JPH03148623A - コヒーレント光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、コヒーレント光照明下において、空間的な情
報が反射物体（二次元的な空間情報が反射光の強度、位
相、偏光等を用いて空間的に変調されて表現されている
物体）の実像パターンを複数個同時に得るための光学装
置に関するものである。

［従来の技術］ 光情報処理、或いはいわゆる［光コンピユーテイングＪ
と呼ばれる分野では、光の並列性を生かした高速の行列
演算、画像間演算等を行なおうとするアプローチがあり
、この中で、透過率或いは位相で情報化された画像（透
過物体）の複製縮小像（実像）を同時に多数個得て、そ
の各々に特定の画像演算を行なわせようとするものがあ
る。こ　のような場合、簡便な構成で透過物体の複製縮
小像（実像）を同時に多数個得るための光学装置が必要
となる。

従来、この種の装置としては、第４図及び第５図に示す
ものが知られている。

第４図の装置では、ヘリウムネオンレーザ光源１から射
出したコヒーレント光が、ビームエキスパンダ２で空間
的に広がった平行光束となり、透過物体３を照明してい
る。透過物体３の直後に。

二次元的に格子状に配列したピンホールアレイ４が配置
され、その後方にレンズ５が配置されている。透過物体
３は、レンズ５の前側焦点面の近傍に配置している。

このような構成によって、レンズ５の後側焦点面６に透
過物体３のフーリエ変換パターンが多数個得られる。こ
のフーリエ変換パターンをレンズ等を用いることにより
、入力画像である透過物体３の実像が多数個得られる。

透過物体３の複素透過率をｆ　（Ｘ、ｙ）、ピンホール
アレイ４を、ピンホール径を充分に小さいと仮定してデ
ィラックの関数で表わせば、ピンホールアレイ４でサン
プリングされたｆ　（ｘ、ｙ）は。

ｆ　（ｘ　ｔ　ｙ　）Σ　Σ（ｘ−ｍＰｓ　ｙ−ｎｑ）
　　−（１）式％式％ となる。ここでｐ、ｑはピンホールのそれぞれＸ軸方向
、ｙ軸方向でのピッチである。

従って、レンズ５によって得られる（１）式のフーリエ
変換パターンは、Ｆ（ξ、η）をｆ　（ｘ。

１）のフーリエ変換とすれば。

Ｆ（ξ、η）寧Σ　Σδ（ξ−ｍ／ｐ、η−ｎ／ｑ）−
・−（２）式 となり、ｆ（ｘ、ｙ）のフーリエ変換Ｆ（ξ＊　ｑ）が
ξ、η一面すなわちレンズ５の後側焦点面に多数個得ら
れる。上記（２）式で本”の記号はコンボリューション
を表わす、また、ｌ／ｐ、１／ｑはフーリエ変換面での
Ｆ（ξ、η）の形成されるピッチを表わす。

２とｐ　、ｑとｑ′は比例する。従って、ピンホールア
レイのピッチとフーリエ変換パターンのピッチは反比例
する。

次に第５図は、計算機ホログラム−を用いて構成した多
数個のフーリエ変換パターンを得る従来技術の第２の例
である。

第４図と同様の構成で得られた平行なコヒーレント光束
で透過物体３を照明する。この透過物体３の後方に計算
機ホログラム７が配置されている。

計算機ホログラム７は、平行なコヒーレント照明を参照
光とした時、ホログラム面から所定間隔だけ離れた位置
にマトリクス状に配列した点像アレイを再生するように
コーディングされている。

具体的には、第６ＷＩに示されるようにいわゆるフレネ
ルゾーンプレートが多数個ずれて重なっているようなパ
ターンが記録されている。なお、第６図には便宜上２パ
ターンのみ示しである。

以上のような構成で、計算機ホログラムによって再生さ
れた各点像を中心に、透過物体３のフーリエ変換パター
ンを得ることができ、これらを再　　　度フーリ−エ変
換することにより、透過物体３の実像を多数得ることが
できる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、第４Ｗｉの装置の欠点は、ピンホールで
物体をサンプリングするためピンホールを透過する光量
が著しく小さく、得られるフーリエ変換パターンが極め
て暗いことにある。

これを避けるために、ピンホール径を大きくすると、フ
ーリエ変換パターンに、ピンホールの複素透過率ｈ　（
Ｘｗ　ｙ）のフーリエ変換Ｈ（ξ、η）が加味されて（
２）式は、 Ｆ（ξ、η）Ｈ（ξ、η）＊　Σ　　　Σ　　δ（ξ一
輪／ｐ′　、η−ｎ／ｑ　　）・・−（３）式 のように書き直される。即ち、ピンホールｈ　（ｘ。

１）が大きくなるとそのフーリエ変換Ｈ（ξ、η）のカ
ットオフは低周波側に動くため、得られるフーリエ変換
パターンは、高周波の情報が欠除したものになるという
欠点がある。

また第５図の構成では、多数個のフーリエ変換パターン
を得ようとして多数個のフレネルゾーンプレートを重ね
た計算機ホログラムを用いた場合。

フーリエ変換パターンを得るために必要な＋１次回折光
の他に、Ｏ次、−１次、±２次など不要な回折光が生じ
るばかりでなく、各ゾーンプレートの相互干渉（いわゆ
るモワレ）による回折光も発生し、フーリエ変換パター
ンにこれら不要回折光によるノイズパターンが著しく重
なってしまうといった欠点がある。

さらに、この種の二次元画像情報に対する処理の多くは
、−度得た出力結果に対し、次の処理を行なったり、出
力結果を再び元の光学系の入力情報に用いたりといった
処理の直列化、連続処理化が要求される。このような処
理系のカス撥−ド化を考えた場合、並列化したあとの各
画伽情報は。

そのコヒーレントに伝播していくための光軸はすべて平
行であることが望ましい、この点についても第５図の構
成では、各フーリエ変換パターンの伝播していく光軸が
平行でなく異なる方向に伝播するため、光学系、処理の
カスケード化が難しいという欠点を持つ。

さらに、第４図、第５図に示したいずれの従来例も入カ
パターンが透過物体であったが、実際は入カパターンは
透過物体ではなく「反射物体」、即ち物体の二次元的な
空間情報がその物体を照明する光の反射光の強度、位相
、偏光等を用いて空間的に変調されて表現されている場
合が多く、このような反射物体に対し同様の複製画像生
成の必要がある。

これは、入力画像を表示するのに使用される空　　　空
間光変調器の多くが［反射型」、即ち空間光変調器に対
してコヒーレント光を入射させたときに、その反射光に
対して空間的な情報を変調するタイプであるからである
、（例えばＬＣＬＶ：ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ　　
Ｌｉｇｈｔ　　Ｖａｌｖｅ、　ＰＲＯＭ：　Ｐｏｃｋｅ
ｌｓＲｅａｄｏｕｔ　　Ｏｐｔｉｃａｌ　　Ｍｏｄｕｌ
ａｔｏｒ等、　Ｓ、　Ｈ＋Ｌｅｅ編Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｉ
　ｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｐ　ｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”、
第４章等参照）。

このような空間光変調器と組み合せた実用化に対応する
ためのいわゆる「反射物体」に対する複製画像、複製フ
ーリエ変換像生成光学系として有効なものは、これまで
あまり提案されていなかった。

［問題点を解決するための手段］− コヒーレント光の照明光路中に、多数個の微小レンズを
共通の基板に一次元又は二次元的に平面配列して成る微
小レンズアレイを置き、この後側に微小レンズの径より
も充分に大きな径を持つ大径レンズを配置する。なお、
本明細書では、照明光源に近い側を「前側」、より遠い
側をｒ後側」と呼ぶことにする。

レンズアレイは、アレイ中の少くとも２個以上の微小レ
ンズにコヒーレント光が入射し、少くとも２個以上の微
小レンズが照明域外に残るように照射範囲を設定する。

また。少くとも２個以上の微小レンズを透過した光束が
大径レンズに入射するようにそのレンズ径を設定する。

さらに、微小レンズと大径レンズとを透過した光束が入
射し得る位置に光反射体を設ける。

この光反射体は、これに入射する光の偏光、位相、強度
のうちの１つ又は２つ以上を空間的に変調して反射させ
る機能を持つものを使用する。

そして、レンズアレイ中の少くとも２個以上の微小レン
ズを透過し大径レンズを透過した後上記光反射体で反射
された光が、再度大径レンズを透過したあと、前記レン
ズアレイ中の照明領域外に残された微小レンズに入射す
るように構成する。

［作　用］ 上記構成によれば、簡便でコンパクトな光学系を用いて
、反射物体の複製縮小像（実像）を多数個、充分な光量
を確保し不要な迷光ノイズなしに得ることができる。

また上記構成によれば、出力される各フーリエ１ｍパタ
ーンのコヒーレント光に伝播していく光軸がすべて平行
であり、従って、先に述べたような光学系のカスケード
化が容易に実現できる。

また上記構成は、微小レンズアレイともう１枚のレンズ
とによる極めて筒車な構成であり、小型でフライメント
調整を容易に行なうことができる。

［実施例］ 以下、本発明番図面に示した実施例について詳細に説明
する。

第１図において１１は、単一の透明基板に多数の微小レ
ンズＩＩＡ、ＩＩＢ、・・・群を一次元又は二次元的に
配列形成した微小レンズアレイであり、この微小レンズ
アレイ１１を、図外の照明光源から出たコヒーレント光
１０の光路中に、レンズ光軸を照明光軸と平行にして配
置しである。

この照明光１０は、レンズアレイ１１を構成する微小レ
ンズ群のうちの少くとも２個以上を照射するとともに、
少くとも２個以上のレンズが照明域外に残るように、例
えば全レンズのうちのおよそ半数（レンズアレイ基板の
略片半分領域）に入射するように照射範囲を設定する。

なお、照明方法については従来装置と同様であってもよ
い。

微小レンズアレイ１１を透過した光ビーム１２は、個々
の微小レンズＩＩＡ、ＩＩＢ、−・・でそれぞれ収束光
となり、一度焦点を結んだあと発散光となる。

微小レンズアレイ１１の後方には第１の大径レンズ１３
を、自身の前側焦点面と微小レンズアレイ１１の後側焦
点面とがほぼ一致するように配置する。

この大径レンズ１３は、レンズアレイ１１の各々の微小
レンズから射出して大径レンズ１３に向って発散してく
る光束１２が、その暗面のおよそ半分の領域の中にすべ
て入射できるだけの瞳面大きさを持っている。

レンズアレイ１１の各々の微小レンズから射出された光
ビーム１２は、第１の大径レンズ１３によってコリメー
トされ、大径レンズ１３の後側焦点位置で空間的に重な
る。この位置に反射型空間光変調器１４を配置する。反
射型光変調器１４は。

インコヒーレント画像１６が第２の大径レンズ１５を用
いて変調器１４の反対面１４Ｂに結像さ九ているとき、
その光強度に応じた画像情報を反射面１４Ａに表示し、
反射面１４Ａで反射したコヒーレント光を画像情報で変
調する機能を持つものであり、例えば先に例示した公知
のＬＣＬＶ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｌｉｇｈ
ｔ　Ｖａｌｖｅ）を用いることができる。例えばＬＣＬ
Ｖの一般的な動作としては、インコヒーレント画像１６
の像の光強度に比例した量だけ反射面１４Ａに入射する
コヒーレント光の偏光を回転させる。

従って、コヒーレント照明光１０の偏光方向を適当に設
定し、反射面１４Ａのあとの光路中の適当な位置に偏光
板を挿入することにより、インコヒーレント画像１６の
情報がコヒーレント光の光強度によって変調されて表現
されることになる。

勿論、変調器１４の反対面１４Ｂ上の画像はコヒーレン
トな画像であってもよいし、反射型光変調器１４による
コヒーレント光の変調は、反射面１４Ａにおいてその反
射率、位相等他のパラメータを用いて行なわ九でもよい
。

以上のように、レンズアレイ１１の各々の微小レンズＩ
ＩＡ、ＩＩＢ、・−・を通過したあと、第１の大径レン
ズ１３を介して反射型空間光変調器１４に入射したコヒ
ーレント光束は、反射面１４Ａで画像情報が変調されて
反射される。この各反射光（入射光１２Ａに対応する反
射光を１７Ａ、１２Ｂに対応する反射光を１７Ｂとして
示している）は再び第１大径レンズ１３に入射するが、
今度はその瞳面のうち往路時とは反対の約半分の領域内
に入る。

第１の大径レンズ１３を通過後、各反射光１７Ａ、１７
Ｂ、・−・は、第１大径レンズ１３の前側焦点面上の各
微小レンズに対応する位置に、変調器反射面１４Ａ上の
画像のフーリエ変換パターンをそれぞれ形成する。

このような反射面１４Ａ上の画像のフーリエ変換パター
ンを形成した光束はさらに伝播し、レンズアレイ１１基
板のうち照明域外に残されていた約半分の領域に到達す
る。この領域には、各フーリエ変換パターンの到達（入
射）する位置に対応して微小レンズ群１１Ａ　、ＩＩＢ
　、・・・が配置されている。

即ち、レンズアレイｌｌの照明領域内にある微小レンズ
ｌＩＡを通過した光１２Ａは、大径レンズ１３を通過後
反射面１４Ａで反射し、再度大径レンズ１３を通過した
後、レンズアレイ１１の照明領域外にある微小レンズ１
１Ａ′に入射し、微小レンズＩＩＡの前側焦点面に反射
面１４Ａの画像情報の縮小実像を形成する。

同様にして、照明領域内にある上記とは別の微小レンズ
ＩＩＢを通過した光１２Ｂも、照明領域外にある上記と
は別の微小レンズ１１Ｂ′の前側焦点面に反射面１４Ａ
の画像情報の縮小実像を形成する。

このようにして、照明領域内の各微小レンズ１１Ａ，Ｉ
ＩＢ，−・−と照明領域外の各微小レンズ１１Ａ　、Ｉ
ＩＢ　、・・・の位置をすべて１対１に対応させて配置
することにより、照明領域外の各微小レンズＩＩＡ　、
ＩＩＢ　、・・・の前側焦点面位置に、反射面１４Ａの
画像情報の縮小実像が同時に多数個得られる。

従って、この面上の各縮小実像の位置に、各々異なった
パターンの透過画像アレイ１８を置き。

その後方の各反射光、各フィルタに対応する位置にディ
テクタアレイ１９を配置すれば、個々のディテクタ１９
Ａ、１９Ｂ、・・・によって、反射面１４Ａ上の画像（
インコヒーレント画像１６）の縮小実像に対して異なる
画像演算を施した結果がそれぞれ検出される。

例えば、入力画像をＩ　（Ｘ、ｙ）、透過画像アレイ１
８の各画像をＭｓ　（ｘｅ　ｙ）；　ｊ＝１ｔ・・・。

Ｎ　ｃ　（Ｎｔ、は透過画像の数で、微小レンズＩＩＡ
。

１１Ｂ、−−・かつくる縮小実像の数に等しい）とし、
各ディテクタで各透過画像透過後の全光量を積分して検
出するとすれば、各ディテクタの出力Ｓ、は、 ＳＪ＝　／　Ｉ　（ｘｅ　ｙ）　ＭＪＣｙ４ｅ　ｙ）　
ｄ　ｘ　ｄ　ｙとなる。

本実施例では、異なる画像Ｍ、と入力Ｉとの積和演算、
の結果ＳｊをＮＥ、チャネル同時に並列検出できる。勿
論、反射面１４Ａによる反射光の変調のされ方（例えば
位相、強度、偏光の回転等）によって反射光路中に偏光
板等必要な光部品が挿入されることは言うまでもない。

以上のような構成で、入力画像（インコヒーレント画像
１６）と透過画像アレイ１８との並列画像演算処理が行
なわれる。

本発明で使用する微小レンズアーレイ１１は、ガラス、
プラスチック等の透明平板の肉厚内に、周囲よりも屈折
率の大な略半球状を成したレンズ部分をイオン交換法等
を用いて平面的に多数配列形成した平板レンズ型のもの
であってもよいし、あるいは基板表面に突出する微小球
面で各微小レンズを構成したいわゆるフライアイレンズ
型のものであってもよく、構造に特に制限はない。

またインコヒーレント画像１６は、例えばテレビ画像、
ＬＥＤアレイによる表示素子、ＥＬディスプレイ、液晶
ディスプレイ等であり、反射型空間光変調器１４の反射
面１４Ａ上に充分な光強度を伝達することができれば、
特に制約はなく、またコヒーレントな画像であってもよ
い。

また反射型空間変調器１４は、反射物体の一例であり、
その代りに例えば同じ位置に反射型ホログラムを配置し
てもよい、反射型ホログラムを。

各照明光１２Ａ、１２Ｂ、・・・を参照光として物体光
を再生できるように作製しておけば、同様の光並列処理
が行なえる。この場合、各参照先に対して異なる画像を
記録しておけば、各照明光に対応する位置に、個々に異
なったフーリエ変換パターンや、個々に異なった実像を
形成することができ、フィルタアレイ１３の各フィルタ
に対して個別の入力画像を参照させて演算処理をするこ
とができる。

第２図は、第１図の要部をとり出して示したもので、反
射面１４Ａ上の画像の実像がどのようにして微小レンズ
ＩＩＡ　、ＩＩＢ　、・・・の前側焦点面上に得られる
かを示している。

第３図は本発明の他の実施例を示したもので。

第１図（又は第２図）の光学系に加えて、第２の透過画
像アレイ２０を配置したものである。

第２の透過画像アレイ２０の各画像をＮａ（ｘｔｙ）：
ｊ＝１ｅ−・・、Ｎｔ、（透過画像アレイと同様。

各微小レンズＩＩＡ，ＩＩＢ，・・・の位置に対応して
配置されている）とすれば、この光学系で。

ＳＪ＝　／　Ｎ、（Ｘ、　ｙ）　Ｉ　（ｘ、　ｙ）　Ｍ
Ｊ（ｘ、　ｙ）　ｄｘｄｙなる３つの画像の積和演算が
Ｎｔ、チャネル並列に行なうことができる。

また、これらの透過画像アレイ１８．２０を、微小レン
ズアレイ１１の反対側の焦点面（第６図中２１で示して
いる）に置けば−Ｎｓ（”ｅ　ｆｆ）　ｖＭ３（ｘ、ｙ
）は空間周波数フィルタと′して作用し、ＮＬチャネル
の並列な空間周波数フィルタリング処理ができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、従来はコヒーレント照明下において入
力画像の多数個のフーリエ変換パターンや多数個の複製
実像を作製するのに不可欠だったピンホールアレイや計
算機ホログラム等を用いることなく、充分な光量をもっ
た鮮明なフーリエ変換パターン、複製実像を不要なノイ
ズ光が重なることなしに得ることができる。

また本発明は、１枚の微小レンズアレイ板と１枚のレン
ズの組み合せといった極めて簡単な構成により、反射型
光変調器等の使用に適した反射物体を入力画像とする光
並列処理光学系を実現でき。

また往路、復路で同一の微小レンズアレイ板を使用する
ため、アライメント調整が容易であるという利点もある
。

さらに本発明は、その出力たる多数個のフーリエ変換パ
ターン、或いは多数個の複製実像の光パターンの個々の
光パターンの伝播する光軸がすべて平行であるため、そ
の出力を再度次の光学系の入力にするなど、いわゆるカ
スケード処理に適した構成になっている。

以上のように、本発明により、簡便で実用性の高い高性
能なコヒーレント光並列処理光学系が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１、図は本発明の第一実施例を示す側面図、第２図は
第１図の要部について示す側面図、第３図は本発明の第
二実施例を示す側面図、第４図は従来技術の第一の例を
示す側面図及び要部正面図。 第５図は従来技術の第二の例を示す側面図、第６図は第
５図で使用する計算機ホログラムを示す正面図である。 １０・−・コヒーレント照明光、１１・−微小レンズア
レイ、ＩＩＡ、ＩＩＢ、１１Ａ、、ＩＩＢ・・−微小レ
ンズ、１３．１５・・・大径レンズ、１４−・・反射型
空間光変調器、１４Ａ−・−反射面、１６・・−インコ
ヒーレント画像、１７Ａ、１７Ｂ・・−反射光。 １８．２０・・・透過画像アレイ、１９・−・ディテク
タアレイ、２１・・・微小レンズアレイ焦点面。 −二司゜・−ご・； 第４図 ／／（／ル 第５図 ｆ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. コヒーレント光の照明光路に、多数個の微小レンズを同
   一基板に一次元又は二次元に配列形成して成る微小レン
   ズアレイを配置するとともに、前記コヒーレント照明光
   が少くとも２個以上の微小レンズに入射し、少くとも２
   個以上の微小レンズが照明領域外に残るように前記レン
   ズアレイに対する照明範囲を設定し、また前記微小レン
   ズアレイの後方に、少くとも２個以上の微小レンズを透
   過した光束を受け入れ得る瞳面大きさをもつ大径レンズ
   を配置し、さらに該大径レンズの後方に光反射体を配置
   し、該光反射体は、これに入射する光の偏光、位相、強
   度のうち少くとも１つ以上を空間的に変調して反射させ
   る機能を持ち、且つ前記２つ以上の微小レンズを透過し
   大径レンズを透過した後前記光反射体で反射した光が、
   再度前記大径レンズを透過した後、前記レンズアレイ中
   の照明領域外にある残りの微小レンズに入射するように
   したことを特徴とするコヒーレント光学装置。