DE112013002095B4

DE112013002095B4 - Strahlformungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112013002095B4
Application number: DE112013002095.5T
Authority: DE
Inventors: c/o Hamamatsu Photonics K.K. Matsumoto Naoya; c/o Hamamatsu Photonics K.K. Inoue Takashi; c/o Hamamatsu Photonics K.K. Takiguchi Yuu
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: CN104246582A; DE112013002095T5; JPWO2013157605A1; US9442295B2; US20150049376A1; WO2013157605A1; JP6302403B2

Abstract

Strahlformungsvorrichtung (10D), die umfasst:eine erste Phasenmodulations-Einheit (30b), die einen räumlichen Lichtmodulator (30) vom Phasenmodulations-Typ enthält und ein erstes Phasen-Muster zum Modulieren einer Phase von Eintritts-Licht (P1) anzeigt;eine zweite Phasenmodulations-Einheit (30c), die den räumlichen Lichtmodulator (30) vom Phasenmodulations-Typ enthält, optisch mit der ersten Phasenmodulations-Einheit (30b) gekoppelt ist und ein zweites Phasen-Muster zum weiteren Modulieren einer Phase von durch die erste Phasenmodulations-Einheit phasenmoduliertem Licht (P2) anzeigt; sowieeine Steuereinheit (26), die der ersten Phasenmodulations-Einheit (30b) und der zweiten Phasenmodulations-Einheit (30c) das erste Phasen-Muster bzw. das zweite Phasen-Muster verleiht, wobeidas erste Phasen-Muster sowie das zweite Phasen-Muster Phasen-Muster zum Annähern einer Intensitätsverteilung und einer Phasenverteilung von aus der zweiten Phasenmodulations-Einheit (30c) austretendem Licht (P3) an vorgegebene Verteilungen sind, undwobei die erste Phasenmodulations-Einheit (30b) und die zweite Phasenmodulations-Einheit (30c) den einzelnen reflektierenden räumlichen Lichtmodulator (30) enthalten, ein Teilbereich seiner lichtreflektierenden Fläche als die erste Phasenmodulations-Einheit (30b) dient und ein weiterer Teilbereich als die zweite Phasenmodulations-Einheit (30c) dient.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlformungsvorrichtung.
Technischer Hintergrund
Ein Verfahren, bei dem ein räumlicher Lichtmodulator für rauscharme holographische Bestrahlung eingesetzt wird, ist in den Nicht-Patentdokumenten 1 und 2 beschrieben. Bei diesem Verfahren ist ein räumlicher Lichtmodulator in einer Fourier-Ebene angeordnet, so dass Amplitude und eine Phasenverteilung von Licht jeweils unabhängig gesteuert werden.
Liste der Anführungen
Nicht-Patentdokumente

Nicht-Patentdokument 1: A. Jesacher et al., „Near-perfect hologram reconstruction with a spatial light modulator," Optics Express, Vol. 16, Nr. 4, Seiten 2597-2603 (2008)
Nicht-Patentdokument 2: A. Jesacher et al., „Full phase and amplitude control of holographic optical tweezers with high efficiency,“ Optics Express, Vol. 16, Nr. 7, Seiten 4479-4486 (2008)

Die Druckschrift Ma, Haotong et al., „Near-diffraction-limited annular flattop beam shaping with dual phase only liquid crystal spatial modulators“, Opt. Express, Vol. 18, 2010, No. 8, S. 8251-8260, offenbart eine Technik zur Strahlformung einer ringförmigen Flattop-Verteilung mit räumlichen Flüssigkristall-Lichtmodulatoren.
Die Druckschrift Ma, Hoatong et. al., „Adaptive conversion of multimode beam to near-diffraction-limited flattop beam based on dual-phase-only liquid-crystal spatial light modulators“, Opt. Express, Vol. 18, 2010, No. 26, S. 27723-27730, offenbart eine adaptive Umformung eines Multimode-Strahls in einen annähernd beugungsbegrenzten Flattop-Strahl im Nahfeld basierend auf einer Kombination von räumlichen Flüssigkristall-Phasenmodulatoren.
Die JP 4 804 358 B2 offenbart eine Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation, eine optische Verarbeitungsvorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung von Kopplungsprismen.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Es ist ein herkömmlicher Homogenisierer als eine Vorrichtung bekannt, mit der beispielsweise Eintritts-Licht, das eine einer Gauss'schen Verteilung entsprechende Intensitätsverteilung aufweist, in Licht mit einer zylinderhutförmigen Intensitätsverteilung umgewandelt wird. Der Homogenisierer besteht aus zwei Teilen aus Glas (Linsen), in die ein Phasen-Muster mittels Ätzen geschrieben wird. Bei einem derartigen Aufbau ist es jedoch schwierig, eine Intensitätsverteilung von Austritts-Licht beliebig zu ändern.
Daher wird der Einsatz eines räumlichen Lichtmodulators erwogen, der in der Lage ist, ein Phasen-Muster mittels eines elektrischen Signals beliebig zu ändern. Ein räumlicher Lichtmodulator vom Phasenmodulations-Typ eignet sich insbesondere dann, wenn versucht wird, Lichtverluste niedrig zu halten. Da jedoch ein räumlicher Lichtmodulator vom Phasenmodulations-Typ nicht in der Lage ist, Intensitätsmodulation einzeln durchzuführen, bleibt eine Intensitätsverteilung von Eintritts-Licht eine Intensitätsverteilung von Austritts-Licht. Daher ist es außerordentlich schwierig, Umwandlung in Licht mit einer beliebigen Querschnittsform und einer beliebigen Intensitätsverteilung durchzuführen, so beispielsweise Eintritts-Licht mit einer einer Gauss'schen Verteilung entsprechenden Intensitätsverteilung in Licht umzuwandeln, dessen Querschnitt viereckig bzw. quadratisch ist und das eine Zylinderhut-förmige Intensitätsverteilung hat, oder Eintritts-Licht, dessen Querschnitt kreisförmig ist und das eine Zylinderhut-förmige Intensitätsverteilung aufweist, in Licht umzuwandeln, dessen Querschnitt viereckig ist und das eine Zylinderhut-förmige Intensitätsverteilung hat.
Die vorliegende Erfindung ist angesichts des oben beschriebenen Problems gemacht worden und eine Aufgabe derselben besteht darin, eine Strahlformungsvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, Umwandlung in Licht mit einer beliebigen Querschnittsform und einer beliebigen Intensitätsverteilung durchzuführen.
Lösung des Problems
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, enthält eine Strahlformungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine erste Phasenmodulations-Einheit, die einen räumlichen Lichtmodulator vom Phasenmodulations-Typ enthält und ein erstes Phasen-Muster zum Modulieren einer Phase von Eintritts-Licht anzeigt, eine zweite Phasenmodulations-Einheit, die einen räumlichen Lichtmodulator vom Phasenmodulations-Typ enthält, optisch mit der ersten Phasenmodulations-Einheit gekoppelt ist und ein zweites Phasen-Muster zum weiteren Modulieren einer Phase von durch die erste Phasenmodulations-Einheit phasenmoduliertem Licht anzeigt, sowie eine Steuereinheit, die der ersten Phasenmodulations-Einheit und der zweiten Phasenmodulations-Einheit das erste Phasen-Muster bzw. das zweite Phasen-Muster verleiht, wobei bei der Strahlformungsvorrichtung das erste Phasen-Muster sowie das zweite Phasen-Muster Phasen-Muster zum Annähern einer Intensitätsverteilung und einer Phasenverteilung von aus der zweiten Phasenmodulations-Einheit austretendem Licht an vorgegebene Verteilungen sind.
Bei dieser Strahlformungsvorrichtung sind die erste Phasenmodulations-Einheit und die zweite Phasenmodulations-Einheit, die jeweils aus räumlichen Lichtmodulatoren vom Phasenmodulations-Typ bestehen, optisch gekoppelt, und Eintritts-Licht tritt in die erste Phasenmodulations-Einheit ein, und Austritts-Licht wird über die zweite Phasenmodulations-Einheit ausgeleitet. Dabei wird beispielsweise das erste Phasen-Muster zum Erzeugen einer vorgegebenen Intensitätsverteilung an der ersten Phasenmodulations-Einheit angezeigt, und das Licht mit der vorgegebenen Intensitätsverteilung tritt in die zweite Phasenmodulations-Einheit ein. Dabei wird eine vorgegebene Phasenverteilung beispielsweise für die zweite Phasenmodulations-Einheit erzeugt. So wird Austritts-Licht gewonnen, das eine beliebige Querschnittsform und eine beliebige Intensitätsverteilung hat. Auf diese Weise ist es mit dem Einsatz von zwei räumlichen Lichtmodulatoren vom Phasenmodulations-Typ möglich, nicht nur eine Phasenverteilung, sondern auch eine Intensitätsverteilung beliebig zu steuern. Das heißt, mit dieser Strahlformungsvorrichtung ist es möglich, Umwandlung in Licht mit einer beliebigen (dynamischen) Querschnittsform und Intensitätsverteilung durchzuführen.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Mit der Strahlformungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Umwandlung in Licht mit einer beliebigen Querschnittsform und einer beliebigen Intensitätsverteilung durchzuführen.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung, die einen Aufbau einer Strahlformungsvorrichtung als technologischen Hintergrund zeigt.
2 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines optischen Systems zeigt, das die Strahlformungsvorrichtung enthält.
3 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Intensitätsverteilung von Licht zeigt, das in eine zweite Phasenmodulations-Einheit eintritt.
4 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines zweiten Phasen-Musters zeigt, mit dem die zweite Phasenmodulations-Einheit versehen wird.
5 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Form eines Querschnitts senkrecht zu einer Richtung der optischen Achse von Austritts-Licht zeigt.
6 ist eine Darstellung, die einen Aufbau einer Strahlformungsvorrichtung als technologischen Hintergrund zeigt.
7 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines optischen Systems zeigt, das für ein TIRF-Mikroskop eingesetzt wird.
8 enthält a) eine Darstellung, die ein Beispiel von Anregungs-Licht bei einem herkömmlichen TIRF-Mikroskop zeigt, wobei dies eine Darstellung ist, die schematisch eine Situation zeigt, in der eine Austrittspupille einer Objektivlinse aus der Richtung der optischen Achse betrachtet wird, und b) eine Darstellung, die eine Situation von Anregungs-Licht bei einer dritten Abwandlung zeigt, wobei dies eine Darstellung ist, die schematisch eine Situation zeigt, in der eine Austrittspupille der Objektivlinse aus der Richtung der optischen Achse betrachtet wird.
9 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Intensitätsverteilung von Licht zeigt, das auf die zweite Phasenmodulations-Einheit auftrifft.
10 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines zweiten Phasen-Musters zeigt, mit dem die zweite Phasenmodulations-Einheit versehen wird.
11 ist eine Darstellung, die einen Aufbau einer Strahlformungsvorrichtung als technologischen Hintergrund zeigt.
12 ist eine Darstellung, die einen Aufbau einer Abwandlung der Strahlformungsvorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
13 ist eine Darstellung, die einen Aufbau einer weiteren Abwandlung der Strahlformungsvorrichtung als technologischen Hintergrund zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen einer Strahlformungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Des Weiteren werden bei der Beschreibung der Zeichnungen die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und auf sich wiederholende Beschreibungen wird verzichtet.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Darstellung, die einen Aufbau einer Strahlformungsvorrichtung 10A als technologischen Hintergrund zeigt. Die Strahlformungsvorrichtung 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält eine erste Phasenmodulations-Einheit 12, eine zweite Phasenmodulations-Einheit 14 sowie eine Steuereinheit 16.
Die erste Phasenmodulations-Einheit 12 und die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 sind in einer Reihe in einer Richtung entlang einer optischen Achse A von Eintritts-Licht angeordnet, das in die Strahlformungsvorrichtung 10A eintritt, und die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 ist optisch mit der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 gekoppelt. Des Weiteren kann, wie in einer anderen Ausführungsform gezeigt, die weiter unten beschrieben wird, eine optische Komponente, wie beispielsweise eine Linse oder ein reflektierender Spiegel, zwischen der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 und der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 angeordnet sein.
Bei dieser Strahlformungsvorrichtung 10A zeigt die erste Phasenmodulations-Einheit 12 ein erstes Phasen-Muster zum Modulieren einer Phase von Eintritts-Licht P₁ an. Des Weiteren zeigt die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 ein zweites Phasen-Muster zum weiteren Modulieren einer Phase von durch die erste Phasenmodulations-Einheit 12 phasenmoduliertem Licht P₂ an. Das erste Phasen-Muster und das zweite Phasen-Muster sind Phasen-Muster zum Annähern einer Intensitätsverteilung und einer Phasenverteilung von aus der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 austretendem Licht P₃ an vorgegebene (gewünschte) Verteilungen.
Das Eintritts-Licht P₁ ist beispielsweise paralleles Licht und tritt über die vordere Fläche (eine Fläche an der einer der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 zugewandten Fläche gegenüberliegenden Seite) der Phasenmodulations-Einheit 12 ein. Dann wird dieses Eintritts-Licht P₁ durch die erste Phasenmodulations-Einheit 12 und die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 in das Licht P₃ mit einer beliebigen Querschnittsform umgewandelt, und das Licht P₃ tritt über die hintere Fläche (eine Fläche an der einer der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 zugewandten Fläche gegenüberliegenden Seite) der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 aus. Des Weiteren ist ein Querschnitt senkrecht zu der optischen Achse des Eintritts-Lichtes P₁ üblicherweise kreisförmig, und eine Intensitätsverteilung des Eintritts-Lichtes P₁ ist üblicherweise eine Gauss'sche Verteilung.
Die erste Phasenmodulations-Einheit 12 enthält einen räumlichen Lichtmodulator (spacial light modulator - SLM). Des Weiteren enthält auch die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 gleichfalls einen räumlichen Lichtmodulator. Als ein räumlicher Lichtmodulator, der als die erste Phasenmodulations-Einheit 12 und die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 eingesetzt werden kann, dienen ein räumlicher Lichtmodulator vom Phasenmodulations-Typ, beispielsweise ein SLM aus Material mit veränderlichem Brechungsindex (zum Beispiel ein SLM, bei dem ein Flüssigkristall eingesetzt wird, vom Typ LCOS (Liquid Crystal on Silicon), ein LCD (Liquid Crystal Display) oder dergleichen), ein Segmentspiegel-SLM, ein SLM mit stufenlos verformbarem Spiegel oder dergleichen. Ein SLM aus Material mit veränderlichem Brechungsindex, ein Segmentspiegel-SLM und ein SLM mit stufenlos verformbarem Spiegel dienen als eine Linse bzw. ein Objektiv, die/das durch Anlegen einer Spannung, eines Stroms oder Einwirken von Schreib-Licht eine Vielzahl von Linsen-Mustern enthält, so dass sie/es eine beliebige Brennweite hat. Des Weiteren ist in der vorliegenden Ausführungsform ein transmissiver räumlicher Lichtmodulator dargestellt, der räumliche Lichtmodulator kann jedoch auch ein reflektierender räumlicher Lichtmodulator sein.
Weiterhin ist bei der Strahlformungsvorrichtung 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Abstand L₁ zwischen der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 und der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 unveränderlich, und die Positionen der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 sowie der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 relativ zu einer auf der nachfolgenden Stufe vorhandenen optischen Komponente (nicht dargestellt) sind feststehend.
Die Steuereinheit 16 versieht die erste Phasenmodulations-Einheit 12 mit dem ersten Phasen-Muster und versieht die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 mit dem zweiten Phasen-Muster. Das heißt, die Steuereinheit 16 leitet ein elektrisches Signal (ein Phasen-Muster) zum Ansteuern der entsprechenden Pixel der räumlichen Lichtmodulatoren zu der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 und der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14. Bei der Strahlformungsvorrichtung 10A ändert die Steuereinheit 16 auf diese Weise dynamisch die Phasen-Muster für die erste Phasenmodulations-Einheit 12 und die Phasenmodulations-Einheit 14 und ändert so die Intensitätsverteilung des Lichtes P₂ , das in die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 eintritt, und moduliert beliebig die Intensitäts- und die Phasenverteilung des Lichtes P₃ , das von der Strahlformungsvorrichtung 10A emittiert wird. Des Weiteren kann die Steuereinheit 16 in einem Gehäuse angeordnet sein, in dem die erste Phasenmodulations-Einheit 12 und die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 aufgenommen sind, oder kann sich außerhalb des Gehäuses befinden.
Im Folgenden wird ein konkretes Beispiel eines Verfahrens zum Erzeugen eines ersten Phasen-Musters und eines zweiten Phasen-Musters beschrieben, mit denen die erste Phasenmodulations-Einheit 12 bzw. die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 durch die Steuereinheit 16 versehen werden.
Zunächst werden, um eine an der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 anzuzeigende Phasenverteilung Φ₁ zu bestimmen, Informationen über eine Intensitätsverteilung I_1in (eine Amplitudenverteilung A_1in) des Lichtes P₁ ermittelt, das in die erste Phasenmodulations-Einheit 12 eintritt. Des Weiteren besteht zwischen der Amplitudenverteilung A_1in und der Intensitätsverteilung I_1in des Lichtes P₁ die in der folgenden Gleichung (1) dargestellte Beziehung.
Gleichung 1 $I_{1 i n} = {| A_{1 i n} |}^{2}$
Dann wird eine Intensitätsverteilung I_2in (eine Amplitudenverteilung A_2in) des Lichtes P₂ festgelegt, das in die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 eintreten soll. Anschließend wird, nachdem die Intensitätsverteilung hin und I_2in (die Amplitudenverteilung A_1in und A_2in) ermittelt sind, ein erstes Phasen-Muster, das die Phasenverteilung Φ₁ enthält, die an der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 angezeigt wird, unter Verwendung beispielsweise eines iterativen Fourier-Verfahrens, wie zum Beispiel eines GS-Verfahrens (Gerchberg & Saxton method) oder eines OC-Verfahrens oder eines CGH-Design-Verfahrens (Computer Generated Hologram design method), wie zum Beispiel eines ORA-Verfahrens (Optimal Rotation Angle method), bestimmt. Da die erste Phasenmodulations-Einheit 12 ein derartiges erstes Phasen-Muster anzeigt, tritt das Licht P₂ , das die gewünschte Intensitätsverteilung I_2in (die Amplitudenverteilung A_2in) hat, in die Phasenmodulations-Einheit 14 ein, die um einen Abstand L₁ von der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 getrennt ist. Des Weiteren wird eine Phasenverteilung (ϕ_2in des Lichtes P₂ , das zu der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 gelangt, auf Basis von Phasenmodulation in der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 und eines Ausbreitungsvorgangs von der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 bestimmt. Diese Phasenverteilung Φ_2in wird bestimmt, indem eine Situation der Ausbreitung des Lichtes P₂ simuliert wird.
Anschließend wird ein Soll-Muster A_tgt eingerichtet, um ein an der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 anzuzeigendes zweites Phasen-Muster zu bestimmen, da die Phasenverteilung Φ₂ enthält. Dabei steht ein Soll-Muster für eines Verteilung eines oder mehrerer Licht-Bündelungspunkt/e, der/die wiedergegeben wird/werden, indem Fourier-Transformation des aus der Strahlformungsvorrichtung 10A über die an der nachfolgenden Stufe angeordnete Linse austretenden Lichtes P₃ durchgeführt wird. Des Weiteren wird eine Intensitätsverteilung I_2in (eine Amplitudenverteilung A_2in) des Lichtes P₂ festgelegt, das in die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 eintritt. Nachdem das Soll-Muster A_tgt und die Amplitudenverteilung A_2in auf diese Weise festgelegt sind, wird ein an der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 anzuzeigendes zweites Phasen-Muster, das die Phasenverteilung Φ₂ enthält, beispielsweise unter Verwendung eines iterativen Fourier-Verfahrens, wie zum Beispiel eines GS-Verfahrens oder eines OC-Verfahrens, oder beispielsweise eines CGH-Gestaltungsverfahrens, wie zum Beispiel eines ORA-Verfahrens, bestimmt. Dabei wird ein an der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 anzuzeigendes zweites Phasen-Muster, das die Phasenverteilung Φ₂ enthält, vorzugsweise in dem Fall bestimmt, in dem beispielsweise das auf die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 auftreffende Licht P₁ eine Planwelle ist. In Realität ist jedoch, wenn das Licht P₂ , das durch die erste Phasenmodulations-Einheit 12 zur Ausbreitung phasenmoduliert wird, auf die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 auftrifft, seine Phasenverteilung Φ_2in keine Planwelle. Dementsprechend wird vorzugsweise ein an der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 anzuzeigendes zweites Phasen-Muster, das die Phasenverteilung Φ₂ enthält, bestimmt, indem die in der folgenden Gleichung (2) dargestellte Verarbeitung durchgeführt wird.
Gleichung 2 $ϕ_{2} = ϕ_{2_o u t} - ϕ_{2_i n}$
Bei dieser in der Gleichung (2) dargestellten Verarbeitung wird die Phasenverteilung Φ_2in des Lichtes P₂ durch die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 ausgelöscht, und des Weiteren wird ein neues Phasen-Muster hinzugefügt.
Darüberhinaus kann beim Bestimmen eines an der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 anzuzeigenden ersten Phasen-Musters auch die gleiche Verarbeitung wie die oben beschriebene ausgeführt werden. Das heißt, wenn eine Phasenverteilung Φ_2in des auf die erste Phasenmodulations-Einheit 12 auftreffenden Lichtes P₁ keine Planwelle ist, wird die Phasenverteilung Φ₁ des an der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 anzuzeigenden ersten Phasen-Musters mit der folgenden Gleichung (3) bestimmt.
Gleichung 3 $ϕ_{1} = ϕ_{1_o u t} - ϕ_{1_i n}$
Des Weiteren kann das an der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 anzuzeigende erste Phasen-Muster ein Phasen-Muster mit einem Linseneffekt sein. Dabei ist, wenn das erste Phasen-Muster einen Linseneffekt hat, eine Brennweite f des Linseneffektes vorzugsweise nicht dem Abstand L₁ zwischen der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 und der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 gleich, sondern länger oder kürzer als der Abstand L₁. Dies liegt darin begründet, dass, wenn die Brennweite f und der Abstand L₁ einander gleich sind, ein Lichtbündelungspunkt des Lichtes P₂ die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 überlappt, so dass dies eine Auswirkung auf Funktionen der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 haben kann. Wenn die Brennweite f länger oder kürzer ist als der Abstand L₁, kann ein Lichtbündelungspunkt des Lichtes P₂ außerhalb der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 liegen, so dass die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 vorteilhaft betrieben werden kann.
Die Steuerungseinheit 16 versieht die erste Phasenmodulations-Einheit 12 und die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 mit dem ersten Phasen-Muster bzw. dem zweiten Phasen-Muster, die mit dem oben beschriebenen Verfahren erzeugt werden, so dass ein entsprechendes Phasen-Muster an der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 angezeigt wird und es möglich ist, eine Intensitätsverteilung des Lichtes P₂ zu ändern, das in die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 eintritt, und eine Intensitätsverteilung sowie eine Phasenverteilung des aus der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 austretenden Lichtes P₃ gewünschten Formen zu nähern.
Des Weiteren ist es mit dieser Strahlformungsvorrichtung 10A möglich, den Licht-Nutzungsgrad zu verbessern, der ein Verhältnis des Eintritts-Lichtes P₁ zu dem Austritts-Licht P₃ ist. Beispielsweise kann, wenn eine Intensitätsmaske, wie beispielsweise ein LCD, als die erste Phasenmodulations-Einheit 12 eingesetzt wird, obwohl es einfach ist, eine Intensitätsverteilung anzupassen, in einigen Fällen der Licht-Nutzungsgrad je nach der Beziehung zwischen einer Intensitätsverteilung des Eintritts-Lichtes P₁ und einer Intensitätsverteilung des Lichtes P₂ außerordentlich stark abnehmen. Bei der Strahlformungsvorrichtung 10A hingegen ist es möglich, eine Verringerung des Licht-Nutzungsgrades wirkungsvoll zu verhindern, da die erste Phasenmodulations-Einheit 12 aus einem räumlichen Lichtmodulator besteht und nur eine Phasenverteilung des Eintritts-Lichtes P₁ ändert.
Im Folgenden wird ein spezielles Beispiel eines optischen Systems beschrieben, das die Strahlformungsvorrichtung 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält. Im Allgemeinen hat eine Intensitätsverteilung von Licht, das in eine Linse eintritt, eine Auswirkung auf eine Form eines gebündelten Lichtpunktes von Licht, das durch die Linse hindurchtritt. Beispielsweise tritt, wenn eine Intensitätsverteilung von Licht, das auf eine Linse auftrifft, eine gleichmäßige Zylinderhut-Form hat, ein Airy-Muster in einem gebündelten Lichtpunkt auf. Des Weiteren tritt, wenn eine Intensitätsverteilung von Licht, das in eine Linse eintritt, eine Gauss'sche Verteilung ist, ein gebündeltes Lichtbild Gauss'scher Form in einem gebündelten Lichtpunkt auf. So ist es, indem eine Intensitätsverteilung von auf eine Linse auftreffendem Licht aktiv geändert wird, möglich, gebündelte Lichtpunkte verschiedenartiger Formen zu erzeugen. Derartige speziell geformte gebündelte Lichtpunkte können für die Zwecke der Laserbearbeitung, Laser-Mikroskope und dergleichen nützlich sein.
2 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines optischen Systems zeigt, das die Strahlformungsvorrichtung 10A enthält. Ein in 2 gezeigtes optisches System 50 enthält die Strahlformungsvorrichtung 10A, eine Laserlicht-Quelle 28, ein Raumfilter 32, eine Kollimationslinse 34 und eine Objektivlinse 40.
Das Eintritts-Licht P₁ tritt in die erste Phasenmodulations-Einheit 12 ein. Das Eintritts-Licht P₁ wird in geeigneter Weise beispielsweise so erzeugt, dass von der Laserlicht-Quelle 28 emittiertes Licht durch eine Bündelungslinse 32a und ein Loch (pin hole) 32b des Raumfilters 32 hindurchtritt, um Wellenfront-Rauschen und -Verzerrung zu eliminieren, und anschließend durch die Kollimationslinse 34 hindurchtritt, so dass es parallel gerichtet wird. Des Weiteren kann das optische System 50 anstelle des Raumfilters 32 einen Strahlaufweiter enthalten, der einen Durchmesser von der Laserlicht-Quelle 28 emittierten Laserlichtes vergrößert (oder verkleinert).
Dann werden eine Intensitätsverteilung und eine Phasenverteilung dieses Eintritts-Lichtes P₁ durch die erste Phasenmodulations-Einheit 12 und die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 beliebig geändert, und Austritts-Licht P₃ tritt über die hintere Fläche (eine Fläche an der einer der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 zugewandten Fläche gegenüberliegenden Seite) der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 aus. Das Austritts-Licht P₃ tritt in eine Austrittspupille der Objektivlinse 40 ein und wird an der Objektivlinse 40 gebündelt. Des Weiteren befindet sich ein zu betrachtendes oder bearbeitendes Objekt B an ihrem Licht-Bündelungspunkt.
Bei diesem optischen System ist es beispielsweise, wenn wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 und der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 Phasen-Muster verliehen werden, möglich, eine beliebige gebündelte Lichtform an einem gebündelten Lichtpunkt des Austritts-Lichtes P₂ zu erzielen. Beispielsweise wird ein Fall erwägt, in dem das Eintritts-Licht P₁ , das eine Intensitätsverteilung in Form einer Gauss'schen Verteilung hat, durch das erste Phasen-Muster in der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 moduliert wird, und das Licht P₂ , das eine in 3 gezeigte Intensitätsverteilung hat, in die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 eintritt. Dabei ist es, wenn ein Phasen-Muster, wie es in 4 dargestellt ist, der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 als ein zweites Phasen-Muster verliehen wird, wie in 5 dargestellt, möglich, dass eine Form eines Querschnitts senkrecht zu der Richtung der optischen Achse des Lichtes P₃ an einem gebündelten Lichtpunkt die Form eines Polygons (beispielsweise die Form eines Dreiecks) ist. Des Weiteren ist es möglich, einer Intensitätsverteilung des Lichtes P₃ in dem Querschnitt eine Zylinderhut-Form zu geben.
Die Ausbildung eines gebündelten Lichtpunktes mit einer beliebigen Form und einer beliebigen Intensitätsverteilung ermöglicht beispielsweise bei der Bearbeitung Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung einer Ebene eines Objektes und ermöglicht bei mikroskopischer Betrachtung plane Lichtstimulation an einer bestimmten Position eines Objektes.
Des Weiteren sind bei dem in 2 gezeigten optischen System 50, sofern wenigstens die Lichtquelle 28, die Strahlformungsvorrichtung 10A und die Objektivlinse 40 vorhanden sind, beliebige weitere Abwandlungen verschiedener Art vorstellbar. Beispielsweise kann eine Betrachtungseinheit für eine Bearbeitung oder mikroskopische Betrachtung angebracht werden, oder des Weiteren kann ein Tisch zum Bewegen oder Drehen eines Objektes vorhanden sein.
Erste Abwandlung
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird das aus der Strahlformungsvorrichtung 10A austretende Licht P₃ durch die Objektivlinse 40 gebündelt, jedoch kann die Objektivlinse 40 weggelassen werden. Das heißt, dass an der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 anzuzeigende zweite Phasen-Muster enthält vorzugsweise anstelle der Objektivlinse 40 ein Phasen-Muster, das einen Bündelungslinsen-Effekt aufweist, durch den das Licht P₃ zu konvergierendem Licht wird. Anstelle eines derartigen Aufbaus ist es möglich, das Licht P₃ in geeigneter Weise zu bündeln. Jedoch kann das Phasen-Muster, wenn erforderlich, ein Phasen-Muster enthalten, durch das das Licht P₃ zu gestreutem Licht wird.
Zweite Abwandlung
6 ist eine Darstellung, die einen Aufbau einer Strahlformungsvorrichtung als technologischer Hintergrund zeigt. Wie die Strahlformungsvorrichtung 10A gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform enthält eine Strahlformungsvorrichtung 10B als Abwandlung die erste Phasenmodulations-Einheit 12, die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 sowie die Steuereinheit 16. Des Weiteren enthält die Strahlformungsvorrichtung 10B gemäß der vorliegenden Abwandlung dabei eine Linse 18.
Die Linse 18 ist zwischen der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 und der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 angeordnet und bündelt (oder streut) das von der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 emittierte Licht P₂ und leitet das Licht P₂ zu der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14. Hinsichtlich einer Brennweite einer Linse, die mittels eines räumlichen Lichtmodulators realisiert werden kann, gibt eine Untergrenze, jedoch ist es, wenn wie in der vorliegenden Abwandlung, die Linse 18 integriert wird, möglich, eine Brennweite über der Untergrenze einzustellen.
Des Weiteren kann in diesem Fall eine Brennweite f des Linseneffektes, der in dem an der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 anzuzeigenden Phasen-Muster enthalten ist, dem Abstand L₁ gleich sein, während sich eine kombinierte Brennweite des in dem ersten Phasen-Muster der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 enthaltenen Linseneffektes und der Linse 18 vorzugsweise von dem Abstand L₁ unterscheidet (länger oder kürzer ist als der Abstand L₁). Dementsprechend kann, selbst wenn Laserlicht hoher Leistung bei Bearbeitung oder für ein Mikroskop eingesetzt wird, verhindert werden, dass das Laserlicht an dem räumlichen Lichtmodulator gebündelt wird, und eine entsprechende Funktion des räumlichen Lichtmodulators aufrechterhalten werden.
Dritte Abwandlung
Das erste Phasen-Muster und das zweite Phasen-Muster, mit denen die erste Phasenmodulations-Einheit 12 bzw. Die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 durch die Steuereinheit 16 versehen werden, können anstelle des Verfahrens der oben beschriebenen Ausführungsform mit dem folgenden Verfahren geschaffen werden.
Zunächst werden, um eine an der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 anzuzeigende Phasenverteilung Φ₁ zu bestimmen, Informationen über eine Intensitätsverteilung I_1in (eine Amplitudenverteilung A_1in) des Lichtes P₁ ermittelt, das in die erste Phasenmodulations-Einheit 12 eintritt. Dann wird eine Intensitätsverteilung I_2in (eine Amplitudenverteilung A_2in) des Lichtes P₂ festgelegt, das auf die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 auftreffen soll. Anschließend wird, nachdem die Intensitätsverteilung hin und I_2in (die Amplitudenverteilung A_1in und A_2in) ermittelt sind, ein erstes Phasen-Muster, das die Phasenverteilung Φ₁ enthält, die an der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 angezeigt wird, unter Verwendung beispielsweise eines iterativen Fourier-Verfahrens, wie zum Beispiel eines GS-Verfahrens oder eines OC-Verfahrens, oder eines CGH-Gestaltungsverfahrens, wie zum Beispiel eines ORA-Verfahrens bestimmt.
Des Weiteren gilt, wenn eine Phasenverteilung Φ_1in des Lichtes P₁ , das in die erste Phasenmodulations-Einheit 12 eintritt, eine Planwelle ist, Φ₁ = Φ_1out (Φ_1out ist ein Phasen-Muster des von der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 emittierten Lichtes P₂ ), während, wenn die Phasenverteilung Φ_1in keine Planwelle ist, die Phasenverteilung Φ₁ des an der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 anzuzeigenden ersten Phasen-Musters vorzugsweise mit der folgenden Gleichung (4) bestimmt wird.
Gleichung 4 $ϕ_{1} = ϕ_{1_o u t} - ϕ_{1_i n}$
Da die erste Phasenmodulations-Einheit 12 ein derartiges erstes Phasen-Muster anzeigt, trifft das Licht P₂ , das die gewünschte Intensitätsverteilung I_2in (die Amplitudenverteilung A_2in) hat, in die Phasenmodulations-Einheit 14 ein, die um einen Abstand L₁ von der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 getrennt ist. Des Weiteren wird eine Phasenverteilung Φ_2in des Lichtes P₂ , das zu der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 gelangt, auf Basis von Phasenmodulation in der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 und eines Ausbreitungsvorgangs von der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 bestimmt. Diese Phasenverteilung Φ_2in wird bestimmt, indem eine Situation der Ausbreitung des Lichtes P₂ simuliert wird.
Anschließend wird ein an der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 anzuzeigendes zweites Phasen-Muster bestimmt, das eine Phasenverteilung Φ₂ enthält. In der vorliegenden Abwandlung wird ein zweites Phasen-Muster bestimmt, das ein Phasen-Muster enthält, durch das das aus der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 austretende Licht P₃ zu parallelem Licht wird. Beispielsweise wird, damit das von der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 emittierte Licht P₃ zu parallelem Licht und einer Planwelle wird, die Phasenverteilung Φ₂ zu einer in Bezug auf die Phasenverteilung Φ_2in umgekehrten Phasenverteilung von Licht umgewandelt, das in die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 eintritt. Das heißt, die Phasenverteilung Φ₂ wird mit der folgenden Gleichung (5) bestimmt.
Gleichung 5 $ϕ_{2} = - ϕ_{2_i n}$
Im Folgenden wird als ein konkretes Beispiel eines optischen Systems, das die Strahlformungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Abwandlung enthält, ein Verfahren der Bilderzeugung unter Verwendung einer ultrahohen numerischen Apertur und einer stark vergrößernden Objektivlinse beschrieben, die als TIRF-Mikroskop (total internal reflection fluorescence microscope) beschrieben wird. Ein TIRF-Mikroskop ist eine Vorrichtung, die ein abklingendes Feld durch totales Reflektieren von Laserlicht erzeugt, um Fluoreszenz zu erregen. 7 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines für ein TIRF-Mikroskop eingesetztes optisches System zeigt. Dieses optische System 50 enthält, wie in 7 gezeigt, die Strahlformungsvorrichtung 10A sowie eine Objektivlinse 42 für ein TIRF-Mikroskop. Des Weiteren befinden sich auf der der Strahlformungsvorrichtung 10A vorangehenden Stufe, wie bei dem in 2 gezeigten optischen System 50, die Laserlicht-Quelle 28, das Raumfilter 32 (bzw. ein Strahlaufweiter) und die Kollimationslinse 34. Weiterhin ist dieses optische System 60 das optische System an der Anregungs-licht-Seite, es kann jedoch auch als ein optisches System an der Betrachtungs-Seite zum Betrachten von Fluoreszenz oder dergleichen dienen.
Bei diesem optischen System 60 werden eine Intensitätsverteilung und eine Phasenverteilung des Eintritts-Lichtes P₁ durch die erste Phasenmodulations-Einheit 12 und die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 beliebig geändert, und Austritts-Licht P₃ tritt über die hintere Fläche der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 aus. Das Austritts-Licht P₃ tritt in eine Austrittspupille 42 der Objektivlinse 40 ein und wird durch die Objektivlinse 40 gebündelt. Dabei werden das erste Phasen-Muster und das zweite Phasen-Muster vorzugsweise so eingestellt, dass ein Querschnitt senkrecht zu der Richtung der optischen Achse des Austritts-Lichtes P₃ eine Ringform erhält und es in der Nähe des Randabschnitts der Austrittspupille 42a der Objektivlinse 42 auftrifft.
In 8 ist (a) eine Darstellung, die ein Beispiel für Anregungs-Licht bei einem herkömmlichen TIRF-Mikroskop zeigt und schematisch eine Situation darstellt, in der die Austrittspupille 42a der Objektivlinse 42 aus der Richtung der optischen Achse betrachtet wird. Des Weiteren ist (b) in 8 eine Darstellung, die eine Situation von Anregungs-Licht in der vorliegenden Abwandlung zeigt und schematisch eine Situation darstellt, in der die Austrittspupille 42a der Objektivlinse 42 aus der Richtung der optischen Achse betrachtet wird.
Bei dem herkömmlichen TIRF-Mikroskop trifft, wie in (a) in 8 gezeigt, Anregungs-Licht EX auf einen Punkt eines Abschnitts in der Nähe des Randabschnitts der Austrittspupille 42a der Objektivlinse 42 auf. Bei der vorliegenden Abwandlung hingegen ist es, wie in (b) in 8 gezeigt, möglich, ringförmiges Parallellicht auf den gesamten Randabschnitt der Austrittspupille 42a der Objektivlinse 42 zu richten, so dass es in die Objektivlinse 42 als Anregungs-Licht EX eintritt. Indem dem Anregungs-Licht EX eine derartige Form verliehen wird, kann ein abklingendes Feld zum Anregen von Fluoreszenz effektiver erzeugt werden.
Um dieses ringförmige Anregungs-Licht EX über die Strahlformungsvorrichtung 10A auszugeben, wird das Eintritts-Licht P₁ , das eine Intensitätsverteilung aufweist, die eine Gauss'sche Verteilung ist, durch die Phasenmodulations-Einheit 12 moduliert, und das Licht P₂ , das beispielsweise eine Intensitätsverteilung hat, wie sie in 9 dargestellt ist, wird in die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 eingeleitet. Dann wird der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 ein Phasen-Muster, wie es in 10 dargestellt ist, als ein zweites Phasen-Muster verliehen. Dadurch wird das parallele Licht P₃ , das die in 9 gezeigte Intensitätsverteilung hat, über die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 ausgegeben. Des Weiteren ist es, wenn nur ein räumlicher Phasenmodulator eingesetzt wird, möglich, Licht zu erzeugen, das eine ringförmige Intensitätsverteilung hat, wie sie in 9 dargestellt ist, jedoch wird dieses Licht nicht als paralleles Licht ausgegeben. Des Weiteren ist in der oben stehenden Beschreibung als Beispiel der Fall dargestellt, in dem das Licht (Anregungs-Licht) P₃ erzeugt wird, das eine ringförmige Intensitätsverteilung hat, jedoch ist es gemäß der vorliegenden Abwandlung möglich, Licht zu erzeugen, das verschiedene andere Intensitätsverteilungen hat.
Weiterhin wird in der oben stehenden Beschreibung das über die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 austretende Licht P₃ paralleles Licht, jedoch kann die Steuereinheit 16 der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 ein zweites Phasen-Muster verleihen, mit dem das Licht P₃ zu gestreutem Licht oder gebündelten Licht geformt werden kann.
Weiterhin kann sich die Linse 18 in der in 7 dargestellten Konfiguration, auch, wie in 6 gezeigt, zwischen der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 und der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 befinden. Die Linse 18 bündelt (oder streut) das von der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 emittierte Licht P₂ und leitet das Licht P₂ zu der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14. Es gibt eine Untergrenze für eine Brennweite einer Linse, die mit einem räumlichen Lichtmodulator realisiert werden kann, jedoch ist es, indem die Linse 18 so integriert wird, möglich, eine Brennweite jenseits der Untergrenze einzustellen.
Vierte Abwandlung
Das erste Phasen-Muster und das zweite Phasen-Muster, mit denen die erste Phasenmodulations-Einheit 12 und die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 durch die Steuereinheit 16 versehen werden, können anstelle des Verfahrens der oben beschriebenen Ausführungsform mit dem folgenden Verfahren geschaffen werden.
Zunächst wird, um eine Phasenverteilung des aus der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 austretenden Lichtes P₃ zu bestimmen, ein Soll-Muster A_tgt festgelegt. Dieses Soll-Muster A_tgt ist ein Lichtbündelungs-Muster, das erzeugt wird, wenn von der Phasenmodulations-Einheit 14 emittiertes Licht durch eine Linse oder einen Linseneffekt der Phase gebündelt wird. Weiterhin wird eine Intensitätsverteilung I_2in (eine Amplitudenverteilung A_2in) des in die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 einzuleitenden Lichtes P₂ festgelegt. Nachdem das Soll-Muster A_tgt und die Amplitudenverteilung A_2in so festgelegt worden sind, wird eine Phasenverteilung des aus der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 austretenden Lichtes P₃ beispielsweise unter Verwendung eines iterativen Fourier-Verfahrens, wie zum Beispiel eines GS-Verfahrens oder eines OC-Verfahrens oder eines CGH-Design-Verfahrens, wie zum Beispiel eines ORA-Verfahrens, bestimmt. Des Weiteren besteht zwischen der Amplitudenverteilung A_2in und der Intensitätsverteilung I_2in des Lichtes P₂ die in der folgenden Gleichung (6) dargestellte Beziehung.
Gleichung 6 $I_{2 i n} = {| A_{2 i n} |}^{2}$
Dann wird eine Intensitätsverteilung I_1in (eine Amplitudenverteilung A_1in) des Lichtes P₁ festgelegt, das in die erste Phasenmodulations-Einheit 12 eintreten soll. Anschließend wird, nachdem die Intensitätsverteilung I_1in und I_2in (die Amplitudenverteilung A_1in und A_2in) ermittelt sind, ein erstes Phasen-Muster, das die Phasenverteilung Φ₁ enthält, die an der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 angezeigt wird, unter Verwendung beispielsweise eines iterativen Fourier-Verfahrens, wie zum Beispiel eines GS-Verfahrens oder eines OC-Verfahrens, oder eines CGH-Design-Verfahrens, wie zum Beispiel eines ORA-Verfahrens, bestimmt. Darüber hinaus ist eine Phasenverteilung Φ_1out des aus der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 austretenden Lichtes P₂ eine Phasenverteilung Φ₁, wenn die Wellenfront von in die erste Phasenmodulations-Einheit 12 eintretendem Licht paralleles Licht ist, und wird eine an der Phasenmodulations-Einheit 14 anzuzeigende Phasenverteilung Φ₂ vorzugsweise mit der folgenden Gleichung (7) bestimmt.
Gleichung 7 $ϕ_{2} = ϕ_{2 o u t} - ϕ_{2 i n}$
Darüber hinaus wird die Phasenverteilung Φ_2out bestimmt, indem eine Ausbreitungssituation des Lichtes P₂ simuliert wird.
Effekte, die mit der Strahlformungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform und der jeweiligen Abwandlungen erzielt werden, wie sie oben beschrieben sind, werden im Folgenden beschrieben.
Bei der Strahlformungsvorrichtung 10A (10B) gemäß der ersten Ausführungsform und der jeweiligen Abwandlungen sind die erste Phasenmodulations-Einheit 12 und die zweite Phasenmodulations-Einheit 14, die jeweils aus räumlichen Lichtmodulatoren vom Phasenmodulations-Typ bestehen, optisch gekoppelt, und Eintritts-Licht P₁ wird in die erste Phasenmodulations-Einheit 12 eingeleitet und Austritts-Licht P₃ wird über die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 ausgeleitet. Dabei wird das erste Phasen-Muster, mit dem eine vorgegebene Intensitätsverteilung geschaffen wird, an der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 angezeigt, das Licht P₂ , das die vorgegebene Intensitätsverteilung aufweist, wird in die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 eingeleitet, und der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 wird eine vorgegebene Phasenverteilung verliehen und so das Austritts-Licht P3 mit einer beliebigen Querschnittsform und einer Intensitätsverteilung erzeugt.
Auf diese Weise ist es, wenn zwei räumliche Lichtmodulatoren vom Phasenmodulations-Typ eingesetzt werden, möglich, nicht nur eine Phasenverteilung, sondern auch eine Intensitätsverteilung zu steuern. Das heißt, mit dieser Strahlformungsvorrichtung 10A (10B) kann Umwandlung, in Licht mit einer beliebigen (dynamischen) Querschnittsform und Intensitätsverteilung durchgeführt werden. Des Weiteren ist es möglich, Licht in einer beliebigen Form von gebündeltem Licht zu bündeln, und weiterhin ist es möglich, eine Intensitätsverteilung des Eintritts-Lichtes P₁ zu ändern und das Licht P₃ als paralleles, gebündeltes Licht oder gestreutes Licht auszugeben.
Weiterhin ist es bei den in den Nicht-Patentdokumenten 1 und 2 beschriebenen Konfigurationen, wenn sich ein räumlicher Lichtmodulator auf einer Fourier-Ebene befindet, um beispielsweise Laserlicht mit Lichtintensität zu nutzen, möglich, dass Licht auf einen Abschnitt des räumlichen Lichtmodulators konzentriert wird, wodurch die Funktion des räumlichen Lichtmodulators möglicherweise beeinträchtigt wird. Hingegen ist bei der Strahlformungsvorrichtung 10A (10B) gemäß der ersten Ausführungsform und der jeweiligen Abwandlungen die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 so angeordnet, dass sie von der Fourier-Ebene der ersten Phasenmodulations-Einheit 12 getrennt ist (das heißt, Abstand L₁ ≠ Brennweite f), und ist es möglich, dass der Abstand L₁ eine beliebige Länge hat. Dementsprechend kann Beeinträchtigung der Funktion des räumlichen Lichtmodulators, der die zweite Phasenmodulations-Einheit 14 bildet, vermieden werden.
Zweite Ausführungsform
11 ist eine Darstellung, die einen Aufbau einer Strahlformungsvorrichtung 10C als technologischen Hintergrund zeigt. Die Strahlformungsvorrichtung 10C gemäß der zweiten Ausführungsform enthält eine erste Phasenmodulations-Einheit 22, eine zweite Phasenmodulations-Einheit 24 sowie eine Steuereinheit 26. Die erste Phasenmodulations-Einheit 22 und die zweite Phasenmodulations-Einheit 24 bestehen aus reflektierenden räumlichen Lichtmodulatoren und weisen jeweils lichtreflektierende Flächen 22a und 24a auf. Des Weiteren kann die Strahlformungsvorrichtung 10C, wie in 11 gezeigt, die Laserlicht-Quelle 28, das Raumfilter 32 (oder einen Strahlaufweiter), die Kollimationslinse 34 und reflektierende Spiegel 36a-36e enthalten, die als reflektierende Elemente dienen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die zweite Phasenmodulations-Einheit 24 in einer im Folgenden beschriebenen Struktur optisch mit der ersten Phasenmodulations-Einheit 22 gekoppelt. Das heißt, die lichtreflektierende Fläche 24a der zweiten Phasenmodulations-Einheit 24 ist über die reflektierenden Spiegel 36d und 36c, die als eine Vielzahl reflektierender Elemente dienen, optisch mit der lichtreflektierenden Fläche 22a der ersten Phasenmodulations-Einheit 22 gekoppelt und ist gleichzeitig optisch mit dem reflektierenden Spiegel 36e gekoppelt. Des Weiteren tritt das Eintritts-Licht P₁ über die reflektierenden Spiegel 36b und 36a in die lichtreflektierende Fläche 22a der ersten Phasenmodulations-Einheit 22 ein. Das Eintritts-Licht P₁ wird in geeigneter Weise beispielsweise so erzeugt, dass von der Laserlicht-Quelle 28 emittiertes Licht durch die Bündelungslinse 32a und das Loch (pin hole) 32b des Raumfilters 32 hindurchtritt, um Wellenfront-Rauschen und -Verzerrung zu eliminieren, und anschließend durch die Kollimationslinse 34 hindurchtritt, so dass es parallel gerichtet wird.
Die Steuereinheit 26 verleiht der ersten Phasenmodulations-Einheit 22 und der zweiten Phasenmodulations-Einheit 24 jeweils das erste Phasen-Muster bzw. das zweite Phasen-Muster. Das heißt, die Steuereinheit 26 leitet ein elektrisches Signal (ein Phasen-Muster) zum Ansteuern der entsprechenden Pixel der räumlichen Lichtmodulatoren zu der ersten Phasenmodulations-Einheit 22 und der zweiten Phasenmodulations-Einheit 24. Bei der Strahlformungsvorrichtung 10C ändert die Steuereinheit 26 auf diese Weise die Phasen-Muster für die erste Phasenmodulations-Einheit 22 und die zweite Phasenmodulations-Einheit 24 und gibt so das Licht P₃ aus, dass eine beliebige Intensitätsverteilung und eine beliebige Phasenverteilung hat. Weiteren kann die Steuereinheit 26 in einem Gehäuse angeordnet sein, in dem die erste Phasenmodulations-Einheit 22 und die zweite Phasenmodulations-Einheit 24 aufgenommen sind, oder kann sich außerhalb des Gehäuses befinden.
Wie bei der vorliegenden Ausführungsform können die erste Phasenmodulations-Einheit und die zweite Phasenmodulations-Einheit aus reflektierenden räumlichen Lichtmodulatoren bestehen. Auch in diesem Fall können die gleichen Effekte wie die der oben beschriebenen ersten Ausführungsform erzielt werden.
Abwandlung
12 ist eine Darstellung, die einen Aufbau einer Strahlformungsvorrichtung 10D gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt. Ein Unterschied zwischen der Strahlformungsvorrichtung 10D gemäß der vorliegenden Abwandlung und der zweiten Ausführungsform besteht im Aufbau der ersten Phasenmodulations-Einheit und der zweiten Phasenmodulations-Einheit. Das heißt, bei der vorliegenden Abwandlung enthält die Strahlformungsvorrichtung 10D nur einen reflektierenden räumlichen Lichtmodulator 30, und die erste Phasenmodulations-Einheit sowie die zweite Phasenmodulations-Einheit bestehen aus dem einzelnen reflektierenden räumlichen Lichtmodulator 30 und ein Teilbereich (ein erster Bereich) seiner lichtreflektierenden Fläche 30a dient als eine erste Phasenmodulations-Einheit 30b und ein weiterer Teilbereich (ein zweiter Bereich) dient als eine zweite Phasenmodulations-Einheit 30c. In der vorliegenden Abwandlung ist die zweite Phasenmodulations-Einheit 30c über die reflektierenden Spiegel 36d und 36c optisch mit der ersten Phasenmodulations-Einheit 30b gekoppelt und ist gleichzeitig optisch mit dem reflektierenden Spiegel 36e gekoppelt. Weiterhin tritt das Eintritts-Licht P₁ , das paralleles Licht ist, über die reflektierenden Spiegel 36b und 36a in die erste Phasenmodulations-Einheit 30b ein.
Die Steuereinheit 26 leitet ein elektrisches Signal (ein Phasen-Muster) zum Ansteuern der jeweiligen Pixel des räumlichen Lichtmodulators 30 zu dem räumlichen Lichtmodulator 30 und verleiht so der ersten Phasenmodulations-Einheit 30b und der zweiten Phasenmodulations-Einheit 30c jeweils das erste Phasen-Muster bzw. das zweite Phasen-Muster. Bei der Strahlformungsvorrichtung 10D ändert die Steuereinheit 26 die Phasen-Muster für die erste Phasenmodulations-Einheit 30b sowie die zweite Phasenmodulations-Einheit 30c auf diese Weise und gibt so das Licht P₃ aus, das eine beliebige Intensitätsverteilung und eine beliebige Phasenverteilung hat.
Bei der vorliegenden Abwandlung können die erste Phasenmodulations-Einheit und die zweite Phasenmodulations-Einheit zusammen aus einem einzelnen räumlichen Lichtmodulator bestehen. Auch in diesem Fall können die gleichen Effekte wie diejenigen der oben beschriebenen ersten Ausführungsform erzielt werden.
Weiterhin sind bei der zweiten Ausführungsform und der Abwandlung als ein optisches System, bei dem Licht in die erste Phasenmodulations-Einheit und die zweite Phasenmodulations-Einheit eintritt und von ihnen emittiert wird, verschiedenartige andere Konfigurationen als die in 11 und 12 gezeigten Konfigurationen möglich. Beispielsweise kann anstelle des Raumfilters 32 und der Kollimationslinse 34 ein Strahlaufweiter vorhanden sein, und die reflektierenden Spiegel 36a bis 36e können durch andere lichtreflektierende optische Komponenten, wie beispielsweise ein Dreiseit-Prisma, ersetzt werden. Weiterhin ist, wie in 13 als technologischer Hintergrund gezeigt, auch eine Konfiguration möglich, bei der keine reflektierenden Spiegel eingesetzt werden. Weiterhin sind bei der Konfiguration in 13 der reflektierende räumliche Lichtmodulator, der die erste Phasenmodulations-Einheit 22 bildet und der reflektierende räumliche Lichtmodulator, der die zweite Phasenmodulations-Einheit 24 bildet, vorzugsweise so angeordnet, dass ihre lichtreflektierenden Flächen 22a und 24a parallel zueinander sind. In diesem Fall ist es möglich, dass das Eintrittslicht und das Austrittslicht im Wesentlichen parallel sind und die Vorrichtung relativ kompakt ausgeführt wird.
Eine Strahlformungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und es sind verschiedene andere Abwandlungen möglich. Beispielsweise ist in den oben beschriebenen Ausführungsformen und Abwandlungen als Beispiel der Fall beschrieben, in dem das in die erste Phasenmodulations-Einheit eintretende Licht paralleles Licht ist, jedoch ist das in die erste Phasenmodulations-Einheit eintretende Licht nicht auf paralleles Licht beschränkt, und es können verschiedene Lichtstrahlen eingesetzt werden.
Des Weiteren ist in den jeweiligen oben beschriebenen Ausführungsformen die Objektivlinse als Beispiel für eine optische Komponente dargestellt, die sich an der der zweiten Phasenmodulations-Einheit nachfolgenden Stufe befindet, jedoch kann nicht nur eine Objektivlinse an der auf der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 der Strahlformungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung folgenden Stufe vorhanden sein, sondern auch verschiedenartige optische Komponenten.
Des Weiteren ist in den jeweiligen oben beschriebenen Ausführungsformen als Beispiel die Konfiguration dargestellt, bei der die Strahlformungsvorrichtung die zwei Phasenmodulations-Einheiten (räumliche Lichtmodulatoren) enthält, jedoch kann die Strahlformungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung drei oder mehr Phasenmodulations-Einheiten (räumliche Lichtmodulatoren) enthalten. Weiterhin kann ein Phasen-Muster, das an der zweiten Phasenmodulations-Einheit 14 dargestellt wird, mit einem Hologramm-Muster überlagert werden. Dementsprechend ist es möglich, nach dem Modulieren einer Amplitude auf eine beliebige Amplitude auch ihre Phase zu modulieren.
Eine Strahlformungsvorrichtung gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform enthält eine erste Phasenmodulations-Einheit, die aus einem räumlichen Lichtmodulator vom Phasenmodulations-Typ besteht und ein erstes Phasen-Muster zum Modulieren einer Phase von Eintritts-Licht anzeigt, eine zweite Phasenmodulations-Einheit, die aus einem räumlichen Lichtmodulator vom Phasenmodulations-Typ besteht, optisch mit der ersten Phasenmodulations-Einheit gekoppelt ist und ein zweites Phasen-Muster zum weiteren Modulieren einer Phase von durch die erste Phasenmodulations-Einheit phasenmoduliertem Licht anzeigt, sowie eine Steuereinheit, die der ersten Phasenmodulations-Einheit und der zweiten Phasenmodulations-Einheit das erste Phasen-Muster bzw. das zweite Phasen-Muster verleiht, wobei bei der Strahlformungsvorrichtung das erste Phasen-Muster sowie das zweite Phasen-Muster Phasen-Muster zum Annähern einer Intensitätsverteilung und einer Phasenverteilung von aus der zweiten Phasenmodulations-Einheit auftretendem Licht vorgegebenen Verteilungen sind.
Des Weiteren kann bei der Strahlformungsvorrichtung das zweite Phasen-Muster ein Phasen-Muster enthalten, durch das das aus der zweiten Phasenmodulations-Einheit austretende Licht zu parallelem Licht, gestreutem Licht oder gebündeltem Licht wird.
Des Weiteren kann bei der Strahlformungsvorrichtung eine Querschnittsform senkrecht zu einer Richtung der optischen Achse des über die zweite Phasenmodulations-Einheit austretenden Lichtes die Form eines Vielecks sein, und eine Intensitätsverteilung des Lichtes im Querschnitt kann eine Zylinderhut-Form haben.
Des Weiteren kann bei der Strahlformungsvorrichtung eine Querschnittsform senkrecht zu einer Richtung der optischen Achse des über die zweite Phasenmodulations-Einheit austretenden Lichtes eine Ringform sein.
Des Weiteren können bei der Strahlformungsvorrichtung die erste Phasenmodulations-Einheit und die zweite Phasenmodulations-Einheit jeweils reflektierende räumliche Lichtmodulatoren enthalten. Weiterhin können in diesem Fall der reflektierende räumliche Lichtmodulator, der die erste Phasenmodulations-Einheit bildet, und der reflektierende räumliche Lichtmodulator, der die zweite Phasenmodulations-Einheit bildet, so angeordnet sein, dass ihre lichtreflektierenden Flächen parallel zueinander sind.
Des Weiteren können bei der Strahlformungsvorrichtung die erste Phasenmodulations-Einheit und die zweite Phasenmodulations-Einheit einen einzelnen reflektierenden räumlichen Lichtmodulator enthalten, und ein Teilbereich seiner lichtreflektierenden Fläche kann als die erste Phasenmodulations-Einheit dienen, und ein weiterer Teilbereich kann als die zweite Phasenmodulations-Einheit dienen.
Des Weiteren kann die Strahlformungsvorrichtung so eingerichtet sein, dass sie eine Vielzahl reflektierender Elemente enthält, das heißt, als die Strahlformungsvorrichtung, bei der die zweite Phasenmodulations-Einheit über die Vielzahl reflektierender Elemente optisch mit der ersten Phasenmodulations-Einheit gekoppelt ist.
Des Weiteren kann die Strahlformungsvorrichtung so eingerichtet sein, dass der räumliche Lichtmodulator ein transmissiver räumlicher Lichtmodulator ist.
Des Weiteren kann die Strahlformungsvorrichtung so eingerichtet sein, dass das zweite Phasen-Muster die Phase des durch die erste Phasenmodulations-Einheit phasenmodulierten Lichtes auslöscht.
Industrielle Einsatzmöglichkeiten
Die vorliegende Erfindung kann als eine Strahlformungsvorrichtung eingesetzt werden, mit der Umwandlung von Licht in Licht mit einer beliebigen Querschnittsform und einer beliebigen Intensitätsverteilung möglich ist.
Bezugszeichenliste

10A bis 10D: Strahlformungsvorrichtung
12, 22: erste Phasenmodulations-Einheit
14, 24: zweite Phasenmodulations-Einheit
16: Steuereinheit
18: Linse
26: Steuereinheit
28: Laserlicht-Quelle
30: reflektierender räumlicher Lichtmodulator
30b: erste Phasenmodulations-Einheit
30c: zweite Phasenmodulations-Einheit
32: Raumfilter
34: Kollimationslinse
36a bis 36e: reflektierender Spiegel
40,42: Objektivlinse
42a: Austrittspupille
50, 60: optisches System

A: optische Achse
B: Objekt
EX: Anregungs-Licht
P1: Eintritts-Licht
P2: Licht
P3: Austritts-Licht

Claims

Strahlformungsvorrichtung (10D), die umfasst: eine erste Phasenmodulations-Einheit (30b), die einen räumlichen Lichtmodulator (30) vom Phasenmodulations-Typ enthält und ein erstes Phasen-Muster zum Modulieren einer Phase von Eintritts-Licht (P₁) anzeigt; eine zweite Phasenmodulations-Einheit (30c), die den räumlichen Lichtmodulator (30) vom Phasenmodulations-Typ enthält, optisch mit der ersten Phasenmodulations-Einheit (30b) gekoppelt ist und ein zweites Phasen-Muster zum weiteren Modulieren einer Phase von durch die erste Phasenmodulations-Einheit phasenmoduliertem Licht (P₂) anzeigt; sowie eine Steuereinheit (26), die der ersten Phasenmodulations-Einheit (30b) und der zweiten Phasenmodulations-Einheit (30c) das erste Phasen-Muster bzw. das zweite Phasen-Muster verleiht, wobei das erste Phasen-Muster sowie das zweite Phasen-Muster Phasen-Muster zum Annähern einer Intensitätsverteilung und einer Phasenverteilung von aus der zweiten Phasenmodulations-Einheit (30c) austretendem Licht (P₃) an vorgegebene Verteilungen sind, und wobei die erste Phasenmodulations-Einheit (30b) und die zweite Phasenmodulations-Einheit (30c) den einzelnen reflektierenden räumlichen Lichtmodulator (30) enthalten, ein Teilbereich seiner lichtreflektierenden Fläche als die erste Phasenmodulations-Einheit (30b) dient und ein weiterer Teilbereich als die zweite Phasenmodulations-Einheit (30c) dient.
Strahlformungsvorrichtung (10D) nach Anspruch 1, die eine Vielzahl reflektierender Elemente umfasst, wobei die zweite Phasenmodulations-Einheit (30c) über die Vielzahl reflektierender Elemente optisch mit der ersten Phasenmodulations-Einheit (30a) gekoppelt ist.
Strahlformungsvorrichtung (10D) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Phasen-Muster die Phase des durch die erste Phasenmodulations-Einheit (30b) phasenmodulierten Lichtes (P₂) auslöscht.
Strahlformungsvorrichtung (10D) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zweite Phasen-Muster ein Phasen-Muster enthält, durch das aus der zweiten Phasenmodulations-Einheit (30c) austretende Licht zu parallelem Licht, gestreutem Licht oder gebündeltem Licht wird.
Strahlformungsvorrichtung (10D) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Querschnittsform senkrecht zu einer Richtung der optischen Achse des über die zweite Phasenmodulations-Einheit (30c) austretenden Lichtes die Form eines Vielecks ist und eine Intensitätsverteilung des Lichtes in dem Querschnitt eine Zylinderhut-Form hat.
Strahlformungsvorrichtung (10D) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Querschnittsform senkrecht zu einer Richtung der optischen Achse des über die zweite Phasenmodulations-Einheit (30c) austretenden Lichtes eine Ringform ist.