(57)【要約】【課題】透過する光に対して、光変調をしつつ所望の位相変化を与えることができ、担持した画像情報の直流成分レベルに変化が生じる虞を抑制しつつ、出力された光による画像に内部歪に応じた画像歪が発生するのを抑制することができ、集光位置での直流成分レベルと高周波成分レベルの比を抑制して、ダイナミックレンジの改善を図る。【解決手段】電圧が印加されると、偏光子１４Ａを通過した直線偏光は、強度変調用の液晶１１Ａによって偏光方向が９０度回転された状態で偏光子１４Ｂに到達し、偏光子１４Ｂを透過する。この後、該直線偏光は、印加電圧に応じて透明内側基板１３Ｃに垂直に配された位相変調用の液晶１２Ａにより、偏光面が回転されずに偏光子１４Ｃに到達し、偏光子１４Ｃによって遮弊されずに素子外部に出力されるとともに、この位相変調用液晶素子１２の内部を通過する間に位相が変調される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強度変調用の空間光変調素子部と、位相変調用の空間光変調素子部とを、中間基板部を挟んで一体的に形成してなることを特徴とする透過型空間光変調素子。
【請求項２】
前記強度変調用の空間光変調素子部と、前記位相変調用の空間光変調素子部とが、いずれも液晶を用いた光変調素子部であることを特徴とする請求項１記載の透過型空間光変調素子。
【請求項３】
前記中間基板部は、前記強度変調用の空間光変調素子部の内側基板と、前記位相変調用の空間光変調素子部の内側基板との間に、偏光子を設けてなることを特徴とする請求項１または２記載の透過型空間光変調素子。
【請求項４】
請求項１から３のうちいずれか１項記載の透過型空間光変調素子を、ホログラム記録用のデジタルデータ変調手段として搭載したことを特徴とする光学装置。
【請求項５】
請求項１から３のうちいずれか１項記載の透過型空間光変調素子を、位相補償機能を有する画像表示素子として搭載したことを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラムシステムにおいて物体光に所望の情報を担持させるため、あるいは一般的に画像を表示させるため、に用いられるＳＬＭ等の透過型空間光変調素子、およびこの透過型空間光変調素子を搭載した光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ホログラムでは、一般に、ＳＬＭ等の空間光変調素子に映出された画像情報を担持せしめた物体光を参照光とともに合波し、ＦＴＬ（フーリエ変換レンズ）でフーリエ変換しつつ、ホログラム光記録媒体上に集光せしめ、該２つの光による干渉縞を光記録媒体中に書き込むことによって、該画像情報を記録する。一方、このようにして画像情報が記録された光記録媒体に参照光を照射せしめ、光記録媒体中の干渉縞情報に応じた回折光を発生させ、この回折光をＦＴＬでフーリエ逆変換しつつ平行光に戻し、ＣＣＤ等の撮像素子で撮像することによって、上記物体光が担持していた画像情報を再生することができる。
【０００３】
ところで、このようなホログラムの情報記録時において、上述したように、合波した物体光と参照光とをＦＴＬによりホログラム光記録媒体上に集光せしめるようにしているため、特に、位相が揃った光の場合には、集光位置において直流成分が極めて大きなパワーを持つようになり、また高周波成分に到るまでのダイナミックレンジが極めて大きくなってしまう。
【０００４】
このため、情報記録時において、直流成分のレベルに記録用の光パワーを合わせると直流成分のみが記録されてしまい、高周波成分に係るデータをほとんど記録することができず、一方、高周波成分に係るデータが記録できるように記録用の光パワーを上げると直流成分が飽和してしまいデータが破損してしまう、という不都合を生じる。
【０００５】
このような問題を解決するため、例えば下記特許文献１〜３に示すように、ＳＬＭの後段にランダム位相マスクを配設し、集光位置での直流成分レベルと高周波成分レベルの比を抑制するようにした技術が知られている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２７６３７３号公報
【特許文献２】特開２００６−２３４９９０号公報
【特許文献３】特開２００５−２９２６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したランダム位相マスクを使用した場合、そのパターンが、文字通りランダムに決定されてしまうことから、このマスクによって所望の位相変化を与えることは困難である。
【０００８】
また、上記特許文献２記載のもののように規則的なパターン配列とされた位相マスクにおいては、ランダムデータの配置に応じて直流成分レベルが変化してしまう、という問題も生じていた。
【０００９】
さらに、ＳＬＭ等の空間光変調素子は一般の画像表示素子としても用いられるものであるが、ＳＬＭ等の空間光変調素子には内部歪が発生しているため、従来のＳＬＭ等から出力された光による画像は、どうしても歪みを有したものとなってしまう、という問題があった。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、透過する光に対して、光変調をしつつ所望の位相変調を行うことができ、担持した画像情報の直流成分レベルに変化が生じる虞を抑制しつつ、出力された光による画像に内部歪に応じた画像歪が発生するのを抑制することができるとともに、集光位置での直流成分レベルと高周波成分レベルの比を抑制して、ダイナミックレンジの改善を図り得る透過型空間光変調素子およびこれを搭載した光学装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を解決するために、本発明の透過型空間光変調素子および光学装置においては、空間光変調素子が、強度変調用素子部と位相変調用素子部とを直列的、かつ一体的に設けてなる構成としている。
【００１２】
すなわち、本発明の透過型空間光変調素子は、
強度変調用の空間光変調素子部と、位相変調用の空間光変調素子部とを、中間基板部を挟んで一体的に形成してなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記強度変調用の空間光変調素子部と、前記位相変調用の空間光変調素子部とが、いずれも液晶を用いた光変調素子部であることが望ましい。
【００１４】
また、前記中間基板部は、前記強度変調用の空間光変調素子部の内側基板と、前記位相変調用の空間光変調素子部の内側基板との間に、偏光子を設けてなることが望ましい。
【００１５】
また、本発明の光学装置は、上述したいずれかの透過型空間光変調素子を、ホログラム記録用のデジタルデータ変調手段として搭載したことを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、本発明の他の光学装置は、上述したいずれかの透過型空間光変調素子を、位相補償機能を有する画像表示素子として搭載したことを特徴とするものである。
【００１７】
なお、上記強度変調用素子部と上記位相変調用素子部との間に介在する「基板」は、これら２つの素子部の間を仕切る機能を有していればよいのであって、必ずしも剛性を有する板状のものである必要はなく、状況によっては可撓性を有するフイルム状のものを使用することも可能である。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、空間光変調素子に、強度変調機能の他に位相変調機能を持たせるように構成し、しかも透過する光束に対して連続的に、これら２つの変調作用を付与することができるようにしているから、当該空間光変調素子を透過する光に対して、強度変調を行いつつ、所望の位相変調を行うことができる。
【００１９】
また、担持した画像情報の直流成分レベルに変化が生じる虞を抑制しつつ、集光位置での直流成分レベルと高周波成分レベルの比を抑制して、情報記録時におけるダイナミックレンジの改善を図り得る空間光変調素子、ホログラム装置を得ることができる。
【００２０】
また、出力された情報光により表示された画像に、光変調素子の内部歪や光路中に配されたレンズ歪に応じた画像歪が発生するのを抑制することができ、歪のない画像表示素子、画像表示装置を作成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る透過型空間光変調素子の断面模式図を示すものである。ここで、（Ａ）は素子への印加電圧がｏｆｆの場合を示すものであり、（Ｂ）は素子への印加電圧がｏｎの場合を示すものである。
【００２２】
この透過型空間光変調素子は液晶表示素子１からなり、光入射側から順に、強度変調用液晶素子１１および位相変調用液晶素子１２を中間基板部１３Ｇを挟んで配列してなるものである。
【００２３】
さらに、強度変調用液晶素子１１は、外側に偏光子１４Ａを付設した透明外側基板１３Ａと、透明内側基板１３Ｂとの間に強度変調用の液晶１１Ａを挟んでなるものである。一方、位相変調用液晶素子１２は、外側に偏光子１４Ｃを付設した透明外側基板１３Ｄと、透明内側基板１３Ｃとの間に位相変調用の液晶１２Ａを挟んでなるものである。
【００２４】
ここで、強度変調用の液晶１１Ａは、電圧印加に応じ、液晶１１Ａが基板面と平行な面内で回転し、透明外側基板１３Ａ付近における液晶１１Ａと透明内側基板１３Ｂ付近における液晶１１Ａとは、互いに９０度回転した状態となる。これにより、入射した光の偏光方向も、液晶１１Ａの双極子モーメントの回転角に応じて回転する。
【００２５】
また、上記位相変調用液晶素子１２は、電圧印加に応じ、液晶１２Ａが基板面と垂直な面内で回転し、印加電圧ｏｎ状態においては、透明内側基板１３Ｃ付近から透明外側基板１３Ｄ付近に亘り、液晶１２Ａが基板１３Ｃ、１３Ｄの表面に対して垂直な状態に配される。
また、２つの透明内側基板１３Ｂ、１３Ｃの間には、偏光子１４Ｂが挟持されている。
【００２６】
なお、本実施形態においては、上記中間基板部１３Ｇは、上記２つの透明内側基板１３Ｂ、１３Ｃおよび偏光子１４Ｂにより構成される。
【００２７】
また、電圧は、透明外側基板１３Ａと透明内側基板１３Ｂとの間、および透明外側基板１３Ｄと透明内側基板１３Ｃとの間にそれぞれ印加すればよい。
【００２８】
また、その電圧の印加は、例えば、低周波電源等の電源を用いて行えばよく、これにより画像表示装置を構築することができる。
【００２９】
また、上記透明外側基板１３Ａ、１３Ｄおよび上記透明内側基板１３Ｂ、１３Ｃとしては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）等からなる透明電極が蒸着されたガラス基板等を用いることができる。
【００３０】
また、上記各偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの光透過軸方向に関して、偏光子１４Ａと偏光子１４Ｂでは互いに直交し、偏光子１４Ｂと偏光子１４Ｃでは互いに平行とされている。なお、偏光子１４Ｃを省略することも可能であるが、消光比を良好とする上ではこの偏光子１４Ｃを設けることが有効である。なお、偏光子１４Ｂの光透過軸方向と液晶１２Ａの配向方向は互いに平行となるように配置される。
【００３１】
なお、強度変調用の液晶１１Ａとしては、例えばツイステッドネマティック型のものを用いることができ、一方、位相変調用の液晶１２Ａとしては、例えばホメオトロピックネマティック型のものを用いることができる。
【００３２】
以下、上記液晶表示素子１の動作について説明する。
まず、印加電圧がｏｆｆ状態の場合には、偏光子１４Ａを通過した直線偏光は、図１（Ａ）に示すように、強度変調用の液晶１１Ａ（直線偏光の振動面内に長軸が配されている）によって偏光面が回転されないため、偏光子１４Ｂによって遮弊されることになり、外部には出力されない。
【００３３】
一方、印加電圧がｏｎ状態の場合には、偏光子１４Ａを通過した直線偏光は、図１（Ｂ）に示すように、強度変調用の液晶１１Ａの双極子によって偏光方向が９０度回転された状態のときに偏光子１４Ｂに到達することになるため、偏光子１４Ｂを透過する。この後、印加電圧に応じ透明内側基板１３Ｃに対して垂直に配された位相変調用の液晶１２Ａによって、偏光面が回転されずに偏光子１４Ｃに到達するため、この偏光子１４Ｃによって遮弊されずに素子外部に出力されるとともに、この位相変調用液晶素子１２の内部を通過する間に、位相が変調されることになる。
【００３４】
なお、この位相変調用液晶素子１２により変調する位相を調整する場合には、例えば、位相変調用の液晶１２Ａへの印加電圧を変化させ、面内配向と垂直配向の中間の所定状態に相等する配向角度に設定することにより、光に影響をおよぼす屈折率変化の度合いを変化させて、位相を変化させるようにすればよい。
【００３５】
このように、本実施形態に係る液晶表示素子１によれば、偏光子１４Ｂを介して、強度変調用液晶素子１１および位相変調用液晶素子１２を、直列的、かつ一体的に配列することにより形成しているので、透過させる光に対し、強度変調および位相変調を連続的に行うことができる。
【００３６】
これにより、この液晶表示素子１を透過する光に対して、強度変調を行いつつ、所望の位相変調を与えることができ、出力された情報光による表示画像に、光変調素子の内部歪や光路中に配されたレンズ歪に応じた画像歪が発生するのを抑制することができる。
【００３７】
しかも、従来技術と比べて、担持した画像情報の直流成分のレベル変動が生じる虞を抑制することができ、また集光位置での直流成分レベルと高周波成分レベルの比を抑制して、情報記録時におけるダイナミックレンジの改善を図り得る空間光変調素子、ホログラム装置を得ることができる。
【００３８】
また、空間光変調素子、例えば液晶表示素子１においては、製作段階において液晶自体の不均一性や基板による不均一性等に応じて、波長オーダーの位相のずれが生じており、このずれに応じて出射光波面に乱れが生じて（図２（Ｂ）参照：１Ａは液晶表示素子、４１Ｂは光波面）再生像に歪が生じ易い。しかし、本実施形態に係る透過型空間光変調素子によれば、素子内に設けた位相変調部（位相変調用液晶素子１２）において、上記位相のずれを補償することで、出射光波面の乱れを補償し（図２（Ａ）参照：１は液晶表示素子、４１Ａは光波面）、歪のない再生像を得ることができる。
【００３９】
ところで、通常の液晶素子においては、各単位画素を駆動する電極部や配線部（以下、電極部等と称する）が、各単位画素の光照射領域に配設されるため、光の一部がこの電極部等により遮蔽されてしまう。例えば、光進行方向から液晶素子を見た場合に、図３（Ａ）に示すように、光照射領域のうち、電極部等３５が配された部分は遮光部となるので、光照射領域全体に対する開口部３６の面積割合（開口率：通常６０〜９０％）に応じた光透過率を向上させることが明るい液晶素子を作成する上で重要である。しかし、仮に開口率を大きくした場合であっても、このような液晶素子を２段に重ねる場合には、それらのアライメント調整が良好になされていないと、光透過率が大幅に低下して暗い液晶素子となってしまう。
【００４０】
それらのアライメント調整が良好になされている場合には、例えば、図３（Ｂ）に示すように、液晶素子が１つの場合と同様の光透過率が得られるが、それらのアライメント調整が良好になされていない場合（ミスアライメントの場合）には、例えば、図３（Ｃ）に示すように、第１の液晶素子３１の開口部３６と第２の液晶素子３２の開口部３６との重なり合う部分が小さくなるため、光透過率が大幅に低下して暗い液晶素子となってしまう。
【００４１】
そこで、本実施形態のものでは、このように強度変調用液晶素子１１および位相変調用液晶素子１２を、単一素子内にプロセスを一体化して作成していることから、これら２つの素子が別体である場合と比べ、両素子の位置合わせの精度が大幅に改善されて明るい液晶素子を得ることができ、また、これら２つの素子の位置合わせに要する時間や煩雑さを大幅に低減することができる。
【００４２】
また、本実施形態の透過型空間光変調素子は、画像表示装置の他、種々の光学装置に搭載することが可能である。例えば、図４に示すように、デジタルホログラム記録装置１０１において、信号光（物体光）に画像情報を担持せしめるための画像情報のソースとしてＳＬＭ等が用いられるが、本実施形態の透過型空間光変調素子を、この画像情報のソースとして用いてもよい。
【００４３】
すなわち、このデジタルホログラム記録装置１０１は、図示されないレーザ光源から出射されたコヒーレントなレーザ光束が、図示されないビームスプリッタにより２系の光束に分岐され、それぞれ信号光（物体光：実際にはＳＬＭ１０３により信号光とされる）および参照光として機能せしめられる。
【００４４】
参照光がホログラム記録媒体１０５上の所定の領域に照射されるのに対し、信号光は、上述したように本実施形態に係る透過型のＳＬＭ（透過型空間光変調素子）１０３に照射され、このＳＬＭ１０３において画像情報を担持せしめられた後、ＦＴＬ１０４を介してホログラム記録媒体１０５上の上記所定の領域に照射される。上記所定の領域においては、参照光と信号光とが干渉し、それにより生成された干渉縞がこのホログラム記録媒体１０５中に記録される。
【００４５】
また、ＳＬＭ１０３には、制御装置１０２へ伝送されたページデータ情報等の画像情報が入力され、その入力に応じて該画像情報が表示されるため、この画像情報が信号光に担持せしめられるものとなる。
【００４６】
なお、情報再生時においては、参照光は、情報記録時と同様の条件（例えば入射角度および位置）でホログラム記録媒体１０５の所定の領域に照射され、これにより、画像情報を担持した回折光がホログラム記録媒体１０５から出力され、この回折光がＦＴＬ１０６を介してＣＣＤ撮像素子１０７に入射し撮像される。撮像して得られた画像情報信号は制御装置１０２に送出され、制御装置１０２において演算処理、復号化処理等に供され、データ再生が終了する。
【００４７】
また、従来技術（例えば、上記特許文献２）にかかる透過型空間光変調素子において、図５（Ｂ）に示すように、固定位相マスク５２Ａを上述したようなホログラム記録装置等に用いたときには、この固定位相マスク５２Ａのパターンが、データパターン５１Ａと一致する場合があり、この場合、位相マスクを挿入した意義がなくなってしまう。
【００４８】
これに対し、本実施形態の透過型空間光変調素子においては、図５（Ａ）に示すように、データパターン５１に応じて可変位相マスク（上記位相変調用液晶素子１２に対応）５２の位置や位相差を変更することができるので、集光位置において、直流成分光のレベルを抑制することができ、データパターンが変化しても直流成分光のレベルを一定化することができる。
【００４９】
なお、本発明の透過型空間光変調素子としては上記実施形態に係る液晶素子に限られるものではなく、その他、磁気光学効果（ファラデー効果）を用いた透過型空間光変調素子等を用いることも可能である。
【００５０】
以下、本発明の透過型空間光変調素子に係る実施例について、比較例と対応させる形式で図６〜９を用いて説明する。
【００５１】
まず、図６は、原画像データ（ビットパターン）を示すものであり、この原画像データに対する、以下の各処理後の再生画像データ（ビットパターン）を比較することにより、再現性の評価を行った。
【００５２】
（１）比較例１
固定位相マスク（例えば固定位相マスク５２Ａ：以下同じ）をホログラム記録装置等に用いたときにおいて、固定位相マスクのパターンと、画像データのパターンとが一致した場合の、フォーカス時における信号強度分布および再生時におけるビットパターンを、各々図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示す。
【００５３】
すなわち、位相マスクを用いない場合と同様に、フォーカス時における直流付近の信号強度が図７（Ａ）に示す如く大きくなり過ぎて記録媒体のダイナミックレンジを越えてしまう。そのため、記録すべきデータの一部しか記録することができないという事態も起こりうる。図７（Ｂ）は、このように、直流成分データの一部しか記録することができない状態を表すものである。
【００５４】
なお、高周波成分データについては、その全データを記録することが可能であるため、大きな歪等は発生していないが、再生画像データのレベルが低下している。
【００５５】
（２）比較例２
可変位相マスク（例えば可変位相マスク５２：以下同じ）をホログラム記録装置等に用いたときにおいて、可変位相マスクのパターンと、画像データのパターンとに位置ずれが生じている場合の、フォーカス時における信号強度分布および再生時におけるビットパターンを、各々図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示す。
【００５６】
可変位相マスクの作用により、図８（Ａ）に示す如く、直流付近の信号強度が抑制され、信号強度が全体的に平均化される。このため、所定の信号強度分布が記録媒体のダイナミックレンジを越えてしまうという事態の虞がなく、直流成分データの全てを記録することが可能である。しかし、可変位相マスクのパターンと、画像データのパターンとに位置ずれが生じていることから、図８（Ｂ）に示す如く再生画像データのＳＮＲ（信号対雑音比）が低下している。
【００５７】
（３）実施例
位相変調用液晶素子１２をホログラム記録装置等に用いたときにおいて、位相変調用液晶素子１２のパターンと、画像データのパターンとに位置ずれが生じていない場合の、フォーカス時における信号強度分布および再生時におけるビットパターンを、各々図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示す。
【００５８】
本実施例においては、強度変調用液晶素子１１および位相変調用液晶素子１２を、単一素子内にプロセスを一体化して作成していることから、これら２つの素子が別体である場合と比べ、両素子の位置合わせの精度が大幅に改善されており、位相変調用液晶素子１２のパターンと、画像データのパターン（強度変調用液晶素子１１に表示された画像データパターン）とに実質的な位置ずれを生じないようにすることができる。
【００５９】
この場合、位相変調用液晶素子１２を用いたことの作用効果は、図９（Ａ）に示す如く、上述した比較例２における可変位相マスクを用いたことの作用効果と同様であるが、さらに、位相変調用液晶素子１２のパターンと、画像データのパターンとに実質的な位置ずれが生じないようにすることができるので、図９（Ｂ）に示す如く、再生画像データのＳＮＲ（信号対雑音比）の低下が抑制されている。
【００６０】
このように、本実施例においては、再生画像データのＳＮＲの低下を抑制しつつ、フォーカス時における、直流付近の信号強度を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係る透過型空間光変調素子の断面模式図
【図２】本発明の実施形態に係る透過型空間光変調素子と従来技術のものとの、光波面の相違を説明するための概略図
【図３】透過型空間光変調素子を２段に重ねた場合に生じる問題点を説明するための概略図
【図４】本発明の実施形態に係る透過型空間光変調素子を搭載したホログラム記録装置の一例を示す概念図
【図５】本発明の実施形態に係る透過型空間光変調素子と従来技術のものとの、位相マスクの作用の相違を説明するための概略図
【図６】実施例および比較例において用いられる原画像データ（ビットパターン）を示す模式図
【図７】比較例１に係る、フォーカス時における信号強度分布（Ａ）および再生時におけるビットパターン（Ｂ）を示す模式図
【図８】比較例２に係る、フォーカス時における信号強度分布（Ａ）および再生時におけるビットパターン（Ｂ）を示す模式図
【図９】実施例に係る、フォーカス時における信号強度分布（Ａ）および再生時におけるビットパターン（Ｂ）を示す模式図
【符号の説明】
【００６２】
１、１Ａ      液晶表示素子
１１        強度変調用液晶素子
１１Ａ      強度変調用の液晶
１２        位相変調用液晶素子
１２Ａ      位相変調用の液晶
１３Ａ、１３Ｄ      透明外側基板
１３Ｂ、１３Ｃ      透明内側基板
１３Ｂ      中間基板部
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ      偏光子
３１        第１の液晶素子
３２        第２の液晶素子
３５        電極部等
３６        開口部
４１Ａ、４１Ｂ      波面
５１、５１Ａ      データパターン
５２        可変位相マスク
５２Ａ      固定位相マスク
１０１      デジタルホログラム記録装置
１０２      制御装置
１０３      ＳＬＭ
１０４、１０６      ＦＴＬ
１０５      ホログラム記録媒体
１０７      ＣＣＤ撮像素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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