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図面 (8)

課題

反射型空間光変調器を利用し、光の利用効率の高い空間光変調装置を提供する。

解決手段

反射型空間光変調器を用いた空間光変調装置であって、読み出し光は、光反射層17に斜めに入射されるP偏光であり、光変調層17内の液晶は、駆動回路12による電圧印加に伴って、入射光である読み出し光と出射光である変調光の両方の光軸を含む面、すなわち、法面と平行な面内で液晶分子が傾斜するよう配向されている、例えば、水平配向垂直配向であることを特徴とする空間光変調装置。

概要

背景

空間光変調装置には、強度変調型と位相変調型の2つのタイプがある。前者の強度変調型は、液晶テレビプロジェクタライトバルブなどに用いられるタイプのものであり、多くの空間光変調装置はこのタイプである。一方、光情報処理ホログラム処理などの分野では後者の位相変調型が有望と考えられている。というのは、位相変調型は強度変調型と異なり、光の利用効率を高くすることができるからである。このような位相変調型の空間光変調器を利用したシステムについては、J・グルクスタットらが"Loseless Light Projection",Optics Letters Vol.22, No.18で開示している。

概要

反射型空間光変調器を利用し、光の利用効率の高い空間光変調装置を提供する。 反射型空間光変調器を用いた空間光変調装置であって、読み出し光は、光反射層17に斜めに入射されるP偏光であり、光変調層17内の液晶は、駆動回路12による電圧印加に伴って、入射光である読み出し光と出射光である変調光の両方の光軸を含む面、すなわち、法面と平行な面内で液晶分子が傾斜するよう配向されている、例えば、水平配向垂直配向であることを特徴とする空間光変調装置。

目的

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みて、反射型空間光変調器を利用し、光の利用効率の高い空間光変調装置を提供することを課題とする。

効果

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請求項1

液晶光変調材料とする光変調層光反射層とを有し、該光変調層に前記光反射層の反対側から入射させた読み出し光を該光反射層で反射させて前記光変調層を再び通過させることで2回光変調を行い変調光を入射面側から出力する位相変調型の反射型空間光変調器と、前記反射型空間光変調器に画像情報を書き込むための書き込み手段と、前記反射型空間光変調器の前記入射面側に配置され、前記読み出し光の光軸と前記反射型空間光変調器の前記入射面の法線とを含む法面内に偏光方向を有する直線偏光の光を前記読み出し光として前記反射型空間光変調器に入射させる読み出し光入射手段と、を備え、前記変調光もまた前記法面内に偏光方向を有する直線偏光の光であって、前記光変調層内の液晶は、電圧印加に伴って、前記読み出し光と前記変調光の両方の光軸を含む面と平行な面内で液晶分子が傾斜するよう配向されていることを特徴とする空間光変調装置

請求項2

前記変調光の出射光路上に配置され、前記変調光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズをさらに備えることを特徴とする請求項1記載の空間光変調装置。

請求項3

情報出力レーザダイオードアレイを備える第1の並列演算ボードと、情報入力用受光器アレイを備える第2の並列演算ボードとの間での素子間の接続を切り替える空間光変調装置であって、前記第1の並列演算ボードの前記情報出力用レーザダイオードアレイは、前記読み出し光を前記反射型空間光変調器に入射させる前記読み出し光入射手段であり、前記第1の並列演算ボードから出力される前記読み出し光を前記反射型空間光変調器に入射させるとともに、前記変調光を前記第2の並列演算ボードの前記情報入力用受光器アレイへ入射させるプリズムと、前記読み出し光及び前記変調光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の空間光変調装置。

請求項4

前記書き込み手段は、書き込み光出射する書き込み光源と、前記書き込み光が通過する際に所定の画像情報を当該書き込み光に書き込む液晶テレビと、前記書き込み光に書き込む前記画像情報を制御する制御手段と、を有することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項記載の空間光変調装置。

請求項5

前記読み出し光入射手段は、前記法面内に偏光方向を有するP偏光の光を前記読み出し光として前記反射型空間光変調器に入射させ、前記変調光もまた前記法面内に偏光方向を有するP偏光の光であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項記載の空間光変調装置。

請求項6

前記読み出し光入射手段がレーザであることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項記載の空間光変調装置。

請求項7

前記光変調層内の液晶は、垂直配向あるいは水平配向処理されていることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項記載の空間光変調装置。

請求項8

前記読み出し光入射手段は、前記読み出し光を前記反射型空間光変調器の前記光反射層に斜めに入射させることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項記載の空間光変調装置。

技術分野

0001

本発明は、液晶光変調材料とする空間光変調装置に関し、特に反射型空間光変調器を用いた空間光変調装置に関する。

背景技術

0002

空間光変調装置には、強度変調型と位相変調型の2つのタイプがある。前者の強度変調型は、液晶テレビプロジェクタライトバルブなどに用いられるタイプのものであり、多くの空間光変調装置はこのタイプである。一方、光情報処理ホログラム処理などの分野では後者の位相変調型が有望と考えられている。というのは、位相変調型は強度変調型と異なり、光の利用効率を高くすることができるからである。このような位相変調型の空間光変調器を利用したシステムについては、J・グルクスタットらが"Loseless Light Projection",Optics Letters Vol.22, No.18で開示している。

発明が解決しようとする課題

0003

反射型の空間光変調装置の場合、透過型と異なり、読み出し光入射面と変調光出射面は同一面であるので、通常はハーフミラーを用いて変調光を読み出し光から分離している。この結果、光の利用効率が下がり、位相変調型のメリットが失われてしまう。ハーフミラーを使用しないシステムとしては、読み出し光を入射面に対して斜めに入射させることで、読み出し光と変調光の光軸をずらす方法があるが、液晶層に斜めに光を入射させた場合、変調光の偏波面が回転するため、垂直入射と比較して低い回折効率しか得られない。この結果、低い光利用効率しか得られないという問題があった。

0004

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みて、反射型空間光変調器を利用し、光の利用効率の高い空間光変調装置を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0005

上記課題を解決するため、液晶を光変調材料とする光変調層光反射層とを有し、該光変調層に光反射層の反対側から入射させた読み出し光を該光反射層で反射させて光変調層を再び通過させることで2回光変調を行い変調光を入射面側から出力する位相変調型の反射型空間光変調器と、反射型空間光変調器に画像情報を書き込むための書き込み手段と、反射型空間光変調器の入射面側に配置され、読み出し光の光軸と反射型空間光変調器の入射面の法線とを含む法面内に偏光方向を有する直線偏光の光を読み出し光として反射型空間光変調器に入射させる読み出し光入射手段と、を備え、変調光もまた法面内に偏光方向を有する直線偏光の光であって、光変調層内の液晶は、電圧印加に伴って、読み出し光と変調光の両方の光軸を含む面と平行な面内で液晶分子が傾斜するよう配向されていることを特徴とする。

0006

これによれば、読み出し光の光軸と空間光変調器の入射面の法線を含む法面内に偏光方向を有する直線偏光の読み出し光を斜めに入射させると、読み出し光は、読み出し光の光軸と空間光変調器の入射面の法線を含む法面内に偏光方向を有する光となる。光変調層内の液晶は、電圧印加に伴いこの法面内で傾斜するように配置されているので、読み出し光の偏光と液晶分子の配向方向にじれが生じないので、偏波面を回転させることなく位相変調を施すことができる。反射光も同様であるから最終的に出力される変調光の偏波面は入射光と同一であり、法面内に偏光方向を有する直線偏光の光として出力される。したがって、垂直入射時と同様に高い回折効率を保つことが可能である。

0007

変調光の出射光路上に配置され、変調光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズをさらに備えることが好ましい。

0008

情報出力レーザダイオードアレイを備える第1の並列演算ボードと、情報入力用受光器アレイを備える第2の並列演算ボードとの間での素子間の接続を切り替える空間光変調装置であって、第1の並列演算ボードの情報出力用レーザダイオードアレイは、読み出し光を反射型空間光変調器に入射させる読み出し光入射手段であり、第1の並列演算ボードから出力される読み出し光を反射型空間光変調器に入射させるとともに、変調光を第2の並列演算ボードの情報入力用受光器アレイへ入射させるプリズムと、読み出し光及び変調光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズと、をさらに備えることが好ましい。

0009

書き込み手段は、書き込み光を出射する書き込み光源と、書き込み光が通過する際に所定の画像情報を当該書き込み光に書き込む液晶テレビと、書き込み光に書き込む画像情報を制御する制御手段と、を有することが好ましい。

0010

読み出し光入射手段は、法面内に偏光方向を有するP偏光の光を読み出し光として反射型空間光変調器に入射させ、変調光もまた法面内に偏光方向を有するP偏光の光であってもよい。

0011

読み出し光入射手段がレーザであることが好ましい。

0012

光変調層内の液晶は、垂直配向あるいは水平配向処理されていることが好ましい。液晶を垂直配向、あるいは水平配向処理することにより液晶分子は、所定の面内に捻れなしに配列される。この所定の面を法面に合わせることで偏波面の回転なしに位相変調を施すことが容易になる。

0013

読み出し光入射手段は、読み出し光を反射型空間光変調器の光反射層に斜めに入射させることが好ましい。

発明の効果

0014

本発明によれば、読み出し光に法面内に偏光方向を有する直線偏光を斜め入射で用い、空間光変調器の光変調層内の液晶を、電圧印加に際して読み出し光の法面に平行な面内で液晶分子が傾斜するように配向しているので、光変調に際して光の偏波面が回転することがない。そして、空間光変調器に斜めに光を入反射させるので、入射光軸出射光軸が分離され、入射、出射の光学系の配置の自由度が増し、光の利用効率が高められる。

発明を実施するための最良の形態

0015

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

0016

図1は、本発明に係る空間光変調装置の光変調層の構成を示す概略断面図であり、図2は、この光変調層を有する光変調器部分の構成を示す概略断面図であり、図3は、この光変調器を有する本発明に係る空間光変調装置の第1の実施形態を示す概略図である。

0017

まず、図1図2を参照して本発明に係る空間光変調装置に用いられる空間光変調器の構造について説明する。

0018

図2に示される空間光変調器(SLM)1は、書き込み光の入射面に入射光の不要な反射を防止するARコート11を施したガラス基板12の入射面と反対の面に、ITO13を介して入射光の強度に応じて抵抗が変化するアモルファスシリコン(a−Si)からなる光導電層14と誘電体多層膜製のミラー層15が積層されている。一方、読み出し光側は、同じくARコート22を施したガラス基板21の入射面と反対の面にITO20が積層されており、ミラー層15とITO20上に配向層16、19がそれぞれ設けられて、これらの配向層16、19同士を対向させて枠状のスペーサー18を介して接続し、スペーサー18の枠内にネマチック液晶充填して液晶層を設けて、光変調層17を形成している。配向層16により、光変調層17内のネマチック液晶は配向層16の表面に対して、平行あるいは垂直に配向されている。そして、ITO13、20に駆動装置2が接続されて、両者の間に所定の電圧印加されている。

0019

ここで、光変調層17内の液晶の配向について図1を参照して説明する。図1(a)は、光変調層17として平行配向液晶型を用いた場合を、同図(b)は、垂直配向液晶型を用いた場合をそれぞれ示している。

0020

図1(a)及び(b)に示されるように、図の紙面に垂直な方向をX方向とし、紙面をYZ平面とし、光変調層17の厚み方向をZ方向とする。本発明に係る空間光変調装置においては、後述するように、光変調層17に入射する光は、図1(a)及び(b)におけるYZ平面を法面としている。ここで、法面とは、直線偏光の光がミラーに入射して反射される際に入射光軸、反射光軸、ミラーの法線のいずれをも含む面を指すものである。そして、入射光はP偏光、すなわち、この法線内に偏光方向を有している直線偏光の光である。そして、光変調層17内の液晶は、光変調層17に電圧を印加した際にこの法面に平行な面内で配向方向が傾くように配向されている。このように光変調層17内の液晶分子を配向させることで、入射した光の偏波面が回転することがなく、出射光の偏光方向もP偏光のまま維持される。

0021

次に、図3を参照して本発明に係る光変調装置の第1の実施形態について説明する。図2に示されるSLM1の書き込み光入射面側に、書き込み光の光源3と、書き込み光の画像を表示する透過型液晶テレビ5と、書き込み光に含まれる画像信号をSLM1の光導電層14に結像させる結像レンズ6とが配置されており、透過型液晶テレビ6には、画像表示を制御する書き込み用電気信号発生器4が接続されている。

0022

一方、SLM1の読み出し光入射面側には、この入射面の法面内で法線と角度θ傾けられた光軸上に、読み出し光光源となるHe−Neレーザ7と、レンズ8と、スペイシャルフィルタ9と、コリメートレンズ10とが配置されており、出射光路上には、フーリエ変換レンズ30が配置されている。

0023

続いて、本実施形態の動作を説明する。書き込み光側の光源3から出射された書き込み光には、液晶テレビ5を通過する際に、電気信号発生器4の制御により所定の画像情報が書き込まれる。この画像情報を有する書き込み光は、結像レンズ6によりSLM1の光導電層14に結像される。SLM1の両ITO13、20間には駆動装置2により数ボルト交流電圧が印加されているが、光導電層14に書き込まれた画像によって、光導電層14は画素位置によって電気的インピーダンスが変化する。この結果、光変調層17は画素位置によって印加される電圧の分圧が異なってくる。この場合、光源3、液晶テレビ5、及び電気信号発生器(制御手段)4がSLM1に画像情報を書き込むための書き込み手段として機能する。

0024

一方、He−Neレーザ7から出射された直線偏光光は、レンズ8、スペイシャルフィルタ9、コリメートレンズ9により平行光に調整され、P偏光としてSLM1の光変調層17へと入射する。前述したように、光変調層17は画素位置によって印加される電圧の分圧が異なるので、この電圧に応じて液晶分子の傾きが変化する。このとき、液晶分子は法面内でその配向方向が変化する。この結果、画素位置によって光変調層17の屈折率が変化する。光変調層17に入射した読み出し光はこの屈折率変化により位相変調され、ミラー層15により反射されて、入射面から再び出力される。このときに、偏波面の回転が起こらないので、効率の良い位相変調が行なえる。出射された読み出し光をフーリエ変換レンズ30でフーリエ変換することにより、所定のホログラム画像を表示することができる。この場合、He−Neレーザ7、レンズ8、スペイシャルフィルタ9、及びコリメートレンズ10がSLM1に読み出し光を入射させる読み出し光入射手段として機能する。

0025

本発明者らは、本発明に係る空間光変調装置の光利用効率向上を確認するための比較実験を行なったので、以下、その結果について報告する。

0026

実験は、図3に示される装置において、液晶テレビ6に縦じま画像を表示させ、表示させる縦じまの本数、つまり空間周波数と読み出し光の入出射角度θを変えた時に、SLM1から出射される読み出し光の1次回折光強度割合、すなわち回折効率を測定したものである。実験に際しては、SLM1の光変調層17として平行配向液晶を用い、本発明に係る図1(a)に示される配向を用いた実施例と、図4に示されるように、読み出し光にS偏光を用い、読み出し光の法面に液晶の配向方向を直交して配置した比較例とで、比較を行なった。

0027

図5に実施例の回折効率の実験結果を、図6R>6に比較例の回折効率の実験結果をそれぞれ示す。

0028

実施例では、入出射角θが変化しても回折効率はほぼ一致して高い効率を示しているのに対し、比較例では、入出射角θが大きくなるほど回折効率が低下していることが確認された。実施例、つまり、本発明に係る第1の実施形態では、回折効率、つまり光の利用効率を高く維持したまま入出射角θを大きくとることができる。このため、読み出し光の入射光路と出射光路を追加の光学部材を用いることなく完全に分離することができる。したがって、高い光の利用効率を得ることができる。さらに、入射光路と出射光路の設計の自由度が増すという利点がある。

0029

図7は、本発明に係る空間光変調装置の第2の実施形態を示す概略図である。この装置は、光で情報をやりとりする並列演算ボード40と50の間で各素子間の接続を切り替える光インターコネクション装置60である。

0030

両並列演算ボード40、50は、それぞれ情報入力用の受光器アレイ41、51と情報出力用のレーザダイオードアレイ42、52を備えている。そして、光インターコネクション装置60は、並列演算ボード40のレーザダイオードアレイ42と並列演算ボード50の受光器アレイ51の間に配置されている。

0031

インターコネクション装置60は、図1図2に示される構造のSLM1を備えており、その読み出し光入射面側には、入射面側からフーリエ変換レンズ30とプリズム61が配置されている。一方、書き込み光入射面側には、入射面側から結像レンズ6、書き込み画像表示用の透過型液晶テレビ5、光源3が配置され、液晶テレビ5は書き込み画像制御装置4に接続されている。

0032

次に、この光インターコネクション装置60の動作を説明する。制御装置4を制御して液晶テレビ5に光路切替用のホログラムパターンを表示させ、光源3から書き込み光を出射させると、結像レンズ6を介して、液晶テレビ5に表示されたホログラムパターンがSLM1の光導電層14に結像される。この場合、光源3、液晶テレビ5、制御装置(制御手段)4、及び結像レンズ6がSLM1に画像情報を書き込むための書き込み手段として機能する。

0033

並列演算ボード40の出力信号は、レーザダイオードアレイ42により2次元あるいは1次元の画像情報として出力される。この画像は、プリズム61により反射され、フーリエ変換レンズ30を介してSLM1に導かれる。そして、SLM1の光変調層17へと入射される。液晶テレビ5に表示された光路切替用のホログラムパターンに応じて読み出し光は所定の光変調を受ける。こうして変調された画像は、再びフーリエ変換レンズ30を介してプリズム61により反射されて並列演算ボード50の受光器アレイ51へと入射する。液晶テレビ6に表示するホログラムイメージを変えることにより、並列演算ボード40のレーザダイオードアレイ42と並列演算ボード50の受光器アレイの任意の画素同士の接続を切り替えることが可能である。この場合、並列演算ボード40、及びレーザダイオードアレイ42がSLM1に読み出し光を入射させる読み出し光入射手段として機能する。

0034

読み出し光として直線偏光を用い、SLM1の液晶配向方向図1(a)または(b)のように設定することで、高い回折効率を得ることができるので、並列演算ボード40、50間を確実に接続することができる。

0035

本発明の空間光変調装置は、以上説明した実施形態に限られるものではなく、位相変調を利用する各種の空間光変調装置に適用可能である。例えば、コンピュータ合成ホログラム光コンピューティングなどに適用できる。直線偏光の光源としては、各種のレーザを用いることができる。

0036

また、液晶の配向方向は、図1(a)及び(b)に示される水平配向、垂直配向に限られるものではなく、ハイブリッド配向傾斜配向であってもよい。ただし、電圧印加に際して液晶分子が法面内で傾斜するような方向に配向している必要があることは言うまでもない。

図面の簡単な説明

0037

本発明に係る空間光変調装置の光変調層内の液晶配置を説明する図である。
本発明に係る空間光変調装置に用いられる空間光変調器の構成を示す図である。
本発明に係る空間光変調装置の第1の実施形態を示す図である。
比較例の空間光変調装置の光変調層内の液晶配置を説明する図である。
第1の実施形態における回折効率の測定結果を示すグラフである。
比較例における回折効率の測定結果を示すグラフである。
本発明に係る空間光変調装置の第2の実施形態を示す図である。

符号の説明

0038

1…空間光変調器、2…駆動装置、3…光源、5…液晶テレビ、6…結像レンズ、7…レーザ、13、20…ITO、14…光導電層、15…ミラー層、17…光変調層、30…フーリエ変換レンズ。

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