JP3141440B2

JP3141440B2 - 光学装置

Info

Publication number: JP3141440B2
Application number: JP24147291A
Authority: JP
Inventors: 淳尼子; 富雄曽根原; 弘綱三浦
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 2001-03-05
Anticipated expiration: 2016-03-05
Also published as: JPH05127139A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶素子を応用した光
学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、干渉などの手段を用いることをせ
ずに、光の振幅情報と位相情報を同時にかつ独立に記
録、再生できる光学装置はなかった。このため、物体の
３次元像を記録する場合は、振幅分布か位相分布のどち
らか一方だけで構成される計算機ホログラムを空間光変
調素子（ＳＬＭ）へ表示していた。

【０００３】これまでに、ＴＮモード液晶素子へバイナ
リ位相型ホログラムを記録したという報告がある（例え
ば、ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓＶｏｌ．２６，Ｎ
ｏ．５，ｐ９２９（１９８７）参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の方法に
は以下のような問題点があった。

【０００５】（１）振幅分布だけで記録する場合には、
光利用効率がきわめて低く、オフアクシス型ホログ
ラムを記録するために情報をのせるキャリアを必要と
し、ＳＬＭの解像度を有効に利用できない。

【０００６】（２）位相分布だけで記録する場合には、
物体波面の振幅成分は一定であるという近似をするため
に、奥行き感や明るさ感など、もとの物体に忠実な３次
元像を再生することが難しい。

【０００７】本発明はこのような問題点を解決するもの
であって、その目的は、簡便な手段により光の振幅と位
相を同時に制御できる光学装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光学装置は、光
の振幅を変調する振幅変調用空間光変調素子と、光の位
相を変調する位相変調用空間光変調素子とを備えてなる
光学装置であって、前記振幅変調用空間光変調素子及び
前記位相変調用空間光変調素子はそれぞれ異なる液晶モ
ードの液晶素子から形成されてなり、かつそれぞれ独立
に制御され所望の光波面を出射することを特徴とする。

【０００９】本発明の第２の光学装置は、前記第１の光
学装置において、振幅変調用空間光変調素子の変調点と
位相変調用空間光変調素子の変調点の光学長が、照明す
る光源のコヒーレンス長より短いことを特徴とする。

【００１０】本発明の第３の光学装置は、前記第２の光
学装置において、振幅変調用空間光変調素子と前記位相
変調用空間光変調素子の間に設置される光学素子部材な
らびに支持部材の光学長の和が、照明する光源のコヒー
レンス長より短いことを特徴とする。

【００１１】

【００１２】本発明の光学装置は、前記振幅変調用空間
光変調素子と前記位相変調用空間光変調素子が対応する
画素を揃えて直列に空間接続されてなり、前記振幅変調
用空間光変調素子と前記位相変調用空間光変調素子を照
明する照明光源を有することが好ましい。

【００１３】本発明の光学装置は、前記液晶素子は液晶
と前記液晶を挟持する一対の挟持部材とから形成されて
なり、前記挟持部材の少なくとも一つがフォトクロミッ
ク材料から形成されてなることが好ましい。

【００１４】

【００１５】

【００１６】本発明の光学装置は、前記振幅変調用空間
光変調素子と前記位相変調用空間光変調素子が互いに一
方の挟持部材を共有し、対応する画素を揃えて直列に接
続されてなることが好ましい。

【００１７】

【００１８】

【００１９】本発明の光学装置は、前記振幅変調用空間
光変調素子がＴＮモードの液晶素子であり、前記位相変
調用空間光変調素子がＥＣＢモードの液晶素子であるこ
とが好ましい。

【００２０】本発明の光学装置は、前記振幅変調用空間
光変調素子と前記位相変調用空間光変調素子との間に少
なくとも２枚のレンズからなるアフォーカル光学系を備
え、かつ前記アフォーカル光学系の前段と後段のレンズ
群の間に空間フィルタを備え、前記振幅変調用空間光変
調素子と前記位相変調用空間光変調素子が前記アフォー
カル光学系に対して共役な位置にくるように配置されて
なることが好ましい。

【００２１】本発明の光学装置は、前記振幅変調用空間
光変調素子と前記位相変調用空間光変調素子との間に一
対のマイクロレンズアレイからなるアフォーカル光学系
を備え、前記振幅変調用空間光変調素子と前記位相変調
用空間光変調素子が前記アフォーカル光学系に対して共
役な位置にくるように配置されてなることが好ましい。

【００２２】本発明の光学装置は、前記振幅変調用空間
光変調素子と前記位相変調用空間光変調素子との間に、
偏光ビームスプリッタと、４分の１波長板と、レンズ
と、空間フィルタと、反射板とが配置されてなることが
好ましい。

【００２３】本発明の光学装置は、前記ＴＮモードの液
晶素子に形成されてなる出射側偏光板の透過軸と出射光
波面の法線が作る平面が、前記ＥＣＢモードの液晶素子
における液晶分子ダイレクタと液晶パネルの基板の法線
が作る平面とほぼ平行になるように、前記振幅変調用空
間光変調素子と前記位相変調用空間光変調素子とが配置
されてなることが好ましい。

【００２４】本発明の光学装置は、前記ＴＮモードの液
晶素子に形成されてなる出射側偏光板の透過軸と出射光
波面の法線が作る平面が、前記ＥＣＢモードの液晶素子
における液晶分子ダイレクタと液晶パネルの基板の法線
が作る平面とほぼ直交になるように、前記振幅変調用空
間光変調素子と前記位相変調用空間光変調素子とが配置
されてなることが好ましい。

【００２５】

【実施例】以下では、実施例をあげながら、本発明につ
いて詳しく説明する。

【００２６】（実施例１）実施例１は本発明のＳＬＭである。図１はその構成図で
あり、本発明のＳＬＭは振幅変調用ＳＬＭ（以下、振幅
ＳＬＭと称する）１０１と、位相変調用ＳＬＭ（以下、
位相ＳＬＭと称する）１０２から成る。このふたつのＳ
ＬＭは、ほぼ一体に作られている。図１示すように、振
幅ＳＬＭと位相ＳＬＭが対応する画素１０３をそろえ
て、直列に空間接続されている。使用する光源のコヒー
レンス長にもよるが、位相を乱さずに、振幅と位相の変
調点をほぼ一体に重ねるためには、コヒーレンス長より
も短い光学長で対応する画素を重ねる必要がある。この
ためには、少なくとも一方のＳＬＭは、薄い構造を有す
る電気アドレス型のＳＬＭが望ましい。

【００２７】図２は、より具体的な例として、液晶ＳＬ
Ｍを用いた構成図である。液晶ＳＬＭとして、薄膜トラ
ンジスタ（以下、ＴＦＴと称する）をアクティブ素子と
して各画素に配置したＴＦＴ−ＬＣＳＬＭを用いた。光
源側のＴＦＴ−ＬＣＳＬＭ２０１は振幅を変調するもの
で、出力面側に偏光板２０５が配置されている。この偏
光板に近接して、位相ＳＬＭ２０２が配置されている。
この振幅ＳＬＭ、位相ＳＬＭ間の光学長を使用光源のコ
ヒーレンス長よりも短くするために、ＴＦＴ基板２０６
に対向する基板２０４には、薄いガラス基板、偏光板に
は薄い偏光板を用いている。なお、２０３は液晶層であ
る。振幅と位相の変調点の光路差は、このように薄いガ
ラス基板、偏光板を用いることによりきわめて短くでき
る。そのため、フーリエエ変換光学系である投影レンズ
２０７の焦点距離に比べ、変調点のずれは小さく、再生
像点からみると、振幅、位相変調点は１点に見える。

【００２８】このふたつのＳＬＭは、各々の画素がもう
一方に対し対応した画素をもっている。最も簡単な場合
には等間隔、等形状の画素が重ね合わされて配置され、
各々の画素には振幅、位相の変調情報が与えられる。

【００２９】なお、光源光２０８は直線偏波したレーザ
光であり、振幅用ＴＦＴ−ＳＬＭに設定した方位に偏光
した直線偏光として入射する。なお入射側のレーザ光源
との間、あるいは出射側に偏光素子を設置してもよい。

【００３０】次に、本実施例で用いた振幅変調、位相変
調用のＳＬＭについて説明する。ＳＬＭの液晶層は、振
幅用と位相用で使われているモードが異なっている。振
幅用には液晶表示装置に使われるねじれネマチック（以
下ＴＮと称する）モードを用いた。ここではΔｎｄを大
きく設定して振幅変調に加わる位相変化を少なくした。

【００３１】次に、位相変調用のモードには電界制御複
屈折（以下ＥＣＢと称する）モードを採用した。ここで
は液晶の配向を平行に行い、さらにΔｎｄを調整するこ
とによって２π以上の位相変調が可能となった。また位
相変調にともなう振幅の変化をできるだけ抑えるために
配向のプレチルト角を高めに設定し、液晶の横ねじれを
規制するとよい。

【００３２】これらのモードをさらに具体的に表１に示
す。

【００３３】

【表１】

【００３４】次に、各ＳＬＭの入射側の偏光方向（電界
振動面）と出射側の偏光方向について説明する。図３は
電界がかからない状態の偏光方向、液晶分子方向（以下
ダイレクタと称する）を示している。３１１は光の進行
方向、３０８、３０９はそれぞれ振幅変調用ＳＬＭ、位
相変調用ＳＬＭから取り出した液晶層を示している。入
射偏光３０１は振幅変調用ＳＬＭのダイレクタ３０２に
平行もしくは直交して入射する。図３では平行入射の場
合を示している。ＴＮモードを採用しているため出射光
は入射に対し９０°回転した偏光３０３となる。振幅変
調用ＳＬＭの出射側には偏光素子である直線偏光板３０
４を設置し、これを通過することにより振幅変調された
直線偏光３０６が得られる。３０５は偏光板の透過偏光
方向を示している。次に、この直線偏光３０６は位相変
調用ＳＬＭのダイレクタ３０７に平行に入射する。こう
して振幅、位相を別々のＳＬＭで変調された偏光３１０
が出射する。必要に応じて出射側に偏光を揃えるための
直線偏光素子を設置してもよい。

【００３５】本発明は振幅と位相を独立に２次元的に制
御するものであり、任意の振幅、波面コントロールを可
能とする。さらに実時間での書換えが可能なことから、
ホログラム再生、３次元のビームステアリング、計測、
補償光学素子の分野におけるアクティブな光学エレメン
トとして幅広く応用が可能である。

【００３６】本実施例では振幅変調ＳＬＭに一般的なＴ
Ｎモード、位相変調ＳＬＭにＥＣＢモードを用いたが、
これに限定されるものではない。さらにＳＬＭ間の画素
を１：１に対応させるだけでなく、一方のＳＬＭの画素
をもう一方の複数画素に対応させるように設定すること
もできる。また振幅ＳＬＭと位相ＳＬＭの配置は、本実
施例のような透過形の場合偏光の方向を上述のように考
慮すれば、その順番はどちらが先でも構わない。

【００３７】（実施例２）実施例２は本発明のＳＬＭの
もう一つの例であり、一方の変調器には光入力の可能な
反射形のＳＬＭ（以下光入力ＳＬＭと称する）を用いて
いる。実施例１で述べたように本発明のＳＬＭは、ほぼ
一体に作られた振幅ＳＬＭ、位相ＳＬＭからなり、各々
の画素は直列に空間接続されている。少なくとも一方の
ＳＬＭは薄い構造を有するＳＬＭが好ましく、マトリク
ス駆動の電気アドレス形のＳＬＭが適している。図４は
その具体的な例として液晶を用いた光ＳＬＭ４０１と
マトリクス駆動の電気アドレス形ＳＬＭ４０２として
ＴＦＴ−ＳＬＭを用いた装置の構成図である。ここで光
入力ＳＬＭは振幅変調、ＴＦＴ−ＳＬＭは位相変調機能
を受け持っている。光入力ＳＬＭの読みだし側に近接し
てＴＦＴ−ＳＬＭが設置されている。４０３は光入力Ｓ
ＬＭの検光用の偏光板、４０４は光電変換層、４０５は
反射層、４０６は入力パターン光、４０７は読みだし光
である。この振幅ＳＬＭ、位相ＳＬＭ間の光学長をコヒ
ーレンス長よりも小さくするために、両ＳＬＭ間に配置
される基板４０８、偏光板４０３には薄いものを用いて
いる。振幅と位相の変調点の光路差は、このように薄い
ガラス基板、偏光板を用いることによりきわめて小さく
できる。そのため、フーリエ変換光学系である投影レン
ズの焦点距離に比べ、変調点のずれは小さく、再生像点
からみると、振幅、位相変調点は１点に見える。

【００３８】なお、光源光４０９は直線偏波したレーザ
光であり、ＴＦＴ−ＳＬＭに設定した方位に偏光した直
線偏光として入射する。なお入射側の光源とＳＬＭの間
に偏光素子を設置してもよい。

【００３９】次に、本実施例で用いた振幅変調、位相変
調用のＳＬＭについて説明する。ＳＬＭの液晶層は、振
幅用と位相用で使われているモードが異なっている。実
施例１と異なり、振幅用にはＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕ
ｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓｖ
ｏｌ．２９、ｐ．Ｌ１２３１（１９９０）記載のねじ
れネマチック電界制御複屈折モード（以下ＴＮ−ＥＣＢ
と称する）モードを用いた。位相変調用のモードには電
界制御複屈折（以下ＥＣＢと称する）モードを採用し
た。一方位相用のＥＣＢ−ＳＬＭは液晶の配向を平行に
行い、さらにΔｎｄを調整することによって２π以上の
位相変調が可能としている。実施例１と異なるのは反射
した光が再び位相ＳＬＭを通過するため２倍の位相変調
を受けることになる。そこでΔｎｄは実施例１の半分に
設定している。

【００４０】これらのモードをさらに具体的に表２に示
す。

【００４１】

【表２】

【００４２】次に各ＳＬＭの入射側の偏光方向（電界振
動面）と出射側の偏光方向について図４を用いて説明す
る。入射偏光４０９は位相変調用ＳＬＭ４０２のダイレ
クターに平行に入射する。ここで位相変調された光は、
振幅変調用ＳＬＭの入射側に設置された直線偏光板４０
３を通過することにより、位相変調を受けた直線偏光と
なる。次に振幅変調用ＳＬＭ４０１に入射し、反射型
ＴＮ−ＥＣＢモードによって振幅変調がされる。出射光
は入射時に通過した直線偏光板４０３を再び通過するこ
とにより振幅変調された直線偏光が得られる。この直線
偏光は位相変調用ＳＬＭに入射し、再び位相変調がされ
る。つまり半分の位相変調、振幅変調、位相変調のもう
半分が行われ、入射と同じ方向に出射する。入力光源光
４０９と出力光４０７の分離は入力方向に対し、出力方
向を微小角ずらして読みだす方法をとった。こうして振
幅、位相を別々のＳＬＭで変調した出力光を得ることが
できた。入出力の分離はこの他にもビームスプリッター
を用いる方法も可能である。

【００４３】このように光書き込み型ＳＬＭを一方のＳ
ＬＭに用いることによって画像光の直接入力ができるよ
うになるばかりか、ＣＣＤカメラ等の電気変換系を通さ
ない、光によるフィードバック回路を構成できる。これ
は光コンピューティングの分野で全光学的な処理を実現
する。

【００４４】また光書き込みＳＬＭを用いると書き込み
光によって画素が決定されるため、マトリクスによる画
素サイズの制限がなくなる利点もある。

【００４５】（実施例３）実施例３は本発明の表示装置
の例である。基本的に一般のホログラム再生と同じ光学
系で行なわれる。図５はその構成図である。ＳＬＭは実
施例１の装置を用いた。照明光源５０４はＨｅ−Ｎｅレ
ーザの６３３ｎｍを用い、イクスパンダー５０５、偏光
子５０６を通して直線偏光とし、これを実施例１に示し
た本発明の振幅位相ＳＬＭ５０１に入射した。その結
果、出力光は出力空間に結像５０８する。図５では実像
を得たが、図６に示すように再生光を眼６０２に対して
発散させ、虚像６０１を再生することもできる。５０２
は両ＳＬＭに入力するパターンデータを計算するコンピ
ュータ、５０７はデータのメモリー、５０３は２つのＳ
ＬＭの駆動回路である。ここでは照明光にコリメート光
を用いたが、照明光はホログラム記録時の参照光に対応
するため、発散形の照明をもとにＳＬＭの表示データを
生成するとコリメート光以外でも照明できる。

【００４６】このようにコヒーレント照明光であるレー
ザ光と本発明のＳＬＭを用いて、簡単に３次元像の表示
装置を構成できる。またホログラム記録時の参照光に対
応する照明光の設定、光源波長、虚像、実像再生の選択
など従来のホログラムでは記録時に決定されてしまう要
素をすべて計算によって選択できる。さらに本発明のＳ
ＬＭの実時間性を活用し、高速に表示パターンを変える
ことにより、実時間の３次元表示装置を得ることができ
る。

【００４７】以上実施例を述べたが、本発明は以上の実
施例のみならず、広くレーザ光学素子に応用が可能であ
る。

【００４８】（実施例４）図７に本発明の光学装置にお
ける液晶ＳＬＭの構成を示す。

【００４９】ガラス基板７０５とフォトクロミックガラ
ス基板７０１の間に液晶７０４が挟まれた構造をしてい
る。

【００５０】本実施例でもちいたフォトクロミックガラ
スは、アルミノホウケイ酸塩にハロゲン化銀を加えたも
のである。ハロゲンは塩素の比率を高めにして波長６０
０ｎｍ以上の光に対する感度を低くしている（例えば、
「オプトテクノロジーと高機能材料」，（株）シーエム
シー（１９８５），ｐ７５参照）。

【００５１】ガラス基板７０５は、ＴＦＴ（薄膜トラン
ジスタ）素子７０７と透明電極７０６を備えている。フ
ォトクロミックガラス基板の表面には、透明電極７０２
と、遮光マスク７０３が配置されている。またガラス基
板とフォトクロミックガラス基板には、液晶と接する面
に、配向膜７０８と７０９がそれぞれ塗布されている。

【００５２】配向膜７０８と７０９の配向方向は、互い
に平行となるように配向処理を施してある。こうするこ
とにより、液晶に電圧を印加したとき、光の振幅を変え
ずに位相のみを変化させることができる。入射光の偏光
方向を液晶のダイレクタの向きにあわせるため、フォト
クロミックガラス基板の外側には、偏光板７１０を透過
軸が配向膜７０９の配向方向と平行になるように配置す
る。

【００５３】液晶の複屈折Δｎは０.２０９、液晶層の
厚さｄは６μｍである。印加電圧を１.８ボルトから４.
２ボルトまで変化させると、位相を連続的に２π変化さ
せることができる。

【００５４】このフォトクロミックガラス基板に、波長
４００ｎｍの光で透過率を変化させて、振幅分布を記録
した。また、位相分布に対応する電気信号を作成し、液
晶ＳＬＭを駆動した。

【００５５】偏光板７１０の側から入射したコヒーレン
ト光は、まずフォトクロミックガラスによって振幅変調
を受ける。次に、液晶の複屈折により位相変調を受け
る。これで各画素ごとに振幅と位相を独立に変調するこ
とができる。本実施例では、コヒーレント光源として波
長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いた。この波長で
はフォトクロミックガラスの感度が低いので、記録した
振幅分布を変化させることなく光の振幅位相変調ができ
る。

【００５６】光の振幅を変調するフォトクロミックガラ
ス基板と、光の位相を変調する液晶がほとんど接してい
るので、振幅と位相は一点で変調されているとみなすこ
とができる。すなはち、変調点が離れているために起こ
る回折などの問題がなく、乱れの少ない振幅位相変調が
実現できる。

【００５７】（実施例５）図８に本発明の光学装置にお
ける液晶ＳＬＭの構成を示す。本発明を反射型液晶ＳＬ
Ｍへ応用した。

【００５８】フォトクロミックガラス基板８０１とガラ
ス基板８０９の間に、液晶８０４が挟まれた構造をして
いる。

【００５９】フォトクロミックガラス基板上には透明電
極８０２と、配向膜８０３が配置されている。ガラス基
板上には透明電極８０８、アモルファスシリコン８０
７、誘電体ミラー８０６、配向膜８０５が配置されてい
る。

【００６０】この２枚の基板でそれぞれの配向膜の面を
内側にして液晶を挟んだ。Δｎ×ｄは０.１３×６μｍ
である。液晶の配向は実施例１と同様平行配向である。

【００６１】波長４００ｎｍの光でフォトクロミックガ
ラス基板の透過率を変化させて振幅分布を記録した。ま
た、波長６００ｎｍの光でアモルファスシリコンの導電
率を変化させて液晶にかかる電圧を変化させることによ
り、液晶の複屈折性を利用して位相分布を記録した。

【００６２】液晶の配向方向に偏光したコヒーレント光
（波長６３３ｎｍ）をフォトクロミックガラス基板側か
ら入射すると、フォトクロミックガラスによって振幅変
調を受け、次に液晶により位相変調を受ける。そして、
誘電体ミラーによって反射され、液晶により再び位相変
調を受け、次にフォトクロミックガラスによって再び振
幅変調を受ける。すなわち、実施例１の透過型液晶素子
のときと較べると、位相変化量は２倍となり、フォトク
ロミックガラスのコントラスト比は２乗になる。本実
施例はフォトクロミックガラスのコントラスト比が小さ
いときに特に有効である。本実施例の液晶ＳＬＭは解像
度が非常に高い。本実施例では１ｍｍあたり４０本の線
を引くことができた。

【００６３】（実施例６）図９に本発明の光学装置にお
ける液晶ＳＬＭの構成を示す。

【００６４】ガラス基板９０７と共通基板９０１の間に
液晶９０４が、ガラス基板９１７と共通基板９０１の間
に液晶９１４が、それぞれ挟まれた構造をしている。

【００６５】液晶９０４の側がＥＣＢ（電界制御複屈
折）モードの液晶素子として、液晶９１４の側がＴＮ
（ツイストネマティック）モードの液晶素子として機能
する。

【００６６】ガラス基板９０７、９１７は、それぞれＴ
ＦＴ（薄膜トランジスタ）素子９０６、９１６と配向膜
９０５、９１５を備えている。共通基板９０１の両面に
は透明電極９０２、９１２と、配向膜９０３、９１３が
ある。また、ガラス基板９０７とＴＦＴ素子９０６、透
明電極９１２と配向膜９１３の間には、それぞれ遮光マ
スク９１１と９２１がある。

【００６７】配向膜９０３、９１３、９０５の配向方向
は互いに平行で、９１５はそれから８６度ひねった方向
に配向処理を施してある。ガラス基板９０７、９１７の
外側には、偏光板９０８と９１８をそれぞれ配置する。
ただし、ふたつの偏光板の透過軸は配向膜９０５の配向
方向と平行になるようにする。

【００６８】偏光板９０８の側から入射した光は、ＥＣ
Ｂモードの液晶素子によってまず位相変調だけを受け
る。このとき光の偏光方向は変わらない。次に、ＴＮモ
ードの液晶素子によって振幅変調のみを受ける。すなは
ち、振幅と位相を同時にかつ独立に変調することができ
る。このようにＥＣＢモードの液晶素子の側から光を入
射することにより、偏光板をふたつの液晶素子の間に配
置する必要がなくなるため、素子の製造が極めて容易に
なる。

【００６９】透明電極９０２、９１２は、それぞれ定電
圧回路に接続されている。また、共通基板は、ふたつの
液晶素子の間を完全に絶縁している。これによって漏れ
電流や容量結合をなくし、ふたつの液晶素子を互いに影
響を与えることなく独立に駆動できる。なお、本実施例
の液晶素子はＴＦＴ素子を用いて駆動するため、透明電
極９０２、９１２は画素などに区切る必要がない。

【００７０】ガラス基板９０７の裏側から光を入射する
ことによるＴＦＴ素子の誤動作や特性の劣化を防ぐた
め、遮光マスク９１１をガラス基板とＴＦＴ素子の間に
配置した。まずガラス基板上にクロムの膜で遮光マスク
９１１を形成し、その上にＳｉＯ₂を堆積させて絶縁膜
を作る。この絶縁膜上にＴＦＴ素子を形成した。一方、
ＴＦＴ素子９１６のための遮光マスク９２１は、共通基
板９０１のＴＮモードの液晶素子に配置した。

【００７１】図１０にひとつの画素についての光路図を
示す。

【００７２】ＥＣＢモードの液晶素子の側から入射した
コヒーレント光１００１は、ガラス基板９０７の遮光マ
スク９１１によって回折を受ける。この回折光１００２
は広がりが少なければ少ないほどよい。すなわち、ふた
つの液晶素子の間の距離は短ければ短いほどよい。この
ためには共通基板９０１をできるだけ薄くする必要があ
る。

【００７３】遮光マスクの幅や共通基板の厚さをうまく
選べば、この回折光の大部分を共通基板９０１のＴＮモ
ードの液晶素子にある遮光マスク９２１によって遮るこ
とができる。光の波長をλ、画素ピッチをＤ、遮光マス
クの幅をｄとすれば、回折光を遮るために必要な基板間
の最長距離Ｌは、Ｌ〜ｄ・Ｄ／λ で見積もることができる。

【００７４】本実施例の液晶素子では、Ｄ＝５０μｍ、
ｄ＝１５μｍであり、λ＝０.７μｍであるからＬは約
１ｍｍとなる。本実施例では共通基板９０１として厚さ
０.３ｍｍのガラスを使用した。これにより高次の回折
光も除くことができ、良好な振幅位相変調特性を得た。

【００７５】なお、本実施例では遮光マスク９１１をＴ
ＦＴ素子９０６とガラス基板９０７との間に配置した
が、ガラス基板の反対側の面に配置してもよい。ただ
し、この場合は、製造は若干容易になるが、遮光マスク
による回折光がＴＦＴ素子に悪影響を与える可能性があ
る。

【００７６】図１１（ａ）は本実施例に使用したＴＮモ
ードの液晶素子の振幅および位相変調特性を表す図であ
る。横軸に印加電圧をとり、縦軸には位相変化量と振幅
透過率をとった。偏光板の配置を変えればコントラスト
と位相変化量を調節することができる。本実施例では偏
光板を平行ニコルの配置にしてコントラストをかせい
だ。透過率の変化する２.２ボルトから５.０ボルトの間
では、ＴＮモードの液晶素子による位相変化がないこと
がわかる。このほかにも、直交ニコルの配置にすれば、
ほぼ全域にわたって位相変化を防ぐことができる。

【００７７】図１１（ｂ）は本実施例に使用したＥＣＢ
モードの液晶素子の振幅および位相変調特性を表す図で
ある。Δｎｄを調節することにより２π以上の位相変調
が可能となった（本実施例ではΔｎ×ｄ＝０.１３×６
μｍ）。また、位相変調にともなう振幅の変化を抑える
ために、配向のプレチルト角を高めに設定し、液晶の横
ねじれを規制した。

【００７８】なお、本実施例ではＴＮモードの液晶電気
光学装置に入射する光の偏光方向を液晶分子のダイレク
タと平行にしたが、配向膜９１３、９１５の配向方向を
変えれば任意の角度に設定できる。この角度を変えるこ
とによりＴＮモードの液晶電素子の振幅位相変調特性を
変えることができるため、偏光板の配置条件と組み合わ
せれば、さまざまな振幅位相変調特性をもつ液晶素子を
作ることができる。

【００７９】（実施例７）図１２に本発明の光学装置に
おける液晶ＳＬＭの構成を示す。

【００８０】本実施例では、第６の実施例における共通
基板９０１の代わりに厚さ２０μｍの絶縁性薄膜１２０
１を使用した。このため、液晶素子の組立に固相液晶を
用いる方法をとった。

【００８１】図１３に本実施例の液晶素子の製造工程を
示す。

【００８２】まずＴＦＴ素子９０６、９１６をそれぞれ
備えたガラス基板９０７、９１７にポリイミドを塗布
し、研磨してＴＦＴの面を平坦化する（図１３では、こ
れらをまとめてガラス基板１３０７とした）。ラビング
配向処理を施した後、液晶相の液晶材料９０４、９１４
（図１３では１３０４）を、スピンコートによりそれぞ
れのガラス基板上に均一な厚さで塗布する。液晶層の厚
さは、ＥＣＢモードの液晶素子が６.０μｍ、ＴＮモー
ドの液晶素子が７.０μｍである。本実施例に用いた液
晶材料は、固相から液晶相への相転移温度が−１５℃で
あり、このときの体積膨張率は０.１％以下である（図
１３（ａ））。

【００８３】次に、基板の温度を−２０℃まで下げて液
晶相であった液晶材料を固相にする。それぞれの基板
で、封止材を塗布する場所の液晶材料をレーザ光の照射
により取り除く（図１３（ｂ））。

【００８４】液晶材料を取り除いた場所に、低温での粘
性が低く、硬化時の体積変化の無い、紫外線硬化型の封
止材１３００を塗布する（図１３（ｃ））。

【００８５】電極と配向膜をつけた絶縁性薄膜１２０１
を−２０℃に冷やし、液晶材料９０４、９１４との間の
空気を追い出しながら２枚の基板の間に挟む（図１３
（ｄ））。

【００８６】紫外線の照射により封止材を硬化させた
後、徐々に温度を上げて固相であった液晶材料９０４、
９１４を液晶相に戻す（図１３（ｅ））。

【００８７】この工程において、３枚の基板を重ねる際
に大きな圧力を加える必要はない。このため共通基板と
して薄膜を用いることができた。

【００８８】さらに本製造法ではギャップ材が不要にな
ったことにより、従来問題となっていた光の散乱やセル
厚むらがなくなった。このため、本液晶素子を高精度な
光波面制御などの目的にも応用することができるように
なった。

【００８９】本実施例の液晶素子では、第６の実施例に
おける共通基板上の遮光マスク９２１は必要ない。基板
間の距離が約３０μｍであるため入射側の遮光マスク９
１１による回折光がほとんど広がらないためである。

【００９０】本実施例の構成を用いれば、非常に画素ピ
ッチの細かい液晶素子を用いた場合でも、回折光がとな
りの画素に悪影響を与えたりすることなく振幅位相変調
を実現することができる。

【００９１】本発明の液晶素子を用いれば、光の振幅と
位相を同時かつ独立に２次元的に制御できるので、高精
度な光波面制御ができる。さらに実時間での書換が可能
なことから、ホログラム再生、３次元ビームステアリン
グ、光相関器、３次元計測、補償光学素子などの分野に
おけるアクティブな光学素子として幅広く応用が可能で
ある。

【００９２】なお、以上はいずれも透過型の液晶ＳＬＭ
について述べてきたが、本発明は反射型液晶ＳＬＭへも
応用可能である。

【００９３】（実施例８）図１４に、本発明の光学装置
の構成を示す。レーザ光源１４００から出射されたビー
ム１４０９は、コリメートレンズ１４０１で拡大された
平行光となり、ＴＮ（ツイストネマチック）モード液晶
素子１４０２へ入射する。ここで光は２次元的な振幅変
調を受ける。そして、レンズ１４０３と空間フィルタ１
４０４とレンズ１４０５から構成されるアフォーカル光
学系の作用により、ＴＮモード液晶素子１４０２に対し
て共役な位置にあるＥＣＢ（電界制御複屈折）モード液
晶素子１４０６へ導かれる。ここで光は２次元的な位相
変調を受ける。そして、フーリエ変換レンズ１４０７の
作用により、出力面１４０８上に所定の像を出力する。
１４１０は信号発生器であり、液晶素子１４０２、１４
０６へ所望の信号を入力する。図中のｆはレンズの焦点
距離を表す。ここでは、倍率が等倍のアフォーカル光学
系を用いたが、液晶素子１４０２と１４０６の画素ピッ
チの大小関係、対応させる画素数によって、非等倍のア
フォーカル光学系を用いることも可能である。

【００９４】本実施例で用いたＴＮモード液晶素子１４
０２は、各画素にＴＦＴ（薄膜トランジスタ）素子を備
えたマトリクス駆動型の液晶素子である。液晶分子の初
期配向が９０゜ねじれたＴＮモードの液晶パネルとこれ
を挟むように配置された２枚の偏光板から成る。一方、
ＥＣＢモード液晶素子１４０６もＴＦＴマトリクス駆動
型のものであるが、液晶分子の初期配向はねじれのない
ホモジニアス配向である。

【００９５】ＥＣＢモード液晶素子１４０６をＴＮモー
ド液晶素子１４０２に接続するには、ＴＮモード液晶素
子１４０２の出射側偏光板の透過軸の方位をＥＣＢモー
ド液晶素子１４０６の液晶分子ディレクタと平行にする
必要がある。この時に問題になるのが、ＴＮモード液晶
素子１４０２で発生する位相変化である。図１７（ａ）
に、ＴＮモード液晶素子１４０２の位相変調特性を示
す。曲線１は２枚の偏光板の方位を平行にして入射側偏
光板の透過軸方位を入射面における液晶分子ディレクタ
と平行にした場合、曲線２は２枚の偏光板の方位を平行
にして入射側偏光板の透過軸方位を入射面における液晶
分子ディレクタと直交させた場合、曲線３は２枚の偏光
板の方位を直交させて入射側偏光板の透過軸方位を入射
面における液晶分子ディレクタと平行にしたた場合、曲
線４は２枚の偏光板の方位を直交させて入射側偏光板の
透過軸方位を入射面における液晶分子ディレクタと直交
させた場合である。図１７（ａ）から、偏光板の方位を
互いに直交させてかつ入射側偏光板の方位を液晶分子軸
と直交させた時に、位相変化がもっとも小さいことがわ
かる。この条件の時の振幅変化と印加電圧の関係を図１
７（ｂ）に示す。高いコントラストと充分な階調性が得
られた。

【００９６】このようにしておけば、ＥＣＢモード液晶
素子１４０６で位相変調を行う時に同時に、ＴＮモード
液晶素子１４０２で発生した位相変化を補償することが
できる。ＥＣＢモード液晶素子１４０６の位相変調特
性、振幅変調特性を図１８（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示
す。

【００９７】以上の述べてきたように、振幅変調が可能
なＴＮモードの液晶素子と位相変調が可能なＥＣＢモー
ドの液晶素子を光学的に接続して一体構造の液晶ＳＬＭ
と機能的にほぼ等価なシステムを実現することにより、
コヒーレント光の振幅と位相を同時に制御することが可
能になる。

【００９８】図１９（ａ）に、本実施例の光学装置を用
いて記録したキノフォーム（ＩＢＭＪ．Ｒｅｓ．Ｄｅ
ｖ．，Ｖｏｌ．１３，ｐ１５０（１９６９）参照）の振
幅分布を示す。物体が持っている振幅情報をも利用する
ことによって、量子化誤差の小さい鮮明な像を再生する
ことができた。ちなみに、図１９（ｂ）に示すように振
幅情報を考慮せずに記録したキノホームからは、良好な
再生像は得られなかった。

【００９９】なお、図１４の構成で、２枚の液晶素子を
順序を入れ換えて配置することも可能である。

【０１００】（実施例９）図１５に、本発明の光学装置
の構成を示す。レーザ光源１４００から出射したビーム
１４０９は、コリメートレンズ１４０１で平行光とな
り、ＴＮモードの液晶素子１４０２へ入射する。この時
のビーム１４０９は紙面に垂直な直線偏光であるが、Ｔ
Ｎモード液晶素子１４０２で振幅変調を受けると同時に
偏光面が９０゜回転して、紙面に平行な直線偏光となっ
て偏光ビームスプリッタ１５０１へ入射する。さらに、
ビームは４分の１波長板１５０２の作用で円偏光とな
り、レンズ１４０３、空間フィルタ１４０４と通過した
後に、反射板１５０３へ到達する。ここからビームは光
路を逆にたどり、４分の１波長板１５０２の作用で紙面
に垂直な直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ１５０
１で反射されてＥＣＢモード液晶素子１４０６へ入射す
る。ここで、ビームは位相変調を受ける。そして、フー
リエ変換レンズ１４０７によって、出力面１４０８上へ
所望の像を出力する。ここで用いた２枚の液晶素子は、
実施例８のものと同じである。

【０１０１】ＴＮモード液晶素子１４０２で生じた位相
変化をＥＣＢモード液晶素子１４０６のところで補償す
るために、本実施例では、ＴＮモード液晶素子１４０２
の出射側偏光板の透過軸の方位をＥＣＢモード液晶素子
１４０６の液晶分子ディレクタと直交させる必要があ
る。

【０１０２】図１５に示すように、偏光ビームスプリッ
タを用いて反射型の構成にすることにより、装置全体を
小さくまとめることができた。

【０１０３】なお、図１５の構成で、順序を入れ換えて
２枚の液晶素子を配置することも可能である。

【０１０４】（実施例１０）図１６に、本発明の光学装
置の構成を示す。レーザ光源１４００から出射したビー
ム１４０９がコリメートレンズ１４０１を経てＴＮモー
ド液晶素子１４０２へ至るまでの部分、およびＥＣＢモ
ード液晶素子１４０６から。フーリエ変換レンズ１４０
７を経て出力面１４０８へ至るまでの部分は、図１４な
らびに図１５に示した構成と同様である。ここで用いた
２枚の液晶素子は、実施例８ならびに実施例９のものと
同じである。

【０１０５】図１６（ａ）に示した構成の特徴は、ふた
つの液晶素子１４０２と１４０６を接続するために、一
対の平板マイクロレンズアレイ１６０１、１６０３から
構成されるアフォーカル光学系を用いた点にある。この
部分を拡大して、図１６（ｂ）に示す。２枚の液晶素子
１４０２、１４０６の対応する画素を一対の平板マイク
ロレンズアレイで接続する。フーリエ変換面１６０２
は、前段の平板マイクロレンズアレイ１６０１の像側焦
点面であると同時に、後段の平板マイクロレンズアレイ
１６０３に対する物体側焦点面でもある。

【０１０６】ＴＮモード液晶素子１４０２で生じた位相
変化をＥＣＢモード液晶素子１４０６のところで補償す
るために、本実施例では、ＴＮモード液晶素子１４０２
の出射側偏光板の透過軸の方位をＥＣＢモード液晶素子
１４０６の液晶分子ディレクタと平行にする必要があ
る。

【０１０７】図１６に示すように、一対の平板マイクロ
レンズアレイから構成されるアフォーカル光学系を用い
ることにより、装置全体をさらに小さくまとめることが
できた。

【０１０８】

【発明の効果】本発明により、光の振幅と位相を独立に
制御して、所望の光波面を再生することが可能になっ
た。本発明の光学装置は、その実時間性を活かして計算
機ホログラムを記録することにより、３次元動画像表示
へ応用することが可能である。さらに、光認識や光コン
ピューティングなどの情報処理、３次元ビームステアリ
ング、計測、補償光学素子の各分野におけるアクティブ
な光波面制御手段としても幅広く応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１におけるＳＬＭの構成図で
ある。

【図２】本発明の実施例１において、液晶ＳＬＭを用
いた構成図である。

【図３】本発明の実施例１において、各ＳＬＭの電界
がかからない状態の偏光方向、液晶分子方向を示した図
である。

【図４】本発明の実施例２における液晶ＳＬＭの構成
を示す側面図である。

【図５】本発明の実施例３における表示装置の構成図
である。

【図６】本発明の実施例３における別の表示装置の構
成図である。

【図７】本発明の実施例４における液晶ＳＬＭの構成
を示す側面図である。

【図８】本発明の実施例５における液晶ＳＬＭの構成
を示す側面図である。

【図９】本発明の実施例６における液晶ＳＬＭの構成
を示す側面図である。

【図１０】本発明の実施例６において、液晶ＳＬＭの
ひとつの画素についての光路を説明する図である。

【図１１】（ａ）本発明のＴＮモード液晶素子の振幅
および位相変調特性を示す図である。（ｂ）本発明のＥＣＢモード液晶素子の振幅および位相
変調特性を示す図である。

【図１２】本発明の実施例７における液晶ＳＬＭの構
成を示す側面図である。

【図１３】本発明の実施例６または実施例７における
液晶ＳＬＭの製造方法を示す工程図である。

【図１４】本発明の実施例８の構成を示す平面図であ
る。

【図１５】本発明の実施例９の構成を示す平面図であ
る。

【図１６】（ａ）本発明の実施例１０の構成を示す平
面図である。（ｂ）本発明の実施例１０の構成の詳細を示す部分断面
図である。

【図１７】（ａ）ＴＮモード液晶素子の位相変調特性
を示す図である。（ｂ）ＴＮモード液晶素子の振幅変調特性を示す図であ
る。

【図１８】（ａ）ＥＣＢモード液晶素子の位相変調特
性を示す図である。（ｂ）ＥＣＢモード液晶素子の振幅変調特性を示す図で
ある。

【図１９】（ａ）本発明の光学装置に記録されたキノ
フォームの振幅分布を示す図である。（ｂ）従来の光学装置に記録されたキノフォームの振幅
分布を示す図である。

【符号の説明】

１０１振幅変調用ＳＬＭ１０２位相変調用ＳＬＭ１０３対応する画素２０１振幅用ＴＦＴ−ＳＬＭ２０２位相用ＴＦＴ−ＳＬＭ２０４薄いガラス基板２０５偏光板４０１光ＳＬＭ４０２電気アドレス形ＳＬＭ５０４照明光源５０１振幅位相ＳＬＭ７０１フォトクロミックガラス基板７０２透明電極７０３遮光マスク７０４液晶７０５ガラス基板７０６透明電極７０７ＴＦＴ素子７０８配向膜７０９配向膜７１０偏光板８０１フォトクロミックガラス基板８０２透明電極８０３配向膜８０４液晶８０５配向膜８０６誘電体ミラー８０７アモルファスシリコン８０８透明電極８０９ガラス基板９０１共通基板９０２透明電極９０３配向膜９０４液晶材料９０５配向膜９０６ＴＦＴ素子９０７ガラス基板９０８偏光板９１１遮光マスク９１２透明電極９１３配向膜９１４液晶材料９１５配向膜９１６ＴＦＴ素子９１７ガラス基板９１８偏光板９２１遮光マスク１００１コヒーレント光１００２回折光１００３振幅位相変調を受けた光１１０１絶縁性薄膜１２００封止材１２０４液晶相の液晶材料１２０７ガラス基板１２１４固相の液晶材料１４００レーザ光源１４０１コリメートレンズ１４０２マトリクス駆動型のＴＮモード液晶素子１４０３レンズ１４０４空間フィルタ１４０５レンズ１４０６マトリクス駆動型のＥＣＢモード液晶素子１４０７フーリエ変換レンズ１４０８出力面１４０９ビーム１４１０信号発生器１５０１偏光ビームスプリッタ１５０２４分の１波長板１５０３反射板１６０１平板マイクロレンズアレイ１６０２フーリエ変換面１６０３平板マイクロレンズアレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号特願平3−227865 (32)優先日平成３年９月９日(1991．9．9) (33)優先権主張国日本（ＪＰ） (56)参考文献特開昭64−35526（ＪＰ，Ａ) 特開平２−167525（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−132217（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−17028（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/13 505 G02F 1/01

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光の振幅を変調する振幅変調用空間光変
調素子と、光の位相を変調する位相変調用空間光変調素
子とを備えてなる光学装置であって、前記振幅変調用空間光変調素子及び前記位相変調用空間
光変調素子はそれぞれ異なる液晶モードの液晶素子から
形成されてなり、かつそれぞれ独立に制御され所望の光
波面を出射することを特徴とする光学装置。
【請求項２】前記振幅変調用空間光変調素子の変調点
と前記位相変調用空間光変調素子の変調点の光学長が、
照明する光源のコヒーレンス長より短いことを特徴とす
る請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】前記振幅変調用空間光変調素子と前記位
相変調用空間光変調素子の間に設置される光学素子部材
ならびに支持部材の光学長の和が、照明する光源のコヒ
ーレンス長より短いことを特徴とする請求項２に記載の
光学装置。
【請求項４】前記振幅変調用空間光変調素子と前記位
相変調用空間光変調素子が対応する画素を揃えて直列に
空間接続されてなり、前記振幅変調用空間光変調素子と
前記位相変調用空間光変調素子を照明する照明光源を有
することを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至３
のいずれかに記載の光学装置。
【請求項５】前記液晶素子は液晶と前記液晶を挟持す
る一対の挟持部材とから形成されてなり、前記挟持部材
の少なくとも一つがフォトクロミック材料から形成され
てなることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項６】前記振幅変調用空間光変調素子と前記位
相変調用空間光変調素子が互いに一方の挟持部材を共有
し、対応する画素を揃えて直列に接続されてなることを
特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項７】前記振幅変調用空間光変調素子がＴＮモ
ードの液晶素子であり、前記位相変調用空間光変調素子
がＥＣＢモードの液晶素子であることを特徴とする請求
項１に記載の光学装置。
【請求項８】前記振幅変調用空間光変調素子と前記位
相変調用空間光変調素子との間に少なくとも２枚のレン
ズからなるアフォーカル光学系を備え、かつ前記アフォ
ーカル光学系の前段と後段のレンズ群の間に空間フィル
タを備え、前記振幅変調用空間光変調素子と前記位相変
調用空間光変調素子が前記アフォーカル光学系に対して
共役な位置にくるように配置されてなることを特徴とす
る請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】前記振幅変調用空間光変調素子と前記位
相変調用空間光変調素子との間に一対のマイクロレンズ
アレイからなるアフォーカル光学系を備え、前記振幅変
調用空間光変調素子と前記位相変調用空間光変調素子が
前記アフォーカル光学系に対して共役な位置にくるよう
に配置されてなることを特徴とする請求項７に記載の光
学装置。
【請求項１０】前記振幅変調用空間光変調素子と前記
位相変調用空間光変調素子との間に、偏光ビームスプリ
ッタと、４分の１波長板と、レンズと、空間フィルタ
と、反射板とが配置されてなることを特徴とする請求項
７に記載の光学装置。
【請求項１１】前記ＴＮモードの液晶素子に形成され
てなる出射側偏光板の透過軸と出射光波面の法線が作る
平面が、前記ＥＣＢモードの液晶素子における液晶分子
ダイレクタと液晶パネルの基板の法線が作る平面とほぼ
平行になるように、前記振幅変調用空間光変調素子と前
記位相変調用空間光変調素子とが配置されてなることを
特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【請求項１２】前記ＴＮモードの液晶素子に形成され
てなる出射側偏光板の透過軸と出射光波面の法線が作る
平面が、前記ＥＣＢモードの液晶素子における液晶分子
ダイレクタと液晶パネルの基板の法線が作る平面とほぼ
直交になるように、前記振幅変調用空間光変調素子と前
記位相変調用空間光変調素子とが配置されてなることを
特徴とする請求項７に記載の光学装置。