JPH03264918A - 反射型位相変調素子および光情報処理装置 - 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Ｃヨ　　光情報処理に用いられる空間光変調素子
、特に　入射した光の位相を空間的に変調して反射させ
る反射型位相変調素子に関するものである。

また本発明（よ　産業用ロボット等の視覚装置において
、人力画像の空間周波数領域におけるフィルタリング、
特徴抽出等の画像処凰　あるいは複数の入カバターンか
ら特定の標準パターンと一致するものの識別を行う光情
報処理装置に関するものである。

従来の技術 以下、まず本発明者らが先に提案した光情報処理装置の
構成（特願昭６３−２８７０１６号）を第１０図〜第１
３図を用いて説明すも 第１０図は上述の光情報処理装置の構成を示したもので
あモ２０はテレビジョンカメラ（以下、ＴＶカメラとい
う）、２１はＴＶカメラ２０により撮像された画像を表
示する第１のＴＮ型液晶デイスプレィ、２２は半導体レ
ーザミ２３は半導体レーザ２２からの光を平行光化する
コリメータレンズ、２４は第１のレンズであり、第１の
ＴＮ型液晶デイスプレィ２１はこの第１のレンズ２４の
光源側の焦点面（以下、前側焦点面という）に配置され
ていモ２５は第２のＴＮ型液晶デイスプレィであり第１
のレンズ２４の光源と反対側の焦点面（以下、後側焦点
面という）に配置されていモ２６は複数の標準パターン
に対して第２のＴＮ型液晶デイスプレィ上の各絵素をサ
ンプリング点として予め計算されたフーリエ変換計算機
ホログラムのデー久　すなわち第２のＴＮ型液晶デイス
プレィ２５の各絵素毎の透過率に対応する印加電圧のデ
ータを書き込んだリードオンリーメモリ　（以下、　Ｒ
ＯＭと称す）、２７は第２のレンズであり、その前側焦
点面に第２のＴＮ型液晶デイスプレィ２５が配置されて
いも２８は第２のレンズ２７の後側焦点面に配置された
光電変換装置であも 第１１図Ｃヨ　　第１０図中の計算機ホログラム表示用
の第２のＴＮ型液晶デイスプレィ２５の構成を示す。

１２１は偏光子、１２２は第１のガラス基板１２３は画
素型、１４　１２４は駆動用のＴ　Ｐ　Ｔ　（Ｔｈｉｎ
　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であリソー入　ゲ
ート、　ドレインから戊っている。１２５は第１の配向
［１２６は第２の配向膜１２７は第１の配向膜１２５と
第２の配向膜１２６の間に配された液晶＠　　１２８は
対向電Ｋ　　１２９はブラックマトリック入　１３０は
第２のガラス基板１３１は検光子を示も 第１２図ζよ　この第２のＴＮ型液晶デイスプレィ２５
の無電界時の液晶配向状態を示す。

１３２は液晶層１２７中の液晶分子を示していも　無電
界状態で【友　液晶分子は第１２図に示したように第１
の配向膜１２５から第２の配向膜１２６に向けて９０°
捩れて配向されている。一方　偏光子１２１の透過軸（
よ　第１の配向膜１２５の配向方向と略一致するように
　検光子１３１の透過軸は　第２の配向膜１２６の配向
方向と略直交するように配されていも　すなわ水　第２
のＴＮ型液晶デイスプレィ２５は所縁ツイストネマティ
ック型液晶デバイスであも第１３図は　透過型振幅変調
素子である第２の液晶デイスプレィ２５の一部に表示さ
れた計算機ホログラム像を示す。

１５１は第２の液晶デイスプレィ２５上の１つの絵素で
あり、太線で示す１５２は数個の絵素１５１から成るセ
ルであり、標準パターンのサンプリング点に１対１で対
応していも　図中の△Ｐは１つのセル１５２の中心Ｃか
ら選択された光を透過させる絵素群１５１ａ−１５１ｄ
までのオフセット量を表している。

次に以上のように構成された従来の光情報処理装置につ
いて、その動作を第１０図〜第１３図を用いて以下に説
明すも 第１０図において第１のＴＮ型液晶デイスプレィ２１に
表示された対象物体のパターンはコリメータレンズ２３
により平行光化された半導体レーザ２２からのコヒーレ
ント光により照射されも　この第１のＴＮ型液晶デイス
プレィ２１！ヨ　　第１のレンズ２４の前側焦点面に配
置されているので、被測定物体像が第１のレンズ２４に
より光学的に変換され　第１のレンズ２４の後側焦点面
すなわ板　第２の液晶デイスプレィ２５上に被測定物体
のフーリエ変換像が形成されも　この時、第２のＴＮ型
液晶デイスプレィ２５にＵ　　ＲＯＭ２６に書き込まれ
たデータが入力信号となり、ｉｌ１図に示すＴ、Ｆ　Ｔ
　１２４のゲート・ソース間電圧が印加されることによ
り標準パターンのフーリエ変換像が形成されも　無電界
状態で（戴　第１２図に示すように液晶分子は第１の配
向膜１２５から第２の配向膜１２６に向けて９０°捩れ
て配向している。

−Ｘ　　第１１図において偏光子１２１の透過細注　第
１の配向Ｍ１２５の配向方向と略一致するように　また
検光子１３１の透過軸Ｃヨ　　第２の配向膜１２６の配
向方向と略直交するように配されていも　従って、偏光
子１２１を透過した直線偏光は９０”捩れて配向された
液晶により直線偏光の偏光方向が検光子１３１の透過軸
と略直交する方向に捩られ　その結果　出射光は遮断さ
れも　ところｌｙ＜、　　ＲＯＭ２６に書き込まれたデ
ータが入力信号となりＴ　Ｆ　Ｔ　１２４のゲート・ソ
ース間電圧が印加されると、液晶分子の捩れ角が印加電
圧に応じて解消され　出射光量が増加する。入射する光
の位相成分を変調するために（友第１３図に示すように
セル１５２上で光を透過させる絵素群１５１ａ−１５１
ｄの位置を選択する事で、また　入射する光の振幅成分
を変調するためにｉ：ＬＴＦＴ１２４のゲート・ソース
間電圧により選択された絵素群の透過率を制御する事で
可能となり、第２の液晶デイスプレィ２５を計算機ホロ
グラムの表示媒体とする事ができ、パターンマツチング
等の光情報処理を実行する事ができも　ここで、この第
２の液晶デイスプレィ２５ハ　　透過型振幅変調素子と
して機能していも 発明が解決しようとする課題 このように　従来の透過型振幅変調素子の場合、入射す
る光の位相成分を変調するためには光を透過させる絵素
群の空間的位置を変えることによりおこなっていｔも　
　そのため１つのサンプリング点に対応するセルを複数
個の絵素で構成しなければならな鶏　従って、　１つの
セルを構成する絵素数をｍｘｎ個とし　一方、第２の液
晶デイスプレィ２５の構成絵素数をＭＸＮ個とすると、
　（Ｍ　／　ｍ　）ｘ（Ｎ／ｎ）個のサンプリング像し
か扱う事ができない。すなわ板　絵素数の利用効率が低
いという欠点を有している。

さらに　第１１図に示すように　従来の透過型振幅変調
素子ではＴ　Ｆ　Ｔ　１２４の遮光用としてブラックマ
トリックス１２９が存在するた△　１つの絵素１５１の
開口率すなわち１つの絵素内の光利用効率が低いという
欠点も有していも 本発明は　アクティブマトリックス液晶を用いた反射型
でかつ入力光の位相を変調する反射型位相変調素子によ
り、従来の透過型振幅変調素子であるＴＮ型液晶デイス
プレィ、およびこれを用いた光情報処理装置が有する絵
素数の利用効率の低さ、　１つの絵素内の光利用効率の
低さという欠点を改善する事を目的とすも 課題を解決するための手段 本発明ｃヨ　　以上の問題を解決するために基板と透明
基板の間に液晶層を満たした構成において、基板の液晶
層側の面上にスイッチイング素子を設置す、　このスイ
ッチイング素子より上に反射凰　及び第１の配向膜を設
け、一方、透明基板上には透明電極　及び第２の配向膜
を投法　二つの配向膜を互いの配向方向が略平行になる
ようにし　スイッチイング素子が液晶層に印加する電圧
により絵素ごとの屈折率を制御する反射型位相変調素子
を提供する。

また　本発明法　上記の反射型位相変調素子に入射する
光の位相を空間的に変調することで、位相型計算機ホロ
グラムあるいは位相フィルタを表示することを特徴とす
る光情報処理装置を提供する。

作用 本発明の反射型位相変調素子は　基板上に形成した複数
個のスイッチイング素子によって液晶層へ電圧を印加す
ることにより、絵素ごとの液晶分子の屈折率を制御する
ので、従来の絵素群を選択して光を透過する窓の位置を
変えることによって位相を変調する方法に比べ液晶を構
成する絵素の数を有効に利用できも　また　反射型であ
るため入射する光の位相をダブルパスで変調するので、
透過型よりも位相の変調が大きく、光利用効率の良い位
相変調を行える。

また本発明の光情報処理装置（上　上記の反射型位相変
調素子に位相型計算機ホログラム（キノホーム）あるい
は位相フィルタを表示し　これを用いることにより液晶
を構成する絵素の数を有効に利用でき、また　光利用効
率の良い光情報処理を行うことができも 実施例 本発明の反射型位相変調素子の一実施例について図面を
参照しながら説明する。

第１図は同実施例の断面を示したものである。

同図において、２０１はＴＦＴ基敬２０２は各絵素毎に
設けられた駆動用のスイッチイング素子であるソース　
ゲート、　ドレインから成るＴＦＴ、２０３はＴ　Ｆ　
Ｔ　２０２に電流を供給する導電性！　　２０４は導電
性膜２０３上に形成された反射Ｆｊ、　　２０５は反射
層２０４上に形成された第１の配向ＷＬ２０６は透明対
向電極２０７は透明対向電極２０６上に形成した第２の
配向［２０８は第１の配向膜２０５と第２の配向膜２０
７の間に配した液晶層２０９はガラス基板を示す。また
第１の配向膜２０５の配向方向と第２の配向膜２０７の
配向方向は略一致するように構成されていも第２図（よ
　第１図の液晶層２０８中の液晶分子の無電界状態にお
ける配向状態を示す。本実施例では第１の配向膜２０５
と第２の配向Ｍ２Ｏ７の配向方向が略一致しているので
、液晶分子には捩れが発生しな（１ 第３図〜第５図は　液晶層２０８中の液晶分子の配向状
態と液晶層２０８への入射光の偏光方向との関係を示す
。

第３図は液晶層２０８中が無電界状態の場合の液晶分子
の配向状態を示す。矢印ｘＸは液晶層２０８への入射光
の直線偏光の向きを示したものであも　同図が示すよう
にこの入射光の偏光方向は　無電界状態で（よ　液晶分
子の長分子軸と略一致する方向に設定されていも Ｔ　Ｆ　Ｔ　２０２のソース・ドレイン間に信号電圧を
開力比　すなわち液晶層２０８に電界を印加すると、第
４図に示すように液晶分子はその誘電異方性のため偏光
方向ＸＸに対して、ＸＺ平面内でθだけ傾く。

さらに印加電圧を増すと、第５図に示すように液晶分子
は入射光軸ＺＺと平行になる。

この液晶分子の入射光軸に対する傾き、すなわち印加電
圧と液晶層２０８の屈折率との関係を第３図〜第７図を
用いて説明する。

第６図は液晶分子の屈折率楕円体を示す。

公知のように液晶は複屈折性すなわち屈折率異方性を有
する物質であり、異常光に対する屈折率ｎＥを示す軸は
液晶分子の長分子軸と一致し　常光に刻する屈折率ｎｏ
を示す軸は液晶分子の短分子軸と一致すも　従って、第
３図に示す無電界状態では入射光の偏光方向が液晶分子
の長分子軸の方向と一致しているため液晶層２０８の屈
折率は異常光に対する屈折率ｎεを示す。

また　第５図に示ように液晶分子の長分子軸が入射光軸
ＺＺと平行になると、入射光の偏光方向は液晶分子の短
軸方向と一致し液晶層２０８の屈折率は常光に対する屈
折率ｎｏを示す。

一方、第４図に示すような液晶分子の傾きか中間状態の
場合の屈折率を第７図を用いて説明すも第７図は　屈折
率楕円体を入射光軸に垂直な面で切断した場合の切断面
を示す。液晶分子が入射光軸に対して傾いた事は　同図
の様に屈折率楕円体の切断面が傾いた事と等価であり、
この時の屈折率はｎ　（ｎｏ＜ｎ＜ｎｔ）で表されも以
上のように反射型位相変調素子のＴ　Ｆ　Ｔ　２０２の
ソース・ドレイン間に印加する信号電圧により、液晶分
子の入射光軸ＺＺに対する傾きが変化しその結果　直線
偏光性を有する入射光に対する液晶層２０８の屈折率ｎ
力（ｎｏ＝ｎＥまで変化する。従って、反射型位相変調
素子に入射した光はダブルパスで２ｎｄ（ｄは液晶層２
０８の厚み）の位相変調を受けも 本発明の反射型位相変調素子で！よ　位相情報を選択さ
れた絵素群の空間的位置で表現するのではなく、液晶層
へ印加する電圧で各絵素の屈折率を直接制御する事で表
現すも　また　印加電圧制御用のＴ　Ｆ　Ｔ　２０２を
反射層２０５の下に配置した反射型構造をとっているの
でブラックマトリックスか必要なく、一つの絵素の開口
率が高くなも　その結果　従来の透過型振幅変調素子と
比較して、空間光変調素子の１つの絵素内の光利用効率
および絵素数の利用効率の向上を計ることができも第８
図（よ　上述の反射型位相変調素子を用いた本発明の光
情報処理装置の第１の実施例の構成を示したものであも ３０１は対象物体を撮像するＴＶカメラ、３０２はＴＶ
カメラ３０１により撮像された画像を表示する入力表示
用液晶デイスプレィ、３０３は半導体レーザであり、３
０４はこの半導体レーザ３０３から発せられたレーザ光
を平行光化するコリメータレンＸ　　３０５は入力表示
用液晶デイスプレィ３０２が位置する面を光源側の焦点
面（以下、前側焦点面という）とする第１のレン、；（
３０６は上述した反射型位相変調素子であり、第１のレ
ンズ３０５の光源と反対側の焦点面（以下、後側焦点面
という）に配置されていモ３０７は第１のレンズ３０５
と位相変調素子３０６間の光路中に配置されたビームス
プリッタであり、反射型位相変調素子３０６はこのビー
ムスプリッタ３０７の透過側で、かつ第１のレンズ３０
５の後側焦点面に位置し５ていモ３０８は第２のレンズ
であり、その前側焦点面（よ　第１のレンズ３０５の後
側焦点面に位置している。３０９は第２のレンズ３０８
の後側焦点面に配置したＣＣＤ素子、３１０は反射型位
相変調素子３０６に表示する予め計算された標準パター
ンの位相型計算機ホログラム（キノホーム）を記憶する
ＲＯＭを示していも 次に　以上のように構成された本発明の光情報処理装置
の動作を第１図〜第８図を用いて説明する。

人力表示用液晶デイスプレィ３０２に表示された対象物
体のパターンはコリメータレンズ３０４により平行光化
された半導体レーザ３０３からのコヒーレント光により
照射されも　この人力表示用液晶デイスプレィ３０２は
第１のレンズ３０５の前側焦点面に配置されているので
被測定物体像が第１のレンズ３０５により光学的に変換
され　第１のレンズ３０５の後側焦点面であり、かつビ
ームスプリッタ３０７の透過側にある反射型位相変調素
子３０６上にフーリエ変換像が形成される。この時、　
ＲＯＭ　３１０に書き込まれたデータか入力信号となり
反射型位相変調素子３０６の各絵素毎の透過率を空間的
に変換すると、反射型位相変調素子３０６には標準パタ
ーンのフーリエ変換像力＼　フーリエ変換位相型計算機
ホログラムの形で表示されム　すなわム　この反射型位
相変調素子３０６に入射した光（よ　反射型位相変調素
子３０６により空間的にその位相を変調されも このように反射型位相変調素子３０６にＲＯＭ３１０に
記憶された位相型計算機ホログラム（キノホーム）が表
示され　入力表示用液晶デイスプレィ３０２に表示され
た対象物体のパターンを第１のレンズ３０５により光学
的に変換したフーリエ変換像と、標準パターンのフーリ
エ変換像が反射型位相変調素子３０６上で重畳されも　
、また、　　反射型位相変調素子３０６１；Ｌ　　第２
のレンズ３０８の前側焦点面にビームスプリッタ３０７
の反射面を介して・配置されているので、対象物体の！
くターンと標準パターンの２つのフーリエ変換像の光学
的積が第２のレンズ３０８によりフーリエ逆変換されも
　もし　対象物体のパターンと標準パターンの反射型位
相変調素子３０６上のフーリエ変換像が一致した時、す
なわち両者か同一物体の時、第２のレンズ３０８の後側
焦点面に輝点が発生Ｌ　　ＣＣＤ素子３０９で検出され
も　このようにして、反射型位相変調素子３１０上に表
示された計算機ホログラムによる光学的フィルタがマツ
チドフィルタとして作用し　光学的相関処理を行う光情
報処理装置を実現できも 本実施例で（友　位相型計算機ホログラムを表示する空
間光変調素子として反射型位相変調素子３０６を用いて
いるので、位相変調が絵素群の空間的位置を選択して行
なわれるのではなく、液晶層へ電圧を印加し　各絵素の
屈折率を直接制御する事により行なわれる。また　印加
電圧制御用のＴＦＴ２０２を反射層２０５の下に配置し
た反射型構造をとっているのでブラックマトリックスが
必要なく、つの絵素の開口率が高くなる。その結果　従
来の透過型振幅変調素子と比較して、空間光変調素子の
１つの絵素内の光利用効率および絵素数の利用効率の向
上を計ることができも 本発明の光情報処理装置の第２の実施例の構成を第９図
に示す。

４０１は半導体レーザ、４０２は半導体レーザ４０１か
らの光を平行光化するコリメータレンＸ４０３は人力図
形表示媒体４０４は第１図に図示した構成の反射型位相
変調素子、４０５はビームスプリッ久　４０６はレンズ
、４０７はＣＣＤ素子、４０８は反射型位相変調素子４
０４に表示するためのデータを記憶するＲＯＭである。

入力図形表示媒体４０３に表示された入力図形はコリメ
ータレンズ４０２を介して半導体レーザ４０１からのレ
ーザ光により照射される。この時、反射型位相変調素子
４０４にはＲＯＭ４０８に記憶された座標変換機能等を
有する位相フィルタ！Ｊ＜、第１の実施例と同様に反射
型位相変調素子４０４のＴＰＴのソース・ドレイン間に
印加する信号電圧により、液晶分子の入射光軸ＺＺに対
する傾きが変化すも　その結果　直線偏光性を有する入
射光に対して液晶層の屈折率ｎ力＜、ｎＯ〜ｎＥまで変
化する。従って、反射型位相変調素子に入射した光法　
ダブルバスて２ｎｄ（ｄは液晶層の厚み）の位相変調を
受法反射型位相変調素子４０８に表示されも　その結果
レンズ４０６の焦点面にＧ１　　人力図形と位相フィル
タの光学的積のフーリエ変換像が形式され　それがＣＣ
Ｄ素子４０７により検出され　例えば座標変換等の光情
報処理が実行されも 本発明の第２の実施例で１よ　第１の実施例と同微　従
来の透過型振幅変調素子と比較して、空間光変調素子の
１つの絵素内の光利用効率および絵素数の利用効率の向
上を計ることができもさらにまた　レンズ４０６による
フーリエ変換像に空間光変調素子のブラックマトリック
スのフーリエ変換像が重畳される事がなく、信号品質の
向上をも計ることもできも また　本発明の反射型位相変調素子は　公知のシュリー
レン光学系（レンズとナイフェツジから成る光学系）あ
るいＣ＆　　位相差顕微鏡で用いられる光学系と組み合
わせれば　位相を変調することで振幅変調素子としても
使用できる事は　言うまでもな（を 発明の効果 本発明の反射型位相変調素子（よ　基板上に形式された
複数個のスイッチイング素子によって液晶層へ電圧を印
加することにより、絵素ごとの液晶分子の屈折率を制御
し入射する光の位相を変調するので、絵素の利用効率の
良い位相変調を行える。

また　反射型構造であるためダブルバスで位相変調をお
こな丸　ブラックマトリックスも必要ないので光利用効
率が良（ｔ また本発明の光情報処理装置１′Ｌ　上記の反射型位相
変調素子に位相型計算機ホログラム（キノホーム）ある
いは位相フィルタを表示し　これを用いることにより液
晶を構成する絵素の利用動板及び光の利用効率の良い光
情報処理を行うことができる。さらにブラックマトリッ
クス力文　フーリエ変換像に重畳される事を防止でき、
信号品質の向上を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における反射型位相変調素子
の構成を示す断面阻　第２図は同素子の液晶分子の配向
状態を示す＠　第３図〜第５−図は同素子の印加電圧に
よる液晶分子の配向状態と入射光の偏光方向の関係型　
第６図及び第７図は液晶分子の屈折率楕円体の説明＠　
第８図及び第９図は本発明の光情報処理装置の各実施例
の構成諷第１０図は従来の光情報処理装置の構成は　第
１１図は同従来例のＴＮ型液晶デイスプレィの構成断面
は　第１２図は同デイスプレィの液晶配向状態＆第１３
図は同デイスプレィ上に表示された計算機ホログラム像
を示す図である。 ２０１・・・・ＴＦＴ基檻　２０２・・・・ＴＰＴ、２
０３・・・・導電性！　　２０４・・・・反射＃２０５
・・・・第１の配向吹２０６・・・・透明対向電電２０
７・・・・第２の配向法２０８・・・・液晶ＦＬ　　３
０１・・・・ＴＶカメラ、３０２・・・・人力表示用液
晶デイスプレィ、３０３・・・・半導体レーザ、３０４
・・・・コリメータレンズ、３０５・・・・第１のレン
Ｘ３０６・・・・反射型位相変調素子、３０７・・・・
ビームスプリッ久　３０８・・・・第２のレンＸ３０９
・・・・ＣＣＤ素子、３１０・−・−ＲＯＭ、。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定間隔を隔てて配された基板及び透明基板と、
   前記両基板間に配された液晶層とで構成され、前記基板
   の前記液晶層側の面上には、導電性膜と、前記導電性膜
   上に設けられた前記導電性膜により電流を供給される複
   数個のスイッチイング素子と、前記スイッチイング素子
   上に設けられた反射層と、前記反射層上に設けられた第
   １の液晶配向膜が形成され、また、前記透明基板の前記
   液晶層側の面上には、透明電極と、前記透明電極上に設
   けられた第２の配向膜が形成され、かつ前記第１および
   第２の配向膜の配向方向を略平行とし、前記スイッチン
   グ素子により各絵素の屈折率を制御することを特徴とす
   る反射型位相変調素子。
2. （２）テレビジョンカメラにより撮像された画像を表示
   する空間光変調素子と、前記空間光変調素子を照射する
   光源と、前記空間光変調素子の置かれた面を光源側の焦
   点面とする第１のレンズと、前記第１のレンズの前記焦
   点面と反対側の焦点面に配置した請求項１記載の反射型
   位相変調素子と、前記第１のレンズの光源と反対側の焦
   点面を光源側の焦点面とする第２のレンズと、前記第２
   のレンズの光源と反対側の焦点面に配置した光電変換装
   置を備え、前記反射型位相変調素子に入射する光の位相
   を空間的に変調することで、位相型計算機ホログラムあ
   るいは位相フィルタを表現することを特徴とする光情報
   処理装置。
3. （３）画像を表示する空間光変調素子と、前記空間光変
   調素子と並行して配置した請求項１記載の反射型位相変
   調素子と、前記空間光変調素子及び前記反射型位相変調
   素子を照射する光源と、前記反射型位相変調素子の位置
   を前記光源側の焦点面とするレンズと、前記レンズの光
   源と反対側の焦点面に配置した光電変換装置を備え、前
   記反射型位相変調素子に入射する光の位相を空間的に変
   調することで、位相型計算機ホログラムあるいは位相フ
   ィルタを表現することを特徴とする光情報処理装置。