CN104246582A - 光束整形装置 - Google Patents

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CN104246582A
CN104246582A CN201380020916.7A CN201380020916A CN104246582A CN 104246582 A CN104246582 A CN 104246582A CN 201380020916 A CN201380020916 A CN 201380020916A CN 104246582 A CN104246582 A CN 104246582A
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井上卓
泷口优
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Hamamatsu Photonics KK
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Abstract

光束整形装置(10A)具有：第一相位调制部(12)，其由相位调制型的SLM构成，表示用于调制入射光(P1)的相位的第一相位图案；第二相位调制部(14)，其由相位调制型的SLM构成，与第一相位调制部(12)光学结合，用于进一步调制被第一相位调制部(12)相位调制后的光(P2)的相位的第二相位图案；控制部(16)，其将第一、第二相位图案各个赋给第一、第二相位调制部(12、14)各个。第一、第二相位图案是用于使从第二相位调制部(14)输出的光(P3)的强度分布和相位分布接近于规定分布的相位图案。

Description

光束整形装置
技术领域
本发明涉及一种光束整形装置。
背景技术
非专利文献1、2中记载了为了进行噪声少的全息照射而使用空间光调制元件的方法。在该方法中，通过将一个空间光调制元件配置在傅立叶面，从而分别独立地控制光的振幅和相位分布。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：A.Jesacher et al.,“Near-perfect hologramreconstruction with aspatial light modulator”,Optics Express,Vol.16,No.4,pp.2597-2603(2008)
非专利文献2：A.Jesacher et al.,“Full phase and amplitude control ofholographicoptical tweezers with high efficiency”,Optics Express,Vol.16,No.7,pp.4479-4486(2008)。
发明内容
发明所要解决的技术问题
以往，作为将例如具有按照高斯分布的强度分布的入射光变换成具有平顶(top-hat)状的强度分布的光的装置，已知的有均化器。均化器由通过蚀刻处理写入了相位图案的2块玻璃(透镜)构成。但是，在这样的结构中，难以任意地变更输出光的强度分布。
因此，考虑到可以通过电信号来任意地变更相位图案的空间光调制元件的利用。特别地，在要抑制光损失的情况下，相位调制型的空间光调制元件是合适的。但是，由于相位调制型的空间光调制元件单独不能进行强度调制，因此入射光的强度分布照原样地成为输出光的强度分布。因此，例如将具有按照高斯分布的强度分布的入射光变换成截面为四角形状且具有平顶状的强度分布的光，或者将截面为圆形状且具有平顶状的强度分布的入射光变换成截面为四角形状且具有平顶状的强度分布的光的这样的向任意截面形状和强度分布的光的变换极难。
本发明是有鉴于上述问题点而完成的发明，其目的在于提供一种能够向任意截面形状和强度分布的光的变换的光束整形装置。
解决技术问题的手段
为了解决上述的技术问题，本发明的光束整形装置，其特征在于，具备：第一相位调制部，其由相位调制型的空间光调制元件构成，表示用于调制入射光的相位的第一相位图案；第二相位调制部，其由相位调制型的空间光调制元件构成，与第一相位调制部光学结合，表示用于进一步调制被第一相位调制部相位调制后的光的相位的第二相位图案；控制部，其将第一相位图案和第二相位图案各个赋给向第一相位调制部和第二相位调制部各个，第一相位图案和第二相位图案是使从第二相位调制部输出的光的强度分布和相位分布接近于规定分布的相位图案。
在该光束整形装置中，由相位调制型的空间光调制元件分别构成的第一相位调制部与第二相位调制部光学结合，入射光入射到第一相位调制部，出射光从第二相位调制部取出。然后，在第一相位调制部中，表示由例如赋予规定的强度分布的第一相位图案，具有规定的强度分布的光入射到第二相位调制部。此时，例如规定的相位分布赋给第二相位调制部。由此，能够得到具有任意截面形状和强度分布的输出光。如此，通过使用相位调制型的2个空间光调制元件，从而不仅可以任意地控制相位分布，还可以任意地控制强度分布。即，根据该光束整形装置，向任意的(动态的)截面形状和强度分布的光的变换变得可能。
发明的效果
根据本发明所涉及的光束整形装置，向任意截面形状和强度分布的光的变换变得可能。
附图说明
图1是表示第1实施方式所涉及的光束整形装置的结构的图。
图2是表示包含光束整形装置的光学系统的一个例子的图。
图3是表示入射到第二相位调制部的光的强度分布的例子的图。
图4是表示赋给第二相位调制部的第二相位图案的例子的图。
图5是表示与出射光的光轴方向正交的截面的形状的例子的图。
图6是表示第2变形例的结构的图。
图7是表示TIRF显微镜所使用的光学系统的例子的图。
图8(a)是表示现有的TIRF显微镜中的激发光的例子的图，概略地表示从光轴方向观察物镜的出射光瞳的状态的图，图8(b)是表示第3变形例中的激发光的状态的图，概略地表示从光轴方向观察物镜的出射光瞳的状态的图。
图9是表示入射到第二相位调制部的光的强度分布的例子的图。
图10是表示赋给第二相位调制部的第二相位图案的例子的图。
图11是表示第2实施方式所涉及的光束整形装置的结构的图。
图12是表示第2实施方式所涉及的光束整形装置的一个变形例的结构的图。
图13是表示第2实施方式所涉及的光束整形装置的别的变形例的结构的图。
符号的说明：
10A～10D…光束整形装置、12,22…第一相位调制部、14,24…第二相位调制部、16…控制部、18…透镜、26…控制部、28…激光光源、30…反射型空间光调制元件、30b…第一相位调制部、30c…第二相位调制部、32…空间滤波器、34…准直透镜、36a～36e…反射镜、40,42…物镜、42a…出射光瞳、50,60…光学系统、A…光轴、B…对象物、EX…激发光、P1…入射光、P2…光、P3…出射光。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边详细说明本发明所涉及的变焦透镜的实施方式。另外，在附图说明中，对相同的要素赋予相同的符号，省略重复的说明。
(第1实施方式)
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的光束整形装置10A的结构的图。本实施方式的光束整形装置10A具备第一相位调制部12、第二相位调制部14和控制部16。第一相位调制部12和第二相位调制部14在沿着输入到光束整形装置10A的入射光的光轴A的方向上并列配置，第二相位调制部14与第一相位调制部12光学结合。另外，如后述的别的实施方式中所述，透镜、反射镜等光学部件可以介于第一相位调制部12与第二相位调制部14之间。
在该光束整形装置10A中，第一相位调制部12表示用于调制入射光P1的相位的第一相位图案。另外，第二相位调制部14表示用于进一步调制被第一相位调制部12相位调制后的光P2的相位的第二相位图案。第一相位图案和第二相位图案是用于使从第二相位调制部14输出的光P3的强度分布和相位分布接近于规定(所期望)的分布的相位图案。
入射光P1例如是平行光，从第一相位调制部12的前面(与第二相位调制部14相对的面的相反侧的面)入射。然后，该入射光P1被第一相位调制部12和第二相位调制部14变换成任意截面形状的光P3，从第二相位调制部14的背面(与第一相位调制部12相对的面的相反侧的面)输出光P3。还有，与入射光P1的光轴正交的截面典型地是圆形，入射光P1的强度分布典型地是高斯分布。
第一相位调制部12由空间光调制元件(SLM；Spatial LightModulator)构成。另外，第二相位调制部14也同样由空间光调制元件构成。第一相位调制部12和第二相位调制部14所使用的空间光调制元件有相位调制型的空间光调制元件例如折射率变化材料型SLM(例如使用液晶的物质中，LCOS(Liquid Crystal on Silicon)型、LCD(LiquidCrystal Display)等)、分段反射镜(Segment Mirror)型SLM、连续形状可变鏡(Continuous Deformable Mirror)型SLM等。折射率变化材料型SLM、扇形反射镜型SLM和连续形状可变鏡型SLM通过电压、电流或写入光的施加赋予各种透镜图案，由此作为具有任意焦点距离的透镜发挥功能。另外，在本实施方式中，例示了透射型的空间光调制元件，但空间光调制元件也可以是反射型。
还有，在本实施方式的光束整形装置10A中，第一相位调制部12与第二相位调制部14的距离L1不变，第一相位调制部12和第二相位调制部14的位置相对于设置在后段的光学部件(未图示)被相对固定。
控制部16将第一相位图案赋给第一相位调制部12，将第二相位图案赋给第二相位调制部14。具体而言，控制部16将用于驱动空间光调制元件的各像素的电信号(相位图案)提供给第一相位调制部12和第二相位调制部14。在光束整形装置10A中，通过这样控制部16动态地变更第一相位调制部12和第二相位调制部14的相位图案，从而入射到第二相位调制部14的光P2的强度分布发生变化，并且从光束整形装置10A出射的光P3的强度和相位分布被任意调制。另外，控制部16可以配置在容纳有第一相位调制部12和第二相位调制部14的筐体内，或者可以配置在筐体的外部。
以下，就控制部16分别赋给第一相位调制部12和第二相位调制部14的第一相位图案和第二相位图案的制作方法的具体例进行说明。
首先，为了求出第一相位调制部12中应该表示的相位分布φ1，取得关于入射到第一相位调制部12的光P1的强度分布I1in(振幅分布A1in)的信息。还有，振幅分布A1in与光P1的强度分布I1in有如下数学式(1)所示的关系。
[数学式1]
I1in＝|A1in|2···(1)
接着，设定应该入射到第二相位调制部14的光P2的强度分布I2in(振幅分布A2in)。然后，得到强度分布I1in和I2in(振幅分布A1in和A2in)之后，使用例如GS(Gerchberg&Saxton)法、OC法等迭代傅立叶法或者ORA(Optimal Rotation Angle)法这样的CGH(Computer GeneratedHologram)设计法，来求出包含第一相位调制部12应该表示的相位分布φ1的第一相位图案。通过第一相位调制部12表示这样的第一相位图案，从而在与第一相位调制部12仅离开距离L1的第二相位调制部14，会入射有具有所期望的强度分布I2in(振幅分布A2in)的光P2。另外，到达第二相位调制部14的光P2的相位分布φ2in由第一相位调制部12中的相位调制和从第一相位调制部12的传播过程决定。该相位分布φ2in通过模拟光P2的传播状态来求得。
接着，为了求出包含第二相位调制部14应该表示的相位分布φ2的第二相位图案，设定目标图案Atgt。这里，目标图案是指从光束整形装置10A输出的光P3通过被配置在光束整形装置10A的后段的透镜傅立叶变换而再生的1个以上的聚光点的分布。另外，设定入射到第二相位调制部14的光P2的强度分布I2in(振幅分布A2in)。这样设定目标图案Atgt和振幅分布A2in之后，使用例如GS法、OC法这样的迭代傅立叶法、或者例如ORA法这样的CGH设计法来求得包含第二相位调制部14应该表示的相位分布φ2的第二相位图案。此时，例如入射到第二相位调制部14的光P2为平面波的情况下，可以求得包含第二相位调制部14应该表示的相位分布φ2的第二相位图案。其中，实际上被第一相位调制部12相位调制并传播的光P2入射到第二相位调制部14时，其相位分布φ2in不是平面波。因此，通过进行如下数学式(2)所示的处理，可以求得包含第二相位调制部14应该表示的相位分布φ2的第二相位图案。
[数学式2]
φ2＝φ2_out-φ2_in···(2)
在该数学式(2)所示的处理中，利用第二相位调制部14抵消光P2的相位分布φ2in并且增加更新的相位图案。
还有，求出第一相位调制部12应该表示的第一相位图案时，也可以进行与上述同样的处理。即，入射到第一相位调制部12的光P1的相位分布φ1in不是平面波时，可以通过如下数学式(3)求得第一相位调制部12中表示的第一相位图案的相位分布φ1。
[数学式3]
φ1＝φ1_out-φ1_in···(3)
另外，第一相位调制部12中表示的第一相位图案可以是具有透镜效果的相位图案。而且，在第一相位图案具有透镜效果的情况下，其透镜效果的焦点距离f不等于第一相位调制部12与第二相位调制部14的距离L1，优选比距离L1长或者短。原因在于，如果焦点距离f与距离L1相互相等，则光P2的聚光点与第二相位调制部14重叠，因而有对第二相位调制部14的动作产生影响的担忧。通过焦点距离f比距离L1长或短，从而光P2的聚光点落到第二相位调制部14外，能够适当地使第二相位调制部14动作。
通过控制部16将由以上的方法制作的第一相位图案和第二相位图案分别赋给第一相位调制部12和第二相位调制部14，从而能够使第一相位调制部12表示适当的相位图案，使入射到第二相位调制部14的光P2的强度分布发生变化，并且能够使从第二相位调制部14输出的光P3的强度分布和相位分布接近于所期望的形状。
另外，根据该光束整形装置10A，也能够提高入射光P1与出力光P3之比即光利用效率。例如，在使用LCD等的强度遮光板作为第一相位调制部12的情况下，容易进行强度分布的调整，但根据入射光P1的强度分布与光P2的强度分布的关系，有时光利用效率变得极低。相对于此，在光束整形装置10A中，由于第一相位调制部12由空间光调制元件构成，仅变更入射光P1的相位分布，因此能够有效地抑制光利用效率的降低。
这里，就具有本实施方式所涉及的光束整形装置10A的光学系统的具体例进行说明。一般而言，入射到透镜的光的强度分布对通过透镜的光的聚光点的形状产生影响。例如，在入射到透镜的光的强度分布为均匀的平顶状的情况下，在聚光点显现艾里图案。另外，在入射到透镜的光的强度分布为高斯分布的情况下，在聚光点显现高斯形状的聚光像。如此，通过主动地变更入射到透镜的光的强度分布，从而能够得到各种形状的聚光点。再者，这样的特殊形状的聚光点在激光加工、激光显微镜等用途中可能是有用的。
图2是表示包含光束整形装置10A的光学系统的一个例子的图。图2所示的光学系统50具备光束整形装置10A、激光光源28、空间滤波器32、准直透镜34和物镜40。
在第一相位调制部12输入有入射光P1。入射光P1能够通过如下方式适当地生成：例如从激光光源28出射的激光通过空间滤波器32的聚光透镜32a和针孔32b而除去波前噪声或者失真之后，通过准直透镜34而被平行化。还有，光学系统50可以具备将从激光光源28出射的激光扩径(或缩径)的光束扩展器来替代空间滤波器32。
然后，该入射光P1的强度分布和相位分布被第一相位调制部12和第二相位调制部14任意地变更，从第二相位调制部14的背面(与第一相位调制部12相对的面的相反侧的面)，输出出射光P3。出射光P3入射到物镜40的出射光瞳，在物镜40中被聚光。另外，在聚光点上配置有观察或者加工等的对象物B。
在这样的光学系统50中，如果例如像上述的实施例那样将相位图案赋给第一相位调制部12和第二相位调制部14，则在出射光P3的聚光点能够得到任意的聚光形状。例如，考虑到：在第一相位调制部12中，具有高斯分布状的强度分布的入射光P1被第一相位图案调制，图3所示的强度分布的光P2入射到第二相位调制部14的情况。此时，如果将图4所示的相位图案赋给第二相位调制部14作为第二相位图案，则能够使与聚光点中的光P3的光轴方向正交的截面形状成为图5所示的多角形状(例如三角形状)。此外，能够使该截面中的光P3的强度分布为平顶状。
具有这样的任意形状和强度分布的聚光点的形成，例如在加工领域中使对象物的面的高速加工变得可能，而且在显微观察领域中使面状地光刺激对象物的特定的地方变得可能。
还有，在图2所示的光学系统50中，只要设置至少光源28、光束整形装置10A和物镜40即可，也可以考虑其他各种变形。例如，可以附设用于加工状态或者显微观察的观察单元，也可以进一步设置用于移动或旋转对象物的基台。
(第1变形例)
在上述的实施方式中，从光束整形装置10A输出的光P3被物镜40聚光，但也可以省略物镜40。即，替代物镜40，而第二相位调制部14所表示的第二相位图案可以包含具有用于使光P3成为会聚光的聚光透镜效果的相位图案。通过这样的结构，能够将光P3适当地聚光。或者，根据需要，第二相位图案也可以包含用于使光P3成为扩散光的相位图案。
(第2变形例)
图6是表示上述的实施方式的第2变形例的结构的图。本变形例所涉及的光束整形装置10B与上述实施方式的光束整形装置10A同样地具备第一相位调制部12、第二相位调制部14和控制部16。再者，本变形例所涉及的光束整形装置10B还具有透镜18。
透镜18配置在第一相位调制部12与第二相位调制部14之间，将从第一相位调制部12出射的光P2聚光(或扩散)并提供给第二相位调制部14。虽然空间光调制元件能够实现的透镜的焦点距离存在下限，但如本变形例所述通过组合透镜18可以超过那样的下限来设定焦点距离。
另外，该情况下，第二相位调制部14中表示的第二相位图案所包含的透镜效果的焦点距离f可以与距离L1相同，但将第一相位调制部12的第一相位图案所包含的透镜效果与透镜18合成的焦点距离优选与距离L1不同(比距离L1长或短)。由此，在加工领域、显微镜用途等中，即使在使用大功率的激光的情况下，在空间光调制元件中也能够避免激光被聚光，能够维持空间光调制元件的适当动作。
(第3变形例)
控制部16分别赋给第一相位调制部12和第二相位调制部14的第一相位图案和第二相位图案，可以替代上述的实施方式的方法而由以下的方法制作。
首先，为了求出第一相位调制部12中应该表示的相位分布φ1，取得关于入射到第一相位调制部12的光P1的强度分布I1in(振幅分布A1in)的信息。接着，设定应该入射到第二相位调制部14的光P2的强度分布I2in(振幅分布A2in)。然后，得到强度分布I1in和I2in(振幅分布A1in和A2in)之后，使用例如GS法或者OC法这样的迭代傅立叶法或ORA法这样的CGH设计法，求出包含第一相位调制部12应该表示的相位分布φ1的第一相位图案。
还有，在入射到第一相位调制部12的光P1的相位分布φ1in为平面波的情况下，φ1＝φ1out(φ1out为从第一相位调制部12出射的光P2的相位图案)，但在相位分布φ1in不是平面波时，第一相位调制部12中表示的第一相位图案的相位分布φ1可以由如下数学式(4)求得。[数学式4]
φ1＝φ1_out-φ1_in···(4)
通过这样地第一相位调制部12表示第一相位图案，从而在与第一相位调制部12仅分离距离L1的第二相位调制部14，入射具有所期望的强度分布I2in(振幅分布A2in)的光P2。还有，入射到第二相位调制部14的光P2的相位分布φ2in由第一相位调制部12中的相位调制和从第一相位调制部12的传播过程决定。该相位分布φ2in通过模拟光P2的传播状态来求得。
接着，求出包含第二相位调制部14应该表示的相位分布φ2的第二相位图案。在本变形例中，求出包含用于使从第二相位调制部14输出的光P3成为平行光的相位图案那样的第二相位图案。例如，为了使从第二相位调制部14出射的光P3成为平行光且为平面波，使相位分布φ2成为入射到第二相位调制部14的光的相位分布φ2in的反相位分布。即，由如下数学式(5)求出相位分布φ2。
[数学式5]
φ2＝-φ2_in···(5)
这里，作为具有本变形例所涉及的光束整形装置的光学系统的具体例，就被称为TIRF(Total Internal Reflection Fluorescence：全内反射荧光)显微镜的使超高NA且高倍率的物镜来成像的方法进行说明。TIRF显微镜是使激光全反射而产生渐逝场从而使荧光激发的显微镜。图7是表示TIRF显微镜所使用的光学系统的例子的图。如图7所示，该光学系统60具备光束整形装置10A和TIRF显微镜用的物镜42。还有，在光束整形装置10A的前段，与图2所示的光学系统50同样地配置有激光光源28、空间滤波器32(或光束扩展器)和准直透镜34。另外，该光学系统60为激发光侧的光学系统，但也可以兼具用于观察荧光等的观察侧的光学系统。
在该光学系统60中，入射光P1的强度分布和相位分布被第一相位调制部12和第二相位调制部14任意地变更，从第二相位调制部14的背面输出出射光P3。出射光P3入射到物镜42的出射光瞳42a，被物镜42聚光。此时，与出射光P3的光轴方向正交的截面的形状为环状，可以以入射到物镜42的出射光瞳42a的边缘部附近的方式设定第一相位图案和第二相位图案。
这里，图8(a)是表示现有的TIRF显微镜中的激发光的例子的图，概略地表示从光轴方向观察物镜42的出射光瞳42a的状态。另外，图8(b)是表示本变形例中的激发光的状态的图，概略地表示从光轴方向观察物镜42的出射光瞳42a的状态。
如图8(a)所示，在现有的TIRF显微镜中，使激发光EX入射到物镜42的出射光瞳42a的边缘部附近的一部分的点。相对于此，在本变形例中，如图8(b)所示，可以将沿着物镜42的出射光瞳42a的边缘部整体的环状的平行光作为激发光EX而入射到物镜42。通过将激发光EX的形状这样地整形，从而能够更有效地产生用于激发荧光的渐逝场。
为了从光束整形装置10A输出这样的环状的激发光EX，利用第一相位调制部12来调制具有高斯分布的强度分布的入射光P1，例如使具有图9那样的强度分布的光P2入射到第二相位调制部14。然后，将图10所示的那样相位图案赋给第二相位调制部14作为第二相位图案。由此，保持图9所示的强度分布的平行光P3从第二相位调制部14输出。还有，在仅使用1个空间光调制元件的情况下，能够制作具有图9所示的环状的强度分布的光，但是不作为平行光输出。
另外，在上述中就制造具有环状的强度分布的光(激发光)P3的情况进行了例示，但根据本变形例，可以制作具有其他各种强度分布的光。
另外，在上述中将从第二相位调制部14输出的光P3作为平行光，但控制部16也可以将光P3成为发散光或者会聚光那样的第二相位图案赋给第二相位调制部14。
另外，同样在图7所示的构成中，可以如图6所示在第一相位调制部12与第二相位调制部14之间设置透镜18。透镜18将从第一相位调制部12出射的光P2聚光(或扩散)并提供给第二相位调制部14。空间光调制元件能够实现的透镜的焦点距离存在下限，但通过这样组合透镜18，能够超过那样的下限来设定焦点距离。
(第4变形例)
控制部16分别赋给第一相位调制部12和第二相位调制部14的第一相位图案和第二相位图案可以替代上述的实施方式的方法而由以下的方法进行制作。
首先，为了求出从第二相位调制部14输出的光P3的相位分布，设定目标图案Atgt。该目标图案Atgt是从第二相位调制部14出射的光通过透镜或者相位的透镜效果而会聚时所生成的聚光图案。另外，设定入射到第二相位调制部14的光P2的强度分布I2in(振幅分布A2in)。这样设定目标图案Atgt和振幅分布A2in之后，使用例如GS法、OC法这样的迭代傅立叶法、或者例如ORA法这样的CGH设计法来求出从第二相位调制部14输出的光P3的相位分布。还有，振幅分布A2in与光P2的强度分布I2in有如下数学式(6)所示的关系。
[数学式6]
I2in＝|A2in|2···(6)
接着，设定应该入射到第一相位调制部12的光P1的强度分布I1in(振幅分布A1in)。然后，得到强度分布I1in和I2in(振幅分布A1in和A2in)之后，使用例如GS法、OC法等的迭代傅立叶法或ORA法这样的CGH设计法来求出包含第一相位调制部12应该表示的相位分布φ1的第一相位图案。还有，从第一相位调制部12输出的光P2的相位分布φ1out，在入射到第一相位调制部12的光的波面为平行光的情况下为相位分布φ1，在第二相位调制部14应该表示的相位分布φ2可以由以下的数学式(7)求得。
[数学式7]
φ2＝φ2out-φ2in···(7)
还有，相位分布φ2out通过模拟光P2的传播状态来求得。
就由以上说明的第1实施方式和各变形例的光束整形装置得到的效果进行说明。
在第1实施方式和各变形例的光束整形装置10A(10B)中，将由相位调制型的空间光调制元件分别构成的第一相位调制部12和第二相位调制部14光学结合，使入射光P1入射到第一相位调制部12，从第二相位调制部14取出出射光P3。然后，在第一相位调制部12中表示赋予规定的强度分布的第一相位图案，并且使具有该规定的强度分布的光P2入射到第二相位调制部14，将规定的相位分布赋给第二相位调制部14，由此得到具有任意截面形状和强度分布的出力光P3。
如此，通过使用相位调制型的2个空间光调制元件，不仅可以任意控制相位分布，还可以任意控制强度分布。即，根据该光束整形装置10A(10B)，向任意的(动态的)截面形状和强度分布的光的变换变得可能。例如，即使是任意的聚光形状也能够被聚光，另外，也能够变更输入光P1的强度分布并在平行光、会聚光或发散光的状态下输出光P3。
另外，如非专利文献1、2所示的结构，如果将空间光调制元件配置在傅立叶面上，则在使用例如光强度的激光这样的用途中，在空间光调制元件的一部分光集中，有空间光调制元件的功能下降的担忧。相对于此，在第1实施方式和各变形例的光束整形装置10A(10B)中，第二相位调制部14与第一相位调制部12的傅立叶面分离配置(即，距离L1≠焦点距离f)，且可以令距离L1为任意的长度。因此，能够抑制构成第二相位调制部14的空间光调制元件的功能的下降。
(第2实施方式)
图11是表示本发明的第2实施方式所涉及的光束整形装置10C的结构的图。本实施方式的光束整形装置10C具备第一相位调制部22、第二相位调制部24和控制部26。第一相位调制部22和第二相位调制部24由反射型的空间光调制元件构成，分别具有光反射面22a和24a。另外，如图11所示，光束整形装置10C还可以具有激光光源28、空间滤波器32(或光束扩展器)、准直透镜34、以及反射元件即反射镜36a～36e。
在本实施方式中，通过以下所述的构造，第二相位调制部24与第一相位调制部22光学结合。即，第二相位调制部24的光反射面24a经由多个反射元件即反射镜36d和36c而与第一相位调制部22的光反射面22a光学结合，同时与反射镜36e光学结合。另外，在第一相位调制部22的光反射面22a，经由反射镜36b和36a而输入有入射光P1。入射光P1可以通过如下的方式适当地生成：例如从激光光源28出射的激光通过空间滤波器32的聚光透镜32a和针孔32b而除去波前噪声或者失真之后，通过准直透镜34而被平行化。
控制部26将第一相位图案和第二相位图案各个赋给第一相位调制部22和第二相位调制部24各个。具体而言，控制部26将用于驱动空间光调制元件的各像素的电信号(相位图案)提供给第一相位调制部22和第二相位调制部24。在光束整形装置10C中，通过这样地控制部26变更第一相位调制部22和第二相位调制部24的相位图案，从而能够输出具有任意的强度分布和相位分布的光P3。还有，控制部26可以配置在容纳有第一相位调制部22和第二相位调制部24的筐体内，或者可以配置在筐体的外部。
如本实施方式所述，第一相位调制部和第二相位调制部可以由反射型的空间光调制元件构成。在这样的情况下，也能够发挥与前述的第1实施方式同样的效果。
(变形例)
图12是表示作为第2实施方式的一个变形例的光束整形装置10D的结构的图。本变形例所涉及的光束整形装置10D与第2实施方式的不同点在于：第一相位调制部和第二相位调制部的结构。即，在本变形例中，光束整形装置10D具备一个反射型空间光调制元件30，第一相位调制部和第二相位调制部由单个反射型空间光调制元件30构成，其光反射面30a中的一部分区域(第一区域)作为第一相位调制部30b使用，另一个部分区域(第二区域)作为第二相位调制部30c使用。在本变形例中，第二相位调制部30c经由反射镜36d和36c而与第一相位调制部30b光学结合，同时与反射镜36e光学结合。另外，在第一相位调制部30b，经由反射镜36b和36a而输入有平行光即入射光P1。
控制部26通过将用于驱动空间光调制元件30的各像素的电信号(相位图案)提供给空间光调制元件30，将第一相位图案和第二相位图案各个赋给第一相位调制部30b和第二相位调制部30c各个。在光束整形装置10D中，通过这样地控制部26变更第一相位调制部30b和第二相位调制部30c的相位图案，从而输出具有任意的强度分布和相位分布的光P3。
如本变形例所述，第一相位调制部和第二相位调制部可以由相互共有的单个空间光调制元件构成。在这样的情况下，也能够发挥与前述的第1实施方式同样的效果。
另外，在第2实施方式或者变形例中，作为光入射出射于第一相位调制部和第二相位调制部的光学系统，除了图11或图12所示的结构以外，还可以是各种形态。例如，可以替代空间滤波器32和准直透镜34而设置扩展器，反射镜36a～36e可以置换成例如三角棱镜这样的其他光反射光学部件。另外，如图13所示，也可以是不使用反射镜的结构。另外，在图13的结构中，构成第一相位调制部22的反射型空间光调制元件与构成第二相位调制部24的反射型空间光调制元件优选以它们的光反射面22a、24a相互平行的方式配置。在该情况下，能够使入射光和出射光大致平行，能够使装置变得比较小型。
本发明所涉及的光束整形装置不限于上述实施方式，可以进行其他各种变形。例如，在上述的实施方式和变形例中，例示了入射到第一相位调制部的光为平行光的情况，但入射到第一相位调制部的光不限于平行光，可以适用各种光。
另外，在上述的各实施方式中，例示了物镜作为设置在第二相位调制部的后段的光学部件，但在本发明所涉及的光束整形装置的第二相位调制部的后段，不限于设置物镜，还可以设置各种光学部件。
另外，在上述的各实施方式中，例示了光束整形装置具备2个相位调制部(空间光调制元件)的形态，但本发明所涉及的光束整形装置可以具有3个以上的相位调制部(空间光调制元件)。另外，也可以在第二相位调制部14呈现的相位图案重叠全息图案。由此，调制成任意的振幅后，也可以调制相位。
在上述实施方式所涉及的光束整形装置中，成为如下结构，即，具备：第一相位调制部，其由相位调制型的空间光调制元件构成，表示用于调制入射光的相位的第一相位图案；第二相位调制部，其由相位调制型的空间光调制元件构成，与第一相位调制部光学结合，表示用于进一步调制被第一相位调制部相位调制后的光的相位的第二相位图案；控制部，其将第一相位图案和第二相位图案各个赋给第一相位调制部和第二相位调制部各个，第一相位图案和第二相位图案是用于使从第二相位调制部输出的光的强度分布和相位分布接近于规定分布的相位图案。
另外，光束整形装置可以成为如下结构：第二相位图案包含用于使从第二相位调制部输出的光成为平行光、扩散光或会聚光的相位图案。
另外，光束整形装置可以成为如下结构：与从第二相位调制部输出的光的光轴方向正交的截面的形状为多角形状，该截面中的该光的强度分布为平顶状。
另外，光束整形装置可以成为如下结构：与从第二相位调制部输出的光的光轴方向正交的截面的形状为环状。
另外，光束整形装置可以成为如下结构：第一相位调制部和第二相位调制部分别由反射型空间光调制元件构成。另外，在该情况下，构成第一相位调制部的反射型空间光调制元件与构成第二相位调制部的反射型空间光调制元件以它们的光反射面相互平行的方式配置。
另外，光束整形装置可以成为如下结构：第一相位调制部和第二相位调制部由单个反射型空间光调制元件构成，其光反射面中的一部分区域作为第一相位调制部使用，另一部分区域作为第二相位调制部使用。
另外，光束整形装置可以成为如下结构：具备多个反射元件，第二相位调制部经由多个反射元件而与第一相位调制部光学结合。
另外，光束整形装置可以成为如下结构：空间光调制元件是透射型空间光调制元件。
另外，光束整形装置可以成为如下结构：第二相位图案抵消被第一相位调制部相位调制后的光的相位。
产业上的可利用性
本发明可以作为能够进行向任意截面形状和强度分布的光的变换的光束整形装置来利用。

Claims (10)

1.一种光束整形装置，其特征在于，具有：
第一相位调制部，其由相位调制型的空间光调制元件构成，表示用于调制入射光的相位的第一相位图案；
第二相位调制部，其由相位调制型的空间光调制元件构成，与所述第一相位调制部光学结合，表示用于进一步调制被所述第一相位调制部相位调制后的光的相位的第二相位图案；以及
控制部，其将所述第一相位图案和所述第二相位图案各个赋给所述第一相位调制部和所述第二相位调制部各个，
所述第一相位图案和所述第二相位图案是用于使从所述第二相位调制部输出的光的强度分布和相位分布接近于规定分布的相位图案。
2.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于：
所述第一相位调制部和所述第二相位调制部分别由反射型空间光调制元件构成。
3.如权利要求2所述的光束整形装置，其特征在于：
构成所述第一相位调制部的所述反射型空间光调制元件与构成所述第二相位调制部的所述反射型空间光调制元件以它们的光反射面相互平行的方式配置。
4.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于：
所述第一相位调制部和所述第二相位调制部由单个反射型空间光调制元件构成，其光反射面中的一部分区域作为所述第一相位调制部使用，另一部分区域作为所述第二相位调制部使用。
5.如权利要求2～4中的任一项所述的光束整形装置，其特征在于：
具有多个反射元件，所述第二相位调制部经由所述多个反射元件而与所述第一相位调制部光学结合。
6.如权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于：
所述空间光调制元件是透射型空间光调制元件。
7.如权利要求1～6中的任一项所述的光束整形装置，其特征在于：
所述第二相位图案抵消被所述第一相位调制部相位调制后的光的相位。
8.如权利要求1～7中的任一项所述的光束整形装置，其特征在于：
所述第二相位图案包含用于使从所述第二相位调制部输出的光成为平行光、扩散光或会聚光的相位图案。
9.如权利要求1～8中的任一项所述的光束整形装置，其特征在于：
与从所述第二相位调制部输出的光的光轴方向正交的截面的形状为多角形状，该截面中的该光的强度分布为平顶状。
10.如权利要求1～9中的任一项所述的光束整形装置，其特征在于：
与从所述第二相位调制部输出的光的光轴方向正交的截面的形状为环状。
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