JP4551363B2 - 空間光変調装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶を光変調材料とする空間光変調装置に関し、特に反射型空間光変調器を用いた空間光変調装置に関する。

空間光変調装置には、強度変調型と位相変調型の２つのタイプがある。前者の強度変調型は、液晶テレビやプロジェクタのライトバルブなどに用いられるタイプのものであり、多くの空間光変調装置はこのタイプである。一方、光情報処理やホログラム処理などの分野では後者の位相変調型が有望と考えられている。というのは、位相変調型は強度変調型と異なり、光の利用効率を高くすることができるからである。このような位相変調型の空間光変調器を利用したシステムについては、Ｊ・グルックスタットらが"Loseless Light Projection",Optics Letters Vol.22, No.18で開示している。

反射型の空間光変調装置の場合、透過型と異なり、読み出し光の入射面と変調光の出射面は同一面であるので、通常はハーフミラーを用いて変調光を読み出し光から分離している。この結果、光の利用効率が下がり、位相変調型のメリットが失われてしまう。ハーフミラーを使用しないシステムとしては、読み出し光を入射面に対して斜めに入射させることで、読み出し光と変調光の光軸をずらす方法があるが、液晶層に斜めに光を入射させた場合、変調光の偏波面が回転するため、垂直入射と比較して低い回折効率しか得られない。この結果、低い光利用効率しか得られないという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みて、反射型空間光変調器を利用し、光の利用効率の高い空間光変調装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、液晶を光変調材料とする光変調層と光反射層とを有し、該光変調層に光反射層の反対側から入射させた読み出し光を該光反射層で反射させて光変調層を再び通過させることで２回光変調を行い変調光を入射面側から出力する位相変調型の反射型空間光変調器と、反射型空間光変調器に画像情報を書き込むための書き込み手段と、反射型空間光変調器の入射面側に配置され、読み出し光の光軸と反射型空間光変調器の入射面の法線とを含む法面内に偏光方向を有する直線偏光でＰ偏光の光を読み出し光として反射型空間光変調器に入射させる読み出し光入射手段とを備え、変調光もまた法面内に偏光方向を有する直線偏光でＰ偏光の光であって、読み出し光入射手段は、法面内で入射面の法線に対して傾けられた軸を光軸として、読み出し光を反射型空間光変調器の光反射層に斜めに入射させるように構成され、光変調層内の液晶は、電圧印加に伴って、読み出し光と変調光の両方の光軸を含む法面と平行な面内で液晶分子が傾斜するよう配向されていることを特徴とする。

これによれば、読み出し光の光軸と空間光変調器の入射面の法線を含む法面内に偏光方向を有する直線偏光の読み出し光を斜めに入射させると、読み出し光は、読み出し光の光軸と空間光変調器の入射面の法線を含む法面内に偏光方向を有する光となる。光変調層内の液晶は、電圧印加に伴いこの法面内で傾斜するように配置されているので、読み出し光の偏光と液晶分子の配向方向に捻じれが生じないので、偏波面を回転させることなく位相変調を施すことができる。反射光も同様であるから最終的に出力される変調光の偏波面は入射光と同一であり、法面内に偏光方向を有する直線偏光の光として出力される。したがって、垂直入射時と同様に高い回折効率を保つことが可能である。

変調光の出射光路上に配置され、変調光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズをさらに備えることが好ましい。

情報出力用レーザダイオードアレイを備える第１の並列演算ボードと、情報入力用受光器アレイを備える第２の並列演算ボードとの間での素子間の接続を切り替える空間光変調装置であって、第１の並列演算ボードの情報出力用レーザダイオードアレイは、読み出し光を反射型空間光変調器に入射させる読み出し光入射手段であり、第１の並列演算ボードから出力される読み出し光を反射型空間光変調器に入射させるとともに、変調光を第２の並列演算ボードの情報入力用受光器アレイへ入射させるプリズムと、読み出し光及び変調光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、をさらに備えることが好ましい。

書き込み手段は、書き込み光を出射する書き込み光源と、書き込み光が通過する際に所定の画像情報を当該書き込み光に書き込む液晶テレビと、書き込み光に書き込む画像情報を制御する制御手段と、を有することが好ましい。

読み出し光入射手段は、法面内に偏光方向を有するＰ偏光の光を読み出し光として反射型空間光変調器に入射させ、変調光もまた法面内に偏光方向を有するＰ偏光の光であってもよい。

読み出し光入射手段がレーザであることが好ましい。

光変調層内の液晶は、垂直配向あるいは水平配向処理されていることが好ましい。液晶を垂直配向、あるいは水平配向処理することにより液晶分子は、所定の面内に捻れなしに配列される。この所定の面を法面に合わせることで偏波面の回転なしに位相変調を施すことが容易になる。

読み出し光入射手段は、読み出し光を反射型空間光変調器の光反射層に斜めに入射させることが好ましい。

本発明によれば、読み出し光に法面内に偏光方向を有する直線偏光を斜め入射で用い、空間光変調器の光変調層内の液晶を、電圧印加に際して読み出し光の法面に平行な面内で液晶分子が傾斜するように配向しているので、光変調に際して光の偏波面が回転することがない。そして、空間光変調器に斜めに光を入反射させるので、入射光軸と出射光軸が分離され、入射、出射の光学系の配置の自由度が増し、光の利用効率が高められる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る空間光変調装置の光変調層の構成を示す概略断面図であり、図２は、この光変調層を有する光変調器部分の構成を示す概略断面図であり、図３は、この光変調器を有する本発明に係る空間光変調装置の第１の実施形態を示す概略図である。

まず、図１、図２を参照して本発明に係る空間光変調装置に用いられる空間光変調器の構造について説明する。

図２に示される空間光変調器（ＳＬＭ）１は、書き込み光の入射面に入射光の不要な反射を防止するＡＲコート１１を施したガラス基板１２の入射面と反対の面に、ＩＴＯ１３を介して入射光の強度に応じて抵抗が変化するアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなる光導電層１４と誘電体多層膜製のミラー層１５が積層されている。一方、読み出し光側は、同じくＡＲコート２２を施したガラス基板２１の入射面と反対の面にＩＴＯ２０が積層されており、ミラー層１５とＩＴＯ２０上に配向層１６、１９がそれぞれ設けられて、これらの配向層１６、１９同士を対向させて枠状のスペーサー１８を介して接続し、スペーサー１８の枠内にネマチック液晶を充填して液晶層を設けて、光変調層１７を形成している。配向層１６により、光変調層１７内のネマチック液晶は配向層１６の表面に対して、平行あるいは垂直に配向されている。そして、ＩＴＯ１３、２０に駆動装置２が接続されて、両者の間に所定の電圧が印加されている。

ここで、光変調層１７内の液晶の配向について図１を参照して説明する。図１（ａ）は、光変調層１７として平行配向液晶型を用いた場合を、同図（ｂ）は、垂直配向液晶型を用いた場合をそれぞれ示している。

図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、図の紙面に垂直な方向をＸ方向とし、紙面をＹＺ平面とし、光変調層１７の厚み方向をＺ方向とする。本発明に係る空間光変調装置においては、後述するように、光変調層１７に入射する光は、図１（ａ）及び（ｂ）におけるＹＺ平面を法面としている。ここで、法面とは、直線偏光の光がミラーに入射して反射される際に入射光軸、反射光軸、ミラーの法線のいずれをも含む面を指すものである。そして、入射光はＰ偏光、すなわち、この法線内に偏光方向を有している直線偏光の光である。そして、光変調層１７内の液晶は、光変調層１７に電圧を印加した際にこの法面に平行な面内で配向方向が傾くように配向されている。このように光変調層１７内の液晶分子を配向させることで、入射した光の偏波面が回転することがなく、出射光の偏光方向もＰ偏光のまま維持される。

次に、図３を参照して本発明に係る光変調装置の第１の実施形態について説明する。図２に示されるＳＬＭ１の書き込み光入射面側に、書き込み光の光源３と、書き込み光の画像を表示する透過型液晶テレビ５と、書き込み光に含まれる画像信号をＳＬＭ１の光導電層１４に結像させる結像レンズ６とが配置されており、透過型液晶テレビ６には、画像表示を制御する書き込み用電気信号発生器４が接続されている。

一方、ＳＬＭ１の読み出し光入射面側には、この入射面の法面内で法線と角度θ傾けられた光軸上に、読み出し光光源となるＨｅ−Ｎｅレーザ７と、レンズ８と、スペイシャルフィルタ９と、コリメートレンズ１０とが配置されており、出射光路上には、フーリエ変換レンズ３０が配置されている。

続いて、本実施形態の動作を説明する。書き込み光側の光源３から出射された書き込み光には、液晶テレビ５を通過する際に、電気信号発生器４の制御により所定の画像情報が書き込まれる。この画像情報を有する書き込み光は、結像レンズ６によりＳＬＭ１の光導電層１４に結像される。ＳＬＭ１の両ＩＴＯ１３、２０間には駆動装置２により数ボルトの交流電圧が印加されているが、光導電層１４に書き込まれた画像によって、光導電層１４は画素位置によって電気的インピーダンスが変化する。この結果、光変調層１７は画素位置によって印加される電圧の分圧が異なってくる。この場合、光源３、液晶テレビ５、及び電気信号発生器（制御手段）４がＳＬＭ１に画像情報を書き込むための書き込み手段として機能する。

一方、Ｈｅ−Ｎｅレーザ７から出射された直線偏光光は、レンズ８、スペイシャルフィルタ9、コリメートレンズ９により平行光に調整され、Ｐ偏光としてＳＬＭ１の光変調層１７へと入射する。前述したように、光変調層１７は画素位置によって印加される電圧の分圧が異なるので、この電圧に応じて液晶分子の傾きが変化する。このとき、液晶分子は法面内でその配向方向が変化する。この結果、画素位置によって光変調層１７の屈折率が変化する。光変調層１７に入射した読み出し光はこの屈折率変化により位相変調され、ミラー層１５により反射されて、入射面から再び出力される。このときに、偏波面の回転が起こらないので、効率の良い位相変調が行なえる。出射された読み出し光をフーリエ変換レンズ３０でフーリエ変換することにより、所定のホログラム画像を表示することができる。この場合、Ｈｅ−Ｎｅレーザ７、レンズ８、スペイシャルフィルタ９、及びコリメートレンズ１０がＳＬＭ１に読み出し光を入射させる読み出し光入射手段として機能する。

本発明者らは、本発明に係る空間光変調装置の光利用効率向上を確認するための比較実験を行なったので、以下、その結果について報告する。

実験は、図３に示される装置において、液晶テレビ６に縦じま画像を表示させ、表示させる縦じまの本数、つまり空間周波数と読み出し光の入出射角度θを変えた時に、ＳＬＭ１から出射される読み出し光の１次回折光の強度割合、すなわち回折効率を測定したものである。実験に際しては、ＳＬＭ１の光変調層１７として平行配向液晶を用い、本発明に係る図１（ａ）に示される配向を用いた実施例と、図４に示されるように、読み出し光にＳ偏光を用い、読み出し光の法面に液晶の配向方向を直交して配置した比較例とで、比較を行なった。

図５に実施例の回折効率の実験結果を、図６R>６に比較例の回折効率の実験結果をそれぞれ示す。

実施例では、入出射角θが変化しても回折効率はほぼ一致して高い効率を示しているのに対し、比較例では、入出射角θが大きくなるほど回折効率が低下していることが確認された。実施例、つまり、本発明に係る第１の実施形態では、回折効率、つまり光の利用効率を高く維持したまま入出射角θを大きくとることができる。このため、読み出し光の入射光路と出射光路を追加の光学部材を用いることなく完全に分離することができる。したがって、高い光の利用効率を得ることができる。さらに、入射光路と出射光路の設計の自由度が増すという利点がある。

図７は、本発明に係る空間光変調装置の第２の実施形態を示す概略図である。この装置は、光で情報をやりとりする並列演算ボード４０と５０の間で各素子間の接続を切り替える光インターコネクション装置６０である。

両並列演算ボード４０、５０は、それぞれ情報入力用の受光器アレイ４１、５１と情報出力用のレーザダイオードアレイ４２、５２を備えている。そして、光インターコネクション装置６０は、並列演算ボード４０のレーザダイオードアレイ４２と並列演算ボード５０の受光器アレイ５１の間に配置されている。

インターコネクション装置６０は、図１、図２に示される構造のＳＬＭ１を備えており、その読み出し光入射面側には、入射面側からフーリエ変換レンズ３０とプリズム６１が配置されている。一方、書き込み光入射面側には、入射面側から結像レンズ６、書き込み画像表示用の透過型液晶テレビ５、光源３が配置され、液晶テレビ５は書き込み画像制御装置４に接続されている。

次に、この光インターコネクション装置６０の動作を説明する。制御装置４を制御して液晶テレビ５に光路切替用のホログラムパターンを表示させ、光源３から書き込み光を出射させると、結像レンズ６を介して、液晶テレビ５に表示されたホログラムパターンがＳＬＭ１の光導電層１４に結像される。この場合、光源３、液晶テレビ５、制御装置（制御手段）４、及び結像レンズ６がＳＬＭ１に画像情報を書き込むための書き込み手段として機能する。

並列演算ボード４０の出力信号は、レーザダイオードアレイ４２により２次元あるいは１次元の画像情報として出力される。この画像は、プリズム６１により反射され、フーリエ変換レンズ３０を介してＳＬＭ１に導かれる。そして、ＳＬＭ１の光変調層１７へと入射される。液晶テレビ５に表示された光路切替用のホログラムパターンに応じて読み出し光は所定の光変調を受ける。こうして変調された画像は、再びフーリエ変換レンズ３０を介してプリズム６１により反射されて並列演算ボード５０の受光器アレイ５１へと入射する。液晶テレビ６に表示するホログラムイメージを変えることにより、並列演算ボード４０のレーザダイオードアレイ４２と並列演算ボード５０の受光器アレイの任意の画素同士の接続を切り替えることが可能である。この場合、並列演算ボード４０、及びレーザダイオードアレイ４２がＳＬＭ１に読み出し光を入射させる読み出し光入射手段として機能する。

読み出し光として直線偏光を用い、ＳＬＭ１の液晶配向方向を図１（ａ）または（ｂ）のように設定することで、高い回折効率を得ることができるので、並列演算ボード４０、５０間を確実に接続することができる。

本発明の空間光変調装置は、以上説明した実施形態に限られるものではなく、位相変調を利用する各種の空間光変調装置に適用可能である。例えば、コンピュータ合成ホログラム、光コンピューティングなどに適用できる。直線偏光の光源としては、各種のレーザを用いることができる。

また、液晶の配向方向は、図１（ａ）及び（ｂ）に示される水平配向、垂直配向に限られるものではなく、ハイブリッド配向や傾斜配向であってもよい。ただし、電圧印加に際して液晶分子が法面内で傾斜するような方向に配向している必要があることは言うまでもない。

本発明に係る空間光変調装置の光変調層内の液晶配置を説明する図である。 本発明に係る空間光変調装置に用いられる空間光変調器の構成を示す図である。 本発明に係る空間光変調装置の第１の実施形態を示す図である。 比較例の空間光変調装置の光変調層内の液晶配置を説明する図である。 第１の実施形態における回折効率の測定結果を示すグラフである。 比較例における回折効率の測定結果を示すグラフである。 本発明に係る空間光変調装置の第２の実施形態を示す図である。

符号の説明

１…空間光変調器、２…駆動装置、３…光源、５…液晶テレビ、６…結像レンズ、７…レーザ、１３、２０…ＩＴＯ、１４…光導電層、１５…ミラー層、１７…光変調層、３０…フーリエ変換レンズ。

Claims (6)

1. 液晶を光変調材料とする光変調層と光反射層とを有し、該光変調層に前記光反射層の反対側から入射させた読み出し光を該光反射層で反射させて前記光変調層を再び通過させることで２回光変調を行い変調光を入射面側から出力する位相変調型の反射型空間光変調器と、
   前記反射型空間光変調器に画像情報を書き込むための書き込み手段と、
   前記反射型空間光変調器の前記入射面側に配置され、前記読み出し光の光軸と前記反射型空間光変調器の前記入射面の法線とを含む法面内に偏光方向を有する直線偏光でＰ偏光の光を前記読み出し光として前記反射型空間光変調器に入射させる読み出し光入射手段とを備え、
   前記変調光もまた前記法面内に偏光方向を有する直線偏光でＰ偏光の光であって、
   前記読み出し光入射手段は、前記法面内で前記入射面の法線に対して傾けられた軸を光軸として、前記読み出し光を前記反射型空間光変調器の前記光反射層に斜めに入射させるように構成され、
   前記光変調層内の液晶は、電圧印加に伴って、前記読み出し光と前記変調光の両方の光軸を含む前記法面と平行な面内で液晶分子が傾斜するよう配向されていることを特徴とする空間光変調装置。
2. 前記変調光の出射光路上に配置され、前記変調光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の空間光変調装置。
3. 情報出力用レーザダイオードアレイを備える第１の並列演算ボードと、情報入力用受光器アレイを備える第２の並列演算ボードとの間での素子間の接続を切り替える空間光変調装置であって、
   前記第１の並列演算ボードの前記情報出力用レーザダイオードアレイは、前記読み出し光を前記反射型空間光変調器に入射させる前記読み出し光入射手段であり、
   前記第１の並列演算ボードから出力される前記読み出し光を前記反射型空間光変調器に入射させるとともに、前記変調光を前記第２の並列演算ボードの前記情報入力用受光器アレイへ入射させるプリズムと、
   前記読み出し光及び前記変調光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の空間光変調装置。
4. 前記書き込み手段は、書き込み光を出射する書き込み光源と、前記書き込み光が通過する際に所定の画像情報を当該書き込み光に書き込む液晶テレビと、前記書き込み光に書き込む前記画像情報を制御する制御手段と、を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の空間光変調装置。
5. 前記読み出し光入射手段がレーザであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の空間光変調装置。
6. 前記光変調層内の液晶は、垂直配向あるいは水平配向処理されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載の空間光変調装置。

Images