JP3170894B2 - 空間光変調素子評価装置 - Google Patents

空間光変調素子評価装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ロボット等の視覚認識
装置において、画像処理あるいは画像認識を光学的に実
行する光情報処理装置に用いられる空間光変調素子の評
価装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】画像処理あるいは画像認識技術に対し
て、近年、より大画素数をより高速処理することが要求
されてきている。そこで、光の高速並列演算機能を活用
することで上記の要求に答える光情報処理装置の開発が
盛んになってきている。これらの光情報処理装置におい
ては、例えば、特願昭63−287016号に記載の光
情報処理装置のごとく液晶ディスプレイなどの空間光変
調素子が用いられている。
【0003】これらの空間光変調素子はディスプレイ等
に用いられる場合と異なり、その透過光あるいは反射光
の振幅と位相の両特性が良好であることが求められる。
そこで、一般に振幅特性は分光光度計等を用いて測定し
た光強度特性から評価し、一方、位相特性は干渉計を用
いて測定されていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レン
ズ、プリズム等の光学部品の波面収差測定用として市販
されている干渉計では、例えば、空間光変調素子の画素
単位での位相特性など微小領域での測定は不可能であっ
た。
【0005】本発明は上記問題点に鑑み、空間光変調素
子、特に、TN型液晶素子の画素単位での位相特性など
微小領域での測定を可能とする空間光変調素子評価装置
を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の空間光変調素子評価装置は、位相と振幅が
同時に変化する空間光変調素子を保持する空間光変調素
子保持手段と、この空間光変調素子保持手段に保持され
前記空間光変調素子を照射する光源と、この空間光変
調素子保持手段の後方に光軸に対して傾斜させて配置さ
れた平行平板と、この平行平板の透過光路中に配置され
た偏光分離手段と、この偏光分離手段の後方に前記空間
光変調素子を構成する画素のうち互いに隣接する一対の
画素の透過光量を各々検出する第1の光検出器を配置
し、前記平行平板の反射光路中の前記隣接画素からの透
過光が前記平行平板の表裏面から反射されて干渉する位
置に第2の光検出器を配置するとともに、前記第1の光
検出器の出力から前記隣接画素を透過した光の振幅比を
求め、前記第2の光検出器の出力から前記隣接画素を透
過した光の位相差を検出することで、前記空間光変調素
子の画素単位で、振幅と位相の両特性を同時に測定する
ことを特徴とする空間光変調素子評価装置である。
【0007】
【作用】上記構成の評価装置によれば、空間光変調素子
の画素単位での位相特性など微小領域での測定を可能と
する空間光変調素子評価装置を提供できる。
【0008】
【実施例】以下、本発明の請求項1記載の空間光変調素
子評価装置について、図面を参照しながら説明する。図
1は本発明の請求項1記載の空間光変調素子評価装置の
一実施例の側面図である。
【0009】図1において、1は半導体レ−ザ、2はコ
リメ−タレンズ、3は位相差板、4は第1のレンズ、5
は第2のレンズ、6は空間光変調素子ホルダ−、7は空
間光変調素子、8は表面の反射率をR1、裏面の反射率
をR2に構成された厚みdの平行平板であり光軸に対し
てθ1傾けて配置されている。9は偏光ビ−ムスプリッ
タ、10は第3のレンズ、11は第4のレンズ、12は
ダブルピンホ−ル、13は2分割光検出器、14はミラ
−、15は第5のレンズ、16は第6のレンズ、17は
ピンホ−ル、18は光検出器である。
【0010】ここで、第1のレンズ4と第2のレンズ5
は縮小光学系を構成しており、コリメ−タレンズ2によ
り平行光化された半導体レ−ザ1からの出射光を縮小し
て空間光変調素子7を照射する構成とされている。ま
た、位相差板3は半導体レ−ザ1からの射出光の偏光状
態を測定に適した状態に設定する。すなわち、楕円偏光
あるいは直線偏光を空間光変調素子7に対して所定の角
度を持った直線偏光に変換する。また、第3のレンズ1
0と第4のレンズ11および、第5のレンズと第6のレ
ンズは拡大光学系を構成している。
【0011】次に、本実施例装置における平行平板8の
構成を図2と図3を用いて説明する。図2は空間光変調
素子7と平行平板8との関係を示す構成図であり、図3
は平行平板に於ける光の反射と屈折を示す図である。図
2において7は本実施例ではTN型液晶で構成された空
間光変調素子、7aおよび7bは空間光変調素子7を構
成する画素を各々示しており、8は平行平板を示してい
る。
【0012】また、図中のPは空間光変調素子7を構成
する画素ピッチをL1は画素7aを透過する光線の光軸
を示し、L2は画素7bを透過する透過する光線の光軸
を各々示している。また、L1’とL2’は各々、光線
L1とL2の平行平板8からの反射光を示している。
【0013】また、図3に於て、8は厚みd、屈折率
n、表面反射率R1、裏面反射率R2の平行平板を示し
ており、光線L1およびL2に対してθ1傾けて配置さ
れている。
【0014】まず、光線L1とL2の反射光L1’とL
2’が一致する、すなわち、光線を1画素分だけ横ずら
しするための平行平板8の構成条件を以下に示す。この
条件を位置条件とよぶ。位置条件を満足するためにはL
1が平行平板8の表面で屈折し、裏面で反射し再び表面
に到達する点と初めの入射点との距離aが、a=P/c
osθ1なる条件を満足する必要がある。
【0015】一方、このaはL1の屈折角をθ2とする
と図3中でaを底辺とする2等辺三角形を考えると、a
=2dtanθ2なる関係が成立する。従って、P=2
dtanθ2cosθ1となる。ここでsinθ1=n
sinθ2なる屈折則を適用すると、位置条件は以下の
(1)式で表すことができる。
【0016】
【数1】
【0017】この位置条件(1)式を満足するように平
行平板8の厚みd、屈折率nおよび光軸に対する傾斜角
θ1が決められている。
【0018】次に、このように重なった光線L1’と光
線L2’の干渉縞のビジビリティを決める振幅条件を以
下に述べる。光線L1と光線L2の振幅が等しくそれを
1とすると、光線L1’の振幅は平行平板8の表面での
1回の反射だけなのでR1で与えられる。一方、光線L
2’の振幅は(1−R1)2R2で与えられる。従っ
て、画素7aの透過率をRa、画素7bの透過率をRb
とおくと振幅条件は(2)式で与えられる。
【0019】
【数2】
【0020】この振幅条件を満足するように平行平板8
の表面反射率R1と裏面反射率R2が決められる。
【0021】また、光線L1’と光線L2’の干渉縞が
発生するための光線L1’と光線L2’の位相差を決め
る位相条件は以下のように求められる。光線L1’と光
線L2’の光路長差は平行平板8へ入射するまでの空気
中での光路長差、これを図3ではbで示した、と平行平
板8中での裏面反射の光路長差である。すなわちb=P
tanθ1とn(2d/cosθ2)である。ここで、
スネル則をθ2に用いると、位相条件は(3)式で表す
ことができる。
【0022】
【数3】
【0023】上記した位置条件(1)を満足するいくつ
かの平行平板8の厚みd、屈折率nおよび光軸に対する
傾斜角θ1のうち、位相条件(3)式を満足するものを
設定する。
【0024】以上のように構成された本実施例装置の動
作を以下に説明する。まず、空間光変調素子ホルダ−6
に設置された空間光変調素子7を構成する画素の内、互
いに隣接する一対の画素である画素7aと画素7bのう
ち画素7aを基準とし、すなわち、画素7aには電圧を
印加せず、画素7bに所定の駆動電圧を印加する。この
状態で、第2のレンズ5,第1のレンズ4,位相差板
3,コリメ−タレンズ2を介して半導体レ−ザ1からの
出射光で空間光変調素子7を構成する画素7a及び画素
7bを照射する。
【0025】その結果、画素7aを透過する光線L1と
画素7bを透過する光線は、平行平板8により各々の反
射光L1’とL2’が重なるよう部分反射される。この
反射光L1’とL2’の重畳された領域では干渉が発生
する。この干渉強度は駆動電圧が印加された画素7bで
の透過光の位相変化により変化する。すなわち、画素7
aと画素7bの透過光の位相差が0の時に最大値を取
り、位相差がπの時0となる。
【0026】さて、この干渉光はミラ−14により反射
され、第5のレンズ15と第6のレンズ16により拡大
されピンホ−ル17を介して光検出器18に入射する。
この時、ピンホ−ル17は対象とする干渉領域以外の光
を遮蔽する。一方、平行平板8を透過した光線L1と光
線L2は、ピッチPを維持したまま平行光として偏光ビ
−ムスプリッタ9に入射し、その偏光成分のうちP波成
分のみが偏光ビ−ムスプリッタ9を透過し、第3のレン
ズ10と第4のレンズ11により拡大されダブルピンホ
−ル12を介して2分割光検出器13に入射する。この
時、ダブルピンホ−ル12は画素7aを透過した光線と
画素7bを透過した光線を分離し、かつ、その他の光線
を遮蔽する。
【0027】従って、2分割光検出器13の2つの検出
部には各々、画素7aを透過した光線と画素7bを透過
した光線とが入射することになる。そこで、2分割光検
出器13の2つの検出部の出力を比較することで、隣接
画素を基準として、印加電圧に対する任意の画素からの
透過光の検光子(本実施例では偏光ビ−ムスプリッタ)
透過後の強度の変化を評価できる。
【0028】さて、本実施例に用いられているTN型液
晶ディスプレイの場合、例えば特開平3−274586
号公報に記載されているように画素への電圧印加によ
り、該当画素の入射光の位相に対する透過光の位相変化
のみならず、入射光の偏光方向に対する透過光の偏光方
向も変化する。従って、反射光L1’とL2’の干渉強
度については以下のように考える必要がある。まず、簡
単化のために1次元で考えると、L1’の複素振幅をE
1とし、L2’の複素振幅をE2とすると各々、以下の
(4)式と(5)式で書ける。
【0029】
【数4】
【0030】
【数5】
【0031】本実施例では、同一コヒ−レント光源で照
射されているので、ω1=ω2,k1=k2=kと置く
ことができる。また、2つの光の位相差のみを扱えばよ
いので、φ1=0,φ2=φとしてよい。
【0032】従って、(4)式および(5)式は各々、
以下の(6)式と(7)式に簡略化できる。
【0033】
【数6】
【0034】
【数7】
【0035】以上から、干渉に寄与する複素振幅Eは
(8)式で表される。
【0036】
【数8】
【0037】従って、干渉強度は(9)式で与えられ
る。
【0038】
【数9】
【0039】この(9)式で表される干渉強度が光検出
器18により検出される。いま、求めたいのは(9)式
中の位相差φである。従って、(9)式の振幅項A1と
A2を求めれば、光検出器18の出力と(9)とから所
望の位相差φを算出できる。そこで、以下に振幅項A1
とA2を求める方法について述べる。
【0040】まず、A1は以下のようにして求めること
ができる。画素7aと画素7bの両方に電圧を印加して
いないを考えるとφ=0である。また偏光状態はA1と
A2とで等しく、ただ平行平板8での反射条件が異なる
のみである。従って、振幅項A1とA2の比率は、(1
0)式で書け、
【0041】
【数10】
【0042】A2は式(11)のように書ける。
【0043】
【数11】
【0044】従って、(9)式は以下の(12)式の形
で書ける。
【0045】
【数12】
【0046】この(12)式を用いれば、画素7aと画
素7bの両方に電圧を印加していない時の光検出器18
の出力から振幅項A1を求めることができる。
【0047】次に、A2であるがこれは画素7aには電
圧を印加せず、画素7bにのみ電圧を印加した時、すな
わち、実際に振幅と位相を測定する時を考える。この
時、2分割光検出器13の2つの検出部には各々、画素
7aを透過した光線と画素7bを透過した光線とが入射
することになる。そこで、2分割光検出器13の2つの
検出部の出力を比較すると、A22とA12の比率が求め
られる。これと(12)式の結果からA1とA2の値が
決まるので、(9)式から位相差φが求められる。な
お、隣接画素間の距離P程度では印加電圧による位相変
化以外の例えば、基板の歪みに起因するような収差、す
なわち静的な位相差は実質的に無視できる。
【0048】このようにして、本実施例の空間光変調素
子評価装置によれば、TN型液晶のように振幅と位相が
同時に変化する空間光変調素子に対しても、隣接画素を
基準として少なくとも1画素単位という微小領域での空
間光変調素子の振幅と位相の両特性の同時測定を可能と
できる。
【0049】
【発明の効果】以上のように本発明の空間光変調素子評
価装置によれば、空間光変調素子の画素単位での位相特
性など微小領域での測定を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の空間光変調素子評価装置の一実施例の
構成図
【図2】同実施例装置における空間光変調素子と平行平
板との関係図
【図3】同実施例装置における平行平板での光の反射と
屈折を示す図
【符号の説明】
1 半導体レ−ザ 2 コリメ−タレンズ 3 位相差板 4 第1のレンズ 5 第2のレンズ 6 空間光変調素子ホルダ− 7 空間光変調素子 8 平行平板 9 偏光ビ−ムスプリッタ 10 第3のレンズ 11 第4のレンズ 12 ダブルピンホ−ル 13 2分割光検出器 14 ミラ− 15 第5のレンズ 16 第6のレンズ 17 ピンホ−ル 18 光検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−212304(JP,A) 特開 平3−274586(JP,A) 特開 平2−132412(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01M 11/00 - 11/02 G02F 1/13 - 1/141

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】位相と振幅が同時に変化する空間光変調素
    子を保持する空間光変調素子保持手段と、この空間光変
    調素子保持手段に保持された前記空間光変調素子を照射
    する光源と、この空間光変調素子保持手段の後方に光軸
    に対して傾斜させて配置された平行平板と、この平行平
    板の透過光路中に配置された偏光分離手段と、この偏光
    分離手段の後方に前記空間光変調素子を構成する画素の
    うち互いに隣接する一対の画素の透過光量を各々検出す
    第1の光検出器を配置し、前記平行平板の反射光路中
    の前記隣接画素からの透過光が前記平行平板の表裏面か
    ら反射されて干渉する位置に第2の光検出器を配置する
    とともに、前記第1の光検出器の出力から前記隣接画素
    を透過した光の振幅比を求め、前記第2の光検出器の出
    力から前記隣接画素を透過した光の位相差を検出するこ
    とで、前記空間光変調素子の画素単位で、振幅と位相の
    両特性を同時に測定することを特徴とする空間光変調素
    子評価装置。
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