JPH10186283A - 画像形成装置 - Google Patents

画像形成装置

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JPH10186283A
JPH10186283A JP9192577A JP19257797A JPH10186283A JP H10186283 A JPH10186283 A JP H10186283A JP 9192577 A JP9192577 A JP 9192577A JP 19257797 A JP19257797 A JP 19257797A JP H10186283 A JPH10186283 A JP H10186283A
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phase
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い光利用率で鮮明な画像を形成する。 【解決手段】 ターゲット画像G(x,y)を表示する為の画
像H(x,y)を液晶表示パネル14に表示し、照明光源12
の照明光を透過させてPALSLM18に結像させる。
PALSLM18に読出し光hνを照射し、PALSL
M18から読み出される位相変調光像α(x,y)をレンズ
26でフーリエ変換する。位相コントラストフィルタ2
8でフーリエ光像αf(x,y)の0次光成分のみに所定の位
相シフトを与える。位相シフトされた光像をレンズ30
で逆フーリエ変換し、出力画像O(x,y)を出力面34に投
映する。ビームサンプラ32で分岐された光像O'(x,y)
を撮像デバイス40で撮像し、評価値演算ユニット20
0で画像O(x,y)と画像G(x,y)の一致性を評価する。この
評価結果に基づいて制御ユニット100が、照明光源1
2、PALSLM18、位相コントラストフィルタ28
を帰還制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気的画像情報に
基づいて光学画像を形成する画像形成装置に関し、特
に、入力画像として位相コーディング画像を用い、位相
コーディング画像のフーリエ光像に位相シフトを与える
ことにより、高い光利用効率で所望の画像を形成する画
像形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、位相差をもった対象物を顕微鏡で
観測する場合に、その微少な位相差を強調するためにゼ
ルニケの位相差顕微鏡とよばれる方法が知られており、
この方法を画像表示等の分野に応用しようとする提案が
下記の文献1〜3においてなされている。
【0003】文献1;「Jesper Gluckstad,“Generaliz
ed Phase Constrast Imaging”,Patent Application N
o.PCT/DK96/00190」 文献2;「Jesper Gluckstad,“Adaptive arrey illumi
nation and structured light generated by spatial z
ero-order modulation in a Kerr medium”,Optics Com
munications 120(1995)pp.194−203」 文献3;「Jesper Gluckstad,“Phase constrast image
synthesis”,Optics Communications 130(1996)pp.2
25−230」 例えば、文献3中のFig.1(図1)に示されるよう
に、入力画像を位相変調型空間光変調器(位相変調SL
M)で位相変調光像にコーディングして表示し、その位
相変調光像を4f光学系に通して出力面に出力画像を結
像させる。このとき、4f光学系のフーリエ面に位相コ
ントラストフィルタを配置し、そのフーリエ面における
0次光成分を位相シフトすることにより、入力画像を所
望強度の出力画像(ターゲット画像という)に変換して
いる。
【0004】この位相シフト画像表示(形成)法を用い
ると、理論的には100%の光利用効率の下で所望の強
度の出力画像を形成することが可能となる。通常の表示
パネル面に偏光板を用いた液晶テレビジョンの光利用効
率が20%程度であることと較べると、格段に高い光利
用効率が得られる。
【0005】また、位相変調型空間光変調器として、文
献4『原勉,“空間光変調器と光アナログ演算”,
(株)新技術コミュニケーションズ刊,OplusE,特
集:オプトエレクトロニック画像処理技術,1995年3
月,No.184,pp.101−108』に示された平行配向液晶空
間光変調器(PALSLM)が知られている。この文献
4では、本来光アドレス型であるPALSLMをCRT
の表示面に組合わせることで、電気アドレス型に改良し
た例が報告されている。この改良型の位相変調型空間光
変調器によれば、CRTに所望の入力画像を表示させ、
その入力画像をPALSLMに導入することができるた
め、コンピュータシステムの適用を可能にしている。
【0006】また、文献5『今井浩ほか,“TN液晶パ
ネルの円偏光位相変調特性”,光学第21巻第8号(1992
年8月)pp.42−46』には、高分解解能で安価な液晶テ
レビジョンを、位相変調型空間光変調器として利用する
提案がなされている。この提案も、液晶テレビジョンに
所望の入力画像を表示させることができるため、コンピ
ュータシステムの導入を可能にするものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】前記文献1〜3でなさ
れた提案は、光学系が理想的な場合には所望の結果が得
られる。しかし、実際には、各光学要素の持つ理想状態
からのズレ、例えば、レーザ光の不均一性、光学系のM
TF、空間光変調器の不均一性、位相コントラストフィ
ルタの精度の悪化、各光学要素の温度特性などに起因す
るノイズなどが存在する。このため、現実の光学系にて
得られる出力画像は、理想状態とは異なってしまうとい
う場合があった。
【0008】前記文献4のCRTとPAL−SLMとを
組合わせた空間光変調器を適用する場合には、CRTの
画像歪みが通常3%程度あるため、この歪みを無視でき
ない用途、例えば、コンピュータにより形成するフォロ
グラフィ技術(CGH)や高精密のレーザ加工技術、光
フィルタリング技術、光の位相と振幅を別々に制御する
ための光変調技術、複数の空間光変調器を重ね合わせて
利用する用途などでは、大きな問題となる。
【0009】前記文献5の液晶テレビジョンを適用する
場合には、液晶テレビジョンは画素構造を有しているこ
とから、その開口率が最大でも50%程度しかとれない
ことや、その画素駆動用電極のエッジにて光学回折が生
じるので、光損失が大きくなるという問題がある。例え
ば、図24(a)に示すように、レーザ光源2から出射
されるレーザ光をコリメータレンズ4で平行光に拡大し
て液晶テレビジョン6に照射し、液晶テレビジョン6に
表示された画像光をフーリレンズ8でその焦点位置に配
置されたスクリーン10に像を結ばせると、同図(b)
に示す如く、スクリーン10には、液晶テレビジョンの
各画素での回折に起因するコンボリューションノイズが
生じる。そして、0次光成分(光軸中心に生じるフーリ
エ像)の強度は、その周辺に回折像が生じることから、
数分の1に減少してしまい、0次光成分を逆フーリエ変
換して得られる画像は低輝度となって不鮮明になるとい
う問題がある。
【0010】本発明は、このような従来技術の課題に鑑
みてなされたものであり、高い光利用効率で鮮明な画像
を形成する画像形成装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、電気的画像情報に基づいて光学画像
を形成する画像形成装置において、前記電気的画像情報
により入力画像を表示する表示手段と、前記表示手段に
照明光を照射する照明手段と、前記照明光が前記表示手
段を透過することで生じる二次元強度光像が照射され、
前記二次元強度光像の光強度に応じて配向する二次元空
間光変調手段と、コヒーレントな読出し光を前記二次元
空間光変調手段に照射し、前記読出し光が前記配向によ
り変調されることで生じる位相変調光像を出射させる読
出し光発生手段と、前記位相変調光像をフーリエ光像に
変換するフーリエレンズと、前記フーリエレンズのフー
リエ面に設けられ、前記フーリエ光像の0次光成分を位
相シフトする位相コントラストフィルタと、前記フーリ
エ光像を逆フーリエ変換することにより前記光学画像を
出力する逆フーリエレンズとを少なくとも有する演算光
学系と、前記光学画像として形成すべき所望の理想画像
を前記演算光学系の理論特性に適用することによって前
記画像情報を逆演算する演算制御手段とを具備する構成
とした。
【0012】また、電気的画像情報に基づいて光学画像
を形成する画像形成装置において、前記電気的画像情報
に応じて配向する二次元空間光変調手段と、コヒーレン
トな読出し光を前記二次元空間光変調手段に照射する読
出し光発生手段と、前記読出し光が前記二次元空間光変
調手段を透過する際に前記配向にて変調されることで生
じる位相変調光像を、フーリエ光像にフーリエ変換する
フーリエレンズと、前記フーリエレンズのフーリエ面に
設けられ、前記フーリエ光像の0次光成分を位相シフト
する位相コントラストフィルタと、前記フーリエ光像を
逆フーリエ変換することにより前記光学画像を出力する
逆フーリエレンズとを少なくとも有する演算光学系と、
前記光学画像として形成すべき所望の理想画像を前記演
算光学系の理論特性に適用することによって前記画像情
報を逆演算する演算制御手段とを具備する構成とした。
【0013】また、前記フーリエレンズに一次元フーリ
エ変換用の第1のレンズ、前記逆フーリエレンズに一次
元逆フーリエ変換用の第2のレンズを用い、前記第1の
レンズのフーリエ変換面と前記第2のレンズの逆フーリ
エ変換面を同じ向きに配置する構成とした。
【0014】また、前記位相コントラストフィルタは、
所定電圧にバイアスされる光変調材料層と光導電体層と
の間に、所定の光透過率を有する誘電体多層膜を挟み、
前記フーリエ光像を前記光変調材料層側より入射させ
て、誘電体多層膜で反射して出射させる構造を有し、前
記誘電体多層膜を透過する前記フーリエ光像の0次光成
分の一部により前記光導電体層の電気特性が変化するこ
とで、前記光変調材料層が配向し、誘電体多層膜で反射
される前記フーリエ光像を前記配向により位相シフトし
て出力する構造とした。
【0015】また、前記演算制御手段は、前記逆フーリ
エレンズより出力される光学画像を観測して、前記光学
画像と前記所望の理想画像との一致性を評価する評価値
演算手段と、前記評価値演算手段の前記評価結果に基づ
いて、前記演算光学系の光学特性を可変制御する可変制
御手段とを備える構成とした。
【0016】
【作用】二次元空間光変調器により電気的画像情報に対
応する位相変調光像が形成される。この位相変調光像が
フーリエ光像に変換され、その0次光成分が位相コント
ラストフィルタで位相シフトされる。位相シフトされた
フーリエ光像は逆フーリエ変換されて実像の光学画像と
なり出力される。
【0017】フーリエレンズに一次元フーリエ変換用の
第1のレンズ、逆フーリエレンズに一次元逆フーリエ変
換用の第2のレンズを用いると、位相変調光像を一次元
フーリエ変換したフーリエ光像が発生し、このフーリエ
光像の0次光成分が位相シフトされた後、一次元逆フー
リエ変換により実像の光学画像となる。
【0018】光変調材料層と光導電体層及び誘電体多層
膜を有する位相コントラストフィルタを用いると、フー
リエ光像の0次光成分の光強度に応じた位相シフトが自
動的に行われる。
【0019】演算制御手段にて演算光学系の特性を可変
制御することにより、演算光学系の理想からのずれ特性
を補償しつつ、光学画像を所望の理想画像に一致させ
る。
【0020】
【実施の形態】
(第1の実施の形態)本発明の第1の実施の形態を図1
〜図6を参照して説明する。図1の構成図において、当
該画像形成装置は、光アナログ演算を行うアナログ演算
光学系と、この光学系を電気的に制御する電気制御系を
備えている。光アナログ演算光学系は、互いに光軸合わ
せされた画像書込み光学系WLとフィルタリング光学系
FLを備えている。電気制御系は、予め決められたアル
ゴリズムに基づいて作成されたプログラムを実行するこ
とにより後述の制御処理を行う制御ユニット100及び
評価演算処理を行う評価値演算ユニット200と、ハー
ドディスク等の記憶部300を備えている。
【0021】画像書込み光学系WLは、照明光源12、
液晶表示パネル14、結像レンズ16、及び二次元空間
光変調器18を備えている。二次元空間光変調器18
は、平行配向液晶空間光変調器(以下、PALSLM1
8とする)が適用されている。照明光源12は、特定波
長にピークを持たず且つ一様照度の白色光等からなる照
明光を液晶表示パネル14に照射する。
【0022】液晶表示パネル14は、出力面34に出力
画像O(x,y)を投映するための入力画像H(x,
y)を、制御ユニット100から供給される画像データ
DHに従って表示する。そして、照明光源12からの照
明光を透過させることにより、入力画像H(x,y)の
透過光像である二次元強度光像H’(x,y)を結像レ
ンズ16を介してPALSLM18に結像させる。
【0023】PALSLM18は、図2の縦断面図にて
模式的に示す構造となっている。即ち、平行な透明ガラ
ス基板18a,18bの内側に積層された透明導電膜
(ITO)18c,18dの間に、光導電体層18e
と、誘電体多層膜ミラー18fと、配向層18g,18
hで挟まれた光変調材料層18iと、が設けられたサン
ドイッチ構造を有し、更に、透明ガラス基板18a,1
8bの外壁に無反射コート18j,18kが施されてい
る。光導電体層18eには、例えば水素アモルファスシ
リコン(a−Si:H)、光変調材料層18iには、例
えば平行配向型のネマティック液晶等の材料が用いられ
ている。
【0024】透明導電膜18c,18d間に制御ユニッ
ト100からの交流駆動電圧V18が印加され、透明ガラ
ス基板18a側に二次元強度光像H’(x,y)が照射
される。この二次元強度光像H’(x,y)の光強度に
応じて光導電体層18eの内部インピーダンスが変化
し、このインピーダンス変化に伴って光変調材料層18
iに掛かる電界強度が決まることで、光変調材料層18
iが平行配向する。また、交流駆動電圧V18の電圧レベ
ルを可変制御することで、二次元強度光像H’(x,
y)の受光感度を調節することが可能となっている。
【0025】光変調材料層18iが平行配向した状態
で、PALSLM18の裏面側にコヒーレントな読出し
光hνが照射される。この読出し光hνは、レーザ光源
22から出射されるレーザ光をコリメータレンズ24で
拡大して平行光とすることにより形成され、ビームスプ
リッタ20で反射されてPALSLM18の裏面側に照
射されるようになっている。
【0026】そして、読出し光hνは、PALSLM1
8の光変調材料層18iで位相変調され且つ誘電体多層
膜ミラー18fで反射されることで位相変調光像α
(x,y)となり、ビームスプリッタ20を透過してフ
ーリエレンズ26へ導入される。また、PALSLM1
8は画素構造を持つこと無く読出し光hνを二次元位相
変調するので、読出し光hνを無損失で位相変調光像α
(x,y)に変換する。
【0027】この位相変調光像α(x,y)は、光変調
材料層18iで位相変調された位相成分をφ(x,y)
とすると、理論的には次の複素式(1)で表される。
【0028】
【数1】
【0029】また、PALSLM18の入出力特性、即
ち、二次元強度光像H’(x,y)の入射に対する位相
変調光像α(x,y)の出力特性を特性関数F2、液晶
表示パネル14に表示される入力画像H(x,y)を二
次元強度光像H’(x,y)に変換する光学系の特性関
数をF1とすると、
【0030】
【数2】 で表される。これらの特性関数F1,F2は、予め実験的
に又は理論的に知ることができるものである。
【0031】フィルタリング光学系FLは、ともに焦点
距離fのフーリエレンズ26及び逆フーリエレンズ30
を備えると共に、フーリエレンズ26の前側焦点位置に
PALSLM18の前記光変調材料層18iが位置合わ
せされ、フーリエレンズ26の後側焦点位置(以下、フ
ーリエ面という)に位相コントラストフィルタ28が配
置され、逆フーリエレンズ30の後側焦点位置に出力面
34が配置されることにより、4f光学系となってい
る。更に、PALSLM18とフーリエレンズ26との
間に前記ビームスプリッタ20が配置され、逆フーリエ
レンズ30と出力面34の間にビームサンプラ32が配
置されている。
【0032】位相コントラストフィルタ28は、図3
(a)の縦断面図にて模式的に示す構造となっている。
即ち、平行な透明ガラス基板28a,28bの内壁面に
設けられた透明電極材料層(ITO)28c,28dの
間に液晶層28eが挟まれており、透明電極材料層28
c,28d間に印加される制御ユニット100からの交
流駆動電圧V28の電圧レベル及び周波数に応じて、液晶
層28eにおける位相シフト量が変化する。
【0033】液晶層28eの中央部分には、フーリエ光
像αf(x,y)の0次光成分が入射する直径Rの円形
凸領域(以下、0次光成分の入射領域を位相シフト領域
と総称する)28psが設けられ、液晶層28eの残余の
部分は一様厚さとなっている。
【0034】この位相シフト領域28psの直径Rは、読
出し光hνの波長がλ、フーリエレンズ26の焦点距離
がf、0次光成分のビーム径がDである場合、R=fλ
/Dに決められている。また、位相シフト領域28ps
は、透明ガラス基板28a,28bに一様厚さの透明電
極材料層28c,28dを形成して、透明電極材料層2
8cの中央部分にエッチングやレーザ加工等で直径Rの
円形凹部を形成した後、液晶層28eを挟むことにより
形成されている。
【0035】この液晶層28eの位相シフト領域28ps
と残余の部分では、光軸方向の厚みが異なるため、交流
駆動電圧V28による電界強度が相違することとなり、フ
ーリエ光像αf(x,y)の0次光成分と高次光成分に
対して夫々異なった位相シフトを与える。この位相シフ
ト量θは、主として交流駆動電圧V28の電圧レベルを変
えることで、0〜2πの範囲内で可変調節することがで
きる。
【0036】理論的には、位相シフト領域28psの位相
シフトをT(r)とすると、
【数3】 となる。ただし、θは位相シフト量、rは位相シフト領
域28psの半径である。
【0037】そして、前記式(1)で表される位相変調
光像α(x,y)がフーリエレンズ26でフーリエ変換
され、そのフーリエ光像αf(x,y)の0次光成分に
対して位相コントラストフィルタ28で前記式(3)の
位相シフトT(r)を与え、更に位相シフトされたスペ
クトラム光像を逆フーリエレンズ30で実像の出力画像
O(x,y)に戻して、出力面34に投映することとな
る。ビームサンプラ32は、例えば99:1の光分岐素
子が用いられている。逆フーリエレンズ30より出射さ
れる光像の99%を出力画像O(x,y)として出力面
34に投映させると同時に、1%の分岐光像O’(x,
y)を半透明スクリーン36側へ分岐する。半透明スク
リーン36は逆フーリエレンズ30の後側焦点位置に設
けられ、分岐光像O’(x,y)を位相成分の無い光像
にして透過する。
【0038】この位相成分の無い光像を、半透明スクリ
ーン36の後方に設けられた結像レンズ38と二次元電
荷固体撮像デバイス40で撮像し、得られた撮像データ
DOを評価値演算ユニット200へ出力する。
【0039】出力画像O(x,y)の強度分布I(x,
y)は、前記式(1)に(3)を代入することにより理
論的に求められ、
【数4】 となる。αAV=|αAV|exp(iφα)は、位相変調
光像α(x,y)の複素平均値を表している。
【0040】式(4)において、出力画像O(x,y)
が鮮明なコントラストとなるための条件としては、暗く
なるべき部分(x0,y0)の輝度がI(x0,y0)=
0、複素平均値の絶対値が、0<|αAV|<1の範囲内
でなければならないことは理論的に明らかである。これ
らの条件を前記式(4)に導入して、位相シフト量θと
複素平均値αAVの関係を求めると、次式(5)(6)が
導出される。
【0041】
【数5】
【0042】
【数6】
【0043】そこで、後述する制御ユニット100で
は、出力面34に投映しようとする所望のターゲット画
像G(x,y)が決まると、このターゲット画像G
(x,y)の輝度I(x,y)を前記式(4)に適用す
ることで、位相変調光像α(x,y)を逆算し、位相変
調光像α(x,y)の白レベル部分と黒レベル部分の輝
度平均値(換言すれば複素平均値αAV)を求めて、これ
を前記式(5)に導入することで位相シフト領域28ps
の位相シフト量θを決めている。
【0044】更に、位相変調光像α(x,y)を前記式
(2)に導入することにより、ターゲット画像G(x,
y)に対応する入力画像H(x,y)を逆算し、液晶表
示パネル14に表示させる。
【0045】したがって、制御ユニット100は、画像
書込み光学系WLとフィルタリング光学系FLが特性歪
みの全くない理想的な光学系であるもの仮定して、所望
のターゲット画像G(x,y)を投映するための元にな
る入力画像H(x,y)を理論的に求めて表示する。
尚、投映させるべきターゲット画像G(x,y)のデー
タが予め記憶部300に格納されており、制御ユニット
100がターゲット画像G(x,y)のデータを読み出
して、前記の演算処理により画像データDHを求め、そ
して、この画像データDHを液晶表示パネル14に供給
することにより入力画像H(x,y)を表示させてい
る。
【0046】評価値演算ユニット200は、出力面34
に実際に投映された出力画像O(x,y)と理想的なタ
ーゲット画像G(x,y)との相違を評価し、出力画像
O(x,y)をターゲット画像G(x,y)に一致させ
るべく、制御ユニット100に対して画像書込み光学系
WL及びフィルタリング光学系FLの光学要素を帰還制
御させる。
【0047】具体的には、二次元電荷固体撮像デバイス
40から出力される分岐光像O’(x,y)の画像デー
タDOとターゲット画像G(x,y)の画像データとの
各画素同士の差分の和ε=Σ(O’(x,y)−G
(x,y))を演算する。この差分和εが小さい程、出
力画像O(x,y)が理想のターゲット画像G(x,
y)に一致しているとする評価値を制御ユニット100
へ転送する。
【0048】この評価値を制御パラメータとして制御ユ
ニット100が、照明光源12に供給する駆動電力を制
御することによりその照射光の強度を調節したり、液晶
表示パネル14への交流駆動電圧の電圧レベルと周波数
を制御することによりその明るさ(光透過率)を調整し
たり、PALSLM18へ供給する交流駆動電圧V18
電圧値や周波数を制御することによりPALSLM18
の位相変調量を調節したり、位相コントラストフィルタ
28へ供給する交流電圧V28の電圧レベルや周波数を制
御することによりその位相シフト量θを調節する。
【0049】そして、制御ユニット100と評価値演算
ユニット200は、いわゆる山登り学習法等を用いて評
価値が最大(換言すれば、差分和εが最小)になるよう
に帰還制御を行う。これにより、画像書込み光学系WL
とフィルタリング光学系FLの光学要素が持っている特
性歪みを自動的に補償して、出力面34に投映される現
実の出力画像O(x,y)を所望のターゲット画像G
(x,y)に一致させるように帰還制御する。
【0050】次にかかる構成を有する画像形成装置の動
作を図4のフローチャートに基づいて説明する。操作者
が制御ユニット100に対して所望のターゲット画像G
(x,y)を指示すると、ステップS1000で、その
ターゲット画像G(x,y)のデータを記憶部300か
ら読み出す。次に、ステップS1010において、光学
要素が理想状態で、このターゲット画像G(x,y)が
出力面34に投映されたと仮定した場合における、入力
画像H(x,y)の画像データDHと、位相コントラス
トフィルタ28の位相シフト領域28psの位相シフト量
θを、前記式(1)〜(6)に基づいて演算する。
【0051】次に、ステップS1020において、液晶
表示パネル14に入力画像H(x,y)を表示させ、交
流駆動電圧V28により位相シフト領域28psの位相シフ
ト量θを設定する。これにより、光学要素が理想状態に
あると仮定した場合の理想的な入力画像H(x,Y)に
対応する現実の出力画像O(x,y)が投映される。
【0052】具体的な例として、PALSLM18の位
相変調光像α(x,y)の複素平均値αAVが0.5のと
きに入力画像H(x,y)のダイナミックレンジが最大
となるため、αAV=0.5を前記式(5)に代入するこ
とにより、位相シフト量をθ=πに設定する。このと
き、出力面34に理想的なターゲーット画像G(x,
y)が投映されるものとすると、ターゲット画像G
(x,y)の輝度I(x,y)と位相変調光像α(x,
y)の関係は、前記式(3)から、
【0053】
【数7】 で表される。更に、αAV=0.5のときの位相変調光像
α(x,y)は、
【0054】
【数8】
【0055】
【数9】 の関係が成り立つ。尚、式(8)は位相変調光像α
(x,y)の実数項、式(9)は虚数項を表している。
【0056】そこで、前記式(7)〜(9)の演算を行
うことにより、ターゲット画像G(x,y)に対応する
入力画像H(x,y)を求め、更に、最大のダイナミッ
クレンジが得られるように位相コントラストフィルタ2
8の位相シフト量をθ=πに設定している。
【0057】次に、ステップS1030において、入力
画像H(x,y)に対応して実際に投映される出力画像
O(x,y)を二次元電荷固体撮像デバイス40で観察
・撮像し、得られた画像データDOを評価値演算ユニッ
ト200に転送する。評価値演算ユニット200が、画
像データDOとターゲット画像G(x,y)のデータと
の差分和εを演算することにより、出力画像O(x,
y)の理想からのズレを評価し、その評価値を制御ユニ
ット100へ転送する。
【0058】次に、ステップS1040で、制御ユニッ
ト100が、この評価値に基づいて、照明光源12の照
明光の照度や、液晶表示パネル14の明るさ、PALS
LM18の入出力特性、位相コントラストフィルタ28
の位相シフト量θを自動的に微調整する。そして、ステ
ップS1030とS1040の処理を繰り返し、所謂山
登り法によって評価値が最大値になるように帰還制御を
行う。これにより、演算光学系の各光学要素の理想から
のズレが次第に補償され、出力画像O(x,y)を所望
のターゲット画像G(x,y)に一致させることができ
る。
【0059】図5は、この画像形成装置において、位相
シフト量をθ=πに設定し、PALSLM18に生じる
位相変調光像「B」の位相変調量を変化させたときの出
力画像O(x,y)を撮影して得られた実験結果を示し
ている。より具体的には、液晶表示ユニット14の明る
さを制御ユニット100及び評価値演算ユニット200
により帰還制御した場合の出力画像O(x,y)を時系
列的に撮像したものである。同図中のbx14.tif
で最も鮮明な出力画像O(x,y)が得られた。
【0060】この実験結果から、所望のターゲット画像
G(x,y)に一致すると共に、ノイズ成分が少なく且
つ高輝度・高コントラストの出力画像O(x,y)を形
成することができることが実験的に確認された。
【0061】尚、以上の説明では、位相シフト量θを可
変制御することができる位相コントラストフィルタ28
を用いたが、位相シフト量θを固定にしてもよい態様で
は、図3(b)や(c)に示すような、フーリエ光像α
f(x,y)の0次光成分に対する位相シフト量θをπ
に固定する固定型の位相コントラストフィルタを用いて
もよい。
【0062】図3(b)の位相コントラストフィルタ
は、透明ガラス基板28fの光入射面に所定厚さdで0
次光成分のビーム径Rに合わせた凸形の誘電体材料層2
8gが形成されている。この誘電体材料層28gを透過
する0次光成分をπだけ位相シフトさせる構造となって
いる。
【0063】図3(c)の位相コントラストフィルタ
は、透明ガラス基板28hのうち、0次光成分の通過す
る部分以外の周辺部分に所定厚さの誘電体材料層28i
が形成されることで、0次光成分をπ位相シフトさせる
構造となっている。
【0064】また、図1に示す演算光学系では、PAL
SLM18とフーリエレンズ26の間にビームスプリッ
タ20を設けることにより、読出し光hνの入射と、位
相変調光像α(x,y)のフーリエレンズ26への透過
を実現しているが、図6に示すように、このビームスプ
リッタ20を設けない構成にしてもよい。
【0065】図6の構成では、レーザ光源22から出射
されたレーザ光をフーリエレンズ26’の一端で平行光
(読出し光)にしてPALSLM18に照射し、PAL
SLM18から読出される位相変調光像α(x,y)を
フーリエレンズ26’の他端に入射させてフーリエ変換
する構成となっている。フーリエレンズ26’に、本来
のフーリエ変換用レンズとしての機能とコリメータレン
ズとしての機能を同時に持たせているので、ビームスプ
リッタ20とコリメータレンズ24を共に省略すること
ができて、構成の簡素化を実現している。
【0066】このように、ビームスプリッタ20を除く
と、このビームスプリッタ20での光損失を低減するこ
とができるので、より鮮明な出力画像O(x,y)を得
ることができる。尚、PALSLM18への読出し光h
νの入射をフーリエレンズ26’とは別のコリメータレ
ンズにて行うようにしてもよい。
【0067】このように、この実施の形態によれば、演
算光学系の理想からのズレ特性と光損失を自動的に補償
するので、実際の出力画像O(x,y)を所望のターゲ
ット画像G(x,y)に一致させることができる。
【0068】そして、この画像形成装置は、コンピュー
タにより形成するフォログラフィ技術(CGH)や光フ
ィルタリング技術、光の位相と振幅を別々に制御するた
めの光変調技術、高精密レーザ加工技術、複数の空間光
変調器を重ね合わせて利用する用途などに適用すること
で優れた効果を発揮する。
【0069】(第2の実施の形態)本発明の第2の実施
の形態を図7〜図16を参照して説明する。尚、図7、
図8において、図1と同一又は相当する部分を同一符号
で示している。
【0070】前記第1の実施の形態では、2次元フーリ
エ変換が可能なフーリエレンズ26と逆フーリエレンズ
30が用いられている。したがって、フーリエ面に配置
された位相コントラストフィルタ28の光軸位置(中心
位置)に、フーリエ光像αf(x,y)の0次光成分が
高エネルギー密度で集中する。このため、高エネルギー
のレーザ光を用いる用途では、位相コントラストフィル
タ28が損傷する虞がある。
【0071】当該第2の実施の形態は、このような課題
を解決して、高エネルギーのレーザ光を利用して画像形
成を可能にする画像形成装置に関するものである。
【0072】演算光学系の構成を示す図7(斜視図)に
おいて、第1の実施の形態との相違点を述べると、図1
中のフーリエレンズ26と逆フーリエレンズ30に代え
て、焦点距離が共にfのシリンドリカルレンズ42,4
6が設けられ、これらのシリンドリカルレンズ42,4
6のフーリエ面に、位相コントラストフィルタ28とは
異なる構造の位相コントラストフィルタ44が設けられ
ている。
【0073】この演算光学系をx座標方向から見たとき
の側面構成を図8(a)、y座標方向から見たときの上
面構成を電気制御系を含めて図8(b)に示している。
【0074】シリンドリカルレンズ42,46はいずれ
も光軸方向zに対し垂直、且つxy座標平面において同
じ向きに合わせて配置されている。第1のシリンドリカ
ルレンズ42は、PALSLM18から読み出される位
相変調光像α(x,y)を一次元フーリエ変換する。こ
のため、y座標方向に長いストライプ状のフーリエ光像
αf(x,y)が、位相コントラストフィルタ44に入
射する。第2のシリンドリカルレンズ46は、位相コン
トラストフィルタ44で位相シフトされたスペクトラム
光像を一次元逆フーリエ変換することで、実像の出力光
像O(x,y)に戻して出力面34に投映させる。
【0075】位相コントラストフィルタ44は、図9に
示す固定型、又は、図10〜図12に示す可変制御型の
ものが用いられている。図9(a)に示す位相コントラ
ストフィルタ44は、透明ガラス基板44aの表面に、
フーリエ光像αf(x,y)の0次光成分のみを入射さ
せるストライプ状の位相シフト領域44bを、透明電極
材料(ITO)で形成した構造となっている。
【0076】例えば、透明ガラス基板44aの表面全体
に透明電極材料(ITO)を積層した後、位相シフト領
域44bにする部分を残して、他の透明電極材料をエッ
チングやレーザ加工等で除去することにより形成され
る。更に、この位相シフト領域44bの幅Xは、レーザ
光hνの波長λ、第1のシリンドリカルレンズ42の集
光面の横幅(図7ではx方向の幅)D、その焦点距離f
に対応させて、X=fλ/Dに設計されている。また、
前記0次光成分をπ位相シフトさせ得る厚さdに設計さ
れている。
【0077】図9(b)に示す位相コントラストフィル
タ44は、透明ガラス板44aの表面に、フーリエ光像
αf(x,y)の0次光成分が入射するストライプ状の
位相シフト領域44cを除いて、透明電極材料層44c
が積層された構造となっている。位相シフト領域44c
の幅Xと、透明電極材料層44cの厚さdは、図9
(a)の位相コントラストフィルタと同様にして設計さ
れている。
【0078】図10に示す可変制御型の位相コントラス
トフィルタ44は、平行な透明ガラス基板44e,44
fの内壁面に設けられた透明電極材料層44g,44i
の間に液晶層44jが挟まれた構造となっている。但
し、フーリエ光像αf(x,y)の0次光成分が入射す
るストライプ状の位相シフト領域44hについては、透
明電極材料層44gが設けられていない。また、透明電
極材料層44gの厚さdと、位相シフト領域44hの幅
Xは、図9(a)の位相コントラストフィルタと同様に
設計されている。
【0079】そして、透明電極材料層44gと44iの
間に印加される制御ユニット100からの交流駆動電圧
44の電圧レベルと周波数を可変制御することにより、
フーリエ光像αf(x,y)の0次光成分に対して、0
〜2πの範囲内で所望の位相シフトを与えることができ
る。
【0080】図11に示す位相コントラストフィルタ4
4は、図10に示した位相コントラストフィルタの背面
側の透明電極材料層44iを複数本のストライプ形状に
したものである。尚、図11(a)はxz座標平面で切
った横断面図、同図(b)はyz座標平面で切った縦断
面図、同図(c)は要部を透視して示す斜視図である。
【0081】平行な透明ガラス基板44e,44fの内
壁面に設けられた透明電極材料層44g,44iの間に
液晶層44jが挟まれた構造となっている。但し、フー
リエ光像αf(x,y)の0次光成分が入射するストラ
イプ状の位相シフト領域44hには透明電極材料層44
gが設けられていない。液晶層44jの裏面側に設けら
れた複数本の透明電極材料層44iは、位相シフト領域
44hに対して直交している。位相シフト領域44hの
幅Xと透明電極材料層44gの厚さdは、図10の位相
コントラストフィルタと同様に設計されている。
【0082】各透明電極材料層44iには可変抵抗器が
接続され、これらの可変抵抗器を介して、制御ユニット
100からの交流駆動電圧V44が各透明電極材料層44
g,44i間に印加される。各可変抵抗器の抵抗値を変
化させると、透明電極材料層44iの配列方向において
液晶層44jに掛かる電界強度が変化するため、フーリ
エ光像αf(x,y)の0次光成分に対しその配列方向
において異なった位相シフトを与えることができる。例
えば、ライン毎に白黒の比が一定でない場合には、白黒
比に適合した位相シフトを与えることができる。
【0083】図12に示す位相コントラストフィルタ4
4は、フーリエ光像αf(x,y)の0次光成分が入射
する位相シフト領域44kを透明電極材料(ITO)で
形成し、液晶層44jの裏面側に、位相シフト領域44
kと直交する複数本の透明電極材料層44lを設け、全
体的に透明ガラス基板44f,44eで挟んだ構造とな
っている。尚、図12(a)はxz座標平面で切った横
断面図、同図(b)はyz座標平面で切った縦断面図、
同図(c)は要部を透視して示す斜視図である。
【0084】各透明電極材料層44lに可変抵抗器が接
続され、これらの可変抵抗器を介して透明電極材料層4
4lと位相シフト領域44k間に制御ユニット100か
らの交流駆動電圧V44が印加される。各可変抵抗器の抵
抗値を調節することにより、液晶層44jの電界が変化
するため、フーリエ光像αf(x,y)の0次光成分に
対してその配列方向において異なった位相シフトを与え
ることができる。
【0085】かかる構造を有する本実施の形態の画像形
成装置によれば、PALSLM18から読み出される位
相変調光像α(x,y)を第1のシリンドリカルレンズ
42でストライプ状のフーリエ光像αf(x,y)に変
換するので、位相コントラストフィルタ44には高エネ
ルギー密度の光が一点集中しない。このため、位相コン
トラストフィルタ44の損傷を防止することができ、高
エネルギーレーザを用いる画像形成装置を実現すること
ができる。
【0086】更に、第1の実施の形態と同様に、制御ユ
ニット100と評価値演算ユニット200により各光学
素子を帰還制御することにより、極めて理想状態に近い
出力画像O(x,y)を形成することができる。
【0087】図13は、当該画像形成装置を用いた実験
結果を示している。同図(a)は、PALSLM18に
て位相変調された位相変調光像α(x,y)、同図
(b)は、出力面34に投映された出力画像O(x,
y)の中間解像画像を示している。この実験では、入力
画像H(x,y)として、白25%、黒75%のアレイ
イルミネータを液晶表示パネル14に表示させた。
【0088】このような位相変調光像α(x,y)で
は、白レベルと黒レベルの割合(Duty)と、位相変
調光像α(x,y)の複素平均値αAV及び位相コントラ
ストフィルタ44の位相シフト量θとの間に、次式(1
0)の関係がある。
【0089】
【数10】
【0090】つまり、白レベルと黒レベルの割合に応じ
て位相コントラストフィルタ44の位相シフト量θを調
整する必要があることを意味している。そこで、白25
%、黒75%の割合であることから、PALSLM18
で白レベルをπ変調、黒レベルを0変調し、位相コント
ラストフィルタ44の位相シフト量をθ=πに設定し
た。この結果、図13(b)に示すように、ターゲット
画像G(x,y)に極めて一致し且つコントラストの良
い出力画像O(x,y)を形成することができた。ま
た、制御ユニット100及び評価値演算ユニット200
の帰還制御により、光学要素の持つ理想特性からのズレ
が補償されることが確認された。
【0091】次に、図8の変形例を図14〜図16を参
照して説明する。尚、図14〜図16において、図8と
同一又は相当する部分を同一符号で示している。また、
図14〜図16中の図(a)は、x座標方向から見た側
面図、図(b)は、y座標方向から見た上面図である。
【0092】図14に示す変形例は、位相コントラスト
フィルタ44の後方に近接して第3のシリンドリカルレ
ンズ48が設けられている。このシリンドリカルレンズ
48は、第1,第2のシリンドリカルレンズ42,46
に対してxy座標平面内で90°回転(直交)して配置
されている。かかる構成によると、回折による影響を抑
制して鮮明な画像を形成することができる。
【0093】図15と図16に示す変形例は、PALS
LM18への読出し光hνの入射とPALSLM18か
らの位相変調光像α(x,y)の出力をビームスリッタ
を設けることなく実現した構成となっている。即ち、P
ALSLM18に対して、コリメータレンズ24と第1
のシリンドリカルレンズ42が等しい角度β(最大2°
程度)でオフセット配置されている。そして、コリメー
タレンズ24に対してレーザ光源22が配置され、第1
のシリンドリカルレンズ42の後方に、位相コントラス
トフィルタ44と、第2のシリンドリカルレンズ46及
び出力面34が配置されることで、4f光学系が構成さ
れている。
【0094】レーザ光源22から出射されるレーザ光が
コリメータレンズ24で読出し光hνとなってPALS
LM18に直接入射する。この読出し光hνがPALS
LM18で位相変調されて内部で反射することにより位
相変調光像α(x,y)となって第1のシリンドリカル
レンズ42に入射する。
【0095】かかる構成によれば、読出し光hν及び位
相変調光像α(x,y)の光損失を大幅に低減できる。
このため、光利用効率を向上させることができて、より
鮮明な出力画像O(x,y)を形成することができる。
また、高エネルギーレーザを用いる画像形成装置を実現
することができる。また、図15中には示していない
が、図8と同様の制御ユニット100と評価値演算ユニ
ット200を設けて各光学要素を帰還制御することによ
り、実際の光学要素の特性ずれを補償して、理想状態に
近い出力画像O(x,y)を形成することができる。
【0096】尚、図15に示す変形例では、位相コント
ラストフィルタ44に設けられたストライプ状の位相シ
フト領域の長手方向(即ち、y座標方向)に対して直交
する方向(即ち、x座標方向)にコンデンサレンズ24
が配置されている。これに対し、図16に示す変形例で
は、位相コントラストフィルタ44に設けられたストラ
イプ状の位相シフト領域の長手方向(即ち、y座標方
向)に沿ってコンデンサレンズ24が配置されている。
したがって、第1,第2のシリンドリカルレンズ42,
46及び位相コントラストフィルタ44が、図15と図
16では90°回転した関係になっている。
【0097】図16の変形例では、第1のシリンドリカ
ルレンズ42の長手方向(フーリエ変換に寄与しない方
向)にコリメータレンズ24が配置されるため、コリメ
ータレンズ24の位置がこの方向に若干ずれたとして
も、光学系全体の特性が極端に悪化することがない。し
たがって、図16の変形例の方が図15の変形例より
も、光学調整が容易になるという利点がある。
【0098】(第3の実施の形態)本発明の第3の実施
の形態を図17を参照して説明する。尚、図17におい
て図8と同一又は相当する部分を同一符号で示してい
る。また、図17(a)はx座標方向から見た側面図、
同図(b)はy座標方向から見た上面図である。
【0099】第1,第2の実施の形態では、液晶表示パ
ネル14とPALSLM18を組合せた表示手段にて、
入力画像H(x,y)を位相変調光像α(x,y)に位
相コーディングする構成となっている。当該第3の実施
の形態は、表示手段を他の構成で実現したものである。
【0100】図17(a)(b)において、位相変調型
の液晶表示パネル50が第1のシリンドリカルレンズ4
2の前側焦点位置に設けられ、レーザ光源22から出射
されるレーザ光をコリメータレンズ24で平行光の読出
し光hνにして液晶表示パネル50中を透過させるよう
になっている。この読出し光hνは、液晶表示パネル5
0に表示された入力画像H(x,y)に応じて平行配向
され、位相変調光像α(x,y)となって第1のシリン
ドリカルレンズ42に導入される。そして、フーリエ光
像αf(x,y)の0次光成分が位相コントラストフィ
ルタ44で位相シフトされ、第2のシリンドリカルレン
ズ46で逆フーリエ変換されて実像の出力画像O(x,
y)に戻されて出力面34に投映される。
【0101】尚、図17中には示していないが、図8と
同様の制御ユニット100と評価値演算ユニット200
及び記憶部300が設けられ、所望のターゲット画像G
(x,y)から理論的に求めた入力画像H(x,y)を
表示させると共に、各光学要素を帰還制御するようにな
っている。
【0102】この実施の形態によれば、PALSLMを
省略しているので、演算光学系の簡素化を図ることがで
きる等の効果が得られる。
【0103】(第4の実施の形態)本発明の第4の実施
の形態を図18〜図23を参照して説明する。第1〜第
3の実施の形態では、フーリエ面に配置される位相コン
トラストフィルタ28,44の位相シフト領域の幾何学
的形状を、フーリエ光像αf(x,y)の0次光成分の
みが入射するように形成している。しかし、この0次光
成分のスペクトラム分布の幅が極めて狭いため、極めて
高精度の加工技術が必要となる。また、高精度の光軸調
整が必要となる。フーリエ光像αf(x,y)の径が変
化しても、位相シフト領域の形状と位置を変えることが
できないため、様々な画像形成に対応することが困難に
なる。この第4の実施の形態は、このような課題を解決
したものである。
【0104】図18の斜視図及び図19の側面図におい
て、特定波長にピークを持たず且つ一様照度の白色光等
からなる照明光を出射する照明光源52と、入力画像H
(x,y)を表示する液晶表示パネル54と、照明光が
液晶表示パネル54を透過することで生じる二次元強度
光像H’(x,y)をPALSLM58の入力面に結像
する結像レンズ56を備えることで、画像書込み光学系
が構成されている。
【0105】更に、コヒーレントな読出し光hνをPA
LSLM58の出力面側に照射するためのコンデンサレ
ンズ60及びレーザ光源62と、PALSLM58から
出射される位相変調光像α(x,y)をフーリエ変換す
るフーリエレンズ64と、フーリエ面に配置されフーリ
エ光像αf(x,y)を位相シフトして反射する位相コ
ントラストフィルタ66と、位相コントラストフィルタ
66で位相シフトされたスペクトラム光像を逆フーリエ
変換する逆フーリエレンズ68と、その逆フーリエ変換
により実像となった出力画像O(x,y)を投映するた
めの出力面70を備えることにより、フィルタリング光
学系が構成されている。
【0106】ここで、PALSLM58は、第1,第2
の実施の形態で述べた平行配向液晶空間光変調器であ
り、PALSLM58に対する読出し光hνの入射角と
位相変調光像α(x,y)の出射角が等しくなるよう
に、コンデンサレンズ60とフーリエレンズ64が配置
されている。
【0107】位相コントラストフィルタ64は、図20
の縦断面図にて模式的に示す構造となっている。即ち、
平行な透明ガラス基板66aと不透明ガラス基板66b
の内側に積層された透明導電膜(ITO)66c,66
dの間に、光導電体層66eと、誘電体多層膜ミラー6
6fと、配向層66g,66hで挟まれた光変調材料層
66iと、が設けられたサンドイッチ構造を有し、更
に、透明ガラス基板66aの外壁に無反射コート66j
が施されている。光導電体層66eには、例えば水素ア
モルファスシリコン(a−Si:H)、光変調材料層6
6iには、例えば平行配向型のネマティック液晶等の材
料が用いられている。
【0108】更に、位相コントラストフィルタ66の縦
と横の各幅(フーリエ光像αf(x,y)が入射する端
面の縦横幅)Wは、
【0109】
【数11】 に設定されている。尚、fはフーリエレンズ64の焦点
距離、λは読出し光hνの中心波長、Dは位相変調光像
α(x,y)の最大幅である。
【0110】例えば、位相変調光像α(x,y)の形状
が縦横とも幅D’の矩形であるとすると、フーリエ光像
αf(x,y)の0次光成分の強度パターンIは、
【0111】
【数12】 となる。更に、0次光成分の中心強度Pは、
【0112】
【数13】 となる。従って、0次光成分の大部分が、前記式(1
1)に基づいて設計される位相コントラストフィルタ6
6に入射するようになっている。
【0113】誘電体多層膜ミラー66fは誘電体薄膜を
積層した構造を有しており、誘電体薄膜の層数により、
フーリエ光像αf(x,y)の0次光成分を例えば9
9.95%反射し、残りの0.05%を透過するように
設計されている。
【0114】フーリエ光像αf(x,y)が入射する
と、その0次光成分の0.05%が誘電体多層膜ミラー
66fを通過(漏洩)して光導電体層66eに入射し、
この漏洩光Δαfの入射部分にその光強度に応じたイン
ピーダンス変化を生じさせる。この光導電体層66eの
インピーダンス変化に伴う電界強度の変化により、光変
調材料層66iが0次光成分の光強度に対応して配向す
ることとなる。残りのフーリエ光像αf(x,y)は誘
電体多層膜ミラー66fで反射され、光変調材料層66
iないし透明ガラス基板66aを通って出射する。ここ
で、光変調材料層66iを通過する際に、0次光成分が
前記配向により位相シフトされる。
【0115】このように、位相コントラストフィルタ6
6は、フーリエ光像αf(x,y)の0次光成分の光強
度に対応した位相シフト量θ及び位相シフト領域を自動
的に設定し、その位相シフト量θで0次光成分を位相シ
フトして出射させる。このため、位相コントラストフィ
ルタの位置合わせが不要となり、光学系の安定性が大幅
に向上すると共に、特定の画像に限定されず、様々な形
状の画像形成に対応することができる。また、透明電極
膜66c,66dに印加する交流駆動電圧V66の電圧レ
ベル又は周波数を可変制御することにより、位相シフト
量θを調節することができる。
【0116】そして、位相コントラストフィルタ66か
ら出射したスペクトラム光像が逆フーリエレンズ68で
逆フーリエ変換され、実像の出力画像O(x,y)とな
って出力面70に投映される。
【0117】図21は、位相コントラストフィルタ66
の入出力特性図であり、交流駆動電圧V66をパラーメー
タとし、漏洩光の強度に対する位相シフト量θの関係を
示している。図21から明らかなように、位相シフト量
θは、入射光量(漏洩光量)の対数値にほぼ比例し、そ
の光量がある程度を超えると一定値に飽和する。更に、
交流駆動電圧V66を変化させると、その位相シフト量θ
の飽和値が変化するという特性を有している。
【0118】そこで、実際の使用では、交流駆動電圧V
66により予め所望の位相シフト量θを設定したり、出力
画像O(x,y)を観察しつつ所望のターゲット画像G
(x,y)に一致させるように、この交流駆動電圧V66
を帰還制御して、位相シフト量θを微調整する等の処理
を行う。
【0119】また、具体例として、読出し光hνの波長
が633μm、その強度が1mW/cm2、フーリエレ
ンズ64の焦点距離fが400mm、フーリエ光像αf
(x,y)の0次光強度を50%にコーディングしたと
すると、0次光成分の平均強度IAVと、スポット径r0
は、
【0120】
【数14】
【0121】
【数15】 となる。ここで、位相コントラストフィルタ66の誘電
体多層膜ミラー66fの透過率が99.95%であれ
ば、前記漏洩光Δαfの強度は6.5×105mW/cm
2となる。特性図(図21)から、この僅かな漏洩光Δ
αfでも十分な位相シフト量θが得られることになる。
したがって、位相コントラストフィルタ66は、光損失
を無視することができ、優れた光利用効率を実現するも
のである。
【0122】第1の実施の形態と同様に、制御ユニット
100と評価値演算ユニット200により各光学素子を
帰還制御することにより、極めて理想状態に近い出力画
像O(x,y)を形成することができる。
【0123】次に、本実施の形態の変形例を図22を参
照して説明する。尚、図22において図18と同一又は
相当する部分を同一符号で示している。この変形例は、
二次元フーリエ変換用のフーリエレンズ64,68の代
わりに、シリンドリカルレンズ72,74を用いて4f
光学系を構成している。かかる構成によれば、PALS
LM58の位相変調光像α(x,y)を第1のシリンド
リカルレンズ72で一次元フーリエ変換し、そのストラ
イプ状のフーリエ光像αf(x,y)が位相コントラス
トフィルタ66に結像されるため、位相コントラストフ
ィルタ66の損傷を防止することができる。また、高エ
ネルギーレーザを利用した画像形成が可能となる。
【0124】更に、本実施の形態の他の変形例を図23
を参照して説明する。尚、図23において図18と同一
又は相当する部分を同一符号で示している。この変形例
は、フーリエレンズ64の前側焦点位置に位相変調型の
液晶表示パネル76が配置され、液晶表示パネル76に
表示した入力光像H(x,Y)を、コリメータレンズ6
0とレーザ光源62から照射されるコヒーレントな読出
し光hνを透過させることにより、位相変調光像α
(x,y)を発生させる構成となっている。
【0125】この変形例によれば、PALSLMを省略
しているので、演算光学系の簡素化を図ることができる
等の効果が得られる。
【0126】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、二
次元空間光変調手段にて形成される位相変調光像をフー
リエ変換し、そのフーリエ光像の0次光成分に位相シフ
トを施して再び光学画像に逆フーリエ変換することによ
り、高コントラストで鮮明な光学画像を、高光利用効率
の下で形成することができる。
【0127】また、フーリエ変換と逆フーリエ変換を行
うためのフーリエレンズ及び逆フーリエレンズを夫々一
次元フーリエ変換用のレンズにすることで、位相コント
ラストフィルタに高エネルギ−の光が一点集中するのを
防止することができる。このため、位相コントラストフ
ィルタの損傷を防止することができ、ひいては高エネル
ギー光を用いた画像形成装置を実現することができる。
【0128】光変調材料層と光導電体層及び誘電体多層
膜を有する位相コントラストフィルタを用いると、フー
リエ光像の0次光成分の光強度に応じた位相シストが自
動的に行われる。このため、光学的な微調整が不要とな
り、更に様々な画像を形成することができる汎用性を持
った画像形成装置を提供することができる。
【0129】演算制御手段により演算光学系の特性を可
変制御することにより、演算光学系の理想からのずれ特
性と光損失を補償することができる。このため、所望の
理想画像と一致した光学画像を形成することができると
いう優れた効果が得られる。
【0130】そして、この画像形成装置は、コンピュー
タにより形成するフォログラフィ技術(CGH)や光フ
ィルタリング技術、光の位相と振幅を別々に制御するた
めの光変調技術、複数の空間光変調器を重ね合わせて利
用する用途などに適用することで優れた効果を発揮す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態の構成を示すブロック図であ
る。
【図2】平行配向液晶空間光変調器の構造を模式的に示
す縦断面図である。
【図3】位相コントラストフィルタの構造を模式的に示
す縦断面図である。
【図4】第1の実施の形態の画像形成装置の動作を説明
するためのフローチャートである。
【図5】出力画像を撮像して得られた中間階調画像であ
り、第1の実施の形態の画像形成装置の特性を調べるた
めの実験結果を示す図である。
【図6】第1の実施の形態の変形例の構成を示すブロッ
ク図である。
【図7】第2の実施の形態の構成を示す斜視図である。
【図8】図7の構成をx座標方向とy座標方向から見た
側面図及び上面図である。
【図9】第2の実施の形態における、位相コントラスト
フィルタの構造を示す斜視図である。
【図10】第2の実施の形態における、他の位相コント
ラストフィルタの構造を示す説明図である。
【図11】第2の実施の形態における、更に他の位相コ
ントラストフィルタの構造を示す説明図である。
【図12】第2の実施の形態における、更に他の位相コ
ントラストフィルタの構造を示す説明図である。
【図13】第2の実施の形態における、位相変調光像と
出力画像を撮像して得られた中間階調画像である。
【図14】第2の実施の形態の変形例の構成を示すブロ
ック図である。
【図15】第2の実施の形態の他の変形例の構成を示す
ブロック図である。
【図16】第2の実施の形態の更に他の実施の形態の構
成を示すブロック図である。
【図17】第3の実施の形態の構成を示すブロック図で
ある。
【図18】第4の実施の形態の構成を示す斜視図であ
る。
【図19】図18の構成をy座標方向から見た側面図で
ある。
【図20】第3の実施の形態における、位相コントラス
トフィルタの構造を模式的に示す縦断面図である。
【図21】位相コントラストフィルタの入出力特性図で
ある。
【図22】第3の実施の形態の変形例の構成を示す斜視
図である。
【図23】第3の実施の形態の他の変形例の構成を示す
斜視図である。
【図24】従来の画像形成光学系の構成と、その光学系
にて得られるフーリエ光像を撮像することにより得られ
た中間階調画像を示す説明図である。
【符号の説明】
12,52…照明光源、14,54,50,76…液晶
表示パネル、16,56…結像レンズ、18,58…P
ALSLM、20…ビームスプリッタ、22,62…レ
ーザ光源、24,60…コリメータレンズ、26,2
6’,64…フーリエレンズ、28,44,66…位相
コントラストフィルタ、30,68…逆フーリエレン
ズ、32…ビームサンプラ、34,70…出力面、36
…半透明スクリーン、38,68…結像レンズ、40…
二次元電荷固体撮像デバイス、42,46,48,7
2,74…シリンドリカルレンズ、100…制御ユニッ
ト、評価値演算ユニット、300…記憶部。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電気的画像情報に基づいて光学画像を形成
    する画像形成装置において、 前記電気的画像情報により入力画像を表示する表示手段
    と、 前記表示手段に照明光を照射する照明手段と、 前記照明光が前記表示手段を透過することで生じる二次
    元強度光像が照射され、前記二次元強度光像の光強度に
    応じて配向する二次元空間光変調手段と、 コヒーレントな読出し光を前記二次元空間光変調手段に
    照射し、前記読出し光が前記配向により変調されること
    で生じる位相変調光像を出射させる読出し光発生手段
    と、 前記位相変調光像をフーリエ光像に変換するフーリエレ
    ンズと、 前記フーリエレンズのフーリエ面に設けられ、前記フー
    リエ光像の0次光成分を位相シフトする位相コントラス
    トフィルタと、 前記フーリエ光像を逆フーリエ変換することにより前記
    光学画像を出力する逆フーリエレンズと、を少なくとも
    有する演算光学系と、 前記光学画像として形成すべき所望の理想画像を前記演
    算光学系の理論特性に適用することによって前記画像情
    報を逆演算する演算制御手段と、を具備することを特徴
    とする画像形成装置。
  2. 【請求項2】電気的画像情報に基づいて光学画像を形成
    する画像形成装置において、 前記電気的画像情報に応じて配向する二次元空間光変調
    手段と、 コヒーレントな読出し光を前記二次元空間光変調手段に
    照射する読出し光発生手段と、 前記読出し光が前記二次元空間光変調手段を透過する際
    に前記配向にて変調されることで生じる位相変調光像
    を、フーリエ光像にフーリエ変換するフーリエレンズ
    と、 前記フーリエレンズのフーリエ面に設けられ、前記フー
    リエ光像の0次光成分を位相シフトする位相コントラス
    トフィルタと、 前記フーリエ光像を逆フーリエ変換することにより前記
    光学画像を出力する逆フーリエレンズと、を少なくとも
    有する演算光学系と、 前記光学画像として形成すべき所望の理想画像を前記演
    算光学系の理論特性に適用することによって前記画像情
    報を逆演算する演算制御手段と、を具備することを特徴
    とする画像形成装置。
  3. 【請求項3】前記二次元空間光変調手段は、液晶表示パ
    ネルであることを特徴とする請求項2に記載の画像形成
    装置。
  4. 【請求項4】前記フーリエレンズ及び逆フーリエレンズ
    は、二次元フーリエ変換用のレンズであることを特徴と
    する請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載の画像
    形成装置。
  5. 【請求項5】前記フーリエレンズは一次元フーリエ変換
    用の第1のレンズ、前記逆フーリエレンズは一次元逆フ
    ーリエ変換用の第2のレンズであり、前記第1のレンズ
    のフーリエ変換面と前記第2のレンズの逆フーリエ変換
    面が同じ向きに配置されていることを特徴とする請求項
    1又は請求項2のいずれか1項に記載の画像形成装置。
  6. 【請求項6】前記第1のレンズと同じ光学特性を有する
    第3のレンズが、前記第1のレンズに対し直交して配置
    されていることを特徴とする請求項5に記載の画像形成
    装置。
  7. 【請求項7】前記位相コントラストフィルタは、前記フ
    ーリエ光像を透過する透過型フィルタであることを特徴
    とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載の画
    像形成装置。
  8. 【請求項8】前記位相コントラストフィルタは、前記フ
    ーリエ光像を反射する反射型フィルタであることを特徴
    とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載の画
    像形成装置。
  9. 【請求項9】前記位相コントラストフィルタは、 所定電圧にバイアスされる光変調材料層と光導電体層と
    の間に、所定の光透過率を有する誘電体多層膜を挟み、
    前記フーリエ光像を前記光変調材料層側より入射させ
    て、誘電体多層膜で反射して出射させる構造を有し、 前記誘電体多層膜を透過する前記フーリエ光像の0次光
    成分の一部により前記光導電体層の電気特性が変化する
    ことで、前記光変調材料層が配向し、誘電体多層膜で反
    射される前記フーリエ光像を前記配向により位相シフト
    して出力することを特徴とする請求項1又は請求項2の
    いずれか1項に記載の画像形成装置。
  10. 【請求項10】前記演算制御手段は、 前記逆フーリエレンズより出力される光学画像を観測し
    て、前記光学画像と前記所望の理想画像との一致性を評
    価する評価値演算手段と、 前記評価値演算手段の前記評価結果に基づいて、前記演
    算光学系の光学特性を可変制御する可変制御手段と、を
    備えることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれ
    か1項に記載の画像形成装置。
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