JPH04141621A - 光位相変調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空間的な分布を有する並列光情報を空間的な
分布を有する位相情報に変換する光位相変調装置に関す
る。

〔従来の技術〕

天文学、光通信、光情報処理等の分野においては、光情
報の伝達に伴う２次元的な位相歪みを補正しようとする
適応光学が研究され、或いはフーリエ変換面で光の位相
項を制御する位相フィルタなどを用いて光情報の位相を
２次元的に制御しようとする並列光情報処理システム等
が研究されている。

この様に光情報の位相を２次元的に制御する光位相変調
装置として、例えば圧電素子（ＰＺＴ素子）を用いて２
次元的な位相分布を制御する装置が公知のものとなって
いる。この装置では、複数個並べたＰＺＴ素子の上にミ
ラー膜をはり、このＰＺＴ素子に電圧を印加することで
ミラー膜を変形させてミラー膜で反射する光の位相を変
化させている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし上記の光位相変調装置では、その構造上高分解能
の装置を得るは事実上不可能であった。

つまり、位相分布の最小単位に対応するＰＺＴ素子の各
々゛に電圧を与えるための配線が必要となり、集積度が
増せば増すほどその配線のための空間を増大させなけれ
ばならず、集積度に自ずと限界が生じ、分解能にも上限
があった。

そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、高い分解能を有
する光位相変調装置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するため、本発明による光位相変調装
置にあっては、（ａ）空間的に分布する並列光情報を空
間的に分布する電気的信号に変換する光アドレス材料を
有する光アドレス手段と、（ｂ）電気光学結晶を有して
構成され、空間的に分布する上記電気的信号に応じて空
間的に分布する屈折率変化を与える光変調手段と、（ｃ
）光変調手段に入射する読み出し光の空間的に分布する
位相を並列光情報に応じて変化させて出射させるため、
光変調手段に入射する読み出し光を所定の成分に偏光さ
せる偏光手段とを備える構成となっている。

なお、本発明の好適な実施態様にあっては、前述の偏光
手段が光変調手段に入射する読み出し光をこの光変調手
段を構成ｒる電気光学結晶の屈折率楕円体の主軸方向の
成分に偏光させる構成となっている。

〔作用〕

本発明に係る光位相変調装置においては、光アドレス手
段からの電気的信号に応じて光変調材料を構成する電気
光学結晶の屈折率分布（即ち光路長）か空間的に変化す
る。この状態で、所定の偏光方向を有する読み出し光を
電気光学結晶に入射させると、読み出し光の空間的な位
相分布を電気光学結晶内の屈折率分布に応じて変化させ
ることができる。この結果、空間的に分布する並列光情
報に応じた位相変調光を得ることができる。

また、本発明の好適な実施態様においては、偏光手段に
よって光変調手段に入射する読み出し光をその光変調手
段を構成する電気光学結晶の屈折率楕円体の主軸方向の
成分に偏光させる。このため、主軸方向の振動成分を有
する読み出し光は直線偏光のまま電気光学結晶内を通過
する。この時、電気光学結晶内の光路長が光アドレス手
段からの電気的信号に応じて変化しているので、電気的
信号を与える並列光情報に応じた位相変調光を与えるこ
とができる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１実施例について第１図を参照しつつ
、説明する。

第１図（ａ）は、第１実施例の光位相変調装置に使用す
る空間光変調管（ＭＳＬＭ）の構造を示したものである
。ＭＳ　ＬＭ自体は公知であるが、第１実施例の要部と
なるので簡単な説明を行っておく。図面左側の光電面２
は入力画像を光電子に変換する。この光電子はＭＳ　Ｌ
Ｍ内の電子レンズ系で加速・偏向され、マイクロチャン
ネルプレー）　（ＭＣＰ）６上に像を結ぶ。ここで増殖
された光電子はメツシュ電極８を介してＬｉＮｂＯ３結
晶１０の表面上に蓄積される。この結果、ＬｉＮｂＯ３
結晶１０を横切る電界が変化し、電気光学効果によって
結晶１０の屈折率（複屈折性）か空間分布をもって変化
する。

このＭＳＬＭの動作を簡単に説明する。つまり、直線偏
光の読み出しレーザ光をＬ　ｌ’Ｎ　ｂ　Ｏｓ結晶１０
に照射すると、この結晶１０の電荷蓄積面に形成された
誘電体ミラーからの反射光は偏光状態か変化しているの
で、適当な検光子を通過させるならば、入力画像の並列
光情報に応じて強度変調を受けたコヒーレント光出力が
得られるというものである。

第１図（ｂ）は、第１図（ａ）のＭＳＬＭを用いた第１
実施例の光位相変調装置の構成を示した図である。

第１図（ａ）と共通する部分については同一の符号を付
して説明を省略する。この場合、光電面２、マイクロチ
ャンネルプレート６、メツシュ電極８等は光アドレス手
段となっている。また、Ｌ　Ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ結晶１０
は光変調手段を構成する電気光学結晶となっている。Ｌ
　Ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏａ結晶１０の図面右側は読み出し光の
入射面となっている。

この入射面に対面してハーフミラ−１２が設けられてお
り、さらにその右側には偏光手段として検光子］４か設
けられている。検光子１４は読み出し光をＬ　ＩＮ　ｂ
　Ｏｓ結晶１０の屈折率楕円体の主軸方向に偏光させる
。

第２図はＬ　Ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ結晶１０の切り出しを説
明したものである。図に示すように、ウェハ状の結晶１
０の面の方線か（−ｙ、＋ｚ）面内で、かつ、Ｚ軸から
５５°の角度になるように切り出した。なお、光位相変
調装置の空間解像度は結晶１０の厚みによるところが大
きいので、できるだけ結晶１０の厚みを薄くする必要か
ある。そこで、ガラス面板にＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ結晶
素を接着剤で固着１７た後、厚さ７０μｍに研磨する方
法を採用している。

以下に第１図（ｂ）の光位相変調装置の動作について説
明する。

光電面２に並列光情報として所定の入力画像（書き込み
光）が入射する。入力画像は光電面２て光電子像に変換
される。この光電子像はマイクロチャンネルプレート６
で増倍された後、結晶１０の表面に投影される。この結
果、結晶１０の表面上に入力画像に対応した電気的信号
として電荷像か形成される。この電荷像によって結晶を
横切る電界が変化し、結晶の屈折率が変調される。

二の状態の結晶１０に図面右側から読み出し光か入射し
た場合について考える。読み出し光は結晶１０の屈折率
楕円体の主軸方向に偏光されているので、結晶１０に入
射した読み出し光は、偏光状態を変えないで結晶内を進
行し、裏面の誘電体ミラーで反射されて再び結晶１０を
進行して結晶コ○の右側から出射する。この出射光は、
結晶１０中を進行する間に屈折率分布に応した位相変調
を受けている。位相変調を受けた出射光は、ハーフミラ
−２によって図面下方にその進路をかえられ、位相変調
を受けた出力光として出力される。

例えば読み出し光が空間的に−様な位相分布をもってい
たとすると、出力光は光電面２に入射した入力画像の空
間的強度分布に応じた位相差を有する。つまり、読み出
し光の状態で平面状であった波面は、光電面２に入射す
る結晶１０への入力画像による変調を受けてこの入力画
像に応じた凹凸を有することとなる。

なおこの場合、読み出し光が結晶１０を通過する間に読
み出し光の偏光状態は変化していない。

したかって、第１図（ｂ）の光位相変調装置の出力光に
強度変調か生じることはない。

以下に第３図を参照しつつ、ＳＭＬＭを用いた場合の位
相変調量について具体的に説明する。

まず、ＳＭＬＭに使用する電気光学結晶の屈折率楕円体
の主軸方向に偏光した読み出し光の受ける位相変調量（
位相差）についての計算値を示す（この場合、電圧の印
加前後で屈折率楕円体の主軸か変動しない。）。

主軸Ｘの方向に偏光した読み出し光を電気光学結晶に入
射したときに読み出し光が受ける位相変化Δφ　は、 ■πｘ）　　　　　（式１） ％式％ 主軸ｙ　の方向に偏光した読み出し光を電気光学結晶に
入射したときに読み出し光が受ける位相変化Δφ　、は
、 Ｖπｙ′）　　　　（式２） ％式％ ａａ　ｓ　ｌｎ　２５５°ｃｏｓ５５’　−２ｒ　　５
ｉｎ２５５°　ｃｏｓ５°　）） で与えられる。

ただし、使用した符号は次の量を与える。

α１　ニゲリッドにおける電子の透過率α２：メツシュ
電極における電子の透過率Ｓ（λ）：光電面感度 Ａ：光電面の有効面積 Ｌ：光電面上での光の強度 Ｇ：ＭＣＰの増倍率 Ｔ　：　ＭＳ　ＬＭへの書き込み時間 δ：二次電子放出比 ｄ：結晶の厚み ε０：真空の誘電率 ε＊：結晶の比誘電率 ｎＸＯ’電界（電荷）の存在しないときの結晶のＸ軸方
向の屈折率 ｎ　ｙ　’。：電界（電荷）の存在しないときの結晶の
ｙ軸方向の屈折率 ’１３・　２２　　３３　　４２・結晶０電気光学テ、
ｒ５ ンソルの要素 λ：読み出し光の波長 上記（式１）及び（式２）は、書き込み光のエネルギー
Ｌ−Ｔと出力光の位相変化Δφを現すものである。これ
らの式の関係を図示すると第３図の破線のようになる。

なおＸ軸に平行な偏光成分からなる偏光光の位相シフト
を（ｅ　／／ｘ　）で表し、ｙ′軸に平行な偏光成分か
らなる偏光光の位相シフトを（ｅ土Ｘ）で表した。

黒丸・、黒四角−で表した点は、実験値を示す。

理論値と実験値とてはかなり差があるか、ＬＩＮｂＯ３
結晶からなるアドレス材料を作製の段階で生じた応力ス
トレス等の残留に起因するものとも考えられる。いずれ
にせよ、現実にはｙ軸方向に偏光した読み出し光（ｅ土
Ｘ）を用いれば、かなり小さな書き込みエネルギーで位
相変調を達成できることが分かる。具体的には、ＭＳ　
ＬＭの読み出し光学系の入力側に設ける検光子１４の偏
光方向をＬ　Ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏａ結晶のｙ′軸方向に固定
することで、効率の良い２次元位相変調装置が得られた
。

第４図は、Ｐｈｏｔｏ−ｔ　ｉ　ｔｕｓを用いた第２実
施例の光位相変調装置の構成を示した図である。

この場合、光アドレス材料としてアモルファスＳｅの光
導電膜２２を使用する。また、光変調材料としてＤＫＤ
Ｐ（ＫＤ２ＰＯ４）結晶３０ａを使用する。透明電極２
３は光導電膜２２及びＤＫＤＰ結晶３０ａに電圧を供給
するためのものである。誘電体ミラー３０ｂはＤＫＤＰ
結晶３０ａに入射した読み出し光を反射する。ＤＫＤＰ
結晶３０ａの図面右側は読み出し光の入射面となってい
る。この入射面に対面してハーフミラ−１２か設けられ
ており、さらにその右側には偏光手段として検光子１４
が設けられている。検光子１４は読み出し光をＤＫＤＰ
結晶３０ａの屈折率楕円体の主軸方向に偏光させる。

以下に第２実施例の光位相変調装置の動作について説明
する。

光導電膜２２に並列光情報として所定の入力画像（書き
込み光）が入射する。入力画像は光導電膜２２で電荷像
に変換される。この電荷像は光導電膜２２と誘電体ミラ
ー３０ｂとの界面に蓄積され、ＤＫＤＰ結晶３０ａの屈
折率を変調する。この状態のＤＫＤＰ結晶３０ａに図面
右側から読み出し光が入射した場合について考える。読
み出し光はＤＫＤＰ結晶３０ａの屈折率楕円体の主軸方
向に偏光されているので、ＤＫＤＰ結晶３０　ａ　ｌ＝
入射した読み出し光は、偏光状態を変えないで結晶内を
進行し、裏面の誘電体ミラー３０ｂで反射されて再びＤ
ＫＤＰ結晶３０ａ中を逆方向に進行してその右側から出
射する。この出射光は、ＤＫＤＰ結晶３０ａ中を進行す
る間に屈折率分布に応じた位相変調を受けている。位相
変調を受けた出射光は、ハーフミラ−２によって図面下
方にその進路をかえられ、位相変調を受けた出力光とし
て出力される。

Ｚ−カットのＤＫＤＰ結晶を使用すると、電界の存在下
で屈折率楕円体の主軸は、Ｘ軸、Ｘ軸が４５°傾いたｙ
′軸、ｙ′軸となる。この時、ｙ′方向に偏光した読み
出し光の位相変化Δφ８は、次の式で与えられる。

Δφ、−−π・ｄ−ｎｏ３・ｒ６３・ｖ／λ・（式３） 一方、ｙ′方向に偏光した読み出し光の位相変化Δφ、
−π・ｄ−ｎｏ３・ｒ６３・Ｖ／λ・（式４） ここで、■は電荷像に伴う電圧である。

このように、Ｐｈｏｔｏ−ｔｉｔｕｓを用いた第２実施
例の光位相変調装置の場合、電界により誘起されるｙ′
軸、ｙ′軸の方向に読み出し光の偏光を固定すればよい
。

上記第１及び第２実施例では、アドレス材料と光変調材
料とか分離された構造のものを採用したが、本発明は上
記実施例に限定されるものではない。例えば、光導電効
果及び電気光学効果を合せ持つＢ５０（Ｂｉ１２ＳｉＯ
２０）単結晶ウェハを絶縁体（パリレン）及び電圧印加
用透明導電膜でコティングした構造のもの、ＦＲＯＭ等
の使用により同様の位相変調を達成することかできる。

第５図及び第６図は、実施例の光位相変調装置の応用例
を示したものである。

第５図は光位相変調装置を光学的マツチドフィルタに応
用したものである。第５図（ａ）は位相フィルタの作製
について説明した図である。作りたい位相フィルタに対
応する入力像５０を準備し、フーリエ変換レンズ５１を
挟んでＭＳＬＭｌｏｏの光電面２に投影する。結晶１０
に投影像に応した屈折率変化が生じることはすでに述べ
たとおりである。図示の装置の右側から読み出し光のレ
ーザを導入し１、検光子１４及び結晶１０を透過させる
。ハーフミラ−１２で取り出された位相変調光はフーリ
エ変換レンズ５２をへてフィルム５５面に投影される。

これと同時に参照光をフィルム５５面に投影することで
位相フィルタを作製することかできる。第５図（ｂ）は
マツチングをとるための装置を示す。この場合、位相フ
ィルタに対応する入力像５０の位置にマツチングをとり
たい入力画像５０’を配置する。さらに、この入力画像
５０′によって変調された読み出し光を、位相フィルタ
５５を透過させた後、フーリエ変換レンズ５３を介して
ディテクタ５６面に投影させる。

ディテクタ５６て検出される信号は、像５０と像５０′
　とのコリレーション信号となっている。このように位
相フィルタを用いた光学的マツチドフィルタは通常のマ
ツチドフィルタに比べ効率が良いことが知られる。

第６図は光位相変調装置を適応光学に応用したものであ
る。基本的には２次元のＰＬＬ　（ｐｈａｓｅ　　Ｌｏ
ｃｋｅｄ　　Ｌｏｏｐ）装置となッテいる。信号光は位
相散乱媒体６５をへて結晶１０面に入射する。初めは何
の変化も受けずにハーフミラ−１２及びミラー６２で反
射されて出力する。

この場合、その一部はハーフミラ−６０，６１をへて、
局部発振レーザとの干渉がとられて光電面２に投影され
る。この干渉は位相のずれに対応するので、これが結晶
１０面に電荷として与えられ結晶の屈折率を変化させる
。そのため、位相か乱れた信号が結晶に入射すると、位
相変調が行われ、位相補償か実行される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば光変調手段に入射
する読み出し光を所定の成分に偏光させる偏光手段を用
いているので、高い分解能を有する光位相変調装置を提
供することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１実施例の光位相変調装置の構
成を示した図、第２図は光変調手段の作製を示した図、
第３図は読み出し光の位相シフトの理論値及び実験値を
示した図、第４図は第２実施例の光位相変調装置の構成
を示した図、第５図及び第６図は光位相変調装置の応用
例を示した図である。 ２．２２・・光アドレス手段、１０．３０ａ、３０ｂ・
・光変調手段、１４・・・偏光手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、空間的に分布する並列光情報を空間的に分布する電
   気的信号に変換する光アドレス材料を有する光アドレス
   手段と、 電気光学結晶を有して構成され、空間的に分布する前記
   電気的信号に応じて空間的に分布する屈折率変化を与え
   る光変調手段と、 前記光変調手段に入射する読み出し光の空間的に分布す
   る位相を前記並列光情報に応じて変化させて出射させる
   ため、前記光変調手段に入射する前記読み出し光を所定
   の成分に偏光させる偏光手段と、 を備えることを特徴とする光位相変調装置。 ２、前記偏光手段は、前記光変調手段に入射する読み出
   し光を、前記光変調手段を構成する電気光学結晶の屈折
   率楕円体の主軸方向の成分に偏光させることを特徴とす
   る請求項１に記載の光位相変調装置。