総合報告

液晶空間光変調素子による波面制御

液晶空間光変調素子の最近の展開
原勉

The Latest Advance in Liquid Crystal Spatial Light Modulators
Tsutomu HARA
Two dimensional phase-only light modulation has aroused a great deal of interest in many
applications to optical information processing, such as laser waveform shaping,adaptive optics,
holographic measurement,and optical correlation.Therefore a spatial phase-onlylight modulator
is highly desired for the applications.In order to realize a practical device,we have developed an
optically-addressed liquid crystal spatial light modulator and electrically-addressed liquid crystal
spatial light modulators.We obtained a large depth of phase-only modulation and high diﬀraction
eﬃciency based on the electro-optical characteristic of a parallel-aligned nematic liquid crystal.
Continued eﬀorts on development of spatial light modulators will bring us one step closer topractical applications.
Key words: spatial light modulator, SLM, liquid crystal, phase modulation, optical information
processing

光情報処理は，現在では光コンピューティングにとどま発展に貢献した．

らず，光波形成形，光波面補償に至るまで幅広い分野に広近年になって，光波形成形，光パルス成形，光波面補がっている．これらの応用分野において必須なものは光情

償，光計測などの分野において，光波の位相を二次元的に報を並列に表示し処理できるデバイスであり，これを空間制御するためのデバイスの必要性が高まった．そこで，ア光変調器（SLM :spatial light modulator）とよんでいる ．

モルファスシリコン（a-Si）をアドレス部として用い，液

これまでに世界中で 100種類を超える空間光変調器が研究

晶分子を基板に平行に配向したネマチック液晶層を光変調開発されてきたが，実際に使えるレベルに至ったものは少部とした平行配向液晶空間光変調器（PAL-SLM :parallelない．

aligned nematic liquid crystal spatial light modulator）

筆者らは長年にわたり空間光変調器の研究開発に従事を開発した ．PAL-SLM は読み出し光の位相だけを二次し，まず，光電面をアドレス部とし，光変調部として電気元的に 2πラジアン以上変調することができ，理論限界に光学結晶板 (LiNbO ) を採用した真空管方式の空間光変近い回折効率を有する光アドレス型の空間光変調器であ調管（MSLM : microchannel spatial light modulator)

る．また，コンピューターとの整合性を考え，液晶ディスを完成させた ．MSLM は，マイクロチャネルプレート

プレイ (LCD:liquid crystal display) と PAL-SLM を最(M CP) を内蔵しているので高感度であり，かつメモリー適設計された光学系で結合し，画素構造を除去した光利用機能を有し，デバイス内部で演算処理も可能な多機能デバ効率の高い電気アドレス型空間光位相変調器モジュールイスである（PPM : programmable phase modulator）を完成させ．世界でも数少ない 使える空間光変調器だったため，国内外の多くの研究者が M SLM を入手してた．さらに，近い将来の産業用途を見据え，小型・軽研究を進め，1980〜1990年代にかけて光情報処理研究の量な LCOS (liquid crystal on silicon)-SLM を開発した ．

浜松ホトニクス(株)中央研究所 (〒434‑8601 浜北市平口 5000) E-mail:hara＠crl.hpk.co.jp

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図 1 空間光変調器．

アドレス部は CMOS アクティブマトリクス回路からなり，このデバイスの光変調部も光波の位相だけを変調でき

図 2 光アドレス型空間光変調器を構成している材料．

るように分子を基板に平行に配向した液晶層からなる．
一方で，これらの液晶空間光位相変調器の二次元位相変調の特徴を生かし，デバイスを有効に使用するためには，斜め読み出しや位相歪み補正の導入が必要であり，それらの方法についても言及する．
現在，国内外の大学，研究所および企業において，これらの SLM を用いて，光波面補償技術を利用した光メモリーや生体計測，さらに光波形成形技術を利用した光ピンセットやレーザー加工あるいはホログラム計測などの研究開発が活発化しており，今後の展開が楽しみである．

1. 空間光変調器
空間光変調器は，最初はディスプレイ用として，あるいはフーリエ変換に適用するためのインコヒーレント‑コヒーレント光変換器として開発された．それが光情報処理の研究の発展とともに，ベクトル‑マトリクス演算等の数値演算・光位相補償・スペクトラムアナライザーへの応用展

図 3 電気アドレス型空間光変調器を構成している材料．

開が意図され，さらに光インターコネクション・並列論理演算・ニューロコンピューティング・光波面制御用のデバイスとしての可能性が検討されるようになった．それに伴る．さまざまな応用からの要求を満たすため，材料からデい，高解像度・高速応答性など特性に関する要求が強まバイスの構成に至るまで精力的な研究開発が行われ，これり，さまざまなデバイス開発に拍車がかかった．

までに数多くの空間光変調器が提案されてきた．

空間光変調器は，図 1に示すように，二次元または一次

光アドレス型では，アドレス部として光導電材料・光起元の読み出し光の位相・偏波面・振幅・強度・伝播方向の電材料・半導体回路・焦電材料・光電面および熱吸収材料

分布を書き込み情報によって変調させるデバイスで，アドなどが用いられ，光変調部には，液晶・電気光学結晶・電レス部と光変調部から構成される．つまり，書き込み情報界による吸収端可変 (electro-absorptive)材料・形状可変により光変調部の光学的特性を変化させ，その変化に応じ(deformable) 材料が用いられている．また，光アドレスて読み出し光が変調され，書き込み情報を反映した出力光型では，光変調部がアドレス部の機能をあわせもつものもを得ることができる並列 3端子デバイスである．情報を光あり，光屈折率効果 (photorefractive) 結晶・バクテリオ

学系により直接書き込む光アドレス型と，電気信号によりロドプシン・フォトクロミックポリマー・相変化材料・化書き込む電気アドレス型に分けられ，さらに図 2および図合物半導体の多重量子井戸 (M QW ) 構造が利用されてい3のようにアドレス部と光変調部の材料によって細分される．

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図 4 PAL-SLM の構造（断面）．

図 5 PAL-SLM の動作原理．

電気アドレス型では，アドレス部には電子銃・電極マトリクス・半導体回路および音響トランスデューサーが用いられ，光変調部には，液晶・電気光学結晶・電界による吸収端可変材料・形状可変材料・音響光学材料・磁気光学材
料・熱光学材料および電界による毛細管現象可変効果(electro-capillary)が用いられている．
また，光アドレス型空間光変調器を CRT (cathode-raytube) や液晶ディスプレイ (LCD) と光学的に結合し，電気アドレス型空間光変調器として利用できるものも開発された．

図 6 PAL-SLM の入出力特性．

最近は光情報処理分野でも，プロジェクターと同じように，液晶 SLMsystem)と M EMS (micro electro mechanicalに集約されてきた感がある．以下，筆者らが比べて大きいので，液晶層には電圧がほとんど与えられな位相変調を目的として開発を進めてきた液晶空間光変調器

い．そのため液晶分子は傾かない．一方，書き込み光が照を中心に紹介したい．

射された部分では，アモルファスシリコンのインピーダンスが下がり液晶層に与えられる電圧が上昇するので液晶分2. 光アドレス型平行配向液晶空間光変調器 (PAL-子が傾く．その結果，読み出し光に対する液晶の等価的なSLM )屈折率が小さくなり（n から n ′へ変化），液晶中では読図 4に PAL-SLM の構造（断面）を，図 5にその動作み出し光の位相が進む．このように，書き込み光情報に応原理を示す．アドレス部には光導電体である水素化アモルじて読み出し光の位相を二次元的に変調することができファスシリコン (a-Si:H)，光変調部としての液晶層にはる．

ネマチック液晶が用いられる．SiO と TiO の多層膜か

図 6は，PAL-SLM の入出力特性を示したものである．

らなる誘電体ミラーにより，書き込み側と読み出し側が光デバイスに 3ボルトの電圧を印加し，200μW /cm （波長学的に分離されている．液晶層は液晶分子がガラス基板面680nm）の光強度で書き込むことで，波長 680nm の読みに平行になるように配向され，読み出し光の偏光方向は，出し光に 2πラジアンの位相変調を与えることができる．

位相だけを変調するためには液晶分子軸に平行に設定され応答時間は πラジアン変調時に 30ms である．また，干る．

渉縞（正弦波格子）を書き込んだときの回折効率の測定結透明電極 (ITO) 間に数ボルトの交流電圧を印加して，果を図 7に示す．回折効率は＋1次回折光の光量 I を，アモルファスシリコン層に画像（二次元情報）を書き込読み出し光の全光量 I で割った値 I /I で定義する．5lp/

む．書き込み光が当たっていない領域では，アモルファスmm 以下の空間周波数のとき，ラマン・ナス回折の理論シリコン層のインピーダンスが液晶層のインピーダンスに限界である 33.9% に近い値が得られている．

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図 9 PPM からの読み出し像．(a)LCD からの読み出し像，(b)PPM からの読み出し像（πラジアン変調），(c)PPM からの読み出し像（2πラジアン変調）．
図 7 PAL-SLM の回折効率特性（正弦波格子）．

図 10 PPM の入出力特性．
図 8 PPM の構造．

3. 電気アドレス型空間光位相変調器モジュール（PPM）
PPM は図 8に示すように，PAL-SLM ，結合光学系，液晶ディスプレイ (LCD)，書き込み用レーザーダイオー
ド (LD)から構成される．結合光学系は両側テレセントリックレンズ系で，その開口数は SLM の感度，照明光量，LCD のマイクロレンズ開口数を考慮して設計され，伝達関数は LCD の画素ピッチを考慮して設計されている．コンピューターで生成されたパターンは，画素数 1024×768の 1.3インチ LCD に表示され，PAL-SLM 上に結像され図 11 PPM の回折効率特性（二値格子）．

る．
図 9は，PPM にパソコンから解像度パターンを書き込以下に抑えられた．図 10は PPM の入出力特性の一例でみ，レーザー光で読み出した画像である．（読み出し用レある．書き込み画像信号レベルの増加に従って位相変調度ーザー光の偏光方向を液晶分子軸から 45度傾けることにがほぼ線形に増加している．

より，強度変調モードで読み出した．
）図 9（a）は LCD か

図 11は，デバイスに二値 (0，π) 位相格子を書き込んらの読み出し像であり，LCD の画素構造が表れている．

だときの回折効率特性である．10lp/mm 以下では 35%

一方，図 9（b）に示すよう に，PPM か ら の 画 像 は LCD

以上の回折効率が得られている．さらに，四値 (0，0.5π，の画素構造が除去されているのがわかる．また，図 9（c）π，1.5π)の階段波位相格子を書き込んだときには 70% 以

では，画像の輪郭が強調されており，2πラジアンの位相上の高い回折効率が得られた．

変調が得られていることもわかる．デバイスに書き込まれた画像をフーリエ変換した場合の回折ノイズは，LCD の場合は全読み出し光量の 50% に達するが，PPM では 3%
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4. LCOS 型空間光変調器（LCOS-SLM ）図 12に LCOS-SLM の構造（断面）を示す．アドレス
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図 12 LCOS-SLM の構造（断面）．

図 13 読み出し光学系．(a)垂直読み出し（無偏光ビームスプリッターによる光量のロスが生じる），(b)斜め読み出し．

部は，シリコン基板に CM OS アクティブマトリクス回路が形成され，その上に画素電極が配置されている．今回開発したデバイスの画素数は 800×600画素，画素ピッチは20μm である．光変調部は，シリコン基板と，それに対向するガラス基板の間に保持されたネマチック液晶層からなり，PAL-SLM /PPM と同様に液晶分子は基板に平行に配向され，2πラジアン以上の位相変調が得られている．
また，画素間空𨻶を狭くして開口率を 95% とし，さらに薄 膜 技 術 に よ っ て 光 利 用 効 率 を 90% 以 上 に 高 め た．

図 14 デバイスの歪み補正．

LCOS-SLM に二値 (0，π) 位相格子を書き込んだ場合，25lp/mm の空間周波数まで 30% を超える良好な回折効率が得られている．

また，SLM を構成する基板は完全な平面ではないた
め，SLM を反射してきた光波は歪みをもってしまう．そこで，面精度を干渉計や波面センサーであらかじめ計測

5. 空間光位相変調器の有効な使用方法

し，その歪みを打ち消す信号を SLM に与えることでデバ筆者らが開発してきた上述の液晶 SLM はいずれも反射イスの面精度補償を行う．図 14には，SLM が歪みを有型の空間光変調器なので，読み出し光と出力光はデバイス

すると読み出し光（平面波）が歪んでしまい一点に集光での同じ側にある．そのため，読み出し光をデバイスに垂直きないが，歪みを打ち消す信号（補正信号）を SLM に与に入射させた場合には読み出し光のロスが大きい．なぜなえることで SLM の歪みが補正されることを示している．

らば，図 13(a)のように，読み出し光と出力光を分離す

この方法の採用で，SLM を理想に近い二次元位相変調素るためにビームスプリッターが必要になるが，位相変調で子として機能させることができた ．

は出力光の偏光状態（偏波面）は変化しないので偏光ビームスプリッターを使用できない．無偏光ビームスプリッタ

6. 光波面制御への応用ーを使用することになるが，ビームスプリッターで反射，近年，レーザーを用いたさまざまな光システムにおい透過のロスが生じ，出力光は読み出し光の 4分の 1以下のて，任意のビーム形状の作製や，乱れた光の波面を補正す光量に減少してしまう．そのため，図 13(b)のような斜る光波面制御へのニーズが高まっている．

め読み出しを採用することで，上述の問題を回避できる．

図 15は光波形成形への応用を示す．空間的にガウス強読み出し光の偏向方向と液晶分子軸の方向の関係が p 偏度分布を有するレーザービームが，空間光変調器に書き込光の状態の場合に，効率のよい読み出しが行えることを実まれたコンピューター生成位相ホログラム（CGH）によ証したって，「HPK」の文字に変換されている．（この例では，1．

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図 16 波面補償．

フィードバックがかかり，空間光変調器も価格や性能面

図 15 光波形成形．

で，よりよいものへ発展していくものと考えている．
そのような状況のもとで，筆者らは光アドレス型および本の光ビームが 190本の光ビームに分岐されていることに

電気アドレス型液晶空間光位相変調器を開発し，二次元のなる．
）この技術は，レーザー加工，多ビーム光ピンセッ

光位相制御を必要とする多くの応用に対して有効なデバイトスであることを確認した．幅広い応用分野に利用されていに適用されている．さらに，フェムト秒レーザーパルスの時間的波形を制御するパルス波形成形の研究も進めくことを期待したい．

られている ．
図 16は波面補償システムを説明する図である．波面歪み（収差）をもつ光は，空間光変調器の読み出し光として入射し位相変調を受ける．空間光変調器からの反射光の一部は波面センサー（シャック・ハルトマンセンサー）に送られる．波面センサーは，マイクロレンズアレイとインテリジェントビジョンシステムの組み合わせであり，レンズアレイを構成する個々のレンズの焦点での光スポッ
トの重心位置情報を高速に検出して，図中に示すような補正パターンを生成する．波面補正前は集光レンズを用いても一点に集光できないが，補正パターンによって空間光変調器を逐次的に制御することで，波面は補正され集光レンズで集光することができる．
1980〜90年代の光コンピューター研究においては，システムのスループットが重要であり，空間光変調器側への要求は，「性能（画素数，速度）は高ければ高いほどよい」というものであった．もちろん，空間光変調器もそのような要求に合致することは不可能であり，結局，提案された光コンピューターアルゴリズムの実験的実証に使われる程度であった．
近年になって，レーザー加工，顕微鏡，検眼鏡，多ビーム光ピンセット，光メモリーなど空間光変調器の具体的な応用分野が示され，性能に対する要求も具体化し，実応用が検討されるようになった．今後，ニーズからシーズへの36巻 3号（2 07）

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（2006 年 10 月 3 日受理)

光学