上記のように構成すると共に、仮想画素を構成する各要素画素に、複素数値を上記のように割り当てているので、仮想画素を構成する要素画素の２つの複素数値を相互に独立に割り当てるだけで、残りの２つの複素数値を割り当てることができる。

（２）上記課題を解決するための本発明に係る空間光変調方法は、書き込み情報に基づいて、入力光を変調して出力する空間光変調装置を利用し、前記入力光に複数の固定位相を付与する固定位相付与工程と、複数の前記固定位相の位相値を、複数の個別画素に個別に割り当てる割り当て工程と、複数の前記個別画素の一定範囲に存在する個別画素群を１画素として擬制することによって１つの仮想画素を構成する仮想画素構成工程と、前記個別画素に割り当てられた前記位相値が偏角となる複素数値の絶対値または偏角を変調する光変調工程と、前記個別画素の複素数値の和を前記仮想画素の複素振幅変調率と擬制する擬制複素振幅構成工程と、を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、複数の個別画素の一定範囲に存在する個別画素群を１画素として擬制することによって１つの仮想画素が構成され、個別画素群を構成する各個別画素の複素数値の和を仮想画素の複素振幅変調率と擬制しているので、１つの空間光変調装置を用いるだけで、複素振幅で表現された光情報の記録及び再生を行うことができる。特に、光変調工程において振幅または位相の変調度を二段階として個別画素に割り当てられた複素数値を変調しても仮想画素の複素振幅変調率を任意に設定できるので、迅速な複素振幅変調を行うことができる。さらに、ページデータを多値化することができるので、ホログラフィックメモリの容量を増大することができる。

本発明に係る空間光変調方法において、前記仮想画素構成工程は、各々が１つまたは複数の個別画素で構成される２行２列の４つの要素画素で１つの前記仮想画素を構成し、前記位相付与工程は、前記第１複素数値との和が実数値となる第３複素数値を付与すると共に、前記第２複素数値との和が虚数値となる第４複素数値を付与し、前記割り当て工程は、前記仮想画素の縦方向又は横方向に並んだ前記個別画素に相互に独立した第１複素数値と第２複素数値とを割り当て、前記第１複素数値が割り当てられた前記要素画素と対角をなす位置の前記要素画素に前記第３複素数値を割り当てると共に、前記第２複素数値が割り当てられた前記要素画素と対角をなす位置の前記要素画素に前記第４複素数値を割り当てている。

具体的には、前記仮想画素構成工程は、各々が１つまたは複数の個別画素で構成される要素画素を構成し、前記割り当て工程は、前記個別画素に前記位相付与工程における固定位相値と前記光変調部における位相値との和を偏角とする複素数値を割り当て、１つまたは複数の前記個別画素に割り当てられた複素数値の総和の複素数値を割り当て、前記第１複素数値と第３複素数値の和が実数値、前記第２複素数値と第４複素数値の和が虚数値となるように割り当てている。

または、前記仮想画素構成工程は、各々が１つまたは複数の個別画素で構成される要素画素を構成し、前記割り当て工程は、前記個別画素に前記位相付与工程で付与された固定位相値を偏角とし、前記光変調工程における振幅変調率を絶対値とする複素数値を割り当て、１つまたは複数の前記個別画素に割り当てられた複素数値の総和の複素数値を割り当て、前記第１複素数値と第３複素数値の和が実数値、前記第２複素数値と第４複素数値の和が虚数値となるように割り当てている。

この発明によれば、仮想画素を上記のように構成すると共に、割り当て工程において仮想画素を構成する各要素画素に、複素数値を上記のように割り当てているので、仮想画素を構成する要素画素の２つの複素数値を相互に独立に割り当てるだけで、残りの２つの複素数値を割り当てることができる。

本発明によれば、（１）１つの空間光変調装置又は１つの空間光振幅変調装置を用いるだけで、光の複素振幅を任意に変調することができ、（２）光の利用効率が高く、且つ、解像度の高い光情報を記録し、再生することができる。

本発明に係る空間光変調装置の１つの構成例を説明するための説明図である。 空間光変調装置に形成された個別画素及び仮想画素を説明するための説明図である。 １つの仮想画素の複素振幅を４つの要素画素２２の偏角をパラメータにした複素数値によって任意の実部と虚部とで表した複素平面図である。 図１に示した空間光変調装置を利用した光情報記録再生装置の一例の概要を示す構成図である。 図４に示した光情報記録再生装置の信号光生成部として機能する空間光変調装置の概略図である。 偏光ビームスプリッタまたは偏光ビームスプリッタ及び１／４波長板を組み合わせた空間光変調装置に形成された個別画素２１、要素画素２２及び仮想画素を説明するための説明図である。 １つの仮想画素の複素振幅を４つの要素画素２２の実部軸の正負方向の値、虚部軸の正負方向の値によって任意の実部と虚部とで表した複素平面図である。 数値シミュレーションに用いたページデータを表現するために空間光変調装置に与える位相画像の一例である。 図８に示したページデータをレンズで絞り込んだ集光パターンを説明するための説明図である。 従来の空間光変調方法におけるレンズで入力光を絞った集光パターンを説明するための説明図である。 本発明の空間光変調装置を用いて位相変調した場合のヒストグラムである。 従来の空間光変調方法で位相変調した場合のヒストグラムである。 比較のための従来法による数値シミュレーションに用いたページデータを表現するため振幅変調用の空間光変調装置に与える強度画像の一例である。 比較のための従来法による数値シミュレーションに用いたページデータを表現するため位相変調用の空間光変調装置に与える位相画像の一例である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下の記載や図面のみに限定されるものではない。

［空間光変調装置の基本構成］
本発明に係る空間光変調装置１は、入力光を空間的に変調して２次元複素振幅分布を形成するデバイスであり、位相付与部１７、電極１２，１６、配向膜１３，１５及び位相変調部として機能する液晶層１４を備えている。位相付与部及び光変調部は複数の個別画素２１を形成する。位相付与部１７は、入力光に付与する複数の固定位相値を複数の個別画素２１に個別に割り当てる。光変調部は、位相付与部１７によって割り当てられた位相値を偏角とした複素数値の絶対値又は偏角を任意に変えることによって光の複素振幅を変調する。光変調部は、個別画素２１に割り当てられた位相値を０からπの間で変調する。また、空間光変調装置１では、複数の個別画素２１を１画素と擬制することによって１つの仮想画素３０が構成される。そして、空間光変調装置１では、個別画素２１の複素数値の和を仮想画素３０の複素振幅変調率と擬制している。

この空間光変調装置１は、この空間光変調装置のアドレス部に書き込まれた書き込み情報に基づいて、入力光に付与する複数の固定位相値を個別画素に個別に割り当てる固定位相付与工程と、個別画素に割り当てられた固定位相値を偏角とした複素数値の絶対値または偏角を任意に変えることによって光の複素振幅を変調する光変調工程と、複数の個別画素の一定範囲に存在する個別画素群を１画素として擬制することによって１つの仮想画素を構成する仮想画素構成工程と、個別画素の複素数値の和を仮想画素の複素振幅と擬制する擬制複素振幅構成工程と、を実施する。

本発明に係る空間光変調装置１によれば、第１に、１つの空間光位相変調機構又は１つの空間光振幅変調機構を用いるだけで、光の複素振幅を任意に変調することができ、第２に、光の利用効率が高く、且つ、解像度の高い光情報を記録し、再生することができるという特有の効果を奏する。

以下、空間光変調装置１の具体的な構成につて、図面を適宜に参照して説明する。

空間光変調装置１は、入力光の複素振幅を変調して出力光として出力している。図１は、空間光変調装置１の構成の一例を示している。図１に示した空間光変調装置１は、液晶層１４を一対の配向膜１３，１５で挟み込み、さらに、一対の配向膜１３，１５の外側から個別画素ごとに独立した一対の電極１２，１６で配向膜１３，１５を挟み込んだ構造を有する光変調部から構成されている。また、空間光変調装置１は、位相付与部として機能する位相板１７を備えている。

なお、空間光変調装置１は、位相付与部、光変調部を備えていれば、図１に示す構成例には限定されない。

具体的に、空間光変調装置１は、７層構造をなしている。空間光変調装置１は、図１の最下層をなす基板１１を備えている。図１において、基板１１の上側には、下層部から上層部に向かって、第１電極１２、配向膜１３、位相変調部としての液晶層１４、配向膜１５、第２電極１６及び位相付与部としての位相板１７が積層されている。基板１１は、１枚のシリコン基板又は透過性をもつガラス基板、サファイア基板等により構成されている。なお、基板１１が最下層に存在することは、説明の便宜上、図１を用いて説明するためであり、空間光変調装置１は、使用状態に応じて向きを適宜に変更して使用される。

（第１電極及び第２電極）
電極は、第１電極１２と第２電極１６とによって構成されている。第１電極１２は、複数の画素電極により構成されている。これらの画素電極は、透明電極が用いられている。各画素電極は、基板１１の一面側で縦方向と横方向とに等間隔に配置され、複数の行と複数の列とを形成している。第２電極１６も、第１電極１２と同様に複数の画素電極により構成されている。第２電極１６を構成する複数の画素電極は、第１電極１２を構成している複数の画素電極が配置された位置に対応して配置されている。第２電極１６を構成する各画素電極は、透過性基板を用いて透過型空間光変調装置として用いる場合は透明電極であり、シリコン基板を用いて反射型空間光変調器として用いる場合は不透明電極としてもよい。

第１電極１２を構成する個々の画素電極及び第２電極１６を構成する個々の画素電極は、各個別画素２１に対応しており、この空間光変調装置１に複数の個別画素２１を画定させている。すなわち、第１電極１２及び第２電極１６は、下記の液晶層１４と協働し、光変調部を構成している。

（液晶層及び配向膜）
液晶層１４は、各個別画素２１の複素振幅の位相を変調させる。この液晶層１４は、複屈折性を有する液晶分子を含んでいる。この液晶層１４において、液晶層１４に含まれる液晶分子は、第１電極１２と第２電極１６との間に印加される電圧により生じる電場の影響を受けて、印加された電圧の大きさに応じて回転する。液晶層１４の両側に配置された配向膜１３，１５は、液晶層１４に含まれる液晶分子を配向させる。

配向膜１３，１５に挟まれた液晶層１４に光が入射した場合、液晶層１４に形成された電場に対し平行な光の成分には、液晶分子の傾斜角に応じた位相差が発生する。入力光は、液晶層１４のこうした現象によって、電極により画定される個別画素２１毎に位相が変調される。

（位相板）
位相板１７は、入力光に対して位相値を付与する位相付与部として機能する。位相板１７は、結晶位相板１７と光学ガラス位相板１７とのどちらも用いることができる。また、位相板１７は、光変調部と接着している必要はなく、光変調部の画素と位相版１７の画素が光学的に結像関係にあればよい。

以上の構成を有する空間光変調装置１は、位相付与部である位相板１７が入力光に対して所定の位相を個々の個別画素２１毎に付与し、液晶層１４が位相板１７により付与された個別画素２１毎の位相値をさらに変調させている。

また、図１の構成例における空間光変調装置１は、図５に示すように偏光ビームスプリッタを組み合わせるか、又は偏光ビームスプリッタ及び１／４波長板を組み合わせることによって、光変調部において振幅を変調することもできる。

空間光変調装置１の具体的な作用について詳細に説明する。

この空間光変調装置１は、上述した仮想画素構成工程において、図２に示すように、画定された個別画素２１を複数の個別画素２１群に区分けする。そして、区分けされた複数の個別画素群を１つの要素画素２２と擬制する。さらに、図２に示すように、画定された要素画素２２を２行２列の要素画素２２の群に区分けする。そして、区分けされた２行２列の要素画素２２を１つの仮想画素３０と擬制する。

位相付与部である位相板１７は、仮想画素３０の縦方向又は横方向に並んだ要素画素２２に、相互に独立した第１固定位相値Ｃ１と第２固定位相値Ｃ２とを割り当てる。また、位相板１７は、第１固定位相値Ｃ１が割り当てられた要素画素２２と対角をなす位置の要素画素２２に、第１固定位相値Ｃ１にπを減じた第３固定位相値Ｃ３を割り当て、第２固定位相値Ｃ２が割り当てられた要素画素２２と対角をなす位置の要素画素２２に、第２固定位相値Ｃ２に３π／２を減じた第４固定位相値Ｃ４を割り当てている。

具体的に、位相板１７は、第１固定位相値Ｃ１が割り当てられた要素画素２２における複素数値の実部が正となる範囲、第２固定位相値Ｃ２が割り当てられた要素画素２２における複素数値の虚部が正となる範囲、第３固定位相値Ｃ３が割り当てられた要素画素２２における複素数値の実部が負となる範囲、第４固定位相値Ｃ４が割り当てられた要素画素２２における複素数値の虚部が正となる範囲に限定する。そのため、固定位相値Ｃ１は、２πの整数倍とする。また、２つ固定位相値Ｃ１，Ｃ２のうち、一方の固定位相値を、例えば、第１固定位相値Ｃ１とし、他方の固定位相値を、例えば、第２固定位相値Ｃ２とする。

空間光変調装置１は、第１電極１２と第２電極１６とに電圧を印加し、液晶層１４に電場を形成することによって、位相を変調する。位相を変調する範囲は、０からπである。第１固定位相値Ｃ１に０からπの値を加えた位相値を第１位相値φ１、第２固定位相値Ｃ２に０からπの値を加えた位相値を第２位相値φ２、第３固定位相値Ｃ３に０からπの値を加えた位相値を第３位相値φ３、第４固定位相値Ｃ４に０〜πの値を加えた位相値を第４位相値φ４とする。

第１位相値φ１と第２位相値φ２とは、２行２列の要素画素２２からなる仮想画素３０の行（横方向）又は列（縦方向）に並んだ要素画素２２にそれぞれ割り当てられる。図２に示した例では、第１位相値φ１が１行１列の位置に配置された要素画素２２に割り当てられている。また、第２位相値φ２が１行２列の位置に配置された要素画素２２に割り当てられている。

なお、第１位相値φ１と第２位相値φ２とは、２行２列の要素画素２２からなる仮想画素３０の行（横方向）又は列（縦方向）に並んだ位置に配置された要素画素２２にそれぞれ割り当てられていれば、図２に示した位置の要素画素２２の割り当てることには限定されない。

また、位相板１７及び液晶層１４は、第１位相値φ１に−１を掛けて得られる値を第３位相値φ３として付与すると共に、第２位相値φ２に−１を掛けて得られる値からπを加えた値である第４位相値φ４を付与する。

位相値φ１と位相値φ３との関係、及び位相値φ２とφ位相値φ４との関係を式で表すと、（式１）のように表すことができる。

第３位相値φ３は、第１位相値φ１が割り当てられた要素画素２２と対角をなす位置の要素画素２２に割り当てられる。図２に示した例では、第１位相値φ１が割り当てられた１行１列の位置に配置された要素画素２２と対角をなす２行２列の位置に配置された要素画素２２に、第３位相値φ３は配置される。これに対し、第４位相値φ４は、第２位相値φ２が割り当てられた要素画素２２と対角をなす位置の要素画素２２に割り当てられる。図２に示した例では、第２位相値φ２が割り当てられた１行１列の位置に配置された要素画素２２と対角をなす２行１列の位置に配置された要素画素２２に、第４位相値φ４は配置される。

空間光変調装置１は、図２に示した要素画素２２の一定範囲に存在する要素画素２２群を１画素として擬制することによって１つの仮想画素３０を構成する。具体的には、図２に示した複数の要素画素２２のうち、太枠で囲んだ２行２列の要素画素２２群を１画素と擬制して仮想画素３０を構成する。そして、各要素画素２２の複素数値の和を１つの仮想画素３０の複素振幅と擬制する。各要素画素２２の複素振幅は一定であるので、Ａを定数とした場合、各要素画素２２の複素数値の和は、次の（式２）により求めている。

第１位相値φ１と第３位相値φ３との関係、及び第２位相値φ２と第４位相値φ４との関係は、（式１）で表すことができるので、１つの仮想画素３０の複素振幅は、第１位相値φ１及び第２位相値φ２の２つの位相値によって、任意の実部と虚部とで表すことができる。

図３は、１つの仮想画素３０の複素振幅を任意の実部と虚部とで表したグラフを示している。図３の横軸は実部軸であり、縦軸は虚部軸である。図３は、実部軸と虚部軸とからなる座標軸に単位円を描き、この単位円上に複素振幅の座標をプロットし、原点からのベクトルとして表している。なお、この図３に示すように、第１位相値φ１と第３位相値φ３とは、実部軸に対して対称をなしている。また、第１位相値φ１と第３位相値φ３とは、実部軸に対して対称をなしている。

図３に表した各位相値に対応するベクトルは、位相値を０からπの間で変調させることによって、原点を中心にして回転する。

この現象は、（式３）から（式６）により表すことができる。

この空間光変調装置１では、第１位相値φ１と第３位相値φ３とを２行２列の要素画素２２からなる要素画素２２の群の対角をなす位置に割り当て、（式１）で表すことができる関係を持たせている。同様に、この空間光変調装置１では、第２位相値φ２と第４位相値φ４とを２行２列の要素画素２２からなる要素画素２２の群の対角をなす位置に割り当て、（式１）で表すことができる関係を持たせている。そのため、光変調部において要素画素２２の位相を０からπの範囲で変調させるだけで、仮想画素３０の複素数値のすべての範囲をカバーすることができる。なお、光変調部において要素画素２２の位相を０から２πの範囲で変調できれば、位相板１７の役割を兼ねることもでき、位相板１７は必ずしも必要でなくなる。

空間光変調装置１を図５に示すように偏光ビームスプリッタと組み合わせるか、又は偏光ビームスプリッタ及び１／４波長板と組み合わせて使用した場合、空間光変調装置１の光変調部は、第１電極１２と第２電極１６とに電圧を印加し、液晶層１４に電場を形成することによって、振幅を変調する。すなわち位相板１７によって付与された固定位相値を偏角とした複素数値の絶対値を変調する。第１固定位相値Ｃ１を偏角とした複素数値を第１複素数値Ｕ１、第２固定位相値Ｃ２を偏角とした複素数値を第２複素数値Ｕ２、第３固定位相値Ｃ３を偏角とした複素数値を第３複素数値Ｕ３、第４固定位相値Ｃ４を偏角とした複素数値を第４複素数値Ｕ４とする。また、第１複素数値の絶対値を第１振幅値Ａ１、第２複素数値の絶対値を第２振幅値Ａ２、第３複素数値の絶対値を第３振幅値Ａ３、第４複素数値の絶対値を第４振幅値Ａ４とする。

第１複素数値Ｕ１と第２複素数値Ｕ２とは、２行２列の要素画素２２からなる仮想画素３０の行（横方向）又は列（縦方向）に並んだ要素画素２２にそれぞれ割り当てられる。図６に示した例では、第１複素数値Ｕ１が１行１列の位置に配置された要素画素２２に割り当てられている。また、第２複素数値Ｕ２が１行２列の位置に配置された要素画素２２に割り当てられている。

なお、第２複素数値Ｕ１と第２複素数値Ｕ２とは、２行２列の個別画素２１からなる仮想画素３０の行（横方向）又は列（縦方向）に並んだ位置に配置された要素画素２２にそれぞれ割り当てられていれば、図６に示した位置の要素画素２２の割り当てることには限定されない。

また、位相板１７及び液晶層１４は、第１複素数値Ｕ１と第３複素数値Ｕ３との和が実数値になるように設定すると共に、第２複素数値Ｕ２と第４複素数値Ｕ４との和が虚数値になるように設定する。

複素数値Ｕ１と振幅値Ａ１、複素数値Ｕ２と振幅値Ａ２、複素数値Ｕ３と振幅値Ａ３及び複素数値Ｕ４と振幅値Ａ４の関係を式で表すと、（式７）から（式１０）のように表すことができる。

第３複素数値Ｕ３は、第１複素数値Ｕ１が割り当てられた要素画素２２と対角をなす位置の要素画素２２に割り当てられる。図２に示した例では、第１複素数値Ｕ１が割り当てられた１行１列の位置に配置された要素画素２２と対角をなす２行２列の位置に配置された要素画素２２に、第３複素数値φ３は配置される。これに対し、第４複素数値Ｕ４は、第２複素数値Ｕ２が割り当てられた要素画素２２と対角をなす位置の要素画素２２に割り当てられる。図６に示した例では、第２複素数値Ｕ２が割り当てられた１行１列の位置に配置された要素画素２と対角をなす２行１列の位置に配置された要素画素２２に、第４複素数値Ｕ４は配置される。

偏光ビームスプリッタ１０３と組み合わせるか、又は偏光ビームスプリッタ１０３及び１／４波長板１０２を組み合わせた空間光変調装置１は、図６に示した要素画素２２の一定範囲に存在する要素画素２２群を１画素として擬制することによって１つの仮想画素３０を構成する。具体的には、図６に示した複数の要素画素２２のうち、太枠で囲んだ２行２列の要素画素２２群を１画素と擬制して仮想画素３０を構成する。そして、各要素画素２２の複素数値の和を１つの仮想画素３０の複素振幅変調率と擬制する。各要素画素２２の複素振幅の和は、次の（式１１）により求めている。

（式１１）のように第１振幅値Ａ１と第２振幅値Ａ２の差によって任意の実部、第３振幅値Ａ３と第４振幅値Ａ４の差によって任意の虚部を表すことができる。

図７は、１つの仮想画素３０の複素振幅を任意の実部と虚部とで表した複素平面図を示している。図７の横軸は実部軸であり、縦軸は虚部軸である。図７は、第１複素数値Ｕ１を示す座標を実部軸上の正の範囲にプロットし、第２複素数値Ｕ２を示す座標を虚部軸上の正の範囲にプロットし、第３複素数値Ｕ３を示す座標を実部軸上の負の範囲にプロットし、第４複素数値Ｕ４を示す座標を虚部軸上の負の範囲にプロットし、それぞれ原点からのベクトルとして表している。

偏光ビームスプリッタまたは偏光ビームスプリッタ及び１／４波長板を組み合わせたこの空間光変調装置１では、実部を成す第１複素数値Ｕ１と第３複素数値Ｕ３とを２行２列の要素画素２２からなる要素画素２２群の対角をなす位置に割り当て、（式７）に示されるように複素振幅変調率の実部を担っている。同様に、この空間光変調装置１では、第２複素数値Ｕ２と第４複素数値Ｕ４とを２行２列の要素画素２２からなる要素画素２２群の対角をなす位置に割り当て、（式７）に示されるように複素振幅変調率の虚部を担っている。そのため、振幅を変調させるだけで、仮想画素３０の複素数値のすべての範囲をカバーすることができる。

液晶層の液晶分子として強誘電性のものを用いると、高速度に振幅または位相を変調することが可能となる。ただし、１つの個別画素２１において、二段階の変調しか行うことができず、階調度は２となる。そのため、要素画素２２を複数の個別画素２１で構成し、各個別画素２１で表現可能な振幅値または位相値を独立に設定することによって、階調度を増やすことができる。

具体例として、偏光ビームスプリッタ１０３を有する空間光変調装置１または偏光ビームスプリッタ１０３及び１／４波長板１０２を組み合わせた空間光変調装置１において、要素画素２２が２行２列の４つの個別画素２１で構成されていた場合、要素画素２２に割り当てられる振幅値を構成するための個別画素２１に割り当てられる４つの振幅値の最低値を０、最大値をそれぞれ１、２、４、８のいずれかとなるように電極１２、１６に印加する電圧を設定する。第１振幅値Ａ１と第３振幅値Ａ３のいずれか一方だけを０以外になるようにすると、実部は、±１、±３、±５、±７、±９、±１１、±１３、±１５の１６通りの値をとりうる。同様に、第２振幅値Ａ２と第４振幅値Ａ４のいずれか一方だけを０以外になるようにすると、虚部は、±１、±３、±５、±７、±９、±１１、±１３、±１５の１６通りの値をとりうる。よって、複素平面上で実部及び虚部ともに２刻みの値となる計２５６通りの値をとる２５６階調となる。

次に、空間光変調装置１を利用した光情報記録再生装置１００の概要を図４及び図５を参照して説明する。

この光情報記録再生装置１００は、図４に示すように、信号光を生成する記録光生成部１２０と、この記録光生成部１２０によって生成された信号光を照射するための照射部１６０と、この照射部１６０によって照射された信号光と参照光とによって形成される干渉縞の明暗を光学異方性分布又は屈折率分布として記録する情報記録媒体１７０と、この情報記録媒体１７０に形成された干渉縞を撮像する撮像部１８０とを備えている。

記録光生成部１２０は、記録用レーザー光を出力するレーザー照射部１１０と、レーザー照射部１１０から照射されたレーザー光から信号光を生成する信号光生成部１０１と、この信号光生成部１０１によって生成された信号光の空間周波数をフィルタリングする空間周波数フィルタリング機構１４０とを備えている。

レーザー照射部１１０は、レーザー光源１１１と、１／２波長板１１２と、２つのコリメータレンズ１１３，１１５と、空間フィルタ１１４とから構成されている。なお、レーザー光源１１１は、直線偏光を出力する光源である。１／２波長板１１２は、波長板の入射面内に光学軸を配置することで、光学軸に平行な偏光成分と垂直な偏光成分に分離し、その屈折率差によって位相差をπだけ生じさせている。その結果、直線偏光の偏光方位を任意に調整することができる。任意の偏光方位に調整された直線偏光は、コリメータレンズ１１３、空間フィルタ１１４及びコリメータレンズ１１５によって形成されるビームエクスパンダによってビーム径が拡大されて出力されている。

このレーザー照射部１１０と信号光生成部１０１との間には、ミラー１１６と、ビームスプリッタ１３０とを備えている。ビームスプリッタ１３０は、レーサー照射部１１０から照射されたレーザー光を参照光と信号光とを分離している。

参照光の光路は、ガルバノミラー１１７、リレーレンズ１１８及びミラー１５０を備えている。ビームスプリッタ１３０から出力された参照光は、ガルバノミラー１１７によって反射され、次いで、リレーレンズ１１８によって集光されその後、ミラー１５０で反射されて照射部１６０に入射される。照射部１６０は、記録時には信号光及び参照光を情報記録媒体１７０に照射し、再生時には、参照光を記録媒体に照射する。

一方、信号光の光路は、信号光生成部１０１及び空間周波数フィルタリング機構１４０を備えている。

信号光生成部１０１は、図５に示すように、１つの空間光変調装置１と、偏光ビームスプリッタ１０３と、必要に応じて設けられる１／４波長板とを備えている。信号光生成部１０１を構成する空間光変調装置１は、例えば、図１に示したように、基板１１、第１電極１２と第２電極１６とからなる電極、電極の間に配置された一対の配向膜１３，１５、及び配向膜１３，１５の間に配置された液晶層１４を備えている。また、この空間光変調装置１は、位相板１７を備えている。なお、空間光変調装置１の詳細は既に説明したので、ここでは説明を省略する。

空間周波数フィルタリング機構１４０は、一対のフーリエ変換レンズ１４１，１４３と空間フィルタ１４２とを有している。信号光は、フーリエ変換レンズ１４１によって空間フィルタ１４２の位置に焦点が合わされている。そして、信号光は、空間フィルタ１４２の位置で信号光の空間周波数分布に対応するパターンとなり、空間フィルタ１４２とフーリエ変換レンズ１４３とを通過することによって、空間周波数フィルタリングされた信号光になる。

照射部１６０は、情報の記録時には、参照光と感光性を有する情報記録媒体１７０に信号光生成部１０１によって生成された信号光とを照射することによって情報を光学異方性分布又は屈折率分布して記録する情報記録媒体１７０に記録する光学系として機能する。一方、照射部１６０は、情報の再生時には、感光性を有し、かつ光学異方性分布又は屈折率分布として情報が記録された情報記録媒体１７０に参照光を照射する光学系として機能する。

情報記録媒体１７０は、感光性を有し、照射部１６０と撮像部１８０との間に配置される。感光性を有する情報記録媒体１７０のうち、偏光感受性を有さないホログラフィック記録用の情報記録媒体１７０としては、光重合性高分子材料などが知られている。一方、感光性を有する情報記録媒体１７０のうち、偏光感受性を有する偏光ホログラフィック記録用の情報記録媒体１７０の材料としては、アゾベンゼン系材料、軸選択的光反応性分子添加ポリマー、光架橋性高分子液晶などが知られている。

記録した情報は、ホログラムに記録時の参照光と同一方向から再生照明光を照射することによって再生される。このとき、ホログラムから再生信号光が発生する。

撮像部１８０は、撮像素子を用いて、再生照明光と複素振幅抽出用参照光とを重ね合わせた状態で撮像するシステムである。この撮像部１８０は、記録時に位相変調を行った信号光と同一の位相変調情報をもつと参照光との干渉縞を２次元画像として撮影するように構成されている。なお、撮像素子としては、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等を用いることができる。

空間光変調装置１を利用した光情報記録再生装置１００において、空間光変調装置１で複素振幅変調を行った場合、複素振幅は、時間的位相シフト法によって検出することができる。また、仮想画素３０の各要素画素２２に割り当てた第１位相値φ１から第４位相値φ４、又は第１複素数値Ｕ１から第４複素数値Ｕ４の位置関係を考慮に入れることによって、複素振幅は、空間的位相シフト法によって検出することもできる。さらに、複素振幅は、空間周波数を２行２列の要素画素２２を１つの仮想画素３０とした場合のナイキスト周波数に制限した場合に、複素振幅を完全に再生させることができる。

［数値シミュレーション例］
空間光変調装置１を用いて複素振幅で二次元符号化したページデータを、空間周波数フィルタリングを行って記録したことを想定し、再生信号の複素振幅を複素平面上の二次元ヒストグラムとして表す数値シミュレーションを行った。数値シミュレーションは、複素振幅で二次元符号化した６４値のページデータを位相変調することにより行った。なお、空間光変調装置１を用いて複素振幅変調を行った場合と従来の方法とを比較するために、２つの空間光変調装置を用い、振幅及び位相を独立に変調させる方法で二次元符号化した６４値のページデータを用いて行った。

図８は、数値シミュレーションに用いた６４値のページデータを表現するために空間光変調装置１に与える画像例である。図１３と図１４は、振幅と位相を独立に変調するために従来の２つの空間光変調装置に与える画像例である。図１３が振幅を二乗した強度画像、図１４が位相画像である。図９は、空間光変調装置１を用いたときのレンズで入力光を絞った集光パターンを示している。図９の符号４０は、空間周波数フィルタリングを行うナイキスト開口を表している。一方、図１０は、従来の方法におけるレンズで入力光を集光した集光パターンを示している。なお、図１０の符号４０も空間周波数フィルタリングを行うナイキスト開口を表している。

数値シミュレーションの結果は、複素平面における二次元ヒストグラムとして表した。図１１は、空間光変調装置１を用いた場合のヒストグラムを示し、図１２は、従来の方法におけるヒストグラムを示している。

図１１のヒストグラムでは、８行１列、７行２列、６行３列、４行４列、及び１行８列の位置の画素が特に明るく表されている。同様に、図１２のヒストグラムでは、８行１列、７行２列、６行３列、４行４列、及び１行８列の位置の画素が特に明るく表されている。また、他の画素についても、図１１のヒストグラムと図１２のヒストグラムとは、ほぼ同様に表されている。図１１と図１２との比較から分かるように、空間光変調装置１のヒストグラムと従来の方法のヒストグラムとの間には、殆ど差がない。

この実験結果から、空間光変調装置１は、ホログラフィックメモリに十分に適用することができることが判明した。特に、空間光変調装置１は、光変調部に２段階であれば振幅または位相を高速変調可能な強誘電性液晶を充填した液晶層１４を用いても、複数の個別画素２１から要素画素２２を構成すればナイキスト開口のサイズを変えることなく階調度を上げることができるので、従来の方法に比べて有効である。

１ 空間光変調装置
１１ 基板
１２ 第１電極（光変調部）
１３ 配向膜（光変調部）
１４ 液晶層（光変調部）
１５ 配向膜（光変調部）
１６ 第２電極（光変調部）
１７ 位相板（位相付与部）
２１ 個別画素
２２ 要素画素
３０ 仮想画素
４０ ナイキスト開口
１００ 光情報記録再生装置
１０１ 信号光生成部
１１０ レーザー照射部
１１１ レーザー光源
１１２ １／２波長板
１１３，１１５ コリメータレンズ
１１４ 空間フィルタ
１１６ ミラー
１１７ ガルバノミラー
１１８ リレーレンズ
１２０ 記録光生成部
１３０ ビームスプリッタ
１４０ 空間周波数フィルタリング機構
１４１，１４３ フーリエ変換レンズ
１４２ 空間フィルタ
１５０ ミラー
１６０ 照射部
１７０ 情報記録媒体
１８０ 撮像部

Claims (8)

1. 入力光に複数の固定位相を付与する位相付与部と、
   個別画素に割り当てられた前記位相値が偏角となる複素数値の絶対値又は偏角を変調する光変調部と、を備え、
   複数の前記個別画素の一定範囲に存在する個別画素群を１画素として擬制することによって１つの仮想画素が構成され、
   前記個別画素群を構成する各個別画素の複素数値の和を前記仮想画素の複素振幅変調率と擬制していることを特徴とする空間光変調装置。
2. 前記仮想画素は、各々が１つまたは複数の個別画素で構成される２行２列の４つの要素画素で構成され、
   前記位相付与部及び前記光変調部は、前記仮想画素の縦方向又は横方向に並んだ前記要素画素に、相互に独立した第１複素数値と第２複素数値とを割り当てると共に、
   前記第１複素数値が割り当てられた前記要素画素と対角をなす位置の前記要素画素に、前記第１複素数値との和が実数値となる第３複素数値を割り当て、
   前記第２複素数値が割り当てられた前記要素画素と対角をなす位置の前記要素画素に、前記第２複素数値との和が虚数値となる第４複素数値を割り当てている、請求項１に記載の空間光変調装置。
3. １つまたは複数の前記個別画素は、要素画素を構成し、
   前記個別画素に前記位相付与部における固定位相値と前記光変調部における位相値との和を偏角とする複素数値を割り当て、
   １つまたは複数の前記個別画素に割り当てられた複素数値の総和の複素数値を割り当て、
   前記第１複素数値と第３複素数値の和が実数値、前記第２複素数値と第４複素数値の和が虚数値となるように割り当てている請求項１に記載の空間光変調装置。
4. １つまたは複数の前記個別画素は、要素画素を構成し、
   前記個別画素に前記位相付与部における固定位相値を偏角とし、前記光変調部における振幅変調率を絶対値とする複素数値を割り当て、
   １つまたは複数の前記個別画素に割り当てられた複素数値の総和の複素数値を割り当て、
   前記第１複素数値と第３複素数値の和が実数値、前記第２複素数値と第４複素数値の和が虚数値となるように割り当てている請求項１に記載の空間光変調装置。
5. 書き込み情報に基づいて、入力光を変調して出力する空間光変調装置を利用し、
   前記入力光に複数の固定位相を付与する位相付与工程と、
   複数の前記固定位相の位相値を、複数の個別画素に個別に割り当てる割り当て工程と、
   複数の前記個別画素の一定範囲に存在する個別画素群を１画素として擬制することによって１つの仮想画素を構成する仮想画素構成工程と、
   前記個別画素に割り当てられた前記位相値が偏角となる複素数値の絶対値または偏角を変調する光変調工程と、
   前記個別画素の複素数値の和を前記仮想画素の複素振幅変調率と擬制する擬制複素振幅構成工程と、を備えていることを特徴とする空間光変調方法。
6. 前記仮想画素構成工程は、各々が１つまたは複数の個別画素で構成される２行２列の４つの要素画素で１つの前記仮想画素を構成し、
   前記位相付与工程は、前記第１複素数値との和が実数値となる第３複素数値を付与すると共に、前記第２複素数値との和が虚数値となる第４複素数値を付与し、
   前記割り当て工程は、前記仮想画素の縦方向又は横方向に並んだ前記個別画素に相互に独立した第１複素数値と第２複素数値とを割り当て、前記第１複素数値が割り当てられた前記要素画素と対角をなす位置の前記要素画素に前記第３複素数値を割り当てると共に、前記第２複素数値が割り当てられた前記要素画素と対角をなす位置の前記要素画素に前記第４複素数値を割り当てている、請求項５に記載の空間光変調方法。
7. 前記仮想画素構成工程は、各々が１つまたは複数の個別画素で構成される要素画素を構成し、
   前記割り当て工程は、前記個別画素に前記位相付与工程で付与された固定位相値を偏角とし、前記光変調工程における振幅変調率を絶対値とする複素数値を割り当て、
   １つまたは複数の前記個別画素に割り当てられた複素数値の総和の複素数値を割り当て、
   前記第１複素数値と第３複素数値の和が実数値、前記第２複素数値と第４複素数値の和が虚数値となるように割り当てている請求項５に記載の空間光変調方法。
8. 前記仮想画素構成工程は、各々が１つまたは複数の個別画素で構成される要素画素を構成し、
   前記割り当て工程は、前記個別画素に前記位相付与工程で付与された固定位相値を偏角とし、前記光変調工程における振幅変調率を絶対値とする複素数値を割り当て、
   １つまたは複数の前記個別画素に割り当てられた複素数値の総和の複素数値を割り当て、
   前記第１複素数値と第３複素数値の和が実数値、前記第２複素数値と第４複素数値の和が虚数値となるように割り当てている請求項５に記載の空間光変調方法。