空間光位相変調器 LCOS-SLM

空間光位相変調器
LCOS-SLM
第 12
章
1 空間光変調器
1-1
1-2
空間光変調器とは
当社における空間光変調器の歴史
2 光の波面制御
2-1
2-2
波としての光の波面
光学デバイスや光学技術による光の波面制御
3 構造
4 特性
位相変調特性
時間応答特性
光利用効率
回折効率
面精度
耐光性
駆動タイミング
章
4-1
4-2
4-3
4-4
4-5
4-6
4-7
12
空間光位相変調器
5 応用例
5-1
5-2
5-3
ビーム成型
位相補償
光パルス整形
−
L
C
O
S
S
L
M
303
空間光位相変調器
LCOS-SLM
LCOS-SLM (Liquid Crystal On Silicon - Spatial Light Modulator)は、
アドレス部にCMOS技術を応用して液晶を直接電圧制
御することにより、高精度と高速応答を実現した反射型電気アドレス空間光位相変調器です。最適な光学設計により、高い回
折効率と光利用効率を実現しています。
コントローラ部には、
インターフェースとしてPCディスプレイなどの標準規格であるDVI (Digital Video Interface)を採用してお
り、
PCディスプレイに表示するのとまったく同じ方法で光の位相の空間分布を制御することが可能です。
一般的にLCOS型SLM
では、
ミラーの表面の歪曲、液晶層の厚さの不均一性、液晶の非線形応答性などによる制御歪みが避けられませんが、
当社の
LCOS-SLM X10468シリーズではデジタル処理によりこれらの影響を補正し、
高精度な制御を実現しています。
X10468シリーズ
では、
PCからの制御が容易であるだけでなく、
高精度・高線形な空間光位相変調を実現しています。
X10468シリーズには、使用する光源の波長に対応して8つのラインアップを用意しています。誘電体多層膜ミラータイプ
(X10468-02/-03/-04/-05/-06)とアルミミラータイプ (X10468-01/-07/-08）
に大別されます。
誘電体多層膜ミラータイプには、素子の反射率を高めるためにレーザの発振波長に対応した誘電体多層膜ミラー [-02: チ
タンサファイアレーザ (800 nm帯), -03: YAGレーザ (1064 nm), -04: YAGレーザ第2高調波 (532 nm), -05: LD (405 nm), -06:
He-Neレーザ (633 nm)]が形成されています。
誘電体多層膜ミラーによって反射率を高めることにより、
内部での吸収率も低減
されているため、
ハイパワーレーザにも対応することが可能ですが、
カバーする波長域は狭くなっています。
アルミミラータイプは、
CMOSチップ上のアルミ電極による反射を利用しており、
反射率は前者に劣りますが、
反射波長域は広
くなっており、
400 nmから1550 nmまでを3タイプでカバーしています。
浜松ホトニクスの空間光位相変調器 LCOS-SLM
章
12
空間光位相変調器
−
L
C
O
S
S
L
M
304
KACCB0270JB
1. 空間光変調器
1.
空間光変調器
平行配向ネマティック液晶空間光変調器 PAL-SLM
1992年には、平行配向ネマティック液晶空間光変調器
1-1
空間光変調器とは
PAL-SLM (Parallel-Aligned nematic Liquid crystal Spatial
Light Modulator)を製品化しました。MSLMに対して、
空間光変調器 (SLM: Spatial Light Modulator）
は、
光を
PAL-SLMは高解像度・高速性と小型・低電圧駆動を実現
2次元的に制御するためのキーデバイスです。
アドレス部
しました。光アドレス材料としてa-Si:H光導電体を、光変調
と光変調部から構成され、
アドレス部への書き込み情報に
材料として液晶を用い、液晶を平行に配向することにより
より光変調部の光学的特性を変化させ、
その変化に応じ
強度変調を伴わない純粋な位相変調を行うことが可能に
て読み出し光が変調され、書き込み情報を反映した光出
なりました。
力を得る並列3端子デバイスです。光の位相・偏波面・振
幅・強度・伝搬方向などの空間分布を、書き込み情報によ
[図1-2] 平行配向ネマティック液晶空間光変調器 PAL-SLM
り変調させます。
なお、空間光変調器の中で、光の位相を
変調するものが、
空間光位相変調器です。
電子産業では、
トランジスタ・IC・LSI・VLSIといった基本
素子の劇的な開発ペースに支えられて大きな発展を遂げ
ることができました。
光産業においても、
光制御における基
本素子である空間光変調器の進展が望まれています。
1-2
当社における
空間光変調器の歴史
当社は1980年に空間光変調器の研究開発に着手し、
こ
空間光位相変調器 PPM
れまで30年以上にわたって、
さまざまな素子を製品化して
光システムとコンピュータシステムとの連携が必要とさ
きました。
その歴史の一端を紹介します。
れる中で、PCからの制御による電気書き込み型の空間光
変調器として、
空間光位相変調器 PPM (Programmable
空間光変調管 MSLM
Phase Modulator)を1998年に製品化しました。
PPMは、
電
気アドレス型の液晶パネルと光書き込み型のPAL-SLMを
リレーレンズで結合した構造をもっています。
PPMは、
産業
channel Spatial Light Modulator)を製品化しました。
光アド
への応用に向けた研究開発に数多く利用されました。
ム非線形光学結晶（LiNbO3）
を用いた電子管の構造をも
12
空間光位相変調器
レス材料として光電面、光変調材料としてニオブ酸リチウ
章
当社は、1985年に空間光変調管 M S L M (M i c r o-
[図1-3] 空間光位相変調器 PPM
ち、
入力感度が高く、
多くの内部演算 (2値化・蓄積・加算・
減算・エッジ強調・コントラスト反転・AND・OR・拡大・縮
小・回転・偏向など)が可能であり、
さまざまな光の研究分
野において利用されました。
[図1-1] 空間光変調管 MSLM
−
L
C
O
S
S
L
M
空間光位相変調器 LCOS-SLM
空間光位相変調技術を産業化するために、PPMの小
型化・低コスト化を目指して、
2001年から空間光位相変調
器 LCOS-SLMの開発に着手し、
2007年に製品化しました。
LCOSとは、
CMOS技術で電気アドレス部を構成し、
その上
305
に光変調部である液晶層を配置した構造を意味します。
2.
光の波面制御
2-1
波としての光の波面
[図1-4] 空間光位相変調器 LCOS-SLM素子
光は、波動性と粒子性を併せもった量子です。光学系
の設計や解析などを行うときに光の粒子性を考慮する必
要性は小さく、多くの場合、光を波 (電磁波)として取り扱
います。
電磁波として光を扱う理論は電磁気学ですが、
実
際には電磁気学の近似理論である波動光学や幾何光学
(光線光学)が用いられます。以下に、波動としての光と、
光の位相や波面について説明します。
光は横波なので、光がz軸方向に進みその電場がy軸
方向に振動するとき、
波長 λと振幅 Aと位相 φを用いて式
(1)で表せます。
f(y) = A cos(2πz/λ - φ) …… (1)
波長は波のスペクトルを表し、波長で光速を割ると光の
周波数になります。振幅は波の強さに関係していて、振幅
の2乗が波の強さ (エネルギー)となります。位相は、波の
頂点が基準点からどれだけ離れているかを表します。実
際には、波は時間によって振動するため、式 (1)に時間に
依存する項が加わりますが、簡略化するために省略して
あります。
時間変化のない、
恒常的な光学系の振る舞いを
記述する際には式 (1)のように時間振動項を無視します。
光の波は式 (2)でも表されます。
f(y) = Ae i(2πz/λ - φ) …… (2)
式 (2)は物理的には式 (1)と同じですが、
数式の取り扱い
章
12
が簡単なため、
よく用いられます。
式 (2)の表現を解析信号
と呼びます。
空間光位相変調器
−
L
C
O
S
[図2-1] 波の物理量
KACCC0692JA
S
L
M
実際には、
光波は1次元軸上だけで振動しているのでは
なく、
3次元的に広がりながら進みます。
非常に小さな光源
(点光源)が真空中にあり、
それがある時間に点灯したとす
ると、
光はその瞬間から光の速度でもって等方的に (球面
状に)広がります。
このような光波の3次元的な広がりを記
述するのに波面という概念が用いられます。図2-2に示す
ように、
光の波面は波の頂点をつないだ等位相面です。
306
1. 空間光変調器 2. 光の波面制御
[図2-2] 光の波面と光線
[図2-3] ホイヘンスの原理
(a)
KACCC0694JA
(b)
KACCC0693JA
点光源から出た光の波面は、球面状 (球面波)です。
KACCC0695JA
また、
レーザから出た光の波面は、
おおむね平面状 (平面
波)です。
光波が進む途中にガラスなどの透明物体がある
図2-3 (b)は、平面波の光で、小さな穴のある遮光スク
と、屈折率の分だけ光の速度が低下し、
その部分の波面
リーンを照射した場合を示します。遮光スクリーンの後ろ
の進行が遅れ、波面形状が変わります。
このように、初期
側では、光は球面上に広がります。遮光スクリーンの穴か
の波面形状は光源の性質に依存し、
それが伝搬していく
ら、光が遮光物体を回り込むように球面状に広がります。
途中で物質と相互作用することにより波面の形状が変化
この現象は光線の振る舞いからは説明できませんが、
ホイ
します。変形した波面の伝搬については、光線と関連して
ヘンスの原理からは説明できます。
いて説明できます。光線を用いる理論は幾何光学 (光線
スや水に入射するときなど屈折率が変化しているところで
光学)で、
ホイヘンスの原理を用いる理論が波動光学で
は、
スネルの法則に従って光線の進行方向は屈曲します。
す。光線は波長を極限まで短くした波であるため、幾何光
このとき、
光の一部は表面で反射して進行方向が変わりま
学は電磁気学を近似した理論と捉えることができます。波
す。
光線は波面に対して垂直のため、
光線の振る舞いを調
動光学は両理論の中間的な理論です。電磁気学→波動
べることで、
屈折や反射に伴う波面の変化が分かります。
光学→幾何光学の順で、適用できる現象が多くなります。
次に、光波の進行方向に遮光物体があるときの光波の
電磁気学では、適用できる現象が限定され、光学系の設
振る舞いについて述べます。遮光物体が太陽やレーザ光
計には不便です。光学設計、光現象の解析では多くの場
に照射されて影ができた場合、
影は物体に近いところでは
合、
大まかな性質を調べるために幾何光学を適用して、
詳
くっきりとしていますが、
離れたところでは影の境界がぼや
しく調べたい現象について波動光学を適用します。
けます。
この現象は、光の回り込み (回折)によります (光
空間光変調器は光の波面 (位相の空間分布)を直接に
源である太陽やレーザが大きさをもつことも原因となって
制御できるため、
波動光学を理解すると扱いやすくなります。
12
空間光位相変調器
このように、光波の伝搬を光線とホイヘンスの原理を用
屈折率が一定の物質内では直進します。空気中からガラ
章
考えると便利です。光線は波面に垂直な線で、真空中や
います)。
この光の回折現象に加えて、反射・屈折について、
ホイ
ヘンスの原理を用いて説明することができます。
ホイヘン
スの原理は、特定の瞬間の波面上に点光源があるものと
2-2
光学デバイスや光学技術
による光の波面制御
−
S
L
M
して、
そこから2次波が出て、
ある時間の経過後、2次波が
重なって新たな波面となるという原理です [図2-3 (a)]。
L
C
O
S
光の波面
（位相の空間分布）
を制御することで、
さまざま
な機能を実現できます。多くの光学デバイス（レンズ、
プリ
ズムなど）
や光学技術は光線追跡をもとに設計されること
が多いですが、実は波面を制御してそれぞれの機能を実
現しているとみなすことができます。
空間光変調器でも、
光
の波面を制御して、光学デバイスや光学技術の機能を実
現することができます。
さらに、
機能を変更したり、
複数の機
能を同時に実現することも可能です。
代表的な光学デバイ
307
ス・光学技術の光の波面制御について以下に説明します。
構造の形状を工夫すると、
1つの特定の方向だけで光が強ま
るようにすることができます [ブレーズド (blazed）
回折格子]。
レンズ
[図2-5] 反射型回折格子による光の分岐
レンズの結像による光の波面制御について説明します。
焦点距離 fのレンズから2fの位置に点光源を置くと、
その
レンズの反対側で2fの位置に点像が形成されます。光源
から波面が球面状に広がり、
レンズに入射するときは曲率
-1/2fの球面となっています。
レンズから出た光は1点に集
KACCC0697JA
光しますから、
レンズを出た直後の波面は曲率 1/2fの球面
です。
レンズは、波面にそれらの差分である曲率 1/fの球
面状の変化を加えていることになります。幾何光学ではレ
収差補正技術
ンズには光線を曲げる作用があると考えますが、前述した
ように波動光学ではレンズには球面状の波面変化を加え
収差補正技術による光の波面制御について説明しま
る作用があると考えます。
す。理想的なレンズによる結像は、1つの点光源から出た
光を1つの点像に集光します。
しかし、
実際のレンズでは理
[図2-4] レンズの結像
想的な結像からのズレがあり、
これを収差といいます。
この
ような収差を減少させて、良好な結像状態を得るための
技術が収差補正技術です。
レンズが理想的な結像を実現するためには、
レンズを透
過した後の光の波面が球面波である必要があります。
し
かし、
レンズに収差があるために波面形状にズレが生じま
KACCC0696JA
す。
このような理想的な波面からのズレを波面収差と呼び
ます。
すべてのレンズには収差が存在します。
ただし、
特定
回折格子
分光器などに用いられる回折格子 (グレーティング)による
光の波面制御について説明します。
回折格子は、
光の回折
現象を利用して、
光を波長ごとに分ける光学素子です。
回折
格子は周期的な構造をもち、
その周期は通常は波長と同程
章
12
空間光位相変調器
−
L
C
O
S
度かその数倍∼数十倍です。
回折格子には反射型と透過
型がありますが、
反射型を例にとって、
その原理を簡単に説
明します。
図2-5は、
反射型回折格子による光の分岐を示しま
す。
反射型回折格子は、
表面に周期的な凹凸構造をもつ平
面あるいは円筒面を鏡に形成するか、1枚の平面鏡か円筒
鏡に等間隔に並んだ細長い傷を付けることで作成します。
す
なわち、
細長い微小鏡が周期的に並んだような構造となって
います。
回折格子に光の波面が入射すると、
周期的な微小
鏡のそれぞれで光が反射し、
それらが2次光源となり、
それぞ
れの鏡から球面波が広がります。
ホイヘンスの原理を適用
S
L
M
すれば、
周期的に並んだ2次光源からの球面波を足し合わ
せることで、
回折格子からの反射光の状態が説明できます。
実際に計算すると、
光の進む方向 (角度)に応じて、
光が強
まったり弱まったりすることが分かります。
また、
光が強まるの
は複数の特定の方向であることも分かります。
このことは、
回
折格子は光を複数の方向に分岐させることを意味します。
回
折格子は、
1つの波面に周期的な変化を作り出し、
複数の異
なる方向の光の波面に分岐するデバイスであると考えられ
ます。
分岐した光の波面はレンズを通ると、
複数の位置に光
点が集光されます (多点ビーム)。
また、
回折格子の周期的
308
の条件において、
ほぼ無収差を実現できる場合がありま
す。
たとえば、反射型望遠鏡によく使われる放物面ミラー
は、光軸上に結像するときはほぼ無収差です。
しかし、
そ
れ以外の位置における結像では波面収差が発生します。
すなわち、画面の中心だけがほぼ無収差で、画面の周辺
に行くほど像がぼやけます。
収差は、
光路の途中に置かれ
たガラス板や観察対象の物体によっても発生します。
波面の理想からのズレを減少させることによって収差を
補正して、
良好な結像状態を得ることができます。
たとえば
シュミット・カセグレン望遠鏡では、放物面ミラーの前方に
補正板 (表面を特定の形状に加工したガラス板)を置くこ
とで収差補正を実現しています。遠方の星からの光は望
遠鏡に入るときは平面波となっています。
この望遠鏡では、
その平面波を補正板によって変形させた後、
放物面ミラー
で集光します。
これによって、視野周囲の収差が大幅に減
少し、周辺の像が劇的にクリアになります。一方、
これによ
り視野中心では収差が発生しますが、
その収差量を許容
範囲内に収めています。
このようにシュミット・カセグレン望
遠鏡では、星からの光の波面を意図的に歪ませて、収差
補正を行っています。
以上、
3つの事例を見てきましたが、
他のさまざまな光学
デバイスや光学技術も、
波面の変化で理解することができ
ます。
空間光変調器で、
そのような波面の変化を実現すれ
ば、
それらのデバイスや技術のもつ機能を自由自在に実現
することができます。
2. 光の波面制御 3. 構造
3.
[図3-2] LCOS-SLM X10468シリーズ
構造
LCOS-SLMは、Si基板上に液晶を配置した構造をもつ
空間光変調器です。Si基板上には半導体技術によって電
気アドレス回路が構築され、最上層にはアルミ電極によっ
て画素を構成し、それぞれの画素で独立して電位を制
御できるようになっています。Si基板の上に一定の間隙を
保ってガラス基板を保持し、
その間隙に液晶材料を配置
しています。
液晶分子はSi基板とガラス基板上に施された
配向制御技術によって、両基板間でツイストせずに基板
に対して平行に配向されています。
アルミ電極の電位を
画素ごとに独立に制御することにより、
ガラス基板に形成
された共通電極との間の電圧が画素ごとに制御され、
そ
の電圧に応じて液晶分子が起き上がることによって光の
位相が変調されます。液晶分子が寝た状態と起き上がっ
た状態において屈折率の差が発生することにより、
液晶を
通過する光の光路長が変化して位相に差を生じます。
こ
こで、
入射する直線偏光の偏光方向と液晶分子の配向方
向を一致させることにより、光の位相のみを変調すること
が可能となります。直線偏光の偏光方向と液晶分子の配
向方向が一致していない場合、
あるいは直線偏光以外の
光が入射した場合には、光の偏波面が変化して位相のみ
の変調ではなくなるため、
注意する必要があります。
[図3-1] LCOSチップの構造
章
12
空間光位相変調器
KACCC0698JA
LCOS-SLM X10468シリーズは、図3-2に示すように、2
本のケーブルで接続したヘッドとコントローラにより構成さ
−
L
C
O
S
S
L
M
れています。
コントローラはPCにDVI-Dインターフェースで
接続し、PCから送られる位相画像に対応した位相変調を
行うことができます。液晶ディスプレイと同じ制御方式で
あり、通常はPCの第2画面をコントローラに割り当てます。
PCから送られる位相画像は8ビットで256階調ですが、
コ
ントローラ内部で8ビットから12ビットへの変換をルックアッ
プテーブル (LUT)によって行い、
液晶屈折率の電圧に対
する非線形応答を補正します。
これにより、線型性の高い
256階調の位相レベルとして制御することが可能です。
309
4.
特性
4-1
位相変調特性
(b) 位相変調量
LCOS-SLMの出力が強度変調として得られる図4-1のク
ロスニコル光学系において、
8ビット256階調の画素値に対
応した強度変化を測定します。LCOS-SLMにおいて液晶
分子の配向方向は水平となるように構成されており、
レー
ザ光の偏光方向が液晶分子に対して45度となるように偏
光子を設定し、検光子はクロスニコル配置となるように135
度に設定します。
アパーチャサイズはφ10 ｍｍに設定しま
す。
出力光量 (I)から位相値 (φ)を式 (3)から算出します。
KACCB0313JA
一例として、X10468-03の出力光強度の測定結果と位相
LCOS-SLMの位相変調量は、
波長によって異なります。
変調量の算出結果を図4-2に示します。
X10468シリーズの8つのタイプでは、
対応波長域の上限に
I = (Imax - Imin) sin2 (φ/2) + Imin …… (3)
おける最大位相変調量が2.28π radとなるように調整して
いるため、
0.009π/digitとなります。
Imax : 最大光量
Imin : 最小光量
[図4-1] 位相変調特性の測定系 (クロスニコル光学系)
4-2
時間応答特性
定義
2πの位相差を遷移 (10％∼90％)する際の時間応答特
性において、
画素値を大きい値から小さい値に変化させた
ときの遷移時間を上昇時間、小さい値から大きい値に変
化させたときの遷移時間を下降時間と定義します。
8ビット
の画素階調値と対応させると、
画素値ゼロのときに電圧値
KACCC0699JA
章
12
空間光位相変調器
−
は最大で、画素値が増えると電圧値が下がるようにコント
ローラが設定されています。
[図4-2] 位相変調特性 (X10468-03, 代表例)
(a) 出力光強度
測定方法
位相変調を強度変調として観測する図4-1の光学系に
おいて、
出力光量の変化をフォトダイオードとオシロスコー
プで測定します。位相 0と2πを切り替えたときの出力光量
L
C
O
S
変化を測定し、
光量変化を位相変化に変換し、
10％∼90％
の遷移にかかる上昇／下降時間を算出します。一例とし
S
L
M
て、
X10468-03の時間応答特性を図4-3に示します。
KACCB0312JA
310
4. 特性
[図4-3] 時間応答特性 (X10468-03, 代表例)
測定結果
(a) 出力光強度
X10468シリーズの上昇時間・下降時間の平均値を表
4-1に示します。
上昇時間の方が速い傾向にあります。
光利用効率
4-3
定義
1 Vから最大電圧値 (Vhigh)の印加電圧で駆動した場
合の反射光量の平均値 (Iave)を求めます。
その値の入射
光量 (Ipow)に対する割合を光利用効率と定義します。
光利用効率 = Iave / Ipow [%] …… (4)
KACCB0314JA
測定方法
(b) 位相変調量
入射光の偏光方向と液晶分子の配向方向を一致させ
た図4-4に示す位相変調光学系において、
1 Vから最大電
圧値の範囲を128分割した印加電圧ごとの反射光量を測
定します。入射角度 (θ)は10度以内、
アパーチャサイズは
φ6 mmに設定します。
[図4-4] 光利用効率の測定系
KACCB0315JA
KACCC0700JA
章
12
空間光位相変調器
[表4-1] 応答速度の評価結果（平均値）
型名
光源の波長 (nm)
X10468
-01
-02
-03
-04
-05
-06
-07
-08
633
785
1064
532
407
633
1064
1064
上昇時間 (ms)
5
30
18
10
6
9
9
11
下降時間 (ms)
26
81
76
23
21
26
81
92
−
L
C
O
S
S
L
M
311
[表4-2] 光利用効率の評価結果（平均値）
X10468
型名
-01
光源の波長 (nm)
光利用効率 (%)
型名
532
78.5
633
78.9
-03
-04
-05
785
95.1
1064
95.7
532
94.3
407
92.1
X10468
-07
-06
光源の波長 (nm)
光利用効率 (%)
-02
633
95.2
633
78.1
785
71.5
-08
1064
82.5
1064
83
[表4-3] 回折効率測定用の光源の波長
型名
光源の波長 (nm)
-01
-02
-03
633
785
1064
測定結果
X10468
-04
-05
-06
-07
-08
532
633
1064
1064
407
[図4-5] 回折効率の測定系
X10468シリーズの光利用効率の平均値を表4-2に示し
ます。対応波長範囲が広いアルミミラータイプのX1046801/-07では、
複数の光源にて測定を行いました。
誘電体多
層膜ミラータイプでは90％以上の光利用効率を実現し、
ア
ルミミラータイプでは70∼83%の光利用効率を実現してい
ます。
光量ロスの主な要因は、
画素構造に起因する回折光
KACCC0701JA
の発生、
液晶層での散乱、
透明電極での吸収などです。
[図4-6] 回折格子の位相分布
4-4
回折効率
定義
回折効率は、LCOS-SLMにブレーズド回折格子を模し
章
12
空間光位相変調器
−
L
C
O
S
た位相パターンを表示したときの1次回折光量 (I1st)と0次
光量 (Iave)から式 (5)で定義します。
ただし、2値の回折
格子の場合には、
±1次光量の平均値を回折光量としまし
た。0次光量は、入力階調値を0∼255に変化させたときの
平均値とします。
回折効率 = I1st/ Iave [%] …… (5)
KACCC0702JA
測定結果
測定に使用した光源の波長を表4-3、
回折効率の測定
結果と理論値を図4-7に示します。表示する回折格子ごと
の空間周波数は、
2値: 25 lp/mm、
4値: 12.5 lp/mm、
8値:
6.25 lp/mm、
16値: 3.125 lp/mmです。
[図4-7] 回折効率 (代表例)
測定方法
S
L
M
入射光の偏光方向と液晶分子の配向方向を一致させ
た図4-5に示す位相変調光学系において、1次回折光量
の測定を行います。
入射角度 θは10度以内、
アパーチャサ
イズはφ10 mmに設定します。表示する回折格子には、図
4-6に示す4種類を用います。
KACCB0316JA
312
4. 特性
測定結果
面精度
4-5
X10468シリーズの面精度の評価結果を表4-4に示しま
定義
す。算出された面形状データにおいて、PV値とRMS値を
平均してまとめました。
LCOS-SLMの有効画素領域 (16 × 12 mm)の面歪量に
ついて、
最も高いところと低いところの差（最大変位量）
を
耐光性
4-6
PV（peak to valley）
値として、
そのバラツキをRMS値として
評価します。
LCOS-SLMに大パワーレーザ光を入射した場合、物理
的な損傷または不可逆的な特性変化が発生する場合が
測定方法
あります。損傷や不可逆的な特性変化の発生の有無を調
入射光の偏光方向と液晶分子の配向方向を一致させ
べるため、
レーザ照射試験を行い試験後の検査によって
た図4-8に示す位相変調光学系において、LCOS-SLMと
損傷や特性変化が発生しているかを調べます。物理的な
参照ミラーとの間の干渉縞を取得します。
その干渉縞か
損傷としては、
透明電極・誘電体多層膜・アルミミラーの損
ら、
フーリエ変換にて位相分布を計算し面精度を算出しま
傷や液晶材料の沸騰による熱的損傷があります。不可逆
す。干渉縞と算出された面精度の測定例を図4-9に示しま
的な特性変化としては、
超短パルスレーザ照射時の2光子
す。
図4-9 (b)の面形状においては、
8ビット階調値 0∼255
吸収による構成材料の特性変化や紫外線 (400 nm以下)
で、1波長に対応する位相差を示しています。LCOS-SLM
照射時の構成材料の特性変化があります。
また、LCOS-
の位相変調量は波長によって異なるため、
X10468シリーズ
SLMの光吸収による温度上昇に伴う、液晶の温度特性に
のそれぞれについて代表的な光源の波長において評価
起因する可逆的な特性変化が存在します。
を行います。
照射試験後に外観検査・出力像評価・位相変調特性評
価を行い、電圧を印加していないときに確認できる異常が
[図4-8] 面精度の測定系
あれば物理的な損傷と判断し、
電圧を印加したときに確認
できる異常があれば不可逆的な特性変化と判断します。
耐光性試験を実施した例を表4-5に示します。耐光性
は、
素子に入射する平均パワー (全入射光量)、単位面積
当たりのピークパワー (光パワー密度)に依存します。
X10468-05において、
400 nm以下の紫外域で使用する
と、素子が損傷する可能性があります。400 nm以下の使
章
12
用に関しては、
お問い合わせください。
KACCC0703JA
空間光位相変調器
[図4-9] 面精度の測定例
(a) 干渉縞 (b) 面精度形状
−
L
C
O
S
S
L
M
[表4-4] 面精度の評価結果（平均値）
型名
X10468
-01
-02
-03
-04
-05
-06
-07
-08
光源の波長 (nm)
633
785
1064
532
407
633
1064
1064
PV値
1.8λ
2.7λ
2.4λ
2.4λ
2.2λ
2.5λ
1.1λ
2.0λ
RMS値
0.4λ
0.6λ
0.6λ
0.6λ
0.5λ
0.6λ
0.3λ
0.5λ
313
[表4-5] 耐光性試験 (代表例)
入射光量
光源
種類
波長
(nm)
パルス
幅
繰り返し
周波数
(kHz)
-
-
結果
ビーム径
1/e2
(mm)
入射
時間
平均
パワー
(W)
単位面積
当たりの
平均パワー
(W/cm2）
ピーク
パワー
単位面積
当たりの
ピーク
パワー
損傷
特性
変化
φ1
5時間
0.025
3.2
-
-
なし
なし
φ9
3時間
(a) X10468-01
YAG-SHG
レーザ (CW)
532
(b) X10468-02
Ti:Sレーザ
(パルス）
50 fs
1
800
30 fs
0.01
-
-
-
-
4.3
2.7
2.9
54.6
GW
85.8
GW/cm2
57.5
GW/cm2
あり
φ11
10時間
なし
なし
φ18
6時間
0.05
0.02
173.3
GW
68.1
GW/cm2
なし
1時間
2
41
-
-
なし
数分
3.5
71
-
-
あり
1時間
2
41
0.13
kW
2.6
kW/cm2
なし
数分
3.5
71
0.22
kW
4.5
kW/cm2
(c) X10468-03
YAGレーザ
(CW)
1064
YAGレーザ
(パルス)
パルスレーザ
1030
φ2.5
200
ns
80
670
fs
1
φ4.5
10時間
0.6
3.8
0.90
GW
5.6
GW/cm2
1.37
ps
30
φ8.11
8時間
5.2
10
0.13
GW
0.25
GW/cm2
11.4
ns
10
φ13
8時間
17.4
13.1
0.15
kW
0.12
kW/cm2
1.8
2.6
65
MW
101
MW/cm2
3.2
4.9
115
MW
164
MW/cm2
4.3
3.3
30
kW
23
kW/cm2
なし
-
-
-
なし
-
-
-
あり
1
-
-
-
1.5
-
-
-
あり
2
-
-
-
あり
0.33
0.35
3.3
GW
3.5
GW/cm2
5.7
GW
6.0
GW/cm2
なし
あり
なし
(d) X10468-04
章
0.91
ps
12
空間光位相変調器
−
パルスレーザ
515
30
φ9.5
14.4
ns
10
φ12.8
-
-
-
8時間
なし
なし
あり
(e) X10468-05
L
C
O
S
S
L
M
0.92
ps
φ9.1
UV-LED
365
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1000
時間
2000
時間
500
時間
100
時間
0.5
なし
なし
(f) X10468-07
Ti:Sレーザ
(パルス）
314
800
100
fs
1
φ11
7時間
0.57
0.6
なし
なし
あり
4. 特性 5. 応用例
4-7
駆動タイミング
5.
応用例
5-1
ビーム成型
コントローラ内部にはフレームメモリが配置され、
フレー
ムレート 60 HzのDVI信号に同期して位相画像が格納さ
れます。
位相画像は480回/sでフレームメモリから読み出さ
れてD/A変換器 (DAC)に送られ、
LCOS-SLMを駆動する
光位相変調によって光の回折・干渉現象を制御するこ
アナログ信号となります。
通常、
液晶はAC駆動されるため、
とにより、
高効率に任意の光強度分布を形成することがで
液晶の駆動周期 (リフレッシュレート)は240 Hzとなり、
これ
きます。任意の光強度分布を生成するための位相分布を
に対応した位相揺らぎが観測されます。
ここで、液晶の応
コンピュータにより計算したものを計算機生成ホログラム
答時間 「
( 4-2 時間応答特性」
参照)はリフレッシュレートや
(CGH: Computer Generated Hologram)と呼び、
CGH技術
DVIフレームレート (60 Hz)よりも遅いため、
位相画像に対
による投影によって任意の光強度分布を形成することを
応した位相分布を得るための時間応答 (位相画像更新
ビーム成型と呼んでいます [図5-1]。一般的なビーム成型
周期)はこの液晶の応答時間に依存し、
10 Hzから数十Hz
方法として投影プロジェクタがありますが、
図5-2 (a)のよう
程度となります。
に、光の通過・遮断により光強度分布を形成しており、暗
い部分は光源の光をロスしていることになります。明るい
[図4-10] ブロック図
部分の比率が低いほど、光利用効率は悪化します。
これ
に対してCGH技術による投影は図5-2 (b)に示すように光
源の光強度分布を光の干渉を利用することによって任意
の強度分布に分配する方式であり、優れた光利用効率の
ビーム成型方法です。
CGH技術による投影は、
レーザ加工
や顕微鏡における構造化照明 (structured illumination)
への利用が期待されています。
[図5-1] ビーム成型
KACCC0741JA
章
[図4-11] タイミングチャート
12
空間光位相変調器
KACCC0704JA
[図5-2] 光強度変調と光位相変調の違い
(a) 光強度変調 (b) 光位相変調
−
L
C
O
S
S
L
M
KACCC0742JA
KACCC0705JA
5-2
KACCC0706JA
位相補償
光学システムには常に何らかの不均一性が存在し、
そ
の不均一性によって光の位相が乱されます。
たとえば図
5-3 (a)に示すように光学システムに収差が存在すると、
レ
315
ンズによる集光点がきれいな点にならなかったり、CGH技
術による投影が鮮明に再生されなかったりします。LCOSSLMを用いて収差補正することで、集光状態を理想に近
づけたり、CGH技術による投影を鮮明にすることが可能
となります [図5-3 (b)]。人間の眼球内部を観察する際に
は、
個人ごとに異なる水晶体の歪みによる収差をこの技術
によって補正することで、
より鮮明な画像を取得することが
可能となります [図5-4]。
対象物の内部をレーザ加工する
際には、対象物における収差を補正することにより、高精
度・高効率のレーザ加工を実現することが可能となります
[図5-5]。
5-3
光パルス整形
フェムト秒レーザなどの超短光パルスにおいては、
フェム
ト秒の時間領域で応答する電子デバイスが存在しないた
めに光パルスを直接制御することはできません。超短光
パルスを光学的フーリエ変換により周波数領域に変換し
て周波数フィルタリングを行い、逆フーリエ変換することに
よって時間領域における光パルスの振幅および位相を高
い自由度で制御する技術を光パルス整形と呼びます [図
5-6]。超短光パルスに含まれる周波数成分の振幅と位相
を個別に制御することにより厳密な制御が可能ですが、
振幅を制御すると光の利用効率が低下するため、一般的
[図5-3] 光学システムの収差補正
には位相だけを制御して近似的に時間波形を整形する
(a) 収差補正なし
手法が用いられます。
LCOS-SLMを用いた光パルス整形に
よる光パルス幅の制御や複数光パルス列生成を、
レーザ
加工や化学反応制御などに応用することが期待されます。
KACCC0707JA
[図5-6] 光パルス整形の原理
(b) 収差補正あり
KACCC0708JA
[図5-4] 眼底カメラにおける位相補償
(a) 収差補正なし (補正前眼底像)
(b) 収差補正あり (補正後眼底像)
KACCC0709JA
章
12
空間光位相変調器
−
L
C
O
S
構造が判別できない
視細胞まで判別可能
[図5-5] 側面から観察した集光ビーム
(a) 収差補正なし (b) 収差補正あり
S
L
M
316