光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置
操作性・機能性に優れていて容易かつ高効率でフォトリフラクティブ媒質内に光干渉縞を発生可能なフォトリフラクティブ素子を実現するための光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置を提供する。フォトリフラクティブ媒質へ入射される書き込み光に対して所定の傾きに設定された入射面を備えた台形状のプリズムよりなり、上記フォトリフラクティブ媒質の少なくとも一方の面側に配置される光結合素子である。フォトリフラクティブ素子は、フォトリフラクティブ媒質の少なくとも一方の面側に上記光結合素子を配設している。光情報処理装置は、フォトリフラクティブ媒質の少なくとも一方の面側に上記光結合素子を配設したフォトリフラクティブ素子を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置に関し、さらに詳細には、フォトリフラクティブ素子に用いて好適な光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置に関し、特に、フォトリフラクティブ素子を構成するフォトリフラクティブ媒質内において光干渉縞を容易かつ高効率に発生することを可能にした光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置に関する。
ここで、フォトリフラクティブ媒質には、フォトリフラクティブ媒質内における光干渉縞の形成により該フォトリフラクティブ媒質内に発生した電荷の移動を、外部から電界を加えることにより促進してフォトリフラクティブ効果を増大させるフォトリフラクティブ媒質（本明細書においては、「外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質」と称する。）と、外部から電界を加えることなしにフォトリフラクティブ媒質内に誘起された拡散電界のみにより促進してフォトリフラクティブ効果を増大させるフォトリフラクティブ媒質（本明細書においては、「内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質」と称する。）とが知られている。そして、本明細書においては、これら外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質と内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質とを総称して、単に「フォトリフラクティブ媒質」と称するものとする。
また、本明細書においては、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質を用いたフォトリフラクティブ素子を「外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子」と称し、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質を用いたフォトリフラクティブ素子を「内部電界駆動型フォトリフラクティブ素子」と称するものとし、これら外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子と内部電界駆動型フォトリフラクティブ素子とを総称して、単に「フォトリフラクティブ素子」と称するものとする。
なお、一般に、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質としてはガラス転移温度が室温付近かそれよりも低いか、あるいはそれ以上の材料を用い、一方、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質としてはガラス転移温度が室温よりも十分に高い材料を用いる。
【背景技術】
一般に、フォトリフラクティブ素子において、フォトリフラクティブ効果の性能を増大化させるためには、フォトリフラクティブ素子に対する２本の書き込み光の照射によってフォトリフラクティブ媒質内に形成された光干渉縞の格子ベクトル方向に、より大きな電界（実効駆動電界）を印加する必要があることが知られている。即ち、光干渉縞の格子ベクトル方向に実効駆動電界を印加することにより、応答振幅の増大や応答速度の高速化などが期待できるからである。
なお、２本の書き込み光をフォトリフラクティブ素子に照射すると、光干渉縞は、フォトリフラクティブ媒質内において２本の書き込み光の２等分線と平行に発生される。
ここで、図１には、従来の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子の概念構成説明図が示されている。
この図１に示す外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０は、略長方体状の外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２と、一対の略平板状の透明基板１４ａ、１４ｂと、一対の略平板状の透明基板１４ａ、１４ｂにそれぞれ取り付けられた一対の略平板状の透明電極１６ａ、１６ｂとを有して構成されている。
そして、透明基板１４ａに取り付けられた透明電極１６ａと透明基板１４ｂに取り付けられた透明電極１６ｂとの間に、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２が挟持されている。より詳細には、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２と透明電極１６ａ、１６ｂとは、略長方体状の外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の一方の面と透明基板１４ａに取り付けられた略平板状の透明電極１６ａの平面とが当接するように配置され、略長方体状の外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の一方の面と対向する他方の面と透明基板１４ｂに取り付けられた略平板状の透明電極１６ｂの平面とが当接するように配置されている。
なお、こうした構成の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子の構造は、一般にサンドイッチ型セル構造と称されている。
また、符号１８は、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２に外部から電界を加えるために一対の透明電極１６ａ、１６ｂにそれぞれ接続された電源である。
従来、この外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０に光干渉縞を形成するための書き込み光を照射するには、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の片面側、例えば、図１に示すように一方の透明基板１４ａ側から２本の書き込み光を照射する。２本の書き込み光を外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０に照射すると、光干渉縞は、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内において２本の書き込み光の２等分線と平行に発生される。なお、こうした書き込み光の配置を、一般にチルト型配置と称する。
この図１に示すチルト型配置においては、上記したように光干渉縞形成用の２本の書き込み光が外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０の片面側から入射されるものであるが、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に形成される光干渉縞に駆動電界を加えるために、光干渉縞の格子ベクトルが電源１８により印加される外部印加電界ベクトルに対して傾斜角θ（＜９０°）だけ傾く（チルトする）ように、書き込み光の入射角を選択する。
このようにすると、光干渉縞の格子ベクトル方向に加えられる実効駆動電界は、電源１８により印加される外部印加電界の余弦成分として与えられることになる。従って、光干渉縞の格子ベクトル方向に加えられる実効駆動電界を大きくするためには、傾斜角θを限りなく０に近づけることが必要となる。
しかしながら、この図１に示すチルト型配置においては、傾斜角θを十分に小さくすることができないという問題点があった。
即ち、傾斜角θを小さくしていくと書き込み光の入射角が大きくなり、このため透明基板１４ａの表面での書き込み光の反射損が大きくなってしまい、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に書き込み光が到達できなくなるからである。そのため、結果として実効駆動電界成分を十分に大きくすることができないものであった。なお、従来においては、傾斜角θは一般的に３０°前後で利用されることが多く、この場合には実効駆動電界として外部印加電界の５０％ほどしか利用できないものであった。
このように、従来から用いられているサンドイッチ型セル構造のフォトリフラクティブ素子と書き込み光のチルト型配置との組み合わせは、フォトリフラクティブ性能を最大化させることができないシステムであるという問題点があった。
こうした問題点に鑑みて、フォトリフラクティブ性能を最大化させることを目的とした手法が提案されている（例えば、特許文献１として提示する特開平７−１４０４９９号公報の第３−５頁ならびに図１および図１３を参照する。）。
しかしながら、上記した特許文献１に開示された手法においては、操作性・機能性を備えて容易かつ高効率に光干渉縞を発生可能な具体的な素子化については開示されておらず、操作性・機能性に優れていて容易かつ高効率でフォトリフラクティブ媒質内に光干渉縞を発生可能なフォトリフラクティブ素子を実現するための手法の提案が強く望まれていた。
本発明は、上記したような発明の背景ならびに従来の技術の有する問題点や従来の技術に対する要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、操作性・機能性に優れていて容易かつ高効率でフォトリフラクティブ媒質内に光干渉縞を発生可能なフォトリフラクティブ素子を実現するための光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置を提供しようとするものである。
【発明の開示】
上記目的を達成するために、本発明による光結合素子は、例えば、従来から用いられているサンドイッチ型セル構造と組み合わせることで、フォトリフラクティブ媒質内に、最適に配置された光干渉縞、即ち、傾斜角θが０°となるように配置された光干渉縞の形成を容易かつ高効率で実現することができるものである。
また、上記目的を達成するために、本発明によるフォトリフラクティブ素子は、本発明による光結合素子を用いてフォトリフラクティブ素子を構成したものである。
さらに、上記目的を達成するために、本発明による光情報処理装置は、本発明によるフォトリフラクティブ素子を用いて光情報処理装置を構成したものである。
即ち、本発明は、フォトリフラクティブ媒質へ入射される書き込み光に対して所定の傾きに設定された入射面を備えた台形状のプリズムよりなり、上記フォトリフラクティブ媒質の少なくとも一方の面側に配置される光結合素子である。
また、本発明による光結合素子は、上記入射面の傾きを、上記書き込み光の上記フォトリフラクティブ媒質への入射により上記フォトリフラクティブ媒質内に形成される光干渉縞の所望の周期に応じて設定するようにしたものである。
また、本発明は、フォトリフラクティブ媒質の少なくとも一方の面側に、本発明による光結合素子を配設したフォトリフラクティブ素子である。
また、本発明によるフォトリフラクティブ素子は、上記光結合素子が、略長方体状のフォトリフラクティブ媒質の一方の面側と該一方の面側と対向する他方の面側とにそれぞれ配置され、上記フォトリフラクティブ媒質の厚さ方向に対して垂直、かつ、上記厚さの中心を通る面に対して鏡像をなす方向から照射される２本の書き込み光のうちの一方を上記フォトリフラクティブ媒質の一方の面側に配置された光結合素子の入射面に入射し、上記２本の書き込み光のうちの他方を上記フォトリフラクティブ媒質の上記一方の面側と対向する上記他方の面側に配置された光結合素子の入射面に入射するようにしたものである。
また、本発明は、２次元符号化装置と、空間変調器制御装置と、空間変調器と、フォトリフラクティブ素子とを有し、入力信号を上記２次元符号化装置と上記空間変調器制御装置とを通して上記空間変調器へ入力して、上記フォトリフラクティブ素子への２本の書き込み光が入射される上記空間変調器により該２本の書き込み光のいずれか一方または双方を制御する光情報処理装置において、フォトリフラクティブ素子が、本発明によるフォトリフラクティブ素子である光情報処理装置である。
また、本発明による光情報処理装置は、上記フォトリフラクティブ素子が本発明によるフォトリフラクティブ素子であり、単一の上記空間変調器により上記フォトリフラクティブ素子への２本の書き込み光を制御するようにしたものである。
また、本発明は、２次元符号化装置と、空間変調器制御装置と、空間変調器と、フォトリフラクティブ素子とを有し、入力信号を上記２次元符号化装置と上記空間変調器制御装置とを通して上記空間変調器へ入力して、上記フォトリフラクティブ素子への２本の書き込み光が入射される上記空間変調器により該２本の書き込み光を制御する光情報処理装置において、フォトリフラクティブ素子は、チルト型配置により２本の書き込み光を入射するものであり、上記２次元符号化装置と上記空間変調器制御装置との間に斜め画像補正回路を有し、上記斜め画像補正回路の補正により単一の上記空間変調器によって上記２本の書き込み光の画像変調を行う光情報処理装置である。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子の概念構成説明図である。
図２は、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子としての外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子の概念構成斜視説明図である。
図３は、図２のＡ矢視図（側面図）であり、図１に示す図面に対応する。
図４は、（ａ）は本発明による光結合素子としてのプリズムの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図（側面図）である。
図５は、図２乃至図３に示す本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子における光干渉縞の形成を示す説明図である。
図６は、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子についての書き込み光入射側の頂角αと透過光の全損失との計算結果の一例を示すグラフである。
図７は、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子による２光波結合実験の実験結果を示すグラフである。
図８は、光情報処理として光相関法を積極的に利用した光メモリ、画像認識（パターンマッチング）ならびにリアルタイム劣化画像クリーニングを行うための装置構成を示す本発明による光情報処理装置である。
図９は、光情報処理として動体検出あるいは動画像のリアルタイム増幅を行うための装置構成を示す本発明による光情報処理装置である。
図１０は、従来の光情報処理装置における、図８に示す本発明による光情報処理装置の符号Ｃに相当する構成を示す説明図である。
図１１は、図８に示す符号Ｃの構成のみを取り出して示した要部拡大図である。
図１２は、斜め画像補正回路を備えた従来の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子を用いた光情報処理装置の構成の要部を示す説明図である。
図１３は、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子としての内部電界駆動型フォトリフラクティブ素子の説明図である。
図１４は、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子としての外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子であって、透明基板を備えていないものの説明図である。
図１５は、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子としての内部電界駆動型フォトリフラクティブ素子であって、透明基板を備えていないものの説明図である。
図１６は、（ａ）は本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子としての外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子であって、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質の一方の面にのみ光結合素子としてプリズムを配設したものの概念構成斜視説明図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ矢視図（側面図）である。
【符号の説明】
１０、１００ 外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子
１２ 外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質
１４ａ、１４ｂ 透明基板
１６ａ、１６ｂ 透明電極
１８ 電源
１０２ａ、１０２ｂ プリズム
１０４ａ、１０４ｂ 書き込み光の入射面
１０６ａ、１０６ｂ 書き込み光の出射面
１０８ａ、１０８ｂ 底面
１１０ａ、１１０ｂ 上面
２００、３００ 中央制御装置
２０２、２０８、３０２ ２次元符号化装置
２０４、２１０、３０４ 空間変調器制御装置
２０６、２１２、３０６、５０２ 空間変調器
２１４、３０８、３１０ ＣＣＤカメラ
２１６、３１２ ２次元復号化装置
２１８、２２０、３１４ レーザー
２２２、３１６ ビームセパレーター
２２４、２２６ ハーフミラー
４００ａ、４００ｂ 空間変調器
５００ 斜め画像補正回路
【発明を実施するための最良の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。なお、本明細書における説明ならびに添付の図面において、それぞれ同一あるいは相当する構成や内容については、それぞれ同一の符号を用いて示すことにより、その構成ならびに作用に関する重複する説明は省略する。
図２には、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子として、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子の概念構成斜視説明図が示されており、図３には図２のＡ矢視図（側面図）が示されている（図３に示す図面は、図１に示す図面に対応する。）。
この図２に示す外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００は、本発明による光結合素子として、一対の台形状、より詳細には、四角錐台形状のプリズム１０２ａ、１０２ｂを備えている点において、図１に示す外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０とは異なる。
即ち、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００は、透明基板１４ａ上に台形状のプリズム１０２ａを配置しており、一方、透明基板１４ｂ上に台形状のプリズム１０２ｂを配置している。より詳細には、透明基板１４ａとプリズム１０２ａの底面１０８ａ（プリズム１０２ａは、底面１０８ａの面積の方が上面１１０ａの面積より広い台形状である。）とが当接するように配置され、透明基板１４ｂとプリズム１０２ｂの底面１０８ｂ（プリズム１０２ｂは、底面１０８ｂの面積の方が上面１１０ｂの面積より広い台形状である。）とが当接するように配置されている。
ここで、図４（ａ）にはプリズム１０２ａ、１０２ｂの斜視図が示されており、図４（ｂ）には図４（ａ）のＢ矢視図（側面図）が示されている。
プリズム１０２ａ、１０２ｂは、書き込み光入射側の頂角α（α＜９０°）と、書き込み光出射側の頂角β（β＜９０°）と、屈折率ｎと、底辺長Ｌとを特性パラメータとする側面形状が台形の台形状のプリズムである。即ち、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光の入射面１０４ａ、１０４ｂは、底面１０８ａ、１０８ｂに対してαの傾斜を備え、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光の出射面１０６ａ、１０６ｂは、底面１０８ａ、１０８ｂに対してβの傾斜を備えている。
プリズム１０２ａ、１０２ｂを構成する材料としては、光学的に透明であって切断ならびに研磨などの加工が可能な固体を用いるものであり、例えば、無機ガラスやポリマーなどを用いることができる。さらに詳細に説明すれば、無機ガラスとしては、例えば、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスあるいは鉛ガラスなどがある。また、ポリマーとしては、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネートあるいはポリビニルカルバゾールなどがある。
ここで、プリズム１０２ａ、１０２ｂにおける特性パラメータのうち書き込み光入射側の頂角αと書き込み光出射側の頂角βと屈折率ｎとは、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２に形成される光干渉縞の周期Λと、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００全体の透過率Ｔと、光入出力結合率（なお、光入出力結合率とは、フォトリフラクティブ素子に入射される書き込み光のパワーに対するフォトリフラクティブ素子から出射された光のパワーの割合を示すものである。）とを決定するためのパラメータである。なお、書き込み光入射側の頂角α、書き込み光出射側の頂角β、屈折率ｎ、光干渉縞の周期Λ、フォトリフラクティブ素子全体の透過率Ｔならびに光入出力結合率の関係については、後に詳述する。
以上の構成において、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に光干渉縞を発生させるには、図５に示すように、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の厚さｔ方向に対して垂直、かつ、厚さｔの中心を通る面に対して鏡像をなす方向から２本の書き込み光をプリズム１０２ａ、１０２ｂの入射面１０４ａ、１０４ｂにそれぞれ入射する。
即ち、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の厚さｔ方向に対して垂直、かつ、厚さｔの中心を通る面に対して鏡像をなす方向から照射される２本の書き込み光のうちの一方をプリズム１０２ａの入射面１０４ａに入射し、他方をプリズム１０２ｂの入射面１０４ｂに入射する。
上記したように、２本の書き込み光が、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の厚さｔ方向に対して垂直、かつ、厚さｔの中心を通る面に対して鏡像をなす方向からプリズム１０２ａ、１０２ｂの入射面１０４ａ、１０４ｂにそれぞれ入射されると、２本の書き込み光はプリズム１０２ａ、１０２ｂにより屈折されて外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に入射され、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の厚さｔの中心を通る面において交差する。
そして、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に入射されて交差する２本の書き込み光により、フォトリフラクティブ媒質１２内において２本の書き込み光の２等分線と平行に光干渉縞が形成される。
なお、フォトリフラクティブ媒質１２内に入射された２本の書き込み光は、当該書き込み光が入射したプリズム１０２ａ、１０２ｂとはそれぞれ異なるプリズム１０２ａ、１０２ｂへ入射して、それぞれプリズム１０２ａ、１０２ｂの出射面１０６ａ、１０６ｂから外部へ出射される。
プリズム１０２ａ、１０２ｂの入射面１０４ａ、１０４ｂへそれぞれ入射される２本の書き込み光が平行光である場合において、プリズム１０２ａと１０２ｂとが同一の特性パラメータを備えており、かつ、「頂角α＝頂角β」であるならば、図５に示すように、プリズム１０２ａ、１０２ｂの出射面１０４ａ、１０４ｂからそれぞれ入射される２本の書き込み光は平行光となる。
ここで、２本の書き込み光は外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の厚さｔ方向に対して垂直、かつ、厚さｔの中心を通る面に対して鏡像をなす方向からプリズム１０２ａ、１０２ｂの入射面１０４ａ、１０４ｂにそれぞれ入射され、プリズム１０２ａ、１０２ｂにより屈折されて外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に入射されているので、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に発生される光干渉縞の格子ベクトルの方向を、外部印加電界ベクトルの方向と一致させることができる。このため、外部印加電界の全てを実効駆動電界に利用することができるようになる。
なお、上記特許文献１に開示された手法においても、外部印加電界ベクトルの方向と光干渉縞の格子ベクトルの方向とを一致させることができるが、上記特許文献１に開示された手法はプリズム１０２ａ、１０２ｂのような光結合素子を備えていないので、書き込み光を入射する光学系の配置を変更することなしに、２本の書き込み光の交叉角を任意の大きさに設定することが困難であり、任意の周期の光干渉縞を得ることが難しい。
しかしながら、後述するように、プリズム１０２ａ、１０２ｂのような光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子においては、書き込み光を入射する光学系の配置を変更せずともに、光結合素子の書き込み光入射側の頂角α、即ち、書き込み光の入射面の傾きを適当に選択することにより、２本の書き込み光の任意の交叉角、即ち、任意の周期の光干渉縞を容易に得ることができるものである。
次に、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角αと書き込み光出射側の頂角βと屈折率ｎとは、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の屈折率に対応して、高光入出力結合率、例えば、８０％以上の光入出力結合率が得られるように設定することができる。
ここで、書き込み光入射側の頂角αに対して得られる光干渉縞の周期Λについては、次式によって与えられる。
Λ＝λ／（２ｎｃｏｓθｉｎ）
ただし、λは書き込み光として使用する光の波長であり、ｎは外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の屈折率であり、θｉｎは外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内での屈折角であって次式で表されるものである。
ただし、αはプリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角であり、ｎｐはプリズム１０２ａ、１０２ｂの屈折率である。
次に、フォトリフラクティブ素子１００全体、即ち、フォトリフラクティブ媒質１２と、一対の透明基板１４ａ、１４ｂと、一対の透明電極１６ａ、１６ｂと、一対のプリズム１０２ａ、１０２ｂとを有するフォトリフラクティブ素子１００の透過率Ｔは、次式の関係で表される。なお、ここでいう透過率Ｔとは、入射光パワー１に対して、フォトリフラクティブ素子１００を透過して出射した後でのパワーに等しい。
ただし、βはプリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光出射側の頂角である。
図６に示すグラフは、上記した式を用いて、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の屈折率１．７０に対して光干渉縞の周期０．５μｍ〜２．０μｍを得るために算出した、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角αと透過光の全損失との計算結果を示している。この図６に示すグラフにおいては、実線（プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角αを示す。）および破線（透過光の全損失を示す。）により示す曲線はともに、グラフ中の下からステップ０．２５μｍ刻みで０．５μｍ〜２．０μｍの光干渉縞周期に対応している。
なお、書き込み光入射側の頂角αと書き込み光出射側の頂角βとは、等しいものと仮定する。また、透明基板１４ａ、１４ｂならびに透明電極１６ａ、１６ｂの屈折率は、プリズム１０２ａ、１０２ｂの屈折率と等しいものと仮定する。
こうした場合に、例えば、周期１．２５μｍの光干渉縞を外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に形成するにあたっては、プリズム１０２ａ、１０２ｂの屈折率ｎを１．６９０〜１．７３７の範囲の値に設定し、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角αを５７°〜７６°の範囲の値に設定することによって、フォトリフラクティブ素子１００に入射されて当該フォトリフラクティブ素子１００を透過し、当該フォトリフラクティブ素子から出射される透過光、即ち、出射される書き込み光の全損失を２０％以下に抑制する、換言すれば、８０％以上の高い光入出力結合率を達成することができる。
なお、プリズム１０２ａ、１０２ｂの底辺長Ｌについては、例えば、「プリズム１０２ａ、１０２ｂの屈折率ｎ＝１．７３７」および「プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角α＝５７°」として、透明電極１６ａ、１６ｂからの書き込み光の入射光高さを３ｍｍと仮定した場合には、「プリズム１０２ａ、１０２ｂの底辺長Ｌ＝２７ｍｍ」となる。ただし、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光出射側頂角βの最適化あるいは書き込み光の入射光高さ調整によって、プリズム１０２ａ、１０２ｂの底辺長Ｌは短縮化が可能である。
さらに、このプリズム１０２ａ、１０２ｂ、即ち、本発明による光結合素子は、以下の特徴をも有する。
即ち、光干渉縞の周期は、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角αの値、換言すれば、プリズム１０２ａ、１０２ｂの入射面１０４ａ、１０４ｂの傾きで決定されることになる。従って、光干渉縞の周期を変更したい場合には、書き込み光入射側の頂角αを所望の値に設定したプリズムに交換すればよい。なお、従来のフォトリフラクティブ素子１０において光干渉縞の周期を変更したい場合には、書き込み光の外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２への入射角をミラーなどで微調整することが必要であった。しかしながら、本発明による光結合素子を用いれば、所望の頂角αを備えたプリズムに交換するだけでよく、ミラーなどで入射光のビーム配置を一切変更する必要がない。従って、本発明による光結合素子を用いることにより、構成が簡潔で振動に強い光学系の構築が可能となる。
なお、本発明による光結合素子を用いた場合においては、書き込み光入射側の頂角αを変更せずとも、光結合素子へ入射される書き込み光の波長を変更することにより、光干渉縞の周期を変更することもできる。
次に、本願発明者により行われた実験結果について説明するが、この実験に使用した外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００は、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２として低ガラス転移温度を有するポリマー材料を用いている。このポリマー材料は、ポリビニルカルバゾール（光導電性ポリマー）、（（４−ピペリジルフェニル）メチレン）メタン−１，１−ジカルボニトリル（光２次非線形色素）などを含む多成分系材料である。このポリマー材料は、室温よりも低いガラス転移温度を有するために、配向増大効果による大きなフォトリフラクティブ効果が室温で得られるものである。また、このポリマー材料により形成されたフォトリフラクティブ媒質１２は、実験で使用する波長６３３ｎｍの書き込み光に対して屈折率１．７０±０．０１を有することが確認された。なお、フォトリフラクティブ媒質１２は、厚さｔとして１００μｍの厚さを持つものを用いた。
また、プリズム１０２ａ、１０２ｂおよび透明基板１４ａ、１４ｂの材料としては、屈折率１．７７のガラスを使用した。
そして、プリズム１０２ａ、１０２ｂにおける書き込み光入射側の頂角αの設計値は、３０°とした。この書き込み光入射側の頂角「α＝３０°」の値は、光干渉縞周期０．５μｍ、光入出力結合率９５％以上に対応する。
なお、透明基板１４ａ、１４ｂのそれぞれの一方の表面には透明電極１６ａ、１６ｂが積層され、透明電極１６ａと透明電極１６ｂとが互いに向かい合うように組み合わされ、透明電極１６ａと透明電極１６ｂとの間に外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２が挟持されてサンドイッチ型セル構造が形成されている。
上記した構成の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００を用いるとともに、光源として波長６３３ｎｍを発するＨｅ−Ｎｅレーザーを使用して、図５に示すように２本の書き込み光を外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００に照射し、２光波結合実験を行った。
この２光波結合実験では、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２中を透過した書き込み光の出力変化を観測することによって、フォトリフラクティブ効果の発生を確認することができる。即ち、光干渉縞の発生によって、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内にフォトリフラクティブ効果に基づく屈折率回折格子の形成が確認できる。フォトリフラクティブ回折格子が形成されると、２光波間でパワーの移動が生じ、片方のパワーが増大すると同時にもう片方のパワーが減少する光結合現象が生じる。フォトリフラクティブ回折格子が効果的に形成されるほど、移動するパワー量が大きくなる。
ここで、図７に示すグラフは、上記した２光波結合実験の実験結果を示しており、図７に示すグラフ中で○印で示されたプロットは、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００を用いた２光波結合実験の実験結果を示し、一方、図７に示すグラフ中で◇印で示されたプロットは、図１に示す従来の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０を用いた２光波結合実験の比較実験結果を示している。
図７に示すグラフには、電源１８により電圧をしばらく印加した後に、書き込み光を一本だけ透過させ（時間ｔ＜０）、「時間ｔ＝０」においてもう片方の書き込み光を入射したときにおける、両方の書き込み光のパワー変化が示されている。なお、書き込み光パワーは２００ｍＷ／ｃｍ２であり、電源１８による印加電界強度は２５Ｖ／μｍであった。
図７のグラフから明らかなように、２本の書き込み光が照射されてフォトリフラクティブ媒質１２に光干渉縞が形成されると同時に、２光波間で明らかなパワー移動が生じていることが分かる（図７に示すグラフ中の○印参照）。図１に示す従来の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０の場合（図７に示すグラフ中の◇印参照）と比較して、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００の場合（図７に示すグラフ中の○印参照）はパワー移動量が大きいことが分かる。
この結果は、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００においては、光干渉縞が外部印加電界ベクトルと平行な格子ベクトルを有するように形成されたため、外部印加電界を損失無く実効駆動電界に利用することができたことに由来するものと認められる。
本発明による光結合素子は、フォトリフラクティブ応答を決定づける内部電界の強度と位相と相互作用長の増大をもたらすよう設計されている。本発明による光結合素子を備えたフォトリフラクティブ素子においては、光キャリア移動に必要な電界が外部電界によって最大限に供給されることになる。
次に、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子を有して構成される、本発明による光情報処理装置について説明する。
即ち、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子を用いて様々な光情報処理装置を作製することができる。具体的には、例えば、画像記録、画像認識（パターンマッチング）、リアルタイム劣化画像クリーニング、動体検出あるいは動画像のリアルタイム増幅などの光情報処理を行うための光情報処理装置を実現することができる。
図８乃至図９は、上記した各種の光情報処理を行うための装置構成を示す概略構成説明図である。ここで、図８は、光情報処理として光相関法を積極的に利用した画像記録、画像認識（パターンマッチング）ならびにリアルタイム劣化画像クリーニングを行うため装置構成例を示している。一方、図９は、光情報処理として動体検出あるいは動画像のリアルタイム増幅を行うため装置構成例を示している。
図８に示す光情報処理装置においては、中央制御装置２００から出力された入力信号を２次元符号化装置２０２、空間変調器制御装置２０４を通して空間変調器２０６へ入力して、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００への２本の書き込み光が入射される空間変調器２０６により当該２本の書き込み光を制御すると同時に、中央制御装置２００から出力された入力信号を２次元符号化装置２０８、空間変調器制御装置２１０を通して空間変調器２１２へ入力し、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００へ入射する光を制御して、得られる結果画像情報はＣＣＤカメラ２１４、２次元復号化装置２１６を介して中央制御装置２００へ入力することにより得ることができる。
また、図９に示す情報処理装置においては、中央制御装置３００から出力された入力信号を２次元符号化装置３０２、空間変調器制御装置３０４を通して空間変調器３０６へ入力して、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００への２本の書き込み光のうちの１本の書き込み光が入射される空間変調器３０６により当該１本の書き込み光を制御し、得られる結果画像情報はＣＣＤカメラ３０８あるいはＣＣＤカメラ３１０によって２次元復号化装置３１２を介して中央制御装置３００へ入力することにより得ることができる。
なお、レーザー２１８、２２０、３１４としては、いずれも波長可変レーザーを使用することができ、その場合には、各装置内の光路を調整することなくマルチ波長での多重動作が可能となる。
また、符号２２２はビームセパレーターであり、符号２２４、２２６はハーフミラーであり、符号３１６はビームセパレーターである。
ここで、上記した図８乃至図９に示す光情報処理装置は、フォトリフラクティブ素子として、図１に示す従来の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０に代えて、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００を用いた点において、従来の光情報処理装置とは異なっている。
さらに、図８に示す光情報処理装置においては、符号Ｃで示す構成についても、従来の光情報処理装置の構成とは異なっている。
即ち、従来の光情報処理装置における図８に示す光情報処理装置の符号Ｃに相当する構成が図１０に示されているが、従来の光情報処理装置においては、光相関などの光情報処理を行うためには、チルト型配置で外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０へ入射される２本の書き込み光の両者に対して、それぞれ空間変調器４００ａ、４００ｂを設置する必要があった。
しかしながら、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００を用いた本発明による光情報処理装置においては、図１１（図１１は、図８に示す符号Ｃの構成のみを取り出して示した要部拡大図である。）に示すように、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００への２本の書き込み光として平行光を入射することができるので、１つの空間変調器２０６で２本の書き込み光の画像変調を兼ねることができるとともに、図１２を参照しながら後述する斜め画像補正回路も不要になる。従って、光学配置のスペースを節約できるとともに、光情報処理装置の全体構成を簡素化することができる。
なお、従来のサンドイッチ型セル構造の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０を用いて、チルト型配置で２本の書き込み光を入射する従来の光情報処理装置においても、図１２に示すように、２次元符号化装置２０２と空間変調器制御装置２０４との間に斜め画像補正回路５００を組み込むことによって、１つの空間変調器５０２によって、２本の書き込み光の画像変調を兼ねることができる。こうした構成によっても、光学系の配置のスペースを節約することができる。
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に説明するように変形することができる。
（１）上記した実施の形態においては、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の材料については詳細な説明を省略したが、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の材料としては、光導電性と電気光学効果とを有する材料を用いることができる。こうした材料は、例えば、光導電性材料と電気光学効果材料とを混合あるいは化学的に結合させることで作製することができる。そして、光導電性を有する材料としては、例えば、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレンビニレンなどがある。さらには、これらの材料にトリニトロフルオレノンやフラーレンなどの増感色素を加えることによって、光感度を増強させることができる。また、電気光学効果を示す材料としては、例えば、光２次非線形分子や大きな異方性線形分極率をもつ分子などがあり、具体的には、アゾ、スチルベン、ポリエン骨格などにアミノ基、メトキシ基などのドナー基と、ホルミル基、ニトロ基などのアクセプターとを組み合わせた分子構造のものがある。
（２）上記した実施の形態においては、フォトリフラクティブ効果の発現に外部印加電界が必要な外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質について説明したが、本発明は外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質に限られるものではないことは勿論である。即ち、フォトリフラクティブ効果の発現に外部印加電界が必要ではない内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質に関して本発明を適用してもよい。
ここで、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質も、基本的には上記（１）において示した材料を用いることができるものであるが、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質の材料はガラス転移温度が室温かあるいはそれ以下あるいはそれ以上であること、一方、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質の材料はガラス転移温度が室温よりも十分に高いことが条件として加わる。なお、ガラス転移温度の降下は、例えば、エチルカルバゾール、ブチルベンジルフタレートなどの可塑剤の添加、あるいは材料への長鎖アルキル基の化学的修飾などによって可能である。
また、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質により本発明によるフォトリフラクティブ素子を構成する場合には、上記した実施の形態と同様な構成として、単に透明電極１６ａ、１６ｂに外部から電界を印加しないようにしてもよいし、あるいは、図１３に示すように、透明電極を設けることなしにフォトリフラクティブ素子を構成してもよい。
（３）上記した実施の形態においては、透明基板１４ａ、１４ｂに透明電極１６ａ、１６ｂを配設するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、図１４に示すように、プリズム１０２ａ、１０２ｂに直接的に透明電極１６ａ、１６ｂをそれぞれ配設して、透明電極１６ａと透明電極１６ｂとの間に外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２を挟持するようにしてもよい。
また、図１３に示すような内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質を用いた本発明によるフォトリフラクティブ素子においては、図１５に示すように、プリズム１０２ａと１０２ｂとの間に直接的に内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質を挟持するようにしてもよい。
（４）上記した実施の形態においては、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の一方の面にプリズム１０２ａを配設するとともに当該一方の面と対向する他方の面にプリズム１０２ｂを配設して、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の両方の面に光結合素子を配設するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、図１６（ａ）（ｂ）に示すように、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の一方の面にのみ、プリズム１０２ａなどの光結合素子を配設するようにしてもよい。同様に、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質の一方の面にのみ、プリズムなどの光結合素子を配設するようにしてもよい。
なお、上記したように外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の一方の面にのみプリズムなどの光結合素子を配設した場合、例えば、図１６（ａ）（ｂ）に示す構成の場合には、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の一方の面にのみ配設した光結合素子としてのプリズム１０２ａに入射される１本の書き込み光に対して、もう一本の書き込み光は、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２と透明電極１６ｂとの界面で反射される上記１本の書き込み光の反射光によって供給される。この場合においても、上記したと同様に、格子ベクトルと外部印加電界ベクトルとが完全に一致した光干渉縞が形成される。従って、１本の書き込み光によってフォトリフラクティブ効果を発生させることができる。
また、上記したように内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質の一方の面にのみプリズムなどの光結合素子を配設した場合、例えば、図１３に示す構成においてプリズム１０２ａのみを配設して、プリズム１０２ｂを配設しなかった場合には、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質の一方の面にのみ配設した光結合素子としてのプリズム１０２ａに入射される１本の書き込み光に対して、もう一本の書き込み光は、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質と透明基板１４ｂとの界面で反射される上記１本の書き込み光の反射光によって供給される。この場合においても、上記したと同様に、格子ベクトルと外部印加電界ベクトルとが完全に一致した光干渉縞が形成される。従って、１本の書き込み光によってフォトリフラクティブ効果を発生させることができる。
（５）上記した実施の形態においては詳細な説明を省略したが、プリズム１０２ａ、１０２ｂは、透明基板１４ａ、１４ｂに対して脱着自在に構成することができ、このように構成すると、書き込み光入射側の頂角αなどの特性パラメータの異なるプリズムを適宜に容易に着脱することができる。
（６）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
本発明は、以上説明したように構成されているので、操作性・機能性に優れていて容易かつ高効率でフォトリフラクティブ媒質内に光干渉縞を発生可能なフォトリフラクティブ素子を実現するための光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置を提供することができるようになるという優れた効果を奏する。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【技術分野】
本発明は、光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置に関し、さらに詳細には、フォトリフラクティブ素子に用いて好適な光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置に関し、特に、フォトリフラクティブ素子を構成するフォトリフラクティブ媒質内において光干渉縞を容易かつ高効率に発生することを可能にした光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置に関する。
ここで、フォトリフラクティブ媒質には、フォトリフラクティブ媒質内における光干渉縞の形成により該フォトリフラクティブ媒質内に発生した電荷の移動を、外部から電界を加えることにより促進してフォトリフラクティブ効果を増大させるフォトリフラクティブ媒質（本明細書においては、「外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質」と称する。）と、外部から電界を加えることなしにフォトリフラクティブ媒質内に誘起された拡散電界のみにより促進してフォトリフラクティブ効果を増大させるフォトリフラクティブ媒質（本明細書においては、「内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質」と称する。）とが知られている。そして、本明細書においては、これら外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質と内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質とを総称して、単に「フォトリフラクティブ媒質」と称するものとする。
また、本明細書においては、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質を用いたフォトリフラクティブ素子を「外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子」と称し、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質を用いたフォトリフラクティブ素子を「内部電界駆動型フォトリフラクティブ素子」と称するものとし、これら外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子と内部電界駆動型フォトリフラクティブ素子とを総称して、単に「フォトリフラクティブ素子」と称するものとする。
なお、一般に、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質としてはガラス転移温度が室温付近かそれよりも低いか、あるいはそれ以上の材料を用い、一方、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質としてはガラス転移温度が室温よりも十分に高い材料を用いる。
【背景技術】
一般に、フォトリフラクティブ素子において、フォトリフラクティブ効果の性能を増大化させるためには、フォトリフラクティブ素子に対する２本の書き込み光の照射によってフォトリフラクティブ媒質内に形成された光干渉縞の格子ベクトル方向に、より大きな電界（実効駆動電界）を印加する必要があることが知られている。即ち、光干渉縞の格子ベクトル方向に実効駆動電界を印加することにより、応答振幅の増大や応答速度の高速化などが期待できるからである。
なお、２本の書き込み光をフォトリフラクティブ素子に照射すると、光干渉縞は、フォトリフラクティブ媒質内において２本の書き込み光の２等分線と平行に発生される。
ここで、図１には、従来の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子の概念構成説明図が示されている。
この図１に示す外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０は、略長方体状の外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２と、一対の略平板状の透明基板１４ａ、１４ｂと、一対の略平板状の透明基板１４ａ、１４ｂにそれぞれ取り付けられた一対の略平板状の透明電極１６ａ、１６ｂとを有して構成されている。
そして、透明基板１４ａに取り付けられた透明電極１６ａと透明基板１４ｂに取り付けられた透明電極１６ｂとの間に、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２が挟持されている。より詳細には、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２と透明電極１６ａ、１６ｂとは、略長方体状の外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の一方の面と透明基板１４ａに取り付けられた略平板状の透明電極１６ａの平面とが当接するように配置され、略長方体状の外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の一方の面と対向する他方の面と透明基板１４ｂに取り付けられた略平板状の透明電極１６ｂの平面とが当接するように配置されている。
なお、こうした構成の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子の構造は、一般にサンドイッチ型セル構造と称されている。
また、符号１８は、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２に外部から電界を加えるために一対の透明電極１６ａ、１６ｂにそれぞれ接続された電源である。
従来、この外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０に光干渉縞を形成するための書き込み光を照射するには、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の片面側、例えば、図１に示すように一方の透明基板１４ａ側から２本の書き込み光を照射する。２本の書き込み光を外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０に照射すると、光干渉縞は、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内において２本の書き込み光の２等分線と平行に発生される。なお、こうした書き込み光の配置を、一般にチルト型配置と称する。
この図１に示すチルト型配置においては、上記したように光干渉縞形成用の２本の書き込み光が外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０の片面側から入射されるものであるが、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に形成される光干渉縞に駆動電界を加えるために、光干渉縞の格子ベクトルが電源１８により印加される外部印加電界ベクトルに対して傾斜角θ（＜９０°）だけ傾く（チルトする）ように、書き込み光の入射角を選択する。
このようにすると、光干渉縞の格子ベクトル方向に加えられる実効駆動電界は、電源１８により印加される外部印加電界の余弦成分として与えられることになる。従って、光干渉縞の格子ベクトル方向に加えられる実効駆動電界を大きくするためには、傾斜角θを限りなく０に近づけることが必要となる。
しかしながら、この図１に示すチルト型配置においては、傾斜角θを十分に小さくすることができないという問題点があった。
即ち、傾斜角θを小さくしていくと書き込み光の入射角が大きくなり、このため透明基板１４ａの表面での書き込み光の反射損が大きくなってしまい、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に書き込み光が到達できなくなるからである。そのため、結果として実効駆動電界成分を十分に大きくすることができないものであった。なお、従来においては、傾斜角θは一般的に３０°前後で利用されることが多く、この場合には実効駆動電界として外部印加電界の５０％ほどしか利用できないものであった。
このように、従来から用いられているサンドイッチ型セル構造のフォトリフラクティブ素子と書き込み光のチルト型配置との組み合わせは、フォトリフラクティブ性能を最大化させることができないシステムであるという問題点があった。
こうした問題点に鑑みて、フォトリフラクティブ性能を最大化させることを目的とした手法が提案されている（例えば、特許文献１として提示する特開平７−１４０４９９号公報の第３−５頁ならびに図１および図１３を参照する。）。
しかしながら、上記した特許文献１に開示された手法においては、操作性・機能性を備えて容易かつ高効率に光干渉縞を発生可能な具体的な素子化については開示されておらず、操作性・機能性に優れていて容易かつ高効率でフォトリフラクティブ媒質内に光干渉縞を発生可能なフォトリフラクティブ素子を実現するための手法の提案が強く望まれていた。
本発明は、上記したような発明の背景ならびに従来の技術の有する問題点や従来の技術に対する要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、操作性・機能性に優れていて容易かつ高効率でフォトリフラクティブ媒質内に光干渉縞を発生可能なフォトリフラクティブ素子を実現するための光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置を提供しようとするものである。
【発明の開示】
上記目的を達成するために、本発明による光結合素子は、例えば、従来から用いられているサンドイッチ型セル構造と組み合わせることで、フォトリフラクティブ媒質内に、最適に配置された光干渉縞、即ち、傾斜角θが０°となるように配置された光干渉縞の形成を容易かつ高効率で実現することができるものである。
また、上記目的を達成するために、本発明によるフォトリフラクティブ素子は、本発明による光結合素子を用いてフォトリフラクティブ素子を構成したものである。
さらに、上記目的を達成するために、本発明による光情報処理装置は、本発明によるフォトリフラクティブ素子を用いて光情報処理装置を構成したものである。
即ち、本発明は、フォトリフラクティブ媒質へ入射される書き込み光に対して所定の傾きに設定された入射面を備えた台形状のプリズムよりなり、上記フォトリフラクティブ媒質の少なくとも一方の面側に配置される光結合素子である。
また、本発明による光結合素子は、上記入射面の傾きを、上記書き込み光の上記フォトリフラクティブ媒質への入射により上記フォトリフラクティブ媒質内に形成される光干渉縞の所望の周期に応じて設定するようにしたものである。
また、本発明は、フォトリフラクティブ媒質の少なくとも一方の面側に、本発明による光結合素子を配設したフォトリフラクティブ素子である。
また、本発明によるフォトリフラクティブ素子は、上記光結合素子が、略長方体状のフォトリフラクティブ媒質の一方の面側と該一方の面側と対向する他方の面側とにそれぞれ配置され、上記フォトリフラクティブ媒質の厚さ方向に対して垂直、かつ、上記厚さの中心を通る面に対して鏡像をなす方向から照射される２本の書き込み光のうちの一方を上記フォトリフラクティブ媒質の一方の面側に配置された光結合素子の入射面に入射し、上記２本の書き込み光のうちの他方を上記フォトリフラクティブ媒質の上記一方の面側と対向する上記他方の面側に配置された光結合素子の入射面に入射するようにしたものである。
また、本発明は、２次元符号化装置と、空間変調器制御装置と、空間変調器と、フォトリフラクティブ素子とを有し、入力信号を上記２次元符号化装置と上記空間変調器制御装置とを通して上記空間変調器へ入力して、上記フォトリフラクティブ素子への２本の書き込み光が入射される上記空間変調器により該２本の書き込み光のいずれか一方または双方を制御する光情報処理装置において、フォトリフラクティブ素子が、本発明によるフォトリフラクティブ素子である光情報処理装置である。
また、本発明による光情報処理装置は、上記フォトリフラクティブ素子が本発明によるフォトリフラクティブ素子であり、単一の上記空間変調器により上記フォトリフラクティブ素子への２本の書き込み光を制御するようにしたものである。
また、本発明は、２次元符号化装置と、空間変調器制御装置と、空間変調器と、フォトリフラクティブ素子とを有し、入力信号を上記２次元符号化装置と上記空間変調器制御装置とを通して上記空間変調器へ入力して、上記フォトリフラクティブ素子への２本の書き込み光が入射される上記空間変調器により該２本の書き込み光を制御する光情報処理装置において、フォトリフラクティブ素子は、チルト型配置により２本の書き込み光を入射するものであり、上記２次元符号化装置と上記空間変調器制御装置との間に斜め画像補正回路を有し、上記斜め画像補正回路の補正により単一の上記空間変調器によって上記２本の書き込み光の画像変調を行う光情報処理装置である。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子の概念構成説明図である。
図２は、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子としての外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子の概念構成斜視説明図である。
図３は、図２のＡ矢視図（側面図）であり、図１に示す図面に対応する。
図４は、（ａ）は本発明による光結合素子としてのプリズムの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図（側面図）である。
図５は、図２乃至図３に示す本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子における光干渉縞の形成を示す説明図である。
図６は、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子についての書き込み光入射側の頂角αと透過光の全損失との計算結果の一例を示すグラフである。
図７は、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子による２光波結合実験の実験結果を示すグラフである。
図８は、光情報処理として光相関法を積極的に利用した光メモリ、画像認識（パターンマッチング）ならびにリアルタイム劣化画像クリーニングを行うための装置構成を示す本発明による光情報処理装置である。
図９は、光情報処理として動体検出あるいは動画像のリアルタイム増幅を行うための装置構成を示す本発明による光情報処理装置である。
図１０は、従来の光情報処理装置における、図８に示す本発明による光情報処理装置の符号Ｃに相当する構成を示す説明図である。
図１１は、図８に示す符号Ｃの構成のみを取り出して示した要部拡大図である。
図１２は、斜め画像補正回路を備えた従来の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子を用いた光情報処理装置の構成の要部を示す説明図である。
図１３は、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子としての内部電界駆動型フォトリフラクティブ素子の説明図である。
図１４は、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子としての外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子であって、透明基板を備えていないものの説明図である。
図１５は、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子としての内部電界駆動型フォトリフラクティブ素子であって、透明基板を備えていないものの説明図である。
図１６は、（ａ）は本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子としての外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子であって、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質の一方の面にのみ光結合素子としてプリズムを配設したものの概念構成斜視説明図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ矢視図（側面図）である。
【符号の説明】
１０、１００ 外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子
１２ 外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質
１４ａ、１４ｂ 透明基板
１６ａ、１６ｂ 透明電極
１８ 電源
１０２ａ、１０２ｂ プリズム
１０４ａ、１０４ｂ 書き込み光の入射面
１０６ａ、１０６ｂ 書き込み光の出射面
１０８ａ、１０８ｂ 底面
１１０ａ、１１０ｂ 上面
２００、３００ 中央制御装置
２０２、２０８、３０２ ２次元符号化装置
２０４、２１０、３０４ 空間変調器制御装置
２０６、２１２、３０６、５０２ 空間変調器
２１４、３０８、３１０ ＣＣＤカメラ
２１６、３１２ ２次元復号化装置
２１８、２２０、３１４ レーザー
２２２、３１６ ビームセパレーター
２２４、２２６ ハーフミラー
４００ａ、４００ｂ 空間変調器
５００ 斜め画像補正回路
【発明を実施するための最良の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。なお、本明細書における説明ならびに添付の図面において、それぞれ同一あるいは相当する構成や内容については、それぞれ同一の符号を用いて示すことにより、その構成ならびに作用に関する重複する説明は省略する。
図２には、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子として、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子の概念構成斜視説明図が示されており、図３には図２のＡ矢視図（側面図）が示されている（図３に示す図面は、図１に示す図面に対応する。）。
この図２に示す外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００は、本発明による光結合素子として、一対の台形状、より詳細には、四角錐台形状のプリズム１０２ａ、１０２ｂを備えている点において、図１に示す外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０とは異なる。
即ち、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００は、透明基板１４ａ上に台形状のプリズム１０２ａを配置しており、一方、透明基板１４ｂ上に台形状のプリズム１０２ｂを配置している。より詳細には、透明基板１４ａとプリズム１０２ａの底面１０８ａ（プリズム１０２ａは、底面１０８ａの面積の方が上面１１０ａの面積より広い台形状である。）とが当接するように配置され、透明基板１４ｂとプリズム１０２ｂの底面１０８ｂ（プリズム１０２ｂは、底面１０８ｂの面積の方が上面１１０ｂの面積より広い台形状である。）とが当接するように配置されている。
ここで、図４（ａ）にはプリズム１０２ａ、１０２ｂの斜視図が示されており、図４（ｂ）には図４（ａ）のＢ矢視図（側面図）が示されている。
プリズム１０２ａ、１０２ｂは、書き込み光入射側の頂角α（α＜９０°）と、書き込み光出射側の頂角β（β＜９０°）と、屈折率ｎと、底辺長Ｌとを特性パラメータとする側面形状が台形の台形状のプリズムである。即ち、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光の入射面１０４ａ、１０４ｂは、底面１０８ａ、１０８ｂに対してαの傾斜を備え、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光の出射面１０６ａ、１０６ｂは、底面１０８ａ、１０８ｂに対してβの傾斜を備えている。
プリズム１０２ａ、１０２ｂを構成する材料としては、光学的に透明であって切断ならびに研磨などの加工が可能な固体を用いるものであり、例えば、無機ガラスやポリマーなどを用いることができる。さらに詳細に説明すれば、無機ガラスとしては、例えば、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスあるいは鉛ガラスなどがある。また、ポリマーとしては、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネートあるいはポリビニルカルバゾールなどがある。
ここで、プリズム１０２ａ、１０２ｂにおける特性パラメータのうち書き込み光入射側の頂角αと書き込み光出射側の頂角βと屈折率ｎとは、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２に形成される光干渉縞の周期Λと、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００全体の透過率Ｔと、光入出力結合率（なお、光入出力結合率とは、フォトリフラクティブ素子に入射される書き込み光のパワーに対するフォトリフラクティブ素子から出射された光のパワーの割合を示すものである。）とを決定するためのパラメータである。なお、書き込み光入射側の頂角α、書き込み光出射側の頂角β、屈折率ｎ、光干渉縞の周期Λ、フォトリフラクティブ素子全体の透過率Ｔならびに光入出力結合率の関係については、後に詳述する。
以上の構成において、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に光干渉縞を発生させるには、図５に示すように、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の厚さｔ方向に対して垂直、かつ、厚さｔの中心を通る面に対して鏡像をなす方向から２本の書き込み光をプリズム１０２ａ、１０２ｂの入射面１０４ａ、１０４ｂにそれぞれ入射する。
即ち、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の厚さｔ方向に対して垂直、かつ、厚さｔの中心を通る面に対して鏡像をなす方向から照射される２本の書き込み光のうちの一方をプリズム１０２ａの入射面１０４ａに入射し、他方をプリズム１０２ｂの入射面１０４ｂに入射する。
上記したように、２本の書き込み光が、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の厚さｔ方向に対して垂直、かつ、厚さｔの中心を通る面に対して鏡像をなす方向からプリズム１０２ａ、１０２ｂの入射面１０４ａ、１０４ｂにそれぞれ入射されると、２本の書き込み光はプリズム１０２ａ、１０２ｂにより屈折されて外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に入射され、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の厚さｔの中心を通る面において交差する。
そして、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に入射されて交差する２本の書き込み光により、フォトリフラクティブ媒質１２内において２本の書き込み光の２等分線と平行に光干渉縞が形成される。
なお、フォトリフラクティブ媒質１２内に入射された２本の書き込み光は、当該書き込み光が入射したプリズム１０２ａ、１０２ｂとはそれぞれ異なるプリズム１０２ａ、１０２ｂへ入射して、それぞれプリズム１０２ａ、１０２ｂの出射面１０６ａ、１０６ｂから外部へ出射される。
プリズム１０２ａ、１０２ｂの入射面１０４ａ、１０４ｂへそれぞれ入射される２本の書き込み光が平行光である場合において、プリズム１０２ａと１０２ｂとが同一の特性パラメータを備えており、かつ、「頂角α＝頂角β」であるならば、図５に示すように、プリズム１０２ａ、１０２ｂの出射面１０４ａ、１０４ｂからそれぞれ入射される２本の書き込み光は平行光となる。
ここで、２本の書き込み光は外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の厚さｔ方向に対して垂直、かつ、厚さｔの中心を通る面に対して鏡像をなす方向からプリズム１０２ａ、１０２ｂの入射面１０４ａ、１０４ｂにそれぞれ入射され、プリズム１０２ａ、１０２ｂにより屈折されて外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に入射されているので、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に発生される光干渉縞の格子ベクトルの方向を、外部印加電界ベクトルの方向と一致させることができる。このため、外部印加電界の全てを実効駆動電界に利用することができるようになる。
なお、上記特許文献１に開示された手法においても、外部印加電界ベクトルの方向と光干渉縞の格子ベクトルの方向とを一致させることができるが、上記特許文献１に開示された手法はプリズム１０２ａ、１０２ｂのような光結合素子を備えていないので、書き込み光を入射する光学系の配置を変更することなしに、２本の書き込み光の交叉角を任意の大きさに設定することが困難であり、任意の周期の光干渉縞を得ることが難しい。
しかしながら、後述するように、プリズム１０２ａ、１０２ｂのような光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子においては、書き込み光を入射する光学系の配置を変更せずともに、光結合素子の書き込み光入射側の頂角α、即ち、書き込み光の入射面の傾きを適当に選択することにより、２本の書き込み光の任意の交叉角、即ち、任意の周期の光干渉縞を容易に得ることができるものである。
次に、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角αと書き込み光出射側の頂角βと屈折率ｎとは、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の屈折率に対応して、高光入出力結合率、例えば、８０％以上の光入出力結合率が得られるように設定することができる。
ここで、書き込み光入射側の頂角αに対して得られる光干渉縞の周期Λについては、次式によって与えられる。
Λ＝λ／（２ｎｃｏｓθｉｎ）
ただし、λは書き込み光として使用する光の波長であり、ｎは外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の屈折率であり、θｉｎは外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内での屈折角であって次式で表されるものである。
ただし、αはプリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角であり、ｎｐはプリズム１０２ａ、１０２ｂの屈折率である。
次に、フォトリフラクティブ素子１００全体、即ち、フォトリフラクティブ媒質１２と、一対の透明基板１４ａ、１４ｂと、一対の透明電極１６ａ、１６ｂと、一対のプリズム１０２ａ、１０２ｂとを有するフォトリフラクティブ素子１００の透過率Ｔは、次式の関係で表される。なお、ここでいう透過率Ｔとは、入射光パワー１に対して、フォトリフラクティブ素子１００を透過して出射した後でのパワーに等しい。
ただし、βはプリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光出射側の頂角である。
図６に示すグラフは、上記した式を用いて、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の屈折率１．７０に対して光干渉縞の周期０．５μｍ〜２．０μｍを得るために算出した、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角αと透過光の全損失との計算結果を示している。この図６に示すグラフにおいては、実線（プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角αを示す。）および破線（透過光の全損失を示す。）により示す曲線はともに、グラフ中の下からステップ０．２５μｍ刻みで０．５μｍ〜２．０μｍの光干渉縞周期に対応している。
なお、書き込み光入射側の頂角αと書き込み光出射側の頂角βとは、等しいものと仮定する。また、透明基板１４ａ、１４ｂならびに透明電極１６ａ、１６ｂの屈折率は、プリズム１０２ａ、１０２ｂの屈折率と等しいものと仮定する。
こうした場合に、例えば、周期１．２５μｍの光干渉縞を外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内に形成するにあたっては、プリズム１０２ａ、１０２ｂの屈折率ｎを１．６９０〜１．７３７の範囲の値に設定し、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角αを５７°〜７６°の範囲の値に設定することによって、フォトリフラクティブ素子１００に入射されて当該フォトリフラクティブ素子１００を透過し、当該フォトリフラクティブ素子から出射される透過光、即ち、出射される書き込み光の全損失を２０％以下に抑制する、換言すれば、８０％以上の高い光入出力結合率を達成することができる。
なお、プリズム１０２ａ、１０２ｂの底辺長Ｌについては、例えば、「プリズム１０２ａ、１０２ｂの屈折率ｎ＝１．７３７」および「プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角α＝５７°」として、透明電極１６ａ、１６ｂからの書き込み光の入射光高さを３ｍｍと仮定した場合には、「プリズム１０２ａ、１０２ｂの底辺長Ｌ＝２７ｍｍ」となる。ただし、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光出射側頂角βの最適化あるいは書き込み光の入射光高さ調整によって、プリズム１０２ａ、１０２ｂの底辺長Ｌは短縮化が可能である。
さらに、このプリズム１０２ａ、１０２ｂ、即ち、本発明による光結合素子は、以下の特徴をも有する。
即ち、光干渉縞の周期は、プリズム１０２ａ、１０２ｂの書き込み光入射側の頂角αの値、換言すれば、プリズム１０２ａ、１０２ｂの入射面１０４ａ、１０４ｂの傾きで決定されることになる。従って、光干渉縞の周期を変更したい場合には、書き込み光入射側の頂角αを所望の値に設定したプリズムに交換すればよい。なお、従来のフォトリフラクティブ素子１０において光干渉縞の周期を変更したい場合には、書き込み光の外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２への入射角をミラーなどで微調整することが必要であった。しかしながら、本発明による光結合素子を用いれば、所望の頂角αを備えたプリズムに交換するだけでよく、ミラーなどで入射光のビーム配置を一切変更する必要がない。従って、本発明による光結合素子を用いることにより、構成が簡潔で振動に強い光学系の構築が可能となる。
なお、本発明による光結合素子を用いた場合においては、書き込み光入射側の頂角αを変更せずとも、光結合素子へ入射される書き込み光の波長を変更することにより、光干渉縞の周期を変更することもできる。
次に、本願発明者により行われた実験結果について説明するが、この実験に使用した外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００は、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２として低ガラス転移温度を有するポリマー材料を用いている。このポリマー材料は、ポリビニルカルバゾール（光導電性ポリマー）、（（４−ピペリジルフェニル）メチレン）メタン−１，１−ジカルボニトリル（光２次非線形色素）などを含む多成分系材料である。このポリマー材料は、室温よりも低いガラス転移温度を有するために、配向増大効果による大きなフォトリフラクティブ効果が室温で得られるものである。また、このポリマー材料により形成されたフォトリフラクティブ媒質１２は、実験で使用する波長６３３ｎｍの書き込み光に対して屈折率１．７０±０．０１を有することが確認された。なお、フォトリフラクティブ媒質１２は、厚さｔとして１００μｍの厚さを持つものを用いた。
また、プリズム１０２ａ、１０２ｂおよび透明基板１４ａ、１４ｂの材料としては、屈折率１．７７のガラスを使用した。
そして、プリズム１０２ａ、１０２ｂにおける書き込み光入射側の頂角αの設計値は、３０°とした。この書き込み光入射側の頂角「α＝３０°」の値は、光干渉縞周期０．５μｍ、光入出力結合率９５％以上に対応する。
なお、透明基板１４ａ、１４ｂのそれぞれの一方の表面には透明電極１６ａ、１６ｂが積層され、透明電極１６ａと透明電極１６ｂとが互いに向かい合うように組み合わされ、透明電極１６ａと透明電極１６ｂとの間に外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２が挟持されてサンドイッチ型セル構造が形成されている。
上記した構成の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００を用いるとともに、光源として波長６３３ｎｍを発するＨｅ−Ｎｅレーザーを使用して、図５に示すように２本の書き込み光を外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００に照射し、２光波結合実験を行った。
この２光波結合実験では、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２中を透過した書き込み光の出力変化を観測することによって、フォトリフラクティブ効果の発生を確認することができる。即ち、光干渉縞の発生によって、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２内にフォトリフラクティブ効果に基づく屈折率回折格子の形成が確認できる。フォトリフラクティブ回折格子が形成されると、２光波間でパワーの移動が生じ、片方のパワーが増大すると同時にもう片方のパワーが減少する光結合現象が生じる。フォトリフラクティブ回折格子が効果的に形成されるほど、移動するパワー量が大きくなる。
ここで、図７に示すグラフは、上記した２光波結合実験の実験結果を示しており、図７に示すグラフ中で○印で示されたプロットは、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００を用いた２光波結合実験の実験結果を示し、一方、図７に示すグラフ中で◇印で示されたプロットは、図１に示す従来の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０を用いた２光波結合実験の比較実験結果を示している。
図７に示すグラフには、電源１８により電圧をしばらく印加した後に、書き込み光を一本だけ透過させ（時間ｔ＜０）、「時間ｔ＝０」においてもう片方の書き込み光を入射したときにおける、両方の書き込み光のパワー変化が示されている。なお、書き込み光パワーは２００ｍＷ／ｃｍ２であり、電源１８による印加電界強度は２５Ｖ／μｍであった。
図７のグラフから明らかなように、２本の書き込み光が照射されてフォトリフラクティブ媒質１２に光干渉縞が形成されると同時に、２光波間で明らかなパワー移動が生じていることが分かる（図７に示すグラフ中の○印参照）。図１に示す従来の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０の場合（図７に示すグラフ中の◇印参照）と比較して、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００の場合（図７に示すグラフ中の○印参照）はパワー移動量が大きいことが分かる。
この結果は、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００においては、光干渉縞が外部印加電界ベクトルと平行な格子ベクトルを有するように形成されたため、外部印加電界を損失無く実効駆動電界に利用することができたことに由来するものと認められる。
本発明による光結合素子は、フォトリフラクティブ応答を決定づける内部電界の強度と位相と相互作用長の増大をもたらすよう設計されている。本発明による光結合素子を備えたフォトリフラクティブ素子においては、光キャリア移動に必要な電界が外部電界によって最大限に供給されることになる。
次に、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子を有して構成される、本発明による光情報処理装置について説明する。
即ち、本発明による光結合素子を備えた本発明によるフォトリフラクティブ素子を用いて様々な光情報処理装置を作製することができる。具体的には、例えば、画像記録、画像認識（パターンマッチング）、リアルタイム劣化画像クリーニング、動体検出あるいは動画像のリアルタイム増幅などの光情報処理を行うための光情報処理装置を実現することができる。
図８乃至図９は、上記した各種の光情報処理を行うための装置構成を示す概略構成説明図である。ここで、図８は、光情報処理として光相関法を積極的に利用した画像記録、画像認識（パターンマッチング）ならびにリアルタイム劣化画像クリーニングを行うため装置構成例を示している。一方、図９は、光情報処理として動体検出あるいは動画像のリアルタイム増幅を行うため装置構成例を示している。
図８に示す光情報処理装置においては、中央制御装置２００から出力された入力信号を２次元符号化装置２０２、空間変調器制御装置２０４を通して空間変調器２０６へ入力して、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００への２本の書き込み光が入射される空間変調器２０６により当該２本の書き込み光を制御すると同時に、中央制御装置２００から出力された入力信号を２次元符号化装置２０８、空間変調器制御装置２１０を通して空間変調器２１２へ入力し、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００へ入射する光を制御して、得られる結果画像情報はＣＣＤカメラ２１４、２次元復号化装置２１６を介して中央制御装置２００へ入力することにより得ることができる。
また、図９に示す情報処理装置においては、中央制御装置３００から出力された入力信号を２次元符号化装置３０２、空間変調器制御装置３０４を通して空間変調器３０６へ入力して、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００への２本の書き込み光のうちの１本の書き込み光が入射される空間変調器３０６により当該１本の書き込み光を制御し、得られる結果画像情報はＣＣＤカメラ３０８あるいはＣＣＤカメラ３１０によって２次元復号化装置３１２を介して中央制御装置３００へ入力することにより得ることができる。
なお、レーザー２１８、２２０、３１４としては、いずれも波長可変レーザーを使用することができ、その場合には、各装置内の光路を調整することなくマルチ波長での多重動作が可能となる。
また、符号２２２はビームセパレーターであり、符号２２４、２２６はハーフミラーであり、符号３１６はビームセパレーターである。
ここで、上記した図８乃至図９に示す光情報処理装置は、フォトリフラクティブ素子として、図１に示す従来の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０に代えて、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００を用いた点において、従来の光情報処理装置とは異なっている。
さらに、図８に示す光情報処理装置においては、符号Ｃで示す構成についても、従来の光情報処理装置の構成とは異なっている。
即ち、従来の光情報処理装置における図８に示す光情報処理装置の符号Ｃに相当する構成が図１０に示されているが、従来の光情報処理装置においては、光相関などの光情報処理を行うためには、チルト型配置で外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０へ入射される２本の書き込み光の両者に対して、それぞれ空間変調器４００ａ、４００ｂを設置する必要があった。
しかしながら、本発明による外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００を用いた本発明による光情報処理装置においては、図１１（図１１は、図８に示す符号Ｃの構成のみを取り出して示した要部拡大図である。）に示すように、外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１００への２本の書き込み光として平行光を入射することができるので、１つの空間変調器２０６で２本の書き込み光の画像変調を兼ねることができるとともに、図１２を参照しながら後述する斜め画像補正回路も不要になる。従って、光学配置のスペースを節約できるとともに、光情報処理装置の全体構成を簡素化することができる。
なお、従来のサンドイッチ型セル構造の外部電界駆動型フォトリフラクティブ素子１０を用いて、チルト型配置で２本の書き込み光を入射する従来の光情報処理装置においても、図１２に示すように、２次元符号化装置２０２と空間変調器制御装置２０４との間に斜め画像補正回路５００を組み込むことによって、１つの空間変調器５０２によって、２本の書き込み光の画像変調を兼ねることができる。こうした構成によっても、光学系の配置のスペースを節約することができる。
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に説明するように変形することができる。
（１）上記した実施の形態においては、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の材料については詳細な説明を省略したが、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の材料としては、光導電性と電気光学効果とを有する材料を用いることができる。こうした材料は、例えば、光導電性材料と電気光学効果材料とを混合あるいは化学的に結合させることで作製することができる。そして、光導電性を有する材料としては、例えば、ポリビニルカルバゾール、ポリフェニレンビニレンなどがある。さらには、これらの材料にトリニトロフルオレノンやフラーレンなどの増感色素を加えることによって、光感度を増強させることができる。また、電気光学効果を示す材料としては、例えば、光２次非線形分子や大きな異方性線形分極率をもつ分子などがあり、具体的には、アゾ、スチルベン、ポリエン骨格などにアミノ基、メトキシ基などのドナー基と、ホルミル基、ニトロ基などのアクセプターとを組み合わせた分子構造のものがある。
（２）上記した実施の形態においては、フォトリフラクティブ効果の発現に外部印加電界が必要な外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質について説明したが、本発明は外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質に限られるものではないことは勿論である。即ち、フォトリフラクティブ効果の発現に外部印加電界が必要ではない内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質に関して本発明を適用してもよい。
ここで、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質も、基本的には上記（１）において示した材料を用いることができるものであるが、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質の材料はガラス転移温度が室温かあるいはそれ以下あるいはそれ以上であること、一方、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質の材料はガラス転移温度が室温よりも十分に高いことが条件として加わる。なお、ガラス転移温度の降下は、例えば、エチルカルバゾール、ブチルベンジルフタレートなどの可塑剤の添加、あるいは材料への長鎖アルキル基の化学的修飾などによって可能である。
また、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質により本発明によるフォトリフラクティブ素子を構成する場合には、上記した実施の形態と同様な構成として、単に透明電極１６ａ、１６ｂに外部から電界を印加しないようにしてもよいし、あるいは、図１３に示すように、透明電極を設けることなしにフォトリフラクティブ素子を構成してもよい。
（３）上記した実施の形態においては、透明基板１４ａ、１４ｂに透明電極１６ａ、１６ｂを配設するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、図１４に示すように、プリズム１０２ａ、１０２ｂに直接的に透明電極１６ａ、１６ｂをそれぞれ配設して、透明電極１６ａと透明電極１６ｂとの間に外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２を挟持するようにしてもよい。
また、図１３に示すような内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質を用いた本発明によるフォトリフラクティブ素子においては、図１５に示すように、プリズム１０２ａと１０２ｂとの間に直接的に内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質を挟持するようにしてもよい。
（４）上記した実施の形態においては、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の一方の面にプリズム１０２ａを配設するとともに当該一方の面と対向する他方の面にプリズム１０２ｂを配設して、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の両方の面に光結合素子を配設するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、図１６（ａ）（ｂ）に示すように、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の一方の面にのみ、プリズム１０２ａなどの光結合素子を配設するようにしてもよい。同様に、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質の一方の面にのみ、プリズムなどの光結合素子を配設するようにしてもよい。
なお、上記したように外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の一方の面にのみプリズムなどの光結合素子を配設した場合、例えば、図１６（ａ）（ｂ）に示す構成の場合には、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２の一方の面にのみ配設した光結合素子としてのプリズム１０２ａに入射される１本の書き込み光に対して、もう一本の書き込み光は、外部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質１２と透明電極１６ｂとの界面で反射される上記１本の書き込み光の反射光によって供給される。この場合においても、上記したと同様に、格子ベクトルと外部印加電界ベクトルとが完全に一致した光干渉縞が形成される。従って、１本の書き込み光によってフォトリフラクティブ効果を発生させることができる。
また、上記したように内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質の一方の面にのみプリズムなどの光結合素子を配設した場合、例えば、図１３に示す構成においてプリズム１０２ａのみを配設して、プリズム１０２ｂを配設しなかった場合には、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質の一方の面にのみ配設した光結合素子としてのプリズム１０２ａに入射される１本の書き込み光に対して、もう一本の書き込み光は、内部電界駆動型フォトリフラクティブ媒質と透明基板１４ｂとの界面で反射される上記１本の書き込み光の反射光によって供給される。この場合においても、上記したと同様に、格子ベクトルと外部印加電界ベクトルとが完全に一致した光干渉縞が形成される。従って、１本の書き込み光によってフォトリフラクティブ効果を発生させることができる。
（５）上記した実施の形態においては詳細な説明を省略したが、プリズム１０２ａ、１０２ｂは、透明基板１４ａ、１４ｂに対して脱着自在に構成することができ、このように構成すると、書き込み光入射側の頂角αなどの特性パラメータの異なるプリズムを適宜に容易に着脱することができる。
（６）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
本発明は、以上説明したように構成されているので、操作性・機能性に優れていて容易かつ高効率でフォトリフラクティブ媒質内に光干渉縞を発生可能なフォトリフラクティブ素子を実現するための光結合素子およびそれを備えたフォトリフラクティブ素子ならびに光情報処理装置を提供することができるようになるという優れた効果を奏する。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトリフラクティブ媒質へ入射される書き込み光に対して所定の傾きに設定された入射面を備えた台形状のプリズムよりなり、前記フォトリフラクティブ媒質の少なくとも一方の面側に配置される
ことを特徴とする光結合素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光結合素子において、
前記入射面の傾きは、前記書き込み光の前記フォトリフラクティブ媒質への入射により、前記フォトリフラクティブ媒質内に形成される光干渉縞の所望の周期に応じて設定される
ことを特徴とする光結合素子。
【請求項３】
フォトリフラクティブ媒質の少なくとも一方の面側に、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の光結合素子を配設した
ことを特徴とするフォトリフラクティブ素子。
【請求項４】
請求項３に記載のフォトリフラクティブ素子において、
前記光結合素子は、略長方体状のフォトリフラクティブ媒質の一方の面側と該一方の面側と対向する他方の面側とにそれぞれ配置され、
前記フォトリフラクティブ媒質の厚さ方向に対して垂直、かつ、前記厚さの中心を通る面に対して鏡像をなす方向から照射される２本の書き込み光のうちの一方を前記フォトリフラクティブ媒質の一方の面側に配置された光結合素子の入射面に入射し、前記２本の書き込み光のうちの他方を前記フォトリフラクティブ媒質の前記一方の面側と対向する前記他方の面側に配置された光結合素子の入射面に入射する
ことを特徴とするフォトリフラクティブ素子。
【請求項５】
２次元符号化装置と、空間変調器制御装置と、空間変調器と、フォトリフラクティブ素子とを有し、入力信号を前記２次元符号化装置と前記空間変調器制御装置とを通して前記空間変調器へ入力して、前記フォトリフラクティブ素子への２本の書き込み光が入射される前記空間変調器により該２本の書き込み光のいずれか一方または双方を制御する光情報処理装置において、
フォトリフラクティブ素子は、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載のフォトリフラクティブ素子である
ことを特徴とする光情報処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光情報処理装置において、
前記フォトリフラクティブ素子は、請求項４に記載のフォトリフラクティブ素子であり、
単一の前記空間変調器により前記フォトリフラクティブ素子への２本の書き込み光を制御する
ことを特徴とする光情報処理装置。
【請求項７】
２次元符号化装置と、空間変調器制御装置と、空間変調器と、フォトリフラクティブ素子とを有し、入力信号を前記２次元符号化装置と前記空間変調器制御装置とを通して前記空間変調器へ入力して、前記フォトリフラクティブ素子への２本の書き込み光が入射される前記空間変調器により該２本の書き込み光を制御する光情報処理装置において、
フォトリフラクティブ素子は、チルト型配置により２本の書き込み光を入射するものであり、
前記２次元符号化装置と前記空間変調器制御装置との間に斜め画像補正回路を有し、前記斜め画像補正回路の補正により単一の前記空間変調器によって前記２本の書き込み光の画像変調を行う
ことを特徴とする光情報処理装置。
【請求項１】
フォトリフラクティブ媒質へ入射される書き込み光に対して所定の傾きに設定された入射面を備えた台形状のプリズムよりなり、前記フォトリフラクティブ媒質の少なくとも一方の面側に配置される
ことを特徴とする光結合素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光結合素子において、
前記入射面の傾きは、前記書き込み光の前記フォトリフラクティブ媒質への入射により、前記フォトリフラクティブ媒質内に形成される光干渉縞の所望の周期に応じて設定される
ことを特徴とする光結合素子。
【請求項３】
フォトリフラクティブ媒質の少なくとも一方の面側に、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の光結合素子を配設した
ことを特徴とするフォトリフラクティブ素子。
【請求項４】
請求項３に記載のフォトリフラクティブ素子において、
前記光結合素子は、略長方体状のフォトリフラクティブ媒質の一方の面側と該一方の面側と対向する他方の面側とにそれぞれ配置され、
前記フォトリフラクティブ媒質の厚さ方向に対して垂直、かつ、前記厚さの中心を通る面に対して鏡像をなす方向から照射される２本の書き込み光のうちの一方を前記フォトリフラクティブ媒質の一方の面側に配置された光結合素子の入射面に入射し、前記２本の書き込み光のうちの他方を前記フォトリフラクティブ媒質の前記一方の面側と対向する前記他方の面側に配置された光結合素子の入射面に入射する
ことを特徴とするフォトリフラクティブ素子。
【請求項５】
２次元符号化装置と、空間変調器制御装置と、空間変調器と、フォトリフラクティブ素子とを有し、入力信号を前記２次元符号化装置と前記空間変調器制御装置とを通して前記空間変調器へ入力して、前記フォトリフラクティブ素子への２本の書き込み光が入射される前記空間変調器により該２本の書き込み光のいずれか一方または双方を制御する光情報処理装置において、
フォトリフラクティブ素子は、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載のフォトリフラクティブ素子である
ことを特徴とする光情報処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光情報処理装置において、
前記フォトリフラクティブ素子は、請求項４に記載のフォトリフラクティブ素子であり、
単一の前記空間変調器により前記フォトリフラクティブ素子への２本の書き込み光を制御する
ことを特徴とする光情報処理装置。
【請求項７】
２次元符号化装置と、空間変調器制御装置と、空間変調器と、フォトリフラクティブ素子とを有し、入力信号を前記２次元符号化装置と前記空間変調器制御装置とを通して前記空間変調器へ入力して、前記フォトリフラクティブ素子への２本の書き込み光が入射される前記空間変調器により該２本の書き込み光を制御する光情報処理装置において、
フォトリフラクティブ素子は、チルト型配置により２本の書き込み光を入射するものであり、
前記２次元符号化装置と前記空間変調器制御装置との間に斜め画像補正回路を有し、前記斜め画像補正回路の補正により単一の前記空間変調器によって前記２本の書き込み光の画像変調を行う
ことを特徴とする光情報処理装置。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０９７５０７
【国際公開日】平成１６年１１月１１日（２００４．１１．１１）
【発行日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５０５８２３（Ｐ２００５−５０５８２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００３９２６
【国際出願日】平成１６年３月２３日（２００４．３．２３）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年１１月１１日（２００４．１１．１１）
【発行日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００３９２６
【国際出願日】平成１６年３月２３日（２００４．３．２３）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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