JP3010392B2 - 空間光変調器とその駆動方法 - Google Patents

空間光変調器とその駆動方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は画像処理装置、光情報処
理用空間光変調器等に応用される光書き込み型強誘電性
液晶空間光変調器および、その駆動方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】従来、強誘電性液晶を用いた空間光変調
器は入力された画像情報を、リアルタイムで強度変調出
力する素子として用いられている。一般的には出力画像
は入力画像を二値化した画像である。また、筆者らは、
特願平０２−２３９５９４によって、上記素子に於て連
続階調を有する出力を得る駆動方法をも示した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の駆動方
法によっては、いずれも入力画像の強度分布に準じた画
像が出力されるのみであって、光情報処理に於て有用な
機能であるエッジ強調、エッジ抽出処理画像を直接得る
ことは出来なかった。そこで、この発明の目的は、従来
のこのような課題を解決するため、特殊な素子構造を用
いることなく光情報処理に於て有用な機能であるエッジ
強調、エッジ抽出処理画像を直接得ることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】強誘電性液晶は、液晶層
の厚さを固有の螺旋ピッチよりも薄くすることにより螺
旋を解いて単結晶状態に配列し、一定の大きさ以上の双
極性パルス電圧あるいは矩形波電圧を印加すると、液晶
の有する自発分極と印加電圧の極性が強くカップリング
して強誘電性を示し、双安定性を発現する。
【０００５】光導電膜と組み合わせた光書き込み型強誘
電性液晶空間光変調器の場合も基本的には同様な特性を
有し、印加電圧の大きさ、読み出し光強度、書き込み光
強度を適正な大きさに設定すれば、二値データの光入力
像はそのまま二値データのまま書き込みメモリされる。
光入力像が階調を持っている場合は、パルス電圧による
二値化駆動の場合はパルス閾値電圧に依って書き込み像
は２値化メモリされ、ＤＣバイアスを加えた矩形波電圧
による階調駆動の場合は入力像の強度分布に準じた階調
画像が読み出される。
【０００６】上記問題を解決するために、本発明は強誘
電性液晶空間光変調器において、従来の読み出し光学系
に代わって、クロスニコルに設定された読み出し光学系
の入射光の直線偏光の偏光軸が強誘電性液晶の２つの安
定状態の光軸の中間になる亦は中間の方向に垂直になる
ように設定された光学系を用い、双極性パルスを印加し
ながら書き込み光及び読み出し光を常時照射して駆動す
ることにより、光情報処理に於いて有用な機能であるエ
ッジ強調、エッジ抽出処理画像を直接得るものである。
【０００７】誘電体ミラーを有する空間光変調器の場合
は、読み出し光の強度を大きくしても光導電膜に読み出
し光が入射されないため空間光変調器の書き込み特性に
対して影響を与える事がなく、明るく鮮明な読みだし像
を得ることができる。また、本発明では、強誘電性液晶
空間光変調器の駆動方法において、従来の双極性パルス
電圧あるいは矩形波電圧波形に代わって、画像を消去す
るための第一のパルス電圧、画像を書き込むための第一
のパルス電圧と逆極性の第二のパルス電圧、書き込まれ
た画像のうちエッジ部以外の部分を消去して結果的にエ
ッジ強調画像をメモリさせるための第一のパルス電圧と
同極性の第三のパルス電圧を順次印加し、書き込み光と
読み出し光を常時照射しながら画像情報を光入力するこ
とにより、光情報処理に於いて有用な機能であるエッジ
強調、エッジ抽出処理画像を直接得るものである。
【０００８】
【作用】本発明によれば、強誘電性液晶空間光変調器に
おいて、従来の読み出し光学系に代わって、クロスニコ
ルに設定された読み出し光学系の入射光の直線偏光の偏
光軸が強誘電性液晶の２つの安定状態の光軸の中間にな
る亦は中間の方向に垂直になるように設定された光学系
を用い、双極性パルスを印加しながら書き込み光及び読
み出し光を常時照射して駆動することにより、消去され
た状態での強誘電性液晶分子の安定状態における透過光
と書き込みによって強誘電性液晶分子が反転した場合の
透過光を等価とすることが出来る。この状態で画像情報
が書き込み光によって書き込まれると、強誘電性液晶層
に二つの領域が分布した状態となる。これら二つの状態
は、本発明においては光学的に等価であるが、領域の境
界には強誘電性液晶分子の配列が一軸でない部分がある
範囲を持って存在する。本発明の方法によってこれを読
み出すと、この境界の部分のみが光学的に異なり、結果
的にエッジ部のみが抽出された像を得ることができる。
【０００９】また、本発明に依る駆動方法によれば、画
像を消去するための第一のパルス電圧によって消去を行
った後、画像を書き込むための第一のパルス電圧と逆極
性の第二のパルス電圧を印加して二値書き込みを行う。
このとき、光導電膜の入力面付近に発生したキャリアは
入出力面に対し横方向に拡散しながら光導電膜中を移動
して、強誘電性液晶層に電界を与え強誘電性液晶分子の
反転を惹起するのであるが、前記の横方向への拡散によ
って入力画像よりも広がった像が形成される。これは入
力画像が階調を持っていた場合にそれを二値化書き込み
した場合も同様である。印加電界は、このとき電子が強
誘電性液晶層の方向へ移動するように極性を設定されて
いる。さらに、書き込まれた画像のうちエッジ部以外の
部分を消去して結果的にエッジ強調画像をメモリさせる
ための第一のパルス電圧と同極性の第三のパルス電圧を
順次印加すると、第二のパルスを印加した時点と同様に
キャリアが移動していくが、極性が逆であるため、移動
するキャリアは正孔となり横方向への拡散は第二のパル
ス電圧の印加時よりも小さくなる。この正孔が強誘電性
液晶層との界面に達するとその範囲に書き込まれている
像は消去されるのであるが、入力画像は全く変化してお
らず、横方向への拡散がわずかに小さいだけであるの
で、書き込まれた画像のうち第二のパルスによっての書
き込み時に広がった部分、即ちエッジ部だけが残り、メ
モリされることになる。
【００１０】上記したように本発明による駆動方法によ
って、強誘電性液晶空間光変調器に於いて光情報処理に
於いて有用な機能であるエッジ強調、エッジ抽出処理画
像を直接得ることができた。
【００１１】
【実施例】以下に図面を用いて本発明を詳細に説明す
る。図３は、本発明に係る光書き込み型強誘電性液晶空
間光変調器の構造を示す模式図である。液晶分子を挟持
するための基板３１ａ、３１ｂとして、両面をＨｅ−Ｎ
ｅレーザー波長に於て平行平面度λ／５以下に研磨した
厚さ５ｍｍの透明ガラス基板を用いた。両基板の表面に
はＩＴＯ透明電極層３２ａ、３２ｂを設けた。光による
書き込み側の透明電極層３２ａ上には２．５μｍの厚さ
の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）光導電
層３５を形成した。さらに両基板の表面には基板の法線
方向から８５°の入射角で、且つ組み合わせた状態で書
き込み側及び読みだし側の基板上の入射方向が一致する
ように一酸化珪素を斜方蒸着した配向膜層３３ａ、３３
ｂを設けた。
【００１２】次に、１．０μｍの平均粒径を持つシリカ
球を外周シール材に混合分散し、凸版印刷法を用いて前
記シール材を印刷塗布した後２枚の基板を接着し、強誘
電性液晶を狭持する間隙を形成した。強誘電性液晶組成
物３４としては、ＳＣＥ−１３（ＢＤＨ社製）等を用
い、アイソトロピック相迄昇温したのち、真空注入しス
メクチックＣ相迄徐冷して均一な配向を得た。
【００１３】次に、作製された空間光変調器の動作特性
を評価した。図４は書き込み、読み出し実験を行った光
学系のシステム図である。空間光変調器４１はクロスニ
コルにセットされた反射型偏光顕微鏡４２のステージ４
３上に置かれ、透明電極間には駆動電圧４４が印加され
た。偏光顕微鏡の接眼レンズ４５の焦点面には、ＰＩＮ
フォトダイオード４６がセットされており、空間光変調
器で変調を受け反射された落斜照明光４７の光学応答は
ＰＩＮフォトダイオードで検知され、印加電圧波形と共
にオシロスコープ４８上に示される。
【００１４】図１は、本発明に係る強誘電性液晶空間光
変調器における強誘電性液晶分子の二つの安定状態にお
ける分子長軸方向と読み出し光学系の偏光子及び検光子
の偏光軸の設定を示す図、図２は、本発明によるエッジ
強調動作の原理を説明するための模式図である。本発明
では、強誘電性液晶空間光変調器において、従来の読み
出し光学系に代わって、図１に示すように、クロスニコ
ルに設定された読み出し光学系の入射光の直線偏光の偏
光軸が強誘電性液晶の２つの安定状態の光軸の中間にな
る亦は中間の方向に垂直になるように設定された光学系
を用いる。
【００１５】本実施例においては、偏光子及び検光子を
クロスニコルに設定した後、全面に書き込み光を照射し
ながら単発パルスを印加してメモリさせた状態で空間光
変調器を回転し、強誘電性液晶分子の安定状態１１の光
軸方向１１' を読み取り、次に逆極性の単発パルスを印
加してメモリさせた状態で空間光変調器を回転し、強誘
電性液晶分子のもう一方の安定状態１２の光軸方向１
２'を読み取った。本実施例においては、二つの光軸方
向１１',１２' のなす角１３は４５度であった。さら
に、空間光変調器を回転させて、偏光子を通って入射す
る読み出し光の偏光方向１４が二つの光軸方向１１',１
２' の中間になるように設定した。検光子はその偏光方
向１５が偏光子とクロスニコルに設定している。
【００１６】上記のように設定して、双極性パルスを印
加しながら書き込み光及び読み出し光を常時照射して駆
動することにより、消去された状態での強誘電性液晶分
子の安定状態における透過光と書き込みによって強誘電
性液晶分子が反転した場合の透過光を等値とすることが
出来る。これを説明するために図２を用いる。一般に強
誘電性液晶層はシェブロンと呼ばれる折れ曲がった構造
を有するが、強誘電性液晶分子が一列に配列した層中に
直線偏光が入射した場合、層が折れ曲がっていることは
光学的には無視できるとする。実際には見かけのコーン
角が小さくなるといった影響があるが、光軸１１',１
２' は実測に基づいているので問題ない。強誘電性液晶
分子が一軸に配列した層が、空間光変調器における強誘
電性液晶層厚ｄ（実施例では１．０μｍ）の２倍の距離
だけ（反射型であるため）進むとき、入射直線偏光の偏
光軸を図２中のＹ軸に取り、これと強誘電性液晶の２つ
の安定状態のうちの一方の光軸21とのなす角がθ（実施
例では２２．５度）であるとすると、出射光は式１のよ
うに表される。
【００１７】式１： （Ｅｘ／COS θ）2 ＋（Ｅｙ／COS θ)2−２（ＥｘＥｙ
／COS θSIN θ）COS δ＝Ｅ02SIN2δ ただし、δ＝２ｄ（ｋe −ｋo ） ここで、Ｅｘ，Ｅｙはそれぞれｘ，ｙ方向の電界成分。
【００１８】また、ｋe＝ωｎe／ｃ、ｋo＝ωｎo／ｃで
ある。これから、一般に出射光は楕円偏光であり、波長
分散を持つ。これが偏光子に対してクロスニコルに配置
された検光子を通って観察されるのであるから、何等か
の波長分布を持った直線偏光が観測されるわけである。
これに対し、強誘電性液晶が２つの安定状態のうちのも
う一方の光軸２２にある場合は、入射偏光面となす角は
−θ（実施例では−２２．５度）となり、出射光は式１
に於いてθを−θに置き換えた式で表される。即ち、第
一の安定状態における出射光と楕円軸の回転方向がＹ軸
に対して反対方向になった楕円偏光となる。これを検光
子で検光すると、得られる直線偏光の波長分布は第一の
安定状態の場合と等しい。
【００１９】上記したように、本発明に係る方法によっ
て、消去状態である第一の安定状態と像が書き込まれ強
誘電性液晶分子が反転した状態である第二の安定状態は
光学的に等価とすることが出来た。ところで、本発明に
係る強誘電性液晶空間光変調器に画像を書き込んだ場
合、強誘電性液晶分子が反転した領域と反転していない
領域が混在することになるが、その領域の境界では、強
誘電性液晶分子がどちらかの安定状態に完全に揃ってい
ない状態の領域（遷移領域）が存在する。これは、液晶
の弾性変形のエナジーを最小にするために必然的に発生
するものである。この遷移領域は光学的に二つの安定状
態とは異なるため、上記したような条件下で読み出した
場合、この遷移領域のみが画像として読み取れる。
【００２０】この状態で、図４に示したような光学系中
で、画像情報が書き込み光によって書き込まれると、結
果的にエッジ部のみが抽出された像を得ることができ
る。上記したように本発明の方法によって、強誘電性液
晶空間光変調器に於て光情報処理に於て有用な機能であ
るエッジ強調、エッジ抽出処理画像を直接得ることがで
きた。
【００２１】また、誘電体ミラーを有する空間光変調器
の場合は、読み出し光の強度を大きくしても光導電膜に
読み出し光が入射されないため空間光変調器の書き込み
特性に対して影響を与える事がなく、明るく鮮明な読み
だし像を得ることができる。図５は、本発明による空間
光変調器の駆動波形とクロスニコルにおかれた空間光変
調器の光学応答を示す特性図、図６から図８は本発明に
よるエッジ強調動作の原理を説明するための模式断面図
である。
【００２２】本発明では従来の双極性パルス電圧あるい
は矩形波電圧波形に代わって、画像を消去するための第
一のパルス電圧５１によって消去を行った後、画像を書
き込むための第一のパルス電圧と逆極性の第二のパルス
電圧５２を印加して二値書き込みを行う。このとき、図
６に示すように、光導電膜６１の入力面付近に発生した
キャリアは入出力面に対し横方向に拡散しながら光導電
膜中を移動して、強誘電性液晶層６２に電界を与え反転
を惹起するのであるが、前記の横方向への拡散によって
入力画像よりも広がった像６３が形成される。これは入
力画像が階調を持っていた場合にそれを二値化書き込み
した場合も同様である。印加電界は、このとき電子６４
が強誘電性液晶層６２の方向へ移動するように極性を設
定されている。さらに、書き込まれた画像のうちエッジ
部以外の部分を消去して結果的にエッジ強調画像をメモ
リさせるための第一のパルス電圧と同極性の第三のパル
ス電圧５３を印加すると、図７に示すように、第二のパ
ルスを印加した時点と同様にキャリアが移動していく
が、極性が逆であるため、移動するキャリアは正孔６５
となり、横方向への拡散は第二のパルス電圧の印加時よ
りも小さくなる。この正孔が強誘電性液晶層との界面に
達するとその範囲に書き込まれている像６３は消去され
るのであるが、入力画像は全く変化しておらず、横方向
への拡散がわずかに小さいだけである。そのため、図８
に示すように、書き込まれた画像のうち第二のパルスに
よっての書き込み時に広がった部分、即ちエッジ部６６
だけが残り、メモリされることになる。
【００２３】ここで、上記した実施例に於いては、消去
を完全に行うため、第一のパルス電圧は第二のパルス電
圧よりもパルス幅が大きく設定されている。また、第二
のパルス電圧と第三のパルス電圧はパルス幅、絶対値と
も等しく設定した。メモリされるエッジ強調画像の線幅
は、第二のパルス電圧による書き込み画像と第三のパル
ス電圧による消去の差分であり、これは第二のパルス電
圧と第三のパルス電圧のパルス幅及び絶対値の関係で制
御可能である。通常は、第二のパルス電圧に対して第三
のパルス電圧のパルス幅または絶対値を小さく設定す
る。
【００２４】上記したように本発明による駆動方法によ
って、強誘電性液晶空間光変調器に於いて光情報処理に
於いて有用な機能であるエッジ強調、エッジ抽出処理画
像を直接得ることができた。上記の動作は光導電膜と強
誘電性液晶層の間に誘電体ミラーを形成した場合でも同
様であり、この場合読み出し光が光導電膜に影響を与え
ないため、強い読み出し光を使用することができ、光情
報処理等への応用がさらに容易となった。
【００２５】書き込まれた画像は、クロスニコルにセッ
トされた反射光学系の中で安定化された液晶分子の消去
時に於ける光軸方向と、偏光子の透過軸に平行あるいは
直交するような位置で読み出されると、画像消去時は暗
視野状態となり最も良好なコントラストを示した。読み
出された画像は書き込み光が照射された部分が明状態と
なるいわゆるネガ画像となる。クロスニコルにセットさ
れた反射光学系の中で安定化された液晶分子の書き込み
時に於ける光軸方向と、偏光子の透過軸に平行あるいは
直交するような位置で読み出されると、液晶分子の安定
な配列状態は逆方向となりポジ画像を出力することも可
能であるが、見掛け上コントラストは低下する。
【００２６】
【発明の効果】以上述べてきたように本発明に依れば、
強誘電性液晶を用いた光書き込み型液晶空間光変調器に
於て、光情報処理に於て有用な機能であるエッジ強調、
エッジ抽出処理画像を直接得ることができ、光情報処理
に於ける用途を拡大する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る強誘電性液晶空間光変調
器における強誘電性液晶分子の二つの安定状態における
分子長軸方向と読み出し光学系の偏光子及び検光子の偏
光軸の設定を示す図である。
【図２】図２は、本発明によるエッジ強調動作の原理を
説明するための模式図である。
【図３】図３は、本発明に係る空間光変調器の構造を示
す模式図である。
【図４】図４は、書き込み、読み出し実験を行った光学
系のシステム図である。
【図５】図５は、本発明による空間光変調器の駆動波形
とクロスニコルにおかれた空間光変調器の光学応答を示
す特性図である。
【図６】図６は、本発明によるエッジ強調動作の原理を
説明するための模式断面図である。
【図７】図７は、本発明によるエッジ強調動作の原理を
説明するための模式断面図である。
【図８】図８は、本発明によるエッジ強調動作の原理を
説明するための模式断面図である。
【符号の説明】
１１ 強誘電性液晶分子の安定状態 １２ 強誘電性液晶分子のもう一方の安定状態 １３ 二つの安定状態の光軸方向のなす角 ２１ 強誘電性液晶の二つの安定状態のうちの一方の光
軸 ２２ 強誘電性液晶の二つの安定状態のうちのもう一方
の光軸 ３１ａ、３１ｂ 透明基板 ３２ａ、３２ｂ 透明電極 ３３ａ、３３ｂ 配向膜層 ３４ 強誘電性液晶層 ３５ 光導電膜 ４１ 強誘電性液晶空間光変調器 ４２ 反射型偏光顕微鏡 ４３ マイクロステージ ４４ 駆動電圧 ４５ 接眼レンズ ４６ ＰＩＮフォトダイオード ４７ 落射照明光（読み出し光） ４８ オシロスコープ ４９ 投射照明光（書き込み光） ５０ 解像度チャート ５１ 第一のパルス電圧 ５２ 第二のパルス電圧 ５３ 第三のパルス電圧 ６１ 光導電膜 ６２ 強誘電性液晶層 ６３ 第二のパルスによって書き込まれた像 ６４ 電子 ６５ 正孔 ６６ メモリされたエッジ強調画像
フロントページの続き (72)発明者 瀬倉 利江子 東京都江東区亀戸６丁目31番１号 セイ コー電子工業株式会社内 (72)発明者 山中 順子 東京都江東区亀戸６丁目31番１号 セイ コー電子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−18130（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−3629（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−20719（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−282619（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−316017（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/135 G02F 1/137 G02F 1/133 G02F 1/13

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 透明電極上に光導電膜と液晶配向膜を備
    える透明基板と、透明電極上に液晶配向膜が形成される
    とともに前記透明基板と対向する対向透明基板と、前記
    透明基板と前記対向透明基板の間隙に設けられた強誘電
    性液晶と、を有する空間光変調器であって、 前記透明基板と前記対向透明基板との透明電極間に双極
    性パルスが印加されるとともに、 前記空間光変調器に入射する読み出し光 の直線偏光の偏
    光軸が、前記強誘電性液晶の２つの安定状態の光軸の中
    間に、亦は、前記中間の方向と垂直になるように設定さ
    れたことを特徴とする空間光変調器。
  2. 【請求項２】 前記光導電膜と前記透明基板の液晶配向
    膜との間に、光分離用誘電体ミラーが形成されたことを
    特徴とする請求項１記載の空間光変調器。
  3. 【請求項３】 透明電極上に光導電膜と液晶配向膜とを
    備える透明基板と、透明電極上に液晶配向膜が形成され
    るとともに前記透明基板と対向する対向透明基板と、前
    記透明基板と前記対向透明基板の間隙に設けられた強誘
    電性液晶と、を有し、読み出し光の直線偏光の偏光軸
    が、前記強誘電性液晶の２つの安定状態の光軸の中間の
    方向に、亦は、前記中間の方向と垂直になるように設定
    された空間光変調器の駆動方法であって、 前記透明基板と前記対向透明基板との 透明電極間に画像
    を消去するための第一のパルス電圧と、画像を書き込む
    ための、前記第一のパルス電圧と逆極性の第二のパルス
    電圧と、書き込まれた画像のうちエッジ部以外の部分を
    消去してエッジ強調画像をメモリさせるための、前記第
    一のパルス電圧と同極性の第三のパルス電圧と、を順次
    印加し、書き込み光と読み出し光を照射しながら画像情
    報を光入力することにより、エッジ強調された読み出し
    像を出力させることを特徴とする空間光変調器の駆動方
    法。
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