DE69732209T2

DE69732209T2 - Bilderzeugungsgerät

Info

Publication number: DE69732209T2
Application number: DE69732209T
Authority: DE
Inventors: Haruyoshi Hamamatsu-shi TOYODA; Jesper Osaka-shi Gluckstad
Original assignee: Riso National Laboratory; Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Technical University Of Denmark Lyngby Dk; Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-11-01
Filing date: 1997-11-03
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2017-11-04
Also published as: US6021223A; EP1498766B1; EP0840159A3; JPH10186283A; EP1498766A1; DE69740084D1; DE69732209D1; EP0840159B1; JP3918044B2; EP0840159A2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bilderzeugungsgerät für das Erzeugen eines optischen Bildes auf der Grundlage von elektrischen Bildinformationen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Bilderzeugungsgerät für das Erzeugen eines Sollbildes bei hoher Lichtausnutzungseffizienz durch Verwendung eines Bildes mit codierter Phase als Eingabebild und Phasenverschieben eines Fourier-Lichtbildes des Bildes mit codierter Phase.
Allgemeiner Stand der verwandten Technik
Ein konventionell bekanntes Verfahren für die mikroskopische Beobachtung eines Objektes mit Phasenunterschieden ist das sogenannte Phasenkontrastverfahren nach Zernike, das die kleinen Phasenunterschiede bei der Mikroskopie verstärkt, und in den nachfolgenden Literaturhinweisen werden von Jesper Glückstad Vorschläge unterbreitet, dieses Verfahren auf das Gebiet der Bildanzeige und dergleichen auszuweiten.

Literaturhinweis 1: „Generalized Phase Contrast Imaging" (Verallgemeinerte Phasenkontrastbilderzeugung), Patentanmeldung WO 96/34307 (31. Oktober 1996)
Literaturhinweis 2: „Adaptive array illumination and structured light generated by spatial zero-order modulation in a Kerr medium" (Herstellung von adaptiver Arraybeleuchtung und strukturiertem Licht mittels räumlicher Modulation nullter Ordnung in einem Kerr-Medium), Optics Communications 120 (1995), S. 194–203
Literaturhinweis 3: „Phase contrast image synthesis" (Phasenkontrast-Bildsynthese), Optics Communications 130 (1996), S. 225–230

Wie in Literaturhinweis 3 offengelegt wird, wird das Eingabebild beispielsweise von einem räumlichen Lichtmodulator vom Phasenmodulationstyp zu einem phasenmodulierten Lichtbild codiert, und das phasenmodulierte Lichtbild wird darauf angezeigt und dann durch eine 4f-Linsenkonfiguration geleitet, damit auf einer Ausgabeebene ein Ausgabebild erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Phasenkontrastfilter auf die Fourierebene der 4f-Linsenkonfiguration gelegt, damit die Phase der Lichtkomponente nullter Ordnung auf der Fourierebene verschoben wird, wodurch das Eingabebild in das Ausgabebild (das als Zielbild bezeichnet wird) mit der gewünschten Intensität umgewandelt wird.
Die Verwendung dieses Verfahrens zur Bildanzeige (bzw. -erzeugung) mittels Phasenverschiebung macht es theoretisch möglich, das Ausgabebild mit der gewünschten Intensität bei einer Lichtausnutzungseffizienz von 100% zu erzeugen. Daher wird im Vergleich zur Lichtausnutzungseffizienz von etwa 20% bei einem normalen Flüssigkristall-Fernsehgerät, das eine Polarisationsplatte als Anzeigebildschirm verwendet, eine viel höhere Lichtausnutzungseffizienz erreicht.
Ein bekanntes Beispiel für den räumlichen Lichtmodulator vom Phasenmodulationstyp ist ein PALSLM (Parallel Aligned Liquid-crystal Spatial Light Modulator – parallel ausgerichteter räumlicher Flüssigkristall-Lichtmodulator), wie er im Literaturhinweis 4 beschrieben wird: Tsutomu Hara, „Spatial light modulator and optical analog arithmetics", OplusE, Spezialausgabe Optoelectronic image processing technology, März 1995, Nr. 184, S. 101–108, Hrsg. Shin Gijyutsu Communications Kabushiki Kaisha. Dieser Literaturhinweis 4 berichtet von einem Beispiel für die Modifikation des PALSLM, der ursprünglich vom Typ mit optischer Ansteuerung war, zu einem vom Typ mit elektrischer Ansteuerung durch Kombination mit einem Bildschirm mit Kathodenstrahlröhre. Bei diesem modifizierten räumlichen Lichtmodulator vom Phasenmodulationstyp wird ein Solleingabebild auf der Kathodenstrahlröhre angezeigt, und das Eingabebild wird zum PALSLM geleitet, was die Anwendung eines Computersystems ermöglicht.
Weiterhin wird im Literaturhinweis 5: Hiroshi Imai et al., „Circular polarization phase modulation characteristics of TN liquid-crystal panel", Optics Band 21, Nr. 8 (August 1992), S. 42–46, die Verwendung eines billigen Flüssigkristall-Fernsehgeräts mit hoher Auflösung als räumlicher Lichtmodulator vom Phasenmodulationstyp vorgeschlagen. Durch diesen Vorschlag wird auch die Einführung eines Computersystems ermöglicht, da auf dem Flüssigkristall-Fernsehgerät ein Solleingabebild angezeigt werden kann.
Die oben angeführten Vorschläge in den Literaturhinweisen 1 bis 3 können die gewünschten Ergebnisse bringen, wenn verschiedene Merkmale des optischen Systems in idealer Form vorliegen. In der Praxis existiert jedoch Rauschen, das beispielsweise durch die Ungleichförmigkeit des Laserlichts, die MTF des optischen Systems, die Ungleichförmigkeit des räumlichen Lichtmodulators, eine Verschlechterung der Genauigkeit des Phasenkontrastfilters, die Temperaturkennlinien jedes optischen Elements und so weiter entsteht. Dieses Rauschen führte manchmal zu einem vom Idealzustand abweichenden ungleichförmigen Kontrast des vom realen System gelieferten Ausgabebildes.
Bei Anwendungen des als Kombination aus Kathodenstrahlröhre mit PALSLM ausgeführten räumlichen Lichtmodulators aus dem oben erwähnten Literaturhinweis 4 liegt die Bildverzerrung der Kathodenstrahlröhre normalerweise bei etwa 3%, was bei Anwendungen, die diese Verzerrung nicht zulassen, ein ernstes Problem wäre, wie beispielsweise bei der CGH-Technologie (Computer Graphic Holography – computergenerierte Holographie), Hochpräzisions-Laserbearbeitungstechnologie, optischen Filtertechnologie, optischen Modulationstechnologie für die getrennte Steuerung der Phase und der Amplitude von Licht und der Verwendung eines Stapels aus mehreren räumlichen Lichtmodulatoren.
Bei Anwendungen des Flüssigkristall-Fernsehgeräts im oben erwähnten Literaturhinweis 5 beträgt dessen maximales Öffnungsverhältnis aufgrund der Pixelstruktur des Flüssigkristall-Fernsehgeräts etwa 50%, und die optische Brechung findet an Kanten seiner pixelansteuernden Elektrode statt, was das Problem eines hohen optischen Verlusts aufwirft. Wie in 24A gezeigt wird beispielsweise von der Laserlichtquelle 2 emittiertes Laserlicht durch eine Kollimatorlinse 4 in paralleles Licht aufgeweitet, damit das Flüssigkristall-Fernsehgerät 6 bestrahlt wird, und auf dem Flüssigkristall-Fernsehgerät 6 angezeigtes Bildlicht wird von der Fourier-Linse 8 so fokussiert, dass auf dem Schirm 10, der an der Stelle des Brennpunktes der Fourier-Linse 8 positioniert ist, ein Bild entsteht. Dann erscheint, wie in 24B gezeigt, durch die Beugung an jedem Pixel des Flüssigkristall-Fernsehgeräts verursachtes Faltungsrauschen (convolution noise) auf dem Schirm 10. Die Intensität der Lichtkomponente nullter Ordnung (das in der optischen Mitte erscheinende Fourier-Bild) wird auf einen Bruchteil reduziert, weil um sie herum Beugungsbilder erscheinen. Dies wirft daher das Problem auf, dass ein durch inverse Fourier-Transformation der Lichtkomponente nullter Ordnung erhaltenes Bild eine geringe Luminanz aufweist und unscharf wird.
Die vorliegende Erfindung kam angesichts der beschriebenen Probleme bei der konventionellen Technik zustande, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bilderzeu gungsgerät für das Erzeugen eines scharfen Bildes bei hoher Lichtausnutzungseffizienz bereitzustellen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Bilderzeugungsgerät für das Erzeugen eines optischen Bildes auf der Grundlage von elektrischen Bildinformationen bereit, das Folgendes umfasst: ein optisches Betriebssystem, das mindestens Folgendes aufweist: (1) eine Anzeigevorrichtung vom Lichttransmissionstyp, die auf der Grundlage der elektrischen Bildinformationen ein diesen entsprechendes zweidimensionales Eingabebild anzeigt, (2) eine Beleuchtungsvorrichtung für das Ausstrahlen von Beleuchtungslicht zum Anzeigebild auf der Anzeigevorrichtung, (3) leselichterzeugende Mittel für das Emittieren von kohärentem Leselicht, (4) einen zweidimensionalen räumlichen Lichtmodulator vom Typ mit optischer Ansteuerung, der mit einem zweidimensionalen Intensitätslichtbild bestrahlt wird, das gemäß dem zweidimensionalen Eingabebild von dem von der Anzeigevorrichtung durchgelassenen Beleuchtungslicht erzeugt wird, wobei der räumliche Lichtmodulator das von den leselichterzeugenden Mitteln abgestrahlte Leselicht entsprechend einer räumlichen Lichtintensitätsverteilung des zweidimensionalen Intensitätslichtbildes phasenmoduliert und ein zweidimensionales phasenmoduliertes Lichtbild mit einer räumlichen Lichtintensitätsverteilung ausgibt, (5) eine Fourier-Linse für das Umwandeln des phasenmodulierten Lichtbildes in ein Fourier-Lichtbild, (6) ein auf einer Fourierebene der Fourier-Linse angeordnetes Phasenkontrastfilter für das Phasenverschieben einer Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes, und (7) eine inverse Fourier-Linse, damit das Fourier-Lichtbild einer inversen Fourier-Transformation unterworfen und das optische Bild ausgegeben wird, und
Betriebssteuermittel für das Anwenden eines idealen Sollbildes, das als optisches Bild erzeugt werden soll, auf eine theoretische Kennlinie des optischen Betriebssystems, wodurch die elektrischen Bildinformationen rückwärts berechnet werden.
Ein weiteres Gerät kann in einer solchen Anordnung aufgebaut sein, dass die Fourier-Linse eine erste Linse für eine eindimensionale Fourier-Transformation und die inverse Fourier-Linse eine zweite Linse für eine eindimensionale inverse Fourier-Transformation ist und eine Fourier-Transformationsebene der ersten Linse und eine inverse Fourier-Transformationsebene der zweiten Linse in gleicher Ausrichtung angeordnet sind.
Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Phasenkontrastfilter kann so strukturiert sein, dass ein dielektrischer Mehrschichtenfilm mit einem vorher festgelegten Lichttransmissionsgrad zwischen einer Schicht aus lichtmodulierendem Material, die mit einer vorher festgelegten Spannung vorgespannt ist, und einer Fotoleiterschicht angeordnet ist, wobei das Fourier-Lichtbild auf die Schicht aus lichtmodulierendem Material einfällt und von dem dielektrischen Mehrschichtenfilm reflektiert und ausgegeben wird, ein Teil der Lichtkomponente nullter Ordnung des von dem dielektrischen Mehrschichtenfilm durchgelassenen Fourier-Lichtbildes eine elektrische Eigenschaft der Fotoleiterschicht und dadurch eine Doppelbrechungsverteilung der Schicht aus lichtmodulierendem Material verändert und die Schicht aus lichtmodulierendem Material das von dem dielektrischen Mehrschichtenfilm reflektierte Fourier-Lichtbild phasenverschiebt und das phasenverschobene Lichtbild ausgibt.
Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Betriebssteuermittel kann Folgendes umfassen: Evaluierungswertberechnungsmittel für das Überwachen des von der inversen Fourier-Linse ausgegebenen optischen Bildes und Evaluieren der Übereinstimmung zwischen dem optischen Bild und dem idealen Sollbild, und variable Steuermittel für das variable Steuern einer optischen Eigenschaft des optischen Betriebssystems auf der Grundlage des Ergebnisses der Evaluation durch das Evaluierungswertberechnungsmittel.
Gemäß den obigen Anordnungen bildet der zweidimensionale räumliche Lichtmodulator das phasenmodulierte Lichtbild entsprechend den elektrischen Bildinformationen. Das phasenmodulierte Lichtbild wird in das Fourier-Lichtbild umgewandelt, und das Phasenkontrastfilter verschiebt die Phase seiner Lichtkomponente nullter Ordnung. Das so phasenverschobene Fourier-Lichtbild wird dann der inversen Fourier-Transformation unterzogen, um ein optisches Bild des reellen Bildes zu erzeugen, das ausgegeben wird. Somit kann ein klares optisches Bild mit hohem Kontrast bei hoher Lichtausnutzungseffizienz erzeugt werden.
Bei der Anordnung, bei der die Fourier-Linse die erste Linse für eine eindimensionale Fourier-Transformation und die inverse Fourier-Linse die zweite Linse für eine eindimensionale inverse Fourier-Transformation ist, wird das Fourier-Lichtbild durch eine eindimensionale Fourier-Transformation des phasenmodulierten Lichtbildes erzeugt, die Phase der Lichtkomponente nullter Ordnung dieses Fourier-Lichtbildes wird verschoben, und danach wird es durch eine eindimensionale inverse Fourier-Transformation in das optische Bild des reellen Bildes umgewandelt. Dadurch lässt sich die Konzentration von energiereichem Licht an einem Punkt auf dem Phasenkontrastfilter verhindern. Dadurch wiederum lässt sich eine Beschädigung des Phasenkontrastfilters verhindern und so ein Bilderzeugungsgerät realisieren, das energiereiches Licht verwendet.
Unter Verwendung des Phasenkontrastfilters mit der Schicht aus lichtmodulierendem Material, der Fotoleiterschicht und dem dielektrischen Mehrschichtenfilm wird die Phasenverschiebung entsprechend der Lichtintensität der Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes automatisch durchgeführt. Deshalb ist keine optische Feineinstellung mehr notwendig, wodurch das Bilderzeugungsgerät vielseitig einsetzbar ist und verschiedene weitere Bilder erzeugen kann.
Durch variable Steuerung der Kennlinie des optischen Betriebssystems durch die Betriebssteuermittel können vom Idealzustand abweichende Kennlinien des optischen Betriebssystems und optischer Verlust ausgeglichen werden. Hierdurch wird der hervorragende Effekt erzielt, dass ein mit dem idealen Sollbild übereinstimmendes optisches Bild erzeugt werden kann.
Dieses Bilderzeugungsgerät weist den hervorragenden Effekt auf, wenn es auf die CGH-Technologie, die optische Filtertechnologie, die optische Modulationstechnologie für das separate Steuern der Phase und der Amplitude von Licht, die Verwendung eines Stapels aus mehreren räumlichen Lichtmodulatoren und so weiter angewandt wird.
Besser verständlich wird die vorliegende Erfindung durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung sowie durch die beigefügten Zeichnungen, die lediglich der Erläuterung dienen und nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend betrachtet werden sollen.
Weitere Anwendungsbereiche für die vorliegende Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 ist eine Querschnittsansicht in Längsrichtung, die schematisch die Struktur des bei der Ausführungsform von 1 verwendeten, parallel ausgerichteten Flüssigkristall-Lichtmodulators zeigt,
die 3A bis 3C sind Querschnittsansichten in Längsrichtung, die schematisch die Strukturen von bei der Ausführungsform von 1 verwendeten Phasenkontrastfiltern zeigen,
4 ist ein Flussdiagramm für die Erläuterung des Betriebs der Ausführungsform von 1,
5 ist eine Zeichnung, die Ergebnisse eines Experiments zur Überprüfung der Eigenschaften der Ausführungsform von 1 zeigt, bei denen es sich um verschiedene, durch Fotografieren der Ausgabebilder gewonnene Halbtonbilder handelt,
6 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer Modifikation der Ausführungsform von 1 zeigt,
7 ist eine Perspektivansicht, die die Konfiguration der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
die 8A und 8B sind eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht der Ausführungsform von 7 in x- bzw. y-Koordinatenrichtung,
die 9A, 9B und 10 sind Perspektivansichten, die Strukturen von Phasenkontrastfiltern bei der zweiten Ausführungsform von 7 zeigen,
die 11A bis 11C sind erläuternde Zeichnungen, die die Struktur eines weiteren Phasenkontrastfilters bei der zweiten Ausführungsform von 7 zeigen, wobei die 11A und 11B Querschnittsansichten davon in y- bzw. in x-Koordinatenrichtung sind und 11C eine Perspektivansicht ist, die das Positionsverhältnis seiner Hauptbestandteile zeigt,
die 12A–12C sind erläuternde Zeichnungen, die die Struktur noch eines weiteren Phasenkontrastfilters bei der zweiten Ausführungsform von 7 zeigen, wobei die 12A und 12B Querschnittsansichten davon in y- bzw. in x-Koordinatenrichtung sind und 12C eine Perspektivansicht ist, die das Positionsverhältnis seiner Hauptbestandteile zeigt,
13 ist eine Zeichnung, die Halbtonbilder zeigt, die durch Fotografieren eines phasenmodulierten Lichtbildes und eines Ausgabebildes bei der zweiten Ausführungsform von 7 gewonnen wurden,
die 14A und 14B sind Blockdiagramme, die die Konfiguration einer Modifikation der zweiten Ausführungsform von 7 zeigen, wobei die 14A und 14B eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht davon in Richtung der x-bzw. y-Koordinatenrichtung sind,
die 15A und 15B sind Blockdiagramme, die die Konfiguration einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform von 7 zeigen, wobei die 15A und 15B eine Seitenansicht bzw, eine Draufsicht davon in xbzw. y-Koordinatenrichtung sind,
die 16A und 16B sind Blockdiagramme, die die Konfiguration noch einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform von 7 zeigen, wobei die 16A und 16B eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht davon in xbzw. y-Koordinatenrichtung sind,
die 17A und 17B sind Blockdiagramme, die alternative Konfigurationen eines Bilderzeugungsgerätes zeigen, das nicht der vorliegenden Erfindung entspricht, wobei die 17A und 17B eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht davon in x- bzw. y-Koordinatenrichtung sind,
18 ist eine Perspektivansicht, die die Konfiguration der dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
19 ist eine Seitenansicht der Konfiguration von 18 in x-Koordinatenrichtung,
20 ist eine Querschnittsansicht in Längsrichtung, die schematisch die Struktur des Phasenkontrastfilters von 18 zeigt,
21 ist ein Eingangs-/Ausgangskennlinien-Diagramm des Phasenkontrastfilters von 20,
22 ist eine Perspektivansicht, die die Konfiguration einer Modifikation der dritten Ausführungsform von 19 zeigt,
23 ist eine Perspektivansicht, die die Konfiguration einer weiteren Modifikation der dritten Ausführungsform von 19 zeigt, die jedoch nicht der vorliegenden Erfindung entspricht, und
24A ist eine schematische Darstellung, die die Konfiguration des konventionellen optischen Bilderzeugungssystems zeigt, und 24B ist eine Zeichnung, die ein Halbtonbild zeigt, das durch Fotografieren des vom optischen System gewonnenen Fourier-Lichtbildes gewonnen wurde.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen werden gleiche Bestandteile soweit möglich mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und auf überflüssige Beschreibungen wird verzichtet.
(Erste Ausführungsform)
Zunächst wird die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Im Blockdiagramm von 1 umfasst das Bilderzeugungsgerät ein analoges optisches Betriebssystem für das Ausführen analoger optischer Betriebsvorgänge und ein elektrisches Steuersystem für das elektrische Steuern dieses optischen Systems. Das analoge optische Betriebssystem besitzt ein optisches Bildschreibsystem WL und ein optisches Filtersystem FL, deren optische Achsen aneinander ausgerichtet sind. Das elektrische Steuersystem umfasst eine Steuereinheit 100 für das Durchführen eines nachfolgend beschriebenen Steuerprozesses durch Ausführen eines Programms, das auf der Grundlage eines vorher bestimmten Algorithmus erzeugt wird, eine Evaluierungswertberechnungseinheit 200 für das Durchführen eines Evaluierungsberechnungsprozesses und einen Speicherabschnitt 300, der aus einer Festplatte oder dergleichen besteht.
Das optische Bildschreibsystem WL umfasst eine Beleuchtungslichtquelle 12, einen Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 14 vom Lichttransmissionstyp, eine Abbildungslinse 16 und einen zweidimensionalen räumlichen Lichtmodulator 18. Bei dem zweidimensionalen räumlichen Lichtmodulator 18 handelt es sich um einen parallel ausgerichteten räumlichen Flüssigkristall-Lichtmodulator (nachfolgend als PALSLM 18 bezeichnet) vom Reflexionstyp.
Die Beleuchtungslichtquelle 12 strahlt Beleuchtungslicht aus weißem Licht oder dergleichen ohne Spitzen bei einer bestimmten Wellenlänge im sichtbaren Bereich und mit gleichmäßiger Beleuchtungsstärke zum Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 14 aus.
Der Anzeigebildschirm 14 zeigt gemäß von der Steuereinheit 100 zugeführten Bilddaten DH ein Eingabebild H(x, y) für die Projektion eines Ausgabebildes O(x, y) auf die Ausgabeebene 34 an. Hier geben das Ausgabebild O(x, y) und das Eingabebild H(x, y) jeweils eine zweidimensionale räumliche Verteilung der Ausgabebildintensität bzw. der Eingabebildintensität auf den Koordinaten (x, y) an. Andere Bilder und Lichtbilder werden auf die gleiche Weise dargestellt. Das Beleuchtungslicht von der Beleuchtungslichtquelle 12 wird durch den Anzeigebildschirm 14 geleitet, wobei das zweidimensionale Intensitätslichtbild H'(x, y), bei dem es sich um ein übertragenes Lichtbild des Eingabebildes H(x, y) handelt, durch die Abbildungslinse 16 auf den PALSLM 18 fokussiert wird.
Der PALSLM 18 ist wie schematisch in der Querschnittsansicht in Längsrichtung von 2 gezeigt aufgebaut. Er weist insbesondere eine Schichtstruktur auf, bei der eine Fotoleiterschicht 18e, ein dielektrischer Mehrschichtenfilmspiegel 18f und eine zwischen den Ausrichtschichten 18g, 18h angeordnete Schicht aus lichtmodulierendem Material 18i zwischen lichtdurchlässigen, leitfähigen Filmen (ITO) 18c, 18d angeordnet sind, die auf der Innenseite von parallel angeordneten, lichtdurchlässigen Glassubstraten 18a, 18b abgeschieden worden sind. Weiterhin ist eine Außenfläche des lichtdurchlässigen Glassubstrats 18a, 18b mit einer nichtreflektierenden Beschichtung 18j, 18k versehen. Die Fotoleiterschicht 18e ist beispielsweise aus hydrogenisiertem amorphem Silizium (a-Si : H) hergestellt und die Schicht aus lichtmodulierendem Material 18i beispielsweise aus einem Material wie einem parallel ausgerichteten, nematischen Flüssigkristall.
Die Steuereinheit 100 legt eine Steuer-Wechselspannung V₁₈ zwischen den lichtdurchlässigen, leitfähigen Filmen 18c, 18d an, und das bereits erwähnte zweidimensionale Intensitätslichtbild H'(x, y) fällt auf das lichtdurchlässige Glassubstrat 18a. Die zweidimensionale Verteilung der Innenimpedanz der Fotoleiterschicht 18e verändert sich entsprechend der Lichtintensität dieses zweidimensionalen Intensitätslichtbildes H'(x, y), und die Verteilung der Feldintensität auf der Schicht aus lichtmodulierendem Material 18i verändert sich mit der Änderung der Impedanz. Dies führt zu einer veränderten Ausrichtung des Flüssigkristalls in der Schicht aus lichtmodulierendem Material 18i gemäß dieser Feldintensitätsverteilung. Hier wird es durch variables Steuern des Spannungspegels der Steuer-Wechselspannung V₁₈ möglich, die Empfangsempfindlichkeit des zweidimensionalen Intensitätslichtbildes H'(x, y), d. h., einen Änderungsbetrag für die Ausrichtung des Flüssigkristalls in der Schicht aus lichtmodulierendem Material 18i gemäß dem zweidimensionalen Intensitätslichtbild H'(x, y) einzustellen.
Bei einem Zustand, in dem die Ausrichtung der Schicht aus lichtmodulierendem Material 18i verändert ist, wird das kohärente Leselicht hν zur Rückseite des PALSLM 18, d. h. zu dem lichtdurchlässigen Glassubstrat 18b ausgestrahlt. Dieses Leselicht hν entsteht durch Aufweiten des von der Laserlichtquelle 22 emittierten Laserlichts in gleichmäßiges, paralleles Licht mit Hilfe der Kollimatorlinse 24, und ist dafür vorgesehen, dass es vom Strahlenteiler 20 reflektiert wird und die Rückseite des PALSLM 18 bestrahlt.
Dann wird das Leselicht hν von der Schicht aus lichtmodulierendem Material 18i des PALSLM 18 phasenmoduliert und dann von dem dielektrischen Mehrschichtenfilmspiegel 18f reflektiert. Dann durchläuft das Leselicht wieder die Schicht aus lichtmodulierendem Material 18i und wird wieder phasenmoduliert. Das Leselicht wird dann von dem lichtdurchlässigen Glassubstrat 18b, bei dem es sich um die Einfallsebene handelte, ausgegeben. Dieses Ausgabelicht enthält das phasenmodulierte Lichtbild α(x, y), und der Strahlenteiler 20 lässt nur dieses phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) durch und leitet es zur Fourier-Linse 26. Da der PALSLM 18 die zweidimensionale Phasenmodulation des Leselichts hν vornimmt, ohne über die Pixelstruktur zu verfügen, wandelt er das Leselicht hν ohne Verlust in das phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) um.
Wenn ϕ(x, y) für Phasenkomponenten nach der Phasenmodulation durch die Schicht aus lichtmodulierendem Material 18i steht, lässt sich das phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) durch die nachfolgende Gleichung (1) theoretisch ausdrücken. α(x, y) = exp (i ϕ(x, y)) (1)
Die charakteristische Funktion F₂ sei als Eingangs/Ausgangskennlinie des PALSLM 18 definiert, d. h. als Ausgangskennlinie des phasenmodulierten Lichtbildes α(x, y) beim Einfallen des zweidimensionalen Intensitätslichtbildes H'(x, y), und F₁ als charakteristische Funktion des optischen Systems bei der Umwandlung des auf dem Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 14 angezeigten Eingabebildes H(x, y) in das zweidimensionale Intensitätslichtbild H'(x, y). Das phasenmodulierte Lichtbild wird dann folgendermaßen ausgedrückt. α(x, y) = F2[H'(x, y)] = F2{F1[H(x, y)]} (2)
Diese charakteristischen Funktionen F₁, F₂ können vorher empirisch oder theoretisch bekannt sein.
Das optische Filtersystem FL weist die Fourier-Linse 26 und die inverse Fourier-Linse 30 auf, die beide die Brennweite f aufweisen, und ist mit einer Anordnung aufgebaut, bei der sich die oben erwähnte Schicht aus lichtmodulierendem Material 18i des PALSLM 18 an der Position des vorderen Brennpunktes der Fourier-Linse 26, das Phasenkontrastfilter 28 an der Position des hinteren Brennpunktes der Fourier-Linse 26 (nachfolgend als Fourierebene bezeichnet) und die Ausgabeebene 34 an der Position des hinteren Brennpunktes der inversen Fourier-Linse 30 befindet, wodurch ein optisches 4f-System gebildet wird. Weiterhin befindet sich der oben erwähnte Strahlenteiler 20 zwischen dem PALSLM 18 und der Fourier-Linse 26 und der Strahlauskoppler 32 zwischen der inversen Fourier-Linse 30 und der Ausgabeebene 34.
Das Phasenkontrastfilter 28 ist wie schematisch in der Querschnittsansicht in Längsrichtung von 3A gezeigt aufgebaut. Die Schichten aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial (ITO) 28c, 28d werden insbesondere nebeneinander an Innenwandflächen der parallel angeordneten, lichtdurchlässigen Glassubstrate 28a, 28b bereitgestellt. Die Flüssigkristallschicht 28e ist zwischen den Schichten aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial 28c, 28d angeordnet. Dann ändert das auf das lichtdurchlässige Glassubstrat 28a einfallende Licht einen Betrag seiner Phasenverschiebung, die beim Durchgang durch die Flüssigkristallschicht 28e stattfindet, gemäß dem Spannungspegel und der Frequenz der Wechselstrom-Steuerspannung V₂₈, die von der Steuereinheit 100 zwischen den Schichten aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial 28c, 28d angelegt wird.
Im mittleren Teil der Flüssigkristallschicht 28e befindet sich ein kreisförmiger Projektionsbereich 28ps mit dem Durchmesser R, auf den die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) fällt (der Einfallsbereich der Lichtkomponente nullter Ordnung wird als Phasenverschiebungsbereich bezeichnet), und der andere Teil der Flüssigkristallschicht 28e wird in gleichmäßiger Dicke hergestellt.
Der Durchmesser dieses Phasenverschiebungsbereiches 28ps wird durch R = fλ/D definiert, wobei λ die Wellenlänge des Leselichtes hν, f die Brennweite der Fourier-Linse 26 und D der aufgeweitete Strahldurchmesser vor der ersten Fourier-Linse ist. Der Phasenverschiebungsbereich 28ps wird hergestellt, indem die Schichten aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial 28c, 28d zunächst in der gleichmäßigen Dicke auf den lichtdurchlässigen Glassubstraten 28a, 28b hergestellt werden, eine kreisförmige Vertiefung mit dem Durchmesser R durch Ätzen, Laserbearbeitung oder dergleichen im mittleren Teil der Schicht aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial 28c hergestellt wird und danach die Flüssigkristallschicht 28e zwischen den Schichten aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial 28c, 28d angeordnet wird.
Da der Phasenverschiebungsbereich 28ps und der restliche Teil dieser Flüssigkristallschicht 28e in Richtung der optischen Achse voneinander verschiedene Dicken aufweisen, unterscheiden sich die von der Steuer-Wechselspannung V₂₈ hervorgerufenen Feldintensitäten, so dass sie an der Lichtkomponente nullter Ordnung und den Lichtkomponenten höherer Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) jeweils unterschiedliche Phasenverschiebungen bewirken. Die Beträge θ der Phasenverschiebung lassen sich innerhalb des Bereiches von 0 bis 2π hauptsächlich durch das Ändern des Spannungspegels der Steuer-Wechselspannung V₂₈ variabel einstellen.
Die Phasenverschiebung T(r) des Phasenverschiebungsbereiches 28ps ist durch folgenden Ausdruck gegeben:
In der Gleichung ist θ der Betrag der Phasenverschiebung und Δr ein Radius des Phasenverschiebungsbereiches 28ps.
Dann nimmt die Fourier-Linse 26 die Fourier-Transformation des durch die oben angegebene Gleichung (1) ausgedrückten phasenmodulierten Lichtbildes α(x, y) vor, wobei das Phasenkontrastfilter 28 der Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) die Phasenverschiebung T(r) der oben angegebenen Gleichung (3) verleiht und die inverse Fourier-Linse 30 weiterhin das phasenverschobene Spektrallichtbild zu dem Ausgabebild des reellen Bildes O(x, y) zurückändert und es auf die Ausgabeebene 34 projiziert.
Bei dem Strahlauskoppler 32 handelt es sich beispielsweise um ein lichtteilendes Element mit einem Teilungsverhältnis von 99 : 1. Der Strahlauskoppler 32 projiziert 99% des Lichtbildes von der inversen Fourier-Linse 30 als Ausgabebild O(x, y) zur Ausgabeebene 34 und außerdem 1% als abgezweigtes Lichtbild O'(x, y) zu einem transluzenten Schirm 36. Der transluzente Schirm 36 ist an der Position des hinteren Brennpunktes der inversen Fourier-Linse 30 angeordnet und lässt das abgezweigte Lichtbild O'(x, y) durch, während er es in ein optisches Bild ohne Phasenkomponente ändert.
Dieses optische Bild ohne Phasenkomponente wird von der Abbildungslinse 38 und dem hinter dem transluzenten Schirm 36 angeordneten zweidimensionalen Festkörperbildsensor 40 aufgenommen, und erfasste Bilddaten DO werden an die Evaluierungswertberechnungseinheit 200 ausgegeben.
Die Intensitätsverteilung I(x, y) des Ausgabebildes O(x, y) wird theoretisch durch Fourier-Transformation eines phasen verschobenen Bildes erhalten, bei dem es sich um ein Multiplikationsbild des Phasenkontrastfilters (Gleichung (3)) und des fouriertransformierten Bildes des Eingabebildes (Gleichung (1)) handelt, und ist durch folgenden Ausdruck gegeben:
Hier steht ᾱ = |ᾱ|exp(iϕ_ᾱ) für einen komplexen Mittelwert des phasenmodulierten Lichtbildes α(x, y).
In Gleichung (4) lässt sich theoretisch erkennen, dass Bedingungen, die das Ausgabebild O(x, y) mit klarem Kontrast erscheinen lassen, darin bestehen, dass die Luminanz der Teile (x₀/y₀), die dunkel sein sollen, I(x₀/y₀) = 0 erfüllen und der Absolutbetrag des komplexen Mittelwertes im Bereich 0 < |ᾱ| < 1 liegen muss. Führt man diese Bedingungen in die oben erwähnte Gleichung (4) ein, wird die Beziehung zwischen dem Betrag θ der Phasenverschiebung und dem komplexen Mittelwert α hergeleitet, wodurch man die nachfolgenden Gleichungen (5) und (6) erhält.
0,5 < |ᾱ| < 1,0 (6)
Somit wendet die unten ausführlich beschriebene Steuereinheit 100, wenn ein Soll-Zielbild G(x, y) bestimmt wird, das auf die Ausgabeebene 34 projiziert werden soll, die Luminanz I(x, y) dieses Zielbildes G(x, y) auf die oben angegebene Gleichung (4) an, um das phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) rückwärts zu berechnen, erhält einen Mittelwert für die Luminanz von Teilen des Weißpegels und des Schwarzpegels des phasenmodulierten Lichtbildes α(x, y) (anders ausgedrückt: den komplexen Mittelwert α) und setzt ihn in die oben angegebene Gleichung (5) ein, um den Betrag θ der Phasenverschiebung des Phasenverschiebungsbereiches 28ps zu bestimmen.
Weiterhin wird das phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) in die oben angegebene Gleichung (2) eingesetzt, um das dem Zielbild G(x, y) entsprechende Eingabebild H(x, y) rückwärts zu berechnen, und das Eingabebild wird auf dem Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 14 angezeigt.
Dementsprechend führt die Steuereinheit 100 eine theoretische Berechnung des Eingabebildes H(x, y) durch und zeigt es als Grundlage für die Projektion des Soll-Zielbildes G(x, y) an, wobei angenommen wird, dass es sich bei dem optischen Bildschreibsystem WL und dem optischen Filtersystem FL um ideale optische Systeme ohne Kennlinienverzerrung handelt. Daten des zu projizierenden Zielbildes G(x, y) werden vorübergehend im Speicherabschnitt 300 gespeichert, die Steuereinheit 100 liest die Daten des Zielbildes G(x, y) dort aus und erhält die Bilddaten DH mit Hilfe des oben erwähnten Vorgangs, und diese Bilddaten DH werden dem Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 14 zugeführt, wodurch das Eingabebild H(x, y) darauf angezeigt wird.
Die Evaluierungswertberechnungseinheit 200 evaluiert eine Differenz zwischen dem Ausgabebild O(x, y), das tatsächlich auf die Ausgabeebene 34 projiziert wird, und dem idealen Zielbild G(x, y) und lässt die Steuereinheit 100 eine Rückführregelung von optischen Elementen des optischen Bildschreibsystems WL und des optischen Filtersystems FL durchführen, um das Ausgabebild O(x, y) an das Zielbild G(x, y) anzupassen.
Insbesondere berechnet die Evaluierungswertberechnungseinheit 200 die Summe ε = Σ(O'(x, y) – G (x, y)) der Differenzen zwischen den Bilddaten DO des abgezweigten Lichtbil des O'(x, y), die von dem zweidimensionalen Festkörperbildsensor 40 ausgegeben werden, und den Bilddaten des Zielbildes G(x, y) für die jeweiligen Pixel. Die Evaluierungswertberechnungseinheit 200 bestimmt einen Evaluierungswert, der eine bessere Übereinstimmung des Ausgabebildes O(x, y) mit dem idealen Zielbild G(x, y) für kleinere ε dieser Summe der Differenzen anzeigt, und überträgt diesen Evaluierungswert zur Steuereinheit 100.
Die Steuereinheit 100 führt unter Verwendung dieses Wertes als Steuerparameter eine Einstellung der Intensität des Beleuchtungslichts durch, indem sie die der Beleuchtungslichtquelle 12 zugeführte Antriebsleistung steuert, die Helligkeit (den Lichttransmissionsgrad) des Flüssigkristall-Anzeigebildschirms 14 durch Steuern des Spannungspegels und der Frequenz der an diesen angelegten Wechsel-Steuerspannung einstellt, den Betrag der Phasenmodulation des PALSLM 18 durch Steuern des Spannungspegels und der Frequenz der an diesen angelegten Wechsel-Steuerspannung V₁₈ einstellt und den Betrag θ der Phasenverschiebung durch Steuern des Spannungspegels und der Frequenz der an das Phasenkontrastfilter 28 angelegten Wechselspannung V₂₈ einstellt.
Dann führen die Steuereinheit 100 und die Evaluierungswertberechnungseinheit 200 eine Rückführregelung durch, die darauf abzielt, den Evaluierungswert mit Hilfe des sogenannten dynamischen Hill-Climbing-Verfahrens oder dergleichen zu maximieren (anders ausgedrückt: um die Summe ε der Differenzen zu minimieren). Auf dieser Grundlage wird eine Rückführregelung durchgeführt, um die Kennlinienverzerrung der optischen Elemente des optischen Bildschreibsystems WL und des optischen Filtersystems FL automatisch auszugleichen und dadurch das auf die Ausgabeebene 34 projizierte reelle Ausgabebild O(x, y) an das Soll-Zielbild G(x, y) anzupassen.
Die Betriebsweise des Bilderzeugungsgerätes mit der obigen Konfiguration wird unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 4 beschrieben. Wenn eine Bedienperson eine Anweisung gibt, die der Steuereinheit 100 ein Soll-Zielbild G(x, y) angibt, liest die Steuereinheit im Schritt S1000 Daten des Zielbildes G(x, y) aus dem Speicherabschnitt 300. Als nächstes berechnet die Steuereinheit im Schritt S1010 auf der Grundlage der oben angegebenen Gleichungen (1) bis (6) die Bilddaten DH des Eingabebildes H(x, y) und den Betrag θ der Phasenverschiebung des Phasenverschiebungsbereiches 28ps des Phasenkontrastfilters 28 unter der Annahme, dass sich die optischen Elemente in einem idealen Zustand befinden, wenn das Zielbild G(x, y) auf die Ausgabeebene 34 projiziert wird.
Als nächstes wird im Schritt S1020 das Eingabebild H(x, y) auf dem Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 14 angezeigt, und der Betrag θ der Phasenverschiebung des Phasenverschiebungsbereiches 28ps wird von der Steuer-Wechselspannung V₂₈ eingestellt. Dies bewirkt, dass das reelle Ausgabebild O(x, y), das unter der Annahme, dass sich die optischen Elemente im Idealzustand befinden, dem idealen Eingabebild H(x, y) entspricht, auf die Ausgabeebene 34 projiziert wird.
Es soll nun ein spezielles Beispiel betrachtet werden. Der Dynamikbereich des Eingabebildes H(x, y) ist maximal, wenn der komplexe Mittelwert ᾱ des phasenmodulierten Lichtbildes α(x, y) des PALSLM 18 0,5 beträgt. Wenn ᾱ = 0,5 in die Gleichung (5) eingesetzt wird, ist der Betrag der Phasenverschiebung θ = π. Wenn man nun annimmt, dass das ideale Zielbild G(x, y) auf die Ausgabeebene 34 projiziert wird, dann lässt sich die Beziehung des phasenmodulierten Lichtbildes α(x, y) zur Luminanz I(x, y) des Zielbildes G(x, y) wie aus der obigen Gleichung (3) folgt ausdrücken. I(x, y) = 2[1 – cos(ϕ(x, y))] (7)
Weiterhin gelten für das phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) bei ᾱ = 0,5 die folgenden Beziehungen. ∬ΔxΔycos(ϕ(x, y))dxdy = ᾱΔxΔy = 0.5ΔxΔy (8) ∬ΔxΔysin(ϕ(x, y))dxdy = 0 (9)wobei Δx und Δy die Größe der aktiven Fläche des Eingabebildes bezeichnen. Gleichung (8) gibt den Realteil des phasenmodulierten Lichtbildes ϕ(x, y) und Gleichung (9) den Imaginärteil davon an.
Somit erhält man das dem Zielbild G(x, y) entsprechende Eingabebild H(x, y) mittels der Operationen der oben angegebenen Gleichungen (7) bis (9), und der Betrag der Phasenverschiebung des Phasenkontrastfilters 28 wird auf θ = π eingestellt, damit man den maximalen Dynamikbereich erhält.
Dann wird der Schritt S1030 durchgeführt, bei dem mit Hilfe des zweidimensionalen Festkörperbildsensors 40 das dem Eingabebild H(x, y) entsprechend tatsächlich projizierte Ausgabebild O(x, y) beobachtet und aufgenommen wird und dann die erhaltenen Bilddaten DO zur Evaluierungswertberechnungseinheit 200 übertragen werden. Die Evaluierungswertberechnungseinheit 200 bestimmt die Summe ε der Differenzen zwischen den Bilddaten DO und den Daten des Zielbildes G(x, y), um die Abweichung des Ausgabebildes O(x, y) vom Ideal zu evaluieren und den Evaluierungswert zur Steuereinheit 100 zu übertragen.
Dann führt im Schritt S1040 die Steuereinheit 100 auf der Grundlage dieses Evaluierungswertes automatisch die Feineinstellung von Beleuchtungsstärke des Beleuchtungslichts der Beleuchtungslichtquelle 12, Helligkeit des Flüssig kristall-Anzeigebildschirms 14, Eingangs-/Ausgangskennlinien des PALSLM 18 und Betrag θ der Phasenverschiebung des Phasenkontrastfilters 28 durch. Dann erfolgt die Rückführregelung, und die Prozesse der Schritte S1030 und S1040 werden wiederholt, um den Evaluierungswert durch das sogenannte Hill-Climbing-Verfahren zu maximieren. Auf diese Weise wird schrittweise die Abweichung jedes optischen Elements des optischen Betriebssystems vom idealen Zustand ausgeglichen, wodurch das Ausgabebild O(x, y) an das Soll-Zielbild G(x, y) angepasst werden kann.
5 zeigt Ergebnisse eines Experiments, die durch das Fotografieren der Ausgabebilder O(x, y) erhalten wurden, wobei der Betrag der Phasenverschiebung θ = π eingestellt und der Betrag ρ der Phasenmodulation des phasenmodulierten Lichtbildes des auf dem PALSLM 18 in diesem Bilderzeugungsgerät erscheinenden „B" geändert wurde. Genauer gesagt wurden die Ausgabebilder O(x, y) in Zeitreihen fotografiert, während die Helligkeit der Flüssigkristall-Anzeigeeinheit 14 unter der Rückführregelung der Steuereinheit 100 und der Evaluierungswertberechnungseinheit 200 stand. Das schärfste Ausgabebild O(x, y) wurde erhalten, wenn der Betrag ρ der Phasenmodulation π ist.
Die oben angegebenen experimentellen Ergebnisse bestätigten auf empirische Weise, dass das Ausgabebild O(x, y) in Übereinstimmung mit dem Soll-Zielbild G(x, y) mit einer geringeren Rauschkomponente und hoher Luminanz sowie hohem Kontrast erzeugt werden konnte.
Die obige Beschreibung betraf das Beispiel, das das Phasenkontrastfilter 28 verwendet, das den Betrag θ der Phasenverschiebung variabel steuert, aber bei Anwendungen, bei denen der Betrag θ der Phasenverschiebung festgelegt sein kann, kann wie in 3B oder 3C gezeigt ein festgelegtes Phasenkontrastfilter angewandt werden, das den Betrag θ der Phasenverschiebung für die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) auf π festlegt.
Bei dem Phasenkontrastfilter von 3B wird eine Schicht 28g aus dielektrischem Material in einer projizierten Form, die dem Strahldurchmesser R der Lichtkomponente nullter Ordnung entspricht, in einer vorgegebenen Dicke d auf der Lichteinfallsebene des lichtdurchlässigen Glassubstrates 28f ausgebildet. Das Phasenkontrastfilter ist so aufgebaut, dass es die Phase der durch die Schicht 28g aus dielektrischem Material durchgelassenen Lichtkomponente nullter Ordnung um π verschiebt.
Das Phasenkontrastfilter von 3C ist so aufgebaut, dass in einem peripheren Teil auf dem lichtdurchlässigen Glassubstrat 28h, der denjenigen Teil, durch den die Lichtkomponente nullter Ordnung durchgeht, nicht mit einschließt, eine Schicht 28i aus dielektrischem Material mit einer vorgegebenen Dicke ausgebildet wird, wodurch die Phase der Lichtkomponente nullter Ordnung um π verschoben wird.
Das in 1 gezeigte optische Betriebssystem erzielte das Einfallen von Leselicht hν und das Durchlassen des phasenmodulierten Lichtbildes α(x, y) zur Fourier-Linse 26 durch das Bereitstellen des Strahlenteilers 20 zwischen dem PALSLM 18 und der Fourier-Linse 26, aber es kann wie in 6 gezeigt auch ohne diesen Strahlenteiler 20 konfiguriert sein.
Bei der Konfiguration von 6 wird das von der Laserlichtquelle 22 emittierte Laserlicht von einem Endteil der Fourier-Linse 26' in paralleles Licht (Leselicht) umgewandelt und bestrahlt den PALSLM 18, und das aus dem PALSLM 18 ausgelesene phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) fällt auf den anderen Endteil der Fourier-Linse 26' ein, was bewirkt, dass es eine Fourier-Transformation erfährt. Da die Fou rier-Linse 26' sowohl mit der wichtigen Funktion als Linse für die Fourier-Transformation als auch der Funktion als Kollimatorlinse versehen ist, kann sowohl der Strahlenteiler 20 als auch die Kollimatorlinse 24 weggelassen werden, wodurch die Konfiguration vereinfacht wird.
Da durch einen solchen Ausschluss des Strahlenteilers 20 der optische Verlust in diesem optischen Strahlenteiler 20 verringert werden kann, lässt sich ein schärferes Ausgabebild O(x, y) erhalten. Es lässt sich einrichten, dass das Leselicht hν durch eine andere Kollimatorlinse als die Fourier-Linse 26' auf den PALSLM 18 fällt.
Wie oben beschrieben gleicht diese Ausführungsform die vom Idealzustand abweichenden Kennlinien des optischen Betriebssystems und den optischen Verlust automatisch aus, so dass das tatsächliche Ausgabebild O(x, y) an das Soll-Zielbild G(x, y) angepasst werden kann.
Dieses Bilderzeugungsgerät weist den hervorragenden Effekt auf, wenn es auf die Computerholographie-Technologie (CGH), die optische Filtertechnologie, die optische Modulationstechnologie für das separate Steuern der Phase und der Amplitude von Licht, die Hochpräzisions-Laserbearbeitungstechnologie, die Verwendung eines Stapels aus mehreren räumlichen Lichtmodulatoren und so weiter angewandt wird.
(Zweite Ausführungsform)
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben.
Die oben beschriebene erste Ausführungsform benutzte die Fourier-Linse 26 und die inverse Fourier-Linse 30, die die zweidimensionale Fourier-Transformation durchführen können. Daher wird die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) mit hoher Energiedichte an der Posi tion der optischen Achse (der mittleren Position) des auf der Fourierebene angeordneten Phasenkontrastfilters 28 konzentriert. Dies könnte bei Anwendungen, die energiereiches Laserlicht verwenden, zu einer Beschädigung des Phasenkontrastfilters 28 führen.
Die zweite Ausführungsform betrifft ein Bilderzeugungsgerät, das durch die Verwendung energiereichen Laserlichts Bilder erzeugen kann und das oben erwähnte Problem löst.
In 7 (der Perspektivansicht), die die Konfiguration des optischen Betriebssystems zeigt, werden, um die Unterschiede zur ersten Ausführungsform zu beschreiben, die Fourier-Linse 26 und die inverse Fourier-Linse 30 in 1 durch zylindrische Linsen 42, 46 ersetzt, die beide die Brennweite f aufweisen, und auf der Fourierebene dieser zylindrischen Linsen 42, 46 wird das anders als das Phasenkontrastfilter 28 aufgebaute Phasenkontrastfilter 44 bereitgestellt.
8A ist eine Seitenansicht der Konfiguration dieses optischen Betriebssystems in x-Koordinatenrichtung, und 8B ist eine Draufsicht der Konfiguration davon, die das elektrische Steuersystem aufweist, in y-Koordinatenrichtung.
Die zylindrischen Linsen 42, 46 sind beide senkrecht zur z-Richtung der optischen Achse und in einer gemeinsamen Ausrichtung auf der xy-Koordinatenebene positioniert. Dann nimmt die erste zylindrische Linse 42 die eindimensionale Fourier-Transformation des aus dem PALSLM 18 ausgelesenen phasenmodulierten Lichtbildes α(x, y) vor. Somit fällt das gestreifte Fourier-Lichtbild α_f(x, y), das in y-Koordinatenrichtung verläuft, auf das Phasenkontrastfilter 44. Die zweite zylindrische Linse 46 nimmt die eindimensionale inverse Fourier-Transformation des vom Phasenkontrastfilter 44 phasenverschobenen Spektrallichtbildes vor, um es in das Ausgabelichtbild des reellen Bildes O(x, y) zurück zu überführen, und projiziert es auf die Ausgabeebene 34.
Das Phasenkontrastfilter 44 ist von feststehender Art, wie in 9A oder 9B gezeigt, oder von der Art mit variabler Steuerung, wie in 10 bis 12 gezeigt. Das in 9A gezeigte Phasenkontrastfilter 44 ist so aufgebaut, dass ein Streifen des Phasenverschiebungsbereiches 44b, auf den nur die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) einfällt, aus einem lichtdurchlässigen Elektrodenmaterial (ITO) auf einer Oberfläche des lichtdurchlässigen Glassubstrats 44a besteht.
Er wird beispielsweise hergestellt, indem zunächst das lichtdurchlässige Elektrodenmaterial (ITO) auf der gesamten Oberfläche des lichtdurchlässigen Glassubstrates 44a abgeschieden und dann außer auf dem Abschnitt, aus dem der Phasenverschiebungsbereich 44b werden soll, durch Ätzen oder Laserbearbeitung oder dergleichen entfernt wird. Weiterhin ist die Breite X dieses Phasenverschiebungsbereiches 44b gemäß X = fλ/D ausgelegt, wobei λ die Wellenlänge des Laserlichts hν, D die Querbreite (die Breite in der x-Richtung in 7) der lichtaufnehmenden Oberfläche der ersten zylindrischen Linse 42 und f deren Brennweite ist. Die Dicke d wird so festgelegt, dass die Phase der Lichtkomponente nullter Ordnung um π verschoben wird.
Das in 9B gezeigte Phasenkontrastfilter 44 ist so aufgebaut, dass eine Schicht 44d aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial außer auf einem Streifen des Phasenverschiebungsbereiches 44c, auf den die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) einfällt, auf der Oberfläche der lichtdurchlässigen Glasplatte 44a abgeschieden wird. Die Breite X des Phasenverschiebungsbereiches 44c und die Dicke d der Schicht 44d aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial sind genauso ausgelegt wie bei dem Phasenkontrastfilter von 9A.
Das in 10 gezeigte Phasenkontrastfilter 44 von der Art mit variabler Steuerung ist so aufgebaut, dass eine Flüssigkristallschicht 44j zwischen den Schichten 44g, 44i aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial angeordnet ist, die sich an den Innenwandflächen der parallelen lichtdurchlässigen Glassubstrate 44e, 44f befinden. Die Schicht 44g aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial liegt jedoch in einem Streifen des Phasenverschiebungsbereiches 44h nicht vor, auf den die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) fällt. Die Dicke d der Schicht 44g aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial und die Breite X des Phasenverschiebungsbereiches 44h sind genauso ausgelegt wie bei dem Phasenkontrastfilter von 9A.
Durch variables Steuern des Spannungspegels und der Frequenz der von der Steuereinheit 100 gelieferten Wechselstrom-Steuerspannung V₄₄, die zwischen den Schichten 44g und 44i aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial angelegt wird, kann die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) innerhalb des Bereiches 0 bis 2π wie gewünscht phasenverschoben werden.
Das in den 11A bis 11C gezeigte Phasenkontrastfilter 44 ist so aufgebaut, dass die Schicht 44i aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial auf der Rückseite des in 10 gezeigten Phasenkontrastfilters in Form mehrerer Streifen ausgebildet ist. 11A ist eine seitliche Querschnittsansicht des Filters mit der xz-Koordinatenebene als Schnittebene, 11B eine Querschnittsansicht in Längsrichtung des von der yz-Koordinatenebene geschnittenen Filters und 11C eine Perspektivansicht als perspektivische Projektion des Hauptteils.
Das Phasenkontrastfilter 44 ist so aufgebaut, dass die Flüssigkristallschicht 44j zwischen den Schichten 44g, 44i aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial angeordnet ist, die sich an den Innenwandflächen der parallelen lichtdurchlässigen Glassubstrate 44e, 44f befinden. Die Schicht 44g aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial liegt jedoch in dem Streifen des Phasenverschiebungsbereiches 44h, auf den die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) fällt, nicht vor. Die auf der Rückseite der Flüssigkristallschicht 44j vorgesehenen mehreren Schichten 44i aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial verlaufen senkrecht zum Phasenverschiebungsbereich 44h. Die Breite X des Phasenverschiebungsbereiches 44h und die Dicke d der Schicht 44g aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial sind genauso ausgelegt wie bei dem Phasenkontrastfilter von 10.
Ein Regelwiderstand ist mit jeder Schicht 44i aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial verbunden, und die Steuer-Wechselspannung V₄₄ von der Steuereinheit 100 wird durch diese Regelwiderstände zwischen den Schichten 44g, 44i aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial angelegt. Da eine Änderung des Widerstandes bei jedem Regelwiderstand zu einer Änderung der Intensität des in der Anordnungsrichtung der Schicht 44i aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial auf die Flüssigkristallschicht 44j einwirkenden elektrischen Feldes führt, kann die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) unterschiedliche Phasenverschiebungen in Anordnungsrichtung erhalten. Wenn beispielsweise die Verhältnisse weißer und schwarzer Teile von Zeile zu Zeile variieren, können für die Verhältnisse weißer und schwarzer Teile geeignete Phasenverschiebungen verliehen werden.
Das in den 12A bis 12C gezeigte Phasenkontrastfilter 44 ist so aufgebaut, dass der Phasenverschiebungsbereich 44k, auf den die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) fällt, aus einem lichtdurchlässigen Elektrodenmaterial (ITO) besteht, mehrere senkrecht zum Phasenverschiebungsbereich 44k verlaufende Schichten 44l auf der Rückseite der Flüssigkristallschicht 44j vorgesehen sind, und das Ganze ist zwischen lichtdurchlässigen Glassubstraten 44f, 44e angeordnet. 12A ist eine seitliche Querschnittsansicht des von der xz-Koordinatenebene geschnittenen Filters, 12B eine Querschnittsansicht in Längsrichtung des von der yz-Koordinatenebene geschnittenen Filters und 12C eine Perspektivansicht als perspektivische Projektion des Hauptteils.
Ein Regelwiderstand ist mit jeder Schicht 44l aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial verbunden, und die Steuer-Wechselspannung V₄₄ von der Steuereinheit 100 wird durch diese Regelwiderstände zwischen den Schichten 44l aus lichtdurchlässigem Elektrodenmaterial und dem Phasenverschiebungsbereich 44k angelegt. Da eine Einstellung des Widerstandes bei jedem Regelwiderstand zu einer Änderung des elektrischen Feldes in der Flüssigkristallschicht 44j führt, kann die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) unterschiedliche Phasenverschiebungen in Anordnungsrichtung erhalten.
Bei dem wie oben beschrieben aufgebauten Bilderzeugungsgerät der vorliegenden Erfindung wandelt die erste zylindrische Linse 42 das aus dem PALSLM 18 ausgelesene phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) in das gestreifte Fourier-Lichtbild α_f(x, y) um, so dass verhindert werden kann, dass sich Licht mit hoher Energiedichte an einem Punkt auf dem Phasenkontrastfilter 44 konzentriert. Dadurch lässt sich eine Beschädigung des Phasenkontrastfilters 44 verhindern, wodurch das Bilderzeugungsgerät realisiert wird, das den energiereichen Laser verwendet.
Weiterhin kann das Ausgabebild O(x, y) sehr nahe am idealen Zustand erzeugt werden, wenn jedes optische Element durch Rückführregelung mit der Steuereinheit 100 und der Evaluie rungswertberechnungseinheit 200 wie bei der ersten Ausführungsform eingestellt wird.
13 zeigt experimentelle Ergebnisse der Verwendung des Bilderzeugungsgerätes. Die linke Seite der Zeichnung zeigt das vom PALSLM 18 phasenmodulierte Lichtbild α(x, y), und die rechte Seite der Zeichnung zeigt ein Bild des auf die Ausgabeebene 34 projizierten Ausgabebildes O(x, y) mit einer Zwischenauflösung. Bei diesem Experiment wurde ein Feldbeleuchter mit 25% Weiß und 75% Schwarz als Eingabebild H(x, y) auf dem Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 14 angezeigt.
Für dieses phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) gibt es die Beziehung der nachstehenden Gleichung (10) zwischen der Weißpegel- und der Schwarzpegel-Wirkleistung (Duty), dem komplexen Mittelwert α des phasenmodulierten Lichtbildes α(x, y) und dem Betrag θ der Phasenverschiebung des Phasenkontrastfilters 44.
Wirkleistung(Weiß)exp(iπ)+Wirkleistung(Schwarz)exp(i0) = ᾱ
Das bedeutet, dass der Betrag θ der Phasenverschiebung des Phasenkontrastfilters 44 gemäß der Weißpegel- und der Schwarzpegel-Wirkleistung eingestellt werden muss. Da die Weiß- und die Schwarz-Wirkleistung 25% bzw. 75% ausmachte, wurde der PALSLM 18 so ausgelegt, dass er eine Modulation von π auf dem Weißpegel und eine Modulation von null auf dem Schwarzpegel bewirkte, um den Betrag der Phasenverschiebung des Phasenkontrastfilters 44 als θ = π einzustellen. Infolgedessen wurde das Ausgabebild O(x, y) mit sehr guter Übereinstimmung mit dem Zielbild G(x, y) und gutem Kontrast erzeugt, wie auf der rechten Seite von 13 gezeigt ist. Es bestätigte sich ebenfalls, dass eine Abweichung verschiedener Kennlinien der optischen Elemente von den idealen Kennlinien durch die Rückführregelung der Steuereinheit 100 und der Evaluierungswertberechnungseinheit 200 ausgeglichen wurde.
Es werden Modifikationen von 7 beschrieben. 14A, 15A und 16A sind jeweils Seitenansichten einer Modifikation in x-Koordinatenrichtung, und 14B, 15B und 16B sind dementsprechende Draufsichten auf die Modifikation in y-Koordinatenrichtung.
Die in den 14A und 14B gezeigte Modifikation enthält eine dritte zylindrische Linse 48 gleich hinter dem Phasenkontrastfilter 44. Diese zylindrische Linse 48 ist in Bezug auf die erste und die zweite zylindrische Linse 42, 46 um 90° auf der xy-Koordinatenebene (senkrecht) gedreht angeordnet. Diese Konfiguration erzeugt effektiv ein scharfes Bild mit Unterdrückung des Brechungseinflusses.
Die in den 15A und 15B und den 16A und 16B gezeigten Modifikationen sind so gestaltet, dass auch ohne Bereitstellung eines Strahlenteilers das Leselicht hν auf den PALSLM 18 fällt und das phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) vom PALSLM 18 ausgegeben wird. Insbesondere werden die Kollimatorlinse 24 und die erste zylindrische Linse 42 in dem gleichen Winkel β (der maximal ungefähr 2° beträgt) zum PALSLM 18 versetzt angeordnet. Die Laserlichtquelle 22 befindet sich bei der Kollimatorlinse 24, und das Phasenkontrastfilter 44, die zweite zylindrische Linse 46 und die Ausgabeebene 34 befinden sich hinter der ersten zylindrischen Linse 42 und bilden somit das optische 4f-System.
Das von der Laserlichtquelle 22 emittierte Laserlicht wird durch die Kollimatorlinse 24 zu dem Leselicht hν geändert, und das Leselicht hν tritt direkt in den PALSLM 18 ein. Dieses Leselicht hν wird vom PALSLM 18 phasenmoduliert und nach innen reflektiert, so dass daraus das phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) wird, und das phasenmodulierte Lichtbild fällt auf die erste zylindrische Linse 42.
Eine solche Konfiguration kann optische Verluste bei dem Leselicht hν und dem phasenmodulierten Lichtbild α(x, y) beträchtlich verringern. Dadurch erhöht sich die Lichtausnutzungseffizienz, so dass ein schärferes Ausgabebild O(x, y) erzeugt werden kann. Außerdem lässt sich das Bilderzeugungsgerät, das den energiereichen Laser benutzt, realisieren. Wenn die Rückführregelung jedes optischen Elements unter Bereitstellung der Steuereinheit 100 und der Evaluierungswertberechnungseinheit 200 wie in den 8A und 8B (wenn auch nicht in den 15A und 15B dargestellt) eingesetzt wird, kann das sehr nahe am idealen Zustand liegende Ausgabebild O(x, y) erzeugt werden, während die Kennlinienabweichung der tatsächlichen optischen Elemente ausgeglichen wird.
Bei der in den 15A und 15B gezeigten Modifikation liegt die Kondensorlinse 24 in einer senkrecht zur Längsrichtung (speziell der y-Koordinatenrichtung) des Streifens des im Phasenkontrastfilter 44 bereitgestellten Phasenverschiebungsbereiches verlaufenden Richtung (speziell der x-Koordinatenrichtung). Bei der in den 16A und 16B gezeigten Modifikation liegt im Gegensatz dazu die Kondensorlinse 24 entlang der Längsrichtung (speziell der y-Koordinatenrichtung) des Streifens des im Phasenkontrastfilter 44 bereitgestellten Phasenverschiebungsbereiches. Dementsprechend sind die erste und die zweite zylindrische Linse 42, 46 und das Phasenkontrastfilter 44 bei dem Gerät in den 15A und 15B im Verhältnis zu denen bei dem Gerät in den 16A und 16B um 90° gedreht angeordnet.
Da die Kollimatorlinse 24 bei der Modifikation der 16A und 16B in der Längsrichtung der ersten zylindrischen Linse 42 (oder in der Richtung, die nicht zur Fourier-Transformation beiträgt) liegt, führt eine leichte Abwei chung bei der Position der Kollimatorlinse 24 in dieser Richtung nicht zu einer bedeutenden Verschlechterung der Eigenschaften des gesamten optischen Systems. Daher besitzt die Modifikation der 16A und 16B den Vorteil, dass die optische Einstellung einfacher wird als bei der Modifikation der 15A und 15B.
Es werden alternative Konfigurationen eines Bilderzeugungsgerätes unter Bezugnahme auf die 17A und 17B beschrieben. 17A ist eine Seitenansicht des Gerätes in x-Koordinatenrichtung, und 17B ist eine Draufsicht auf das Gerät in y-Koordinatenrichtung.
Die erste und die zweite Ausführungsform sind so konfiguriert, dass sie durch die Verwendung des Anzeigemittels als Kombination aus dem Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 14 und dem PALSLM 18 eine Phasencodierung des Eingabebildes H(x, y) zum phasenmodulierten Lichtbild α(x, y) bewirken. Die Konfigurationen der 17A und 17B übernehmen die in einer anderen Konfiguration realisierten Anzeigemittel.
In den 17A und 17B ist der Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 50 vom Phasenmodulationstyp an der Position des vorderen Brennpunktes der ersten zylindrischen Linse 42 angeordnet, das von der Laserlichtquelle 22 emittierte Laserlicht wird von der Kollimatorlinse 24 in paralleles Leselicht hν umgewandelt, und das Leselicht hν wird dem auf dem Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 50 angezeigten Eingabebild H(x, y) entsprechend phasenmoduliert, so dass daraus das phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) wird, das zur ersten zylindrischen Linse 42 geleitet wird. Dann wird die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α(x, y) vom Phasenkontrastfilter 44 phasenverschoben, dann wird sie in der zweiten zylindrischen Linse 46 einer inversen Fourier-Transformation unterzogen, so dass daraus das Ausgabelichtbild des reellen Bildes O(x, y) wird, und das Ausgabebild wird auf die Ausgabeebene 34 projiziert.
Das Gerät ist wie in den 8A und 8B (wenn auch nicht in den 17A und 17B dargestellt) mit der Steuereinheit 100, der Evaluierungswertberechnungseinheit 200 und dem Speicherabschnitt 300 ausgerüstet und zeigt das theoretisch aus dem Soll-Zielbild G(x, y) erhaltene Eingabebild H(x, y) an und führt die Rückführregelung jedes optischen Elements durch.
Da in diesen Konfigurationen kein PALSLM enthalten ist, lässt sich das optische Betriebssystem vereinfachen.
(Dritte Ausführungsform)
Die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben.
Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform besitzt der Phasenverschiebungsbereich des auf der Fourier-Transformationsebene angeordneten Phasenkontrastfilters 28, 44 eine solche geometrische Form, dass nur die Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α(x, y) darauf fällt. Da jedoch die Breite der spektralen Verteilung dieser Lichtkomponente nullter Ordnung äußerst schmal ist, ist eine sehr genaue Verarbeitungstechnologie erforderlich. Zusätzlich dazu ist auch eine sehr genaue Einstellung der optischen Achse erforderlich. Wenn sich der Durchmesser des Fourier-Lichtbildes α(x, y) ändert, kann die Form und die Position des Phasenverschiebungsbereiches nicht geändert werden. Es sind somit nicht ohne weiteres verschiedene Bilderzeugungsprozesse durchführbar. Die dritte Ausführungsform hat dieses Problem gelöst.
Die dritte Ausführungsform, die in 18 in einer Perspektivansicht und in 19 in einer Seitenansicht gezeigt ist, umfasst die Beleuchtungslichtquelle 52 für das Ausstrahlen von Beleuchtungslicht aus weißem Licht oder dergleichen ohne Spitzen bei einer bestimmten Wellenlänge im sichtbaren Lichtbereich und mit gleichmäßiger Beleuchtungsstärke, einen Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 54 vom Transmissionstyp für das Anzeigen des Eingabebildes H(x, y) und die Abbildungslinse 56 für das Erzeugen des zweidimensionalen Intensitätslichtbildes H'(x, y), das, wenn das Beleuchtungslicht von dem Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 54 durchgelassen wird, auf der Eingabeebene des PALSLM 58 erscheint, die somit das optische Bildschreibsystem bilden.
Das Gerät umfasst weiterhin die Kondensorlinse 60 und die Laserlichtquelle 62 für das Ausstrahlen des kohärenten Leselichts hν zur Ausgabeebene des PALSLM 58, die Fourier-Linse 64 für das Durchführen der Fourier-Transformation des aus dem PALSLM 58 austretenden phasenmodulierten Lichtbildes α(x, y), das auf der Fourierebene angeordnete Phasenkontrastfilter 66 für das Phasenverschieben und Reflektieren des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y), die inverse Fourier-Linse 68 für das Durchführen der inversen Fourier-Transformation des vom Phasenkontrastfilter 66 phasenverschobenen Spektrallichtbildes und die Ausgabeebene 70, auf die das Ausgabebild O(x, y) als durch die inverse Fourier-Transformation geändertes reelles Bild projiziert wird, die somit das optische Filtersystem bilden.
Hier ist der PALSLM 58 der bei der ersten und der zweiten Ausführungsform beschriebene parallel ausgerichtete, räumliche Flüssigkristall-Lichtmodulator, und die Kondensorlinse 60 und die Fourier-Linse 64 sind so positioniert, dass das Leselicht hν unter dem gleichen Winkel auf den PALSLM 58 einfällt, unter dem das phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) von diesem ausgestrahlt wird.
Das Phasenkontrastfilter 66 ist wie schematisch in der Querschnittsansicht in Längsrichtung von 20 gezeigt aufgebaut. Er weist insbesondere eine solche Schichtstruktur auf, dass die Fotoleiterschicht 66e, der dielektrische Mehrschichtenfilmspiegel 66f und die zwischen den Ausrichtschichten 66g, 66h angeordnete Schicht 66i aus lichtmodulierendem Material zwischen lichtdurchlässigen, leitfähigen Filmen (ITO) 66c, 66d angeordnet sind, die auf der Innenseite des parallelen lichtdurchlässigen Glassubstrats 66a und des lichtundurchlässigen Glassubstrats 66b abgeschieden worden sind. Weiterhin ist die Außenwand des lichtdurchlässigen Glassubstrats 66a mit einer nichtreflektierenden Beschichtung 66j versehen. Die Fotoleiterschicht 66e ist beispielsweise aus hydrogenisiertem amorphem Silizium (a-Si:H) hergestellt und die Schicht 66i aus lichtmodulierendem Material beispielsweise aus einem Material wie einem parallel ausgerichteten, nematischen Flüssigkristall.
Weiterhin wird die Längs- oder Querbreite W des Phasenkontrastfilters 66 (die Längs- oder Querbreite der Stirnfläche, auf die das Fourier-Lichtbild α_f(x, y) fällt) folgendermaßen bestimmt. w > f/λD (11)
Hier ist f die Brennweite der Fourier-Linse 64, λ die Mittenwellenlänge des Leselichts hν und D die maximale Breite des phasenmodulierten Lichtbildes α(x, y).
Die Intensität des Lichts nullter Ordnung ist als Gleichung (5) und (6) angegeben. Wenn |ᾱ| gleich 0,5 ist, weist die Intensität des Lichts nullter Ordnung 50% der Energie des Eingabebildes auf. Die Größe der ersten Ordnung beträgt etwa fλ/D, wobei λ die Wellenlänge des Leselichtes, f die Brennweite der Fourier-Linse 26 und D der aufgeweitete Strahldurchmesser vor der Fourier-Linse 26 ist.
Der dielektrische Mehrschichtenfilmspiegel 66f weist eine Stapelstruktur aus dielektrischen Dünnschichten auf und ist so ausgelegt, dass er beispielsweise 99,95% der Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) reflektiert und den Rest durchlässt, d. h. 0,05% davon, abhängig von der Anzahl der dielektrischen dünnen Schichten.
Wenn das Fourier-Lichtbild α_f(x, y) auf den dielektrischen Mehrschichtenfilmspiegel 66f fällt, dann gehen (lecken) 0,05% der Lichtkomponente nullter Ordnung durch den dielektrischen Mehrschichtenfilmspiegel 66f hindurch und treten in die Fotoleiterschicht 66e ein, was eine Veränderung der Impedanz in dem einfallenden Teil dieses Lecklichts Δα_f entsprechend seiner Lichtintensität verursacht. Diese Veränderung der Impedanz der Fotoleiterschicht 66e verursacht eine Änderung der Feldintensität, wodurch der Schicht 66i aus lichtmodulierendem Material eine der Lichtintensität der Lichtkomponente nullter Ordnung entsprechende Ausrichtung verliehen wird. Der restliche Teil des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) wird vom dielektrischen Mehrschichtenfilmspiegel 66f reflektiert und durch die Schicht 66i aus lichtmodulierendem Material zum lichtdurchlässigen Glassubstrat 66a ausgegeben. Hier wird die Lichtkomponente nullter Ordnung beim Hindurchgehen durch die Schicht 66i aus lichtmodulierendem Material durch die oben erwähnte Ausrichtung phasenverschoben.
Das Phasenkontrastfilter 66 stellt wie oben beschrieben automatisch den Betrag θ der Phasenverschiebung und den Phasenverschiebungsbereich gemäß der Lichtintensität nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) ein und gibt die Lichtkomponente nullter Ordnung mit um den Betrag θ der Phasenverschiebung verschobener Phase aus. Somit ist eine Positionierung des Phasenkontrastfilters unnötig, die Stabilität des optischen Systems wird stark verbessert, und das Gerät kann für die Erzeugung von Bildern verschiedener Form angewendet werden, ohne auf bestimmte Bilder beschränkt zu sein. Hinzu kommt, dass der Betrag θ der Phasenverschiebung variabel eingestellt werden kann, indem der Spannungspegel oder die Frequenz der an die lichtdurch lässigen Elektrodenfilme 66c, 66d angelegten Steuer-Wechselspannung V₆₆ variabel gesteuert wird.
Dann wird das aus dem Phasenkontrastfilter 66 austretende Spektrallichtbild in der inversen Fourier-Linse 68 der inversen Fourier-Transformation unterzogen, damit daraus das Ausgabebild O(x, y) des reellen Bildes wird, das auf die Ausgabeebene 70 projiziert wird.
21 ist ein Eingangs-/Ausgangskennlinien-Diagramm des Phasenkontrastfilters 66, das die Beziehung des Betrages θ der Phasenverschiebung zur Intensität des Lecklichtes mit einem Parameter der Steuer-Wechselspannung V₆₆ zeigt. Wie aus 21 hervorgeht, sind die Beträge θ der Phasenverschiebung fast proportional zu Logarithmen der Menge des einfallenden Lichts (Menge des Lecklichtes) und erreichen Sättigung, wenn die Lichtmenge über einen bestimmten Pegel steigt. Das Filter weist auch die Eigenschaft auf, dass eine Änderung der Steuer-Wechselspannung V₆₆ zu einer Änderung des Sättigungswertes des Betrags θ der Phasenverschiebung führt.
Daher wird in der Praxis ein Prozess der Feineinstellung des Betrags θ der Phasenverschiebung beispielsweise dadurch durchgeführt, dass ein Sollbetrag θ der Phasenverschiebung durch die Steuer-Wechselspannung V₆₆ oder durch die Durchführung der Rückführregelung dieser Steuer-Wechselspannung V₆₆ vorgegeben wird, um das an das Soll-Zielbild G(x, y) angepasste Ausgabebild O(x, y) zur Überwachung des Ausgabebildes zu verwenden.
Es soll nun ein spezielles Beispiel betrachtet werden. Es sei angenommen, dass die Wellenlänge des Leselichtes hν 633 μm, die Intensität davon 1 mW/cm², der Durchmesser D davon 1 cm und die Brennweite f der Fourier-Linse 64 400 mm beträgt und die Lichtintensität nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes α_f(x, y) auf 50% codiert ist. Dann wird die durchschnittliche Intensität I der Lichtkomponente nullter Ordnung und der Punktdurchmesser r₀ folgendermaßen berechnet. I = |ᾱ| × rEingabe × (πD2) = 0,5 × (1 × 10–3) × (π × 0,52) = 4 × 10–4 [W] (12) r0 = fλ/D' = 25 [μm] (13)
Wenn der Transmissionsgrad des dielektrischen Mehrschichtenfilmspiegels 66f des Phasenkontrastfilters 66 99,95% beträgt, dann beträgt die Intensität des Lecklichtes Δα_f 2 × 10⁵ mW/cm². Im Kennliniendiagramm (21) ist zu sehen, dass sich selbst bei einem solchen schwachen Lecklicht Δα_f ausreichende Beträge θ der Phasenverschiebung erhalten lassen. Somit ist der optische Verlust des Phasenkontrastfilters 66 unbedeutend, wodurch eine hervorragende Lichtausnutzungseffizienz erzielt wird.
Das Ausgabebild O(x, y) kann sehr nahe am idealen Zustand erzeugt werden, wenn jedes optische Element der Rückführregelung durch die Steuereinheit 100 und die Evaluierungswertberechnungseinheit 200 wie bei der ersten Ausführungsform unterliegt.
Es wird unter Bezugnahme auf 22 eine Modifikation beschrieben. In 22 sind mit denen in 18 identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Modifikation benutzt statt der Fourier-Linsen 64, 68 zylindrische Linsen 72, 74 für die zweidimensionale Fourier-Transformation, um das optische 4f-System aufzubauen. Dieser Konfiguration zufolge nimmt die erste zylindrische Linse 72 die eindimensionale Fourier-Transformation des phasenmodulierten Lichtbildes α(x, y) vor, das auf dem Phasenkontrastfilter 66 erzeugt wird. Somit ist es möglich, eine Beschädigung des Phasenkontrastfilters 66 zu verhindern. Außerdem ermöglicht die Modifikation die Bilderzeugung mit dem energiereichen Laser.
Eine weitere Modifikation eines Bilderzeugungsgerätes wird unter Bezugnahme auf die 23 beschrieben. Diese Modifikation ist so konfiguriert, dass der Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 76 vom Phasenmodulationstyp an der Position des vorderen Brennpunktes der Fourier-Linse 64 angeordnet ist und das von der Kollimatorlinse 60 und der Laserlichtquelle 62 emittierte kohärente Leselicht hν durch das auf dem Flüssigkristall-Anzeigebildschirm 76 angezeigte Eingabelichtbild (x, y) hindurchgeht, wodurch das phasenmodulierte Lichtbild α(x, y) erzeugt wird.
Da diese Modifikation keinen PALSLM enthält, bewirkt sie eine Vereinfachung des optischen Betriebssystems.
Die oben angeführte Beschreibung zeigte die Konfigurationen, die den PALSLM als räumlichen Lichtmodulator verwenden, aber der räumliche Lichtmodulator der vorliegenden Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Er kann beispielsweise unter räumlichen Flüssigkristall-Lichtmodulatoren, die verdrillte nematische Flüssigkristalle (TNLC = Twisted Nematic Liquid Crystal), ferroelektrische Flüssigkristalle (FLC = Ferroelectric Liquid Crystal) und dergleichen verwenden, und räumlichen Lichtmodulatoren mit optischer Ansteuerung oder elektrischer Ansteuerung, die verschiedene lichtmodulierende Materialien wie beispielsweise elektrooptische Kristalle verwenden, ausgewählt werden.

Claims

Bilderzeugungsgerät für das Erzeugen eines zweidimensionalen optischen Bildes auf der Grundlage von elektrischen Bildinformationen, das folgendes umfaßt: ein optisches Betriebssystem, das mindestens folgendes aufweist: eine Anzeigevorrichtung (14, 54) vom Lichttransmissionstyp, die auf der Grundlage der elektrischen Bildinformationen ein diesen entsprechendes zweidimensionales Eingabebild anzeigt, eine Beleuchtungsvorrichtung (12, 52) für das Abstrahlen von Beleuchtungslicht zum Anzeigebild auf der Anzeigevorrichtung (14, 54), leselichterzeugende Mittel (22, 62) für das Emittieren von kohärentem Leselicht, zweidimensionales räumliches Licht modulierende Mittel (18, 58) vom Typ optische Adresse, die mit einem zweidimensionalen Intensitätslichtbild bestrahlt werden, das gemäß dem zweidimensionalen Eingabebild von dem von der Anzeigevorrichtung (14, 54) übertragenen Beleuchtungslicht erzeugt wird, wobei die räumliches Licht modulierenden Mittel (18, 58) das von den leselichterzeugenden Mitteln (22, 62) abgestrahlte Leselicht entsprechend einer räumlichen Lichtintensitätsverteilung des zweidimensionalen Intensitätslichtbildes phasenmodulieren um ein zweidimensionales phasenmoduliertes Lichtbild mit einer räumlichen Lichtintensitätsverteilung auszugeben, eine Fourier-Linse (26, 26', 64) für das Umwandeln des phasenmodulierten Lichtbildes in ein Fourier-Lichtbild, ein auf einer Fourierebene der Fourier-Linse (26, 26', 64) bereitgestelltes Phasenkontrastfilter (28, 44, 66) für das Phasenverschieben einer Lichtkomponente nullter Ordnung des Fourier-Lichtbildes und eine inverse Fourier-Linse (30, 68), damit das Fourier-Lichtbild einer inversen Fourier-Transformation unterworfen und das optische Bild ausgegeben wird; und Betriebssteuermittel für das Anwenden eines idealen Sollbildes, das als optisches Bild erzeugt werden soll, auf eine theoretische Kenngröße des optischen Betriebssystems, wodurch die elektrischen Bildinformationen rückwärts berechnet werden.
Bilderzeugungsgerät nach Anspruch 1, bei dem die Fourier-Linse (26, 26', 64) und die inverse Fourier-Linse (30, 68) Linsen für eine zweidimensionale Fourier-Transformation sind.
Bilderzeugungsgerät nach Anspruch 1, bei dem die Fourier-Linse (26, 26', 64) eine erste Linse für eine eindimensionale Fourier-Transformation und die inverse Fourier-Linse (30, 68) eine zweite Linse für eine eindimensionale inverse Fourier-Transformation ist und eine Fourier-Transformationsebene der ersten Linse und eine inverse Fourier-Transformationsebene der zweiten Linse in gleicher Ausrichtung angeordnet sind.
Bilderzeugungsgerät nach Anspruch 3, bei dem eine dritte Linse mit den gleichen optischen Eigenschaften wie die erste Linse senkrecht zur ersten Linse positioniert ist.
Bilderzeugungsgerät nach Anspruch 1, bei dem das Phasenkontrastfilter (28, 44, 66) ein Filter vom Transmissionstyp für das Durchlassen des Fourier-Lichtbildes ist.
Bilderzeugungsgerät nach Anspruch 1, bei dem das Phasenkontrastfilter (28, 44, 66) ein Filter vom Reflexionstyp für das Reflektieren des Fourier-Lichtbildes ist.
Bilderzeugungsgerät nach Anspruch 1, bei dem das Phasenkontrastfilter (66) eine Struktur besitzt, bei der ein dielektrischer Mehrschichtenfilm (66g) mit einem vorher festgelegten Lichttransmissionsgrad zwischen einer Schicht (66i) aus lichtmodulierendem Material, die mit einer vorher festgelegten Spannung vorgespannt ist, und einer Fotoleiterschicht (66e) angeordnet ist und das Fourier-Lichtbild auf die Schicht (66i) aus lichtmodulierendem Material einfällt und von dem dielektrischen Mehrschichtenfilm (66g) reflektiert und ausgegeben wird, und bei dem ein Teil der Lichtkomponente nullter Ordnung des von dem dielektrischen Mehrschichtenfilm (66g) durchgelassenen Fourier-Lichtbildes eine elektrische Eigenschaft der Fotoleiterschicht (66e) und dadurch eine Doppelbrechungsverteilung der Schicht (66i) aus lichtmodulierendem Material verändert und die Schicht (66i) aus lichtmodulierendem Material eine Phasenverschiebung erfährt und das von dem dielektrischen Mehrschichtenfilm (66g) reflektierte Fourier-Lichtbild ausgibt.
Bilderzeugungsgerät nach Anspruch 1, bei dem die Betriebssteuermittel folgendes umfassen: Evaluierungswertberechnungsmittel (200) für das Überwachen des von der inversen Fourier-Linse (30, 68) ausgegebenen optischen Bildes und Evaluieren der Übereinstimmung zwischen dem optischen Bild und dem idealen Sollbild und variable Steuermittel (100) für das variable Steuern einer optischen Eigenschaft des optischen Betriebssystems auf der Grundlage eines Ergebnisses der Evaluation durch das Evaluierungswertberechnungsmittel (200).