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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晴義 豊田
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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の
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
Ｖ44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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