JP2009541785A - 光ビームの生成 - Google Patents

Abstract

この発明は、１組の光ビームを合成するシステムを設けることにより、１組の制御可能な光ビームを合成する方法とシステムに関し、電磁放射の伝播方向に交差、好ましくは直交する物体面０(x,y)においてそれぞれ所望の位置（x_s，y_s）に位置する所定のシンボルｓの１組の複製を有し、空間振幅ａ（x−x_s，y−y_s）、空間移相φ（x−x_s，y−y_s）＞および空間偏光ベルトルp（x−x_s，y−y_s）を有する電磁放射を生成する空間変調された光源と、フーリエ変換されたシンボルｓの複素共役であるＳ^*の位相−φ（u,v）だけ、フーリエ変換電磁放射を位相シフトする第１空間光変調器と、空間変調された放射を逆フーリエ変換し、それによって１組の光ビームが形成されて所望の位置（x_s'，y_s'）で逆フーリエ面（x'，y'）を介して伝播するフーリエ変換レンズと、シンボルＳの複製の位置を制御して対応する光ビームを移動させるコントローラとを備える。

Description

本発明は、１組の制御可能な光ビームを合成するための方法およびシステムに関する。

照明ビームのエネルギーを吸収または遮断することにより、物体の光照射面に画像を形成することはよく知られている。例えば、オーバヘッドプロジェクタにおいて、オーバヘッド透明シートは、プロジェクタの光ビームの一部を吸収または遮断し、これによりオーバヘッドの大きな画像がスクリーン上に形成される。しかし、そのような画像形成システムから発した光の一部が反射または吸収されるので、これは光強度損失をもたらす。

例えば、合成された強度パターンの光強度損失や、システムの構成要素内での熱発生による電力浪費等を引き起こすエネルギーの損失を回避するために、幾つかの方法とシステムが開発されている。その方法およびシステムでは、光ビームの位相の変調はエネルギー損失をもたらさないので、光ビームの振幅または強度の代わりに光ビームの位相が変調される。この位相変調は、位相変調を振幅または強度変調へ変換することにつながる。

位相変換に関連して、画像形成方法およびシステムも使用できる。これらの方法およびシステムは、位相変調を強度変調に変換することによって形成された画像の点の強度が、位相変調器の１点の位相変調値にのみ依存することを特徴とするが、これはこの位相変調の１点が問題とされる画像の点の上に画像形成システムによって結像されるからである。
この１対１の関係は、これらのシステムにおける位相変調器の設計を簡単にする。この種の方法およびシステムは、位相コントラスト画像形成方法およびシステムと称される。

位相コントラスト画像形成方法は、もともと顕微鏡の分野で発達してきた。顕微鏡法において多くの興味ある対象は、大部分が透明であり、したがって光をほとんどまたは全く吸収しない。光がそのような対象を通過する場合、ヒトの眼は光強度と色とに反応し、光の位相には反応しないので、ヒトには見えない空間的に変化する位相シフトが発生することが、顕著な効果である。
１９３５年にフリッツ・ゼルニケ（Ｆｒｉｔｚ Ｚｅｒｎｉｋ）が位相コントラスト技術を提案したがその位相コントラスト技術は、空間フィルタ原理に従い、また観測強度が対象によってもたらされる位相シフトに線形的に関係するという利点を有する。

前述の強度パターンを合成するための、一般化された位相コントラスト画像形成方法およびシステムが、参照により本明細書に組み込まれる国際特許公開公報第ＷＯ１９９６／３４３０７号に開示される。この一般化された方法は、位相シフトが１ラジアン未満である、いわゆるゼルニケ近似に基づくものではない。改良された方法は、この近似を採用せず、空間位相変調器の分解素子またはピクセルを、生成された強度パターンの分解素子上に単純に１対１でマッピングする画像形成に基づくものである。

本発明の１つの適用は、勾配電磁力を用いた、例えば微小成分や生体細胞等のような微小対象物の操作に関する。
近似ガウス強度プロフィールを有する強力に集束したレーザビームにおいて、放射圧力散乱の成分および勾配力の成分と組み合わせて、レーザビームの焦点の近くに配置され安定した平衡状態の点をもたらすことは、よく知られている。散乱力は、光学的強度に比例して、入射レーザビームの方向に作用する。勾配力は、光学的強度に比例して、強度勾配の方向を指す。

この効果は、集束した光ビームにおける光学的勾配力が、光ビームの焦点で小さな微小対象物を捕捉する、いわゆる光ピンセットまたは光学トラップに利用される。微小対象物は、通常、その屈折率が微小対象物よりも小さい液状媒体に浸漬される。光ピンセット技術は、反射性で吸収性で誘電率が低い微小対象物の操作を可能にするために、一般化されてきた。典型的には、ガウシアンビームは、周囲の屈折率よりも屈折率が高い微小対象物を捕捉するために使用されるが、ドーナツビームは、周囲の屈折率よりも屈折率が低い微小対象物を捕捉するために使用される。

本発明は、１組の制御可能な光ビームを生成するための方法およびシステムを提供することを目的とする。

上述の目的および他の目的は、本発明にしたがって、１組の光ビームを合成するための方法を提供することにより達成される。１組の光ビームを合成するための方法は、
所定のシンボルｓの１組の複製を有する電磁放射を生成するステップであって、所定のシンボルｓは、電磁放射の伝播方向に交差、好ましくは直交する物体面ｏ（ｘ，ｙ）におけるそれぞれの所望の位置（ｘ_s，ｙ_s）に位置し、かつ空間振幅ａ（ｘ−ｘ_s，ｙ−ｙ_s）、空間位相φ（ｘ−ｘ_s，ｙ−ｙ_s）および空間偏光ベクトルｐ（ｘ−ｘ_s，ｙ−ｙ_s）を有するステップと、
電磁放射をフーリエ変換するステップと、
フーリエ変換された電磁放射に、フーリエ変換されたシンボルｓの複素共役であるＳ^*の位相−Φ（ｕ，ｖ）を掛け合わせる、つまり、位相シフトとするステップと、
空間的に変調された放射を逆フーリエ変換し、それによって所望の位置（ｘ’_s，ｙ’_s）で逆フーリエ面（ｘ’，ｙ’）を通って伝播する１組の光ビームを形成するステップと、
物体面において、シンボルｓの対応する複製の移動によって、光ビームを移動させるステップとを含む。

上述の目的および他の目的は、本発明にしたがって、１組の光ビームを合成するためのシステムを提供することにより達成される。１組の光ビームを合成するためのシステムは、
所定のシンボルｓの１組の複製を有する電磁放射を生成するための空間的に変調された光源であって、所定のシンボルｓは、電磁放射の伝播方向に交差し、好ましくは直交する物体面ｏ（ｘ，ｙ）におけるそれぞれの所望の位置（ｘ_s，ｙ_s）に位置し、かつ空間振幅ａ（ｘ−ｘ_s，ｙ−ｙ_s）、空間位相φ（ｘ−ｘ_s，ｙ−ｙ_s）および空間偏光ベクトルｐ（ｘ−ｘ_s，ｙ−ｙ_s）を有する光源と、
電磁放射をフーリエ変換するためのフーリエ変換レンズと、
フーリエ変換された電磁放射を、フーリエ変換されたシンボルｓの複素共役であるＳ^*の位相−Φ（ｕ，ｖ）だけ位相シフトするための第１の空間光変調器と、
空間的に変調された放射を逆フーリエ変換し、それによって所望の位置（ｘ’_s，ｙ’_s）で逆フーリエ面（ｘ’，ｙ’）を介して伝播する１組の光ビームを形成するためのフーリエ変換レンズと、
対応する光ビームを移動させて、シンボルｓの複製の位置を制御するためのコントローラとを備える。

本発明による方法および装置が、原則として、シンボルｓのそれぞれの複製の物体面ｏ（ｘ，ｙ）におけるそれぞれの位置に対応する位置で、逆フーリエ面（ｘ’，ｙ’）における光学デルタ関数を生成することは、光学的整合フィルタの分野でよく知られている。
本発明によると、このよく知られた特徴は、制御可能な位置で高強度の光ビームを生成するために利用される。したがって、光ビームの数Ｎは、物体面ｏ（ｘ，ｙ）において、生成された光ビームのＮ個の所望の位置（ｘ’_s，ｙ’_s）に対応するＮ個の位置（ｘ_s，ｙ_s）で、シンボルｓのＮ個の複製が生成されることによって求められる。光ビームの位置（ｘ’_s，ｙ’_s）は、シンボルｓに対応する複製の位置（ｘ_s，ｙ_s）を、対応して変化させるによって変えることができる。

本発明による方法およびシステムは、例えば、所定の作業体(working volume)内における微小成分、生体細胞等のような微小対象物を操作するための光ピンセットに利用することができる。
本発明による方法およびシステムは、特にＣＯ₂およびＮｄ：ＹＡＧレーザベースのシステムを使用して、２次元表面および３次元表面に対するレーザ機械加工、マーキング、烙印、トリミング、硬化処理、スクライビング、ラベル付け、溶接、および切断処理に利用することもできる。位相変調されたシンボルに関しては、エネルギーはシステム内で吸収されず（それにより、光学ハードウェアの損傷を防止する）、代わりに、実質的にすべてのエネルギーを利用して所望の光ビームの強度レベルを高める。高パワーを、対象物上の選択された領域に、同時に送達することができる。

本発明による方法およびシステムの用途のその他の例は、以下のものである。
・双安定素子、光子スイッチおよびスマートピクセルなどの光電子素子アレイに対してバイアスまたは保持ビームを発生させるための、効率的で動的なスポットアレイ発生器。
・例えば、並列に更新できる周期的および斜め周期メッシュグリッド照明等のマシンビジョン用途のための構造化光（無損失）の生成。
・例えば、Ｇｅドープシリカへの導波路の高出力レーザ直接書き込み等のフォトリソグラフィー用途（逐次走査の必要のない並列レーザ３次元直接書き込み）。
・純粋な位相変調（放射フォーカセイタ）を用いた一般的な空間光強度変調
・レーザビーム成形（動的）
・レーザ走査装置を必要としない高効率の並列パターン投影
・動的赤外シーン投影（ＤＩＲＳＰ）
・回折格子およびマスク生成のための露光装置
・ＬＩＤＡＲ用途
・並列レーザ印刷
・レーザショー用途
・大気探査等

シンボルｓは、空間の有限区域における電磁放射の振幅および／または位相および／または偏光変化のパターンである。シンボルの点（ｘ_s，ｙ_s）を、そのシンボルの位置を示すための基準点として定義づける。通常、基準点（ｘ_s，ｙ_s）は、シンボルの中心を構成する。シンボルが振幅変化を含む場合、そのシンボルは可視であってもよい。記号、テクスチャ、アイコン、マークはシンボルの例であるが、有限区域における電磁放射の任意の振幅および／または位相変化は、いずれもシンボルを構成し得る。
好ましくは、シンボルは、ビームの中心における振幅とビームの外側の平均振幅との高コントラスト比を有する光ビームを発生させるように設計される。

本発明の好ましい実施形態では、ほぼ均一な振幅と所定の空間位相変化を有するシンボルｓの生成によって、電磁エネルギーの損失が低い光ビームを生成する。
シンボルｓの複製は、そのシンボルｓのほぼ同一のコピーであって、サイズを変更することができる。好ましくは、その複製は、それぞれサイズが異なる可能性のある同一のコピーであるが、複製の生成に利用される構成要素の変化は、システムの性能に全く影響を及ぼすことのない差異の小さな複製の生成につながり得る。また、ピクセル化された構成要素を複製の生成に利用することによって、ピクセルサイズの整数倍でない変位で複製が再配置されると、複製がわずかに変化することがある。

シンボルｓの複製はそれぞれ、例えば、第２の空間光変調器の個々の分解素子（ｘ，ｙ）の位相値φ（ｘ，ｙ）によって入射する電磁放射の位相を変調するために、個々の分解素子に分けられた第２の空間光変調器を用いて、それぞれ電磁放射の空間位相変調によって生成することができる。好ましい実施形態では、シンボルｓは２進符号化シンボルであり、すなわち座標（ｘ_s，ｙ_s）で中心をなすシンボルｓの各々の点（ｘ，ｙ）において、振幅ａおよび位相φを有する電磁場は、２つの値（ａ₀，φ₀）または（ａ₁，φ₁）の一方を有する。ａ₀は、ａ₁に等しくてよく、あるいは、φ₀はφ₁に等しくてよい。位相のみ符号化したシンボルにおいては、ａ₀は、ａ₁に等しい。

電磁放射は、電磁スペクトルのいずれの周波数範囲、すなわちガンマ周波数範囲、紫外範囲、可視範囲、赤外範囲、遠赤外範囲、Ｘ線範囲、マイクロ波範囲、ＨＦ（高周波数）範囲等であってよい。
電磁放射は、レーザ、メーザ、位相固定レーザダイオードアレイ等のような、電磁放射のコヒーレント光源によって生成することができる。
電磁放射は、レーザ光源と比較してスペックルノイズを低減する利点を有する、水銀ランプ、キセノンランプ等のような高圧アークランプによって生成されてもよい。
白熱ランプまたはＬＥＤを、電磁放射源として使用することもできる。

空間光変調器は、その上に入射する電磁波の振幅および／または位相および／または偏光を変化させる構成要素である。空間光変調器は、入射した電磁波を透過または反射することができる。通常、空間位相変調器は、複数の分解素子に分けられており、その分解素子のそれぞれは、特定の所定値によって振幅および／または位相および／または偏光を変化させることにより、入射した電磁波を変調する。その所定値は、空間光変調器に適用される技術に応じて、様々な方法で、各分解素子に割り当てられる。例えば、各分解素子は、光学的にあるいは電気的にアドレス指定可能である。電気的アドレス指定技術は、電子回路を介して各分解素子がアドレス指定されて、アドレス指定された各分解素子によって生成されるべき振幅および／または位相変化に対応する制御信号を受信できる点で、固体メモリのアドレス指定技術と類似している。光学的アドレス指定技術は、各分解素子に光ビームをあてることによってその分解素子をアドレス指定するが、その光ビームの強度は、光ビームによって照射される分解素子によって生成されるべき振幅および／または位相変化に対応している。

空間振幅および／または位相および／または偏光変調は、固定位相マスク、液晶ディスプレイ技術に基づく液晶デバイス、ＭＥＭＳ（マイクロ電子機械システム）、例えば動的ミラーデバイス、ディジタルマイクロミラーアレイ、変形可能ミラーデバイス等のようなＭＯＥＭＳ（マイクロ光電子機械システム）、メンブレン空間光変調器、レーザダイオードアレイ（集積光源および位相変調器）、スマートピクセルアレイ等を利用して実現できる。
セイコーエプソン社は、透明な液晶素子の高解像度行列を有する透過型液晶ＳＬＭ（ＬＣ‐ＳＬＭ）を生産し、そのＬＣ‐ＳＬＭは、屈折率を変えて、それにより素子の光路長を変えるために、各素子の相対的誘電率を電気的に変調することができる。

メドゥラーク社は、高充填率の平行配向液晶空間光変調器（ＰＡＬ−ＳＬＭ）を生産するが、このデバイスには、１３７個の位相変調素子しか含まれないので、解像度が非常に低い。
浜松ホトニクス社は、ＶＧＡまたはＸＧＡ分解能を有する動的に制御可能なＰＡＬ−ＳＬＭを生産する。
テキサス・インスツルメンツ社は、各々が２つの位置の間で傾斜しているミラーのアレイを有するディジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を生産する。

第１の空間光変調器は、通常、固定位相マスクであり、例えば、変調された電磁場が、電磁場の残りの部分に対して−Φだけ位相シフトしている領域に誘電体層で被覆された光学的に平坦なガラス板などである。しかし、前節で述べられた空間光変調器を、第１の空間光変調器に用いてもよい。さらに、カー型材料のような自己位相変調を行う非線形材料もまた、位相シフトを導くために使用することができる。

シンボルｓの１つ以上の複製は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のアレイのような光源アレイによって生成される。ＶＣＳＥＬのアレイは、複数の実質的に環状のレーザビームの引力源である。そのアレイは、１次元であっても２次元であってもよく、生成されたビームは、モード競合がないことによる低い発散および低い相対強度ノイズの、ガウス状に成形され、これによりビームは非常に小さなスポットサイズに集束することができる。偏光は、非対称の電流注入によって制御され得る。

ＶＣＳＥＬのアレイは、ＶＣＳＥＬの偏光特性を高めるための集積サブ波長透過格子ＳＷＴＧを備えることができる。好ましくは、ＳＷＴＧは、ＳＷＴＧを製造するための低コストで高スループットで信頼性の高い手段を提供するナノインプリントリソグラフィーを用いて製造される。ＳＷＴＧは、光の波長より短い周期を有するとともに非ゼロ次の回折がない格子である。

本発明によるシステムは、４ｆレンズ構成（光の透過に利用される２つのフーリエ変換レンズまたは光の反射に利用される１つのフーリエ変換レンズ）を備えてもよい。しかし、第１の空間光変調器のためのフーリエ面を備える任意の光学的画像形成システムを、このシステム内に備えることができる。

本発明の好ましい実施形態においては、位相シフトは、シンボルｓの複素共役フーリエ変換であるＳ^*の位相だけ位相シフトすることに加え、フーリエ面のゼロ次回折領域で行われる。一実施形態において、位相シフトの値は、πである。さらなる位相シフトが、生成された光ビームのコントラストを高めるために行われ、それにより光ビームの外側の区域は実質的に照射されないことになる。逆フーリエ面で発生した振幅が、光ビームの外側で実質的にゼロになることが好ましい。
フーリエ面においてシンボルｓの複素共役フーリエ変換であるＳ^*の位相だけ位相シフトさせるだけでなく、Ｓ^*の逆振幅とも掛け合わせることができる。

本発明の好ましい実施形態によると、第２の空間光変調器はレンズの前側焦点面に位置し、第１の空間光変調器はレンズの後側焦点面に位置する。それにより、第２の空間光変調器における電磁場は、レンズによって、第１の空間光変調器における電磁場へとフーリエ変換される。

第１の空間光変調器は、電磁放射の残りの部分をさらに位相シフトすることなく、ゼロ次回折領域で電磁放射の一部をさらに位相シフトするように構成されるか、あるいは、第１の空間光変調器は、ゼロ次回折領域で電磁放射の一部をさらに位相シフトしないように、かつ電磁放射の残りの部分をさらに位相シフトしないように構成されてもよい。

最後の代替案は、ゼロ次回折領域における電磁放射の一部のエネルギーレベルが、第１の光空間光変調器の位相シフトする部分をそのエネルギーで破壊するほど高い場合に好ましい。例えばレーザ切断において、レーザビームのゼロ次回折領域における振幅は、ゼロ次回折領域に位置する位相シフトドットが蒸発するほど高くすることができる。ゼロ次回折領域において、電磁放射を遮断する（透過しない）ことも可能であるが、遮断された放射のエネルギーは、その後、失われる。

本発明の別の好ましい実施形態によると、第１の空間光変調器は、レンズの後側焦点面ではなく、その代わりにレンズのフレネル領域に位置する。この場合、第１の空間光変調器における電磁場は、シンボルｓを有する電磁場のフレネル変換によって求められることになる。これにより、数学的手順および設計手順をさらに複雑になる。しかし、フレネル変換は、フーリエ変換を導く二次位相係数と、シンボルｓを有する電磁場の振幅値および位相値を掛け合わせることによるフーリエ変換から算出することができる。

本発明の好ましい実施形態によると、例えば、電磁放射の一部の所望の分離を最適化し、電磁放射の残りの部分からさらに位相シフトするために、放射のさらなる位相シフトのためのゼロ次回折領域に配置される第１の空間光変調器の領域の形状を、シンボルｓを有する放射の空間周波数成分と実質的にマッチングさせる。
このシステムは、合成された強度パターンの可変スケーリングのためのズーム手段をさらに備えてよい。画像形成システムのズーミングは、動的に制御可能であってもよい。

本発明によると、放射源のパワーは制御可能であってもよい。
本発明の好ましい実施形態において、２つ以上のビームは、微小対象物の捕捉をさらに改良するために、選択された交差角で、互いに交差することができ、好ましくは交点に焦点を有する。例えば、微小対象物が複数のビームの交点で捕捉される場合、個々のビームの合焦要件は緩和される。
ビームは互いに、１８０°の交差角で交差する。すなわちビームは実質的に同一の伝播軸に沿って伝播してもよいが、反対方向に伝播してもよく、実質的に同じであるがわずかに変位した位置に焦点を有することが好ましい。それにより、ビームの伝播軸に沿った顕著な補足力を形成し、好ましくは反対方向に伝播するビームの一致する焦点で、微小対象物を捕捉する。

さらに、交点における、電磁場勾配のような補足力の方向は、個々の電磁ビームのフィールド強度を選択的に制御することによって制御され、それにより捕捉された微小対象物の位置を３次元で制御することができる。
本発明の上記のおよびその他の特徴と利点は、添付の図面を参照して、例示的な実施形態を詳細に説明することにより、当業者にはより明らかになるであろう。

本発明の４ｆ光学システムの実施形態を示す図である。 本発明の１ｆ光学システムの実施形態を示す図である。 本発明の２ｆ光学システムの実施形態を示す図である。 シンボルｓの複素共役フーリエ変換であるＳ＊の例示的な２進位相を示す図である。 図４に示す２進位相でフィルタリングしたことによる、入力における２値振幅シンボルｓの４つの複製と、出力におけるそれらに対応する生成ビームを示す図である。 不活性の第１の光空間変調器を備える逆フーリエ変換面内の、図５の生成された光ビームの１つに沿った光強度の画面ダンプを示す図である。 図６に対応し、活性の第１の光空間変調器を備える画面ダンプを示す図である。

本発明の例示的な実施形態を示す添付の図面を参照して、本発明をより完全に以下に説明する。しかし、本発明は異なる形態で実施することもでき、ここに述べる実施形態に限定されるように構成されるものではない。これらの実施形態はむしろ、本開示が詳細で完全なものとなり、また本発明の範囲を当業者に十分に示すように、提供される。同じ参照番号は、全体を通して、同じ要素を示す。

図１は、４ｆ画像形成システム１を示す。レーザ２は、ビームエキスパンダ３によって均一な強度の平面光波に拡張される光ビームを射出し、その光ビームを第２の空間光変調器４へ導く。第２の空間光変調器４は、図示された実施形態において、入射光を位相および／または振幅および／または偏光変調する。例えば、第２空間光変調器４に示され、図５に詳細に図示された４つの代表的なシンボルＳは、第２空間光生成器４により生成可能である。光ビームは、第２の空間光変調器４およびフーリエ変換レンズ５を透過する。第２の空間光変調器は、レンズ５の前側焦点面に位置し、第１の空間光変調器６は、レンズ５の後側焦点面、つまりレンズ７の前側焦点面に位置する。フーリエ変換レンズ５および７の焦点距離は、同じでなくてもよい。焦点距離が異なると、拡大率が異なる。第１の空間光変調器６は、フーリエ変換された入射電磁放射を、シンボルｓの複素共役フーリエ変換であるＳ^*の位相だけ位相シフトし、さらに入射した放射のゼロ次回折部分８を値θだけ位相シフトする。図示された実施形態において、θはπに等しい。例えば、第１空間光変調器６に示され、図４にさらに詳しく示された代表的な位相パターンは、第１空間光変調器６により生成可能である。なお、零次回折領域における、さらなる位相シフトθは示されない。光ビームは、レンズ７の後側焦点面９（ｘ’，ｙ’）を通り抜け、動的合焦システム１０は、作業体１１上にビームを導く。結果として得られる代表的なビームパターンは作業体１１に描かれる。

光学システムは、コンピュータ１２によって制御される。コンピュータ１２は、第２の空間光変調器４の分解素子をそれぞれアドレス指定し、シンボル変調パターンｓをアドレス指定された分解素子（ｘ，ｙ）に伝送するためのインターフェース手段を備える。コンピュータ１２は、第１の空間光変調器６の分解素子をそれぞれアドレス指定するためのインターフェース手段も備えることができる。

さらに、コンピュータ１２は、レーザ２の出力を制御するためのレーザ制御手段と、動的合焦システム１０の合焦および撮像比を制御するための撮像制御手段を備える。コンピュータ１２は、ユーザから所望の光ビームの位置（ｘ’_s，ｙ’_s）を受け入れるために、キーボード、ディスクドライブ、光ディスクドライブ、ネットワークインターフェース、モデム等のような入力手段をも備える。
場合によっては、第１の空間光変調器６の位相シフトは、コンピュータ１２の任意選択可能な位相制御手段によって調節可能であり、かつ制御可能である。この位相制御手段は、位相シフトを最大コントラストに対して調整するように、すなわち、光ビームの外側で光強度がゼロになるように、さらに構成することができる。

図２は、２ｆ画像形成システム２０を示す。レーザ２１は、ビームエキスパンダ２２によって均一な強度の平面光波に拡張される光ビームを射出し、その光ビームを第２の空間光変調器２３、偏光ビームスプリッタ２４、および四分の一波長板２５へと導く。例えば、第２空間光変調器２３に示され、図５に詳細に図示される４つの代表的なシンボルＳは第２空間光生成器２３によって生成可能である。偏光ビームスプリッタ２４と四分の一波長板２５により、ビームスプリッタを通してビームを両伝送方向に分割することに起因する従来のビームスプリッタに関連したパワー損失なく、特定の線形偏光による光のビーム分割が可能になる。偏光ビームスプリッタ２４および四分の一波長板２５を透過した後、光ビームは、フーリエ変換レンズ２６を透過し、第１の空間光変調器２７から反射する。例えば、第１空間光変調器２７で示され、図４に詳細に示される代表的な位相パターンは、第１空間光変調器２７で生成可能である。なお、図示された実施形態において、さらなる位相シフトθは零次回折領域においてこのパターンに追加される。第２の空間光変調器２３は、レンズ２６の前側焦点面に位置し、第１の空間光変調器２７は、レンズ２６の後側焦点面に位置する。第１の空間光変調器２７は、フーリエ変換された入射電磁放射を、シンボルｓの複素共役フーリエ変換であるＳ^*の位相だけ位相シフトし、さらに第２の空間光変調器２３で符号化された位相または振幅である光のゼロ次回折部分２８を位相シフトする。光ビームは、レンズ２６の後側焦点面２９（ｘ’，ｙ’）を通り抜け、動的合焦システム３０は、作業体３１上にビームを導く。結果として得られる代表的なビームパターンは、作業体３１に描かれる。

図１に示されたシステムについて説明したのと同様に、システム２０は、コンピュータ３２によって制御される。
図３は、１ｆ位相コントラスト画像形成システム４０を示す。レーザ４１は、ビームエキスパンダ４２によって均一な強度の平面光波に拡張される光ビームを射出し、その光ビームを第２の空間光変調器４３へと導く。例えば、第２空間光変調器４３に示され、図５に詳細に示された４つの代表的なシンボルＳは、第２空間光生成器４３により生成可能である。光ビームは、第２の空間光変調器４３と撮像レンズ４４とを透過する。レンズ４４の後側焦点面に位置する第１の空間光変調器４５は、フーリエ変換された入射電磁放射を、シンボルｓの複素共役フーリエ変換であるＳ^*の位相だけ位相シフトする。例えば、第１空間光変調器４５に示され、図４に詳しく描かれた代表的な位相パターンは、第１光変調器４５によって生成可能である。なお、第２の空間光変調器４３で符号化された光の位相および／または振幅および／または偏光のゼロ次回折部分において、この位相パターンに位相シフトθがさらに追加される。光ビームは、レンズ４４の像平面４６を通り抜け、動的合焦システム４７は、作業体４８上にビームを導く。結果として得られる代表的なビームパターンが作業体４８に描かれる。図１に示されたシステムについて説明したのと同様に、システム４０は、コンピュータ４９によって制御される。

図４は、図１のシステムの第１の空間光変調器を構成する固定位相マスクの位相パターンを示す。図示された位相パターンは、黒色の同心環が入射放射を位相シフトしない、すなわち位相シフトがゼロであり、灰色の同心環が入射した放射をπだけ位相シフトする場合の２進位相のパターンである。図示されたパターンは、シンボルｓの複素共役フーリエ変換であるＳ^*の位相−Φ（ｕ，ｖ）である。図１のシステムの物体面に位置するシンボルｓの４つの複製を、図５の上部に図示する。４つの複製は、コヒーレント光源で照射される動的ミラーデバイスによって生成される。すなわち、ｓの複製は、ゼロ位相変調で変調された振幅である。図５の下部は、逆フーリエ面（ｘ’，ｙ’）を通り抜ける、生成されたビームの位置を示す。ｓの振幅パターンは、ビームの外側の領域に対し、ビームの最大コントラストに関して最適化されている。第１の空間光変調器がまた、フーリエ面のゼロ次回折領域で位相シフトされた電磁放射を、πだけ位相シフトすると仮定すると、ｓの同様の位相パターンを、光ビーム強度を高める別の空間光変調器で生成することができる。

図６および図７は、逆フーリエ面における、図５に示す生成された光ビームのうちの一方を横切る光強度の画面ダンプを示す。各画面ダンプの下部は、光ビームの伝播路と直交し、相互に４５°の角度で、延びる４つのトレースを示す。各画面ダンプの上部は、４つのトレースのそれぞれに関する光ビームを横切る光強度を、横に並べて示す。
図６において、第１の空間光変調器のスイッチがオフされることで、図５の２値振幅シンボルの１つの画像が弱まっているのがわかる。

図７において、図４の位相変調は、第１の空間光変調器を構成する空間光変調器を変調する反射位相によって符号化される。それにより、所望の光ビームが、図７の上部ではっきりとわかるように生成される。図７は、非常に明るいビームレットが、図６に示されるシンボルの画像の中心で生成されることを図示している。ビームレットは、画像形成されたシンボルがほとんど見えない図６に示すように、シャッタースピードが同じ値である場合でも、検出器を飽和させる。この実施例は、上述した方法の効果を明確に示している。

Claims (18)

1. 所定のシンボルｓの１組の複製を有する電磁放射を生成するステップであって、所定のシンボルｓは、前記電磁放射の伝播方向に交差する物体面ｏ（ｘ，ｙ）におけるそれぞれの所望の位置（ｘ_s，ｙ_s）に位置し、かつ空間振幅ａ（ｘ−ｘ_s，ｙ−ｙ_s）、空間位相φ（ｘ−ｘ_s，ｙ−ｙ_s）および空間偏光ベクトルｐ（ｘ−ｘ_s，ｙ−ｙ_s）を有するステップと、
   前記電磁放射をフーリエ変換するステップと、
   前記フーリエ変換された電磁放射を、前記シンボルｓの複素共役フーリエ変換であるＳ^*の位相−Φ（ｕ，ｖ）だけ位相シフトするステップと、
   前記空間的に変調された放射を逆フーリエ変換し、それによって所望の位置（ｘ’_s，ｙ’_s）で逆フーリエ面（ｘ’，ｙ’）を通って伝播する１組の光ビームを形成するステップと、
   前記シンボルｓの対応する前記複製の移動によって、光ビームを移動させるステップと
   を含む、１組の光ビームを合成する方法。
2. 前記位相シフトするステップは、前記フーリエ変換された電磁放射に前記シンボルｓの複素共役フーリエ変換であるＳ＊の逆振幅を掛け合わせるステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 位相シフトされた前記電磁放射を、フーリエ面のゼロ次回折領域において、前記逆フーリエ面における強度コントラストを高めるために位相シフト値θだけ位相シフトするステップをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. θは実質的にπに等しい、請求項３に記載の方法。
5. 電磁放射を生成する前記ステップは、第２の空間光変調器の個々の分解素子によって、入射電磁放射の変調をするために前記空間光変調器で実行される、前記請求項のいずれかに記載の方法。
6. 前記第２の空間光変調器は、入射する電磁放射を位相変調および／または振幅変調および／または偏光変調するように構成される、請求項５に記載の方法。
7. 放射源のパワーが制御される、請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
8. 位相シフト値θは、前記逆フーリエ面の少なくとも一部の強度レベルがゼロであるように選択される、請求項２から７のいずれか１つに記載の方法。
9. 前記シンボルｓは、２進符号化シンボルである前記請求項のいずれかに記載の方法。
10. 所定のシンボルｓの１組の複製を有する電磁放射を生成するための光源であって、所定のシンボルｓは、前記電磁放射の伝播方向に交差する物体面ｏ（ｘ，ｙ）におけるそれぞれの所望の位置（ｘ_s，ｙ_s）に位置し、かつ空間振幅ａ（ｘ−ｘ_s，ｙ−ｙ_s）、空間位相φ（ｘ−ｘ_s，ｙ−ｙ_s）および空間偏光ベクトルｐ（ｘ−ｘ_s，ｙ−ｙ_s）を有する光源と、
    前記電磁放射をフーリエ変換するためのフーリエ変換レンズと、
    前記フーリエ変換された電磁放射を、前記シンボルｓの複素共役フーリエ変換であるＳ^*の位相−Φ（ｕ，ｖ）だけ位相シフトするための第１の空間光変調器と、
    前記空間的に変調された放射を逆フーリエ変換し、それによって所望の位置（ｘ’_s，ｙ’_s）で逆フーリエ面（ｘ’，ｙ’）を通って伝播するための１組の光ビームを形成するためのフーリエ変換レンズと、
    対応する光ビームを移動させて、前記シンボルｓの複製の位置を制御するためのコントローラとを備える、１組の光ビームを合成するシステム。
11. 前記第１の空間光変調器は、前記シンボルｓのフーリエ変換であるＳ^*の逆振幅を掛け合わせるようにさらに構成される、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１の空間光変調器は、位相シフトされた前記電磁放射を、フーリエ面のゼロ次回折領域において、前記逆フーリエ面内の強度コントラストを高めるために位相値θだけ位相シフトするようにさらに構成される、請求項１０または１１に記載のシステム。
13. θは実質的にπに等しい、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記光源は、第２の空間光変調器を備え、前記第２の空間光変調器の個々の分解素子によって、入射電磁放射を位相変調および／または振幅変調および／または偏光変調する、請求項１０から１３のいずれか１つに記載のシステム。
15. 前記シンボルｓは、２進符号化シンボルである、請求項１０から１４のいずれか１つに記載のシステム。
16. 前記生成された光ビームのうち少なくとも２つを、選択された交差角度で互いに交差するように配向する光学機器をさらに備える、請求項１から１５のいずれか１つに記載のシステム。
17. 前記生成された光ビームのうち少なくとも２つを、実質的に１８０°で互いに交差するように配向する光学機器をさらに備える請求項１〜１６のいずれか１つに記載のシステム。
18. 交差する光ビームのそれぞれの焦点がわずかにずれている、請求項１６または１７に記載のシステム。

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