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JP3155307B2 - 完全複合形光変調の方法 - Google Patents
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JP3155307B2 - 完全複合形光変調の方法 - Google Patents

完全複合形光変調の方法

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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、空間的光変調器に関
し、特に完全複合形光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】空間的光変調器（ＳＬＭ）は、光システ
ム内において光の分布の制御に用いられる装置である。
空間的光変調器は、その装置内のアドレス可能な最小ユ
ニットをなすピクセル、または画素、と呼ばれる変調素
子の１次元または２次アレイに分割される。ＳＬＭ画素
は、光システム内における光分布の振幅または位相を変
化させるために用いられる。
【０００３】実際には、多くの従来技術のＳＬＭの光変
調特性は、振幅変化と位相変化とを結合させ組合わせた
ものになっている。画素の変調特性は、電圧、電流、ま
たは入射光強度レベルから成る単一の印加信号によって
制御されるので、画素の振幅特性と位相特性とは、独立
的には設定され得ない。
【０００４】多くの応用、特に光情報処理においては、
振幅と位相とを独立して制御することが本質的に重要で
ある。位相変調は、多くの信号情報が位相期間に含まれ
るので、本質的に重要である。振幅の付加的制御は、フ
ィルタ平面内における雑音を排除してシステムの性能を
改善する手段をなす。
【０００５】現在、４つの主要な形式の変調器が、位相
変調に用いられている。すなわち、液晶形、光屈折形、
磁気光学形、および可変ミラー形の変調器である。これ
らは全て、結合した位相および振幅変調特性を有する。
【０００６】液晶形では位相変調および振幅変調を行な
いうるが、位相変調は、一様な再整列（ｒｅａｌｉｇｎ
ｍｅｎｔ）を実現するために印加される電界が極めて狭
い範囲しかもたないので、制御するのが困難である。振
幅変調もまた、振幅変調を生じさせる非一様な再整列
が、位相変調をも生ぜしめ、位相−振幅結合変調を起こ
すので、困難である。
【０００７】光屈折変調器は、極めて高い電圧において
のみ位相のみの変調を行なう。非一様な整列において起
こる複屈折は、振幅変調を生ぜしめる。しかし、光屈折
変調は、液晶変調におけると同様に、屈折率の変化によ
って変調を行なうので、位相変調には振幅変調が伴う。
【０００８】磁気光学的変調器は、偏光に２進的変化を
与えるのであるが、動作上制御が困難である。カスト
（Ｋａｓｔ）他著の１９８９年３月１５日発行の「応用
光学」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、１５Ｍａｒｃ
ｈ １９８９）に所載の論文には、磁気光学的変調器の
３進的動作の方法が記載されているが、その振幅のみま
たは位相のみの変調の範囲は極めて制限されており、そ
のいずれもが独立しては制御され得ない。
【０００９】現在の可変ミラー装置は、光システムの解
像度が十分に優れていて、ミラー素子をバックグラウン
ドから分離して解像しうる場合にのみ有効である。しか
し、光システムの解像度に対する通常の設定はナイキス
ト周波数（Ｎｙｑｕｉｓｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）とされ
るので、ミラーはバックグラウンドと混合せしめられ
る。振幅変調は、２つの分布間の干渉から生じる。
【００１０】他に位相のみの２つの変調方法が用いられ
てきた。その第１の方法は、１９６６年発行の「応用光
学」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、１９６６）にブ
ラウン（Ｂｒｏｗｎ）およびローマン（Ｌｏｈｍａｎ）
によって開示されている。彼らの技術、すなわち迂回位
相（ｄｅｔｏｕｒ ｐｈａｓｅ）、は極めて厳密なシス
テムアライメントを要し、位相エンコード近似が成立す
るための視野が制限される。第２の方法は、１９８９年
１１月１５日発行の「応用光学」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏ
ｐｔｉｃｓ、１５ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ、１９８９）に所
載のハンシェ（Ｈａｎｓｈｅ）他著の論文に開示されて
いる。その方法は、相異なる振幅の発生を可能ならしめ
るが、光システムの解像度が低下してしまう。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、完全複合形
光変調の方法を提供することを目的とする。完全複合形
光変調は、位相および振幅の独立した制御による信号の
変調を可能ならしめる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上述の方法は、標準的な
画素を用いる。その画素は、次にいくつかの小さい変調
素子に分割される。それぞれの変調素子は、自身のアド
レス回路を有する。正味位相角（ｎｅｔ ｐｈａｓｅ
ａｍｇｌｅ）Φ、および所望の最終振幅Ａは選択されな
くてはならない。ＡおよびΦを用いた一連の計算によ
り、いくつかの角（ａｎｇｌｅ）を求めることができ
る。これらの角θ1 、θ2 、等は、個々の変調素子に対
してのものである。
【００１３】次に、個々の変調素子に対するアドレス回
路が、角θx の変調を生ぜしめるように作動せしめられ
る。次に、光信号が画素およびその個々の変調素子へ送
られる。プロセスの最後の段階においては、光システム
がそれらの変調素子を走査し、それらを画素全体である
かのようにして解像する。
【００１４】ここに示される実施例においては、画素と
して可変ミラー装置（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒ
ｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）（ＤＭＤ）を用いる。可撓梁（ｆ
ｌｅｘｔｒｕｅ ｂｅａｍ）ＤＭＤは、２つの小さい可
撓梁ＤＭＤに切断されている。この場合のアドレス回路
（ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）は、こ
の画素のそれぞれの半部分の下に配置された電極であ
る。角θ1 およびθ2 は、電圧がこれらの電極に印加さ
れた時に生ぜしめられる。印加される電圧の値は、角の
値を決定する。実施例には２つの変調素子のみが示され
ているが、この方法は、２つより多くの角に対しても使
用可能である。
【００１５】
【実施例】本発明およびその利点をさらに完全に理解し
うるよう、以下これを添付図を参照しつつ詳述する。
【００１６】図１には、完全複合形光変調のプロセスの
フローチャートが示されている。段階１０２において
は、画素を所望されるだけの多数の変調素子に分割す
る。段階１０４においては、画素内のそれぞれの変調素
子に対し、それぞれの変調素子がアドレスされうるよう
に、個々にアドレス回路を設ける。段階１０６において
は、変調の形式が選択される。
【００１７】もし、振幅および位相変調が所望されれ
ば、双方を同時に行なうことが可能である。この場合の
プロセスは、段階１０８へ続く。
【００１８】段階１０８においては、所望の振幅Ａ、お
よび正味位相角Φを選択しなくてはならない。これら２
つの変数がいったん設定されると、段階１１０において
個々の変調素子の角を決定しなくてはならない。完全複
合形画素によって、透過されまたは反射された光分布の
完全な分析的な記述は、数１によって与えられる。
【数１】 ただし、ここでｗx およびｗy は変調素子の水平方向お
よび垂直方向における幅であり、Ｗは正方形画素領域全
体の幅であり、θ1 およびθ2 は、個々の変調器の設定
位相である。
【００１９】幅Ｗのアレイ素子に対する回折次数０，０
のナイキスト通過帯（Ｎｙｑｕｉｓｔ ｐａｓｓｂａｎ
ｄ）を通過するように設定された光システムの解像度の
場合には、この画素の正味応答は、数２によって決定さ
れる。
【００２０】
【数２】 ただし、ここでアステリスクは、２次元のコンボリュー
ション（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）を表わす。数２は、
簡単化しえない複雑な空間的分布を表わす。しかし、こ
の分布は本質的に、２Ｗよりわずかに大きい幅の２次元
ｓｉｎｃ関数であり、ピーク複素振幅は数３によって与
えられる。
【００２１】
【数３】 ただし、ここでＡおよびΦは、２つの位相変調器の応答
のコヒーレントな混合から得られる正味の画素応答の振
幅値および位相値である。
【００２２】任意の特定の正味位相値Φにおいて、可能
な最大の正味振幅Ａが存在する。この最大値は、２つの
変調器の設定位相が等しいとき、すなわちθ1 ＝θ2 ＝
θのときに起こり、
【数４】 となる。
【００２３】しかし、この最大値を定めるのには、まず
正味位相角Φを見出すための適正な設定位相θを決定す
ることが必要である。この決定を行なうための幾何学的
解析は極めて複雑で、次の関係が得られる。
【００２４】
【数５】 この式は、位相角θに対し、上方または下方半平面内の
角に対応した２つの値を与える。Φと同じ半平面内にあ
る角を選択するのが適正な選択である。所望の正味の振
幅値および位相値であるＡおよびΦを実現するための設
定位相θ1 およびθ2 も、幾何的解析によって定められ
る。
【００２５】これらの設定位相は、
【数６】θ1 ＝Φ0 ＋ΔΦ
【数７】θ2 ＝Φ0 −ΔΦ となる。ただし、ここで
【数８】
【数９】 である。
【００２６】これらの式は、与えられた画素の２つの半
部分に対する特定のものである。この解析方法は、２つ
より多くの角の場合に対しても適用可能である。
【００２７】段階１１２は、段階１１０において計算さ
れた位相角を実現するために、適切な変調素子を撓ませ
る（偏向させる）ために電圧を印加することを要求す
る。ある角を実現するための電圧は、次の関係から求め
ることができる。
【００２８】
【数１０】 ただし、ここで、Ｖは印加電圧、ＫはＤＭＤヒンジのば
ね定数、θは偏向角、ｄ 0 は偏向前のＤＭＤの電極から
の距離、λは入射光の波長、ε0 は自由空間の誘電率で
ある。
【００２９】段階１１４は、設定された素子へ実際の光
信号がシステムにより印加されるプロセスの一部であ
る。段階１１６においては、独立してアドレスされた変
調素子の全てが１つの画素に統合される。この場合の統
合とは、光システムによって行なわれる実際の走査であ
り、そこでは個々の素子は元の画素へ再び統合される。
【００３０】もし、振幅のみの変調が所望される場合な
らば、プロセスは段階１１８へ進み、変調振幅Ａが選択
される。数６、数７、数８、数９を用いて、段階１２０
において、個々の角θ1 およびθ2 に対して再び解くこ
とは可能である。適正な撓み（偏向）を与えるのに必要
な印加電圧の大きさは、この場合も数１０に与えられた
電圧に対する関係式を用いて決定され、段階１２２にお
いて印加される。段階１２４は、やはり送光を要求し、
段階１２６においては変調素子の元の画素への統合が行
なわれる。
【００３１】位相のみの変調の場合は、プロセスは段階
１２８へ進む。位相変調のために選択される角は、個々
の変調素子の角である。数１０を用いて適正電圧が決定
され、段階１３０において全ての個々の変調素子はその
角に設定される。段階１３２において変調素子上へ光が
送られた後、元の画素のそれぞれの個々の変調素子はそ
れ自身画素として取扱われる。例えば、もし初めにＮ×
Ｎ画素のアレイが存在し、それぞれの画素が２つの変調
素子に分割されたものとすれば、このシステムは段階１
３４においてはＮ×２Ｎ画素のアレイを走査することに
なる。
【００３２】図２は、従来技術における可撓梁ＤＭＤの
構成を示す。アドレス電極２０６は、基板２０２上に形
成されている。ミラー素子２１０は、電極２０６を含む
層を被覆するスペーサ上に形成される。その後、スペー
サ層はエッチング除去される。その際、ミラー素子２１
０と電極２０６との間の空隙と共に、支持柱２０４Ａ、
２０４Ｂ、２０４Ｃ、２０４Ｄが残される。所定の電圧
が電極２０６に印加されると、ミラー素子２１０はそれ
へ静電的に吸引される。可撓性ヒンジ２０８Ａ、２０８
Ｂ、２０８Ｃ、２０８Ｄは、ミラーが下方へ撓むことを
可能ならしめる。４つの角部が全て支持されているの
で、このミラーはピストン状に移動して変形する。
【００３３】図３は、２つの個々の変調素子を有する分
割されたＤＭＤを示す。もし電圧がアドレス電極３０２
に印加されれば、ヒンジ３０６Ａ、３０６Ｂ、３０６
Ｃ、３０６Ｆが撓んで、ミラー３１０は下方へ撓む。ミ
ラー３１２は、アドレス電極３０４に電圧が印加されな
ければ撓まず、これら２つのミラー素子は独立した動作
を行ないうる。図２におけるように、可撓性ヒンジ３０
６Ａ、３０６Ｂ、３０６Ｃ、３０６Ｄ、３０６Ｅ、３０
６Ｆは、支持柱３０８Ａ、３０８Ｂ、３０８Ｃ、３０８
Ｄ、３０８Ｅ、３０８Ｆによって支持され、ミラー素子
３１０および３１２と、電極３０２および３０４とのそ
れぞれの間に空隙を形成する。
【００３４】図４には、分割された画素の平面図が示さ
れている。そこには、前記の諸式において用いられた変
数が示されている。ｗx は水平軸に沿った双頭矢印４０
１によって示され、これは支持柱４０２Ａから支持柱４
０２Ｂまでの距離である。ｗ y は垂直軸に沿った、支持
柱４０２Ｂから支持柱４０２Ｃまでの、または支持柱４
０２Ｃから支持柱４０２Ｄまでの、双頭矢印４０３によ
って示される。この場合、画素は２部分に水平方向に分
割されているので、１つのｗx に対して２つのｗy が存
在する。ミラー素子４０４および４０６は、図３の斜視
図に示されているように、ミラー面の下方において個々
にアドレスされうる。実施例においては、ｗx は約５０
μｍに等しい。ｗy はその約半分で、約２５μｍであ
る。ｗx は辺の長さＷと同じであるから、この場合の非
分割画素の作用面積は２５００μｍ 2 となる。２つのミ
ラー間の空隙、支持柱、およびヒンジによる面積の損失
により、実際の作用面積は約２１２５μｍ2 となる。こ
の実施例の利点は、分割された画素がなお元の作用面積
の８５％を有することである。
【００３５】図５は、画素の可能な他の分割の１つの例
を示す。この画素は２つの個々の素子に分割され、これ
らの素子はさらに２つの素片に分割されている。ミラー
５０２はアドレス電極５１０を有し、それぞれの他の変
調素片は対応する電極を有し、全ての変調素片は個々に
アドレス可能となっている。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
位相および振幅の独立した制御によって信号の変調を行
ないうる、完全複合形光変調の方法が得られる。
【００３７】以上においては、半部分に分割されたＤＭ
Ｄを用いる完全複合形変調のための空間的光変調器の特
定の実施例について説明してきたが、これらの説明は、
特許請求の範囲の記載のほかに本説明の範囲を限定しよ
うとするものではない。
【００３８】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 (1) イ) 画素をいくつかの変調素子に分割する段階と、ロ ) それぞれの前記変調素子に対しアドレス回路を設け
る段階と、ハ ) 変調の所望の正味の位相角および振幅を選択する段
階と、ニ ) 該位相角および振幅を実現するための適切な角を決
定する段階と、ホ ) 所望の１または２以上の角を実現するために前記変
調素子をアドレスする段階と、ヘ ) 前記変調素子を前記画素として解像する段階と、を
含むことを特徴とする完全複合形光変調の方法。
【００３９】(2) 前記アドレス回路が作動電極から構
成され、１変調素子に１作動電極が対応している、第１
項記載の方法。
【００４０】(3) イ) 前記変調素子をアドレスする前記
段階は電極に対して所定電圧を印加することから成り、ロ ) 該電極が前記変調素子の下に配置されている、第１
項記載の方法。
【００４１】(4) イ) 画素をいくつかの変調素子に分割
する段階と、ロ ) それぞれの該変調素子に対しアドレス回路を設ける
段階と、ハ ) 変調振幅を選択する段階と、ニ ) 該振幅を実現するための適切な位相角を決定する段
階と、ホ ) 該角を実現するために前記変調素子をアドレスする
段階と、ヘ ) 前記変調素子上へ入射光を送る段階と、ト ) 前記変調素子を前記画素に統合する段階と、を含む
光振幅変調の方法。
【００４２】(5) イ) 層構造内に形成された複数の画素
であって、それぞれの該画素が共通の水平軸に沿い半分
に分割されている該複数の画素と、ロ ) 基板と、該基板上のスペーサ層と、該スペーサ層上
の第１反射層と、前記第１の層上の第２反射層と、電気
的アドレス回路と、を含む前記層構造と、ハ ) それぞれの前記画素に対して含まれる、前記反射層
内に形成された静電的に可撓である素子であって、前記
第１の層内のみに形成されたヒンジにより前記反射層の
残部に連結されており、前記スペーサが前記可撓素子と
前記作動電極との間に位置する井戸状部を画定してい
る、前記可撓素子と、ニ ) それぞれの前記第１および第２の可撓回路を互いに
独立してアドレッシングしうる電気的アドレス回路と、
を含む空間的光変調器。
【００４３】(6) イ) 前記変調器が２つの半部分に分割
されており、ロ ) 該２つの半部分間の空隙の両端にスペーサが配置さ
れ、ハ ) 前記２つの半部分が静電気力の印加があったとき互
いに独立して撓みうるようになっており、ニ ) 該静電気力がそれぞれの前記半部分の下のそれぞれ
の電極の作動によって印加されるようになっている、第
１項又は第５項記載の変調器。
【００４４】(7) 光の振幅変調および位相変調を独立
して、かつ同時に制御することが可能である。本発明
は、ここに詳述されているように、画素をより小さい変
調素子３１０および３１２に分割し、それぞれの変調素
子に対して独立したアドレス電極３０２および３０４を
設け、それぞれの変調素子に対して必要な角を設定し、
次にこれらの変調素子を画素に解像することによって、
これを実現する。本発明の１実施例も示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】完全複合形光変調プロセスを示すフローチャー
ト。
【図２】従来技術における可撓梁可変ミラー装置（ＤＭ
Ｄ）の斜視図。
【図３】本発明による分割可撓梁ＤＭＤの斜視図。
【図４】分割ＤＭＤの平面図。
【図５】２つより多くの変調素子に分割されたＤＭＤの
１例の斜視図。
【符号の説明】
３０２ アドレス電極 ３０４ アドレス電極 ３１０ ミラー素子 ３１２ ミラー素子 ３０６Ａ−３０６Ｆ ヒンジ ３０８Ａ−３０８Ｆ 支持柱
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−8812（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−230721（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−196111（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 26/00 - 26/08

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 イ）１つの画素を複数の変調素子に分割
    する段階と、 ロ）各前記変調素子に対しアドレス回路を設ける段階
    と、 ハ）変調の所望の正味の位相角および振幅を選択する段
    階と、 ニ）該正味の位相角および振幅を実現するために必要な
    各前記変調素子に対する適切な位相角を決定する段階
    と、 ホ）前記適切な１または２以上の位相角を実現するため
    に前記複数の変調素子をアドレスする段階と、 ヘ）前記複数の変調素子からの光を前記画素として解像
    する段階と、 を含むことを特徴とする完全複合形光変調の方法。
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