Spatial Light Modulators XY シリーズ 液晶空間位相変調、液晶空間強度変調 - 512 x 512、256 x 256 液晶空間変調器 (SLM) は、空間的に決められたピクセルパターンに光学 的変調を電気的にプログラミングすることのできる光学デバイスです。 SLM（Spatial Light Modulator：空間変調器）は、その特性から、さ まざまな光学分野においてその役割を広げています。入射した光をピク セルごとに制御することは、バルク型の光学システムの性能の向上には 非常に重要です。一般的に、SLMは入射する光の位相、強度またはその 両方を変調制御するのに使用されます。 Meadowlark社（Meadowlark Optics, Inc.）は、フォトニクスアプリ ケーション向けに様々なLCoS (Liquid Crystal on Silicon：反射型液晶 空間位相変調器)の製造、販売行う企業です。反射型液晶ディスプレイな どに代表されるような汎用化した空間変調器デバイスのものとは完全に 異なり、優れた光学特性を持つMeadowlark社のSLMは、本資料の下に 代表されるアプリケーション向けにデザインされています。このカスタ ムデザインの反射型液晶空間位相変調器は、フォトニクスの分野で最も 効果的にご使用になれます。Meadowlarkでは、可視域（VIS）から近赤 外域（NIR）まで、それぞれの波長帯において、常に最高の性能が発揮で きるような、光学的にフラットなデバイスを生産できるようその工程を 開発しました。ご要望に応じて、紫外域（UV）、短赤外線、中赤外線、 長赤外線で動作するプロトタイプのSLMもご紹介をしております。 位相変調、強度変調、 もしくはその両方 優れた特性 アプリケーション Meadowlarkでは、OEM対応での ・ 位相、強度またはその両方 ・ ビームステアリング 液晶デバイスのご相談も行っており ・ 高速位相変調 < 500Hz ・ 光ピンセット ますので、位相変調、強度変調を一 ・ 高効率 < 95% ・ 回折光学オプティクス 台でできるSLMもご提案できま ・ 低位相リップル ・ 光通信関連 す。ネマチック液晶は、一般的には ・ 低クロストーク ・ 顕微鏡用途 位相変調器として使用されますが、 ・ 高光学分解能 ・ 波面収差補償 その光学セットアップにより強度変 ・ 超短パルス補正 調器としても使用することができま ・ プログラマブル位相マスク す。 XYネマチック液晶SLMシリーズ - 位相変調、強度変調、もしくはその両方 XYネマチック液晶SLMシリーズは、一般的な光学ラボ環境下で様々なアプリケーションで簡単に使用できるよ うにデザインされています。XYネマチック液晶SLMシリーズは、デザインされた波長での使用時に反射型セッ トアップで最大1wave：2πの位相ストロークを生みだすことができるように設計されています。完全な直線偏 光が、SLMの光学面に対して垂直方向（液晶のSlow-Axis方向）に入射するとSLMは偏光を変えることなく位 相変調のみ与えます。光学軸に対して45°回転させた方向（液晶のSlow-AxisとFast-Axisの中間方向）に完 全な直線偏光を入射することで簡単に、強度変調（同時に偏光板を使用する）を与えることができます。 XY FLC SLMシリーズ - 強度変調、偏波ローテーション MeadowlarkのXY FLC SLMシリーズは、最大90° のアナログ偏波ローテーションによる強度変調を与え ることができるように設計されています。 このSLMは1kHzまでの非常に速いフレームレートを 持っています。全てFLCデバイスは、デューティ比が 最大で50：50となります。 （サイクルの半分には実イメージ、残りの半分には反 転したイメージを出すことのできるドライバが必要条 件です。） 特長 Meadowlarkでは、20年以上に渡り様々な液晶空間変調器を開発して参りました。 これらの経験から、Meadowlarkでは特に優れた特性を持ったSLMを開発し、マーケットに供給しています。 ・ 位相だれ、書き込み遅延などの抑制のためのサブミリ秒でのフレームローディング ・ 高次回折低減のための100％開口率 ・ イントラペアピクセルにより2π位相印加時の帯域幅を最大化 ・ 最高の光学的フラット性能達成のための製造プロセスの開発 ・ 位相変調、最速500Hzまでの高速液晶応答 ・ 16bitコントロールドライバにより500リニア以上の位相応答レベルを確保 ハイスピード書き込み （High Speed Addressing） SLMは、8ビット、16ビットに対応したデータをミリ秒ごとに数度ロードを行っています。この高速書き込み により、以下グラフで見られるような、変調時に見られる位相リップルを除去することができます。変調器への 低速書き込みが原因で、データに影響を及ぼすほどのリップルが発生してしまうことは知られています。（左 図）このリップルは、変調器のトグルレートが、使用している液晶の応答速度（ここでは液晶のリラックス方向 への応答速度）よりも低速の時に見られます。位相変調器として使用の場合には、このリップルにより位相のエ ラーと認識されます。このリップルを除去するためには、変調器の応答速度よりも数倍速いトグルレートをかけ る必要があります。（右図） それを可能にしたのがMeadowlark社のXYネマチック液晶 SLMシリーズです。開発したアクティブマトリク ス・バックプレーンと専用のドライブエレクトロニクスにより位相リップルを極限まで低減したサブミリ秒の ロードを可能にしています。 COMPETITOR SLM Meadowlark SLM 100%開口率（100% Fill Factor） SLMから出射した光は、SLMの底面にある電極（アルミピクセル）の間の部分も含めて、全てに変調が起こり ます。このLCoSタイプの反射型空間変調器のバックプレーンは、その物理的な構造から、一部の光を高次光へ と回折します。この高次光の発生は、光学的な損失となります。 Meadowlark社では、この損失を低減させるため、高次光の発生を抑える反射型空間変調器の製作手法を開発 しました。オプションの一つにある“High Efficiency Mirror”を付加することで、LCoS底面（バックプレー ン）のアクティブエリア全体に薄膜の誘電体レイヤーが施され、底面の全体が光学的に平坦な誘電体ミラーにな ります。これによりSLMのアクティブエリア全体で物理的構造により発生していた偏角や光路のばらつきなど を低減することができます。 SLMの駆動時にカバーガラスの電極と底面のアルミピクセル電極との間にある液晶レイヤーを貫く電界フィー ルドの低下が発生しないように、このバックプレーン上の薄膜誘電体レイヤーはできる限り薄く作られていま す。これらの技術により、Meadowlark社は、優れた反射型液晶空間変調器を製作しています。 優れた光学分解能（High Optical Resolution） 位相変調器の光学的な分解能は、0と2π（1wave）の位相変調をSLMのある領域に与え、その境界がどれだ け狭いかによって評価することができます。理想は、もちろん、隣り合うピクセルで0と2πの位相が発生する ことです。（境界がほぼ垂直でだれることなない。）ですが、実際には、空間変調器を構成する各レイヤーの厚 み、隣り合うアルミピクセル電極に印加される電位、カバーガラスとLCoS底面間との電極間距離等の関係から 常にある境界幅を持つことになります。 誘電体レイヤー（High Efficiency Mirror オプション）を付加することで、アルミピクセル電極間のデッドゾー ンは排除することはできますが、隣り合う電極間の影響は、増大することとなります。 光学的な空間分解能を向上するためには、LCoS底面のアルミピクセル電極とカバーガラス上の電極とのセルギ ャップは非常に狭くすることが必要です。 SLMコントローラ／インターフェース（LCoS Controller Interface Option） Meadowlarkでは、ご使用に合わせて3つの異なるコ ントローラ／インターフェースをご紹介しておりま す。 - DVI 16bit - PCI Express 16bit（PCIe-16bit） - PCI Express 8bit（PCIe-8bit） DVI コントローラ・インターフェース 標準的なビデオインターフェースでのコントロールを 望まれる場合には、DVIコントローラ・インターフェ ースをお勧めいたします。DVIコントローラ・インタ ーフェースを使用することで、SLMを16ビットの分 解能でコントロールすることができます。 電圧に対する液晶の応答特性は非線形です。その応答特性は、ファイル化されSLMのハードウェアに保存され ています。このファイル(LUT: Look Up Table)があることで、SLMの応答時間の遅延を最小化すると共に、 ユーザによるキャリブレーション（調整）の必要性を低減しています。 16ビット、512x512イメージがDVIコントローラ・インターフェースを転送される速度は、使用しているグ ラフィックカードの性能により決まります。 カスタム仕様のグラフィックカードをご使用の場合、ハードウェアは最大200Hzまでのフレームレートまでを サポートします。 それに対して標準的なグラフィックカードの場合、一般的には60∼75Hz程度のフレームレートが限界で、実 際に得られるフレームレートは、使用するPCやソフトウェアを含めたトータルの環境に左右されるのでまちま ちです。フレームレートは、SLM上のLCoSのリフレッシュレートになります。 これは例ですが、75HzのリフレッシュレートでC++インタフェースを使用しイメージが13.3msでアップ デートされるはずでしたが、実際にアップデートできたのは26.6ms程度となりました。トータルの環境に よってはこのように液晶の応答速度よりもDVIコントローラ・インターフェースの方が遅くなる場合も起こり得 ます。 標準ソフトウェア“Blink Compact”は、フォルダ内のコンテンツを読み込みます。 オペレータが、SLM上に表示させるイメージを選択させることができる一方、ソフトウェア内に設定されたタ イマーでいくつものイメージを連続的に切り替え表示させることもできます。 ソフトウェアタイマーは、さほど正確なものではないので、厳密に決められた時間でのイメージの表示切り替え を行う必要のあるアプリケーションには向いていません。 標準ソフトウェアは、Dualmodeで使用します。SLMが稼働中は、メインモニターからコントロールすること ができます。 DVIコントローラ・インターフェース（LCoS Controller Interface Option） DVIコントローラ・インターフェースを使用した場合、青、緑、赤でそれぞれ8ビットづつ計24ビットのイ メージが使用されますが、ハードウェアにより青は無視され、残りの16ビットでオペレーションされます。 緑の8ビットは、最上位ビットとして、赤の8ビットは最下位ビットとして扱われます。8ビットのイメージが SLMにロードされると、8ビットは、最上位に割り当てられます。これらのイメージは、ユーザインタフェー ス上に緑として現れます。イメージがグラフィックスカードを介して転送されるので、グラフィックスカードの セッティングは、SLMのオペレーションに非常に重要です。 特に、nVidia社 NVS290 256MB dual DVI グラフィックスカードを使用した場合、Meadowlarkから供給 されるSLMの性能を含んだLUTが正確に機能するよう、入力値に対する出力値の補正がかかるようにガンマは 50%にセットする必要があります。 Meadowlarkでは、それらすべてのグラフィックカードにおける個々の動作を保証しているわけではありませ ん。異なるグラフィックカードを使用する場合には、使用する前にSLMのキャリブレーションすることをお勧 めします。 PCIe 8-bit、16-bit 例えば、高速に書き換えを行う、ダイナミックに使用するようなアプリケーションでのご使用を想定されている のであれば、このPCIeコントローラ・インターフェースが最適な選択であると言えます。 PCIeコントローラ・インタフェースには8ビットと16ビットタイプの2つがあり、それぞれ8ビット、また は、16ビットのピクセルデータをSLMに転送します。電圧に対する液晶の応答特性は非線形です。その応答特 性は、ファイル化されSLMのハードウェアに保存されています。このファイル（LUT: Look Up Table）があ ることで、SLMの応答時間の遅延を最小化すると共に、ユーザによるキャリブレーション（調整）の必要性を 低減しています。 PCIe 8ビット コントローラ・インターフェースを使用すると512x512イメージは、PCIe スロット“ｘ4” もしくは、それ以上のサイズのスロットを経由して、約600µsでデータ転送されます。PCIe 16ビットコント ローラ・インターフェースを使用すると512x512イメージは、PCIeスロット“x8”もしくは、“x16”サイ ズのスロットを経由して約600usでデータ転送されます。 標準ソフトウェア“Blink Compact”は、フォルダ 内のコンテンツを読み込みます。オペレータが、 SLM上に表示させるイメージを選択させることがで きる一方、ソフトウェア内に設定されたタイマーでい くつものイメージを連続的に切り替え表示させること もできます。ソフトウェアタイマーは、さほど正確な ものではないので、厳密に決められた時間でのイメー ジの表示切り替えを行う必要のあるアプリケーション には向いていません。 SLM上に新たなイメージが描画されたときにトリ ガーを使用することで、外部との同期をとることがで きます。 PCIe Controller Hardware for LCoS SLM Host Computer Requirement Meadowlark社のSLMのご使用には、以下基本性能を持つPCが必要となります。 OS: Windows Vista SP2 (32 or 64bit）もしくは、Windows 7（32 or 64bit） CPU: Dual Core Processor 1GB以上のメモリ スロット： - PCIe-8bit x4 もしくはそれ以上の空きスロット - PCIe-16bit x8 もしくはそれ以上の空きスロット - DVI グラフィックスコントローラ（DVI-Dコネクタ使用可能なこと） SLM Construction ピクセル（画素）のサイズは次のように表現されます。ピクセルピッチは隣接ピクセルの中心の距離で定義され ており、インターピクセルギャップは、隣接ピクセル間の隙間の長さとしています。 偏光した光が入射しSLMの光学面であるカバーガラスを透過します。透明電極を透過し、続く液晶レイヤーを 透過します。SLMの底面にある電極（アルミピクセル）で反射した光は、入射と同様の光路を戻ります。LCoS への変調信号は、SLMの裏面にあるピンから入力され、ボンディングワイヤを通して半導体回路に入ります。 その結果SLMの底面の電極（アルミピクセル）に電圧がかかり、カバーガラスの透明電極とアルミピクセル間 で電界が誘発され、それに応じて液晶分子が動作を開始し液晶レイヤーの光学特性に変化が生じます。（複屈折 の変化が発生します。） SLMは、それぞれのピクセルに異なる電圧をかけることで、ピクセルごとに独立して位相パターンを作り上げ ることができます。 Software Options Meadowlark社製SLMにはいくつかのソフトウェア オプションがあります。 Blink Compact ベーシックソフトウェア SLMのご購入時に添付されています。インストール することですぐにSLMをご使用になれます。 Blink Plus (OPTION) Blink Compactの機能を含み、さらにSLM自身が持 つ不均一な平坦さをオフセットする機能を持ってい ます。（FLS SLMでの使用不可） XY PhaseFlat SLMには本ソフトウェアが標準で付 いてきます。 Blink Full (OPTION) Visual C++やデバイスのドライバーなどに精通したエンジニア向けのソフトウェアです。Blink Fullは、ご自身 でプログラムを製作されたい方々、ソフトウェアを修正したい方々等には適したソフトウェアです。本ソフト ウェアには、上位レベルのGUI、ランタイムライブラリ、デバイスドライバなどのソースコードが含まれていま す。 Visual C++ Software Development Kit (OPTION) Visual C++に精通しており、ご自身でソフトウェアを製作、デバイスドライバの修正も行うことを想定されて いる方向け。簡素化されたソフトウェアパッケージには、最小限のユーザインタフェースが含まれています。 Runtime Library関数をどのようにして使用するかの実例を挙げて示します。上位レベルのGUIソースコードが 含まれていますが、デバイスドライバは含まれておりません。 LabVIEW Software Development Kit (OPTION) Visual C++とLabVIEWに精通しており、ご自身でLabVIEW VIを使用してソフトウェアを製作、デバイスドラ イバの修正も行うことを想定されている方向け。簡素化されたソフトウェアパッケージには、最小限のユーザイ ンタフェースが含まれています。LabVIEWのDLLを介してC++関数を読み出す方法を実例を挙げて示します。 Matlab Software Development Kit (OPTION) Matlabに精通しており、ご自身でプログラムを製作しようとしている、さらにデバイスドライバを修正したい と考えている。簡素化されたソフトウェアパッケージには、最小限のユーザインタフェースが含まれています Runtime Library関数をどのようにして使用するかの実例を挙げて示します。 - High Speed & Efficiency 515∼585 nm ≧100 Hz - High Speed 動作波長範囲 ≧30 Hz ≧142 Hz - Std. 応答速度 反射波面収差 - RMS (Standard) 耐光強度 - Standard - High Speed & High Efficiency ミラー λ/4@635 nm 615∼700 nm ≧60 Hz ≧83 Hz ≧30 Hz 760∼865 nm ≧45 Hz ≧58 Hz ≧18 Hz λ/5@785 nm 5W/cm2（参考値） 10W/cm2（参考値） 33 lp/mm (max.） 1030∼1170 nm ≧60 Hz ≧100 Hz ≧15 Hz λ/6@1064 nm 15µm x 15µm ピクセルピッチ 空間分解能 200：1（強度変調として使用の場合） コントラスト比 2π（typ.）（π∼6π 応相談） 変調 フェーズ・ストローク（ダブルパス） 反射 屈折率のコントロール モード 512 x 512 (262,144 active pixels) 100% フォーマット 83.4% 開口率（OPTION: High Efficiencyミラー） λ/3@532 nm up to 100% Model P512 – 1064 Ravg < 1%, 450∼865、600∼1300、865∼1650 nm 開口率 (Standard) ARコート デューティ・サイクル 61.5% (max.) 90∼95% (max.) Model P512 – 0785 7.68 x 7.68 mm Model P512 – 0635 ゼロオーダ回折効率（Standard） ゼロオーダ回折効率 （OPTION: High Efficiencyミラー） Model P512 – 0532 アレイサイズ 512ネマチック液晶SLM 1505∼1650 nm ≧35 Hz ≧50 Hz ≧10 Hz λ/8@1550 nm Model P512 – 1550 反射波面収差 - RMS ※256x256タイプは、高速応答シリーズのみ - High Speed - High Speed & High Efficiencyミラー 動作波長範囲 応答速度 λ/7@532 nm ≦2 ms/≧500 Hz ≦2.8 ms/≧350 Hz 515∼585 nm ≦2.5 ms/≧400 Hz ≦3.3 ms/≧300 Hz 615∼700 nm λ/8@635 nm ≦4.5 ms/≧222 Hz ≦5.7 ms/≧175 Hz 760∼863 nm λ/10@785 nm 20lp/mm（max.) 24µm x 24µm 空間分解能 ピクセルピッチ 2π(typ.)（π∼6π 応相談） 200：1（強度変調として使用の場合） ≦7 ms/≧142 Hz ≦10 ms/≧100 Hz 1030∼1170 nm λ/12@1064 nm Model HSP256-1064 コントラスト比 フェーズ・ストローク（ダブルパス） 反射 屈折率のコントロール 変調 256 x 256 (65,536 active pixels) モード フォーマット 90% 100% 開口率（OPTION: High Efficiencyミラー） Ravg < 1%, 450-865nm up to 100% 90∼95% (max.) 開口率 (Standard) ARコート デューティ・サイクル ゼロオーダ回折効率（OPTION:High Efficiencyミラー） 71.5% (max.) Model HSP256-0785 ゼロオーダ回折効率（Standard） Model HSP256-0635 6.14 x 6.14 mm Model HSP256-0532 アレイサイズ 256ネマチック液晶SLM ≦14 ms/≧71 Hz ≦20 ms/≧50 Hz 1505 - 1650 nm 1505∼1650 nm λ/15@1550nm Model HSP256-1550 PCIe 8 bit 61.5% (max) 応答速度 256（8 bit） 256 x 256 512 × 512 1 × 12,288 (All Model) フェーズレベル SLM Model x4 600 µs (CPU-SLM) 転送時間 （PC性能に依存） スロット ドライバ デューティー比 256 x 256 512 × 512 1× 12,288 (All Model) 65,536（16 bit） 1200 µs (CPU-SLM) x8 PCle 16 bit 50% 1015Hz (max) / ≦450us Model A512 – 1550 60 Hz - Standard 512 × 512 200 Hz - High Speed 512 × 512 65,536（16 bit） 60 Hz - 16.7 ms（CPU - SLM） 200 Hz - 5.0 ms（CPU - SLM） (nVidia) - DVI 16 bit Model A512 – 1064 200：1（強度変調として使用の場合） 変調 コントラスト比 反射 屈折率のコントロール モード Ravg < 1%, 450-865nm ゼロオーダ回折効率（Standard） ARコート 90-95% (max) 512 x 512 ゼロオーダ回折効率（OPTION: High Efficiencyミラー） 7.68 x 7.68 mm Model A512 – 0785 アレイサイズ Model A512 – 0635 フォーマット Model A512 – 0532 512 FLC SLM (強誘電液晶タイプ)
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