CN111819490B - 空间光调制器、光调制装置、以及空间光调制器的驱动方法 - Google Patents

空间光调制器、光调制装置、以及空间光调制器的驱动方法 Download PDF

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Abstract

SLM(4A)具备调制部(40A)和驱动电路(41)。调制部(40A)具有多个像素(40a)，并且根据周期性地时间变化的驱动信号的振幅对每个像素(40a)调制入射光的相位或强度。驱动电路(41)将驱动信号提供给调制部(40A)。驱动电路(41)以使提供给多个像素(40a)中的第一像素组(401)的驱动信号(V1(t))的相位与提供给多个像素(40a)中的第二像素组(402)的驱动信号(V2(t))的相位互相反转的方式控制。由此，能够实现能够降低产生于调制后的光的波动的空间光调制器、光调制装置、以及空间光调制器的驱动方法。

Description

空间光调制器、光调制装置、以及空间光调制器的驱动方法
技术领域
本发明涉及一种空间光调制器、光调制装置、以及空间光调制器的驱动方法。
背景技术
在非专利文献1～3中记载了一种使用了空间光调制器的光学装置。而且，在这些文献中记载了在从空间光调制器输出的调制光的强度中产生周期性的波动，作为抑制其波动的方法，提出了使用其它的光调制元件的方法、或者使液晶的温度降低以增加液晶的粘性的方法。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：M.McGovern et al.,"Single beam atom sorting machine",Laser Physics Letters,Vol.9,No.1,pp.78-84,2012
非专利文献2：Hyosub Kim et al.,"In situ single-atom array synthesisusing dynamic holographic optical tweezers",Nature Communications,Vol.7,Art.13317,DOI:10.1038/ncomms13317,pp.1-8,2016
非专利文献3：Rainer J.Beck et al.,"Compensation for time fluctuationsof phase modulation in a liquid-crystal-on-silicon display by processsynchronization in laser materials processing",Applied Optics,Vol.50,No.18,pp.2899-2905,2011
发明内容
发明所要解决的技术问题
近年来，空间光调制器在操作例如微小物体的光阱技术、光学扫描显微镜、激光加工之类的各种领域中应用。在多数情况下，空间光调制器通过提供给各个像素的电压信号驱动。有时对该电压信号赋予周期性的时间变化。例如，对液晶型的空间光调制器，提供有周期性地时间变化的电压信号(交流电压)，以长久地保持液晶的相状态。
然而，由这样的电压信号引起，从空间光调制器输出的调制后的光中产生波动(与电压信号的变化周期同步的变动)。当调制后的光产生波动时，例如在光阱技术的情况下，所捕获的微小物体轻微地振动。另外，在光学扫描显微镜中所获得的图像的亮度会周期性地变动，并且在激光加工中照射于加工对象的光的强度会周期性地变动。因此，期望降低产生于调制后的光的波动。
实施方式的目的在于，提供一种能够降低产生于调制后的光的波动的空间光调制器、光调制装置、以及空间光调制器的驱动方法。
解决问题的技术手段
实施方式是空间光调制器。空间光调制器具备：调制部，其具有多个像素，并且根据周期性地时间变化的驱动信号的振幅对每个像素调制入射光的相位或强度；以及驱动电路，其将驱动信号提供给调制部，驱动电路以使提供给多个像素中的第一像素组的驱动信号的相位与提供给多个像素中的第二像素组的驱动信号的相位互相反转的方式控制。
实施方式是空间光调制器的驱动方法。空间光调制器的驱动方法是驱动空间光调制器的方法，该空间光调制器具备具有多个像素，并且根据周期性地时间变化的驱动信号的振幅对每个像素调制入射光的相位或强度的调制部，使提供给多个像素中的第一像素组的驱动信号的相位与提供给多个像素中的第二像素组的驱动信号的相位互相反转。
在这些空间光调制器以及驱动方法中，由于提供给多个像素中的第一像素组的驱动信号的相位与提供给多个像素中的第二像素组的驱动信号的相位互相反转，因此，当从调制部输出的调制后的光聚光时，来自第一像素组的光的波动与来自第二像素组的光的波动互相抵消。由此，可以降低产生于调制后的光的波动。此外，由于各个像素的相位根据驱动信号的振幅来确定，因此，无论驱动信号的相位的反转，均可以获得期望的相位图案。
实施方式是光调制装置。光调制装置具备：上述结构的空间光调制器；以及光检测器，其检测调制后的光的强度，驱动电路基于从光检测器提供的光强度的周期性的变动，来确定第一像素组与第二像素组的边界线的位置。
由此，根据入射光的照射区域的位置来自动地移动边界线，并且可以容易地使来自第一像素组的光的波动的大小与来自第二像素组的光的波动的大小接近。
实施方式是光调制装置。光调制装置是具备上述结构的空间光调制器；光源，其将入射光提供给调制部；以及聚光光学系统，其将从调制部输出的调制后的光聚光。
由此，可以提供一种能够降低产生于调制后的光的波动的光调制装置。
发明的效果
根据实施方式的空间光调制器、光调制装置、以及空间光调制器的驱动方法，能够降低产生于调制后的光的波动。
附图说明
图1是概略性地示出一个实施方式所涉及的光调制装置1A的结构的图。
图2是概略性地示出作为SLM4A的一个例子的LCOS型的SLM的截面图，并且示出沿着入射于调制部40A的光L1的中心轴线AX2的截面。
图3的(a)是概念性地示出驱动信号V1(t)的时间波形的一个例子的图表，以及图3的(b)是概念性地示出驱动信号V2(t)的时间波形的一个例子的图表。
图4是调制部40A的正面图，并且示出像素组401、402的轮廓。
图5的(a)是示出驱动信号V1(t)、V2(t)的相位一致的情况下的聚光点O2处的相位调制量的变化的一个例子的图、以及图5的(b)是示出将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转的情况下的聚光点O2处的相位调制量的变化的一个例子的图。
图6的(a)、(b)是示出驱动信号V1(t)、V2(t)的相位一致的情况下的聚光点O2处的相位调制量的变化的一个例子的图。
图7的(a)、(b)是示出是示出将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转的情况下的聚光点O2处的相位调制量的变化的一个例子的图。
图8是示出为了确认照射区域Q内的像素组401、402的面积比对波动的抑制为何种程度影响，使照射区域Q的中心P与边界线B1的距离变化并测量了波动的大小的结果的图表。
图9是示出通过SLM4A以及聚光光学系统6形成的四点的束斑LU、LD、RU、以及RD的图。
图10的(a)是示出驱动信号V1(t)、V2(t)的相位一致的情况下的束斑LU、LD、RU、以及RD各自的光强度I_Lu、I_Ld、I_Ru、以及I_Rd的图表、以及图10的(b)是放大示出(a)的部分A1的图表。
图11的(a)是示出将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转的情况下的光强度I_Lu、I_Ld、I_Ru、以及I_Rd的图表、以及图11的(b)是放大示出(a)的部分A2的图表。
图12是示出用于形成图9所示的四点的束斑LU、LD、RU、以及RD的相位图案的图，并且由颜色的浓淡来表示相位值。
图13是示出像素组401、402中的各个相位图案互相不同的情况的图。
图14的(a)、(b)是示出通过使图13所示的相位图案旋转，使像素组401、402的各个所包含的相位图案变化的样子的图。
图15的(a)、(b)是示出通过使图13所示的相位图案旋转，使像素组401、402的各个所包含的相位图案变化的样子的图。
图16是示出图14的(a)和(b)、以及图15的(a)和(b)所示各自的情况下的相位调制量的波动的大小的图表。
图17的(a)是图15的(b)中的像素组401的相位调制量的直方图、以及图17的(b)是图15的(b)中的像素组402的相位调制量的直方图。
图18是示出评价了光L2的光强度的损失的结果的图，图18的(a)是示出相位图案的图，图18的(b)是示出通过(a)的相位图案形成的四点的束斑的图、以及图18的(c)是放大示出其中的一个束斑的图。
图19是示出评价了光L2的光强度的损失的结果的图，图19的(a)是示出相位图案的图，图19的(b)是示出通过(a)的相位图案形成的四点的束斑的图、以及图19的(c)是放大示出其中的一个束斑的图。
图20是示出设置与边界线B1交叉的其它的边界线B2，并且将调制部40A分割为四个像素组403～406的情况的图。
图21是示出以某个方向为长边方向的多个像素组407和以该方向为长边方向的多个像素组408在与该方向交叉的方向上交替地排列的情况的图。
图22是示出第二变形例所涉及的光调制装置1B的结构的图。
图23是示出第三变形例所涉及的光调制装置1C的结构的图。
图24是示出第四变形例所涉及的光调制装置1D的结构的图。
图25是示出第五变形例所涉及的光调制装置1E的结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对空间光调制器、光调制器、以及空间光调制器的驱动方法的实施的方式进行详细的说明。此外，在附图的说明中，对相同的元件使用相同的符号，省略重复的说明。
图1是概略性地示出一个实施方式所涉及的光调制装置1A的结构的图。光调制装置1A例如被组入于光阱装置、激光加工装置、或者显微镜装置等。该光调制装置1A具备光源2、导光光学系统3、空间光调制器(Spatial Light Modulator；SLM)4A、以及聚光光学系统6。SLM4A具有调制部40A以及驱动电路41。
光源2是用于将相干的光L1提供给SLM4A的调制部40A的光源，例如由半导体激光元件等的激光光源、或者SLD(Super Luminescence Diode(超发光二极管))等的非相干光源等构成。从光源2输出的光L1是平行光。图中的虚线AX1表示从光源2输出的光L1的中心轴线、即在行进方向上连结与行进方向正交的截面中的强度分布的中心的线。该强度分布例如是高斯分布。光L1在空间中传播并到达导光光学系统3。
导光光学系统3将从光源2输出的光L1引导至SLM4A的调制部40A。具体地，导光光学系统3与光源2光学耦合，并接受从光源2输出的光L1。导光光学系统3是远心光学系统，并且至少具有一对透镜3a、3b。透镜3a、3b在沿着光L1的中心轴线AX1的方向上排列地配置。透镜3a在光L1的光路上位于光源2与透镜3b之间。透镜3a、3b的光轴沿着中心轴线AX1，优选与中心轴线AX1大致平行。透镜3a、3b的光轴互相一致。透镜3a和透镜3b的距离与透镜3a的焦点距离与透镜3b的焦点距离之和相等。因此，在透镜3a和透镜3b之间，光L1一旦收敛后就发散，再次作为平行光从透镜3b输出。
还有，通过使透镜3a、3b的焦点距离互相不同，可以使从透镜3b输出的光L1的光束直径与输入于透镜3a的光L1的光束直径不同。另外，如图所示，也可以通过使透镜3b的焦点距离比透镜3a的焦点距离长，以使从透镜3b输出的光L1的光束直径比输入于透镜3a的光L1的光束直径大的方式，使导光光学系统3作为光束扩展器发挥功能。
在这样的导光光学系统3中，透镜3a、3b构成为能够沿着与光轴交叉的方向(图中的箭头D1)移动，透镜3a、3b的光轴与中心轴线AX1的距离能够改变。当透镜3a、3b的光轴相对于中心轴线AX1在与中心轴线AX1交叉的方向上偏移一定距离时，从透镜3b输出的光L1的中心轴线AX2维持相对于中心轴线AX1平行的状态，并且在该方向上偏移相同的距离。即，导光光学系统3还具有使光L1的中心轴线偏移的功能。由此，可以一边维持光L1相对于调制部40A的入射角，一边改变光L1的入射位置。
调制部40A光学耦合于导光光学系统3，并且接受作为从导光光学系统3输出的平行光的光L1。调制部40A设置于光L1的光路上，并表示相位图案。调制部40A具有多个像素40a，并且根据驱动信号(在本实施方式中为驱动电压)的大小对每个像素40a调制入射光L1的相位。驱动电路41对每个像素40a生成用于在调制部40A显示期望的相位图案的驱动电压。期望的相位图案通过未图示的计算机运算，并发送到驱动电路41。驱动电路41从计算机接受与相位图案相关的信号，并且将基于该信号的驱动电压赋予调制部40A的多个像素40a。
本实施方式的SLM4A是液晶型，例如是LCOS-SLM(Liquid Crystal On SiliconSpatial Light Modulator(硅空间光调制器上的液晶))或LCD(Liquid Crystal Display(液晶显示器))。此外，在图1中示出了反射型的SLM4A，但是SLM4A也可以是透过型。
图2是概略性地示出作为SLM4A的一个例子的LCOS型的SLM的截面图，并且示出沿着入射于调制部40A的光L1的中心轴线AX2的截面。该SLM4A除了具有调制部40A以及驱动电路41之外，还具有硅基板42以及透明基板49。调制部40A包含多个像素电极43、液晶层44、透明电极45、取向膜46a及46b、电介质镜47、以及间隔件48。
透明基板49由透过光L1的材料构成，并且沿着硅基板42的主面配置。多个像素电极43在硅基板42的主面上以二维格子状排列，并且构成调制部40A的各个像素40a。透明电极45配置于与多个像素电极43相对的透明基板49的面上。液晶层44配置于多个像素电极43与透明电极45之间。液晶层44例如由向列液晶等的液晶构成，并且包含大量的液晶分子44a。取向膜46a配置于液晶层44与透明电极45之间，取向膜46b配置于液晶层44与多个像素电极43之间。电介质镜47配置于取向膜46b与多个像素电极43之间。电介质镜47反射从透明基板49入射并透过液晶层44的光L1，并且再次从透明基板49出射。
驱动电路41是控制施加于多个像素电极43与透明电极45之间的驱动电压的像素电极电路(有源矩阵驱动电路)。当从驱动电路41向任意的像素电极43施加驱动电压时，根据产生于该像素电极43与透明电极45之间的电场的大小，位于该像素电极43上的液晶分子44a的取向发生变化，其结果，液晶层44的该部分的折射率发生变化。因此，透过液晶层44的该部分的光L1的光路长发生变化，进而透过该部分的光L1的相位发生变化。光L1在相位调制之后，作为光L2从透明基板49向调制部40A的外部出射。通过在多个像素电极43施加有各种大小的驱动电压，可以电写入相位调制量的空间分布，并且可以根据需要，在光L2中实现各种波前形状。
再次参照图1。聚光光学系统6与SLM4A的调制部40A光学耦合，并且接受从调制部40A输出的调制后的光L2。从调制部40A输出的光L2是平行光，并且聚光光学系统6将该光L2在任意的位置聚光。聚光光学系统6例如由聚光透镜61优选地构成。聚光透镜61的聚光点O2与聚光透镜61的距离与聚光透镜61的焦点距离相等。此外，在图1中，聚光点O2位于光L2的中心轴线AX2上，但是聚光点O2也可以位于从中心轴线AX2离开的位置。另外，聚光点O2不限于单一的位置，也可以形成于多个位置。
在此，对本实施方式的SLM4A的驱动方法进行说明。驱动电路41将驱动信号V1(t)提供给调制部40A的多个像素40a中的像素组401(第一像素组)，并且将驱动信号V2提供给像素组402(第二像素组)。图3的(a)是概念性地示出驱动信号V1(t)的时间波形的一个例子的图表。图3的(b)是概念性地示出驱动信号V2(t)的时间波形的一个例子的图表。如这些图所示，驱动电路41将周期性地时间变化的驱动信号V1(t)或V2(t)提供给各个像素40a。驱动信号V1(t)、V2(t)是矩形波，并且在比基准电位大的电压Va与比基准电位小的电压Vb之间变动。在一个示例中，电压Va＝-Vb。但是，Va、Vb的值对每个像素独立地设置。
驱动信号的振幅(Va-Vb)与各个像素40a中的调制相位的大小相对应。即，振幅(Va-Vb)越小，则相位调制量越小，振幅(Va-Vb)越大，则相位调制量越大。驱动信号V1(t)、V2(t)的频率互相相等，例如，在120Hz～2400Hz的范围内，并且在一个实施例中，为480Hz(周期约2ms)。这样，通过使驱动信号V1(t)、V2(t)周期性地时间变化，可以使构成液晶层44的液晶一直微动，并且能够防止从液相向固相的相变而长久地维持相状态。其结果，可以延长SLM4A的寿命。
另外，当将图3的(a)和(b)进行对比时，驱动信号V1(t)的相位与驱动信号V2(t)的相位互相反转。换句话说，驱动信号V1(t)与驱动信号V2(t)具有180°的相位差。即，驱动信号V1(t)的从电压Vb向电压Va的上升与驱动信号V2(t)的从电压Va向电压Vb的下降同步，并且驱动信号V1(t)的从电压Va向电压Vb的下降与驱动信号V2(t)的从电压Vb向电压Va的上升同步。因此，在任意的时刻观察时，均为：当驱动信号V1(t)的电压为Va时，驱动信号V2(t)的电压为Vb，并且当驱动信号V1(t)的电压为Vb时，驱动信号V2(t)的电压为Va。另外，在Va＝-Vb的情况下，在任意的时刻观察时，均为：驱动信号V1(t)与驱动信号V2(t)夹着基准电位而互相地反转。
图4是调制部40A的正面图，并且示出像素组401、402的轮廓。在调制部40A中，像素组401、402是互补的像素区域，并且调制部40A的多个像素属于像素组401以及402的任一个。在图4所示的例子中，像素组401、402分别为四边形状，并且夹着直线状的边界线B1而将调制部40A分割成两个区域。
优选地，使光L1的照射区域Q内的像素组401、402的各个面积互相相等。因此，以使边界线B1通过照射区域Q的中心P的方式(换句话说，以使照射区域Q的中心P位于边界线B1上的方式)，光L1的中心轴线AX2的位置通过导光光学系统3调整。该调整可以由操作者手动地进行，或者可以由致动器自动地进行。另外，在边界线B1不是直线状的情况下，为了使照射区域Q内的像素组401、402的各个面积互相相等，照射区域Q的中心P也可以从边界线B1分离。此外，当每个像素40a的面积在调制部40A整体中为均等时，像素组的面积与该像素组所包含的像素的个数是同义的。
对通过以上所说明的本实施方式的光调制装置1A和SLM4A、以及SLM4A的驱动方法所得到的效果，与现有的技术问题一同说明。
近年来，SLM在操作例如微小物体的光阱技术、光学扫描显微镜、激光加工之类的各种领域中应用。在这些领域中，来自SLM的输出光的稳定的控制是重要的。如本实施方式那样，在SLM通过电压信号驱动的情况下，有时对该电压信号赋予周期性的时间变化。在该情况下，由电压信号的时间变化引起，在各个像素的调制量中产生时间性的波动(与电压信号的变化周期同步的变动)，进而在从SLM输出的调制后的光的强度中产生时间性的波动。
根据本发明人的见解，时间变化的频率越小，其波动变得越大。在近年的SLM中，像素数日益增加，但是为确保每个像素的电荷蓄积时间，各个摄像帧的刷新率随着像素数的增加而变长。刷新率与电压信号的时间变化的周期有关，为了将一帧的相位图案写入SLM通常需要1/2f(f：电压信号的频率)的时间。因此，电压信号的频率变小，作为结果，上述的波动变大。
当调制后的光中产生波动时，例如在光阱技术的情况下，所捕获的微小物体轻微地振动。另外，在光学扫描显微镜中所获得的图像的亮度会周期性地变动，在激光加工中照射于加工对象的光的强度会周期性地变动。因此，期望降低产生于调制后的光的波动。
调制后的光的波动的大小依赖于SLM的调制部的电压特性。因此，当以像素单位观察时，波动的大小在每个像素不同。但是，波动的周期在所有的像素中一致。因此，即使在使用聚光光学系统对来自多个像素的光的波动进行积算的情况下，波动的周期也不会改变。本发明人认为，通过相对于某个像素区域整体的波动的时间相位，使其它的像素区域整体的波动的时间相位偏移半个周期，从而可以互相抵消。
即，在本实施方式中，使提供给构成多个像素40a中的像素组401的各个像素40a的驱动信号V1(t)的相位与提供给构成多个像素40a中的像素组402的各个像素40a的驱动信号V2(t)的相位互相反转。根据这样的结构，当从调制部40A输出的调制后的光L2在聚光点O2聚光时，来自像素组401的光L2的波动和来自像素组402的光L2的波动互相抵消。由此，由于可以降低产生于调制后的光L2的波动，因此，可以使聚光点O2处的光L2的场(相位以及振幅或光强度)稳定化。
此外，由于各个像素40a的相位根据驱动信号V1(t)、V2(t)的振幅(Va-Vb)来确定，因此，无论驱动信号V1(t)、V2(t)的相位的反转，均可以在调制部40A中获得期望的相位图案。另外，驱动信号V1(t)、V2(t)的相位是否相互反转通过探测提供给各个像素40a的驱动电压的时间波形，并且使用示波器等观察，可以容易地判别。
以下，对本实施方式的这样的作用效果进行详细的说明。首先，对波动的大小进行公式化。波动的大小主要依赖于液晶的粘性和驱动电压的频率，使用驱动电压的振幅V、驱动电压的振幅的函数A(V)、驱动电压的频率f、以及时间t，可以表示为：
A(V)sin(2πft)。
此外，由于液晶的粘性，当逐渐增加驱动电压的频率时，液晶不能够逐渐地追随驱动电压的变化。因此，频率f越大，函数A(V)变得越小。
SLM的相位调制量通过将基于期望的相位图案的相位调制量Phs(V)加到上述的波动来求得。即，相位调制量为：
Phs(V)+A(V)sin(2πft)。
由于在SLM输入有在每个像素独立的驱动电压，因此，将各个像素的编号设为k，将像素数设为N，关于全像素对上述的相位调制量进行积算(下述的式(1))。此外，该积算在光学上与将来自SLM的调制后的光聚光同义。
[式1]
此外，当仅对N/2个像素反转驱动电压的相位时，上述的式(1)改写为下述的式(2)。此时，由于相位调制量Phs(V)仅依赖于驱动电压的振幅V，因此不变。
[式2]
式(2)的第二项和第三项可以使用sin(θ+π)＝-sinθ(θ：任意的角度)的关系，改写成下述的式(3)
[式3]
由于式(3)的第二项和第三项互相抵消，因此，最终相位调制量的积算结果变为下述，波动完全被消除。
[式4]
从以上的说明可知，通过提供给像素组401的驱动信号V1(t)的相位与提供给像素组402的驱动信号V2(t)的相位互相反转，可以降低产生于调制后的光L2的波动。此外，根据以上的说明，在像素组401的像素数与像素组402的像素数互相相等的情况下，可以最降低波动，但是即使在它们互相不同的情况下，也可以降低一定程度的波动。
此外，实际上，由于即使在像素组401、402的像素数互相相等的情况下，显示的相位值在每个像素40a也不同，因此，不能完全地抵消波动。然而，根据发明人的见解，像素数越多，像素组401中的相位值的平均与像素组402中的相位值的平均越互相接近。因此，在实用上，能够充分地降低波动。
图5是示出本实施方式的效果的图表，并且示出一个波长量的相位调制量的时间波形的测量结果。图5的(a)是示出驱动信号V1(t)、V2(t)的相位一致的情况下的聚光点O2处的相位调制量的变化的一个例子的图。图5的(b)是示出将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转的情况下的聚光点O2处的相位调制量的变化的一个例子的图。此外，在这些图中，纵轴表示通过光L2的波长λ对相位调制量进行归一化的值(单位：λ)，横轴表示时间(单位：秒)。
如图5的(a)所示，在驱动信号V1(t)、V2(t)的相位一致的情况下，相位调制量在目标值(归一化值1.0)的周围周期性地变动，并且产生大的波动。此外，该变动周期与驱动信号V1(t)、V2(t)的时间变化的周期一致。相对于此，当参照图5的(b)时，在将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转的情况下，可以看出波动被抑制得较小。此外，认为在图5的(b)中没有完全地消除波动如上所述是由于每个像素40a的相位值的偏差。然而，将波动的大小与图5的(a)相比，可以被抑制至大约20％～25％。
另外，图6和图7是示出本实施方式的效果的其它的图表。图6的(a)和(b)示出驱动信号V1(t)、V2(t)的相位一致的情况下的聚光点O2处的相位调制量的变化的一个例子。图7的(a)和(b)示出是示出将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转的情况下的聚光点O2处的相位调制量的变化的一个例子，并且分别对应于图6的(a)和(b)。此外，在这些图中，纵轴表示光强度(当将相位调制量设为θ时，由三角函数sinθ表示的值)，横轴表示时间(单位：秒)。
如图6的(a)和(b)所示，在驱动信号V1(t)、V2(t)的相位一致的情况下，光L2的振幅在目标值的周围周期性地变动，并且产生大的波动。相对于此，当参照图7的(a)和(b)时，在将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转的情况下，可以看出波动被抑制得较小。
本发明人为了确认照射区域Q内的像素组401、402的面积比对波动的抑制为何种程度影响，使照射区域Q的中心P与边界线B1的距离变化并测量了波动的大小。图8是示出其结果的图表。在图8中，曲线G11示出中心P位于边界线B1上的情况。曲线G12和G13示出中心P在与边界线B1正交的方向上移动了0.5mm的情况。但是，曲线G12、G13的移动的方向互相相反。曲线G14示出中心P在与曲线G12相同的方向上移动了1.0mm的情况。此外，曲线G15示出用于参考的不将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转的情况的测量结果。在图8中，纵轴表示相位调制量(单位：λ)，横轴表示时间(单位：秒)。
从图8可以明显看出，当将曲线G11～G14与曲线G15相比时，通过将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转，相位调制量的波动显著地降低。另外，当将曲线G12与曲线G13相比时，可以看出，波动的时间波形的相位互相反转。由此，可以基于波动的相位来判定照射区域Q向边界线B1的哪一侧偏移。另外，当将曲线G11～G14互相比较时，可以看出，照射区域Q的中心P越接近边界线B1(即，像素组401、402的面积比越接近1：1)，可以有效地抑制波动。因此，通过测量波动的大小，并且以其变成最小的方式移动照射区域Q，从而可以使像素组401、402的面积比高精度地接近1：1。
图9是为了确认本实施方式的效果，示出通过SLM4A以及聚光光学系统6形成的四点的束斑LU、LD、RU、以及RD的图。在图9中，光强度由彩色的浓淡表示，并且表示为光强度越大，颜色越淡，光强度越小，颜色越浓。
图10的(a)是示出驱动信号V1(t)、V2(t)的相位一致的情况下的束斑LU、LD、RU、以及RD各自的光强度I_Lu、I_Ld、I_Ru、以及I_Rd的图表。图10的(b)是放大示出图10的(a)的部分A1的图表。另外，图11的(a)是示出将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转的情况下的光强度I_Lu、I_Ld、I_Ru、以及I_Rd的图表。图11的(b)是放大示出图11的(a)的部分A2的图表。此外，在图10的(b)和图11的(b)中，曲线G21表示光强度I_Lu，曲线G22表示光强度I_Ld，曲线G23表示光强度I_Ru，曲线G24表示光强度I_Rd。另外，在图10和图11中，纵轴表示以四点的光强度的平均值归一化的光强度的大小，横轴表示时间(单位：毫秒)。
如图10的(b)所示，在驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相一致的情况下，波动的大小(变动的幅度)是光强度(归一化值1)的大约2％。相对于此，在将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转的情况下，波动的大小为光强度的大约0.5％。如上所述，通过将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转，可以将波动的大小降低至大约1/4。另外，在四点的光强度I_Lu、I_Ld、I_Ru、以及I_Rd具有互相大致相等的相位的波动中，其频率与驱动信号V1(t)、V2(t)的频率一致。
此外，如该例子那样在从光轴离开的位置形成聚光点的情况下，N次衍射光(N为1次以上的整数)有助于该聚光点的形成，但是该衍射光强度的增减影响在光轴上行进的0次的衍射光强度。即，当聚光点的光强度增加时，0次衍射光的强度减少，当聚光点的光强度减少时，0次衍射光的强度增加。因此，根据本实施方式，能够降低0次衍射光和N次衍射光的两者的波动。
在此，本发明人确认了由像素组401表示的相位图案与由像素组402表示的相位图案的差异与波动的大小的关系。图12是示出用于形成图9所示的四点的束斑LU、LD、RU、以及RD的相位图案的图，并且由颜色的浓淡来表示相位值。如图12所示的相位图案那样，在各个像素组401、402中的各个相位图案互相大致相同(或者对称)的情况下，在各个像素组401、402中产生的波动的大小也同等，并且这些波动有效地互相抵消。相对于此，例如如图13所示，也考虑像素组401、402中的各个相位图案互相不同(既不相同，也不对称)的情况。
图14和图15示出通过使图13所示的相位图案旋转，从而使像素组401、402的各个所包含的相位图案变化的样子。在图14的(a)中，使像素组401、402的各个所包含的相位图案关于边界线B1轴对称。在图14的(b)、图15的(a)和(b)中，相位图案的旋转角度逐渐地增加，从而使像素组401、402的各个所包含的相位图案的非对称的程度逐渐地变大。
图16是示出图14的(a)和(b)、以及图15的(a)和(b)所示各自的情况下的相位调制量的波动的大小的图表。在图16中，曲线G31示出图14的(a)的情况，曲线G32示出图14的(b)的情况，曲线G33示出图15的(a)的情况，曲线G34示出图15的(b)的情况。另外，纵轴表示相位调制量(归一化值)，横轴表示时间。
当比较图16的曲线G31～G34时，可以看出，无论像素组401、402的各个所包含的各个相位图案的不对称的程度，波动的大小均互相同等。根据该结果，可以理解，根据本实施方式，即使像素组401、402所包含的各个相位图案互相不同，也可以有效地降低产生于调制后的光的波动。
图17的(a)示出图15的(b)中的像素组401的相位调制量的直方图。另外图17的(b)示出图15的(b)中的像素组402的相位调制量的直方图。
当比较图17的(a)、(b)时，可以看出，在任一者中，相位从0(rad)到2π(rad)大致均匀地分布。因此，图17的(a)、(b)所示的直方图各自的平均值均为π(rad)。由于相位调制量的波动的大小与相位值成正比，因此，可以说像素组401、402中的相位调制量的波动的大小互相为相同程度。由此，也可以容易理解，根据本实施方式，即使像素组401、402所包含的相位图案互相不同，也可以有效地降低产生于调制后的光的波动。
此外，在本实施方式中，由于相位在像素组401、402的边界线B1一直不连续，因此，由其相位差引起的衍射损失表现为光L2的光强度的损失。图18和图19是示出通过模拟评价了将相位差设为π时的光L2的光强度的损失的结果的图。图18和图19的(a)示出相位图案，(b)示出通过(a)的相位图案形成的四点的束斑，(c)放大示出其中的一个束斑。图18示出驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相一致的情况，图19示出将驱动信号V1(t)、V2(t)互相反转的情况。
在该评价中，当将图18的(c)所示的束斑的光强度设为1.0时，图19的(c)所示的束斑的光强度为0.93。即，由边界线B1处的衍射损失引起，光强度降低了7％。然而，由于在图10、图11中实验性地评价的四点的平均光强度为0.5％左右的降低，因此，可以说将驱动信号V1(t)、V2(t)的相位互相反转的光强度的损失非常小。
如本实施方式那样，调制部40A也可以包含液晶层44。在调制部40A包含液晶层44的情况下，期望使驱动信号周期性地时间变化，以长久地保持液晶的相状态，容易产生上述的波动。因此，适用本实施方式的结构。
另外，如本实施方式那样，入射光L1的照射区域中的像素组401的面积与像素组402的面积也可以互相相等。由此，来自第一像素组的光的波动的大小与来自第二像素组的光的波动的大小大致相等，并且由于它们更有效地互相抵消，从而可以进一步降低调制后的光的波动。
另外，如本实施方式那样，光调制装置1A也可以具备将从光源2输出的光L1向调制部40A引导的导光光学系统3。然后，导光光学系统3也可以使调制部40A中的光L1的入射位置改变。由此，以使光L1的照射范围内的像素组401、402的面积比例互相接近的方式，使光L1的入射位置移动，可以使来自像素组401的光L2的波动的大小与来自像素组402的光L2的波动的大小互相接近。因此，可以更有效地抵消这些波动，并且可以进一步降低调制后的光L2的波动。
(第一变形例)
在上述的实施方式中，调制部40A被分割成两个像素组401、402，但是像素组的分割方式不限于此。例如，如图20所示，可以设置与边界线B1交叉的其它的边界线B2，将调制部40A分割成四个像素组403～406。然后，可以使提供给像素组403、405(一同为第一像素组)的驱动信号V1(t)的相位与提供给像素组404、406(一同为第二像素组)的驱动信号V2(t)的相位互相反转。即使是这样的方式，也可以有效地降低产生于调制后的光L2的波动。此外，优选，可以以使照射区域Q内的像素组403、405的面积之和与像素组404、406的面积之和互相相等的方式，设定边界线B1、B2与照射区域Q的中心P的相对位置关系。
或者，如图21所示，以某个方向为长边方向的多个像素组407和以该方向为长边方向的多个像素组408可以在与该方向交叉的方向上交替地排列。即使是这样的方式，也可以有效地降低产生于调制后的光L2的波动。另外，在该情况下，无论照射区域Q的中心P与边界线B3的相对位置如何，像素组407的面积的总和与像素组408的面积的总和之比可以接近1:1。因此，可以不需要光L1相对于调制部40A的入射位置的调整。但是，由于边界线B3的长度的总和与图4的边界线B1的长度以及图20的边界线B1、B2的长度之和相比更长，因此，从光强度的损失的观点来看，优选图4或图20的分割方式。
(第二变形例)
图22是示出上述实施方式的第二变形例所涉及的光调制装置1B的结构的图。本变形例的光调制装置1B代替上述实施方式的SLM4A(参照图2)，而具备SLM4B。SLM4B具有透过型的调制部40B、和驱动电路41。调制部40B光学耦合于与在上述实施方式相同的光源以及导光光学系统，并且在背面接受作为从导光光学系统输出的平行光的光L1。调制部40B设置于光L1的光路上，并且表示相位图案。调制部40B具有多个像素40a，并且根据驱动信号的大小对每个像素40a调制入射光L1的相位。驱动电路41对每个像素40a生成用于在调制部40B显示期望的相位图案的驱动电压。调制后的光L2从调制部40B的表(前)面输出，并且到达聚光光学系统6。聚光光学系统6将光L2在任意的位置聚光。
驱动电路41将驱动信号V1(t)提供给调制部40B的多个像素40a中的像素组401(第一像素组)，并且将驱动信号V2(t)提供给像素组402(第二像素组)。驱动信号V1(t)以及V2(t)的信号波形与上述实施方式同样(参照图3)。即，在本变形例中，驱动信号V1(t)的相位与驱动信号V2(t)的相位互相反转。
如本实施方式那样，SLM也可以是透过型。即使在这样的情况下，也可以起到与上述实施方式同样的效果。
(第三变形例)
图23是示出上述实施方式的第三变形例所涉及的光调制装置1C的结构的图。在本变形例中，SLM4C的驱动电路41C可变地控制像素组401与像素组402的边界线B1。即，驱动电路41C可以自由地变更提供驱动信号V1(t)的像素40a和提供驱动信号V2(t)的像素40a。
因此，即使不使用导光光学系统3来移动光L1的中心轴线AX1，也可以通过根据光L1的照射区域的位置来移动边界线B1，从而使光L1的入射位置(即，照射区域的中心P的位置)接近边界线B1，并且可以使像素组401、402的面积比接近1:1。因此，在本变形例中，由于也可以使来自像素组401的光L2的波动的大小与来自像素组402的光L2的波动的大小互相接近，因此，可以更有效地使这些波动互相抵消，并且可以进一步降低调制后的光L2的波动。另外，与上述实施方式相比，可以简化导光光学系统3的结构。
(第四变形例)
图24是示出上述实施方式的第四变形例所涉及的光调制装置1D的结构的图。光调制装置1D除了具备上述实施方式的光调制装置1A的结构之外，还具备分束器7、光检测器8、以及导光光学系统控制部9。分束器7的表(前)面光学耦合于SLM4A的光出射面，并且接受从SLM4A输出的光L2，将该光L2的一部分反射而作为光L3，并且透过其余部分而作为光L4。光L3由聚光光学系统6在任意的位置聚光。另一方面，光L4入射于光学耦合于分束器7的背面的光检测器8。
光检测器8为了检测调制后的光L2的强度，生成对应于光L4的光强度的电信号S1。光检测器8与导光光学系统控制部9电连接，并且将电信号S1提供给导光光学系统控制部9。光检测器8包含具有例如单一的受光部的光电二极管之类的半导体受光元件而构成。光L4可以通过透镜聚光，也可以不聚光。
导光光学系统控制部9可以包含致动器而构成，并且可以将导光光学系统3沿着方向D1移动。导光光学系统控制部9通过基于通过来自光检测器8的电信号S1所获得的光L4的光强度的周期性的变动(波动)的大小，以使该变动接近最小值的方式控制导光光学系统3的位置，从而确定光L1相对于调制部40A的入射位置(即，照射区域的中心P的位置)。
如本变形例的光调制装置1D那样，可以设置有检测调制后的光L2的强度的光检测器8、和控制导光光学系统3的导光光学系统控制部9。然后，导光光学系统控制部9可以基于从光检测器8提供的光强度的周期性的变动，来确定调制部40A中的光L1的入射位置。由此，根据光L1的照射范围内的像素组401、402的面积比例来自动地移动光L1的入射位置，并且可以容易地使来自像素组401的光L2的波动的大小与来自像素组402的光L2的波动的大小接近。
(第五变形例)
图25是示出上述实施方式的第五变形例所涉及的光调制装置1E的结构的图。光调制装置1E除了具备上述第三变形例的光调制装置1C的结构之外，还具备分束器7以及光检测器8。分束器7和光检测器8的结构和功能与上述的第四变形例相同。
另外，光调制装置1E的SLM4E具有驱动电路41E来代替上述实施方式的驱动电路41。驱动电路41E与光检测器8电连接，并且接受对应于光L4的光强度的电信号S1。驱动电路41E基于通过来自光检测器8的电信号S1所获得的光L4的光强度的周期性的变动(波动)的大小，以使该变动接近最小值的方式，来确定像素组402与像素组402的边界线B1的位置。由此，根据光L1的照射范围内的像素组401、402的面积比例来自动地移动边界线B1，并且可以容易地使来自像素组401的光L2的波动的大小与来自像素组402的光L2的波动的大小接近。
空间光调制器、光调制器、以及空间光调制器的驱动方法不限于上述的实施方式，可以进行其它的各种变形。例如，可以根据所需的目的和效果，互相组合上述的各实施方式。
另外，在上述实施方式和各个变形例中，SLM调制入射光的相位，但是SLM也可以调制入射光的强度。另外，在上述实施方式和各个变形例中，使用液晶型的SLM，但是SLM也可以是液晶型以外的类型(例如，膜镜型或多量子阱型)。在任何类型的SLM中，当通过周期性地时间变化的驱动信号驱动SLM时，调制介质具有的电特性在调制后的光中作为波动出现。因此，可以优选地适用上述结构。
上述实施方式的空间光调制器设为如下结构：具备：调制部，其具有多个像素，并且根据周期性地时间变化的驱动信号的振幅对每个像素调制入射光的相位或强度；以及驱动电路，其将驱动信号提供给调制部，驱动电路以使提供给多个像素中的第一像素组的驱动信号的相位与提供给多个像素中的第二像素组的驱动信号的相位互相反转的方式控制。
上述实施方式的空间光调制器的驱动方法设为如下结构：是驱动空间光调制器的方法，该空间光调制器具备具有多个像素，并且根据周期性地时间变化的驱动信号的振幅对每个像素调制入射光的相位或强度的调制部，使提供给多个像素中的第一像素组的驱动信号的相位与提供给多个像素中的第二像素组的驱动信号的相位互相反转。
在上述的空间光调制器以及驱动方法中，也可以设为如下结构：调制部包含液晶层。
如上所述，在调制器包含液晶层的情况下，期望使驱动信号周期性地时间变化以长久地保持液晶的相状态。因此，适用上述结构的空间光调制器以及驱动方法。
在上述的空间光调制器中，也可以设为如下结构：驱动电路以使入射光的照射区域中的第一像素组的面积与第二像素组的面积互相相等的方式控制。另外，在上述的驱动方法中，也可以设为如下结构：第一像素组的面积与第二像素组的面积互相相等。
由此，来自第一像素组的光的波动的大小与来自第二像素组的光的波动的大小大致相等，并且由于它们更有效地互相抵消，从而可以进一步降低调制后的光的波动。
在上述空间光调制器中，也可以设为如下结构：驱动电路可变地控制第一像素组与第二像素组的边界线。另外，在上述的驱动方法中，也可以设为如下结构：使第一像素组与第二像素组的边界线为可变。
由此，可以根据入射光的照射区域的位置使边界线移动，并且可以使来自第一像素组的光的波动的大小与来自第二像素组的光的波动的大小互相接近。因此，可以更有效地抵消这些波动，并且可以进一步降低调制后的光的波动。
上述实施方式的光调制装置设为如下结构：具备上述结构的空间光调制器、和检测调制后的光的强度的光检测器，驱动电路基于从光检测器提供的光强度的周期性的变动，来确定第一像素组与第二像素组的边界线的位置。另外，在上述的驱动方法中，也可以设为如下结构：检测调制后的光的强度，并且基于该光强度的周期性的变动，来确定第一像素组与第二像素组的边界线的位置。
由此，根据入射光的照射区域的位置来自动地移动边界线，并且可以容易地使来自第一像素组的光的波动的大小与来自第二像素组的光的波动的大小接近。
上述实施方式的光调制装置设为如下结构：具备上述结构的空间光调制器、将入射光提供给调制部的光源、以及将从调制部输出的调制后的光聚光的聚光光学系统。
由此，可以提供一种能够降低产生于调制后的光的波动的光调制装置。
在上述的光调制装置中，也可以设为如下结构：进一步具备将从光源输出的光向调制部引导的导光光学系统，导光光学系统将调制部中的光的入射位置设为可变。另外，在上述的驱动方法中，也可以设为如下结构：设置将光向调制部引导的导光光学系统，通过导光光学系统将调制部中的光的入射位置设为可变。
由此，以使入射光的照射范围内的第一和第二像素组的面积比例互相接近的方式，使光的入射位置移动，并且可以使来自第一像素组的光的波动的大小与来自第二像素组的光的波动的大小互相接近。因此，可以更有效地抵消这些波动，并且可以进一步降低调制后的光的波动。
在该情况下，光调制装置也可以设为如下结构：进一步具备检测调制后的光的强度的光检测器、以及控制导光光学系统的导光光学系统控制部，导光光学系统控制部基于从光检测器提供的光强度的周期性的变动，来确定调制部中的光的入射位置。另外，在上述的驱动方法中，也可以设为如下结构：检测调制后的光的强度，并且基于该光强度的周期性的变动，来确定调制部中的光的入射位置。
由此，根据入射光的照射范围内的第一和第二像素组的面积比例来自动地移动光的入射位置，并且可以容易地使来自第一像素组的光的波动的大小与来自第二像素组的光的波动的大小接近。
产业上的利用可能性
实施方式可以用作能够降低产生于调制后的光的波动的空间光调制器、光调制器、以及空间光调制器的驱动方法。
符号的说明
1A、1B、1C、1D、1E……光调制器；2……光源；3……导光光学系统；3a、3b……透镜；4A、4B、4C、4E……空间光调制器(SLM)；6……聚光光学系统；7……分束器；8……光检测器；9……导光光学系统控制部；40A、40B……调制部；40a……像素；41、41C、41E……驱动电路；42……硅基板；43……像素电极；44……液晶层；44a……液晶分子；45……透明电极；46a、46b……取向膜；47……电介质镜；48……间隔件；49……透明基板；61……聚光透镜；401～408……像素组；AX1、AX2……中心轴线；B1、B2、B3……边界线；D1……方向；L1、L2、L3、L4……光；LU、LD、RU、RD……束斑；O2……聚光点；P……中心；Q……照射区域；S1……电信号；V1(t)、V2(t)……驱动信号。

Claims (19)

1.一种空间光调制器，其中，
具备：
调制部，其具有多个像素，并且根据周期性地时间变化的驱动信号的振幅对每个像素调制入射光的相位或强度；以及
驱动电路，其将所述驱动信号提供给所述调制部，
所述驱动电路以使提供给所述多个像素中的第一像素组的所述驱动信号的相位与提供给所述多个像素中的第二像素组的所述驱动信号的相位互相反转的方式控制。
2.根据权利要求1所述的空间光调制器，其中，
所述调制部包含液晶层。
3.根据权利要求1所述的空间光调制器，其中，
所述驱动电路以使所述入射光的照射区域上的所述第一像素组的面积与所述第二像素组的面积互相相等的方式控制。
4.根据权利要求2所述的空间光调制器，其中，
所述驱动电路以使所述入射光的照射区域上的所述第一像素组的面积与所述第二像素组的面积互相相等的方式控制。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的空间光调制器，其中，
所述驱动电路可变地控制所述第一像素组与所述第二像素组的边界线。
6.一种光调制装置，其中，
具备：
权利要求5所述的空间光调制器；以及
光检测器，其检测调制后的光的强度，
所述驱动电路基于从所述光检测器提供的光强度的周期性的变动，来确定所述第一像素组与所述第二像素组的边界线的位置。
7.一种光调制装置，其中，
具备：
权利要求1～5中任一项所述的空间光调制器；
光源，其将所述入射光提供给所述调制部；以及
聚光光学系统，其将从所述调制部输出的调制后的光聚光。
8.根据权利要求7所述的光调制装置，其中，
进一步具备将从所述光源输出的光向所述调制部引导的导光光学系统，
所述导光光学系统将所述调制部中的光的入射位置设为可变。
9.根据权利要求8所述的光调制装置，其中，
进一步具备：
光检测器，其检测调制后的光的强度；以及
导光光学系统控制部，其控制所述导光光学系统，
所述导光光学系统控制部基于从所述光检测器提供的光强度的周期性的变动，来确定所述调制部中的光的入射位置。
10.一种空间光调制器的驱动方法，其中，
是驱动空间光调制器的方法，该空间光调制器具备具有多个像素，并且根据周期性地时间变化的驱动信号的振幅对每个像素调制入射光的相位或强度的调制部，
使提供给所述多个像素中的第一像素组的所述驱动信号的相位与提供给所述多个像素中的第二像素组的所述驱动信号的相位互相反转。
11.根据权利要求10所述的空间光调制器的驱动方法，其中，
所述调制部包含液晶层。
12.根据权利要求10所述的空间光调制器的驱动方法，其中，
所述第一像素组的面积与所述第二像素组的面积互相相等。
13.根据权利要求11所述的空间光调制器的驱动方法，其中，
所述第一像素组的面积与所述第二像素组的面积互相相等。
14.根据权利要求10～13中任一项所述的空间光调制器的驱动方法，其中，
将所述第一像素组与所述第二像素组的边界线设为可变。
15.根据权利要求14所述的空间光调制器的驱动方法，其中，
检测调制后的光的强度，基于该光强度的周期性的变动，来确定所述第一像素组与所述第二像素组的边界线的位置。
16.根据权利要求10～13中任一项所述的空间光调制器的驱动方法，其中，
设置将光向所述调制部引导的导光光学系统，并且通过所述导光光学系统将所述调制部中的光的入射位置设为可变。
17.根据权利要求14所述的空间光调制器的驱动方法，其中，
设置将光向所述调制部引导的导光光学系统，并且通过所述导光光学系统将所述调制部中的光的入射位置设为可变。
18.根据权利要求16所述的空间光调制器的驱动方法，其中，
检测调制后的光的强度，并且基于该光强度的周期性的变动，来确定所述调制部中的光的入射位置。
19.根据权利要求17所述的空间光调制器的驱动方法，其中，
检测调制后的光的强度，并且基于该光强度的周期性的变动，来确定所述调制部中的光的入射位置。
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