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複素振幅像生成装置および複素振幅像生成方法

国内特許コード P170013975
整理番号 (S2014-0151-N0)
掲載日 2017年4月7日
出願番号 特願2015-546712
出願日 平成26年11月10日(2014.11.10)
国際出願番号 JP2014079699
国際公開番号 WO2015068834
国際出願日 平成26年11月10日(2014.11.10)
国際公開日 平成27年5月14日(2015.5.14)
優先権データ
  • 特願2013-233492 (2013.11.11) JP
発明者
  • 岡本 淳
  • 渋川 敦史
出願人
  • 国立大学法人北海道大学
発明の名称 複素振幅像生成装置および複素振幅像生成方法
発明の概要 光波に対して位相差exp(jθ)を付加するPSLM(15a)と、光波に対して位相差exp(jθ)を付加するおよびPSLM(15b)と、位相差exp(jθ)が付加された光波と、位相差exp(jθ)が付加された光波とを重ね合せることによって複素振幅像Aexp(jφ)を生成する光分波器(14a)と、を備える。
従来技術、競合技術の概要


従来、光複素振幅場(光の位相および振幅)を生成する技術もしくは操作する技術は光学分野において極めて重要な役割を担っている。光複素振幅場の生成および操作は、高次ベッセルビームやラゲールガウスビーム等のビーム形成、光ピンセット〔非特許文献1参照〕、ホログラフィックメモリ、3D(3次元)ディスプレイ、および、大気揺らぎの補正〔非特許文献2参照〕などのあらゆる分野で応用されている。この光複素振幅場の生成もしくは操作を実現するデバイスとして、上述した応用分野を含めほとんどの場合において、空間光変調器(SLM: Spatial Light Modulator;以下、「SLM」と略称する)が用いられている。電気的な制御が可能なSLMは、10ピクセル程度の高解像度のデータページで、かつ60Hz程度のリフレッシュレートで変調パターンを再構成可能である点など、非常に自由度が高い素子である。



SLMを活用して光複素振幅場を生成もしくは操作する方法として、キノフォームと呼ばれる技術が古くから提案されている〔非特許文献5参照〕。このキノフォームは、入射光エネルギーを全て所望の複素振幅を持つ回折光に費やすことができるという利点がある。図13の(a)に示す光学系301aは、従来のキノフォーム画像の生成過程を実現する光学系の一例である。また、図13の(b)に示す光学系301bは、従来のキノフォームを利用した複素振幅情報の再生過程を実現する光学系の一例である。なお、これらの図において「FT」は、フーリエ変換の略称を示す。



図13の(a)に示す光学系301aの入力空間(FT面近傍に限定される)に入力された入力像としての2D像または3D像の光波は、FTレンズによってフーリエ変換を施され、出力面にてキノフォーム画像に変換される。次に、図13の(b)に示す光学系301bでは、SLMにて表示された散乱位相画像の光波はFTレンズによって逆フーリエ変換を施され、再生空間(FT面近傍に限定される)にて元の2D像または3D像が再生される。



この方法では、「拡散性の強い物体のフーリエ変換分布は、散乱波面を形成し、その散乱波面における位相分布は元物体のほとんど全ての重要な特徴を保持している」という統計的な性質を基に、散乱位相画像のみをSLMに表示し、振幅と位相とを含む元物体の複素振幅情報を再生する。



また、この方法では、上記の統計的な性質を基に、入射光に対して位相画像を変調することで元物体の複素振幅情報を再生する。この方法は、ホログラムの代りに位相画像をSLMに表示するため、入射光のエネルギーおよびSLMの空間バンド幅を全て所望の複素振幅場のみに費やすことができるというメリットがある。また、この方法では、参照光の生成や不要な回折次成分の分離にかかる処理を省略することもできるため、動画再生や3Dディスプレイへの応用においては大きな優位性を持つという特長がある。

産業上の利用分野


本発明は、複素振幅像生成装置および複素振幅像生成方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
光波を出射する光源と、
マトリクス状に配列される位相値の分布である第1の空間的な位相差を付加するための光波を、上記光源から出射された光波に対して重ね合せることで、上記第1の空間的な位相差が付加された光波を生成し、第2の空間的な位相差を付加するための光波を、上記光源から出射された光波に対して重ね合せることで、上記第2の空間的な位相差が付加された光波を生成する位相付加部と、
上記位相付加部によって、上記第1の空間的な位相差が付加された光波と、上記第2の空間的な位相差が付加された光波と、を重ね合せることによって複素振幅像を生成する合波部と、を備えることを特徴とする複素振幅像生成装置。

【請求項2】
上記位相付加部は、第1位相空間光変調器および第2位相空間光変調器を含み、
上記第1位相空間光変調器は、上記第1の空間的な位相差を付加するための光波を上記光源から出射された光波に対して重ね合せ、
上記第2位相空間光変調器は、上記第2の空間的な位相差を付加するための光波を上記光源から出射された光波に対して重ね合せることを特徴とする請求項1に記載の複素振幅像生成装置。

【請求項3】
上記位相付加部は、単一の位相空間光変調器を含み、
上記単一の位相空間光変調器は、複数のパルス変調波を出力し、
上記複数のパルス変調波のうち奇数番目に出力されるパルス変調波は、上記第1の空間的な位相差を付加するための光波であり、
上記複数のパルス変調波のうち偶数番目に出力されるパルス変調波は、上記第2の空間的な位相差を付加するための光波であり、
上記位相付加部は、
上記奇数番目に出力されるパルス変調波を、上記光源から出射された光波に対して重ね合せることで、上記第1の空間的な位相差が付加された光波を生成し、上記偶数番目に出力されるパルス変調波を、上記光源から出射された光波に対して重ね合せることで、上記第2の空間的な位相差が付加された光波を生成し、
上記合波部は、
上記光源から出射された光波に対して上記奇数番目に出力されるパルス変調波が重ね合された光波と、上記光源から出射された光波に対して上記偶数番目に出力されるパルス変調波が重ね合された光波と、を重ね合せることによって上記複素振幅像を生成することを特徴とする請求項1に記載の複素振幅像生成装置。

【請求項4】
上記複素振幅像から不要なパルス成分を除去する光シャッターを備えることを特徴とする請求項3に記載の複素振幅像生成装置。

【請求項5】
上記光源から出射された光波の偏光状態を調整する半波長板を備えることを特徴とする請求項1から4までのいずれか1項に記載の複素振幅像生成装置。

【請求項6】
マトリクス状に配列される位相値の分布である第1の空間的な位相差を付加するための光波を、光源から出射された光波に対して重ね合せることで、上記第1の空間的な位相差が付加された光波を生成し、第2の空間的な位相差を付加するための光波を、上記光源から出射された光波に対して重ね合せることで、上記第2の空間的な位相差が付加された光波を生成する位相空間光変調工程と、
上記位相空間光変調工程で上記第1の空間的な位相差が付加された光波と、上記位相空間光変調工程で上記第2の空間的な位相差が付加された光波と、を重ね合せることによって複素振幅像を生成する合波工程と、を含むことを特徴とする複素振幅像生成方法。

【請求項7】
上記位相空間光変調工程にて、
第1位相空間光変調器で、上記第1の空間的な位相差を付加するための光波を上記光源から出射された光波に対して重ね合せ、
第2位相空間光変調器で、上記第2の空間的な位相差を付加するための光波を上記光源から出射された光波に対して重ね合せることを特徴とする請求項6に記載の複素振幅像生成方法。

【請求項8】
単一の位相空間光変調器で複数のパルス変調波を出力し、
上記複数のパルス変調波のうち奇数番目に出力されるパルス変調波は、上記第1の空間的な位相差を付加するための光波であり、
上記複数のパルス変調波のうち偶数番目に出力されるパルス変調波は、上記第2の空間的な位相差を付加するための光波であり、
上記位相空間光変調工程で、
上記奇数番目に出力されるパルス変調波を、上記光源から出射された光波に対して重ね合せることで、上記第1の空間的な位相差が付加された光波を生成し、上記偶数番目に出力されるパルス変調波を、上記光源から出射された光波に対して重ね合せることで、上記第2の空間的な位相差が付加された光波を生成し、
上記合波工程で、
上記光源から出射された光波に対して上記奇数番目に出力されるパルス変調波が重ね合された光波と、上記光源から出射された光波に対して上記偶数番目に出力されるパルス変調波が重ね合された光波と、を重ね合せることによって上記複素振幅像を生成することを特徴とする請求項6に記載の複素振幅像生成方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2015546712thum.jpg
出願権利状態 公開
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