(57)【特許請求の範囲】
【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、
前記位相コントラストフィルタにより０次光成分が位相シフトされた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。
【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、
前記位相コントラストフィルタにより０次光成分が位相シフトされた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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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,“Generalized Phase Constrast Imaging”,
Patent Application No.PCT/DK96/00190」
文献２；
「Jesper Gluckstad,“Adaptive arrey illumination and structured light
generated by spatial zero-order modulation in a Kerr medium”,
Optics Communications 120(1995）pp.194−203」
文献３；
「Jesper Gluckstad,“Phase constrast image synthesis”，
Optics Communications 130(1996）pp.225−230」
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ＳＬＭ）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ＭＴＦ、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、ＰＡＬＳＬＭ１８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，１８ｈ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，１８ｂ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１８ｉに掛かる電界強度が決まることで、光変調材料層１８ｉ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、ＰＡＬＳＬＭ１８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、ＰＡＬＳＬＭ１８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】
0003918044.tif 000002
【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】
0003918044.tif 000003
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２８ｃ，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２８ｃ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】
0003918044.tif 000004
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】
0003918044.tif 000005
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】
0003918044.tif 000006
【００４２】
【数６】
0003918044.tif 000007
【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】
0003918044.tif 000008
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】
0003918044.tif 000009
【００５５】
【数９】
0003918044.tif 000010
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２８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、ＰＡＬＳＬＭ１８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αf（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２８ｇ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、ＰＡＬＳＬＭ１８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、ＰＡＬＳＬＭ１８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ｈν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４２，４６が設けられ、これらのシリンドリカルレンズ４２，４６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，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４４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４４ｇ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４４ｇ，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４４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４４ｋ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４４ｌ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（１０）の関係がある。
【００８９】
【数１０】
0003918044.tif 000011
【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、ＰＡＬＳＬＭ１８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、ＰＡＬＳＬＭ１８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ＰＡＬＳＬＭ１８に直接入射する。この読出し光ｈνがＰＡＬＳＬＭ１８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４２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５０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ＰＡＬＳＬＭ５８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，６６ｄの間に、光導電体層６６ｅと、誘電体多層膜ミラー６６ｆ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６６ｉ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】
0003918044.tif 000012
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】
0003918044.tif 000013
となる。更に、０次光成分の中心強度Ｐは、
【０１１２】
【数１３】
0003918044.tif 000014
となる。従って、０次光成分の大部分が、前記式（１１）に基づいて設計される位相コントラストフィルタ６６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９９．９５％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６６ｉ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６６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Ｖ66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】
0003918044.tif 000015
【０１２１】
【数１５】
0003918044.tif 000016
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／ｃｍ2となる。特性図（図２１）から、この僅かな漏洩光Δαf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、ＰＡＬＳＬＭ５８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６０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…ＰＡＬＳＬＭ、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、２６，２６’，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、４２，４６，４８，７２，７４…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。
【図１】
0003918044.tif 000017
【図２】
0003918044.tif 000018
【図３】
0003918044.tif 000019
【図４】
0003918044.tif 000020
【図５】
0003918044.tif 000021
【図６】
0003918044.tif 000022
【図７】
0003918044.tif 000023
【図８】
0003918044.tif 000024
【図９】
0003918044.tif 000025
【図１０】
0003918044.tif 000026
【図１１】
0003918044.tif 000027
【図１２】
0003918044.tif 000028
【図１３】
0003918044.tif 000029
【図１４】
0003918044.tif 000030
【図１５】
0003918044.tif 000031
【図１６】
0003918044.tif 000032
【図１７】
0003918044.tif 000033
【図１８】
0003918044.tif 000034
【図１９】
0003918044.tif 000035
【図２０】
0003918044.tif 000036
【図２１】
0003918044.tif 000037
【図２２】
0003918044.tif 000038
【図２３】
0003918044.tif 000039
【図２４】
0003918044.tif 000040