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技術 完全複合形光変調の方法

出願人 テキサスインスツルメンツインコーポレイテッド
発明者 ジェームスエム.フローレンス
出願日 1991年9月27日 (28年9ヶ月経過) 出願番号 1991-249491
公開日 1994年3月29日 (26年3ヶ月経過) 公開番号 1994-088943
状態 特許登録済
技術分野 機械的光制御・光スイッチ 機械的光制御・光スイッチ
主要キーワード 位相角Φ 結合変調 幾何学的解析 井戸状 設定位相 半平面 最小ユニット 双頭矢
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1994年3月29日)のものです。
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図面 (6)

目的

光の振幅変調および位相変調を独立して、かつ同時に制御しうる完全複合形光変調の方法および装置を提供する。

構成

画素をより小さい変調素子(310)および(312)に分割する。それぞれの変調素子に対し、互いに独立したアドレス電極(302)および(304)を設ける。それぞれの変調素子に対して必要な角を設定する。次にその角の実現のための電圧をアドレス電極に印加し、変調素子上へ光を送り、それらの変調素子を画素として解像する。

概要

背景

空間的光変調器SLM)は、光システム内において光の分布の制御に用いられる装置である。空間的光変調器は、その装置内のアドレス可能な最小ユニットをなすピクセル、または画素、と呼ばれる変調素子の1次元または2次アレイに分割される。SLM画素は、光システム内における光分布振幅または位相を変化させるために用いられる。

実際には、多くの従来技術のSLMの光変調特性は、振幅変化位相変化とを結合させ組合わせたものになっている。画素の変調特性は、電圧電流、または入射光強度ベルから成る単一の印加信号によって制御されるので、画素の振幅特性位相特性とは、独立的には設定され得ない。

多くの応用、特に光情報処理においては、振幅と位相とを独立して制御することが本質的に重要である。位相変調は、多くの信号情報位相期間に含まれるので、本質的に重要である。振幅の付加的制御は、フィルタ平面内における雑音を排除してシステムの性能を改善する手段をなす。

現在、4つの主要な形式変調器が、位相変調に用いられている。すなわち、液晶形、光屈折形、磁気光学形、および可変ミラー形の変調器である。これらは全て、結合した位相および振幅変調特性を有する。

液晶形では位相変調および振幅変調を行ないうるが、位相変調は、一様な再整列(realignment)を実現するために印加される電界が極めて狭い範囲しかもたないので、制御するのが困難である。振幅変調もまた、振幅変調を生じさせる非一様な再整列が、位相変調をも生ぜしめ、位相−振幅結合変調を起こすので、困難である。

光屈折変調器は、極めて高い電圧においてのみ位相のみの変調を行なう。非一様な整列において起こる複屈折は、振幅変調を生ぜしめる。しかし、光屈折変調は、液晶変調におけると同様に、屈折率の変化によって変調を行なうので、位相変調には振幅変調が伴う。

磁気光学的変調器は、偏光2進的変化を与えるのであるが、動作上制御が困難である。カスト(Kast)他著の1989年3月15日発行の「応用光学」(Applied Optics、15March 1989)に所載の論文には、磁気光学的変調器の3進的動作の方法が記載されているが、その振幅のみまたは位相のみの変調の範囲は極めて制限されており、そのいずれもが独立しては制御され得ない。

現在の可変ミラー装置は、光システムの解像度が十分に優れていて、ミラー素子バックグラウンドから分離して解像しうる場合にのみ有効である。しかし、光システムの解像度に対する通常の設定はナイキスト周波数(Nyquistfrequency)とされるので、ミラーはバックグラウンドと混合せしめられる。振幅変調は、2つの分布間の干渉から生じる。

他に位相のみの2つの変調方法が用いられてきた。その第1の方法は、1966年発行の「応用光学」(Applied Optics、1966)にブラウン(Brown)およびローマン(Lohman)によって開示されている。彼らの技術、すなわち迂回位相(detour phase)、は極めて厳密なシステムアライメントを要し、位相エンコード近似成立するための視野が制限される。第2の方法は、1989年11月15日発行の「応用光学」(Applied Optics、15 November、1989)に所載のハンシェ(Hanshe)他著の論文に開示されている。その方法は、相異なる振幅の発生を可能ならしめるが、光システムの解像度が低下してしまう。

概要

光の振幅変調および位相変調を独立して、かつ同時に制御しうる完全複合形光変調の方法および装置を提供する。

画素をより小さい変調素子(310)および(312)に分割する。それぞれの変調素子に対し、互いに独立したアドレス電極(302)および(304)を設ける。それぞれの変調素子に対して必要な角を設定する。次にその角の実現のための電圧をアドレス電極に印加し、変調素子上へ光を送り、それらの変調素子を画素として解像する。

目的

本発明は、完全複合形光変調の方法を提供することを目的とする。完全複合形光変調は、位相および振幅の独立した制御による信号の変調を可能ならしめる。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
4件

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請求項1

イ)画素をいくつかの変調素子に分割する段階と、ロ) それぞれの前記変調素子に対しアドレス回路を設ける段階と、ハ)変調の所望の正味位相角および振幅を選択する段階と、ニ) 該位相角および振幅を実現するための適切な角を決定する段階と、ホ) 所望の1または2以上の角を実現するために前記変調素子をアドレスする段階と、ヘ) 前記変調素子を前記画素として解像する段階と、を含むことを特徴とする完全複合形光変調の方法。

技術分野

0001

本発明は、空間的光変調器に関し、特に完全複合形光変調器に関する。

背景技術

0002

空間的光変調器(SLM)は、光システム内において光の分布の制御に用いられる装置である。空間的光変調器は、その装置内のアドレス可能な最小ユニットをなすピクセル、または画素、と呼ばれる変調素子の1次元または2次アレイに分割される。SLM画素は、光システム内における光分布振幅または位相を変化させるために用いられる。

0003

実際には、多くの従来技術のSLMの光変調特性は、振幅変化位相変化とを結合させ組合わせたものになっている。画素の変調特性は、電圧電流、または入射光強度ベルから成る単一の印加信号によって制御されるので、画素の振幅特性位相特性とは、独立的には設定され得ない。

0004

多くの応用、特に光情報処理においては、振幅と位相とを独立して制御することが本質的に重要である。位相変調は、多くの信号情報位相期間に含まれるので、本質的に重要である。振幅の付加的制御は、フィルタ平面内における雑音を排除してシステムの性能を改善する手段をなす。

0005

現在、4つの主要な形式変調器が、位相変調に用いられている。すなわち、液晶形、光屈折形、磁気光学形、および可変ミラー形の変調器である。これらは全て、結合した位相および振幅変調特性を有する。

0006

液晶形では位相変調および振幅変調を行ないうるが、位相変調は、一様な再整列(realignment)を実現するために印加される電界が極めて狭い範囲しかもたないので、制御するのが困難である。振幅変調もまた、振幅変調を生じさせる非一様な再整列が、位相変調をも生ぜしめ、位相−振幅結合変調を起こすので、困難である。

0007

光屈折変調器は、極めて高い電圧においてのみ位相のみの変調を行なう。非一様な整列において起こる複屈折は、振幅変調を生ぜしめる。しかし、光屈折変調は、液晶変調におけると同様に、屈折率の変化によって変調を行なうので、位相変調には振幅変調が伴う。

0008

磁気光学的変調器は、偏光2進的変化を与えるのであるが、動作上制御が困難である。カスト(Kast)他著の1989年3月15日発行の「応用光学」(Applied Optics、15March 1989)に所載の論文には、磁気光学的変調器の3進的動作の方法が記載されているが、その振幅のみまたは位相のみの変調の範囲は極めて制限されており、そのいずれもが独立しては制御され得ない。

0009

現在の可変ミラー装置は、光システムの解像度が十分に優れていて、ミラー素子バックグラウンドから分離して解像しうる場合にのみ有効である。しかし、光システムの解像度に対する通常の設定はナイキスト周波数(Nyquistfrequency)とされるので、ミラーはバックグラウンドと混合せしめられる。振幅変調は、2つの分布間の干渉から生じる。

0010

他に位相のみの2つの変調方法が用いられてきた。その第1の方法は、1966年発行の「応用光学」(Applied Optics、1966)にブラウン(Brown)およびローマン(Lohman)によって開示されている。彼らの技術、すなわち迂回位相(detour phase)、は極めて厳密なシステムアライメントを要し、位相エンコード近似成立するための視野が制限される。第2の方法は、1989年11月15日発行の「応用光学」(Applied Optics、15 November、1989)に所載のハンシェ(Hanshe)他著の論文に開示されている。その方法は、相異なる振幅の発生を可能ならしめるが、光システムの解像度が低下してしまう。

発明が解決しようとする課題

0011

本発明は、完全複合形光変調の方法を提供することを目的とする。完全複合形光変調は、位相および振幅の独立した制御による信号の変調を可能ならしめる。

課題を解決するための手段

0012

上述の方法は、標準的な画素を用いる。その画素は、次にいくつかの小さい変調素子に分割される。それぞれの変調素子は、自身のアドレス回路を有する。正味位相角(net phase amgle)Φ、および所望の最終振幅Aは選択されなくてはならない。AおよびΦを用いた一連の計算により、いくつかの角(angle)を求めることができる。これらの角θ1 、θ2 、等は、個々の変調素子に対してのものである。

0013

次に、個々の変調素子に対するアドレス回路が、角θx の変調を生ぜしめるように作動せしめられる。次に、光信号が画素およびその個々の変調素子へ送られる。プロセスの最後の段階においては、光システムがそれらの変調素子を走査し、それらを画素全体であるかのようにして解像する。

0014

ここに示される実施例においては、画素として可変ミラー装置(deformable mirror device)(DMD)を用いる。可撓梁(flextrue beam)DMDは、2つの小さい可撓梁DMDに切断されている。この場合のアドレス回路(addressing circuitry)は、この画素のそれぞれの半部分の下に配置された電極である。角θ1 およびθ2 は、電圧がこれらの電極に印加された時に生ぜしめられる。印加される電圧の値は、角の値を決定する。実施例には2つの変調素子のみが示されているが、この方法は、2つより多くの角に対しても使用可能である。

0015

本発明およびその利点をさらに完全に理解しうるよう、以下これを添付図を参照しつつ詳述する。

0016

図1には、完全複合形光変調のプロセスのフローチャートが示されている。段階102においては、画素を所望されるだけの多数の変調素子に分割する。段階104においては、画素内のそれぞれの変調素子に対し、それぞれの変調素子がアドレスされうるように、個々にアドレス回路を設ける。段階106においては、変調の形式が選択される。

0017

もし、振幅および位相変調が所望されれば、双方を同時に行なうことが可能である。この場合のプロセスは、段階108へ続く。

0018

段階108においては、所望の振幅A、および正味位相角Φを選択しなくてはならない。これら2つの変数がいったん設定されると、段階110において個々の変調素子の角を決定しなくてはならない。完全複合形画素によって、透過されまたは反射された光分布の完全な分析的な記述は、数1によって与えられる。

0019

幅Wのアレイ素子に対する回折次数0,0のナイキスト通過帯(Nyquist passband)を通過するように設定された光システムの解像度の場合には、この画素の正味応答は、数2によって決定される。

0020

ID=000004HE=010 WI=043 LX=0385 LY=1900
ただし、ここでアステリスクは、2次元のコンボリューション(convolution)を表わす。数2は、簡単化しえない複雑な空間的分布を表わす。しかし、この分布は本質的に、2Wよりわずかに大きい幅の2次元sinc関数であり、ピーク複素振幅は数3によって与えられる。

0021

ID=000005HE=005 WI=041 LX=1295 LY=1400
ただし、ここでAおよびΦは、2つの位相変調器の応答のコヒーレントな混合から得られる正味の画素応答の振幅値および位相値である。

0022

任意の特定の正味位相値Φにおいて、可能な最大の正味振幅Aが存在する。この最大値は、2つの変調器の設定位相が等しいとき、すなわちθ1 =θ2 =θのときに起こり、

0023

しかし、この最大値を定めるのには、まず正味位相角Φを見出すための適正な設定位相θを決定することが必要である。この決定を行なうための幾何学的解析は極めて複雑で、次の関係が得られる。

0024

ID=000007HE=020 WI=102 LX=0540 LY=2350
この式は、位相角θに対し、上方または下方半平面内の角に対応した2つの値を与える。Φと同じ半平面内にある角を選択するのが適正な選択である。所望の正味の振幅値および位相値であるAおよびΦを実現するための設定位相θ1 およびθ2 も、幾何的解析によって定められる。

0025

これらの設定位相は、

0026

これらの式は、与えられた画素の2つの半部分に対する特定のものである。この解析方法は、2つより多くの角の場合に対しても適用可能である。

0027

段階112は、段階110において計算された位相角を実現するために、適切な変調素子を撓ませる(偏向させる)ために電圧を印加することを要求する。ある角を実現するための電圧は、次の関係から求めることができる。

0028

ID=000010HE=020 WI=043 LX=0385 LY=1250
ただし、ここで、Vは印加電圧、KはDMDヒンジばね定数、θは偏向角、d0 は偏向前のDMDの電極からの距離、λは入射光波長、ε0 は自由空間の誘電率である。

0029

段階114は、設定された素子へ実際の光信号がシステムにより印加されるプロセスの一部である。段階116においては、独立してアドレスされた変調素子の全てが1つの画素に統合される。この場合の統合とは、光システムによって行なわれる実際の走査であり、そこでは個々の素子は元の画素へ再び統合される。

0030

もし、振幅のみの変調が所望される場合ならば、プロセスは段階118へ進み、変調振幅Aが選択される。数6、数7、数8、数9を用いて、段階120において、個々の角θ1 およびθ2 に対して再び解くことは可能である。適正な撓み(偏向)を与えるのに必要な印加電圧の大きさは、この場合も数10に与えられた電圧に対する関係式を用いて決定され、段階122において印加される。段階124は、やはり送光を要求し、段階126においては変調素子の元の画素への統合が行なわれる。

0031

位相のみの変調の場合は、プロセスは段階128へ進む。位相変調のために選択される角は、個々の変調素子の角である。数10を用いて適正電圧が決定され、段階130において全ての個々の変調素子はその角に設定される。段階132において変調素子上へ光が送られた後、元の画素のそれぞれの個々の変調素子はそれ自身画素として取扱われる。例えば、もし初めにN×N画素のアレイが存在し、それぞれの画素が2つの変調素子に分割されたものとすれば、このシステムは段階134においてはN×2N画素のアレイを走査することになる。

0032

図2は、従来技術における可撓梁DMDの構成を示す。アドレス電極206は、基板202上に形成されている。ミラー素子210は、電極206を含む層を被覆するスペーサ上に形成される。その後、スペーサ層エッチング除去される。その際、ミラー素子210と電極206との間の空隙と共に、支持柱204A、204B、204C、204Dが残される。所定の電圧が電極206に印加されると、ミラー素子210はそれへ静電的に吸引される。可撓性ヒンジ208A、208B、208C、208Dは、ミラーが下方へ撓むことを可能ならしめる。4つの角部が全て支持されているので、このミラーはピストン状に移動して変形する。

0033

図3は、2つの個々の変調素子を有する分割されたDMDを示す。もし電圧がアドレス電極302に印加されれば、ヒンジ306A、306B、306C、306Fが撓んで、ミラー310は下方へ撓む。ミラー312は、アドレス電極304に電圧が印加されなければ撓まず、これら2つのミラー素子は独立した動作を行ないうる。図2におけるように、可撓性ヒンジ306A、306B、306C、306D、306E、306Fは、支持柱308A、308B、308C、308D、308E、308Fによって支持され、ミラー素子310および312と、電極302および304とのそれぞれの間に空隙を形成する。

0034

図4には、分割された画素の平面図が示されている。そこには、前記の諸式において用いられた変数が示されている。wx は水平軸に沿った双頭矢印401によって示され、これは支持柱402Aから支持柱402Bまでの距離である。wy は垂直軸に沿った、支持柱402Bから支持柱402Cまでの、または支持柱402Cから支持柱402Dまでの、双頭矢印403によって示される。この場合、画素は2部分に水平方向に分割されているので、1つのwx に対して2つのwy が存在する。ミラー素子404および406は、図3の斜視図に示されているように、ミラー面の下方において個々にアドレスされうる。実施例においては、wx は約50μmに等しい。wy はその約半分で、約25μmである。wx は辺の長さWと同じであるから、この場合の非分割画素作用面積は2500μm2 となる。2つのミラー間の空隙、支持柱、およびヒンジによる面積損失により、実際の作用面積は約2125μm2 となる。この実施例の利点は、分割された画素がなお元の作用面積の85%を有することである。

0035

図5は、画素の可能な他の分割の1つの例を示す。この画素は2つの個々の素子に分割され、これらの素子はさらに2つの素片に分割されている。ミラー502はアドレス電極510を有し、それぞれの他の変調素片は対応する電極を有し、全ての変調素片は個々にアドレス可能となっている。

発明の効果

0036

以上説明したように、本発明によれば、位相および振幅の独立した制御によって信号の変調を行ないうる、完全複合形光変調の方法が得られる。

0037

以上においては、半部分に分割されたDMDを用いる完全複合形変調のための空間的光変調器の特定の実施例について説明してきたが、これらの説明は、特許請求の範囲の記載のほかに本説明の範囲を限定しようとするものではない。

0038

以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
(1) イ)画素をいくつかの変調素子に分割する段階と、
ロ) それぞれの前記変調素子に対しアドレス回路を設ける段階と、
ハ)変調の所望の正味の位相角および振幅を選択する段階と、
ニ) 該位相角および振幅を実現するための適切な角を決定する段階と、
ホ) 所望の1または2以上の角を実現するために前記変調素子をアドレスする段階と、
ヘ) 前記変調素子を前記画素として解像する段階と、を含むことを特徴とする完全複合形光変調の方法。

0039

(2) 前記アドレス回路が作動電極から構成され、1変調素子に1作動電極が対応している、第1項記載の方法。

0040

(3) イ) 前記変調素子をアドレスする前記段階は電極に対して所定電圧を印加することから成り、
ロ) 該電極が前記変調素子の下に配置されている、第1項記載の方法。

0041

(4) イ)画素をいくつかの変調素子に分割する段階と、
ロ) それぞれの該変調素子に対しアドレス回路を設ける段階と、
ハ)変調振幅を選択する段階と、
ニ) 該振幅を実現するための適切な位相角を決定する段階と、
ホ) 該角を実現するために前記変調素子をアドレスする段階と、
ヘ) 前記変調素子上へ入射光を送る段階と、
ト) 前記変調素子を前記画素に統合する段階と、を含む光振幅変調の方法。

0042

(5) イ)層構造内に形成された複数の画素であって、それぞれの該画素が共通の水平軸に沿い半分に分割されている該複数の画素と、
ロ)基板と、該基板上のスペーサ層と、該スペーサ層上の第1反射層と、前記第1の層上の第2反射層と、電気的アドレス回路と、を含む前記層構造と、
ハ) それぞれの前記画素に対して含まれる、前記反射層内に形成された静電的に可撓である素子であって、前記第1の層内のみに形成されたヒンジにより前記反射層の残部に連結されており、前記スペーサが前記可撓素子と前記作動電極との間に位置する井戸状部を画定している、前記可撓素子と、
ニ) それぞれの前記第1および第2の可撓回路を互いに独立してアドレッシングしうる電気的アドレス回路と、を含む空間的光変調器。

0043

(6) イ) 前記変調器が2つの半部分に分割されており、
ロ) 該2つの半部分間の空隙の両端にスペーサが配置され、
ハ) 前記2つの半部分が静電気力の印加があったとき互いに独立して撓みうるようになっており、
ニ) 該静電気力がそれぞれの前記半部分の下のそれぞれの電極の作動によって印加されるようになっている、第1項又は第5項記載の変調器。

0044

(7) 光の振幅変調および位相変調を独立して、かつ同時に制御することが可能である。本発明は、ここに詳述されているように、画素をより小さい変調素子310および312に分割し、それぞれの変調素子に対して独立したアドレス電極302および304を設け、それぞれの変調素子に対して必要な角を設定し、次にこれらの変調素子を画素に解像することによって、これを実現する。本発明の1実施例も示されている。

図面の簡単な説明

0045

図1完全複合形光変調プロセスを示すフローチャート。
図2従来技術における可撓梁可変ミラー装置(DMD)の斜視図。
図3本発明による分割可撓梁DMDの斜視図。
図4分割DMDの平面図。
図52つより多くの変調素子に分割されたDMDの1例の斜視図。

--

0046

302アドレス電極
304 アドレス電極
310ミラー素子
312 ミラー素子
306A−306Fヒンジ
308A−308F 支持柱

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