JP2013092687A - 光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びレーザ光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光の集光制御を充分な自由度で好適に実現することが可能な光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びレーザ光照射装置を提供する。
【解決手段】 空間光変調器を用いたレーザ光の集光照射の制御において、レーザ光の波長数、各波長の値、及びレーザ光の入射条件を取得し（ステップＳ１０１）、集光点数、及び各集光点での集光位置、波長、集光強度を設定し（Ｓ１０４）、各集光点について、レーザ光に付与する集光制御パターンを設定する（Ｓ１０７）。そして、集光制御パターンを考慮して空間光変調器に呈示する変調パターンを設計する（Ｓ１０８）。また、変調パターンの設計において、１画素での位相値の影響に着目した設計法を用いるとともに、集光点での集光状態を評価する際に、集光制御パターンの逆の位相パターンを加えた伝搬関数を用いる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、空間光変調器に呈示する変調パターンによって、集光点へのレーザ光の集光照射を制御する光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びそれを用いたレーザ光照射装置に関するものである。

レーザ光を所定の集光条件で対象物へと照射するレーザ光照射装置は、例えばレーザ加工装置、あるいは、レーザ光の散乱、反射を観察するレーザ顕微鏡などの様々な光学装置として用いられている。また、このようなレーザ光照射装置において、位相変調型の空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）を用いて、対象物に対するレーザ光の集光照射条件を設定、制御する構成がある。

空間光変調器を用いたレーザ光照射装置では、例えば、数値計算により求められたホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）を空間光変調器に呈示することで、照射対象物に対するレーザ光の集光位置、集光強度、集光形状などの集光照射条件を制御することができる（例えば、特許文献１〜４、非特許文献１〜６参照）。

特開２０１０−５８１２８号公報 特開２０１０−７５９９７号公報 特許第４３００１０１号公報 特開２００５−８４２６６号公報

J. Bengtsson, "Kinoformsdesigned to produce different fan-out patterns for two wavelengths", Appl.Opt. Vol.37 No.11 (1998) pp.2011-2020 Y. Ogura et al.,"Wavelength-multiplexing diffractive phase elements: design, fabrication,and performance evaluation", J. Opt. Soc. Am. A Vol.18 No.5 (2001)pp.1082-1092 N. Yoshikawa et al., "Phaseoptimization of a kinoform by simulated annealing", Appl. Opt. Vol.33 No.5(1994) pp.863-868 N. Yoshikawa et al., "Quantizedphase optimization of two-dimensional Fourier kinoforms by a genetic algorithm",Opt. Lett. Vol.20 No.7 (1995) pp.752-754 J. Leach et al.,"Observation of chromatic effects near a white-light vortex", NewJournal of Physics Vol.5 (2003) pp.154.1-154.7 T. Ando et al., "Mode purities of Laguerre-Gaussian beams generated via complex-amplitudemodulation using phase-only spatial light modulators", Opt. Lett. Vol.34No.1 (2009) pp.34-36 S. W. Hell et al.,"Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission:stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy", Opt. Lett. Vol.19No.11 (1994) pp.780-782 D. Wildanger et al., "ASTED microscope aligned by design", Opt. Express Vol.17 No.18 (2009)pp.16100-16110

上記のように位相変調型の空間光変調器を利用したレーザ光の集光照射では、空間光変調器に呈示する位相パターンにより、任意の集光位置に任意の集光形状でレーザ光を照射することが可能である。例えば、レーザ光を所定位置にリング状の集光形状で照射したい場合、レーザ光を所定位置に集光させる位相分布を与えるように設計されたＣＧＨの位相パターンφ_ＣＧＨと、リング状に集光させるための集光制御パターンφ_ｐａｔとを足し合わせた位相パターンφ_ＳＬＭ
φ_ＳＬＭ＝φ_ＣＧＨ＋φ_ｐａｔ
を空間光変調器に呈示することで、レーザ光の集光照射が実現される。

しかしながら、このような方法では、レーザ光の集光状態の制御についての自由度が充分には得られない場合がある。そのような例として、複数の波長の光成分を含むレーザ光を単一の空間光変調器によって対象物に集光照射する場合、上記した方法では、各波長のレーザ光成分に対して同一の集光制御パターンが作用するため、例えば、レーザ光の集光形状を波長毎に異なる形状に設定するなどの集光条件を実現することができない。

また、上記構成において、レーザ光に作用する位相パターンについては、波長が異なればレーザ光に付与される位相差が変化してしまうため、波長毎に所望の集光制御パターンから変化した位相パターンが付与されてしまうこととなる。このような集光制御の自由度の問題は、複数の波長のレーザ光の集光照射以外の構成においても同様に生じる。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、レーザ光の集光制御を充分な自由度で好適に実現することが可能な光変調制御方法、光変調制御プログラム、光変調制御装置、及びそれを用いたレーザ光照射装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による光変調制御方法は、（１）レーザ光を入力し、レーザ光の位相を変調して、位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器を用い、空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定された集光点へのレーザ光の集光照射を制御する光変調制御方法であって、（２）レーザ光の照射条件として、空間光変調器へと入力するレーザ光の波長の個数ｘ_ｔ（ｘ_ｔは１以上の整数）、ｘ_ｔ個の波長λ_ｘ（ｘ＝１，…，ｘ_ｔ）、及び空間光変調器への各波長λ_ｘのレーザ光の入射条件を取得する照射条件取得ステップと、（３）レーザ光の集光条件として、空間光変調器からのレーザ光を集光照射する集光点の個数ｓ_ｔ（ｓ_ｔは１以上の整数）、及びｓ_ｔ個の集光点ｓ（ｓ＝１，…，ｓ_ｔ）のそれぞれについての集光位置、集光させるレーザ光の波長λ_ｘ、集光強度を設定する集光条件設定ステップと、（４）ｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについて、波長λ_ｘのレーザ光に対して付与する位相パターンとして、その集光状態を制御する集光制御パターンを設定する制御パターン設定ステップと、（５）制御パターン設定ステップで設定された集光制御パターンを考慮して、空間光変調器に呈示する変調パターンを設計する変調パターン設計ステップとを備え、（６）変調パターン設計ステップは、空間光変調器において２次元配列された複数の画素を想定し、複数の画素に呈示する変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を変調パターンの全ての画素について行うことで変調パターンを設計するとともに、集光点での集光状態を評価する際に、空間光変調器の変調パターンにおける画素ｊから集光点ｓへの波長λ_ｘの光の伝搬について、制御パターン設定ステップで設定された集光制御パターンφ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}の逆の位相パターンを波動伝搬関数φ_ｊｓ，ｘに加えた伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’
φ_ｊｓ，ｘ’＝φ_ｊｓ，ｘ−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}
を用いることを特徴とする。

また、本発明による光変調制御プログラムは、（１）レーザ光を入力し、レーザ光の位相を変調して、位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器を用い、空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定された集光点へのレーザ光の集光照射を制御する光変調制御をコンピュータに実行させるための制御プログラムであって、（２）レーザ光の照射条件として、空間光変調器へと入力するレーザ光の波長の個数ｘ_ｔ（ｘ_ｔは１以上の整数）、ｘ_ｔ個の波長λ_ｘ（ｘ＝１，…，ｘ_ｔ）、及び空間光変調器への各波長λ_ｘのレーザ光の入射条件を取得する照射条件取得処理と、（３）レーザ光の集光条件として、空間光変調器からのレーザ光を集光照射する集光点の個数ｓ_ｔ（ｓ_ｔは１以上の整数）、及びｓ_ｔ個の集光点ｓ（ｓ＝１，…，ｓ_ｔ）のそれぞれについての集光位置、集光させるレーザ光の波長λ_ｘ、集光強度を設定する集光条件設定処理と、（４）ｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについて、波長λ_ｘのレーザ光に対して付与する位相パターンとして、その集光状態を制御する集光制御パターンを設定する制御パターン設定処理と、（５）制御パターン設定処理で設定された集光制御パターンを考慮して、空間光変調器に呈示する変調パターンを設計する変調パターン設計処理とをコンピュータに実行させ、（６）変調パターン設計処理は、空間光変調器において２次元配列された複数の画素を想定し、複数の画素に呈示する変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を変調パターンの全ての画素について行うことで変調パターンを設計するとともに、集光点での集光状態を評価する際に、空間光変調器の変調パターンにおける画素ｊから集光点ｓへの波長λ_ｘの光の伝搬について、制御パターン設定処理で設定された集光制御パターンφ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}の逆の位相パターンを波動伝搬関数φ_ｊｓ，ｘに加えた伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’
φ_ｊｓ，ｘ’＝φ_ｊｓ，ｘ−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}
を用いることを特徴とする。

また、本発明による光変調制御装置は、（１）レーザ光を入力し、レーザ光の位相を変調して、位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器を用い、空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定された集光点へのレーザ光の集光照射を制御する光変調制御装置であって、（２）レーザ光の照射条件として、空間光変調器へと入力するレーザ光の波長の個数ｘ_ｔ（ｘ_ｔは１以上の整数）、ｘ_ｔ個の波長λ_ｘ（ｘ＝１，…，ｘ_ｔ）、及び空間光変調器への各波長λ_ｘのレーザ光の入射条件を取得する照射条件取得手段と、（３）レーザ光の集光条件として、空間光変調器からのレーザ光を集光照射する集光点の個数ｓ_ｔ（ｓ_ｔは１以上の整数）、及びｓ_ｔ個の集光点ｓ（ｓ＝１，…，ｓ_ｔ）のそれぞれについての集光位置、集光させるレーザ光の波長λ_ｘ、集光強度を設定する集光条件設定手段と、（４）ｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについて、波長λ_ｘのレーザ光に対して付与する位相パターンとして、その集光状態を制御する集光制御パターンを設定する制御パターン設定手段と、（５）制御パターン設定手段で設定された集光制御パターンを考慮して、空間光変調器に呈示する変調パターンを設計する変調パターン設計手段とを備え、（６）変調パターン設計手段は、空間光変調器において２次元配列された複数の画素を想定し、複数の画素に呈示する変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を変調パターンの全ての画素について行うことで変調パターンを設計するとともに、集光点での集光状態を評価する際に、空間光変調器の変調パターンにおける画素ｊから集光点ｓへの波長λ_ｘの光の伝搬について、制御パターン設定手段で設定された集光制御パターンφ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}の逆の位相パターンを波動伝搬関数φ_ｊｓ，ｘに加えた伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’
φ_ｊｓ，ｘ’＝φ_ｊｓ，ｘ−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}
を用いることを特徴とする。

上記した光変調制御方法、制御プログラム、及び制御装置においては、空間光変調器を用いた集光点へのレーザ光の集光照射について、レーザ光の波長数ｘ_ｔ、波長λ_ｘの値、及び各波長λ_ｘのレーザ光の空間光変調器への入射条件（例えば入射振幅、入射位相）の情報を取得するとともに、レーザ光の集光点数ｓ_ｔ、及び各集光点ｓでの集光位置、集光させるレーザ光の波長λ_ｘ、集光強度を含む集光条件を設定する。そして、各集光点ｓについて、波長λ_ｘのレーザ光に対して付与する集光制御用の位相パターンを設定し、その集光制御パターンを考慮して変調パターンを設計する。これにより、各集光点ｓに集光される波長λ_ｘのレーザ光の集光照射条件を好適に制御することができる。

さらに、変調パターンの設計について、具体的に、空間光変調器において複数の画素による画素構造を想定する。そして、変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点ｓにおけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目した設計方法を用いるとともに、波長λ_ｘのレーザ光の集光状態の評価において、空間光変調器の画素ｊから集光点ｓへの伝搬関数φ_ｊｓ，ｘをそのまま用いるのではなく、集光制御パターンφ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}の逆の位相パターンを加えた伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’を用いて集光状態を評価している。

このような構成によれば、各集光点ｓ、波長λ_ｘに対して設定された集光制御パターンを、最終的に得られる変調パターンに確実に反映させて、レーザ光の集光制御を充分な自由度で好適に実現することが可能となる。なお、空間光変調器として、２次元配列された複数の画素を有する空間光変調器を用いる場合には、その画素構造をそのまま、変調パターンの設計に適用することができる。

ここで、上記した光変調制御方法、制御プログラム、及び制御装置では、照射条件の取得において、レーザ光の波長の個数ｘ_ｔを複数個として設定する構成を用いることができる。上記したように、集光制御パターンの逆の位相パターンを加えた伝搬関数を用いて変調パターンを設計する方法は、このように複数の波長成分を含むレーザ光の集光照射条件の制御において、特に有効である。

また、上記のように複数の波長成分を含むレーザ光の集光照射を行う場合、光変調制御方法、制御プログラム、及び制御装置は、変調パターンの設計において、空間光変調器における屈折率の波長分散を考慮して変調パターンを設計する構成を用いることができる。これにより、各集光点ｓにおける波長λ_ｘのレーザ光の集光照射条件を、互いに異なる各波長λ_ｘについて、より精度良く制御することができる。

また、光変調制御方法、制御プログラム、及び制御装置は、変調パターンの設計において、空間光変調器の画素ｊへの波長λ_ｘのレーザ光の入射振幅をＡ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}、位相をφ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}、画素ｊでの波長λ_ｘのレーザ光に対する位相値をφ_ｊ，ｘとして、下記式
Ｕ_ｓ，ｘ＝Ａ_ｓ，ｘｅｘｐ（ｉφ_ｓ，ｘ）
＝Σ_ｊＡ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}ｅｘｐ（ｉφ_ｊｓ，ｘ’）
×ｅｘｐ（ｉ（φ_ｊ，ｘ＋φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}））
によって、集光点ｓにおける波長λ_ｘのレーザ光の集光状態を示す複素振幅を求める構成を用いることができる。これにより、集光点ｓにおけるレーザ光の集光状態を好適に評価することができる。

変調パターンの設計における具体的な構成については、変調パターンの画素ｊでの位相値の変更において、集光点ｓにおける波長λ_ｘのレーザ光の集光状態を示す複素振幅の位相φ_ｓ，ｘ、伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’、画素ｊでの変更前の位相値φ_ｊ，ｘ、及びレーザ光の入射位相φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}に基づいて解析的に求められた値によって、位相値を変更する構成を用いることができる。このように解析的に位相値を更新する設計方法としては、例えばＯＲＡ（Optimal Rotation Angle）法がある。

あるいは、変調パターンの設計について、変調パターンの画素ｊでの位相値の変更において、山登り法、焼きなまし法、または遺伝的アルゴリズムのいずれかの方法を用いて探索で求められた値によって、位相値を変更する構成を用いても良い。

また、光変調制御装置は、空間光変調器を駆動制御して、変調パターン設計手段によって設計された変調パターンを空間光変調器に呈示する光変調器駆動制御手段を備える構成としても良い。また、このような光変調器駆動制御手段については、変調パターンの設計を行う光変調制御装置とは別装置として設けられる構成としても良い。

本発明によるレーザ光照射装置は、（ａ）ｘ_ｔ個（ｘ_ｔは１以上の整数）の波長λ_ｘのレーザ光を供給するレーザ光源と、（ｂ）レーザ光を入力し、レーザ光の位相を変調して、位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器と、（ｃ）空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定されたｓ_ｔ個（ｓ_ｔは１以上の整数）の集光点ｓへの各波長λ_ｘのレーザ光の集光照射を制御する上記構成の光変調制御装置とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、光変調制御装置によって、各集光点ｓ、波長λ_ｘに対して設定された集光制御パターンを最終的に得られる変調パターンに確実に反映させることで、レーザ光の集光制御を充分な自由度で好適に実現して、照射対象物で設定された集光点ｓに対するレーザ光の集光照射、及びそれによる対象物の加工、観察等の操作を好適に実現することが可能となる。このようなレーザ光照射装置は、例えばレーザ加工装置、レーザ顕微鏡などとして用いることができる。なお、空間光変調器としては、２次元配列された複数の画素を有し、複数の画素それぞれにおいてレーザ光の位相を変調する構成の空間光変調器を用いることが好ましい。

本発明の光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びそれを用いたレーザ光照射装置によれば、空間光変調器を用いた集光点へのレーザ光の集光照射について、レーザ光の波長数、波長の値、及び各波長のレーザ光の空間光変調器への入射条件を取得し、レーザ光の集光点数、及び各集光点での集光位置、集光させるレーザ光の波長、集光強度を設定し、各集光点について、集光させる波長のレーザ光に対して付与する集光制御パターンを設定し、その集光制御パターンを考慮して変調パターンを設計するとともに、変調パターンの設計において、変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点でのレーザ光の集光状態に与える影響に着目した設計方法を用い、レーザ光の集光状態の評価において、集光制御パターンの逆の位相パターンを加えた波動伝搬関数を用いることにより、レーザ光の集光制御を充分な自由度で好適に実現することが可能となる。

レーザ光照射装置の一実施形態の構成を示す図である。 光変調制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 光変調制御方法の一例を示すフローチャートである。 変調パターンの設計方法の一例を示すフローチャートである。 確認実験に用いたレーザ光照射装置の構成を示す図である。 空間光変調器における集光制御パターンの一例を示す図である。 レーザ光照射装置によるレーザ光の集光制御の一例を示す図である。 変調パターンの設計方法の他の例を示すフローチャートである。

以下、図面とともに本発明による光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びレーザ光照射装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

まず、光変調制御の対象となる、空間光変調器を含むレーザ光照射装置の基本的な構成について、その構成例とともに説明する。図１は、光変調制御装置を含むレーザ光照射装置の一実施形態の構成を示す図である。本実施形態によるレーザ光照射装置１Ａは、照射対象物４２に対してレーザ光を集光照射する装置であって、レーザ光源ユニット１０と、空間光変調器２０と、可動ステージ４０とを備えている。

図１に示す構成において、照射対象物４２は、Ｘ方向、Ｙ方向（水平方向）、及びＺ方向（垂直方向）に移動可能に構成された可動ステージ４０上に載置されている。また、本装置１Ａでは、この照射対象物４２に対して観察、加工等を行うための集光点が所定位置に設定され、その集光点に対してレーザ光の集光照射が行われる。

レーザ光源ユニット１０は、ｘ_ｔ個（ｘ_ｔは１以上の整数）の波長λ_ｘのレーザ光（λ_ｘ＝λ_１，…，λ_ｘｔ）を供給するレーザ光源として機能している。本実施形態では、レーザ光の波長の個数はｘ_ｔ＝２に設定されている。また、この波長数に対応して、レーザ光源ユニット１０は、波長λ_１のレーザ光を供給する第１レーザ光源１１と、波長λ_２のレーザ光を供給する第２レーザ光源１２とによって構成されている。

レーザ光源１１からの波長λ_１のレーザ光は、ビームエキスパンダ１３によって広げられた後、ダイクロイックミラー１５を透過する。また、レーザ光源１２からの波長λ_２のレーザ光は、ビームエキスパンダ１４によって広げられ、ミラー１６によって反射された後、ダイクロイックミラー１５によって反射される。これにより、ダイクロイックミラー１５においてレーザ光源１１、１２からの光ビームが合波されて、波長λ_１、λ_２の波長成分を含むレーザ光となる。ダイクロイックミラー１５からのレーザ光は、プリズム１８の第１反射面１８ａを介して、空間光変調器（ＳＬＭ）２０へと入力される。

空間光変調器２０は、位相変調型の空間光変調器であり、例えばその２次元の変調面の各部においてレーザ光の位相を変調して、位相変調後のレーザ光を出力する。ここで、空間光変調器２０に入力されるレーザ光の位相をφ_ｉｎ、空間光変調器２０において付与される位相値をφ_ＳＬＭとすると、出力されるレーザ光の位相φ_ｏｕｔは、
φ_ｏｕｔ＝φ_ＳＬＭ＋φ_ｉｎ
となる。

この空間光変調器２０としては、好ましくは、２次元配列された複数の画素を有し、複数の画素それぞれにおいてレーザ光の位相を変調する空間光変調器が用いられる。このような構成において、空間光変調器２０には例えばＣＧＨなどの変調パターンが呈示され、この変調パターンによって、設定された集光点へのレーザ光の集光照射が制御される。また、空間光変調器２０は、光変調器駆動装置２８を介して、光変調制御装置３０によって駆動制御されている。光変調制御装置３０の具体的な構成等については後述する。また、空間光変調器２０としては、上記した画素構造を有していないものを用いても良い。

この空間光変調器２０は、反射型のものであってもよいし、透過型のものであってもよい。図１では、空間光変調器２０として反射型のものが示されている。また、空間光変調器２０としては、屈折率変化材料型ＳＬＭ（例えば液晶を用いたものでは、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型、ＬＣＤ（LiquidCrystal Display））、Ｓｅｇｍｅｎｔ Ｍｉｒｒｏｒ型ＳＬＭ、Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｍｉｒｒｏｒ型ＳＬＭ、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）などが挙げられる。なお、ＤＯＥには、離散的に位相を表現したもの、あるいは後述する方法を用いてパターンを設計し、スムージングなどにより連続的なパターンに変換したものが含まれる。

変調パターンとして設計されたＣＧＨは、空間光変調器２０の構成に応じて、例えば、電子ビーム露光とエッチングとを用いてＤＯＥにて表現する、あるいは、位相パターンを電圧分布に変えて画素構造を有するＳＬＭに表示することが行われる。なお、複数波長のレーザ光を１つのＳＬＭで変調する場合には、従来例では、固定パターンとして利用できるＤＯＥが主に用いられている。

空間光変調器２０で所定のパターンに位相変調されて出力された波長λ_１、λ_２の波長成分を含むレーザ光は、プリズム１８の第２反射面１８ｂで反射され、ミラー２１、及びレンズ２２、２３から構成される４ｆ光学系によって、単一のレンズまたは複数のレンズからなる対物レンズ２５へと伝搬される。そして、この対物レンズ２５によって、ステージ４０上の照射対象物４２の表面または内部に設定された単一または複数の集光点にレーザ光が集光照射される。

また、本実施形態のレーザ光照射装置１Ａは、上記構成に加えて、検出部４５と、レンズ４６と、ダイクロイックミラー４７とをさらに備えている。ダイクロイックミラー４７は、レーザ光照射光学系において、４ｆ光学系を構成しているレンズ２３と、対物レンズ２５との間に設けられている。また、ダイクロイックミラー４７で反射された照射対象物４２からの光は、レンズ４６を介して検出部４５に入射する構成となっている。

これにより、図１のレーザ光照射装置１Ａは、照射対象物４２である観察試料にレーザ光を照射し、検出部４５によって試料からの反射光、散乱光、あるいは蛍光等の観察を行うレーザスキャニング顕微鏡として構成されている。なお、試料に対するレーザスキャンについては、図１では可動ステージ４０によって照射対象物４２を移動させる構成としているが、例えばこのステージを固定とし、光学系側に可動機構、ガルバノミラー等を設ける構成としても良い。また、レーザ光源１１、１２としては、例えばフェムト秒レーザ光源など、パルスレーザ光を供給するパルスレーザ光源を用いることが好ましい。また、レーザ光源１１、１２として、ＣＷ（Continuous Wave）レーザ光源を用いても良い。

また、レーザ光照射装置１Ａにおける光学系の構成については、具体的には図１に示した構成に限らず、様々な構成を用いることが可能である。例えば、図１では、ビームエキスパンダ１３、１４によってレーザ光を広げる構成としているが、スペイシャルフィルタとコリメートレンズとの組合せを用いる構成としても良い。また、駆動装置２８については、空間光変調器２０と一体に設けられる構成としても良い。また、レンズ２２、２３による４ｆ光学系については、一般には、複数のレンズで構成された両側テレセントリック光学系を用いることが好ましい。

また、レーザ光の供給に用いられるレーザ光源ユニット１０については、それぞれ波長λ_１、λ_２のレーザ光を出力するレーザ光源１１、１２による構成を例示しているが、レーザ光源の構成については、具体的には様々な構成を用いて良い。例えば、レーザ光の波長数ｘ_ｔについては、３以上に設定しても良い。また、レーザ光を単一波長（ｘ_ｔ＝１）として、単一のレーザ光源を用いても良い。

また、上記実施形態では、細胞観察等に用いられるレーザスキャニング顕微鏡の構成を例示しているが、本レーザ光照射装置は、レーザスキャニング顕微鏡などのレーザ顕微鏡以外にも、例えば、照射対象物４２に対するレーザ光の集光照射によって対象物４２の内部のレーザ加工を行うレーザ加工装置など、様々な装置に適用することが可能である。また、レーザ光の集光照射によって対象物４２の加工を行う場合、その例としては、ガラスの内部加工による光集積回路の作製等があるが、対象物４２の材質については、ガラス媒体に限らず、例えばシリコン内部やＳｉＣなど様々な材質を加工対象とすることが可能である。上記構成では、単一波長でのレーザ加工、あるいは複数波長同時でのレーザ加工等が実現可能である。

図１に示すレーザ光照射装置１Ａでは、２波長λ_１、λ_２の光成分を含むレーザ光を、単一の空間光変調器２０を介して対象物４２に集光照射する構成を例示している。このような構成においては、従来の光変調制御方法では、レーザ光の各波長成分に対して空間光変調器２０に呈示された同一の集光制御パターンが作用するため、例えば、レーザ光の集光形状を波長毎に異なる形状に設定することができないなど、集光制御の自由度が充分に得られない場合がある。また、このような集光制御の自由度の問題は、複数の波長のレーザ光の集光照射以外の構成においても生じる場合がある。

これに対して、図１のレーザ光照射装置１Ａは、駆動装置２８を介して空間光変調器２０に呈示する変調パターンのＣＧＨを、光変調制御装置３０において適切に設定することで、集光制御の自由度を大きくして、集光点におけるレーザ光の集光照射条件を好適に制御するものである。また、本実施形態によるレーザ光照射装置１Ａ及び光変調制御装置３０によれば、後述するように、複数の波長のレーザ光の集光照射を行う場合でも、各波長のレーザ光の集光照射条件の制御を好適に実現することが可能である。

図２は、図１に示したレーザ光照射装置１Ａに適用される、光変調制御装置３０の構成の一例を示すブロック図である。本構成例による光変調制御装置３０は、照射条件取得部３１と、集光条件設定部３２と、集光制御パターン設定部３３と、変調パターン設計部３４と、光変調器駆動制御部３５とを有して構成されている。なお、このような光変調制御装置３０は、例えばコンピュータによって構成することができる。また、この制御装置３０には、光変調制御について必要な情報、指示等の入力に用いられる入力装置３７、及び操作者に対する情報の表示に用いられる表示装置３８が接続されている。

照射条件取得部３１は、照射対象物４２に対するレーザ光の照射条件に関する情報を取得する照射条件取得手段である。具体的には、照射条件取得部３１は、レーザ光の照射条件として、空間光変調器２０へと入力するレーザ光の波長の個数ｘ_ｔ（図１に示した例ではｘ_ｔ＝２）、ｘ_ｔ個の波長λ_ｘ（ｘ＝１，…，ｘ_ｔ）のそれぞれの値、及び空間光変調器２０への各波長λ_ｘのレーザ光の入射条件（例えば入射強度分布、入射位相分布）を取得する（照射条件取得ステップ）。波長数ｘ_ｔは、１以上の整数として設定され、また、複数波長同時照射の場合には２以上の整数として設定される。

集光条件設定部３２は、照射対象物４２に対するレーザ光の集光条件を設定する集光条件設定手段である。具体的には、集光条件設定部３２は、レーザ光の集光条件として、空間光変調器２０から出力されたレーザ光を集光照射する集光点の個数ｓ_ｔ、及びｓ_ｔ個の集光点ｓ（ｓ＝１，…，ｓ_ｔ）のそれぞれについての集光位置、集光させるレーザ光の波長λ_ｘ、集光強度を設定する（集光条件設定ステップ）。集光点数ｓ_ｔは、１以上の整数として設定され、また、多点同時照射の場合には２以上の整数として設定される。

なお、取得部３１による照射条件の取得、及び設定部３２による集光条件の設定は、光変調制御装置３０にあらかじめ用意された情報、入力装置３７から入力される情報、あるいは外部装置から供給される情報等に基づいて、自動で、もしくは操作者により手動で行われる。

制御パターン設定部３３は、ｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについて、波長λ_ｘのレーザ光に対して付与する位相パターンとして、その集光状態を制御する集光制御パターンを設定する制御パターン設定手段である。ここでは、例えば、集光点ｓにおいて波長λ_ｘのレーザ光を所望の集光パターン（強度分布パターン）で集光照射したい場合、その集光パターンに対応する位相パターンを設定する（制御パターン設定ステップ）。この集光制御用の位相パターンの設定は、各集光点、各波長について必要に応じて行われる。

変調パターン設計部３４は、制御パターン設定部３３で設定された集光制御パターンを考慮して、空間光変調器２０に呈示する変調パターンとなるＣＧＨを設計する変調パターン設計手段である。具体的には、変調パターン設計部３４は、取得部３１で取得された照射条件、設定部３２で設定された集光条件、及び設定部３３で設定された集光制御パターンを参照し、それらの条件に基づいて、所望の集光点へと所望の波長のレーザ光を集光照射させる変調パターンを設計する（変調パターン設計ステップ）。

特に、本実施形態における変調パターン設計部３４では、空間光変調器２０に呈示する変調パターンの設計において、空間光変調器２０について２次元配列された複数の画素を想定するとともに、複数の画素に呈示する変調パターンの１画素（空間光変調器２０において想定された１画素、空間光変調器２０が２次元配列の複数の画素による画素構造を有する場合には、その１画素に対応）での位相値の変更が集光点ｓにおけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目した設計方法を用いる。そして、その集光状態が所望の状態に近づくように１画素の位相値を変更するとともに、そのような位相値の変更操作を変調パターンの全ての画素（少なくとも光が入射する全ての画素）について行うことで最適な変調パターンを設計する。

また、この変調パターン設計部３４では、上記した各画素での位相値の変更操作において、集光点でのレーザ光の集光状態を評価する際に、空間光変調器２０の変調パターンにおける画素ｊから集光点ｓへの波長λ_ｘの光の伝搬について、波動伝搬関数φ_ｊｓ，ｘをそのまま用いるのではなく、伝搬関数φ_ｊｓ，ｘに対して、制御パターン設定部３３で設定された集光制御パターンφ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}の逆の位相パターンを加えた、下記式で与えられる伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’
φ_ｊｓ，ｘ’＝φ_ｊｓ，ｘ−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}
を用いる。これにより、各集光点、各波長に対して設定された集光制御パターンが、変調パターン、及びそれによるレーザ光の集光照射条件に反映される。

光変調器駆動制御部３５は、駆動装置２８を介して空間光変調器２０を駆動制御して、変調パターン設計部３４によって設計された変調パターンを空間光変調器２０の複数の画素に呈示する駆動制御手段である。このような駆動制御部３５は、光変調制御装置３０がレーザ光照射装置１Ａに含まれている場合に、必要に応じて設けられる。

図２に示した光変調制御装置３０において実行される制御方法に対応する処理は、光変調制御をコンピュータに実行させるための光変調制御プログラムによって実現することが可能である。例えば、光変調制御装置３０は、光変調制御の処理に必要な各ソフトウェアプログラムを動作させるＣＰＵと、上記ソフトウェアプログラムなどが記憶されるＲＯＭと、プログラム実行中に一時的にデータが記憶されるＲＡＭとによって構成することができる。このような構成において、ＣＰＵによって所定の制御プログラムを実行することにより、上記した光変調制御装置３０を実現することができる。

また、空間光変調器２０を用いた光変調制御、特に、空間光変調器２０に呈示する変調パターンの設計のための各処理をＣＰＵによって実行させるための上記プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録して頒布することが可能である。このような記録媒体には、例えば、ハードディスク及びフレキシブルディスクなどの磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ及びＤＶＤ−ＲＯＭなどの光学媒体、フロプティカルディスクなどの磁気光学媒体、あるいはプログラム命令を実行または格納するように特別に配置された、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ、及び半導体不揮発性メモリなどのハードウェアデバイスなどが含まれる。

本実施形態による光変調制御方法、光変調制御プログラム、光変調制御装置３０、及びレーザ光照射装置１Ａの効果について説明する。

図１、図２に示した光変調制御方法、制御プログラム、及び制御装置３０においては、空間光変調器２０を用いたレーザ光の集光照射について、レーザ光の波長数ｘ_ｔ、ｘ_ｔ個の波長λ_ｘのそれぞれの値、及び各波長λ_ｘのレーザ光の空間光変調器２０への入射条件（例えば入射振幅、入射位相）の情報を取得するとともに、レーザ光の集光点数ｓ_ｔ、及び各集光点ｓでの集光位置、集光させるレーザ光の波長λ_ｘ、集光強度を含む集光条件を設定する。そして、制御パターン設定部３３において、各集光点ｓについて、波長λ_ｘのレーザ光に対して付与する集光制御用の位相パターンを設定するとともに、変調パターン設計部３４において、その集光制御パターンを考慮して変調パターンを設計する。これにより、各集光点ｓに集光される波長λ_ｘのレーザ光の集光照射条件を、それぞれ好適に制御することができる。

さらに、このような構成での変調パターンの設計について、具体的に、空間光変調器２０において、２次元配列された複数の画素による画素構造を想定する。そして、変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点ｓにおけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目した設計方法を用いるとともに、波長λ_ｘのレーザ光の集光状態の評価において、空間光変調器の画素ｊから集光点ｓへの伝搬関数φ_ｊｓ，ｘをそのまま用いるのではなく、集光制御パターンφ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}の逆の位相パターンを加えた伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’を用いて集光状態を評価している。

このような構成によれば、各集光点ｓ、波長λ_ｘに対して設定された集光制御パターンを、最終的に得られる変調パターンにそれぞれ確実に反映させて、レーザ光の集光制御を充分な自由度で好適に実現することが可能となる。なお、空間光変調器２０において想定される画素構造については、空間光変調器２０として、２次元配列された複数の画素を有する空間光変調器を用いる場合には、その画素構造をそのまま、変調パターンの設計に適用することができる。

また、図１に示したレーザ光照射装置１Ａでは、ｘ_ｔ個の波長λ_ｘのレーザ光を供給するレーザ光源として機能するレーザ光源ユニット１０と、位相変調型の空間光変調器２０と、上記構成の光変調制御装置３０とを用いてレーザ光照射装置１Ａを構成している。このような構成によれば、制御装置３０によって、各集光点ｓ、波長λ_ｘに対して設定された集光制御パターンを最終的に得られる変調パターンに確実に反映させることで、レーザ光の集光制御を充分な自由度で好適に実現して、照射対象物４２で設定された集光点ｓに対するレーザ光の集光照射、及びそれによる対象物４２の加工、観察等の操作を好適に実現することが可能となる。また、このようなレーザ光照射装置は、上記したように、例えばレーザ加工装置、レーザ顕微鏡などとして用いることができる。

ここで、集光制御パターンの逆の位相パターンの伝搬関数への適用について簡単に説明する。空間光変調器（ＳＬＭ）上のある画素ｊに到達したレーザ光は、ＳＬＭにて位相変調され、さらに伝搬して、ある集光点ｓに到達する。画素ｊから集光点ｓへの光の伝搬を表す波動伝搬関数に集光制御パターンの逆の位相パターンを付与した場合、理想的な伝搬とは異なる伝搬となるため、そのままでは所望の集光点ｓに光は到達しない。

所望の集光点ｓに光を到達させるためには、伝搬関数に付与された集光制御パターンの逆の位相パターンを打ち消さなければならない。そのために、逆の位相パターンを打ち消す集光制御パターンが与えられることとなる。これにより、ＣＧＨの設計時に、伝搬関数にわざと集光制御パターンの逆の位相パターンを加えることで、集光制御パターンが組み込まれたＣＧＨを設計することができる。

また、このような構成において、例えば複数波長のレーザ光の集光制御を考えると、波長毎に集光制御パターンを変えれば、逆の位相パターンが付与される伝搬関数が波長毎に異なることとなる。したがって、集光制御パターンの逆の位相パターンを与えた伝搬関数を用いた波長の光には、それを打ち消す集光制御パターンが加わり、一方、例えば理想的な伝搬関数を用いた波長の光は、位相パターンの影響を受けずに集光する。

上記構成の光変調制御装置３０、及びレーザ光照射装置１Ａにおいて、取得部３１での照射条件の取得については、レーザ光の波長の個数ｘ_ｔを複数個として設定する構成を用いることができる。上記したように、集光制御パターンの逆の位相パターンを加えた伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’を用いて変調パターンを設計する方法は、このように複数の波長λ_１，λ_２，…，λ_ｘｔの光成分を含むレーザ光の集光照射条件の制御において、波長毎に集光照射条件を制御できるなどの点で特に有効である。

また、上記のように複数の波長成分を含むレーザ光の集光照射を行う場合、設計部３４での変調パターンの設計において、空間光変調器２０における屈折率の波長分散を考慮して変調パターンを設計する構成を用いることができる。これにより、各集光点ｓにおける波長λ_ｘのレーザ光の集光照射条件を、互いに異なる各波長λ_ｘについて、より精度良く制御することができる。

また、設計部３４での変調パターンの設計については、空間光変調器２０の画素ｊへの波長λ_ｘのレーザ光の入射振幅をＡ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}、位相をφ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}、画素ｊでの波長λ_ｘのレーザ光に対する位相値をφ_ｊ，ｘとして、下記式
Ｕ_ｓ，ｘ＝Ａ_ｓ，ｘｅｘｐ（ｉφ_ｓ，ｘ）
＝Σ_ｊＡ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}ｅｘｐ（ｉφ_ｊｓ，ｘ’）
×ｅｘｐ（ｉ（φ_ｊ，ｘ＋φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}））
によって、集光点ｓにおける波長λ_ｘのレーザ光の集光状態を示す複素振幅Ｕ_ｓ，ｘを求めることが好ましい。これにより、集光点ｓにおける各波長λ_ｘのレーザ光の集光状態を好適に評価することができる。

ここで、画素ｊへの波長λ_ｘのレーザ光の入射振幅Ａ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}は、入射強度Ｉ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}に対して、
Ｉ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}＝｜Ａ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}｜^２
の関係にある。また、複素振幅Ｕ_ｓ，ｘにおいて、Ａ_ｓ，ｘは振幅、φ_ｓ，ｘは位相である。また、空間光変調器２０に入射するレーザ光が平面波の場合には、入射位相φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}は無視することができる。

また、上記の式より、伝搬後の集光点ｓにおける複素振幅Ｕ_ｓ，ｘは、各画素ｊの複素振幅に伝搬関数をかけたものの総和であり、その振幅Ａ_ｓ，ｘは変調パターンの１画素毎に独立して影響を受けると考えられる。すなわち、ＳＬＭに呈示される変調パターンの１画素毎の位相値を変化させることにより、振幅Ａ_ｓ，ｘを変化させることができる。このことを利用すれば、上述した１画素での位相値の変更の影響に着目した設計方法により、変調パターンに用いるＣＧＨを好適に設計することができる。

変調パターンの設計における具体的な構成については、変調パターンの画素ｊでの位相値の変更において、集光点ｓにおける波長λ_ｘのレーザ光の集光状態を示す複素振幅の位相φ_ｓ，ｘ、伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’、画素ｊでの変更前の位相値φ_ｊ，ｘ、及びレーザ光の入射位相φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}に基づいて解析的に求められた値によって、位相値を変更する構成を用いることができる。このように解析的に位相値を更新する設計方法としては、例えばＯＲＡ（Optimal Rotation Angle）法がある。

あるいは、変調パターンの設計について、変調パターンの画素ｊでの位相値の変更において、山登り法、焼きなまし法、または遺伝的アルゴリズムのいずれかの方法を用いて探索で求められた値によって、位相値を変更する構成を用いても良い。ここで、遺伝的アルゴリズムでは、ある１画素を選んでその画素の値を変更する突然変異、また、２画素を選んでその画素の値を交換する交叉などの操作が行われるが、上記した変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目した設計方法は、このような操作を行う方法を含むものとする。なお、変調パターンの設計手法については、具体的には後述する。

また、図２に示した光変調制御装置３０においては、変調パターンを設計するための構成に加えて、空間光変調器２０を駆動制御して、設計部３４によって設計された変調パターンを空間光変調器２０に呈示する光変調器駆動制御部３５を設けている。このような構成は、図１に示したように、制御装置３０をレーザ光照射装置１Ａに組み込んだ形で用いる場合に有効である。また、このような駆動制御部３５については、光変調制御装置３０とは別装置として設けられる構成としても良い。

また、例えばレーザ光照射によってガラス媒体を加工して光集積回路を作製するような場合には、１回または複数回のレーザ光照射の後に新たな１枚または複数枚のＣＧＨの設計を行って、空間光変調器２０に呈示する変調パターンを切り換えても良い。あるいは、加工内容が決まっている場合には、レーザ加工に必要な複数の変調パターンをあらかじめ設計しておいても良い。また、ＤＯＥを単独に用いる場合には、ＤＯＥは静的なパターンであるので駆動装置は無くても良い。また、複数個のＤＯＥを用いて動的にパターンの切り替えを行う場合には、駆動装置の代わりに切替装置が用いられる。

なお、図１に示すレーザ光照射装置１Ａでは、上記したようにレーザスキャニング顕微鏡の構成を例示している。このようなレーザ顕微鏡は、例えば、２以上の波長のレーザ光源を用いるＳＴＥＤ（stimulated emission depletion）顕微鏡、あるいはＰＡＬＭ（photoactivatedlocalization microscopy）顕微鏡などの、回折限界を超えるとされる超解像度顕微鏡に好適に適用することができる。

例えば、ＳＴＥＤ顕微鏡では、蛍光分子を基底状態から特定の励起状態へと遷移させる励起光源と、特定の励起状態から他準位へと遷移させる制御光源との２波長の光源が用いられる（特許文献４、非特許文献７、８参照）。また、この場合、制御光源からの制御レーザ光は、集光の内部の暗部の直径が励起光の回折限界よりも小さくなるようなリング状の集光形状となるように集光照射される。このような構成では、制御光のリング状の集光形状の内部にある励起光のみが蛍光観測に寄与することとなり、蛍光を発する領域が制限され、結果として回折限界以下の超解像度を得ることができる。

このようなＳＴＥＤ顕微鏡における問題点としては、励起光と制御光との高ＮＡ対物レンズ下での光軸方向も含めた位置調整、長い計測時間、波長可変レーザ等から出力される多様な波長に対して、それぞれリング状の制御光を生成するための位相変調、複雑な構成による光学系の大型化などが挙げられる。これに対して、レーザ光の集光制御を、各集光点、波長に対して充分な自由度で実現することが可能な上記構成のレーザ光照射装置１Ａによれば、光源の数よりも少ない数のＳＬＭを用いて光学系を構築することができ、超解像度顕微鏡の構成の簡単化、操作性の向上などの効果が得られる。また、このような効果は、レーザ加工装置等においても同様に得られる。

図１、図２に示したレーザ光照射装置１Ａ及び光変調制御装置３０において実行される光変調制御方法、及び変調パターンの設計方法について、その具体例とともにさらに説明する。図３は、図２に示した光変調制御装置３０において実行される光変調制御方法の一例を示すフローチャートである。

図３に示す制御方法では、まず、レーザ光源ユニット１０から供給されるレーザ光の対象物４２への照射条件についての情報を取得する（ステップＳ１０１）。具体的には、レーザ光の波長の個数ｘ_ｔ、及びｘ_ｔ個の波長λ_ｘ＝λ_１，…，λ_ｘｔのそれぞれの値を含むレーザ光の情報を取得する（Ｓ１０２）。波長の個数ｘ_ｔは、波長毎に個別のレーザ光源を用いる場合には、レーザ光源の個数である。また、上記以外にも、例えば対物レンズ２５のＮＡ、焦点距離ｆ等、ＣＧＨの導出において必要な情報があれば、レーザ光の情報に加えて取得しておく。

また、レーザ光源ユニット１０から供給されるレーザ光の空間光変調器２０への入射条件を、各波長λ_ｘについて取得する（Ｓ１０３）。この場合の入射条件としては、例えば波長λ_ｘのレーザ光の空間光変調器２０への入射パターンがある。入射パターンは、空間光変調器２０の２次元配列された複数の画素での位置（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ）の画素ｊに対する入射レーザ光強度
Ｉ_ｉｎ（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ，λ_ｘ）＝Ｉ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}
による入射光強度分布として与えられる。あるいは、振幅Ａ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}による入射光振幅分布として、レーザ光の入射パターンを取得しても良い。また、必要な場合には、レーザ光の入射位相φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}についても同様に取得する。

次に、照射対象物４２に対するレーザ光の集光条件を設定する（Ｓ１０４）。まず、空間光変調器２０で位相変調されたレーザ光を照射対象物４２に対して集光照射する単一または複数の集光点の個数ｓ_ｔを設定する（Ｓ１０５）。ここで、上記構成によるレーザ光照射装置１Ａでは、空間光変調器２０に呈示する変調パターンにより、必要に応じて複数の集光点を得ることが可能である。

また、対象物４２に対するｓ_ｔ個の集光点ｓ＝１，…，ｓ_ｔのそれぞれについて、レーザ光の集光位置γ_ｓ＝（ｕ_ｓ，ｖ_ｓ，ｚ_ｓ）、集光させるレーザ光の単一または複数の波長λ_ｘ、及び所望の集光強度Ｉ_{ｓ−ｄｅｓ，ｘ}を設定する（Ｓ１０６）。なお、集光させるレーザ光の波長については、各集光点ｓに対して単一の波長を対応させる場合には、その波長をλ_ｓとして、集光パラメータγ_ｓ＝（ｕ_ｓ，ｖ_ｓ，ｚ_ｓ，λ_ｓ）を設定しても良い。また、各集光点へのレーザ光の集光強度については、強度の絶対値による設定に限らず、例えば強度の相対的な比率によって設定しても良い。

続いて、ｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについて、波長λ_ｘのレーザ光に対して付与する位相パターンとして、レーザ光の集光状態を制御する集光制御パターンを設定する（Ｓ１０７）。そして、ステップＳ１０７で設定された集光制御パターンを考慮し、ステップＳ１０１、Ｓ１０４で取得、設定されたレーザ光の照射条件、集光条件を参照して、空間光変調器（ＳＬＭ）２０に呈示する変調パターンとなるＣＧＨを、集光制御パターンの逆の位相パターンを加えた伝搬関数を用いて設計する（Ｓ１０８）。

図３のフローチャートのステップＳ１０８において実行される変調パターンの設計方法について、具体的に説明する。以下においては、ＳＬＭ２０の複数の画素に呈示される変調パターンの１画素での位相値の影響に着目した設計方法の例として、ＯＲＡ法を用いた設計方法について説明する（特許文献３、非特許文献１、２参照）。

ここで、一般に、ＳＬＭでの変調パターンとして用いられるＣＧＨの設計方法は、複数あり、例えば反復フーリエ法などが挙げられる。まず、反復フーリエ変換法は、ＳＬＭ面と回折面との２つの面を用意し、各面の間でフーリエ変換及び逆フーリエ変換にて光を伝搬させる。そして、伝搬ごとに各面の振幅情報を置き換え、最終的に位相分布を取得する方法である。

また、別のＣＧＨ設計法としては、光線追跡法及び１画素の影響に着目した設計方法の２つが挙げられる。光線追跡法としては、レンズの重ね合わせ法（Ｓ法：Superposition of Lens）がある。この方法は、集光点からの波面の重なりが少ない場合には有効であるが、波面の重なりが増えると、ＳＬＭに入射するレーザ光強度のうちで集光点に伝搬する光の強度が著しく低下し、あるいは制御できなくなる場合がある。そのために、Ｓ法を改良した反復Ｓ法がある。

一方、ＣＧＨの１画素の影響に着目する設計法は、ＣＧＨの１画素を適宜選択し、１画素毎に位相値を変更してＣＧＨの設計を行っていく方法であり、１画素の位相の決定方法によって探索型の方法と解析型の方法とがある。

この設計法では、ＣＧＨのある１画素の位相値をパラメータとして変更し、フレネル回折等による波動伝搬関数を用いて変調レーザ光を伝搬させ、所望の集光点における集光状態を示す値（例えば振幅、強度、複素振幅の値）がどのように変化するかを調べる。そして、集光点での集光状態が所望の結果に近づくような位相値を採用する。このような操作を１画素ずつ、少なくとも光が入射する全ての画素で行う。

全ての画素で操作が終わった後に、解析型の方法では、全ての画素を位相変調した結果で、所望の位置の位相がどのように変化するか確認した後に、はじめの１画素目に戻って所望の位置の位相を用いて、１画素ずつ位相の変更を行う。また、探索型の方法では、確認は行わずにはじめの１画素目に戻る。探索型の方法としては、例えば、山登り法、焼きなまし法（ＳＡ：Simulated Annealing）、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ：GeneticAlgorithm）などがある（非特許文献３、４参照）。

以下に説明するＯＲＡ（Optimal Rotation Angle）法は、解析型の方法を用いた最適化アルゴリズムである。この方法では、変調パターンの各画素における位相値の変更、調整は、集光点ｓでの集光状態を示す複素振幅の位相φ_ｓ，ｘ、伝搬関数の位相φ_ｊｓ，ｘ、画素ｊでの変更前の位相値φ_ｊ，ｘ、及びレーザ光の入射位相φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}に基づいて、解析的に求められた値によって行われる。特に、本実施形態における設計方法では、波動伝搬関数として、通常のφ_ｊｓ，ｘに代えて、集光制御パターンの逆の位相パターンを加えた伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’が用いられる。

図４は、図２に示した光変調制御装置３０において実行される変調パターンの設計方法の一例を示すフローチャートである。まず、空間光変調器２０を介して行われる照射対象物４２へのレーザ光の集光照射について、設定された集光条件の情報を取得する（ステップＳ２０１）。ここで取得される集光条件としては、集光点の個数ｓ_ｔ、各集光点ｓの集光位置γ_ｓ＝（ｕ_ｓ，ｖ_ｓ，ｚ_ｓ）、集光させるレーザ光の波長λ_ｘ、及び所望の集光強度Ｉ_{ｓ−ｄｅｓ，ｘ}がある。

次に、ＳＬＭ２０に呈示する変調パターンとして用いられるＣＧＨの設計の初期条件となる位相パターンを作成する（Ｓ２０２）。この位相パターンは、例えば、ＣＧＨの画素ｊにおける位相値φ_ｊをランダム位相パターンとする方法によって作成される。この方法は、ＯＲＡによるＣＧＨ設計が最適化手法であるため、ランダム位相によって特定の極小解に陥ることを防ぐ目的で用いられる。なお、特定の極小解に陥る可能性を無視しても良い場合には、例えば均一な位相パターン等に設定しても良い。また、複数波長のレーザ光の集光照射を行う場合には、レーザ光の波長λ_１〜λ_ｘｔのうちの所定の波長λ_ａを基準波長に設定し、この基準波長λ_ａに対する位相値φ_ｊ，ａを設定する。

続いて、集光点の個数が複数（ｓ_ｔ≧２）に設定されている場合、それらの集光点ｓ＝１〜ｓ_ｔ間の集光強度比を調整するためのパラメータであるウエイトｗ_ｓ，ｘを、その初期条件としてｗ_ｓ，ｘ＝１に設定する（Ｓ２０３）。なお、このウエイトｗ_ｓ，ｘは、波長の個数ｘ_ｔ分（レーザ光源の個数分）存在し、それぞれ１×ｓ_ｔの配列となる。また、集光点が単一（ｓ_ｔ＝１）の場合には、ウエイトｗ_ｓ，ｘの設定は不要である。また、波長の個数が複数（ｘ_ｔ≧２）に設定されている場合、複数の波長間の光量比を調整するためのパラメータであるウエイトＷ_ｘを、その初期条件としてＷ_ｘ＝１に設定する。

ＣＧＨの位相パターンφ_ｊ，ａ、及びウエイトｗ_ｓ，ｘ、Ｗ_ｘの設定を終了したら、集光点ｓにおけるレーザ光の集光状態を示す複素振幅Ｕ_ｓ，ｘを算出する（Ｓ２０４）。具体的には、波長λ_ｘのレーザ光について、光波伝搬を表す下記の式（１）

によって、波長λ_ｘのレーザ光が集光点ｓに対して及ぼす複素振幅Ｕ_ｓ，ｘ＝Ａ_ｓ，ｘｅｘｐ（ｉφ_ｓ，ｘ）を求める。

ここで、Ａ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}はＳＬＭ２０の画素ｊへの波長λ_ｘのレーザ光の入射振幅であり、φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}は波長λ_ｘのレーザ光が画素ｊに入射する初期位相である。また、φ_ｊ，ｘは画素ｊでの波長λ_ｘのレーザ光に対する位相値である。この位相値φ_ｊ，ｘは、上記した基準波長λ_ａに対する位相値φ_ｊ，ａから下記の式（２）

によって求められる。

なお、この式（２）において、τ（λ_ａ，λ_ｘ）は波長分散等を考慮した補正式（補正係数）である。例えば、ＳＬＭ２０を、液晶を用いたＬＣＯＳ−ＳＬＭとした場合、液晶の複屈折特性を用いてレーザ光の位相の変調を行うが、液晶の複屈折率は、波長λに対して線形ではない。そこで、位相値の変換において、液晶の複屈折特性等を考慮した補正式として、上記したτ（λ_ａ，λ_ｘ）が用いられる。

また、式（１）において、φ_ｊｓ，ｘ’は、波長λ_ｘのレーザ光に対して設定された集光制御パターンφ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}の逆の位相パターンを加えた伝搬関数であり、

によって求められる。

なお、集光制御用の位相パターンφ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}は、集光点ｓにおいて設定すべき波長λ_ｘのレーザ光の集光パターンに対応している。具体的には、このような集光制御パターンとしては、例えば、ラゲール多項式やエルミート多項式などの多項式で表される位相パターン、ゼルニケ多項式やルジャンドル多項式で表される位相パターン、多点集光させるＣＧＨパターン、あるいは、集光位置、集光形状を変化させるＣＧＨパターンなどを用いることができる。

このように、集光制御パターンの逆の位相パターンを加えた伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’を用いることにより、各集光点ｓ、波長λ_ｘに対して設定された集光制御パターンを、最終的に得られる変調パターンに確実に反映させることができる。例えば、集光制御パターンを波長毎に異ならせることで、波長毎に異なる任意の位相パターンを与えることが可能なＣＧＨが得られる。また、φ_ｊｓ，ｘは、自由伝搬を仮定した場合の有限遠領域での伝搬関数である。この伝搬関数φ_ｊｓ，ｘとしては、例えば下記の式（４）

で与えられる波動伝搬関数の近似式であるフレネル回折を用いることができる。ここで、上記の式（４）において、ｎ_１は空気や水、油などの雰囲気媒質の屈折率、ｆは焦点距離である。また、この式（４）から、理想的な伝搬関数φ_ｊｓ，ｘが波長λ_ｘによって異なることがわかる。

なお、自由伝搬の伝搬関数φ_ｊｓ，ｘとしては、例えば、上記したフレネル回折の近似式やフラウンホーファー回折の近似式、あるいはヘルムホルツ方程式の解など、様々な表現式を用いることができる。また、上記した複素振幅の式（１）、伝搬関数の式（３）において、波動伝搬関数に加える集光制御パターンをφ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}＝０とすれば、伝搬関数はφ_ｊｓ，ｘ’＝φ_ｊｓ，ｘとなって、従来のＯＲＡ法で用いられている、通常の複素振幅の算出式が得られる。

続いて、上記方法によるＣＧＨの設計において、所望の結果が得られているかどうかを判定する（Ｓ２０５）。この場合の判定方法としては、例えば、各集光点ｓで波長λ_ｘの光によって得られた集光強度Ｉ_ｓ，ｘ＝｜Ａ_ｓ，ｘ｜^２と、所望の強度Ｉ_{ｓ−ｄｅｓ，ｘ}とを、下記の式（５）

によって比較し、全ての集光点ｓ、波長λ_ｘについて、強度比が所定の値ε以下となっているかによって判定する方法を用いることができる。また、集光強度Ｉ_ｓ，ｘではなく、振幅Ａ_ｓ，ｘ、複素振幅Ｕ_ｓ，ｘ等によって判定を行っても良い。

あるいは、図４のフローチャートにおいて、位相値の変更、及び複素振幅の算出等のループが規定の回数行われたかどうか、などの条件によって判定する方法を用いても良い。設定された集光条件に対し、設計されたＣＧＨが必要な条件を満たしていると判定された場合には、ＯＲＡによるＣＧＨの設計アルゴリズムを終了する。また、条件を満たしていない場合には、次のステップＳ２０６に進む。

設計終了に必要な条件を満たしていないと判定された場合、まず、集光点ｓ間の集光強度比を調整するためのウエイトｗ_ｓ，ｘ、及び複数の波長λ_ｘ間の光量比を調整するためのウエイトＷ_ｘの値を、下記の式（６）、（７）、（８）



によって変更する（Ｓ２０６）。

ここで、式（７）のＷ_ａは、基準波長λ_ａにおけるウエイトである。また、式（６）においてウエイトｗ_ｓ，ｘの更新に用いられているパラメータη、及び式（８）においてウエイトＷ_ｘの更新に用いられているパラメータｑは、ＯＲＡアルゴリズムが不安定になるのを防ぐために、通常、慣習的にη＝０．２５〜０．３５程度、ｑ＝０．２５〜０．３５程度の値が用いられている。また、式（８）において、Ｉ_ｘ ^ａｖｅは、波長λ_ｘでの全ての点の強度の平均である。

次に、集光点ｓにおけるレーザ光の集光状態が所望の状態に近づくように、ＣＧＨの画素毎に位相値の変更操作を行う（Ｓ２０７）。解析型のＯＲＡ法では、集光状態を所望の状態に近づけるために画素ｊの位相値φ_ｊ，ａに加える位相の変化量Δφ_ｊ，ａを、式（１）で得られた複素振幅の位相φ_ｓ，ｘ、集光制御パターンの逆の位相パターンを加えた伝搬関数の位相φ_ｊｓ，ｘ’、更新前の位相値φ_ｊ，ｘ、及びレーザ光の入射位相φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}を用いて、下記の式（９）

と判定とによって解析的に求める。ここで、



である。このように解析的に位相値を求める方法では、探索によって位相値を求める山登り法等の方法に比べて、演算に要する時間が短くなるという利点がある。

なお、位相の変化量Δφ_ｊ，ａの決定に用いられるΦ_ｊｓ，ｘについては、通常のＯＲＡ法では、下記の式（１３）

が用いられるが、ここで説明する改良ＯＲＡ法では、上記した伝搬関数の変更に加えて、位相値の更新におけるこのΦ_ｊｓ，ｘの算出においても、任意の集光制御パターンの逆の位相パターン（−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}）を付与した式（１２）を用いている。

上記のように、位相の変化量Δφ_ｊ，ａが求められたら、下記の式（１４）

によって、ＣＧＨのｊ番目の画素における位相値φ_ｊ，ａを変更、更新する。また、このとき、各波長λ_ｘに対する位相値φ_ｊ，ｘは式（２）によって求められる。

そして、位相値の変更操作が全ての画素で行われたかどうかを確認し（Ｓ２０８）、変更操作が終了していなければ、ｊ＝ｊ＋１として、次の画素について、位相値の変更操作を実行する。一方、全ての画素について変更操作が終了していれば、ステップＳ２０４に戻って複素振幅Ｕ_ｓ，ｘの算出、及びそれによるレーザ光の集光状態の評価を行う。このような操作を繰り返して実行することにより、設定された集光条件に対応する変調パターンのＣＧＨが作成される。

上記のように、集光制御パターンの逆の位相パターンを加えた伝搬関数を用いてＣＧＨを設計すると、波長毎、あるいは集光点毎に任意の位相パターンを与えて、異なる条件での集光制御を高精度に行うことができる。例えば、複数波長のレーザ光の集光制御においては、その集光位置や集光形状などを波長毎に積極的に変えることができる。

また、集光点の位置調整や集光形状調整、多点集光などを行うＣＧＨを、集光制御パターンに付与する方法は、次のような利点がある。すなわち、ＯＲＡ法によるＣＧＨの設計は、１画素毎に位相値を変えていくため、反復フーリエ法などの設計方法に比べると設計時間がかかる。また、その設計時間は、レーザ光の集光照射における再生点数にも依存する。これに対して、あらかじめ位置調整、多点集光などを行うＣＧＨを設計しておき、その逆の位相パターンを伝搬関数に付与する方法では、その位相パターンによって再生される多点は１つのグループとみなされる。したがって、再生点数から再生グループ数へと、評価する集光点数を減らすことができ、ＣＧＨの設計時間の短縮化を図ることができる。なお、グループ間での再生点数の差をあらかじめ評価しておく必要がある。

さらには、呈示する変調パターンを動的に切り替えることが可能な空間光変調器を用いる場合には、集光点の奥行き方向の位置などについても、フィードバック制御等を行うことにより、位置合わせが容易である。また、例えば、空間光変調器を用いて単一の光源から複数個の集光点を作成させ、それに対応して複数の検出器を用意することにより、計測時間の短縮を図ることも可能である。

なお、上記した具体例では、画素ｊの位相値に加える変化量Δφ_ｊ，ａを、式（９）〜式（１２）によって解析的に求めているが、この位相変化量の算出については、具体的には上記以外の方法を用いても良い。例えば、下記の式（１５）

によって、波長λ_ｘ毎に位相変化量Δφ_ｊ，ｘを求める方法を用いても良い。ここで、


である。また、Φ_ｊｓ，ｘについては、式（１２）に示したものを用いる。

また、この場合、位相値φ_ｊ，ａは、下記の式（１８）

によって変更、更新される。なお、この式（１８）において、κ（λ_ａ，λ_ｘ）は波長毎に異なる位相変化量Δφ_ｊ，ｘを調整するためのパラメータである。このパラメータについては、不要であれば用いなくても良い。

上記実施形態の光変調制御装置３０、及びレーザ光照射装置１Ａによるレーザ光の集光制御の効果について、その具体例とともに説明する。ここでは、図５に示す光学系によってレーザ光照射装置１Ｂを構成し、このレーザ光照射装置１Ｂを用いて集光制御についての確認実験を行った。

図５に示す構成において、レーザ光源ユニット１０は、波長５３２ｎｍのレーザ光を供給するレーザ光源１１と、波長６３３ｎｍのレーザ光を供給するレーザ光源１２とによって構成されている。レーザ光源１１からのレーザ光は、スペイシャルフィルタ５１、コリメートレンズ５３によって広げられ、ミラー５５によって反射された後、ダイクロイックミラー５６によって反射される。また、レーザ光源１２からのレーザ光は、スペイシャルフィルタ５２、コリメートレンズ５４によって広げられた後、ダイクロイックミラー５６を透過する。これにより、ダイクロイックミラー５６においてレーザ光源１１、１２からのレーザ光ビームが合波される。

ダイクロイックミラー５６からのレーザ光は、ハーフミラー５７を透過して、反射型の空間光変調器２０によって位相変調される。そして、空間光変調器２０からの反射レーザ光は、ハーフミラー５７によって反射され、レンズ５８を介してカメラ６０によってその集光像が撮像される。このレーザ光の集光像により、空間光変調器２０による集光制御を確認することができる。

また、空間光変調器２０においてレーザ光に付与する位相パターンによる集光制御条件については、波長５３２ｎｍのレーザ光と波長６３３ｎｍのレーザ光とで、視認性を良くするために集光位置（再生位置）をずらすとともに、波長５３２ｎｍのレーザ光をガウス状に集光し、波長６３３ｎｍのレーザ光をリング状に集光する条件を用いる。

なお、レーザ光をリング状に集光するためにＳＬＭに表示すべき集光制御用の位相パターンとしては、例えば、図６に示すラゲールガウシアン（ＬＧ）ビームの位相パターンを用いることができる。図６の位相パターンにおいて、白〜黒は、ある波長λにおける位相値０〜２π（ｒａｄ）を表しており、所定の位置を中心に位相が０〜２π（ｒａｄ）までらせん状に回転するパターンとなっている。また、このような位相パターンは、ラゲール多項式を用いても表現することができる（非特許文献６参照）。

図７は、このような構成、設定によって得られたレーザ光の集光像を示している。この図７に示すように、上記した方法で設計された変調パターンにより、波長５３２ｎｍのレーザ光のガウス状の集光スポットと、波長６３３ｎｍのレーザ光のリング状の集光スポットとを、それぞれ好適に再生することができる。また、このような集光制御条件は、集光位置を一致させることにより、ＳＴＥＤ顕微鏡に適用することが可能である。

図３のフローチャートのステップＳ１０８において実行される変調パターンの設計方法について、さらに説明する。図４のフローチャートでは、ＣＧＨの１画素の影響に着目した設計法の例として、解析型のＯＲＡ法を用いた設計方法を示した。これに対して、変調パターンの設計方法としては、上述したように、山登り法、焼きなまし法、遺伝的アルゴリズムなどの探索型の設計方法を用いることも可能である。

図８は、図２に示した光変調制御装置３０において実行される変調パターンの設計方法の他の例を示すフローチャートである。このフローチャートでは、探索型の設計方法の例として、山登り法を用いた場合の設計方法を示している。この方法では、まず、上記したＯＲＡ法と同様に、ＳＬＭ２０を介して行われる照射対象物４２へのレーザ光の集光照射について、設定された集光条件の情報を取得する（ステップＳ３０１）。次に、ＳＬＭ２０に呈示するＣＧＨ設計の初期条件の位相パターンを、例えばランダム位相パターンとして作成する（Ｓ３０２）。

続いて、ＣＧＨの１画素の位相値の変更操作を行う（Ｓ３０３）。さらに、集光制御パターンの逆の位相パターンを加えた伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’を含む式（１）を用いて、集光点ｓにおけるレーザ光の集光状態を示す複素振幅Ｕ_ｓ，ｘ＝Ａ_ｓ，ｘｅｘｐ（ｉφ_ｓ，ｘ）を算出する（Ｓ３０４）。複素振幅Ｕ_ｓ，ｘを算出したら、得られた集光状態について、判定を行う（Ｓ３０５）。

ここでは、変調パターンの１画素の位相値の切換えにより、振幅Ａ_ｓ，ｘ、強度Ｉ_ｓ，ｘ＝｜Ａ_ｓ，ｘ｜^２、または複素振幅Ｕ_ｓ，ｘが所望の値に近づいていれば、そのときの位相値を採用する。山登り法では、例えば、ＣＧＨの１画素毎の位相値を０．１π（ｒａｄ）ずつ０π（ｒａｄ）から所定の位相値まで、例えば２π（ｒａｄ）まで切り換えて、切り換えたごとに式（１）を用いて、伝搬を行う。そして、集光点ｓの強度が最も増加する位相値を探索にて求める。

続いて、１画素の位相値の切換えを、全ての条件で確認したかどうかを判定し（Ｓ３０６）、行っていなければステップＳ３０３に戻る。さらに、１画素の位相値の変更、及び集光状態の判定等の操作を全ての画素で行ったかどうかを判定し（Ｓ３０７）、行っていなければ画素番号をｊ＝ｊ＋１としてステップＳ３０３に戻り、次の画素について必要な操作を行う。

全ての画素について必要な操作を終了していれば、ＣＧＨの設計において、所望の結果が得られているかどうかを判定する（Ｓ３０８）。この場合の判定方法としては、ＯＲＡ法の場合と同様に、例えば、各集光点で得られた集光強度、振幅、複素振幅等の値が許容範囲内に収まっているかどうかによって判定する方法を用いることができる。あるいは、図８のフローチャートにおいて、位相値の変更、及び集光状態の判定等のループが規定の回数行われたかどうか、などの条件によって判定する方法を用いても良い。必要な条件を満たしている場合には、ＣＧＨの設計アルゴリズムを終了する。条件を満たしていない場合には、ステップＳ３０３に戻って１画素目から探索を繰り返す。

本発明による光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びレーザ光照射装置は、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、レーザ光源、及び空間光変調器を含む光学系の構成については、図１に示した構成例に限らず、具体的には様々な構成を用いて良い。

また、上記実施形態では、集光制御を行うレーザ光の波長の個数が複数である場合を主に説明したが、単一波長のレーザ光を集光照射する場合においても、上記構成による光変調制御方法を好適に適用することが可能である。この場合、例えば上記したＯＲＡ法において、複数の波長間の光量比を調整するためのパラメータＷ_ｘは、Ｗ_ｘ＝１として更新されない。単一波長のレーザ光の集光照射の場合、例えば、同一波長で、集光点ごとに異なる集光パターンを付与することも可能である。また、レーザ光源の個数については、例えば、単一のレーザ光源から複数の波長のレーザ光を供給する構成など、具体的には様々な構成を用いて良い。

また、空間光変調器に呈示する変調パターン（ＣＧＨ）の設計についても、具体的には上記した例以外にも様々な方法を用いて良い。一般には、変調パターンの設計において、変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を変調パターンの全ての画素について行うことで変調パターンを設計するとともに、集光点での集光状態を評価する際に、空間光変調器の変調パターンでの画素ｊから集光点ｓへの波長λ_ｘの光の伝搬について、集光制御パターンの逆の位相パターンを加えた伝搬関数を用いていれば良い。

また、複素振幅Ｕ_ｓ，ｘの導出において、その式に伝搬関数
φ_ｊｓ，ｘ’＝φ_ｊｓ，ｘ−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}
を代入すると、
Ｕ_ｓ，ｘ＝Σ_ｊＡ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}ｅｘｐ｛ｉ（φ_ｊｓ，ｘ
−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}＋φ_ｊ，ｘ＋φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}）｝
＝Σ_ｊＡ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}ｅｘｐ｛ｉ（φ_ｊｓ，ｘ
＋φ_ｊ，ｘ＋φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}）｝
となる。この式からわかるように、計算上は（−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}）を入射位相φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}に加えることによっても、同様の結果が得られる。このような方法は、伝搬関数φ_ｊｓ，ｘに（−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}）を加える方法と等価であり、したがって、本発明は、このような構成をも含む。

本発明は、レーザ光の集光制御を充分な自由度で好適に実現することが可能な光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びレーザ光照射装置として利用可能である。

１Ａ、１Ｂ…レーザ光照射装置、１０…レーザ光源ユニット、１１…レーザ光源、１２…レーザ光源、１３、１４…ビームエキスパンダ、１５…ダイクロイックミラー、１６…ミラー、１８…プリズム、２０…空間光変調器、２１…ミラー、２２、２３…４ｆ光学系レンズ、２５…対物レンズ、２８…光変調器駆動装置、４０…可動ステージ、４２…照射対象物、４５…検出部、４６…レンズ、４７…ダイクロイックミラー、
５１、５２…スペイシャルフィルタ、５３、５４…コリメートレンズ、５５…ミラー、５６…ダイクロイックミラー、５７…ハーフミラー、５８…レンズ、６０…カメラ、
３０…光変調制御装置、３１…照射条件取得部、３２…集光条件設定部、３３…集光制御パターン設定部、３４…変調パターン設計部、３５…光変調器駆動制御部、３７…入力装置、３８…表示装置。

Claims (20)

1. レーザ光を入力し、前記レーザ光の位相を変調して、位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器を用い、前記空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定された集光点への前記レーザ光の集光照射を制御する光変調制御方法であって、
   前記レーザ光の照射条件として、前記空間光変調器へと入力する前記レーザ光の波長の個数ｘ_ｔ（ｘ_ｔは１以上の整数）、ｘ_ｔ個の波長λ_ｘ、及び前記空間光変調器への各波長の前記レーザ光の入射条件を取得する照射条件取得ステップと、
   前記レーザ光の集光条件として、前記空間光変調器からの前記レーザ光を集光照射する前記集光点の個数ｓ_ｔ（ｓ_ｔは１以上の整数）、及びｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについての集光位置、集光させる前記レーザ光の波長λ_ｘ、集光強度を設定する集光条件設定ステップと、
   前記ｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについて、波長λ_ｘの前記レーザ光に対して付与する位相パターンとして、その集光状態を制御する集光制御パターンを設定する制御パターン設定ステップと、
   前記制御パターン設定ステップで設定された前記集光制御パターンを考慮して、前記空間光変調器に呈示する前記変調パターンを設計する変調パターン設計ステップと
   を備え、
   前記変調パターン設計ステップは、前記空間光変調器において２次元配列された複数の画素を想定し、前記複数の画素に呈示する前記変調パターンの１画素での位相値の変更が前記集光点における前記レーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように前記位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を前記変調パターンの全ての画素について行うことで前記変調パターンを設計するとともに、
   前記集光点での前記集光状態を評価する際に、前記空間光変調器の前記変調パターンにおける画素ｊから前記集光点ｓへの波長λ_ｘの光の伝搬について、前記制御パターン設定ステップで設定された前記集光制御パターンφ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}の逆の位相パターンを波動伝搬関数φ_ｊｓ，ｘに加えた伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’
   φ_ｊｓ，ｘ’＝φ_ｊｓ，ｘ−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}
   を用いることを特徴とする光変調制御方法。
2. 前記照射条件取得ステップは、前記レーザ光の前記波長の個数ｘ_ｔを複数個として設定することを特徴とする請求項１記載の光変調制御方法。
3. 前記変調パターン設計ステップは、前記空間光変調器における屈折率の波長分散を考慮して前記変調パターンを設計することを特徴とする請求項２記載の光変調制御方法。
4. 前記変調パターン設計ステップは、前記空間光変調器の前記画素ｊへの波長λ_ｘの前記レーザ光の入射振幅をＡ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}、位相をφ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}、前記画素ｊでの波長λ_ｘの前記レーザ光に対する位相値をφ_ｊ，ｘとして、下記式
   Ｕ_ｓ，ｘ＝Ａ_ｓ，ｘｅｘｐ（ｉφ_ｓ，ｘ）
   ＝Σ_ｊＡ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}ｅｘｐ（ｉφ_ｊｓ，ｘ’）
   ×ｅｘｐ（ｉ（φ_ｊ，ｘ＋φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}））
   によって、前記集光点ｓにおける波長λ_ｘの前記レーザ光の前記集光状態を示す複素振幅を求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光変調制御方法。
5. 前記変調パターン設計ステップは、前記変調パターンの前記画素ｊでの位相値の変更において、前記集光点ｓにおける波長λ_ｘの前記レーザ光の前記集光状態を示す複素振幅の位相φ_ｓ，ｘ、前記伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’、前記画素ｊでの変更前の位相値φ_ｊ，ｘ、及び前記レーザ光の入射位相φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}に基づいて解析的に求められた値によって、前記位相値を変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光変調制御方法。
6. 前記変調パターン設計ステップは、前記変調パターンの前記画素ｊでの位相値の変更において、山登り法、焼きなまし法、または遺伝的アルゴリズムのいずれかの方法を用いて探索で求められた値によって、前記位相値を変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光変調制御方法。
7. レーザ光を入力し、前記レーザ光の位相を変調して、位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器を用い、前記空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定された集光点への前記レーザ光の集光照射を制御する光変調制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   前記レーザ光の照射条件として、前記空間光変調器へと入力する前記レーザ光の波長の個数ｘ_ｔ（ｘ_ｔは１以上の整数）、ｘ_ｔ個の波長λ_ｘ、及び前記空間光変調器への各波長の前記レーザ光の入射条件を取得する照射条件取得処理と、
   前記レーザ光の集光条件として、前記空間光変調器からの前記レーザ光を集光照射する前記集光点の個数ｓ_ｔ（ｓ_ｔは１以上の整数）、及びｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについての集光位置、集光させる前記レーザ光の波長λ_ｘ、集光強度を設定する集光条件設定処理と、
   前記ｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについて、波長λ_ｘの前記レーザ光に対して付与する位相パターンとして、その集光状態を制御する集光制御パターンを設定する制御パターン設定処理と、
   前記制御パターン設定処理で設定された前記集光制御パターンを考慮して、前記空間光変調器に呈示する前記変調パターンを設計する変調パターン設計処理と
   をコンピュータに実行させ、
   前記変調パターン設計処理は、前記空間光変調器において２次元配列された複数の画素を想定し、前記複数の画素に呈示する前記変調パターンの１画素での位相値の変更が前記集光点における前記レーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように前記位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を前記変調パターンの全ての画素について行うことで前記変調パターンを設計するとともに、
   前記集光点での前記集光状態を評価する際に、前記空間光変調器の前記変調パターンにおける画素ｊから前記集光点ｓへの波長λ_ｘの光の伝搬について、前記制御パターン設定処理で設定された前記集光制御パターンφ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}の逆の位相パターンを波動伝搬関数φ_ｊｓ，ｘに加えた伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’
   φ_ｊｓ，ｘ’＝φ_ｊｓ，ｘ−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}
   を用いることを特徴とする光変調制御プログラム。
8. 前記照射条件取得処理は、前記レーザ光の前記波長の個数ｘ_ｔを複数個として設定することを特徴とする請求項７記載の光変調制御プログラム。
9. 前記変調パターン設計処理は、前記空間光変調器における屈折率の波長分散を考慮して前記変調パターンを設計することを特徴とする請求項８記載の光変調制御プログラム。
10. 前記変調パターン設計処理は、前記空間光変調器の前記画素ｊへの波長λ_ｘの前記レーザ光の入射振幅をＡ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}、位相をφ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}、前記画素ｊでの波長λ_ｘの前記レーザ光に対する位相値をφ_ｊ，ｘとして、下記式
    Ｕ_ｓ，ｘ＝Ａ_ｓ，ｘｅｘｐ（ｉφ_ｓ，ｘ）
    ＝Σ_ｊＡ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}ｅｘｐ（ｉφ_ｊｓ，ｘ’）
    ×ｅｘｐ（ｉ（φ_ｊ，ｘ＋φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}））
    によって、前記集光点ｓにおける波長λ_ｘの前記レーザ光の前記集光状態を示す複素振幅を求めることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項記載の光変調制御プログラム。
11. 前記変調パターン設計処理は、前記変調パターンの前記画素ｊでの位相値の変更において、前記集光点ｓにおける波長λ_ｘの前記レーザ光の前記集光状態を示す複素振幅の位相φ_ｓ，ｘ、前記伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’、前記画素ｊでの変更前の位相値φ_ｊ，ｘ、及び前記レーザ光の入射位相φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}に基づいて解析的に求められた値によって、前記位相値を変更することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項記載の光変調制御プログラム。
12. 前記変調パターン設計処理は、前記変調パターンの前記画素ｊでの位相値の変更において、山登り法、焼きなまし法、または遺伝的アルゴリズムのいずれかの方法を用いて探索で求められた値によって、前記位相値を変更することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項記載の光変調制御プログラム。
13. レーザ光を入力し、前記レーザ光の位相を変調して、位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器を用い、前記空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定された集光点への前記レーザ光の集光照射を制御する光変調制御装置であって、
    前記レーザ光の照射条件として、前記空間光変調器へと入力する前記レーザ光の波長の個数ｘ_ｔ（ｘ_ｔは１以上の整数）、ｘ_ｔ個の波長λ_ｘ、及び前記空間光変調器への各波長の前記レーザ光の入射条件を取得する照射条件取得手段と、
    前記レーザ光の集光条件として、前記空間光変調器からの前記レーザ光を集光照射する前記集光点の個数ｓ_ｔ（ｓ_ｔは１以上の整数）、及びｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについての集光位置、集光させる前記レーザ光の波長λ_ｘ、集光強度を設定する集光条件設定手段と、
    前記ｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについて、波長λ_ｘの前記レーザ光に対して付与する位相パターンとして、その集光状態を制御する集光制御パターンを設定する制御パターン設定手段と、
    前記制御パターン設定手段で設定された前記集光制御パターンを考慮して、前記空間光変調器に呈示する前記変調パターンを設計する変調パターン設計手段と
    を備え、
    前記変調パターン設計手段は、前記空間光変調器において２次元配列された複数の画素を想定し、前記複数の画素に呈示する前記変調パターンの１画素での位相値の変更が前記集光点における前記レーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように前記位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を前記変調パターンの全ての画素について行うことで前記変調パターンを設計するとともに、
    前記集光点での前記集光状態を評価する際に、前記空間光変調器の前記変調パターンにおける画素ｊから前記集光点ｓへの波長λ_ｘの光の伝搬について、前記制御パターン設定手段で設定された前記集光制御パターンφ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}の逆の位相パターンを波動伝搬関数φ_ｊｓ，ｘに加えた伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’
    φ_ｊｓ，ｘ’＝φ_ｊｓ，ｘ−φ_{ｊｓ−ｐａｔ，ｘ}
    を用いることを特徴とする光変調制御装置。
14. 前記照射条件取得手段は、前記レーザ光の前記波長の個数ｘ_ｔを複数個として設定することを特徴とする請求項１３記載の光変調制御装置。
15. 前記変調パターン設計手段は、前記空間光変調器における屈折率の波長分散を考慮して前記変調パターンを設計することを特徴とする請求項１４記載の光変調制御装置。
16. 前記変調パターン設計手段は、前記空間光変調器の前記画素ｊへの波長λ_ｘの前記レーザ光の入射振幅をＡ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}、位相をφ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}、前記画素ｊでの波長λ_ｘの前記レーザ光に対する位相値をφ_ｊ，ｘとして、下記式
    Ｕ_ｓ，ｘ＝Ａ_ｓ，ｘｅｘｐ（ｉφ_ｓ，ｘ）
    ＝Σ_ｊＡ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}ｅｘｐ（ｉφ_ｊｓ，ｘ’）
    ×ｅｘｐ（ｉ（φ_ｊ，ｘ＋φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}））
    によって、前記集光点ｓにおける波長λ_ｘの前記レーザ光の前記集光状態を示す複素振幅を求めることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項記載の光変調制御装置。
17. 前記変調パターン設計手段は、前記変調パターンの前記画素ｊでの位相値の変更において、前記集光点ｓにおける波長λ_ｘの前記レーザ光の前記集光状態を示す複素振幅の位相φ_ｓ，ｘ、前記伝搬関数φ_ｊｓ，ｘ’、前記画素ｊでの変更前の位相値φ_ｊ，ｘ、及び前記レーザ光の入射位相φ_{ｊ−ｉｎ，ｘ}に基づいて解析的に求められた値によって、前記位相値を変更することを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項記載の光変調制御装置。
18. 前記変調パターン設計手段は、前記変調パターンの前記画素ｊでの位相値の変更において、山登り法、焼きなまし法、または遺伝的アルゴリズムのいずれかの方法を用いて探索で求められた値によって、前記位相値を変更することを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項記載の光変調制御装置。
19. 前記空間光変調器を駆動制御して、前記変調パターン設計手段によって設計された前記変調パターンを前記空間光変調器に呈示する光変調器駆動制御手段を備えることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか一項記載の光変調制御装置。
20. ｘ_ｔ個（ｘ_ｔは１以上の整数）の波長λ_ｘのレーザ光を供給するレーザ光源と、
    前記レーザ光を入力し、前記レーザ光の位相を変調して、位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器と、
    前記空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定されたｓ_ｔ個（ｓ_ｔは１以上の整数）の集光点ｓへの各波長λ_ｘの前記レーザ光の集光照射を制御する請求項１３〜１９のいずれか一項記載の光変調制御装置と
    を備えることを特徴とするレーザ光照射装置。