JPH05273503A - 空間光変調器および空間光変調方法 - Google Patents

空間光変調器および空間光変調方法

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JPH05273503A
JPH05273503A JP11948592A JP11948592A JPH05273503A JP H05273503 A JPH05273503 A JP H05273503A JP 11948592 A JP11948592 A JP 11948592A JP 11948592 A JP11948592 A JP 11948592A JP H05273503 A JPH05273503 A JP H05273503A
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JP
Japan
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light
refractive index
composite layer
film
spatial
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JP11948592A
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English (en)
Inventor
Takayuki Okamoto
隆之 岡本
Ichiro Yamaguchi
一郎 山口
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RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Original Assignee
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、光情報を電気情報に変換す
ることなく、高効率で光変調し得る表面プラズモン共鳴
を用いた空間光変調器を提供する。 【構成】 光照射により屈折率が変化する物質と金属と
の複合層を有する光波結合器から成る空間光変調器。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ディスプレイ、光情報
処理に用いられる空間光変調素子に係り、詳しくは、空
間的2次元情報をもった書き込み光(または、「変調
光」という。)を用いて、他の読み出し光(または、
「被変調光」という。)の空間的な2次元強度分布を実
時間で変調する表面プラズモン共鳴を用いた空間光変調
器に関する。
【0002】
【従来の技術】光学的あるいは電熱的に入力情報を空間
光変調素子に与えると、空間光変調素子を透過もしくは
反射するレーザー光やインコヒーレント光は、その入力
情報によって変調を受け、2次元画像、処理画像、コヒ
ーレント画像となって出力される。空間光変調素子は、
光学像、光ビーム、電気信号等の情報書き込み手段によ
って、例えば、光伝導体と表示媒体、光吸収体と表示媒
体、CCDやマトリックス電極と表示媒体等の組み合わ
せがあり、その表示媒体には液晶、電気光学結晶等が用
いられている。上述したなかで特に光書き込み型の空間
光変調素子は、光演算において非常に重要な素子であ
る。従来この素子は、主として光導電性物質と電気光学
効果をもつ物質を組み合わせることで実現されてきた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの素子
では、光情報は光導電性物質を介して一旦電圧分布の形
に変換されるので、必ず電気エネルギーの供給が必要で
あるという欠点があった。また、全光型の空間変調素子
としてはフォトリフラクティブ結晶を用いた空間光変調
法(四光波混合、二光被結合)も提案されているが、情
報を干渉縞の形で書き込むため、干渉計を組まなくては
ならず、光学系が複雑になり、更に、変調効率も低いと
いう欠点があった。
【0004】一方、本発明者等は、試料の屈折率もしく
は膜厚の絶対値を一意的に決定し得るプラズモン顕微鏡
を開発し、特願平3−43639号に提案した。このプ
ラズモン顕微鏡は、底面に金属薄膜を蒸着したプリズム
から成る光波結合器を誘電体試料と面接触させ、その面
接触域の一点にp偏光のレーザー光を収束投射するよう
に構成したものである。具体的には、レーザー光を投射
することにより金属と誘電体との界面に表面プラズモン
を励起し、反射光強度の角度分布の最小値を与える角度
から、試料の屈折来を求めるものであった。ここで、表
面プラズモンの励起状態を表面プラズモン共鳴と呼び、
その共鳴の強さは光束の入射角に強く依存する。
【0005】そして本発明者等は、上記の研究過程で、
プリズムの底面の金属薄膜上に屈折率が変化する物質を
覆層した光波結合器を作製し、その複合層に2次元情報
をもつ書き込み光を投射すると、p偏光の読み出し用レ
ーザー光の反射強度が表面プラズモン共鳴によって変調
されることが確認され、空間光変調素子として有効であ
ることを見い出した。つまり、本発明は光情報を電気情
報に変換することなく、高効率で光変調し得る表面プラ
ズモン共鳴を用いた空間光変調器を提供することを目的
とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、光照射に
より屈折率が変化する物質と金属との複合層を有する光
波結合器から成ることを特徴とする空間光変調器によっ
て達成することができ、前記の光照射により屈折率が変
化する物質としては色素含有膜、フォトリフラクティブ
結晶、液晶を用いることができる。また、光波結合器と
しては、プリズム、回折格子を用いることができる。
【0007】また、光照射により屈折率が変化する物質
と金属との複合層を有する光波結合器に表面プラズモン
共鳴が最も強く起きる角度で前記の複合膜ヘ被変調光を
投射し、同時に前記の複合層へ変調光を投射することを
特徴とする空間光変調方法によって達成することができ
る。更に、光照射により屈折率が変化する物質と金属と
の複合層を有する光結合器に変調光を投射したときの表
面プラズモン共鳴が最も強く起きる角度で前記の複合層
へ被変調光を投射し、同時に前記の複合層へ変調光を投
射することを特徴とする空間光変調方法によって達成す
ることができる。
【0008】光照射により屈折率が変化する物質として
は、上述したものの他に紫膜,フォトクロミック材料等
を利用することもできる。なお、上記色素含有膜の具体
例としてはメチルオレンジとポリビニルアルコールとの
混合物、メチルレッドとポリメチルメタクリレートとの
混合物等、また、フォトリフラクティブ結晶の具体例と
しては、チタン酸バリウム、ケイ酸ビスマス等を用いる
のが好ましい。
【0009】(作用)プリズムや回折格子などの光結合
器に金属薄膜を真空蒸着などで堆積し、更にその上に光
照射により屈折率が変化する物質を隙間なく密着させ、
空間情報をもった書き込み光をこの屈折率が変化する物
質に照射すると、その結果、この媒質は光強度に依存し
た屈折率分布をもつことになる。被変調光である平面波
でかつp偏光の読み出し光は、光波結合器を介して屈折
率変化物質と金属薄膜との界面に照射される。この被変
調光により、金属と屈折率変化媒質との界面に表面プラ
ズモンが励起(表面プラズモン共鳴)される。この共鳴
の強さは変調光である読み出し光の入射角と屈折率変化
媒質の屈折率に強く依存する。ここで、表面プラズモン
共鳴が最も強く起きる読み出し光の入射角を共鳴角と呼
ぶ。表面プラズモンの励起が強いほど被変調光のエネル
ギー損失が大きく、反射光の強度は小さくなる。その結
果、被変調光には、屈折率変化媒質の屈折率分布に対応
した空間強度変調が与えられる。
【0010】図8は、プリズムの屈折率が1.88、厚
さ55nmの銀薄膜を用いて読み出し光の入射角を60
°と59.5°に設定したときの屈折率変化媒質の屈折
率と反射率の関係を示すグラフである。同図において、
入射角が60°のとき、書き込み光がない場合の屈折率
変化媒質の屈折率が1.52であるとすると、そのとき
の反射率は最小となる。この状態で書き込み光を照射す
ると屈折率変化媒質の屈折率が小さくなり反射光強度は
大きくなる。この変調光をポジ型と呼ぶ。これに対し
て、例えば、図8に示すように入射角を59.5°に設
定した場合、書き込み光がない状態で反射光強度は大き
く、書き込み光を照射することにより、屈折率が小さく
なり、その結果、反射率光強度が小さくなる。これによ
りネガ型が実現できる。
【0011】
【実施例】以下に、図を参照して本発明の実施例を説明
する。図1は、本発明の空間光変調器を用いたシステム
の構成図である。空間光変調器は、屈折率1.88のプ
リズム7から成る光波結合器の底面に厚さ55nmの銀
薄膜6を真空蒸着し、その上に色素含有膜5を堆積して
複合層を形成した。前記色素含有膜5としてはメチルオ
レンジをポリビニルコールにドープしたものを用いた。
厚さは約10μmである。書き込み光としは、波長48
8nmのアルゴンイオンレーザー光を用い、一方、読み
出し光には、波長633nmのp偏光のヘリウムネオン
レーザー光を用いた。
【0012】書き込み光を発生するレーザー発振装置1
から出射したアルゴンイオンレーザーを、ビームエクス
パンダー2で平行光にして、書き込むべき2次元空間情
報を透過率分布の形で記録したスライドフィルム3を透
過させ、プリズム底面の複合層の大気側から結像レンズ
4で銀薄膜6と有機色素含有膜5の界面12に結像する
ように照射した。一方、読み出し光を発生するレーザー
発振装置9から出射したヘリウムネオンレーザーを、ビ
ームエクスパンダー8により平行光のままプリズム7の
一面から入射させた。書き込んだ情報は、屈折率変化物
質の有機色素含有膜5と銀薄膜6との界面におけるプラ
ズモン共鳴により、結像レンズ10を介してスクリーン
11上に読み出し光強度が空間分布の変調された形で得
られる。
【0013】図2は、メチルオレンジをポリビニルアル
コールにドープした膜における照射光強度と屈折率の関
係を示すグラフであり、照射強度が大きくなるにしたが
って屈折率が小さくなっていることがわかる。図3に本
発明の空間光変調器の時間応答を示す。同図から書き込
み光のオン、オフにしたがって読み出し光強度が変調さ
れている様子がわかる。図4に図1のスクリーン11上
に写真フイルムを置いて得られた空間光変調画像の結果
を示す。図4(a)はポジ型の変調結果であり、書き込
み光が照射されている部分の読み出し光強度が大きくな
っていることがわかる。図4(b)は読み出し光の入射
角をわずかに変えて入射させたもので、ネガ型の変調結
果が得られており、ポジ型の明暗が反転した像となって
いる。
【0014】図5は、本発明の盗間光変調器の他の実施
例を示す。プリズムから成る光波結合器7′の底面に第
1の色素膜21を数10μm堆積し、この上に第2の金
属薄膜22を同じく数10nm蒸着して、再び前記金属
薄膜の上に第3の色素膜23を数nm堆積させた複合層
である。この空間光変調器の場合には、プラズモン共鳴
が金属薄膜の両面に起ち、実施例1と比較して屈折率変
化が小さい媒質でも効率良く変調できる。図6には、プ
リズムの代わりに回折格子を光波結合器に用いて、実施
例1と同様の複合層を回折格子の底面に形成した例を示
す。図7には、ガラス基板中を全反射しながら伝搬する
光を用いるプレーナ光学系に本発明の空間光変調器を適
用した例を示す。回折格子などの光波結合器32に所定
の入射角度で入射した被変調光のp偏光35は回折され
てガラス基板31中に導入され、全反射しながら伝搬す
る。この伝搬の途中に金属薄膜と屈折率変化物質から成
る複合層を設けて空間光変調器34と成し、そこに2次
元情報を有する変調光36を照射すと、その結果、最初
に導入され伝搬していた被変調光に2次元情報を乗せて
最終的に回折格子等の光波結合器33から所望の書き込
み情報を乗せた読み出し光を輸送し伝達することができ
る。
【0015】本発明に用いる屈折率変化物質としては、
色素含有膜の他に液晶、フォトリフラクテイブ結晶、紫
膜、フォトクロミック材料等を利用することができ、そ
の具体的な物質として、色素含有膜にはメチルオレンジ
とポリビニルアルコールとの混合物、メチルレッドとポ
リメチルメタクリレートとの混合物等があり、フォトリ
フラクティブ結晶には、チタン酸バリウム、ケイ酸ビス
マス等があげられる。
【0016】
【発明の効果】以上の結果から、本発明の空間光変調器
は従来の変調器と異なり高価な電気光学結晶を必要とし
ないため、安価な空間光変調器を提供することができ
る。従って、画像の増幅、波長変換、インコヒーレント
コヒーレント変換、画像間の演算等の空間光変調器と
して具体的に応用することができ、また、プレーナ光学
系に適用することにより、基板中に閉じ込められた被変
調光に対して効率良く空間光変調を与えることが可能に
なった。
【図面の簡単な説明】
【図1】図11は本発明の空間光変調器を用いた空間光
変調システムの実施例を示す図である。
【図2】図2は本発明の空間光変調器による照射光強度
と屈折率の関係を示すグラフである。
【図3】図3は本発明の空間光変調器の時間応答を示す
グラフである。
【図4】図4は本発明の空間光変調器で得られたポジ型
およびネガ型の画像である。
【図5】図5は本発明の光波結合器に他の複合層を形成
した空間光変調器の図である。
【図6】図6は本発明の光波結合器に回折格子を用いた
空間光変調器の図である。
【図7】図7は本発明の空間光変調器をプレーナ光学系
に用いた図である。
【図8】図8は屈折率変化媒質の屈折率と反射率の関係
を示す図である。
【符号の説明】
1 アルゴンイオンレーザー 2 ビームエクスパンダー 3 スライドフィルム 4 結像レンズ 5 色素膜 6 銀薄膜 7 プリズム 8 ビームエクスパンダー 9 ヘリウムネオンレーザー 10 結像レンズ 11 スクリーン
フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G03C 1/725 501 8910−2H

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光照射により屈折率が変化する物質と金属
    との複合層を有する光波結合器から成ることを特徴とす
    る空間光変調器。
  2. 【請求項2】光照射により屈折率が変化する物質が色素
    含有膜である請求項1に記載の空間光変調器。
  3. 【請求項3】光照射により屈折率が変化する物質が液晶
    である請求項1に記載の空間光変調器。
  4. 【請求項4】光照射により屈折率が変化する物質がフォ
    トリフラクティブ結晶である請求項1に記載の空間光変
    調器。
  5. 【請求項5】光波結合器がプリズムである請求項1に記
    載の空間光変調器。
  6. 【請求項6】光波結合器が回折格子である請求項1に記
    載の空間光変調器。
  7. 【請求項7】光照射により屈折率が変化する物質と金属
    との複合層を有する光波結合器に表面プラズモン共鳴が
    最も強く起きる角度で前記の複合層へ被変調光を投射
    し、同時に前記の複合層へ変調光を投射することを特徴
    とする空間光変調方法。
  8. 【請求項8】光照射により屈折率が変化する物質と金属
    との複合層を有する光結合器に変調光を投射したときに
    表面プラズモン共鳴が最も強く起きる角度で前記の複合
    層へ被変調光を投射し、同時に前記の複合層へ変調光を
    投射することを特徴とする空間光変調方法。
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