JP5046331B2 - Phase modulator - Google Patents
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Description
本発明は、位相変調装置に関する。 The present invention relates to a phase modulation apparatus.
従来より、LCoS(Liquid Crystal on Silicon)を用いた空間光変調装置(SLM:Spatial Light Modulator)が知られている。画素電極に電圧を印加すると、LCoSの液晶分子は基板に垂直な面で回転し、入射した光の位相変調量を変化させる。しかしながら、位相変調量は画素電極に印加する電圧に対して非線形に変化するため、所望の位相変調量が得られないという問題があった。 Conventionally, a spatial light modulator (SLM) using LCoS (Liquid Crystal on Silicon) is known. When a voltage is applied to the pixel electrode, the liquid crystal molecules of LCoS rotate on a plane perpendicular to the substrate and change the amount of phase modulation of incident light. However, since the phase modulation amount changes nonlinearly with respect to the voltage applied to the pixel electrode, there is a problem that a desired phase modulation amount cannot be obtained.
LCoSのシリコン基板は半導体プロセスで処理するため、厚くすることができず機械的強度が弱い。そのため、図26に示すように、素子製造の各プロセスによって発生する応力によってシリコン基板21が歪み、LCoSの鏡面の平面度が低下する。さらに、LCoSでは、液晶層27の厚みも不均一である。そのため、各画素での位相変調量が液晶層27の厚みに応じて異なることになる。つまり、液晶層27の厚みのバラツキと、反射面の歪みとによって、LCoS型SLMで反射されて出力される波面は大きく歪み、位相変調量は画素毎に異なってしまうという問題があった。具体的には、画素の位置のx方向およびy方向を(x、y)と表し、電圧をVとすると、位相変調量Φ(V,x,y)は、以下の式によって表される。
Since the LCoS silicon substrate is processed by a semiconductor process, it cannot be made thick and its mechanical strength is weak. Therefore, as shown in FIG. 26, the
これより、位相変調量Φ(V,x,y)は、電圧に依存するφ(V,x,y)と、電圧に依存しない量Φ0(x,y)との和で求められる。ここで、φ(V,x,y)は、以下の式によって表される。
Thus, the phase modulation amount Φ (V, x, y) is obtained as the sum of φ (V, x, y) that depends on the voltage and Φ 0 (x, y) that does not depend on the voltage. Here, φ (V, x, y) is expressed by the following equation.
ここでΔn(V)は、液晶の配向方向に平行な方向に振動する電場を有する偏光成分に対する複屈折率である。d(x、y)は位置x、yにおける液晶層27の厚みである。即ち、φ(V,x,y)は、液晶層の厚みd(x、y)に依存している。φ(V,x,y)は、画素毎に異なる値となる。また、各画素において、電圧Vとφ(V,x,y)との関係は非線形である。一方、Φ0(x、y)は、主としてLCoSの反射面(シリコン基板21)の歪みに起因している。以下では、電圧と位相変調量との非線形性と、d(x,y)のバラツキによる位相変調量の画素毎のバラツキとをまとめて電圧依存性位相変調特性と呼ぶ。言い換えれば、電圧依存性位相変調特性は、位相変調量Φ(V,x,y)のうち、φ(V,x,y)の性質を示している。また、Φ0(x、y)が示すLCoSの反射面の歪みによる位置x、y毎の位相変調量のバラツキを電圧非依存性歪みと呼ぶ。この電圧依存性位相変調特性及び、電圧非依存性歪みを補正する方法が提案されている(例えば非特許文献1)。
Here, Δn (V) is a birefringence with respect to a polarization component having an electric field that vibrates in a direction parallel to the alignment direction of the liquid crystal. d (x, y) is the thickness of the
また、LCoS型SLMではないが、位相変調型SLMを用いて、電圧依存性位相変調特性の補正を行う方法が提案されている(例えば非特許文献2)。 Further, although not an LCoS type SLM, there has been proposed a method of correcting voltage-dependent phase modulation characteristics using a phase modulation type SLM (for example, Non-Patent Document 2).
また、位相変調型SLMにおいて出力波面の歪みを2光束干渉計で計測し、歪みをキャンセルするパターンを用いて電圧非依存性歪みを補正する方法が提案されている。(例えば特許文献1)
非特許文献1、2では、LCoS型SLMにおいて、2光束干渉計を用いて出力光波面の歪みを計測し、その補正を行っている。しかしながら、2光束干渉計における測定では、電圧依存性位相変調特性と電圧非依存性歪みが混合した形で計測されるという問題がある。また、非特許文献1では電圧非依存性歪みの補正に関しては、非線形な特性の中から比較的線形に近い部分を抜き出しているに過ぎず、正確な補正はできていない。
In
非特許文献2では、位相変調型SLMにおいて、電圧依存性の歪みを偏光干渉計で計測している。測定結果に基づき、互いに隣り合う4×4画素を1ブロックとし、ブロックごとにルックアップテーブルを作成し、当該ルックアップテーブルを用いることで電圧依存性位相変調特性の補正をしている。
In
本発明は、全画素の位相変調特性を少ないデータ量で効率よく補正することが可能な位相変調装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a phase modulation apparatus capable of efficiently correcting the phase modulation characteristics of all pixels with a small amount of data .
上記目的を達成するために、本発明は、互いに隣り合うように2次元状に配列された複数の画素を備え、各画素が、駆動電圧の印加に応じて入力光に対し位相変調を行なう空間光変調器と、各画素に対して入力値を設定する入力値設定手段と、各画素を、当該各画素に電圧を印加したときの位相変調量を示す位相変調特性に基づいて、複数のグループの内の1つと関連付けるように設定された参照データマップと、該複数のグループに対して1対1に対応して設けられた複数の参照データと、該参照データマップを用いて、各画素に対して、当該画素が関連付けられたグループに対応した参照データを特定する特定手段と、各画素に対して入力された入力値を、前記特定手段で特定された参照データを参照して、制御値に変換する変換手段と、前記制御値を電圧値に変換し、各画素を前記電圧値の駆動電圧にて駆動する駆動手段とからなることを特徴とする位相変調装置を提供している。 In order to achieve the above object, the present invention includes a plurality of pixels arranged two-dimensionally adjacent to each other, and each pixel performs phase modulation on input light in response to application of a drive voltage. An optical modulator, input value setting means for setting an input value for each pixel, and a plurality of groups based on a phase modulation characteristic indicating a phase modulation amount when a voltage is applied to each pixel. A reference data map set to be associated with one of the plurality of reference data, a plurality of reference data provided in a one-to-one correspondence with the plurality of groups, and the reference data map. On the other hand, the specifying means for specifying the reference data corresponding to the group to which the pixel is associated, the input value input for each pixel, the control value with reference to the reference data specified by the specifying means Conversion means to convert to Converting the control value to the voltage value, provides a phase modulation device, characterized in that each pixel consists of a driving means for driving by the driving voltage of the voltage value.
このような位相変調装置によれば、全画素をその位相変調特性に基づいて複数のグループに割り振り、1つのグループ内の全画素に対して、同一の参照データを使用する。このため、各画素毎に参照データを持つ必要はなく、全画素の位相変調特性を少ないデータ量で効率よく補正できる。 According to such a phase modulation apparatus, all pixels are allocated to a plurality of groups based on the phase modulation characteristics, and the same reference data is used for all the pixels in one group. For this reason, it is not necessary to have reference data for each pixel, and the phase modulation characteristics of all the pixels can be corrected efficiently with a small amount of data.
また、各画素は、動作電圧範囲内の電圧値にて駆動可能であり、前記駆動手段は、前記制御値を、前記動作電圧範囲内に設定された所定の電圧範囲内の電圧値に変換するとともに、各画素を前記電圧値の駆動電圧にて駆動し、前記所定の電圧範囲は、前記複数の画素のうちの少なくとも1つの画素に所定の範囲の電圧値の電圧を印加したときの当該少なくとも1つの画素における位相変調量を示す電圧依存性位相変調特性に基づいて設定されていることが好ましい。これにより、動作電圧範囲の内、電圧依存性位相変調特性に基づいた所定の電圧範囲内で駆動電圧を制御しているため、駆動電圧を精度良く制御できる。 Each pixel can be driven with a voltage value within an operating voltage range, and the driving means converts the control value into a voltage value within a predetermined voltage range set within the operating voltage range. And driving each pixel with the driving voltage having the voltage value, and the predetermined voltage range is at least when a voltage having a voltage value in a predetermined range is applied to at least one of the plurality of pixels. It is preferably set based on voltage-dependent phase modulation characteristics indicating the phase modulation amount in one pixel . Thereby, since the drive voltage is controlled within a predetermined voltage range based on the voltage-dependent phase modulation characteristic within the operating voltage range, the drive voltage can be controlled with high accuracy.
また、前記複数の参照データのそれぞれはルックアップテーブルであり、該ルックアップテーブルは、入力値が採りうる複数の第1の値と、前記複数の第1の値と電圧依存性位相変調特性を示す位相変調量との関係が所定の線形関係になるために制御値が取るべき複数の第2の値とを1対1に格納していることが好ましい。これにより、入力値と電圧依存性位相変調特性を示す位相変調量との関係が所定の線形関係になるよう、電圧依存性位相変調特性を補正することができるので、所望の位相変調量を得ることができる。 Each of the plurality of reference data is a lookup table, and the lookup table includes a plurality of first values that can be taken by an input value, the plurality of first values, and voltage-dependent phase modulation characteristics. It is preferable that a plurality of second values to be taken by the control value are stored in a one-to-one relationship because the relationship with the phase modulation amount shown is a predetermined linear relationship. As a result, the voltage-dependent phase modulation characteristic can be corrected so that the relationship between the input value and the phase modulation quantity indicating the voltage-dependent phase modulation characteristic becomes a predetermined linear relationship, and thus a desired phase modulation quantity is obtained. be able to.
また、前記参照データマップは、画素の位置情報と、該画素と関連付けられたグループに対応する参照データとを関連付けていることが好ましい。これにより、画素の特性にあった参照データを確実に選んで位相変調を行なうことができる。 The reference data map preferably associates pixel position information with reference data corresponding to a group associated with the pixel. This makes it possible to perform phase modulation by reliably selecting reference data that matches the characteristics of the pixel.
また、前記参照データマップは、各画素に所定の範囲の電圧値の電圧を印加したときの当該各画素における位相変調量を示す電圧依存性位相変調特性と、基準となる画素に所定の範囲の電圧値の電圧を印加したときの当該基準となる画素における位相変調量を示す電圧依存性位相変調特性との差を示す値に基づいて、画素の位置情報と、該画素と関連付けられたグループに対応する参照データとを関連付けるように設定されていることが好ましい。これにより、電圧依存性位相変調特性に応じて全画素をグループ分けできる。 Further, the reference data map includes a voltage-dependent phase modulation characteristic indicating a phase modulation amount in each pixel when a voltage having a voltage value in a predetermined range is applied to each pixel , and a predetermined range of the reference pixel. Based on the value indicating the difference from the voltage-dependent phase modulation characteristic indicating the phase modulation amount in the reference pixel when the voltage of the voltage value is applied , the position information of the pixel and the group associated with the pixel are it is preferably set to so that associates the corresponding reference data. Thereby, all the pixels can be grouped according to the voltage-dependent phase modulation characteristics.
また、前記基準となる画素は、各画素に所定の範囲の電圧値の電圧を印加したときの当該各画素における位相変調量を示す電圧依存性位相変調特性と、前記複数の画素のそれぞれに所定の範囲の電圧値の電圧を印加したときの当該それぞれの画素における位相変調量を示す電圧依存性位相変調特性の平均との差を示す値に基づき前記複数の画素のうちから選択されたものであることが好ましい。これにより、電圧依存性位相変調特性に応じて全画素をグループ分けできる。 In addition, the pixel serving as the reference, a voltage-dependent phase modulation characteristic indicating a phase modulation amount at the respective pixel when a voltage is applied to the voltage value of a predetermined range to each pixel, a predetermined in each of the plurality of pixels Selected from the plurality of pixels based on a value indicating a difference from an average of voltage-dependent phase modulation characteristics indicating a phase modulation amount in each pixel when a voltage having a voltage value in a range of is applied. Preferably there is. Thereby, all the pixels can be grouped according to the voltage-dependent phase modulation characteristics.
また、前記空間光変調器は、LCoS型空間光変調器であり、LCoS型空間光変調器はガラス基板とシリコン基板とを有し、前記参照データマップは、LCoS型空間光変調器のシリコン基板の歪みを示す値に基づいて、画素の位置情報と、該画素と関連付けられたグループに対応する参照データとを関連付けていることが好ましい。これにより、画素のグループ分けをシリコン基板の歪みを示す値に基づいて行なっているため、位相変調特性を反映させたグループ分けができる。 The spatial light modulator is an LCoS spatial light modulator, the LCoS spatial light modulator has a glass substrate and a silicon substrate, and the reference data map is a silicon substrate of the LCoS spatial light modulator. It is preferable that the pixel position information and the reference data corresponding to the group associated with the pixel are associated with each other based on the value indicating the distortion of the pixel. Thereby, since the grouping of pixels is performed based on the value indicating the distortion of the silicon substrate, the grouping reflecting the phase modulation characteristics can be performed.
また、前記参照データマップは、シリコン基板の歪みに起因する電圧非依存性歪みに基づいて、画素の位置情報と、該画素と関連付けられたグループに対応する参照データとを関連付けていることが好ましい。これにより、シリコン基板の歪みを示す電圧非依存性位相変調特性に応じて全画素をグループ分けできる。 The reference data map preferably associates pixel position information with reference data corresponding to a group associated with the pixel based on voltage-independent distortion caused by distortion of the silicon substrate. . Thereby, all the pixels can be grouped according to the voltage-independent phase modulation characteristic indicating the distortion of the silicon substrate.
また、前記参照データマップは、前記LCoS型空間光変調器のガラス基板とシリコン基板との傾きに基づいて、画素の位置情報と、該画素と関連付けられたグループに対応する参照データとを関連付けていることが好ましい。これにより、シリコン基板の傾きに応じて全画素をグループ分けできる。 The reference data map associates pixel position information with reference data corresponding to a group associated with the pixel based on the inclination of the glass substrate and the silicon substrate of the LCoS spatial light modulator. Preferably it is. Thereby, all the pixels can be grouped according to the inclination of the silicon substrate.
本発明の位相変調装置によれば、全画素をその位相変調特性に基づいて複数のグループに割り振り、1つのグループ内の全画素に対して、同一の参照データを使用する。このため、各画素毎に参照データを持つ必要はなく、全画素の位相変調特性を少ないデータ量で効率よく補正できる。 According to the phase modulation apparatus of the present invention, all pixels are allocated to a plurality of groups based on the phase modulation characteristics, and the same reference data is used for all the pixels in one group. For this reason, it is not necessary to have reference data for each pixel, and the phase modulation characteristics of all the pixels can be corrected efficiently with a small amount of data.
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図1に示すように、LCoS型位相変調装置1は、LCoS型空間光変調器2と、LCoS型空間光変調器2を電圧で駆動する駆動装置3と、駆動装置3に後述する所望パターン13などのデータを送信する制御装置4とを備える。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. As shown in FIG. 1, an LCoS type
図2に示すように、LCoS型空間光変調器2は、シリコン基板21と、スペーサー26を介してシリコン基板21に接着されるガラス基板25とを有する。シリコン基板21とガラス基板25との間には、液晶分子28からなる液晶層27が充填されている。シリコン基板21には複数の画素電極22と、各画素電極22に与える電圧を制御する回路(図示せず)とが形成されており、画素電極22上には配向膜23が形成されている。ガラス基板25は、対向電極24と、配向膜23とを備えている。対向電極24は、液晶層27を介して画素電極22と対向している。液晶層27の液晶分子28は、平行配向、垂直配向、もしくはハイブリッド配向になるように形成されている。LCoS型空間光変調器2は、画素電極22がアルミニウムで構成されており、入射光を反射させるミラーとしても機能する。尚、1つの画素電極22が、位相変調を行う際の1画素に対応する。
As shown in FIG. 2, the LCoS spatial
各画素電極22の電圧を制御する回路(図示せず)は、例えば、アクティブマトリクス回路である。アクティブマトリクス回路では、各画素電極22にトランジスタとコンデンサを配し、さらにトランジスタには画素電極22選択のための、行方向に伸びたゲート信号線と、アナログ電圧信号を供給するための、列方向に伸びたデータ信号線が接続されている。ゲート信号線にHi信号を印加して選択された画素電極22のコンデンサに、データ信号線に印加されたアナログ電圧信号が記録されることにより、当該画素電極の電圧を制御する。選択するデータ線とゲート線とを順次切り替えることにより、全ての画素電極22に所定の電圧を入力することができる。
A circuit (not shown) for controlling the voltage of each
図3(A)−3(C)に示すように、画素電極22に任意の電圧を印加し液晶分子28を回転させる。図3(A)は画素電極22と対向電極24との電位差がない場合の液晶分子28の状態を表している。図3(B)は当該電位差が低い状態、図3(C)は、当該電位差が大きい状態を表している。偏光成分に対する屈折率が電圧によって変化するため、当該光成分の位相が変調される。図8を参照して後述するように、画素電極22が動作可能な電圧範囲はP−Sであるが、本実施の形態では、画素電極22には動作電圧範囲P−S中の使用電圧範囲Q−R内で電圧を印加している。
As shown in FIGS. 3A-3C, an arbitrary voltage is applied to the
LCoS型空間光変調器2を用いて光の位相を変調するには、液晶の配向方向に対して平行な直線偏光をガラス基板25側から入射させる。光はガラス基板25から入射して液晶層27を伝搬し、画素電極22で反射し、再び液晶層27を伝搬してガラス基板25から出射する。光は液晶層27内を伝搬中に位相の変調を受ける。各画素電極22で位相を変調することにより、光の位相分布を制御することができる。従って、LCoS型空間光変調器2は波面を制御できる。
In order to modulate the phase of light using the LCoS type spatial
各画素は固有の電圧依存性位相変調特性、及び、電圧非依存性位相変調特性を有している。本実施の形態では全T個の画素のそれぞれが、その電圧依存性位相変調特性に従い、r個のグループのいずれかに所属している。(ここで、T、rは、T>0,r>0,T>rを満足する正の整数である。例えばrは20である。)従って、各グループには位相変調量が近似した画素が所属している。 Each pixel has a unique voltage-dependent phase modulation characteristic and a voltage-independent phase modulation characteristic. In this embodiment, each of all T pixels belongs to one of r groups according to its voltage-dependent phase modulation characteristics. (Here, T and r are positive integers satisfying T> 0, r> 0, T> r. For example, r is 20.) Therefore, each group has a pixel whose phase modulation amount approximates. Belongs to.
図1に示すように、制御装置4は、例えばパーソナルコンピュータであり、中央処理装置41と、通信装置42と、メモリ43と、HDD44とを備える。HDD44は、所望パターン13を格納している。中央処理装置41は、LCoS型位相変調装置1全体を判断するためのものである。
As shown in FIG. 1, the
所望パターン13は、画素の位置情報と、当該画素において達成させたい所望の位相変調量を示す値(以下、画素入力値という)を全画素に関して有している。所望の位相変調量を示す値は、全階調数がN(0からN−1)のデジタル信号であり、本実施の形態ではN=256である。0からN−1までの全N階調の画素入力値が0から2πまでの1周期分の位相変調量を示す。
The desired
LCoS型位相変調装置1で位相変調を行う場合には、中央処理装置41は、所望パターン13をHDD44からメモリ43に読み出す。中央処理装置41は、所望パターン13を入力データとして通信装置42を介して駆動装置3に送信する。
When the LCoS type
駆動装置3は、通信装置33と、処理装置31と、加算装置35と、LUT処理装置36と、画素位置検出装置37と、D/A(デジタルアナログ)回路32と、RAM38と,RAM39とを有する。D/A回路32は駆動部321を備える。RAM38は、補正パターン12を格納している。
The driving
駆動装置3は、後述する図9のフローチャートが示すプログラムを図示せぬROMに格納している。処理装置31が、このプログラムを駆動装置3の図示せぬROMから読み出して実行することによりLCoS型位相変調装置1全体を判断して位相変調処理を実行する。
The driving
補正パターン12は、電圧非依存性歪みを補正するためのものである。補正パターン12は、画素の位置情報と、当該画素において画素入力値に対して加算すべき値(以下、画素補正値という)を全画素に関して有する。画素補正値も全階調がN(0からN−1)のデジタル信号である。0からN−1までの全N階調の画素補正値が0から2πまでの1周期分の位相補正量を示す。
The
RAM39は、1個のLUTマップ15と、r個(rは正の整数)のLUT11とを格納している。LUTマップ15は、各画素がr個のグループのうちのどのグループに所属しているかを示すものである。r個のLUT11は、全r個のグループに1対1に対応している。各LUT11は、対応するグループに所属する画素の電圧依存性位相変調特性を補正するためのものである。各画素の電圧依存性位相変調特性を、その画素が所属するグループに対応するLUT11によって補正することにより、各画素の電圧依存性位相変調特性の非線形性を線形に補正でき、かつ、電圧依存性位相変調特性の画素毎のバラツキを補正することができる。
The
通信装置33は、制御装置4から所望パターン13などのデータを受信し、処理装置31に転送する。処理装置31は、所望パターン13に基づきLCoS型空間光変調器2を駆動するのに必要な、垂直同期信号と、水平同期信号などを含むデジタル制御信号を発生させる。また並行して、処理装置31は、所望パターン13を加算装置35に転送する。さらに並行して、処理装置31は、所望パターン13における画素の位置情報を画素位置検出装置37に出力する。
The
加算装置35は、各画素毎に、所望パターン13の画素入力値と、補正パターン12の画素補正値とを足し合せ、その加算結果を、当該画素に対応する制御入力値Aと設定する。上述のように、画素入力値と、画素補正値とは、共に、全階調数がN(0からN−1)のデジタル信号であり、本実施の形態ではN=256である。ここで、加算結果の値がNを超える場合には、さらに加算結果に対して位相折り畳み処理が施され、その結果を制御入力値Aとする。即ち、制御入力値Aは、位相変調量に対応し、0からN−1までの全N階調の制御入力値Aが位相変調量の1周期分(2π(rad))を示す。従って、加算装置35は、制御入力値Aの位相折り畳み処理において、上記の加算結果が負の値もしくは255以上の値となった場合には、加算結果を256で割った余りを制御入力値Aと設定する。例えば、上記の加算結果が512のときには、制御入力値Aは0となる。また、加算結果が384のときには制御入力値Aは128となる。なお、加算結果が負の値を256で割った余りを求めるには、まず、当該負の値の絶対値を求め、次に、当該絶対値の値と足しあわせると足しあわせた結果が256の整数倍となる数のうち最小の正の値を制御入力値Aとすればよい。例えば、加算結果が−64となったら、制御入力値Aは192である。加算装置35は、各画素の制御入力値Aを当該画素の位置情報と共にLUT処理装置36へ送信する。
The
画素位置検出装置37は、所望パターン13が有する画素の位置情報に基づいて、LUTマップ15を参照して、各画素グループのグループ番号を特定する。画素位置検出装置37は、各画素についてその位置情報と、特定したグループ番号に対応するLUT11(即ち、当該画素の位置情報に対応したLUT11)とを、LUT処理装置36に転送する。
The pixel
LUT処理装置36は、各画素に対して、当該画素の位置情報を共に受け取ったLUT11を参照して、当該画素の位置情報と共に受け取った制御入力値AをDA入力値Bに変換する。ここで、DA入力値Bは全階調数がM(0からM−1)のデジタル信号である。ここで、Mは、M>Nを満たす整数であり、本実施の形態ではM=4096である。LUT処理装置36は、各画素のDA入力値Bを当該画素の位置情報と共に駆動部321に送信する。
For each pixel, the
駆動部321は、各画素に対して、DA入力値Bを、動作可能な所定の使用電圧範囲(Q−R)内の電圧値を示すアナログ信号Cに変換し、LCoS型空間光変調器2の各画素をアナログ信号Cが示す電圧値の駆動電圧にて駆動する。
For each pixel, the driving
ここで、図8に示すように、0から4095の全4096階調のDA入力値Bが使用電圧範囲Q−Rに対して線形に割り当てられている。駆動部321は、0から4095のいずれかの値であるDA入力値Bを、使用電圧範囲Q−R(最小値Qから最大値R)内の駆動電圧値を示すアナログ信号Cに変換する。
Here, as shown in FIG. 8, DA input values B of all 4096 gradations from 0 to 4095 are linearly assigned to the working voltage range QR. The
LUT処理装置36は、各画素毎に、制御入力値AをLUT11にてDA入力値Bに変換し、更に、駆動部321が、DA入力値Bを使用電圧範囲Q−R内の電圧値を示すアナログ信号Cに変換してLCoS型空間光変調器2に電圧を印加する。
The
LUTマップ15は、後述する方法により、LCoS型位相変調装置1に備えられたLCoS型空間光変調器2の特性に応じて作成されたものである。図4−6は、LUTマップ15の例である。説明を分かりやすくするため、図4では、r=4、図5では、r=8、図6ではr=5の場合を例としている。
The
図4,5,6に示すLUTマップ15の例では、太線は全画素を含む画素領域に対応し、細線で区切られた1つの領域は1画素に対応している。図4では、各画素に対して、A−Dのグループ番号のうちいずれかが付されている。図5では、各画素に対してA−Hのグループ番号のいずれかが付されている。 図6では、各画素に対してA−Eのグループ番号のいずれかが付されている。なお、図5,6では、破線で囲まれた領域内に位置する画素には同一のグループ番号が付されている。
In the example of the
図7はr個のLUT11のうちの1つの例を示す。図7に示されるように、LUT11は、制御入力値Aが採りうる値ta(第1の値)と、その制御入力値Aに対してDA入力値Bが採るべき値tb(第2の値)との対応関係を示している。
FIG. 7 shows an example of one of the
また、図7には、DA入力値Bが採る値tbが駆動部321によって対応する電圧値に変換され、当該LUT11が対応するグループに所属する画素に印加されることによって当該画素が達成する位相変調量φの平均値φaveも示している。ただし、図7のφaveに関する値はLUT11を用いて実際に測定を行った場合の位相変調量の平均値を示すものであり、LUT11は、φaveに対応するデータを有してはいない。DA入力値Aがとる値taと位相変調量の平均値φaveとは線形関係を有している。しかも、全r個のLUT11において、制御入力値Aがとりうる値taの各値に対応する位相変調量の平均値φaveは、互いに略等しくなるように、DA入力値Bがとるべき値tbが定められている。具体的には、ta=0でφave=1.500、ta=1でφave=1.508などとなるようにDA入力値がとるべき値tbが定められている。
In FIG. 7, the value t b taken by the DA input value B is converted into a corresponding voltage value by the driving
従って、各グループに属する画素について、制御入力値Aを対応するLUT11にてDA入力値Bに変換し、さらにこのDA入力値Bをアナログ信号Cに変換して電圧を印加すれば、各グループに属する画素において得られる位相変調量φは、制御入力値Aに対し略線形でかつ、グループ毎のバラツキが小さいものとなる。
Therefore, for the pixels belonging to each group, if the control input value A is converted into the DA input value B by the corresponding
補正パターン12、及び、LUT11、LUTマップ15は、LCoS型位相変調装置1の起動時に、駆動装置3の図示せぬROMから、それぞれRAM38、RAM39に読み出す。あるいは、補正パターン12、及び、LUT11、LUTマップ15は、制御装置4のHDD44に保存されており、LCoS型位相変調装置1の起動時に、駆動装置3に転送されて、それぞれ、RAM38、RAM39に保持するようにしてもよい。また、RAM38,39を統合して単一のRAMとし、この単一のRAMが補正パターン12、LUTマップ15、及びLUT11を保持するようにしてもよい。
The
上記構成を有するLCoS型位相変調装置1は、図9に示すように動作して位相変調を行なう。まず、ステップ1で、通信装置33は、制御装置4から所望パターン13を受信し処理装置31に転送する。ステップ2では、処理装置31は画素位置検出装置37に各画素の位置情報を送信する。ステップ3では、画素位置検出装置37は、各画素の位置情報に基づきLUTマップ15を参照し、各画素が所属するグループのグループ番号を特定する。ステップ4では、画素位置検出装置37は、各画素の位置情報と、各画素に対して特定したグループ番号に対応するLUT11をLUT処理装置36に送信する。
The LCoS type
また、制御装置31は、ステップ2と並行して、ステップ5で、所望パターン13を加算装置35に送信する。ステップ6では、加算装置35は、各画素毎に所望パターン13における画素入力値と、補正パターン12における補正入力値とを足し合わせ、必要に応じて足し合わせた値の位相折り畳みを行なう。このようにして求めた値を当該画素の位置情報に対応する制御入力値Aとして設定する。ステップ7において、LUT処理装置36は、各画素毎にステップ4にて画素位置検出装置37から受信したLUT11を参照して、制御入力値AをDA入力値Bに変換する。ステップ8では、駆動部321が、DA入力値Bをアナログ信号Cに変換して、LCoS型空間光変調器2へ出力する。
Further, in parallel with
処理装置31は、ステップ1,5と並行して、ステップ9で、LCoS型空間光変調器2の駆動に必要なデジタル信号を生成する。
In parallel with
ステップ10では、LCoS型空間光変調器2は、ステップ8にて駆動部321から受け取ったアナログ信号Cと制御装置31から受け取ったデジタル信号とに基づいて入射光の位相を変調する。
In step 10, the LCoS spatial
LCoS型位相変調装置1を作成する際には、LCoS型位相変調装置1が備えるLCoS型空間光変調器2に対応して駆動部321、LUTマップ15、LUT11、補正パターン12を設定する。その設定方法について以下説明する。なお、設定の順番としては、まず、D/A回路32の使用電圧範囲Q−Rの最小・最大電圧Q,Rを設定し、次に、LUTマップ15を作成し、その後、LUTマップ15に基づいてLUT11を作成し、最後に、補正パターン12を作成する。
When creating the LCoS type
図10を参照して、使用電圧の最小値Qおよび最大値Rの設定方法を説明する。まず、ステップ21では、図11に示す偏光干渉計60を用いて、全画素の内任意に選択した複数の画素(例えば、5個の画素)に対して電圧依存性の位相変調特性を測定する。偏光干渉計60はキセノンランプ61と、コリメートレンズ62と、偏光子63と、ビームスプリッター64と、LCoS型位相変調装置1と、検光子65と、イメージレンズ66,67と、帯域フィルター68と、イメージセンサー69とからなる。ここでは、駆動部321は、図12に示すように、DA入力値0−4095を、LCoS型空間光変調器2に印加可能な動作電圧範囲(P−S)に対して線形に割り当てるように設定されている。LCoS型空間光変調器2によって位相変調された光が、イメージセンサー69によって測定される。偏光子63の偏光方向は、LCoS型空間光変調器2の液晶分子の配向方向に対し45°ずれている。このため、LCoS型空間光変調器2に入射される光(入射光)は、液晶分子28の配向方向に対し45°ずれる。入射光が液晶層27を透過することによって、入射光の位相変調される成分(液晶分子28の配向方向に対し平行な成分)と位相変調されない成分との間には位相差が生じる。従って、LCoS型空間光変調器2で反射した光(反射光)の偏光方向は、入射光の位相変調される成分の位相変調量に依存する。また、検光子65の配向方向は偏光子63に対して90°ずれており、検光子65を透過する光の強度は反射光の偏光方向に依存するため、イメージセンサー69の測定結果により、電圧依存性の位相変調特性が強度情報Iとして測定される。ある画素におけるイメージセンサー69によって測定される強度情報Iから、例えば、以下の式を用いて位相変調量φが求まる。
ここで、Imaxは、LCoS型空間光変調器2に印加する電圧を動作電圧範囲内で変化させて測定される強度情報の最大値であり、Iminは、LCoS型空間光変調器2に印加する電圧を動作電圧範囲内で変化させて測定される強度情報の最小値である。
A method for setting the minimum value Q and the maximum value R of the operating voltage will be described with reference to FIG. First, in
Here, I max is the maximum value of intensity information measured by changing the voltage applied to the LCoS spatial
ステップ22では、イメージセンサー69の測定結果に基づいて、DA入力値‐電圧依存性位相変調特性を各画素について求める。図12は、画素5点に対して得られたDA入力値‐電圧依存性位相変調量の関係を示すグラフである。図12より、以下の(A)‐(D)が確認できる。(A)位相変調量が2π(rad)以上ある。(B)電圧が変化しても位相変調量がほとんど変化しない領域(DA入力値が0−800の範囲)がある。(C)画素5点の位相変調量が異なる。(D)位相変調量がDA入力値に対して非線形である。
In
LCoS型空間光変調器2において、位相変調量が2π(rad)分あれば、位相の折り畳み処理を行うことで2π(rad)以上の位相変調量を実現することができる。従って、液晶に印加する電圧の駆動範囲は、位相変調量が2π(rad)確保できる範囲であれば十分である。しかし、実際には歪みの補正を行う際には、各画素の位相変調量のバラツキを考慮してある程度の余裕が必要であるため、位相変調量を2π(rad)以上確保できる値として、本実施の形態では3.5π(rad)に設定する。ここで、位相の折り畳み処理とは、制御入力値の位相折り畳みと同様に、位相が2π(rad)以上か0より小さい場合に、位相を2π(rad)で割った値に置き換えることである。
In the LCoS spatial
具体的には、ステップ23において、LCoS型空間光変調器2に印加する使用電圧の最小電圧Qを液晶が動作するしきい値電圧以上になり、最大電圧Rが液晶の動作が飽和する飽和電圧以下になり、かつ、使用電圧の最小電圧Qと最大電圧R間の位相変調範囲がおよそ3.5πになるように設定する(図12)。このように設定した使用電圧の最小電圧Qと最大電圧Rとの範囲に対してDA入力値Bを4096階調で対応させる。図13は、最小電圧Qと最大電圧Rをこのような条件で設定した場合の上記5点に関するDA入力値Bと位相変調量と使用電圧範囲(Q‐R)との関係を示している。LCoS型空間光変調器2の動作可能電圧範囲全体を使用する図12の場合では、位相変調量が0.5π‐4π(rad)までの範囲に対してDA入力値Bは、約1100‐1800のおよそ700階調であった。これに対して、図13では、位相変調量が同じ0.5π‐4π(rad)までの範囲に対して、4096段階の電圧制御が可能となっている。従って、同じ位相変調量の範囲に対して、DA入力値Bは約5倍の階調を持つことになり、高い精度で電圧を制御できることになる。言い換えれば、最小最大電圧Q,Rを設定することで、DA入力値Bに対する使用電圧範囲のスケール変換を行なっていることになる。こうして、駆動部321は、0‐4095のDA入力値Bを使用電圧範囲Q−Rの電圧値を示すアナログ信号Cに線形変換するように設定される。
Specifically, in
次に、図14を参照してLUTマップ15の作成方法を説明する。LUTマップ15は、D/A回路32の使用電圧範囲Q−Rの最小・最大電圧Q,Rを設定した後に作成される。
Next, a method for creating the
ステップ31では、図11で示した偏光干渉計60で、DA入力値Bと電圧依存性の位相変調量との関係をLCoS型空間光変調器2の各画素に対して求める。具体的には、全画素に対して同じ値のDA入力値Bを印加して各画素の位相変調量を計測する。即ち、全画素に対して同じ値のDA入力値Bを駆動部321にてアナログ信号Cに変換して、このアナログ信号CにてLCoS型空間光変調器2を駆動して、位相変調量を計測する。このDA入力値Bの値を0から4095まで変化させて計測を繰り返す。あるいは、DA入力値Bについて0から4095の全ての値に関してではなく、間隔を置いて測定してもよい。
In
ステップ32では、各画素に対してステップ31で求めたDA入力値−位相変調特性を元に、位相変調量(φ)とDA入力値(tb)との関係を最小二乗法などを用いて多項式で近似する。例えば、DA入力値をtb
、位相変調量をφとおき、多項式としてK次のべき多項式を用いる場合には、多項式は、(3)式のように表される。
In
When the phase modulation amount is φ and a K-th order power polynomial is used as the polynomial, the polynomial is expressed as shown in Equation (3).
(3)式を求めることによって、DA入力値(tb)と位相変調量(φ)との関係を、光源やイメージセンサなどによる測定ノイズの影響を軽減して得ることができる。また、DA入力値Bを全ての値に関して測定せず、間隔を置いて測定した場合には、測定しなかったDA入力値Bに対する位相変調量を(3)式から推定できる。このようにして、全ての画素に対してそれぞれDA入力値Bと位相変調量φとの関係(3)を求める。 By obtaining the equation (3), the relationship between the DA input value (t b ) and the phase modulation amount (φ) can be obtained while reducing the influence of measurement noise caused by a light source, an image sensor, or the like. Further, when the DA input value B is not measured for all values but is measured at intervals, the phase modulation amount for the DA input value B that is not measured can be estimated from the equation (3). In this way, the relationship (3) between the DA input value B and the phase modulation amount φ is obtained for all the pixels.
ステップ33では、DA入力値Bと、当該DA入力値Bの入力により各画素において得られた位相変調量φを全画素に関して平均した値との関係を求める。具体的には、まず、全ての画素に関する位相変調量の平均値をDA入力値B毎に求める。これにより、DA入力値Bと、位相変調量の平均値φaveとの関係が求まる。この関係を近似式で求める。例えば、K次の多項式で求めた場合には、DA入力値Bをtb,ave(φ)として、(4)式のように求まる。
In
ステップ34では、(4)で求めた、平均した位相変調量に対するDA入力値tb、ave(φ)と、DA入力値tb(φ)との最小2乗誤差(RMS)値ε1(以下、第1の最小2乗誤差値という)を、式(5)より画素毎に求める。
In step 34, the least square error (RMS) value ε 1 (DA) between the DA input value t b, ave (φ) and the DA input value t b (φ) for the averaged phase modulation amount obtained in (4). Hereinafter, the first least square error value) is obtained for each pixel from Equation (5).
次に、全画素の内、第1の最小2乗誤差(RMS)値ε1が最も大きい画素(最大値画素)を見つける。最小2乗誤差(RMS)値ε1が最も大きい画素は、当該画素の位相変調量φが位相変調量の全画素の平均値と最も離れている画素であると判断できる。 Next, a pixel (maximum value pixel) having the largest first least square error (RMS) value ε 1 among all the pixels is found. It can be determined that the pixel having the largest least square error (RMS) value ε 1 is the pixel whose phase modulation amount φ is farthest from the average value of all the pixels of the phase modulation amount.
ステップ35では、最大値画素のDA入力値(以下、tMAX(φ)という)と、DA入力値tb(φ)との最小2乗誤差(RMS)値ε2(以下第2の最小2乗誤差値)を、式(6)を用いて画素毎に求める。
In
ステップ36では、全画素について求めた第2の最小2乗誤差(RMS)値ε2の最大値を求める。一方、全画素について求めた第2の最小2乗誤差(RMS)値ε2の最小値は0である。最大値画素ではtb(φ)=tMAX(φ)となるからである。そして、この第2の最小2乗誤差(RMS)値ε2の最大値と最小値との間をr個の区間に等間隔で分ける。次に、区間毎に当該区間内に最小2乗誤差値ε2を持つ画素を1つのグループとしてまとめる。このようにして、1つの区間に対して1つのグループを構成していき、全ての画素を20のグループに分配する。このように構成された、画素と、その画素の属するグループとの関係をLUTマップ15に保存する。
In
以上のように、電圧依存性位相変調量特性を示す量ε2が同一の区間内に存在する画素を1つのグループとしてまとめることによりLUTマップ15が構成される。従って、電圧依存性位相変調特性の近似した画素を1つのグループにまとめることができる。
As described above, the
図4は、互いに近似する電圧依存性位相変調特性を有する画素が、全画素領域内に略均一に分散したようなLCoS型空間光変調器2に対して作成されたLUTマップ15の例である。グループA−Dに属する画素が全画素領域に略均一に分布している。図5は、近接した画素が近似した特性を有しているようなLCoS型空間光変調器2に対して作成されたLUTマップ15の例である。破線で囲まれた領域内の画素が互いに近接した特性を有するため、同一のグループに属している。
FIG. 4 is an example of the
また、LCoS型空間光変調器2の位相変調特性によっては、図6に示すグループA、B、Cのように、近接した画素が同一のグループに含まれるだけではなく、離れた画素領域においても同じグループに含まれる場合もある。
Further, depending on the phase modulation characteristics of the LCoS spatial
尚、上述のグループ化の方法は、以下[1]−[5]のように変更してもよい。 Note that the above grouping method may be changed as shown in [1]-[5] below.
[1]上記の方法で画素をグループ分けする場合には、LCoS型空間光変調器2の特性によっては全画素はr個のグループに均一に分配されていない場合がある。即ち、各グループに属する画素の個数がT/rから大きくずれる場合があり得る。これに対し、本方法[1]によれば、全画素をr個のグループに略均一に分配することができる。即ち、各グループに属する画素の個数を略T/rとすることができる。具体的には、ステップ36におけるグループ化を以下のように変更する。まず、全画素について得られた第2の最小2乗誤差(RMS)値ε2を昇順(または降順)に並べる。即ち、全画素分の最小2乗誤差(RMS)値ε2が並んだ列を作成する。この列を略一定の間隔で区切り、全体でr個の区間を構成するようにする。この結果、1つの区間に含まれる画素の数がT/rに略等しくなり、互いに略等しくなる。
[1] When the pixels are grouped by the above method, depending on the characteristics of the LCoS spatial
[2]予め基準値tMAX(φ)を決めておいてもよい。この場合には、ステップ33,34は実行しない。 [2] A reference value t MAX (φ) may be determined in advance. In this case, steps 33 and 34 are not executed.
[3]LCoS型位相変調器2の製造過程において、所定の画素が他の画素に比べて著しく性能が異なることがわかっているような場合には、当該所定の画素が第1の最小2乗誤差(RMS)値ε1のうちで最も大きい値を持つ。その場合には、当該画素に対して得られた(3)式を基準値tMAX(φ)として設定すればよい。この場合にも、ステップ33,34は実行しない。
[3] In the manufacturing process of the LCoS
[4]ステップ31において、ある1つの値(例えば最小値0)のDA入力値Bに対する位相変調量φのみを各画素毎に求めるのでもよい。ステップ32からステップ35までの処理は行わず、ステップ36において、測定した位相変調量φを基に、グループ化を行う。例えば、全画素の位相変調量φを昇順(または降順)に並べる。即ち、全画素の位相変調量φが並んだ列を作成する。この位相変調量φの列を一定の間隔で区切りr個の区間を構成する。従って、1つの区間には、位相変調量φが、T/r個だけ並ぶことになる。同一の区間に含まれる位相変調量φを達成した画素を同一のグループ内のものとする。従って、同一のDA入力値Bに対して互いに近似した位相変調量を達成したT/r個の画素を同一のグループに所属させることができる。各グループに互いに略等しい個数の画素を分配することができる。
[4] In
また、全画素の位相変調量φを昇順、又は、降順に並べる代わりに、全画素の位相変調量のうち最大値と最小値との間を長さの等しいr個の区間に分けてもよい。位相変調量φが同一の区間に値をもつ画素を同一のグループとして構成する。この場合には、1つのグループに属する画素の個数はT/r個から大きくずれる可能性がある。 Further, instead of arranging the phase modulation amounts φ of all the pixels in ascending order or descending order, the maximum value and the minimum value of the phase modulation amounts of all the pixels may be divided into r sections having the same length. . Pixels having values in the same section of the phase modulation amount φ are configured as the same group. In this case, the number of pixels belonging to one group may deviate greatly from T / r.
[5]ステップ32において、平均した位相変調量に対するDA入力値tb,ave(φ)を用いるのではなく、予め決められた特定の画素のDA入力値tb,0(φ)に対して、第1の最小2乗誤差(RMS)値ε1’を以下の式より求めても良い。尚、このときには、ステップ33は行なわない。
[5] In
尚、上記の実施の形態では、スカラー量子化を用いてグループ化を行なったが、グループ化の方法はこれに限定されない。例えば、ステップ31において、全ての画素に関する式(3)を求めた後、上記実施例以外のスカラー量子化を用いたほかの方法や、ベクトル量子化を用いて特性の近いもの同士をr個のグループに分けるようにしてもよい。
In the above embodiment, grouping is performed using scalar quantization, but the grouping method is not limited to this. For example, after obtaining Equation (3) for all the pixels in
図15を参照して、LUT11の作成方法を説明する。まず、ステップ41では、ステップ31と同様に、図11で示した偏光干渉計60で、DA入力値Bと電圧依存性の位相変調量との関係をLCoS型空間光変調器2の各画素に対して求める。ステップ42では、ステップ41で求めた測定値を元に、各画素に対して、DA入力値‐電圧依存性位相変調特性を求める。結果は、上述の図13と同じになり、非線形性を有し、かつ、画素毎にバラツキがある。
A method of creating the
ステップ43では、各画素に対して、得られたDA入力値‐電圧依存性位相変調特性を元に画素別LUTを作成する。即ち、(3)式を求めた場合と同様に(7)式を求める。
In
ここで、式中の添字(1)は、一回目の測定に基づいて求めた近似多項式における値であることを表している。それ以外は、式(3)と同じものである。 Here, the subscript (1) in the expression represents a value in the approximate polynomial obtained based on the first measurement. Other than that, it is the same as Formula (3).
このように、DA入力値Bと位相変調量との関係を示す近似式を全画素に対して求める。一方、制御入力値Aと位相変調量との関係が線形で、かつ、0.0−2.0π(rad)を256段階の制御入力値Aで表わすために、制御入力値をta(1)とし、位相変調量φとの関係を、以下のように表す。
In this way, an approximate expression indicating the relationship between the DA input value B and the phase modulation amount is obtained for all pixels. On the other hand, since the relationship between the control input value A and the phase modulation amount is linear, and 0.0−2.0π (rad) is represented by the 256-step control input value A, the control input value is represented by ta (1 ) And the relationship with the phase modulation amount φ is expressed as follows.
ここで、ta(1)は0から255までの整数値であり、constはオフセット値である。このオフセット値は全ての画素で式(8)が実現できる同一の値に設定する。式(8)を式(7)に代入し制御入力値ta(1)とtbとの関係を求める。この際、tbは整数であるため四捨五入(または、切り捨て、切り上げ)をする必要がある。四捨五入の操作をROUNDで表すと、ta(1)とtbとの関係は以下のようになる。
Here, ta (1) is an integer value from 0 to 255, and const is an offset value. This offset value is set to the same value that can realize Equation (8) for all pixels. Equation (8) determining the relationship between the expression (7) assigned to control input values t a (1) and t b. In this case, rounding for t b is an integer (or, rounded down, up) it is necessary to make. When representing an operation of rounding in ROUND, the relationship between t b and t a (1) is as follows.
ta(1)の値0‐255に対して(9)で求まるtbの値を対応させることで1つの画素に対する画素別LUTが作成される。かかる画素別LUTを全画素に対してそれぞれ求める。 A pixel-specific LUT for one pixel is created by associating the value of t b obtained in (9) with the value 0-255 of t a (1) . Such pixel-specific LUTs are obtained for all pixels.
ステップ44では、上記のように作成された画素別LUTをHDD44に保存する。画素別LUTはグループ毎のLUT11を求めるために一時的に使用するものである。HDD44に保存された画素別LUTは、以下の処理において、画素位置検出装置37が特定した画素の位置に対応する画素別LUTがHDD44から読み出され、駆動装置3のRAM39に転送される。上記の画素別LUTは、干渉計の干渉強度出力から位相を計算によって求めている。この際、測定した干渉強度の最大値と最小値を用いるが、これらの値には誤差が含まれている可能性がある。ステップ45−47では、この誤差がどの程度になるかの評価を行なっている。
In
詳細には、ステップ45において、ステップ41と同じく、全画素に対してDA入力値tbと位相変調量φとの関係を計測する。ただしステップ45では、LUT処理装置36は、直前のステップ44で得られた各画素用の画素別LUTに基づいて、制御入力値A(0−255)をDA入力値Bに変換した上で、駆動部321がDA入力値Bをアナログ信号Cに変換し、LCoS型空間光変調器2の対応する画素を駆動する。こうして、全画素について制御入力値A(ta )と電圧依存性位相変調量φとの関係を計測する。ステップ46において、ステップ45の結果を元に制御入力値‐位相変調特性を求める。ステップ47において、ステップ46の結果から、画素別LUTにより電圧依存性位相変調特性の補正が所望の精度で行えているかを判断する。例えば、制御入力値‐電圧依存性位相変調特性が線形に近づいていれば所望の精度が得られていると判断するという方法を用いる。尚、判断方法はこの例に限定されない。ステップ47において、所望の精度が得られていないと判断した場合は、ステップ43を反復して、ステップ46の結果に基づいて画素別LUTを更新し、画素別LUTによる、電圧依存性位相変調特性に対する補正の精度を向上させる。
Specifically, in step 45, similarly to the
2回目に行なうステップ43では、制御入力値A(tb(1))と位相変調量φとの関係を以下のように近似する。
In
今回の処理で得られる新たな制御入力値ta(2)もまた256階調で表され、位相変調量と線形な関係とする。従って以下の式が成り立つ。
The new control input value ta (2) obtained by this processing is also expressed by 256 gradations and has a linear relationship with the phase modulation amount. Therefore, the following equation holds.
前回の制御入力値A(ta(1))と今回の制御入力値A(ta(2))との関係は(10)と(11)とから以下のように表すことができる。
The relationship between the previous control input value A (ta (1) ) and the current control input value A (ta (2) ) can be expressed as follows from (10) and (11).
(12)式を(9)式に代入することにより、tbとta(2)の関係が以下のようになる。
(13)式により新たな制御入力値A(ta(2))とDA入力値B(tb)との関係が求められる。尚、ステップ43をJ回(Jは、J>2を満たす自然数)行なった場合には、以下のような、tbとta(J)の関係が得られる。
By substituting equation (12) into equation (9 ) , the relationship between t b and t a (2) is as follows.
The relationship between the new control input value A (t a (2) ) and the DA input value B (t b ) is obtained from equation (13). When
これらの値に基づいて、新たな画素別LUTを作成し、ステップ44において、画素別LUTをHDD44に上書き保存する。尚、式(7)−(14)のデータは、後述するステップ48において用いられるため、一時的にHDD44に保存される。一方、ステップ47で所望の精度が得られていると判断した場合、あるいは、更新前の画素別LUTに比べて精度の向上が得られないと判断した場合には、ステップ48に移行する。
Based on these values, a new pixel-specific LUT is created, and in
ステップ48では、全画素に対して得られた画素別LUTに基づいて、グループ毎のLUT11を作成する。
In
具体的には、まず、各グループ毎に、当該グループ内の全画素で得られた位相変調量φの平均値(以下、位相変調量平均値φaveという)をDA入力値(tb)毎に求める。これは、当該グループに属する全画素に対して得られた画素別LUTに基づいて決定する。ただし、当該グループ内にDA入力値‐位相変調特性が極端に異なる画素が存在する場合には、当該画素を除いた画素について位相変調量平均値φaveを求める。 Specifically, first, for each group, an average value of phase modulation amounts φ (hereinafter referred to as phase modulation amount average value φ ave ) obtained for all pixels in the group is set for each DA input value (t b ). Ask for. This is determined based on the pixel-specific LUT obtained for all the pixels belonging to the group. However, if there is a pixel having an extremely different DA input value-phase modulation characteristic in the group, the phase modulation amount average value φ ave is obtained for the pixels excluding the pixel.
次にDA入力値tbあるいは制御入力値taと位相変調量平均値φaveとの関係を近似式で求める。かかる近似式に基づいて、制御入力値taとDA入力値tbとの関係を示したグループ毎のLUT11を求める。こうして求めたグループ毎のLUT11を駆動装置3の図示せぬROMに保存する。また、HDD44に保存されていた画素別LUTを消去する。
Then determine the relationship between the DA input value t b or control input value t a and the phase modulation amount average value phi ave in approximation. Based on such approximate expression determines the LUT11 of each group showing the relationship between the control input values t a and DA input value t b. The
以下、DA入力値tbあるいは制御入力値taと位相変調量平均値φaveとの関係を示す近似式、及び、この近似式に基づき制御入力値taとDA入力値tbとの関係を求める方法について、以下の3つの場合(1)〜(3)に分けて、具体的に説明する。
(1)ステップ47からステップ43へ回帰する処理が行われず、ステップ42の測定の結果に基づいて得られた画素別LUTが更新されることなく、ステップ48に到った場合である。この場合、画素別LUTは、第1回目に行われた測定(すなわち、ステップ42の測定)の結果に基づいて得られている。
(2)ステップ47からステップ43へ回帰する処理が1回行われ、ステップ45が1回行われた後ステップ48に到った場合である。この場合、画素別LUTは、第2回目に行われた測定(すなわち、最初に行われたステップ45の測定)に基づいて更新されて得られたものである。
(3)ステップ47からステップ43へ回帰する処理が2回以上行われ、ステップ45が2回以上行われた後ステップ48に到った場合である。この場合、画素別LUTは、第M回目(Mは3以上の自然数)に行われた測定(すなわち、(M−1)回目に行われたステップ45における測定)に基づいて更新されて得られたものである。
<(1)の場合>
Hereinafter, the approximate expression indicating the relationship between the DA input value t b or control input value t a and the phase modulation amount average value phi ave, and the relationship between the control input values t a and DA input value t b on the basis of the approximate expression The method for obtaining the value will be specifically described in the following three cases (1) to (3).
(1) This is a case where the process of returning from
(2) The case where the process of returning from
(3) The case where the process of returning from
<In the case of (1)>
まず、第1回目の測定により得られたDA入力値tbと位相変調量平均値φaveとの関係を示す近似式を以下のように求める。
第1回目の測定における制御入力値taと位相変調量平均値φaveとの関係が線形で、かつ、0.0−2.0π(rad)を256段階の制御入力値Aで表わすために、制御入力値をta(M)とし、位相変調量の平均値φaveとの関係を以下のように表す。なお、ここで、M=1である。
First, an approximate expression indicating the relationship between the DA input value t b obtained by the first measurement and the phase modulation amount average value φ ave is obtained as follows.
A linear relationship between the first control input values t a and the phase modulation amount average value phi ave in the measurement, and to represent 0.0-2.0π a (rad) in 256 steps of the control input value A The control input value is t a (M) , and the relationship with the average value φ ave of the phase modulation amount is expressed as follows. Here, M = 1.
ta(M)は0から255までの整数値であり、constは全グループに対して同一のオフセット値である。 t a (M) is an integer value from 0 to 255, and const is the same offset value for all groups.
式(16)を式(15)に代入することで、以下の関係(17)が得られる。
(17)式に対して四捨五入を行なうことにより、以下の(18―1)式が得られる。
By substituting equation (16) into equation (15), the following relationship (17) is obtained.
By rounding off the equation (17), the following equation (18-1) is obtained.
(18―1)式は、DA入力値(tb(1))と制御入力値(ta(1))との関係を示している。したがって、(18―1)式が示す制御入力値ta(1)と、DA入力値tb(1)との関係に基づき、LUT11を作成する。
<(2)の場合>
Equation (18-1) shows the relationship between the DA input value (t b (1) ) and the control input value (ta (1) ). Therefore, the
<In the case of (2)>
まず、前回の制御入力値taと今回の位相変調量平均値φaveとの関係を示す近似式を以下のように求める。なお、M=2とする。
M=2において、式(16)を式(19)に代入することで、以下の関係(20)が得られる。
(20)式を(18−1)式に代入することにより、以下の(18―2)式が得られる。
First, an approximate expression indicating the relationship between the previous control input values t a and the current phase modulation amount average value phi ave as follows. Note that M = 2.
By substituting equation (16) into equation (19) at M = 2, the following relationship (20) is obtained.
By substituting the equation (20) into the equation (18-1), the following equation (18-2) is obtained.
(18―2)式は、DA入力値(tb(2))と制御入力値(ta(2))との関係を示している。したがって、(18―2)式が示す制御入力値ta(2)と、DA入力値tb(2)との関係に基づき、LUT11を作成する。
<(3)の場合>
(2)の場合と同様な方法により、以下の(18―3)式が得られる。
Expression (18-2) shows the relationship between the DA input value (t b (2) ) and the control input value (ta (2) ). Therefore, the
<In the case of (3)>
The following equation (18-3) is obtained by the same method as in the case of (2).
(18―3)式が、DA入力値(tb(M))と制御入力値(ta(M))との関係を示している。したがって、(18―3)式が示す制御入力値ta(M)と、DA入力値tb(M)との関係に基づき、LUT11を作成する。
Expression (18-3) shows the relationship between the DA input value (t b (M) ) and the control input value (ta (M) ). Therefore, the
なお、位相変調量φの平均値φaveを求める代わりに、グループ内の位相変調量φの分散が最も小さくなる値を求めその値に基づいてLUT11を作成してもよい。
Instead of obtaining the average value φ ave of the phase modulation amount φ, a value that minimizes the dispersion of the phase modulation amount φ in the group may be obtained and the
図7に示したLUT11には、上記の処理によりあるグループに対して得られたtaとtbと位相変調量φaveとの関係が格納されている。LUT11を参照して、ステップ7(図9)の変換を行うことにより、当該グループに属する画素において、制御入力値Aと位相変調量φとの関係が線形になる。LUT11を用いることにより、グループ内において画素毎の位相変調量のバラツキが補正され、かつ制御入力値Aと位相変調量との関係が略線形になるような補正が実現される。しかも、各グループについてのLUT11を作成する際、同一の(18)式を用いているため、全グループに渡って、画素毎の位相変調量のバラツキが補正され、かつ、制御入力値Aと位相変調量との関係が略線形になるような補正が実現される。
The
以上のようにして、各グループに対してLUT11を作成した後、補正パターン12を作成する。電圧非依存性歪みは、通常では単独では計測できないが、LUT11を用いて電圧依存性位相変調特性を補正した状態でLCoS型位相変調装置1の出力波面を計測することにより計測が可能となるからである。電圧非依存性歪みを含む光波面の測定は、2光束干渉計を用いて測定される。本実施の形態では、2光束干渉計として図16に示すマイケルソン干渉計80を用いる。マイケルソン干渉計80は、レーザー光源81と、スペーシャルフィルタ82と、コリメートレンズ83と、偏光子84と、ビームスプリッター85と、LCoS型位相変調装置1と、ミラー86と、イメージレンズ87,88とCCD89とからなる。偏光子84の偏光方向は、液晶の偏光方向と平行になっている。ミラー86で反射される波面とLCoS型位相変調装置1のうちLCoS型空間光変調器2で反射される波面との干渉によって生成される干渉縞が計測され、以下の文献に示される解析方法を用いることにより、計測した干渉縞からLCoS型位相変調装置1の出力波面を求めることができる。即ち、LCoS型空間光変調器2で反射される波面には電圧非依存性歪みパターンが形成されており、ミラー86で反射される波面は平面であるので、計測した干渉縞画像をフーリエ変換し、キャリア成分を取り除くことで、電圧非依存性歪みを得る事ができる。
参考文献:M.Takeda, H.Ina, and S.Kobayashi, "Fourier-transform method of fringe pattern analysis for computer-based topography and interferometry", J. Opt. Soc. Am., Vol. 72, 156-160(1982).
As described above, after the
References: M. Takeda, H. Ina, and S. Kobayashi, "Fourier-transform method of fringe pattern analysis for computer-based topography and interferometry", J. Opt. Soc. Am., Vol. 72, 156-160 (1982).
図17を参照して、電圧非依存性の歪みを補正する補正パターン12の作成方法を説明する。まず、ステップ51では、駆動装置3において、全ての画素の値が0のパターンを初期の補正パターン12としてRAM38に格納する。ステップ52では、中央処理装置41は、全ての画素の値が、0‐255のうちいずれかの値で互いに等しい位相画像を所望パターン13として設定し、所望パターン13を駆動装置3に送信する。駆動装置3において、受信した所望パターン13を加算装置35に送信し、所望パターン13における画素の位置情報を画素位置検出装置37に送信する。尚、画素位置検出装置37は、当該画素の位置情報に基づいて対応するLUT11を特定する。ステップ53では、加算装置35は、所望パターン13と補正パターン12とを加算し、加算結果に位相折り畳みを施したものを制御入力値Aとする。ステップ54では、LUT処理装置36は、特定されたLUT11に基づいて、制御入力値AをDA入力値Bに変換し、駆動装値3に転送する。ステップ55では、駆動部321が、DA入力値Bに基づいて、アナログ信号Cを生成し、LCoS型空間光変調器2に使用電圧を印加する。ステップ56では、マイケルソン干渉計80のCCD89の出力結果に基づいてLCoS型位相変調装置1の出力波面を計測する。LUT11を用いて電圧依存性位相変調特性が補正されているため、ステップ56で計測した出力波面は電圧非依存性歪みのみを含んでいる。ステップ57では、計測した電圧非依存性歪みの符号を逆にし、補正パターン12を作成する。ステップ58では、補正パターン12の位相値に対して、位相の折り畳みを施す。ステップ59では、補正パターン12の各画素の位相値(位相変調量)を、制御入力値に変換し、256階調の値に表現しなおす。かかる変換は、例えば、(8)式、および、(16)式のような位相変調量と制御入力値との理想的な関係式を用いて行なってもよいし、位相変調量と制御入力値との関係をLUT11に保持しておき、かかる関係に基づいて行なってもよい。図18は、補正パターン12を256階調の階調画像として表現した例である。ステップ60では、得られた256階調で表現した補正パターン12の値を図示せぬROMに格納する。
With reference to FIG. 17, a method of creating the
以上の処理においても、LUT11の作成の際と同様に、干渉を測定することによる測定誤差が含まれている可能性がある。ステップ61−65において、この誤差がどの程度あるかを評価する。具体的には、ステップ61では、加算装置35は、ステップ53と同様にして上記の所望パターン13と、直前のステップ60で得られた補正パターン12とを加算し、必要に応じて加算結果に位相折り畳みを施したものを制御入力値Aとする。ステップ62−64は、ステップ54−56と同様であり、ステップ62で、LUT処理装置36は、ステップ61で得られた制御入力値Aに対するDA入力値Bを求め、ステップ63で、駆動部321は、DA入力値Bをアナログ信号Cに変換してLCoS型空間光変調器2に駆動電圧を印加する。ステップ64で、CCD89の出力結果に基づいて出力波面の計測が行なわれる。ステップ65では、この計測結果に基づいて、直前のステップ60にて得られた補正パターン12によって必要な精度の補正が行われたか否かを判断している。例えば、出力波面の平面度が得られていれば所望の精度が得られていると判断する方法を用いる。尚、判断方法はこの例に限定されない。ステップ65において、必要な精度が補正パターン12で得られたと判断されるか、もしくは精度の向上が得られないと判断される場合には補正パターン作成処理を終了する。必要な精度が得られない場合には、ステップ57に戻り、ステップ64の結果が示す電圧非依存性歪みに基づいて補正パターン12を作成しなおす。具体的には、ステップ60において、直前に得られた補正パターン12の値と、繰り返しで得られた補正パターン12の値とを、画素毎に足しあわせ、足し合わせた結果を新たな補正パターン12として図示せぬROMに保存する。こうして、反復して補正パターン12の作成を繰り返す。所望の精度が得られた補正パターン12を駆動装置3の図示せぬROMに保存する。
Even in the above processing, there is a possibility that a measurement error due to measuring interference is included as in the case of creating the
以上の本実施の形態によるLCoS型位相変調装置1では、全画素をその位相変調特性に基づいて複数のグループに割り振り、1つのグループ内の全画素に対して、同一のLUT11を使用する。このため、各画素毎にLUT11を持つ必要はなく、全画素の位相変調特性を少ないデータ量で効率よく補正できる。そのため、装置に大容量のメモリ(RAM)を搭載することが難しい場合であっても、駆動装置3にLUT11を格納することができる。
In the above-described LCoS type
さらに、駆動装置3にLUT11を格納することで、(1)所望パターン13と、補正パターン12との足し合わせ、必要であれば位相の折りたたみ処理を行う処理(加算装置35における処理)、(2)画素位置情報の取得をする処理(画素位置検出装置37における処理)、(3)LUT処理装置36において制御入力値AをLUT11に基づいてDA入力値Bへ変換し、LCoS型空間光変調器2へ出力するという処理(LUT処理装置36)を、専用のハードウェア(加算装置35、画素位置検出装置37、LUT処理装置36)を用いて行なっている。駆動装置3における(1)―(3)の処理にかかる処理時間は、例えば、制御装置4における中央処理装置41で上記の処理を行なう場合に比べて短縮できる。そのため、これらの処理を、1フレーム時間内に終わらせることができる。
Further, by storing the
LUTマップ15によって、画素の位置情報と、グループ番号との対応関係が把握できる。これにより、確実に画素の特性にあったLUT11を選んで位相変調を行なうことができる。
With the
また、本実施の形態によるLCoS型位相変調装置1では、4096階調で表されるDA入力値Bに対して、LCoS型空間光変調器2を、動作可能電圧の範囲より小さく必要な位相変調量が確保された使用電圧の範囲内で制御している。そのため、LCoS型空間光変調器2に印加する電圧を精度良く制御できる。しかも、LUTマップ15を用いてその画素に最適なLUT11を特定している。そのため、LUT11によって制御入力値Aと電圧依存性の位相変調量との関係が略線形になり、電圧依存性に起因する画素毎のバラツキも補正されるため、所望の位相変調量を高い精度で得ることができる。さらに、補正パターン12を用いて電圧非依存性歪みを補正することにより、より正確な位相変調を行うことができる。
Further, in the LCoS type
尚、本実施の形態におけるLUTマップ15、LUT11、補正パターン12とを用いて補正を行なった場合には、(1)全く補正を行なわない場合、及び、(2)全画素に対して単一のLUT11と補正パターン12とを用いて補正を行なった場合の両者に比べて、出力波面を精度よく測定できることが確認できた。例えば、上記の各条件において測定された制御入力値‐位相変調特性と、理想的な制御入力値‐位相変調特性(φ(ta)=2π/256)との最小2乗誤差(RMS)値を求めると、以下のような結果が得られた。
When correction is performed using the
図19(A)は、LUT11及び補正パターン12を用いて、ラゲールガウシアンビームの位相変調を測定した図である。かかる補正を行っていない図19(B)と比較して、図19(A)は理論どおり同心円状のパターンが見えている。
FIG. 19A is a diagram in which the phase modulation of the Laguerre Gaussian beam is measured using the
また、LUT11の作成及び補正パターン12の作成において、必要な精度が得られるか、精度の向上が得られなくなるまで、作成処理を反復している。そのため、高い精度でLUT11及び補正パターン12が得られ、電圧依存性位相変調特性および、電圧非依存性歪みを精度よく補正できる。
In addition, in the creation of the
本発明による位相変調装置及び位相変調装置の設定方法は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、LCoS型空間光変調器2においては、画素電極22がミラーも兼ねていたが、図20に示すLCoS型空間光変調器120のように、画素電極22上に誘電体ミラー29を積層する構成のものをLCoS型空間光変調器2の代わりに用いてもよい。尚、LCoS型空間光変調器120において、LCoS型空間光変調器2と同様の構成要素には同じ番号を付し説明を省略した。
The phase modulation device and the method for setting the phase modulation device according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made within the scope described in the claims. For example, in the LCoS spatial
また、制御装置4と駆動装置3とは上記の例に限定されず、駆動装置3に制御装置4の機能を組みこんでもよい。
The
上記の実施の形態におけるLCoS型位相変調装置1では、補正パターン12を駆動装置3のRAM38に格納し、加算装置35で所望パターン13と補正パターン12とを足し合わせたが、図21に示すLCoS型位相変調装置100のように、HDD44に所望パターン13と補正パターン12とを格納し、これらをメモリ43に読み出して、これらの値を制御装置4において足し合わせるようにしてもよい。このときには、中央処理装置41は入力値設定手段47を備える。入力値設定手段47は、所望パターン13に補正パターン12を足し合わせる。また、駆動装置130には、加算装置、及び補正パターンを格納するRAMは設けられていない。即ち、駆動装置130は、通信装置133と、処理装置131と、画素位置検出装置137と、LUT処理装置136と、D/A回路132と、RAM139とを備えている。RAM139は、LUTマップ15とLUT11とを格納している。D/A回路132は駆動部321を備える。
In the LCoS type
位相変調を行なう際には、入力値設定手段47は、所望パターン13に補正パターン12を足し合わせ、必要であれば足し合わせた値に位相折り畳みを行い制御入力値Aを設定する。通信装置42は、制御入力値Aと画素位置情報とを駆動装置130に送信する。通信装置133は、制御入力値Aと画素位置情報とを処理装置131に転送する。処理装置131は、制御入力値Aを入力すべき画素の位置情報を画素位置検出装置137に送り、当該画素の制御入力値Aの値をLUT処理装置136に送る。これ以降、LCoS型位相変調装置100は、実施の形態のLCoS型位相調装置1と同様の処理を行い、LCoS型空間光変調器2が入射光の位相を変調する。上述の、LCoS型位相変調装置100では、駆動装置130にて補正パターン12と所望パターン13とを加算する必要がないため、駆動装置3に搭載するRAMの容量を削減できる。
When performing phase modulation, the input value setting means 47 adds the
また、図22に示すLCoS型位相変調装置200のように、HDD44に、所望パターン13と、補正パターン12と、LUT11と、LUTマップ15とを保存し、これらをメモリ43に読み出してDA入力値Bを求め駆動装置230に送信するようにしてもよい。この場合には、中央処理装置41は、変換手段46と、入力値設定手段47と、画素位置検出手段48とを備える。また、駆動装置230は、加算装置、LUT処理装置、画素位置検出装置、ROMは備えていない。即ち、駆動装置230は、通信装置233と、処理装置231と、駆動部321を有するD/A回路232とを備える。
Further, like the LCoS type
位相変調を行なう際には、入力値設定手段47は、所望パターン12に補正パターン13を足し合わせ、必要であれば足し合わせた値に位相折り畳みを行い制御入力値Aを設定する。画素位置検出手段48は、LUTマップ15を参照し、画素の位置情報に対応するグループ番号を特定する。変換手段46は特定されたグループ番号に対応するLUT11を用いて、当該画素の制御入力値AをDA入力値Bに変換する。通信装置42は、DA入力値Bを駆動装置230に送信する。通信装置233は、受信したDA入力値Bを処理装置231に転送する。これ以降の処理は、実施の形態と同様であり、LCoS型空間光変調器2が入射光の位相を変調する。LCoS型位相変調装置200においては、駆動装置230に、所望パターン13、LUT11、LUTマップ15、補正パターン12を保持するRAMを設ける必要がない。そのため装置のコストを削減できる。
When performing phase modulation, the input value setting means 47 adds the
本実施の形態では、駆動装置3内にD/A回路32を設けているが、駆動装置3からD/A回路を分離し、LCoS型空間光変調器2側にD/A回路と、DA入力値Bを受信する受信回路とを新たに設ける構成をとっても良い。この場合、駆動装置3からLCoS側の受信回路には、DA入力値Bが伝送されることになる。
In the present embodiment, the D /
また、本実施の形態の駆動装置3では、LUT11は画素位置検出装置37を介してLUT処理装置36に読み出されているが、LUT処理装置36がLUT11を直接処理するようにしてもよい。この場合、画素位置検出装置37はLUTマップ15を参照して特定したLUT11の情報をLUT処理装置36に送信する。LUT処理装置36は、受信したLUT11の情報に基づいて、参照するLUT11を切り替えながらLUT処理(制御入力値AをDA入力値Bに変換する処理)を行なう。
In the
図1の駆動装置3は、D/A回路32を1個のみ備えているが、D/A回路32を複数個設けて、複数のアナログ信号を同時にLCoS型空間光変調器2に出力し、複数の画素に同時にアナログ信号を書き込むようにしてもよい。この場合、駆動装置3の処理回路では、複数の画素に関するDA入力値Bを各D/A回路32に同時に出力するようにしている。
1 has only one D / A
また、本実施の形態では、5つの画素に関して電圧依存性位相変調特性を測定し、その測定結果に基づいて最小・最大電圧Q,Rを設定していたが、測定する画素の数は少なくとも1つあればよい。その場合も、測定した少なくとも1つの画素に対する電圧依存性位相変調特性に基づき最小・最大電圧を設定すればよい。 In the present embodiment, the voltage-dependent phase modulation characteristics are measured for five pixels, and the minimum and maximum voltages Q and R are set based on the measurement results. However, the number of pixels to be measured is at least one. You only have to. In this case, the minimum and maximum voltages may be set based on the measured voltage-dependent phase modulation characteristic for at least one pixel.
LUT11の代わりに、(15)、(19)式で求めた近似多項式のデータ(係数ak(I),ave、Iは自然数)を駆動装置3の図示せぬROMに保存し、位相変調量を測定する際には、それらをRAM39に読み出すようにしてもよい。上述の実施の形態におけるLUT11の作成方法(ステップ48)と同様に、かかるデータと式(16)とから、ステップ47から43への回帰したか回数に応じて式(18−1),(18−2),(18−3)のいずれかを求めることにより、制御入力値AとDA入力値Bの関係を得ることができる。
Instead of the
上記の実施の形態では、LUT11、LUTマップ15を作成する際に全ての画素で計測を行なっていた。しかしながら、全画素に関しては位相変調量の計測は行なわず、代表する画素についてのみ測定を行うようにしてもよい。例えば、隣り合う複数の画素を1つのブロックとして構成する。ブロックの構成の仕方は、例えば4画素×4画素を1つのブロックとして構成する。1つのブロックにおいて1つの画素を代表画素とし、各ブロックの代表画素に関して測定を行う。この測定結果に基づいて、ブロック(代表画素)をグループに区分する。このようにして作成されたグループを示すLUTマップ15を作成する。即ち、LUTマップ15は、ブロックと、そのブロックに対応するLUT11との関係を示すものになる。この場合には、1つのブロック内の画素には同一のLUT11が適用される。
In the above embodiment, measurement is performed on all pixels when the
また、図23に示すように、LUT11に補正パターン12の値を包含してもよい。あるグループにおける画素の制御入力値Aをtとし、そのグループにおける画素のうち代表の1画素に対応する補正パターン12の値をp(図23ではp=64)とする。上述の実施の形態では、両者が加算された後にLUT11を適用していた。即ち、LUT11を参照するときの制御入力値Aはt+pであった。所望画像は随時変化するが、pは固定値なので、参照位置が常にpだけずれることになる。これは、LUTの参照開始位置をpだけずらすことと同等である。尚、補正パターン12において、グループにおける代表の1画素の値をpとせずに、グループ内の画素の平均値を求めその値をpとしてもよい。
Further, as shown in FIG. 23, the value of the
各画素のLUT11の参照位置を補正パターンの当該画素での値分だけずらすことにより、電圧非依存性歪みを補正する情報をLUT11に包含することができる。図23は、p=64として、図4のデータに電圧非依存性歪みを補正する情報を包含させたものである。例えば、図7において、taが0であったときのtbの値1050が、図23ではtaが64の箇所に現れている。この場合、図1におけるLCoS型位相変調装置1の駆動装置3において、加算装置35、RAM38は不要になる。さらに、図9を参照して説明した位相変調方法において、ステップ6は必要なくなり、処理装置31は、入力値列をLUT処理装置36に送信する。また、ステップ3、4、7で用いられるLUT11は、図23に示すような補正パターン12の値を加えたLUT11である。
Information for correcting voltage-independent distortion can be included in the
別の例として、p=1、及び、p=−1の場合を説明する。図7に示すように、LUT11では、制御入力値taが255,0,1に対して、DA入力値tbは、それぞれ、3036,1050,1055が対応していた。これに対して、p=1の場合には、制御入力値taが255,0,1に対して、DA入力値tbは、それぞれ、1050,1055,1058が対応するようにLUT11を作成すればよい。あるいはp=−1の場合には、制御入力値taが255,0,1に対して、DA入力値tbは、それぞれ、3028,3036,1050が対応するようにLUT11を作成すればよい。 As another example, a case where p = 1 and p = −1 will be described. As shown in FIG. 7, the LUT11, the control input value t a is 255,0,1, DA input value t b, respectively, 3036,1050,1055 was supported. In contrast, in the case of p = 1, to the control input value t a is 255,0,1, DA input value t b, respectively, creating a LUT11 so 1050,1055,1058 corresponding do it. Or in the case of p = -1, to the control input value t a is 255,0,1, DA input value t b, respectively, may be creating a LUT11 so 3028,3036,1050 corresponding .
このように、LUT11に補正パターンの情報を含め、かかるLUT11を用いて制御入力値AをDA入力値Bに変換することで電圧非依存性による歪みも補正することができる。そのため、補正パターン12を処理する加算装置35を省略でき、効率的な位相変調が可能となる。
As described above, by including the correction pattern information in the
LCoS型空間光変調器2では、ガラス基板25の厚さを、例えば、3mm程度と極めて厚くしているため、ガラス基板25に歪みがない。図24(A)のようにシリコン基板21の歪みだけが問題となる。尚、図24(A)、24(B)(後述)では、配向膜23、対向電極24は省略してある。図24(A)の液晶層27の厚みは、d1、d2で示されるように、シリコン基板21の歪み差がそのまま液晶層27の厚みの差となる。
In the LCoS type spatial
つまり、液晶層27の厚みが同じで等電圧を印加するような画素は同じ位相変調量となる。以上のことより、ガラス基板が厚い場合にはシリコン基板の歪み形状がわかれば、同じ位相変調量をもつ画素がわかることになる。そこで、図14で示したLUTマップ15の作成方法に代わって、例えば、以下の3通りのいずれかの方法によって、シリコン基板の歪み形状を示す量を測定することによりLUTマップ15を求めることができる。
That is, pixels having the same thickness of the
1.図25を参照して説明する。まず、ステップ71において全画素に関して、画素別LUTを作成する。具体的には、図15に示すLUT11の作成方法において、ステップ41−47と同一の処理を行なう。次に、ステップ72では、図16に示すマイケルソン干渉計80を用いて位相変調量Φを測定する。具体的には、全画素に関して同じ値の単一の制御入力値Aを、画素別LUTを用いてDA入力値Bに変換し、さらにアナログ信号Cに変換し、アナログ信号Cを印加して行なう。ステップ73では、求めた位相変調量のうち、最大値の位相変調量に対応する画素と、最小値の位相変調量に対応する画素を求める。ステップ74では、位相変調量の最大値と最小値との間をr等分の区間に分ける。同一の区間に位相変調量を持つ画素を同一のグループとしてまとめる。このように構成されたグループと画素との関係をLUTマップ15に保存する。
1. This will be described with reference to FIG. First, in step 71, pixel-specific LUTs are created for all pixels. Specifically, in the method of creating the
尚、この方法では、マイケルソン干渉計80において、画素別LUTを用いて制御入力値AをDA入力値Bに変換して位相変調量Φを測定している。そのため、電圧依存性位相変調特性は補正されている。即ち、(1)式のうち電圧Vに依存する項φは補正されており画素毎のバラツキがない。そのため、測定された位相変調量Φの画素毎のバラツキは、Φ0の画素毎のバラツキそのものである。Φ0は、シリコン基板の歪みを示す量であった。そのため、この方法で作成したLUTマップ15では、シリコン基板の歪みを示す電圧非依存性位相変調特性に応じて全画素をグループ分けしている。
In this method, the
2.本変更例では、図14で示したLUTマップ15の作成方法を以下のように変更する。実施の形態では、ステップ31では、図11の偏光干渉計60を使用してLCoS型空間光変調器2の各画素に同一のDA入力値Bに基づく同一の電圧を印加して位相変調量を計測した。しかも、このDA入力値Bを0から4095まで変化させて計測を繰り返した。これに対し、本変更例では、偏光干渉計60の代わりに、図16のマイケルソン干渉計80を使用する。また、LCoS型空間光変調器2の各画素に同一のDA入力値Bに基づく同一の電圧を印加して位相変調量を測定する。但し、この測定は、0から4095のうちの単一の値のDA入力値Bに対する電圧値を印加して行なう。ステップ32−35は行なわない。ステップ36において、ステップ31にて得られた全画素に関する位相変調量の最小値と最大値とを求め、その間をr等分する。等分した区間に値を持つ位相変調量に対応する画素を1つのグループにまとめる。このようにして画素とグループとの関係を求めLUTマップ15を作成する。
2. In this modification, the method for creating the
この方法でも、上記変更例1と同様、画素別LUTを用いずにマイケルソン干渉計で位相変調量Φを測定している。但し、画素別LUTによる制御入力値AからDA入力値Bへの変換は行なっていない。そのため、測定された位相変調量Φには、(1)式の電圧に依存する量φが含まれている。(2)式に示したように、φは、液晶層27の厚みd(x,y)に依存する。ガラス基板25に歪みのないLCoS型空間光変調器2では、液晶層27の厚みd(x,y)はそのまま、反射面の歪みを示す量になる。従って、(1)式のΦを求めることが、シリコン基板の歪みに関する量を求めることになる。そのため、この方法においても、シリコン基板の歪みを示す電圧非依存性位相変調特性に応じて全画素をグループ分けできる。
Also in this method, the phase modulation amount Φ is measured by a Michelson interferometer without using the pixel-specific LUT as in the first modification. However, conversion from the control input value A to the DA input value B by the pixel-specific LUT is not performed. Therefore, the measured phase modulation amount Φ includes an amount Φ that depends on the voltage of equation (1). As shown in the equation (2), φ depends on the thickness d (x, y) of the
3.2の場合と同様にして、ステップ31で、図16のマイケルソン干渉計80で各画素が達成する位相変調量Φを測定する。この測定結果に基づき、位相変調量Φが全画素において一定の値となるようなパターンを作成し、そのパターンを用いてLUTマップ15を作成する。具体的には、DA入力値Bを0から4095の全ての値に順に設定し、対応するアナログ信号Cにて各画素を駆動する。得られた位相変調量を元に、全画素の位相変調量が互いに等しくなるDA入力値Bの分布を示すパターンを求める。ステップ32−35は行なわない。ステップ36では、ステップ31で求めたパターン内に分布したDA入力値Bのうち、最小値と最大値とを求め、その間をr等分する。同一の区間内の位相変調量を達成した画素を1つのグループにまとめる。このようにして画素とグループとの関係を求めLUTマップ15を作成する。この方法においても、シリコン基板の歪みを示す電圧非依存性位相変調特性に応じて全画素をグループ分けできる。
Similarly to the case of 3.2, in
上記の方法1−3では、マイケルソン干渉計80で電圧非依存性歪みの測定を行い、液晶層27の膜厚d(x,y)の差に基づく画素のグループ分けを行ったが、測定の方法はこれに限定されない。画素位置による膜厚d(x,y)の違いを示す量を測定することができれば、かかる結果に基づいて上述の方法と同様にしてLUTマップを作成することができる。例えば、光学測定によって各画素位置における膜厚d(x,y)を直接測定しグループ分けをおこなってもよい。
In the above method 1-3, the voltage-independent distortion is measured by the
なお、上記の3つの場合において、ガラス基板25がチルトしている場合には、図24(B)のようにシリコン基板21の歪み差=膜厚差とはならない。このようにガラス基板25がチルトしている場合には、シリコン基板21の歪みに起因する膜厚ds(x,y)に加えて、ガラス基板の傾きに起因する膜厚dg(x,y)の差を考慮したグループ分けを行なう。例えば、ガラス基板25の下面のx、y方向に対する傾きθx,θyがわかっている場合には、以下の方法でLUTマップ15を作成することができる。図24(B)において、基準面S1は、シリコン基板21の下面に対して平行な面である。即ち、ガラス基板25がチルトしなかったときには、ガラス基板25の下面は基準面S1に一致する。シリコン基板21の上面から基準面S1までの膜厚がds(x,y)であり、基準面S1からガラス基板までの膜厚がdg(x,y)であり、以下の式(21)で求められる。なお、d(x,y)は、ds(x,y)とdg(x,y)との和で与えられる。
ここで、基準点Oを、dg(x,y)=0となる点とする。Lx、Lyは、基準点Oから画素の位置(x,y)までの、それぞれx方向,y方向の距離である。
In the above three cases, when the
Here, the reference point O is a point where d g (x, y) = 0. L x and L y are distances from the reference point O to the pixel position (x, y) in the x direction and the y direction, respectively.
従って、膜厚差dg(x,y)に起因する電圧依存性位相変調量φg(V,x,y)は、以下の式より計算できる。
ここで、電圧Vは、例えば、位相変調量Φ0(x,y)の測定に使用した値とする。
Therefore, the voltage-dependent phase modulation amount φ g (V, x, y) resulting from the film thickness difference d g (x, y) can be calculated from the following equation.
Here, the voltage V is, for example, a value used for measurement of the phase modulation amount Φ 0 (x, y).
このようにガラス基板25がチルトしたLCoS型空間光変調器2を用いて図16のマイケルソン干渉計80で位相変調量を測定した場合、得られる位相変調量は(1)式で表されるΦ0(V,x,y)であり、φg(V,x,y)はΦ0(V,x,y)に影響しない。
When the phase modulation amount is measured by the
即ち、測定された位相変調量Φ0(V,x,y)は膜厚ds(x,y)の差に基づいたパターンであり、計算によって求められたφg(V,x,y)は膜厚dg(x,y)の差に基づいたパターンである。従って、図16のマイケルソン干渉計80で測定された位相変調量Φ0(V,x,y)と、(20)式から計算で求めたφg(V,x,y)とを足しあわせ、位相の折り畳み処理を行った位相変調量(以下チルトの効果を含んだ位相変調量と呼ぶ)に基づいて、例えば、上述の変更例2のようにグループ分けを行なう。即ち、グループ分けにおいて、チルトの効果を含んだ位相変調量のうち最大値と最小値とを特定し、かかる最大値と最小値との間をr等分の区間に分ける。同一の区間にチルトの効果を含んだ位相変調量を持つ画素を同一のグループとしてまとめる。これによりLUTマップ15を作成する。
That is, the measured phase modulation amount Φ 0 (V, x, y) is a pattern based on the difference in film thickness d s (x, y), and φ g (V, x, y) obtained by calculation. Is a pattern based on the difference in film thickness d g (x, y). Therefore, the phase modulation amount Φ 0 (V, x, y) measured by the
以上の1−3の方法、および、ガラス基板25がチルトしている場合の方法により、画素のグループ分けをシリコン基板21の歪みを示す量を反映させてグループ分けすることができる。
By the above method 1-3 and the method in the case where the
LCoS型位空間光変調器2の代わりに、一般的な位相変調型の空間光変調器、例えば、光アドレス型位相変調器、MEMS型位相変調器、可変鏡、アナログ型の磁気光学素子を用いても良い。光アドレス型位相変調器としては、例えば、Yasunori Igasaki et al. “High Efficiency Electrially-Addressable Phase-Only Spatial Light Modulator”, Optical Review, Vol.6, No.4, pp. 339-344, 1999に記載されたものを使用することができる。また、MEMS型位相変調器としては、例えば、M.Friedrichs et al. “One MegapixelSLM with high optical fill factor and low creep actuators”, Optical MEMS and Their Applications Conference 2006, IEEE/LEOS International Conference onに記載されたものを使用することができる。アナログ型の磁気光学素子としては、例えば、Mitsuteru Inoue et al. ”Magnetophotinic crystals - a novel magneto-optic material with artificial periodic structures”, J. Mater. Chem. Vol.16, pp678-684, 2006に記載されたものを使用することができる。
Instead of the LCoS type spatial
尚、MEMS型SLMを用いた場合には、電圧非依存性歪みは、電圧を印加しない場合に得られる波面の歪みとして現れる。式(1)においてV=0とすると、φ(V,x,y)=0となり、Φ0= Φ(0,x,y)となる。このため、図16のマイケルソン干渉計80において、電圧を印加せずに測定を行うことで、そのまま、反射面の歪みに起因するΦ0を求めることができる。Φ0に基づき補正パターン12を作成する。また、電圧依存性位相変調特性は、電圧を印加した場合における位相変調量の画素毎のバラツキとして現れる。かかる電圧依存性位相変調特性は、本実施の形態と同一な方法にて作成したLUT11にて補正することができる。
When a MEMS SLM is used, voltage-independent distortion appears as wavefront distortion obtained when no voltage is applied. If V = 0 in equation (1), then φ (V, x, y) = 0, and Φ 0 = Φ (0, x, y). For this reason, in the
アナログ型の磁気光学素子は電圧が印加されると、入射光の偏光方向を回転させる。電圧非依存性位相変調特性は、図16のマイケルソン干渉計80にて電圧を印加せずに測定した光の偏光方向の回転の画素毎によるバラツキを示している。また電圧依存性位相変調特性は、図16のマイケルソン干渉計80にて電圧を印加して測定した光の偏光方向の回転量の画素毎のバラツキを示している。従って、マイケルソン干渉計80において、電圧を印加せずに測定した光の偏光方向の回転を元に、補正パターン12を作成する。また、マイケルソン干渉計80にて電圧を印加して測定した光の偏光方向の回転量を元に、LUT11を作成するようにすればよい。
When a voltage is applied to the analog type magneto-optical element, the polarization direction of incident light is rotated. The voltage-independent phase modulation characteristic shows the variation of the rotation of the polarization direction of light measured for each pixel without applying a voltage with the
本発明の位相変調装置は、レーザー加工、光ピンセット、適応光学、各種撮像光学系、光通信、非球面レンズ検査、短パルスレーザーのパルス波形制御、光メモリ等に用いるのに適している。 The phase modulation apparatus of the present invention is suitable for use in laser processing, optical tweezers, adaptive optics, various imaging optical systems, optical communication, aspheric lens inspection, pulse waveform control of a short pulse laser, optical memory, and the like.
1,100,200 LCoS型位相変調装置
2,120 LCoS型空間光変調器
31 処理装置
35 加算装置
36,136 LUT処理装置
37 画素位置検出装置
32,132 DA回路
321 駆動部
46 変換手段
48 画素位置検出手段
47 入力値設定手段
11 ルックアップテーブル
12 補正パターン
15 LUTマップ
1,100,200 LCoS type phase modulation device 2,120 LCoS type
Claims (9)
各画素に対して入力値を設定する入力値設定手段と、
各画素を、当該各画素に電圧を印加したときの当該各画素における位相変調量を示す位相変調特性に基づいて、複数のグループの内の1つと関連付けるように設定された参照データマップと、
該複数のグループに対して1対1に対応して設けられた複数の参照データと、
該参照データマップを用いて、各画素に対して、当該画素が関連付けられたグループに対応した参照データを特定する特定手段と、
各画素に対して入力された入力値を、前記特定手段で特定された参照データを参照して、制御値に変換する変換手段と、
前記制御値を電圧値に変換し、各画素を前記電圧値の駆動電圧にて駆動する駆動手段とからなることを特徴とする位相変調装置。 A spatial light modulator comprising a plurality of pixels arranged two-dimensionally adjacent to each other, each pixel performing phase modulation on input light in response to application of a drive voltage;
Input value setting means for setting an input value for each pixel;
A reference data map set to associate each pixel with one of a plurality of groups based on a phase modulation characteristic indicating a phase modulation amount in each pixel when a voltage is applied to the pixel ;
A plurality of reference data provided in a one-to-one correspondence with the plurality of groups;
Using the reference data map, for each pixel, specifying means for specifying reference data corresponding to a group associated with the pixel;
Conversion means for converting an input value input to each pixel into a control value with reference to the reference data specified by the specifying means;
A phase modulation apparatus comprising: a driving unit that converts the control value into a voltage value and drives each pixel with the driving voltage having the voltage value.
前記駆動手段は、前記制御値を、前記動作電圧範囲内に設定された所定の電圧範囲内の電圧値に変換するとともに、各画素を前記電圧値の駆動電圧にて駆動し、
前記所定の電圧範囲は、前記複数の画素のうちの少なくとも1つの画素に所定の範囲の電圧値の電圧を印加したときの当該少なくとも1つの画素における電圧と位相変調量との関係を示す電圧依存性位相変調特性に基づいて設定されていることを特徴とする請求項1に記載の位相変調装置。 Each pixel can be driven with a voltage value within the operating voltage range,
The drive means converts the control value into a voltage value within a predetermined voltage range set within the operating voltage range, and drives each pixel with a drive voltage of the voltage value,
The predetermined voltage range is a voltage dependency indicating a relationship between a voltage and a phase modulation amount in at least one pixel when a voltage having a voltage value in a predetermined range is applied to at least one pixel of the plurality of pixels. The phase modulation apparatus according to claim 1, wherein the phase modulation apparatus is set based on a characteristic phase modulation characteristic.
前記参照データマップは、LCoS型空間光変調器のシリコン基板の歪みを示す値に基づいて、画素の位置情報と、該画素と関連付けられたグループに対応する参照データとを関連付けていることを特徴とする請求項1乃至4に記載の位相変調装置。 The spatial light modulator is an LCoS spatial light modulator, and the LCoS spatial light modulator has a glass substrate and a silicon substrate,
The reference data map associates pixel position information and reference data corresponding to a group associated with the pixel based on a value indicating distortion of the silicon substrate of the LCoS spatial light modulator. The phase modulation device according to claim 1.
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