JP3879805B2 - 光学フィルタリング装置および方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学フィルタリング（空間周波数フィルタリング）を行う装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学フィルタリングは、光学的フーリエ変換によって、入力画像の２次元スペクトルを求め、空間周波数フィルタによって、そのスペクトルを変化させるもので、種々の演算ができる代表的な並列光コンピューティング技術である。この演算は、光学的なコンボリューションと考えることができる。
【０００３】
光学フィルタリングの代表的なものに、ローパスフィルタとハイパスフィルタがある。一般に、画像スペクトルの低周波成分は画像の大まかな構造に対応し、エッジや微細構造は高周波成分に寄与する。ローパスフィルタは、画像の空間周波数成分のうち、低周波成分のみを透過させ、高い周波数成分のノイズを除去することができる。ハイパスフィルタは、逆に高周波成分のみを透過させ、画像の境界部分を抽出したり、微細構造を強調する目的で使用される。さらに、ある空間周波数帯のみを透過させるバンドパスフィルタは、画像圧縮や画像解析に利用されている。
【０００４】
光学フィルタリングには、従来、空間周波数フィルタとして２次元の透過率分布を有するフィルタが用いられている。
【０００５】
図１８に、従来の光学フィルタリング方法の一例を示す。この方法では、入力画像光１がレンズ２によってフーリエ変換されるが、そのフーリエ変換面に２次元の透過率分布を有するフィルタ４が配置される。そして、入力画像光１のフーリエ変換像３の一部のスペクトルがフィルタ４を透過し、その透過スペクトル５がレンズ６によって逆フーリエ変換されて、出力画像光７が得られる。
【０００６】
ローパスフィルタリングを行う場合には、フィルタ４は、図１９（Ａ）にフィルタ４Ｌとして示すように、フーリエ変換像３の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域が光透過部４ａとされ、高周波スペクトルに対応する他の領域が遮光部４ｂとされて、フーリエ変換像３の低周波スペクトルのみがフィルタ４を透過する。
【０００７】
ハイパスフィルタリングを行う場合には、フィルタ４は、図１９（Ｂ）にフィルタ４Ｈとして示すように、フーリエ変換像３の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域が遮光部４ｃとされ、高周波スペクトルに対応する他の領域が光透過部４ｄとされて、フーリエ変換像３の高周波スペクトルのみがフィルタ４を透過する。
【０００８】
ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングを同時に行う場合には、例えば、図２０に示すように、入力画像光１がハーフミラー８によって２光波に分離され、ハーフミラー８を透過した入力画像光１Ｌが、レンズ２Ｌによってフーリエ変換され、そのフーリエ変換像３Ｌの低周波スペクトル５Ｌが、フィルタ４Ｌを透過し、レンズ６Ｌによって逆フーリエ変換されて、低周波出力画像光７Ｌが得られるとともに、ハーフミラー８で反射した入力画像光１Ｈが、さらにミラー９で反射して、レンズ２Ｈによってフーリエ変換され、そのフーリエ変換像３Ｈの高周波スペクトル５Ｈが、フィルタ４Ｈを透過し、レンズ６Ｈによって逆フーリエ変換されて、高周波出力画像光７Ｈが得られるようにする。低周波出力画像光７Ｌと高周波出力画像光７Ｈを合成すれば、もとの入力画像を再生することもできる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の光学フィルタリング方法は、２次元の透過率分布を有するフィルタによって、フーリエスペクトルの、ある周波数成分を透過させ、他の周波数成分を遮断するので、フィルタの出力側では、遮断された周波数成分が失われてしまって、他の周波数の出力画像を得ることや、もとの入力画像を再生することができない。
【００１０】
すなわち、図１８のフィルタ４を図１９（Ａ）のフィルタ４Ｌのようなローパスフィルタとする場合には、フィルタ４の出力側でフーリエ変換像３の高周波スペクトルが失われてしまい、逆にフィルタ４を図１９（Ｂ）のフィルタ４Ｈのようなハイパスフィルタとする場合には、フィルタ４の出力側でフーリエ変換像３の低周波スペクトルが失われてしまう。
【００１１】
そのため、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングを同時に行う場合や、もとの入力画像を再生する場合には、図２０に示したように、２個のフィルタ４Ｌおよび４Ｈを設け、フーリエ変換用および逆フーリエ変換用のレンズも２個ずつ設けるとともに、入力画像光１を２光波に分離する光学系を設ける必要があり、フィルタリング装置が複雑かつ大型になってしまう。
【００１２】
そこで、この発明は、共通の媒体によって、その媒体の出力側でフーリエスペクトルの各周波数成分が失われることなく、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングなど、互いに相補的なフィルタリングを同時に行うことができ、もとの入力画像も容易に再生することができるようにしたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明の光学フィルタリング装置は、
２次元平面上の第１の領域とこの第１の領域を取り囲む第２の領域とで方位が異なる２次元の複屈折分布が形成され、その複屈折分布に応じて、前記第１の領域と前記第２の領域とに渡って入射したフーリエ変換像の偏光を変調する複屈折媒体と、
この複屈折媒体を透過した、互いに偏光方位が異なる第１の偏光成分および第２の偏光成分を含む信号光の光路中に配置された、当該信号光から前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分とを分離して取り出す偏光分離素子、および、その分離して取り出された前記第１の偏光成分および前記第２の偏光成分を別個に検出する光検出器からなる偏光分離検出部と、
を備えるものである。
【００１５】
【作用】
この発明では、フィルタリング用媒体として、２次元の透過率分布を有するフィルタではなく、２次元の複屈折分布が形成された複屈折媒体を用い、空間周波数フィルタは、この複屈折媒体と、偏光分離素子および光検出器からなる偏光分離検出部とによって構成する。
【００１６】
複屈折媒体としては、電気アドレス型の空間光変調器や、少なくとも一面側に光誘起複屈折性を示す光記録層を有し、この光記録層に２次元の複屈折分布が記録された光記録媒体などを用いることができる。偏光分離素子としては、偏光ビームスプリッタなどを用いることができる。
【００１７】
例えば、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングを同時に行う場合には、複屈折媒体は、フーリエ変換像の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域が所定方位（これを０°とする）に対して４５°の方位で、フーリエ変換像の高周波スペクトルに対応する他の領域が０°の方位の複屈折分布が形成されたものとする。
【００１８】
これによって、入力画像の０°の偏光のフーリエ変換像が複屈折媒体を透過するとき、フーリエ変換像の低周波スペクトルは偏光が９０°回転して９０°の方位に変更され、フーリエ変換像の高周波スペクトルは偏光が回転することなく０°の方位のままとなる。
【００２１】
したがって、複屈折媒体を透過した光の光路中に、偏光分離素子としての偏光ビームスプリッタ、および光検出器を配置し、複屈折媒体を透過した光の９０°および０°の偏光成分を、偏光ビームスプリッタによって分離して取り出し、光検出器によって別個に検出することによって、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングを同時に行うことができる。さらに、この偏光ビームスプリッタによって分離して取り出された２つの出力光を合成することによって、もとの入力画像を再生することができる。
【００２２】
複屈折媒体に形成される２次元の複屈折分布を上述した分布と変えることによって、バンドパスフィルタおよびバンドエリミネータなど、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタ以外のフィルタリングを行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
〔フィルタリング装置および方法の全体構成…図１および図２〕
図１は、この発明のフィルタリング装置および方法の第１の実施形態を示す。
【００２４】
光源３１からの光を、偏光板（または１／２波長板）３２に透過させて、所定方位（その方位を０°とする）の直線偏光とし、その直線偏光を、レンズ３３および３４によって口径の広い平行光にして、空間光変調器３５に入射させる。空間光変調器３５には、入力画像信号によって入力画像を表示して、空間光変調器３５を透過した光として、０°の偏光方位の入力画像光１１を得る。空間光変調器３５としては、透過型の液晶パネルなどを用いることができる。
【００２５】
この入力画像光１１を、レンズ１２によってフーリエ変換し、そのフーリエ変換像１３を、レンズ１２の前方焦点面に配置した複屈折媒体２０に入射させる。空間光変調器３５は、レンズ１２の後方焦点面に配置することが望ましい。
【００２６】
複屈折媒体２０は、具体例を後述するが、フーリエ変換像１３の空間周波数分布に応じた２次元の複屈折分布が形成され、その複屈折分布に応じてフーリエ変換像１３の偏光を変調するものである。
【００２７】
この複屈折媒体２０を透過したフーリエスペクトル１５を、レンズ１６によって逆フーリエ変換し、その変換後の出力光１７を、検光子３７に入射させ、検光子３７を透過した出力光１８を、ＣＣＤカメラなどからなる光検出器３９上に結像させる。
【００２８】
以上の光学系は、２回のフーリエ変換を行う点で、「二重回折光学系」または「再回折光学系」と呼ばれる光学系の一種であり、さらに入力画像とレンズ１２との距離をレンズ１２，１６の焦点距離ｆと等しくする点で、「４ｆ光学系」と呼ばれる光学系の一種である。
【００２９】
図１の状態は、当該フィルタリング装置がローパスフィルタおよびハイパスフィルタを構成するように、複屈折媒体２０に、フーリエ変換像１３の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域２０ａが４５°の方位で、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルに対応する他の領域２０ｂが０°の方位の複屈折分布が形成された状態である。
【００３０】
したがって、フーリエ変換像１３が複屈折媒体２０を透過するとき、フーリエ変換像１３の低周波スペクトルは偏光が９０°回転して９０°方位に変更され、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルは偏光が回転することなく０°の方位のままとなる。
【００３１】
したがって、検光子３７の方位を９０°に調整することによって、出力光１８としてフーリエ変換像１３の低周波スペクトルのみからなる低周波出力画像が得られ、ローパスフィルタリングを行うことができる。また、検光子３７の方位を０°に調整することによって、出力光１８としてフーリエ変換像１３の高周波スペクトルのみからなる高周波出力画像が得られ、ハイパスフィルタリングを行うことができる。
【００３２】
さらに、検光子３７の方位を４５°に調整すれば、それぞれ検光子３７の方位を９０°または０°に調整するときに比べて低い光強度となるが、出力光１８としてフーリエ変換像１３の低周波スペクトルおよび高周波スペクトルからなる出力画像が得られ、もとの入力画像を再生することができる。
【００３３】
図２は、この発明のフィルタリング装置および方法の第２の実施形態を示す。
【００３４】
この実施形態では、出力側の偏光素子として、図１の検光子３７の代わりに偏光ビームスプリッタ３８を設けて、複屈折媒体２０を透過したフーリエスペクトル１５をレンズ１６によって逆フーリエ変換した後の出力光１７を、偏光ビームスプリッタ３８を透過した９０°の偏光方位の出力光１８Ｌと偏光ビームスプリッタ３８で反射した０°の偏光方位の出力光１８Ｈとに分離し、出力光１８Ｌを光検出器３９Ｌ上に結像させ、出力光１８Ｈを光検出器３９Ｈ上に結像させる。その他は、図１の実施形態と同じである。
【００３５】
図２の状態も、当該フィルタリング装置がローパスフィルタおよびハイパスフィルタを構成するように、複屈折媒体２０に、フーリエ変換像１３の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域２０ａが４５°の方位で、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルに対応する他の領域２０ｂが０°の方位の複屈折分布が形成された状態で、フーリエ変換像１３が複屈折媒体２０を透過するとき、フーリエ変換像１３の低周波スペクトルは偏光が９０°回転して９０°方位に変更され、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルは偏光が回転することなく０°方位のままとなる。
【００３６】
したがって、９０°の偏光方位の出力光１８Ｌとして、フーリエ変換像１３の低周波スペクトルのみからなる低周波出力画像が得られ、ローパスフィルタリングを行うことができると同時に、０°の偏光方位の出力光１８Ｈとして、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルのみからなる高周波出力画像が得られ、ハイパスフィルタリングを行うことができる。
【００３７】
さらに、図示していないが、出力光１８Ｌと出力光１８Ｈを合成することによって、もとの入力画像を再生することができる。
【００３８】
図１および図２の実施形態では、複屈折媒体２０に形成される２次元の複屈折分布を図示した分布と変えることによって、後述するように、バンドパスフィルタおよびバンドエリミネータなど、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタ以外のフィルタリングを行うことができる。
【００３９】
また、図１または図２の実施形態は、出力光１８または１８Ｌ，１８Ｈを光検出器３９または３９Ｌ，３９Ｈ上に結像させる場合であるが、出力光１８または１８Ｌ，１８Ｈを直接、光検出器上に結像させることなく、次の処理のために伝送するようにしてもよい。
【００４０】
〔複屈折媒体の第１の例…電気アドレス型の空間光変調器〕
複屈折媒体２０としては、電気アドレス型の空間光変調器を用いることができ、その空間光変調器としては、透過型の液晶パネルを用いることができる。ただし、プロジェクタ用の液晶パネルは、電極の外側に偏光板が配置されるが、複屈折媒体２０として用いる電気アドレス型の空間光変調器としての液晶パネルは、偏光板を取り除いたものとする。
【００４１】
図３は、このような空間光変調器の一例を示す。この空間光変調器２１は、透明基板２２および２３の内面に透明電極２４および２５が形成され、透明電極２４，２５間に電気光学変換部材２６として液晶が装填されたものである。
【００４２】
この空間光変調器２１は、各画素Ｐｘごとに入射光の偏光を任意に回転させることができる１／２波長板として機能させることができ、ある画素は、図４（Ａ）に示すように１／２波長板の方位が入射偏光に対して平行となって、その画素を透過する光の偏光を回転させないものとなり、他の画素は、図４（Ｂ）に示すように１／２波長板の方位が入射偏光に対して４５°傾いて、その画素を透過する光の偏光を９０°回転させるものとなるように、制御することができる。
【００４３】
したがって、空間光変調器２１に印加する変調用信号によって、図５に示すように、空間光変調器２１の、図１または図２のフーリエ変換像１３の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域２１ａが４５°の方位となり、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルに対応する他の領域２１ｂが０°の方位となるように、空間光変調器２１に形成される複屈折分布を制御することができ、フーリエ変換像１３が空間光変調器２１を透過するとき、フーリエ変換像１３の低周波スペクトルは偏光が９０°回転して９０°方位に変更され、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルは偏光が回転することなく０°方位のままとなるように、フーリエ変換像１３の偏光を変調することができる。
【００４４】
したがって、図１または図２の実施形態のように、ローパスフィルタリングおよびハイパスフィルタリングを行うことができるとともに、もとの入力画像を再生することができる。
【００４５】
また、このように複屈折媒体２０として電気アドレス型の空間光変調器２１を用いる場合には、空間光変調器２１に印加する変調用信号によって、複屈折媒体２０に形成される複屈折分布を容易に変更することができ、フィルタリングの空間周波数特性を容易に変更することができる。
【００４６】
〔複屈折媒体の第２の例…光アドレス型の空間光変調器としての光記録媒体〕電気アドレス型の空間光変調器２１は、現状では各画素Ｐｘの大きさを数１０μｍ×数１０μｍ以下にすることが難しく、フーリエ変換像１３の偏光を高分解能に変調するには十分でない。フーリエ変換用のレンズ１２の焦点距離ｆを長くすれば、得られるフーリエ変換像１３を大きくすることができ、等価的に空間光変調器２１の分解能を高くすることができるが、そうすると、フィルタリング装置の光学系が大きくなる。
【００４７】
そこで、複屈折媒体２０として高分解能の空間光変調器が望まれるが、このような空間光変調器としては、電極構造を持たない光アドレス型の空間光変調器が好適である。そして、このような空間光変調器としては、以下のような光記録媒体を用いることができる。
【００４８】
その光記録媒体は、図６（Ａ）に示すように、ガラス基板などの透明基板２８の一面側に光記録層２９を形成したものとし、または図６（Ｂ）に示すように、光記録層２９のみからなるものとする。ただし、光記録層２９としては、光誘起複屈折性を示し、かつその複屈折が記録保持される材料を用いる。
【００４９】
光誘起複屈折性を示し、その複屈折を記録保持できる材料であれば、どのような材料でもよいが、好ましい例として、側鎖に光異性化する基を有する高分子または高分子液晶を用いることができる。その光異性化する基としては、アゾ基が好適である。最も好ましい材料の一つは、図７に示す化学式で表される、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルである。
【００５０】
アゾベンゼンは、光の照射によってトランス−シスの光異性化を示す。トランス型になると、分子構造は図８（Ａ）に示す化学式のようになり、シス型になると、分子構造は図８（Ｂ）に示す化学式のようになる。また、アゾベンゼンは、単体では異方性を示すが、高分子または高分子液晶の側鎖に存在する場合には、図９（Ａ）に示すように、ランダムに配列され、全体として等方性を示す。
【００５１】
さらに、上記の光異性化のため、アゾベンゼンは、光励起される前はトランス型が多く存在し、光励起されることによってトランス型がシス型に変化して、光励起された後はシス型が多く存在するようになる。
【００５２】
特に、図９（Ｂ）に示すように、アゾベンゼンを側鎖に有する高分子または高分子液晶からなる光記録層に、ある偏光方向４１ａの直線偏光のポンプ光４１を照射すると、その偏光方向４１ａと同一の方向を向くアゾベンゼン４２のみが、ポンプ光４１を吸収してシス型に変化する。このとき、アゾベンゼンの異性化によって生じるアゾベンゼン自身の複屈折と、アゾベンゼンの異性化によって誘起される高分子または高分子液晶の複屈折とが組み合わさって、光記録層中にポンプ光４１の偏光方向４１ａを軸とした複屈折を生じる。この光誘起複屈折性を利用して、その光記録層を偏光変調可能な光アドレス型の空間光変調器として機能させることができる。
【００５３】
発明者は、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルが、光誘起複屈折性を示し、その複屈折を記録できることを、図１０に示す光学系によって調べた。
【００５４】
光記録媒体２７は、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルからなる光記録層２９を備えたものである。光記録層２９に複屈折を誘起させるポンプ光４３としては、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルに感度のあるアルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを用いた。複屈折を測定するプローブ光４４としては、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルに感度のないヘリウムネオンレーザの発振線６３３ｎｍを用いた。
【００５５】
プローブ光４４の光路中に光記録媒体２７を置き、その前後に偏光子４５および検光子４６を配置し、検光子４６の後方に光検出器４７を配置した。偏光子４５の方位を基準方位の０°とし、検光子４６の方位を９０°とした。この条件では、光記録層２９に異方性が無ければ、プローブ光４４の偏光方向は光記録層２９によって変化せず、プローブ光４４は検光子４６を通過できない。
【００５６】
ポンプ光４３の偏光方向を偏光子４５と検光子４６の方位のちょうど中間の４５°にして、ポンプ光４３を光記録媒体２７に照射し、光記録層２９に複屈折を誘起させた。ポンプ光４３の強度は、５Ｗ／ｃｍ2とした。このとき、プローブ光４４は、光記録層２９の誘起された複屈折によって偏光が回転し、検光子４６を通過する。
【００５７】
検光子４６を通過した光の強度Ｉは、プローブ光４４の強度をＩｏ、プローブ光４４の波長をλ、光記録層２９の誘起された複屈折による屈折率変化をΔｎ、図６に示すように光記録層２９の厚みをｄとすると、
Ｉ＝Ｉｏ×ｓｉｎ2（π×Δｎ×ｄ／λ）…（１）
で表される。
【００５８】
λ＝６３３ｎｍ、かつｄ＝２μｍとしたときの測定結果の強度比Ｉ／Ｉｏを、式（１）に代入することによって求めた屈折率変化Δｎを、図１１に示す。横軸はポンプ光４３の照射時間であり、縦軸が求めた屈折率変化Δｎである。
【００５９】
これから、光記録層２９のポンプ光４３の照射によって誘起される複屈折による屈折率変化Δｎは、ポンプ光４３の照射時間とともに増加し、照射時間がある時間以上になると飽和することがわかる。その飽和屈折率変化Δｎｓは、約０．０５５である。
【００６０】
この光記録層２９に複屈折が誘起された光記録媒体２７を室温に保存しておくと、自然光のもとでも数週間以上に渡って屈折率変化Δｎが一定に保持されることが、確認できた。
【００６１】
このように、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルは、光誘起複屈折性を示し、かつその複屈折を記録保持できるので、図１または図２の複屈折媒体２０として用いる光アドレス型の空間光変調器として好適である。
【００６２】
この光誘起複屈折性を示す光記録層２９を有する光記録媒体２７は、後述するように、光記録層２９に空間偏光分布を有する記録光（ポンプ光）を照射することによって、光記録層２９に２次元の複屈折分布を記録して、図１または図２の複屈折媒体２０とする。
【００６３】
この場合、光記録層２９の記録光の照射によって誘起される複屈折による屈折率変化Δｎと光記録層２９の厚みｄとの積Δｎ×ｄが、（ｍ＋１／２）λに等しいとき（ただし、ｍは０または正の整数）、式（１）において、
となって、光記録媒体２７は、これを透過する直線偏光の方位を効率よく回転させることができるので、光記録層２９の厚みｄは、
Δｎ×ｄ＝（ｍ＋１／２）λ …（３）
の関係を満たす値に調整する。λは、図１または図２の複屈折媒体２０としての光記録媒体２７を透過するフーリエ変換像１３の波長である。
【００６４】
光記録層２９の厚みｄが式（３）の関係を満たさない場合には、複屈折媒体２０としての光記録媒体２７を透過したフーリエスペクトル１５が楕円偏光となり、所望の空間周波数特性のフィルタリングを行うことができなくなる恐れがある。
【００６５】
光記録層２９として側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルを用いる場合で、λ＝６３３ｎｍとするときには、図１１に示したようにΔｎｓ＝０．０５５であるので、これを屈折率変化Δｎとして式（３）に代入し、ｍ＝０とすることによって、ｄ＝５．７５μｍにすればよいことがわかる。
【００６６】
光記録媒体２７の光記録層２９を、この５．７５μｍの厚みの、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルからなるものとして、図１０の光学系によって、ポンプ光４３を光記録媒体２７に照射し、光記録層２９に複屈折を誘起させた。また、ポンプ光４３の照射前および照射後において、それぞれ、プローブ光４４を偏光子４５を透過させて光記録媒体２７に照射し、検光子４６を回転させて、検光子４６を透過した光の強度を光検出器４７によって測定した。
【００６７】
図１２に、その測定結果を示す。横軸は、検光子４６の方位であり、縦軸は、検光子４６を透過した光の強度である。黒丸は、ポンプ光４３の照射前の透過光強度を示し、白丸は、ポンプ光４３の照射後の透過光強度を示す。
【００６８】
同図から明らかなように、ポンプ光４３の照射前は、検光子４６の方位が０°または１８０°のとき、透過光強度が最大となり、検光子４６の方位が９０°または２７０°のとき、透過光強度が最小となるのに対して、ポンプ光４３の照射後は、検光子４６の方位が９０°または２７０°のとき、透過光強度が最大となり、検光子４６の方位が０°または１８０°のとき、透過光強度が最小となる。このことは、ポンプ光４３の照射によって、光記録層２９に１／２波長板の機能が誘起され、光記録層２９が光記録媒体２７を透過する光の偏光を９０°回転させるものとなることを示している。
【００６９】
光記録媒体２７は、例えば、図１３に示す方法によって、その光記録層２９に２次元の複屈折分布を記録し、図１または図２の複屈折媒体２０とする。
【００７０】
記録用の光源５１としては、光記録層２９に感度のある光を発するものを用いる。光記録層２９が側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルからなる場合には、例えば、上述したアルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを用いる。
【００７１】
この光源５１からの光を、偏光板（または１／２波長板）５２に透過させて、所定方位（その方位を０°とする）の直線偏光とし、その直線偏光を、レンズ５３および５４によって口径の広い平行光６１にして、空間光変調器５５に入射させる。
【００７２】
空間光変調器５５は、図３に示した空間光変調器２１と同様の電気アドレス型のものとする。したがって、空間光変調器５５は、各画素ごとに入射光６１の偏光を任意に回転させることができる１／２波長板として機能させることができる。
【００７３】
そして、光記録層２９にローパスフィルタリング用およびハイパスフィルタリング用の複屈折分布を記録する場合には、空間光変調器５５に印加する変調用信号によって、図１３に示すように、空間光変調器５５の中央の円形領域５５ａが２２．５°の方位となり、他の領域５５ｂが０°の方位となるように、空間光変調器５５に形成される複屈折分布を制御し、入射光６１が空間光変調器５５を透過するとき、入射光６１の中央の円形部分は偏光が４５°回転して４５°方位に変更され、入射光６１の他の部分は偏光が回転することなく０°方位のままとなるように、入射光６１の偏光を変調する。
【００７４】
この空間光変調器５５を透過した、中央の円形部分が４５°の偏光方位で、他の部分が０°の偏光方位の光波６２を、レンズ５６および５７からなる縮小光学系５８によって縮小し、その縮小後の光波６３を、記録光として光記録層２９に照射する。
【００７５】
これによって、光記録層２９には、図３の空間光変調器２１に図５のように形成される複屈折分布と同様の、図１または図２のフーリエ変換像１３の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域２９ａが４５°の方位で、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルに対応する他の領域２９ｂが０°の方位の複屈折分布が記録される。光波６３の光記録層２９への照射時間は、光記録層２９の光波６３の照射によって誘起される複屈折による屈折率変化Δｎが飽和する時間以上とする。
【００７６】
上述したように、光記録層２９の厚みｄは、式（３）の関係を満たす値に調整することが望ましい。
【００７７】
図１または図２の複屈折媒体２０として、図３の電気アドレス型の空間光変調器２１を用いる場合には、空間光変調器２１に印加する変調用信号によって、複屈折媒体２０に形成される複屈折分布を容易に変更することができ、フィルタリングの空間周波数特性を容易に変更することができるが、フィルタリング装置の光学系が大きくならない状態で、フーリエ変換像１３の偏光を高分解能に変調することが難しい。
【００７８】
これに対して、複屈折媒体２０として、図１３の方法によって光記録層２９に複屈折分布を記録した光記録媒体２７を用いる場合には、フィルタリングの空間周波数特性の変更には、光記録媒体２７の書き換え、または別の光記録媒体を必要とするが、電気アドレス型の空間光変調器５５の各画素の大きさが数１０μｍ×数１０μｍ以上であっても、縮小光学系５８によって、光アドレス型の空間光変調器としての光記録媒体２７の各画素の大きさを数１０μｍ×数１０μｍ以下にすることができ、高分解能の複屈折媒体を実現することができる。
【００７９】
〔フィルタリングの実験例〕
図１３の方法によって光記録層２９に複屈折分布を記録した光記録媒体２７を、図２の複屈折媒体２０として用いて、図２の方法によって、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングを同時に行った。
【００８０】
光記録層２９としては、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルを用い、その厚みｄを５．７５μｍにした。図１３の光源５１としては、アルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを用い、その光強度を５Ｗ／ｃｍ2にした。
【００８１】
電気アドレス型の空間光変調器５５としては、一画素の大きさが４２μｍ×４２μｍで６４０×４８０画素のプロジェクタ用液晶パネル１．３型を用いた。ただし、偏光板を取り外して用いた。空間光変調器５５には、図１３に示した複屈折分布を形成した。光記録層２９は、４秒間露光した。
【００８２】
このように光記録層２９に複屈折分布を記録した光記録媒体２７を、図２の複屈折媒体２０として用いた。図２の光源３１としては、ヘリウムネオンレーザの発振線６３３ｎｍを用いた。空間光変調器３５としては、一画素の大きさが４２μｍ×４２μｍで６４０×４８０画素のプロジェクタ用液晶パネル１．３型を用いた。
【００８３】
この空間光変調器３５に、入力画像として図１４（Ａ）に示す画像を表示したところ、偏光ビームスプリッタ３８を透過した９０°の偏光方位の出力光１８Ｌとして、図１４（Ｃ）に示す低周波出力画像が得られ、偏光ビームスプリッタ３８で反射した０°の偏光方位の出力光１８Ｈとして、図１４（Ｅ）に示す高周波出力画像が得られた。入力画像フーリエスペクトルは、図１４（Ｂ）に示すものであり、低周波スペクトルは、図１４（Ｄ）に示すものであり、高周波スペクトルは、図１４（Ｆ）に示すものである。
【００８４】
〔他の実施例または実施形態〕
図１５に示すように、複屈折媒体２０の中央部の環状の領域２０ｄが４５°の方位となり、その内側の領域２０ｃおよび外側の領域２０ｅが０°の方位となるように、複屈折媒体２０（空間光変調器２１または光記録媒体２７）に形成される複屈折分布を制御することによって、図１６（Ａ）に示すようなバンドパスフィルタ特性のフィルタリングと図１６（Ｂ）に示すようなバンドエリミネータ特性のフィルタリングを、図１の実施形態では選択的に、図２の実施形態では同時に、行うことができる。
【００８５】
また、図１７に示すように、複屈折媒体２０の中央部の環状の領域２０ｄが内側から外側にかけて４５°から０°まで連続的に変化する方位となり、領域２０ｄの内側の領域２０ｃが４５°の方位となり、領域２０ｄの外側の領域２０ｅが０°の方位となるように、複屈折媒体２０（空間光変調器２１または光記録媒体２７）に形成される複屈折分布を制御することによって、空間周波数特性が１次関数で表される微分フィルタのフィルタリングを行うことができる。さらに、図では省略したが、空間周波数特性が２次関数で表されるラプラシアンフィルタのフィルタリングを行うように構成することもできる。
【００８６】
なお、図１８に示した２次元の透過率分布を有するフィルタ４を微分フィルタやラプラシアンフィルタとすることについては、文献「Ｓ．Ｈ．Ｌｅｅ：Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，１３，１９６（１９７４）」に記載されている。この方法では、上述したように、フィルタ４の出力側で、遮断された周波数成分が失われてしまって、他の周波数の出力画像を得ることや、もとの入力画像を再生することができない。
【００８７】
複屈折媒体２０としては、電気アドレス型の空間光変調器２１や、光記録層２９に複屈折分布を記録した光記録媒体２７に限らず、例えば、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタ、あるいはバンドパスフィルタおよびバンドエリミネータのフィルタリングを行う場合であれば、透明基板の、図１または図２の円形領域２０ａ、あるいは図１５の環状領域２０ｄに相当する部分に４５°の方位の偏光板（または１／２波長板）を貼り付けたものを、用いることができる。
【００８８】
【発明の効果】
上述したように、この発明によれば、一個の共通のフィルタリング用媒体によって、その媒体の出力側でフーリエスペクトルの各周波数成分が失われることなく、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングなど、互いに相補的なフィルタリングを同時に行うことができ、もとの入力画像も容易に再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のフィルタリング装置および方法の第１の実施形態を示す図である。
【図２】この発明のフィルタリング装置および方法の第２の実施形態を示す図である。
【図３】複屈折媒体として用いる電気アドレス型の空間光変調器の一例を示す図である。
【図４】図３の空間光変調器の画素の説明に供する図である。
【図５】図３の空間光変調器に形成する複屈折分布の一例を示す図である。
【図６】複屈折媒体として用いる光記録媒体の断面構造を示す図である。
【図７】光記録媒体の光記録層の好ましい材料の一例の化学式を示す図である。
【図８】アゾベンゼンのトランス構造およびシス構造の化学式を示す図である。
【図９】アゾベンゼンの光誘起複屈折性の説明に供する図である。
【図１０】測定に用いた光学系を示す図である。
【図１１】測定結果から算出した屈折率変化を示す図である。
【図１２】測定結果の、検光子方位に対する透過光強度を示す図である。
【図１３】光記録媒体の光記録層に複屈折分布を記録して複屈折媒体を作成する方法の一例を示す図である。
【図１４】フィルタリングの実験例における各画像および各スペクトルを示す図である。
【図１５】複屈折媒体に形成する複屈折分布の他の例を示す図である。
【図１６】図１５の複屈折分布の場合のフィルタリング特性を示す図である。
【図１７】複屈折媒体に形成される複屈折分布のさらに他の例を示す図である。
【図１８】従来の光学フィルタリング方法の一例を示す図である。
【図１９】図１８のフィルタの透過率分布の一例を示す図である。
【図２０】従来の光学フィルタリング方法の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１１…入力画像光
１２…フーリエ変換用レンズ
１３…フーリエ変換像
１５…透過スペクトル
１６…逆フーリエ変換用レンズ
１７，１８，１８Ｌ，１８Ｈ…出力光
２０…複屈折媒体
２１…空間光変調器
２７…光記録媒体
２９…光記録層
３５…空間光変調器
３７…検光子
３８…偏光ビームスプリッタ
３９，３９Ｌ，３９Ｈ…光検出器
５５…空間光変調器
５８…縮小光学系
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学フィルタリング（空間周波数フィルタリング）を行う装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学フィルタリングは、光学的フーリエ変換によって、入力画像の２次元スペクトルを求め、空間周波数フィルタによって、そのスペクトルを変化させるもので、種々の演算ができる代表的な並列光コンピューティング技術である。この演算は、光学的なコンボリューションと考えることができる。
【０００３】
光学フィルタリングの代表的なものに、ローパスフィルタとハイパスフィルタがある。一般に、画像スペクトルの低周波成分は画像の大まかな構造に対応し、エッジや微細構造は高周波成分に寄与する。ローパスフィルタは、画像の空間周波数成分のうち、低周波成分のみを透過させ、高い周波数成分のノイズを除去することができる。ハイパスフィルタは、逆に高周波成分のみを透過させ、画像の境界部分を抽出したり、微細構造を強調する目的で使用される。さらに、ある空間周波数帯のみを透過させるバンドパスフィルタは、画像圧縮や画像解析に利用されている。
【０００４】
光学フィルタリングには、従来、空間周波数フィルタとして２次元の透過率分布を有するフィルタが用いられている。
【０００５】
図１８に、従来の光学フィルタリング方法の一例を示す。この方法では、入力画像光１がレンズ２によってフーリエ変換されるが、そのフーリエ変換面に２次元の透過率分布を有するフィルタ４が配置される。そして、入力画像光１のフーリエ変換像３の一部のスペクトルがフィルタ４を透過し、その透過スペクトル５がレンズ６によって逆フーリエ変換されて、出力画像光７が得られる。
【０００６】
ローパスフィルタリングを行う場合には、フィルタ４は、図１９（Ａ）にフィルタ４Ｌとして示すように、フーリエ変換像３の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域が光透過部４ａとされ、高周波スペクトルに対応する他の領域が遮光部４ｂとされて、フーリエ変換像３の低周波スペクトルのみがフィルタ４を透過する。
【０００７】
ハイパスフィルタリングを行う場合には、フィルタ４は、図１９（Ｂ）にフィルタ４Ｈとして示すように、フーリエ変換像３の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域が遮光部４ｃとされ、高周波スペクトルに対応する他の領域が光透過部４ｄとされて、フーリエ変換像３の高周波スペクトルのみがフィルタ４を透過する。
【０００８】
ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングを同時に行う場合には、例えば、図２０に示すように、入力画像光１がハーフミラー８によって２光波に分離され、ハーフミラー８を透過した入力画像光１Ｌが、レンズ２Ｌによってフーリエ変換され、そのフーリエ変換像３Ｌの低周波スペクトル５Ｌが、フィルタ４Ｌを透過し、レンズ６Ｌによって逆フーリエ変換されて、低周波出力画像光７Ｌが得られるとともに、ハーフミラー８で反射した入力画像光１Ｈが、さらにミラー９で反射して、レンズ２Ｈによってフーリエ変換され、そのフーリエ変換像３Ｈの高周波スペクトル５Ｈが、フィルタ４Ｈを透過し、レンズ６Ｈによって逆フーリエ変換されて、高周波出力画像光７Ｈが得られるようにする。低周波出力画像光７Ｌと高周波出力画像光７Ｈを合成すれば、もとの入力画像を再生することもできる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の光学フィルタリング方法は、２次元の透過率分布を有するフィルタによって、フーリエスペクトルの、ある周波数成分を透過させ、他の周波数成分を遮断するので、フィルタの出力側では、遮断された周波数成分が失われてしまって、他の周波数の出力画像を得ることや、もとの入力画像を再生することができない。
【００１０】
すなわち、図１８のフィルタ４を図１９（Ａ）のフィルタ４Ｌのようなローパスフィルタとする場合には、フィルタ４の出力側でフーリエ変換像３の高周波スペクトルが失われてしまい、逆にフィルタ４を図１９（Ｂ）のフィルタ４Ｈのようなハイパスフィルタとする場合には、フィルタ４の出力側でフーリエ変換像３の低周波スペクトルが失われてしまう。
【００１１】
そのため、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングを同時に行う場合や、もとの入力画像を再生する場合には、図２０に示したように、２個のフィルタ４Ｌおよび４Ｈを設け、フーリエ変換用および逆フーリエ変換用のレンズも２個ずつ設けるとともに、入力画像光１を２光波に分離する光学系を設ける必要があり、フィルタリング装置が複雑かつ大型になってしまう。
【００１２】
そこで、この発明は、共通の媒体によって、その媒体の出力側でフーリエスペクトルの各周波数成分が失われることなく、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングなど、互いに相補的なフィルタリングを同時に行うことができ、もとの入力画像も容易に再生することができるようにしたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明の光学フィルタリング装置は、
２次元平面上の第１の領域とこの第１の領域を取り囲む第２の領域とで方位が異なる２次元の複屈折分布が形成され、その複屈折分布に応じて、前記第１の領域と前記第２の領域とに渡って入射したフーリエ変換像の偏光を変調する複屈折媒体と、
この複屈折媒体を透過した、互いに偏光方位が異なる第１の偏光成分および第２の偏光成分を含む信号光の光路中に配置された、当該信号光から前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分とを分離して取り出す偏光分離素子、および、その分離して取り出された前記第１の偏光成分および前記第２の偏光成分を別個に検出する光検出器からなる偏光分離検出部と、
を備えるものである。
【００１５】
【作用】
この発明では、フィルタリング用媒体として、２次元の透過率分布を有するフィルタではなく、２次元の複屈折分布が形成された複屈折媒体を用い、空間周波数フィルタは、この複屈折媒体と、偏光分離素子および光検出器からなる偏光分離検出部とによって構成する。
【００１６】
複屈折媒体としては、電気アドレス型の空間光変調器や、少なくとも一面側に光誘起複屈折性を示す光記録層を有し、この光記録層に２次元の複屈折分布が記録された光記録媒体などを用いることができる。偏光分離素子としては、偏光ビームスプリッタなどを用いることができる。
【００１７】
例えば、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングを同時に行う場合には、複屈折媒体は、フーリエ変換像の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域が所定方位（これを０°とする）に対して４５°の方位で、フーリエ変換像の高周波スペクトルに対応する他の領域が０°の方位の複屈折分布が形成されたものとする。
【００１８】
これによって、入力画像の０°の偏光のフーリエ変換像が複屈折媒体を透過するとき、フーリエ変換像の低周波スペクトルは偏光が９０°回転して９０°の方位に変更され、フーリエ変換像の高周波スペクトルは偏光が回転することなく０°の方位のままとなる。
【００２１】
したがって、複屈折媒体を透過した光の光路中に、偏光分離素子としての偏光ビームスプリッタ、および光検出器を配置し、複屈折媒体を透過した光の９０°および０°の偏光成分を、偏光ビームスプリッタによって分離して取り出し、光検出器によって別個に検出することによって、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングを同時に行うことができる。さらに、この偏光ビームスプリッタによって分離して取り出された２つの出力光を合成することによって、もとの入力画像を再生することができる。
【００２２】
複屈折媒体に形成される２次元の複屈折分布を上述した分布と変えることによって、バンドパスフィルタおよびバンドエリミネータなど、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタ以外のフィルタリングを行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
〔フィルタリング装置および方法の全体構成…図１および図２〕
図１は、この発明のフィルタリング装置および方法の第１の実施形態を示す。
【００２４】
光源３１からの光を、偏光板（または１／２波長板）３２に透過させて、所定方位（その方位を０°とする）の直線偏光とし、その直線偏光を、レンズ３３および３４によって口径の広い平行光にして、空間光変調器３５に入射させる。空間光変調器３５には、入力画像信号によって入力画像を表示して、空間光変調器３５を透過した光として、０°の偏光方位の入力画像光１１を得る。空間光変調器３５としては、透過型の液晶パネルなどを用いることができる。
【００２５】
この入力画像光１１を、レンズ１２によってフーリエ変換し、そのフーリエ変換像１３を、レンズ１２の前方焦点面に配置した複屈折媒体２０に入射させる。空間光変調器３５は、レンズ１２の後方焦点面に配置することが望ましい。
【００２６】
複屈折媒体２０は、具体例を後述するが、フーリエ変換像１３の空間周波数分布に応じた２次元の複屈折分布が形成され、その複屈折分布に応じてフーリエ変換像１３の偏光を変調するものである。
【００２７】
この複屈折媒体２０を透過したフーリエスペクトル１５を、レンズ１６によって逆フーリエ変換し、その変換後の出力光１７を、検光子３７に入射させ、検光子３７を透過した出力光１８を、ＣＣＤカメラなどからなる光検出器３９上に結像させる。
【００２８】
以上の光学系は、２回のフーリエ変換を行う点で、「二重回折光学系」または「再回折光学系」と呼ばれる光学系の一種であり、さらに入力画像とレンズ１２との距離をレンズ１２，１６の焦点距離ｆと等しくする点で、「４ｆ光学系」と呼ばれる光学系の一種である。
【００２９】
図１の状態は、当該フィルタリング装置がローパスフィルタおよびハイパスフィルタを構成するように、複屈折媒体２０に、フーリエ変換像１３の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域２０ａが４５°の方位で、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルに対応する他の領域２０ｂが０°の方位の複屈折分布が形成された状態である。
【００３０】
したがって、フーリエ変換像１３が複屈折媒体２０を透過するとき、フーリエ変換像１３の低周波スペクトルは偏光が９０°回転して９０°方位に変更され、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルは偏光が回転することなく０°の方位のままとなる。
【００３１】
したがって、検光子３７の方位を９０°に調整することによって、出力光１８としてフーリエ変換像１３の低周波スペクトルのみからなる低周波出力画像が得られ、ローパスフィルタリングを行うことができる。また、検光子３７の方位を０°に調整することによって、出力光１８としてフーリエ変換像１３の高周波スペクトルのみからなる高周波出力画像が得られ、ハイパスフィルタリングを行うことができる。
【００３２】
さらに、検光子３７の方位を４５°に調整すれば、それぞれ検光子３７の方位を９０°または０°に調整するときに比べて低い光強度となるが、出力光１８としてフーリエ変換像１３の低周波スペクトルおよび高周波スペクトルからなる出力画像が得られ、もとの入力画像を再生することができる。
【００３３】
図２は、この発明のフィルタリング装置および方法の第２の実施形態を示す。
【００３４】
この実施形態では、出力側の偏光素子として、図１の検光子３７の代わりに偏光ビームスプリッタ３８を設けて、複屈折媒体２０を透過したフーリエスペクトル１５をレンズ１６によって逆フーリエ変換した後の出力光１７を、偏光ビームスプリッタ３８を透過した９０°の偏光方位の出力光１８Ｌと偏光ビームスプリッタ３８で反射した０°の偏光方位の出力光１８Ｈとに分離し、出力光１８Ｌを光検出器３９Ｌ上に結像させ、出力光１８Ｈを光検出器３９Ｈ上に結像させる。その他は、図１の実施形態と同じである。
【００３５】
図２の状態も、当該フィルタリング装置がローパスフィルタおよびハイパスフィルタを構成するように、複屈折媒体２０に、フーリエ変換像１３の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域２０ａが４５°の方位で、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルに対応する他の領域２０ｂが０°の方位の複屈折分布が形成された状態で、フーリエ変換像１３が複屈折媒体２０を透過するとき、フーリエ変換像１３の低周波スペクトルは偏光が９０°回転して９０°方位に変更され、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルは偏光が回転することなく０°方位のままとなる。
【００３６】
したがって、９０°の偏光方位の出力光１８Ｌとして、フーリエ変換像１３の低周波スペクトルのみからなる低周波出力画像が得られ、ローパスフィルタリングを行うことができると同時に、０°の偏光方位の出力光１８Ｈとして、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルのみからなる高周波出力画像が得られ、ハイパスフィルタリングを行うことができる。
【００３７】
さらに、図示していないが、出力光１８Ｌと出力光１８Ｈを合成することによって、もとの入力画像を再生することができる。
【００３８】
図１および図２の実施形態では、複屈折媒体２０に形成される２次元の複屈折分布を図示した分布と変えることによって、後述するように、バンドパスフィルタおよびバンドエリミネータなど、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタ以外のフィルタリングを行うことができる。
【００３９】
また、図１または図２の実施形態は、出力光１８または１８Ｌ，１８Ｈを光検出器３９または３９Ｌ，３９Ｈ上に結像させる場合であるが、出力光１８または１８Ｌ，１８Ｈを直接、光検出器上に結像させることなく、次の処理のために伝送するようにしてもよい。
【００４０】
〔複屈折媒体の第１の例…電気アドレス型の空間光変調器〕
複屈折媒体２０としては、電気アドレス型の空間光変調器を用いることができ、その空間光変調器としては、透過型の液晶パネルを用いることができる。ただし、プロジェクタ用の液晶パネルは、電極の外側に偏光板が配置されるが、複屈折媒体２０として用いる電気アドレス型の空間光変調器としての液晶パネルは、偏光板を取り除いたものとする。
【００４１】
図３は、このような空間光変調器の一例を示す。この空間光変調器２１は、透明基板２２および２３の内面に透明電極２４および２５が形成され、透明電極２４，２５間に電気光学変換部材２６として液晶が装填されたものである。
【００４２】
この空間光変調器２１は、各画素Ｐｘごとに入射光の偏光を任意に回転させることができる１／２波長板として機能させることができ、ある画素は、図４（Ａ）に示すように１／２波長板の方位が入射偏光に対して平行となって、その画素を透過する光の偏光を回転させないものとなり、他の画素は、図４（Ｂ）に示すように１／２波長板の方位が入射偏光に対して４５°傾いて、その画素を透過する光の偏光を９０°回転させるものとなるように、制御することができる。
【００４３】
したがって、空間光変調器２１に印加する変調用信号によって、図５に示すように、空間光変調器２１の、図１または図２のフーリエ変換像１３の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域２１ａが４５°の方位となり、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルに対応する他の領域２１ｂが０°の方位となるように、空間光変調器２１に形成される複屈折分布を制御することができ、フーリエ変換像１３が空間光変調器２１を透過するとき、フーリエ変換像１３の低周波スペクトルは偏光が９０°回転して９０°方位に変更され、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルは偏光が回転することなく０°方位のままとなるように、フーリエ変換像１３の偏光を変調することができる。
【００４４】
したがって、図１または図２の実施形態のように、ローパスフィルタリングおよびハイパスフィルタリングを行うことができるとともに、もとの入力画像を再生することができる。
【００４５】
また、このように複屈折媒体２０として電気アドレス型の空間光変調器２１を用いる場合には、空間光変調器２１に印加する変調用信号によって、複屈折媒体２０に形成される複屈折分布を容易に変更することができ、フィルタリングの空間周波数特性を容易に変更することができる。
【００４６】
〔複屈折媒体の第２の例…光アドレス型の空間光変調器としての光記録媒体〕電気アドレス型の空間光変調器２１は、現状では各画素Ｐｘの大きさを数１０μｍ×数１０μｍ以下にすることが難しく、フーリエ変換像１３の偏光を高分解能に変調するには十分でない。フーリエ変換用のレンズ１２の焦点距離ｆを長くすれば、得られるフーリエ変換像１３を大きくすることができ、等価的に空間光変調器２１の分解能を高くすることができるが、そうすると、フィルタリング装置の光学系が大きくなる。
【００４７】
そこで、複屈折媒体２０として高分解能の空間光変調器が望まれるが、このような空間光変調器としては、電極構造を持たない光アドレス型の空間光変調器が好適である。そして、このような空間光変調器としては、以下のような光記録媒体を用いることができる。
【００４８】
その光記録媒体は、図６（Ａ）に示すように、ガラス基板などの透明基板２８の一面側に光記録層２９を形成したものとし、または図６（Ｂ）に示すように、光記録層２９のみからなるものとする。ただし、光記録層２９としては、光誘起複屈折性を示し、かつその複屈折が記録保持される材料を用いる。
【００４９】
光誘起複屈折性を示し、その複屈折を記録保持できる材料であれば、どのような材料でもよいが、好ましい例として、側鎖に光異性化する基を有する高分子または高分子液晶を用いることができる。その光異性化する基としては、アゾ基が好適である。最も好ましい材料の一つは、図７に示す化学式で表される、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルである。
【００５０】
アゾベンゼンは、光の照射によってトランス−シスの光異性化を示す。トランス型になると、分子構造は図８（Ａ）に示す化学式のようになり、シス型になると、分子構造は図８（Ｂ）に示す化学式のようになる。また、アゾベンゼンは、単体では異方性を示すが、高分子または高分子液晶の側鎖に存在する場合には、図９（Ａ）に示すように、ランダムに配列され、全体として等方性を示す。
【００５１】
さらに、上記の光異性化のため、アゾベンゼンは、光励起される前はトランス型が多く存在し、光励起されることによってトランス型がシス型に変化して、光励起された後はシス型が多く存在するようになる。
【００５２】
特に、図９（Ｂ）に示すように、アゾベンゼンを側鎖に有する高分子または高分子液晶からなる光記録層に、ある偏光方向４１ａの直線偏光のポンプ光４１を照射すると、その偏光方向４１ａと同一の方向を向くアゾベンゼン４２のみが、ポンプ光４１を吸収してシス型に変化する。このとき、アゾベンゼンの異性化によって生じるアゾベンゼン自身の複屈折と、アゾベンゼンの異性化によって誘起される高分子または高分子液晶の複屈折とが組み合わさって、光記録層中にポンプ光４１の偏光方向４１ａを軸とした複屈折を生じる。この光誘起複屈折性を利用して、その光記録層を偏光変調可能な光アドレス型の空間光変調器として機能させることができる。
【００５３】
発明者は、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルが、光誘起複屈折性を示し、その複屈折を記録できることを、図１０に示す光学系によって調べた。
【００５４】
光記録媒体２７は、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルからなる光記録層２９を備えたものである。光記録層２９に複屈折を誘起させるポンプ光４３としては、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルに感度のあるアルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを用いた。複屈折を測定するプローブ光４４としては、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルに感度のないヘリウムネオンレーザの発振線６３３ｎｍを用いた。
【００５５】
プローブ光４４の光路中に光記録媒体２７を置き、その前後に偏光子４５および検光子４６を配置し、検光子４６の後方に光検出器４７を配置した。偏光子４５の方位を基準方位の０°とし、検光子４６の方位を９０°とした。この条件では、光記録層２９に異方性が無ければ、プローブ光４４の偏光方向は光記録層２９によって変化せず、プローブ光４４は検光子４６を通過できない。
【００５６】
ポンプ光４３の偏光方向を偏光子４５と検光子４６の方位のちょうど中間の４５°にして、ポンプ光４３を光記録媒体２７に照射し、光記録層２９に複屈折を誘起させた。ポンプ光４３の強度は、５Ｗ／ｃｍ2とした。このとき、プローブ光４４は、光記録層２９の誘起された複屈折によって偏光が回転し、検光子４６を通過する。
【００５７】
検光子４６を通過した光の強度Ｉは、プローブ光４４の強度をＩｏ、プローブ光４４の波長をλ、光記録層２９の誘起された複屈折による屈折率変化をΔｎ、図６に示すように光記録層２９の厚みをｄとすると、
Ｉ＝Ｉｏ×ｓｉｎ2（π×Δｎ×ｄ／λ）…（１）
で表される。
【００５８】
λ＝６３３ｎｍ、かつｄ＝２μｍとしたときの測定結果の強度比Ｉ／Ｉｏを、式（１）に代入することによって求めた屈折率変化Δｎを、図１１に示す。横軸はポンプ光４３の照射時間であり、縦軸が求めた屈折率変化Δｎである。
【００５９】
これから、光記録層２９のポンプ光４３の照射によって誘起される複屈折による屈折率変化Δｎは、ポンプ光４３の照射時間とともに増加し、照射時間がある時間以上になると飽和することがわかる。その飽和屈折率変化Δｎｓは、約０．０５５である。
【００６０】
この光記録層２９に複屈折が誘起された光記録媒体２７を室温に保存しておくと、自然光のもとでも数週間以上に渡って屈折率変化Δｎが一定に保持されることが、確認できた。
【００６１】
このように、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルは、光誘起複屈折性を示し、かつその複屈折を記録保持できるので、図１または図２の複屈折媒体２０として用いる光アドレス型の空間光変調器として好適である。
【００６２】
この光誘起複屈折性を示す光記録層２９を有する光記録媒体２７は、後述するように、光記録層２９に空間偏光分布を有する記録光（ポンプ光）を照射することによって、光記録層２９に２次元の複屈折分布を記録して、図１または図２の複屈折媒体２０とする。
【００６３】
この場合、光記録層２９の記録光の照射によって誘起される複屈折による屈折率変化Δｎと光記録層２９の厚みｄとの積Δｎ×ｄが、（ｍ＋１／２）λに等しいとき（ただし、ｍは０または正の整数）、式（１）において、
Δｎ×ｄ＝（ｍ＋１／２）λ …（３）
の関係を満たす値に調整する。λは、図１または図２の複屈折媒体２０としての光記録媒体２７を透過するフーリエ変換像１３の波長である。
【００６４】
光記録層２９の厚みｄが式（３）の関係を満たさない場合には、複屈折媒体２０としての光記録媒体２７を透過したフーリエスペクトル１５が楕円偏光となり、所望の空間周波数特性のフィルタリングを行うことができなくなる恐れがある。
【００６５】
光記録層２９として側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルを用いる場合で、λ＝６３３ｎｍとするときには、図１１に示したようにΔｎｓ＝０．０５５であるので、これを屈折率変化Δｎとして式（３）に代入し、ｍ＝０とすることによって、ｄ＝５．７５μｍにすればよいことがわかる。
【００６６】
光記録媒体２７の光記録層２９を、この５．７５μｍの厚みの、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルからなるものとして、図１０の光学系によって、ポンプ光４３を光記録媒体２７に照射し、光記録層２９に複屈折を誘起させた。また、ポンプ光４３の照射前および照射後において、それぞれ、プローブ光４４を偏光子４５を透過させて光記録媒体２７に照射し、検光子４６を回転させて、検光子４６を透過した光の強度を光検出器４７によって測定した。
【００６７】
図１２に、その測定結果を示す。横軸は、検光子４６の方位であり、縦軸は、検光子４６を透過した光の強度である。黒丸は、ポンプ光４３の照射前の透過光強度を示し、白丸は、ポンプ光４３の照射後の透過光強度を示す。
【００６８】
同図から明らかなように、ポンプ光４３の照射前は、検光子４６の方位が０°または１８０°のとき、透過光強度が最大となり、検光子４６の方位が９０°または２７０°のとき、透過光強度が最小となるのに対して、ポンプ光４３の照射後は、検光子４６の方位が９０°または２７０°のとき、透過光強度が最大となり、検光子４６の方位が０°または１８０°のとき、透過光強度が最小となる。このことは、ポンプ光４３の照射によって、光記録層２９に１／２波長板の機能が誘起され、光記録層２９が光記録媒体２７を透過する光の偏光を９０°回転させるものとなることを示している。
【００６９】
光記録媒体２７は、例えば、図１３に示す方法によって、その光記録層２９に２次元の複屈折分布を記録し、図１または図２の複屈折媒体２０とする。
【００７０】
記録用の光源５１としては、光記録層２９に感度のある光を発するものを用いる。光記録層２９が側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルからなる場合には、例えば、上述したアルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを用いる。
【００７１】
この光源５１からの光を、偏光板（または１／２波長板）５２に透過させて、所定方位（その方位を０°とする）の直線偏光とし、その直線偏光を、レンズ５３および５４によって口径の広い平行光６１にして、空間光変調器５５に入射させる。
【００７２】
空間光変調器５５は、図３に示した空間光変調器２１と同様の電気アドレス型のものとする。したがって、空間光変調器５５は、各画素ごとに入射光６１の偏光を任意に回転させることができる１／２波長板として機能させることができる。
【００７３】
そして、光記録層２９にローパスフィルタリング用およびハイパスフィルタリング用の複屈折分布を記録する場合には、空間光変調器５５に印加する変調用信号によって、図１３に示すように、空間光変調器５５の中央の円形領域５５ａが２２．５°の方位となり、他の領域５５ｂが０°の方位となるように、空間光変調器５５に形成される複屈折分布を制御し、入射光６１が空間光変調器５５を透過するとき、入射光６１の中央の円形部分は偏光が４５°回転して４５°方位に変更され、入射光６１の他の部分は偏光が回転することなく０°方位のままとなるように、入射光６１の偏光を変調する。
【００７４】
この空間光変調器５５を透過した、中央の円形部分が４５°の偏光方位で、他の部分が０°の偏光方位の光波６２を、レンズ５６および５７からなる縮小光学系５８によって縮小し、その縮小後の光波６３を、記録光として光記録層２９に照射する。
【００７５】
これによって、光記録層２９には、図３の空間光変調器２１に図５のように形成される複屈折分布と同様の、図１または図２のフーリエ変換像１３の低周波スペクトルに対応する中央の円形領域２９ａが４５°の方位で、フーリエ変換像１３の高周波スペクトルに対応する他の領域２９ｂが０°の方位の複屈折分布が記録される。光波６３の光記録層２９への照射時間は、光記録層２９の光波６３の照射によって誘起される複屈折による屈折率変化Δｎが飽和する時間以上とする。
【００７６】
上述したように、光記録層２９の厚みｄは、式（３）の関係を満たす値に調整することが望ましい。
【００７７】
図１または図２の複屈折媒体２０として、図３の電気アドレス型の空間光変調器２１を用いる場合には、空間光変調器２１に印加する変調用信号によって、複屈折媒体２０に形成される複屈折分布を容易に変更することができ、フィルタリングの空間周波数特性を容易に変更することができるが、フィルタリング装置の光学系が大きくならない状態で、フーリエ変換像１３の偏光を高分解能に変調することが難しい。
【００７８】
これに対して、複屈折媒体２０として、図１３の方法によって光記録層２９に複屈折分布を記録した光記録媒体２７を用いる場合には、フィルタリングの空間周波数特性の変更には、光記録媒体２７の書き換え、または別の光記録媒体を必要とするが、電気アドレス型の空間光変調器５５の各画素の大きさが数１０μｍ×数１０μｍ以上であっても、縮小光学系５８によって、光アドレス型の空間光変調器としての光記録媒体２７の各画素の大きさを数１０μｍ×数１０μｍ以下にすることができ、高分解能の複屈折媒体を実現することができる。
【００７９】
〔フィルタリングの実験例〕
図１３の方法によって光記録層２９に複屈折分布を記録した光記録媒体２７を、図２の複屈折媒体２０として用いて、図２の方法によって、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングを同時に行った。
【００８０】
光記録層２９としては、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルを用い、その厚みｄを５．７５μｍにした。図１３の光源５１としては、アルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを用い、その光強度を５Ｗ／ｃｍ2にした。
【００８１】
電気アドレス型の空間光変調器５５としては、一画素の大きさが４２μｍ×４２μｍで６４０×４８０画素のプロジェクタ用液晶パネル１．３型を用いた。ただし、偏光板を取り外して用いた。空間光変調器５５には、図１３に示した複屈折分布を形成した。光記録層２９は、４秒間露光した。
【００８２】
このように光記録層２９に複屈折分布を記録した光記録媒体２７を、図２の複屈折媒体２０として用いた。図２の光源３１としては、ヘリウムネオンレーザの発振線６３３ｎｍを用いた。空間光変調器３５としては、一画素の大きさが４２μｍ×４２μｍで６４０×４８０画素のプロジェクタ用液晶パネル１．３型を用いた。
【００８３】
この空間光変調器３５に、入力画像として図１４（Ａ）に示す画像を表示したところ、偏光ビームスプリッタ３８を透過した９０°の偏光方位の出力光１８Ｌとして、図１４（Ｃ）に示す低周波出力画像が得られ、偏光ビームスプリッタ３８で反射した０°の偏光方位の出力光１８Ｈとして、図１４（Ｅ）に示す高周波出力画像が得られた。入力画像フーリエスペクトルは、図１４（Ｂ）に示すものであり、低周波スペクトルは、図１４（Ｄ）に示すものであり、高周波スペクトルは、図１４（Ｆ）に示すものである。
【００８４】
〔他の実施例または実施形態〕
図１５に示すように、複屈折媒体２０の中央部の環状の領域２０ｄが４５°の方位となり、その内側の領域２０ｃおよび外側の領域２０ｅが０°の方位となるように、複屈折媒体２０（空間光変調器２１または光記録媒体２７）に形成される複屈折分布を制御することによって、図１６（Ａ）に示すようなバンドパスフィルタ特性のフィルタリングと図１６（Ｂ）に示すようなバンドエリミネータ特性のフィルタリングを、図１の実施形態では選択的に、図２の実施形態では同時に、行うことができる。
【００８５】
また、図１７に示すように、複屈折媒体２０の中央部の環状の領域２０ｄが内側から外側にかけて４５°から０°まで連続的に変化する方位となり、領域２０ｄの内側の領域２０ｃが４５°の方位となり、領域２０ｄの外側の領域２０ｅが０°の方位となるように、複屈折媒体２０（空間光変調器２１または光記録媒体２７）に形成される複屈折分布を制御することによって、空間周波数特性が１次関数で表される微分フィルタのフィルタリングを行うことができる。さらに、図では省略したが、空間周波数特性が２次関数で表されるラプラシアンフィルタのフィルタリングを行うように構成することもできる。
【００８６】
なお、図１８に示した２次元の透過率分布を有するフィルタ４を微分フィルタやラプラシアンフィルタとすることについては、文献「Ｓ．Ｈ．Ｌｅｅ：Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，１３，１９６（１９７４）」に記載されている。この方法では、上述したように、フィルタ４の出力側で、遮断された周波数成分が失われてしまって、他の周波数の出力画像を得ることや、もとの入力画像を再生することができない。
【００８７】
複屈折媒体２０としては、電気アドレス型の空間光変調器２１や、光記録層２９に複屈折分布を記録した光記録媒体２７に限らず、例えば、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタ、あるいはバンドパスフィルタおよびバンドエリミネータのフィルタリングを行う場合であれば、透明基板の、図１または図２の円形領域２０ａ、あるいは図１５の環状領域２０ｄに相当する部分に４５°の方位の偏光板（または１／２波長板）を貼り付けたものを、用いることができる。
【００８８】
【発明の効果】
上述したように、この発明によれば、一個の共通のフィルタリング用媒体によって、その媒体の出力側でフーリエスペクトルの各周波数成分が失われることなく、ローパスフィルタリングとハイパスフィルタリングなど、互いに相補的なフィルタリングを同時に行うことができ、もとの入力画像も容易に再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のフィルタリング装置および方法の第１の実施形態を示す図である。
【図２】この発明のフィルタリング装置および方法の第２の実施形態を示す図である。
【図３】複屈折媒体として用いる電気アドレス型の空間光変調器の一例を示す図である。
【図４】図３の空間光変調器の画素の説明に供する図である。
【図５】図３の空間光変調器に形成する複屈折分布の一例を示す図である。
【図６】複屈折媒体として用いる光記録媒体の断面構造を示す図である。
【図７】光記録媒体の光記録層の好ましい材料の一例の化学式を示す図である。
【図８】アゾベンゼンのトランス構造およびシス構造の化学式を示す図である。
【図９】アゾベンゼンの光誘起複屈折性の説明に供する図である。
【図１０】測定に用いた光学系を示す図である。
【図１１】測定結果から算出した屈折率変化を示す図である。
【図１２】測定結果の、検光子方位に対する透過光強度を示す図である。
【図１３】光記録媒体の光記録層に複屈折分布を記録して複屈折媒体を作成する方法の一例を示す図である。
【図１４】フィルタリングの実験例における各画像および各スペクトルを示す図である。
【図１５】複屈折媒体に形成する複屈折分布の他の例を示す図である。
【図１６】図１５の複屈折分布の場合のフィルタリング特性を示す図である。
【図１７】複屈折媒体に形成される複屈折分布のさらに他の例を示す図である。
【図１８】従来の光学フィルタリング方法の一例を示す図である。
【図１９】図１８のフィルタの透過率分布の一例を示す図である。
【図２０】従来の光学フィルタリング方法の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１１…入力画像光
１２…フーリエ変換用レンズ
１３…フーリエ変換像
１５…透過スペクトル
１６…逆フーリエ変換用レンズ
１７，１８，１８Ｌ，１８Ｈ…出力光
２０…複屈折媒体
２１…空間光変調器
２７…光記録媒体
２９…光記録層
３５…空間光変調器
３７…検光子
３８…偏光ビームスプリッタ
３９，３９Ｌ，３９Ｈ…光検出器
５５…空間光変調器
５８…縮小光学系
Claims (10)
- ２次元平面上の第１の領域とこの第１の領域を取り囲む第２の領域とで方位が異なる２次元の複屈折分布が形成され、その複屈折分布に応じて、前記第１の領域と前記第２の領域とに渡って入射したフーリエ変換像の偏光を変調する複屈折媒体と、
この複屈折媒体を透過した、互いに偏光方位が異なる第１の偏光成分および第２の偏光成分を含む信号光の光路中に配置された、当該信号光から前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分とを分離して取り出す偏光分離素子、および、その分離して取り出された前記第１の偏光成分および前記第２の偏光成分を別個に検出する光検出器からなる偏光分離検出部と、
を備える光学フィルタリング装置。 - 請求項１の光学フィルタリング装置において、
前記複屈折媒体と前記偏光分離素子との間に、逆フーリエ変換用レンズが配置された光学フィルタリング装置。 - 請求項１または２の光学フィルタリング装置において、
前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタである光学フィルタリング装置。 - 請求項１〜３のいずれかの光学フィルタリング装置において、
前記複屈折媒体は、電気アドレス型の空間光変調器である光学フィルタリング装置。 - 請求項１〜３のいずれかの光学フィルタリング装置において、
前記複屈折媒体は、少なくとも一面側に光誘起複屈折性を示す光記録層を有し、この光記録層に前記複屈折分布が記録された光記録媒体である光学フィルタリング装置。 - 請求項５の光学フィルタリング装置において、
前記光記録層が、側鎖に光異性化する基を有する高分子または高分子液晶である光学フィルタリング装置。 - 請求項６の光学フィルタリング装置において、
前記光異性化する基が、アゾ基である光学フィルタリング装置。 - 請求項５〜７のいずれかの光学フィルタリング装置において、
前記光記録層の厚みｄが、
Δｎ×ｄ＝（ｍ＋１／２）λ
の関係を満たす光学フィルタリング装置。ただし、Δｎは前記光記録層に誘起される複屈折による前記光記録層の屈折率変化、λは前記フーリエ変換像の波長、ｍは０または正の整数である。 - 入力画像のフーリエ変換像を、２次元平面上の第１の領域とこの第１の領域を取り囲む第２の領域とで方位が異なる２次元の複屈折分布が形成された複屈折媒体の前記第１の領域と前記第２の領域とに渡って入射させ、前記複屈折媒体を透過させて、前記複屈折分布に応じて前記フーリエ変換像の偏光を変調し、互いに偏光方位が異なる第１の偏光成分および第２の偏光成分を含む信号光を得る偏光変調ステップと、
前記信号光の光路中に配置された偏光分離素子によって、前記信号光から前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分とを分離して取り出し、光検出器によって、その分離して取り出された前記第１の偏光成分および前記第２の偏光成分を別個に検出する偏光分離検出ステップと、
を備える光学フィルタリング方法。 - 請求項９の光学フィルタリング方法において、
前記偏光変調ステップと前記偏光分離検出ステップとの間で、前記信号光を逆フーリエ変換する光学フィルタリング方法。
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