JP2016170440A - 光照射装置、顕微鏡装置、レーザ加工装置、及び光照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光軸方向における変調光の照射位置を容易に変化させることが可能な光照射装置を提供する。【解決手段】光照射装置１Ａは、照射対象物Ｂを照らすための装置であって、光Ｌ１を出力する光源１０と、光Ｌ１の位相を変調して変調光Ｌ２を出射する空間光変調器２０と、空間光変調器２０に制御信号を提供する制御部４０と、空間光変調器２０の位相変調面２０ａと光学的に結合されたレンズ３１、及びレンズ３１と光学的に結合されたレンズ３２を有し、照射対象物Ｂに変調光Ｌ２を照射する両側テレセントリック光学系３０Ａとを備える。位相変調面２０ａとレンズ３１との光学距離はレンズ３１の焦点距離と実質的に等しい。【選択図】図１

Description

本発明は、光照射装置、顕微鏡装置、レーザ加工装置、及び光照射方法に関するものである。

非特許文献１には、微細構造を高速に並列加工するための、多重化したフレネルレンズを含むホログラフィーを用いたフェムト秒レーザー加工方法が記載されている。図１２は、この文献に記載された装置の一部の構成を示す図である。図１２に示されるように、この装置は、読み出し光の位相を変調する空間光変調器１０２と、位相変調された変調光Ｌａを集光するテレセントリック光学系１０４とを備えている。テレセントリック光学系１０４は２つのレンズ１０６及び１０８を有しており、空間光変調器１０２から出力された変調光Ｌａは、空間光変調器１０２と初段のレンズ１０６との間において一旦収束され、集光点Ｐ１を形成する。

Satoshi Hasegawa, Yoshio Hayasaki, and Nobuo Nishida, "Holographicfemtosecond laser processing with multiplexed phase Fresnel lenses", Optics Letters,Vol. 31, No. 11, June 1, 2006

非特許文献１に記載された装置では、集光点Ｐ１において所望の強度分布を有する変調光Ｌａが得られるように、多重化したフレネルレンズパターンを空間光変調器１０２に表示させている。そして、集光点Ｐ１における変調光Ｌａの強度分布を、テレセントリック光学系１０４を介してターゲット面Ｆ１に転写している。しかしながら、このような方式には次のような問題がある。すなわち、集光点Ｐ１において変調光Ｌａを一旦収束させているため、レンズ１０８から出力される変調光Ｌａの集光点Ｐ２の光軸方向における可変範囲は、レンズ１０８の焦点深度程度であり、極めて小さい。したがって、光軸方向における変調光Ｌａの照射位置を可変とするためには、テレセントリック光学系１０４や照射対象物を光軸方向に移動させる必要があり、装置の構造が複雑になってしまう。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、光軸方向における変調光の照射位置を容易に変化させることが可能な光照射装置、顕微鏡装置、レーザ加工装置、及び光照射方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による光照射装置は、照射対象物に光を照射するための光照射装置であって、光を出力する光源と、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、複数の領域毎に光源から出力された光の位相を変調して、変調光を出射する空間光変調器と、空間光変調器に制御信号を提供する制御部と、空間光変調器の位相変調面と光学的に結合された第１のレンズ、及び第１のレンズと光学的に結合された第２のレンズを有し、照射対象物に変調光を照射する両側テレセントリック光学系とを備え、位相変調面と第１のレンズとの光学距離が第１のレンズの焦点距離と等しいことを特徴とする。

また、本発明による光照射方法は、照射対象物に光を照射するための光照射方法であって、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有する空間光変調器によって、光源から出力された光の位相を複数の領域毎に変調するステップと、空間光変調器の位相変調面と光学的に結合された第１のレンズ、及び第１のレンズと光学的に結合された第２のレンズを有する両側テレセントリック光学系によって、照射対象物に変調光を照射するステップとを備え、位相変調面と第１のレンズとの光学距離が第１のレンズの焦点距離と等しい。

上記の光照射装置及び光照射方法では、位相変調面の表示を変更することによって、光学系を移動させることなく、光軸方向における変調光の照射位置（すなわち集光点の位置）を変化させることができる。したがって、この光照射装置及び光照射方法によれば、光軸方向における変調光の照射位置の変化を、簡易な構成によって容易に行うことができ、装置の小型化が可能となる。

上記の光照射装置において、制御部は、制御信号によって、第２のレンズの光軸方向における変調光の集光点の位置、照射対象物に照射される変調光の光強度、変調光の集光点の大きさ、及び照射対象物おける変調光の形状のうち少なくとも一つを制御してもよい。

上記の光照射装置において、第２のレンズは対物レンズであってもよい。

本発明による顕微鏡装置は、上記いずれかの光照射装置と、照射対象物に関する光像を撮像する画像取得用センサを有する観察光学系と、を備える。この顕微鏡装置によれば、上記いずれかの光照射装置を備えることによって、光軸方向における変調光の照射位置を容易に変化させることができる。

本発明によるレーザ加工装置は、上記いずれかの光照射装置を備え、光源はレーザ光を出力する。このレーザ加工装置によれば、上記いずれかの光照射装置を備えることによって、光軸方向における変調光の照射位置を容易に変化させることができる。

本発明による光照射装置、顕微鏡装置、レーザ加工装置、及び光照射方法によれば、光軸方向における変調光の照射位置を容易に変化させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る光照射装置の構成を示す図である。 空間光変調器の一例として、ＬＣＯＳ型の空間光変調器を概略的に示す断面図である。 （ａ）一実施形態の計算方法により算出されたフレネル型キノフォームの例を示す画像である。（ｂ）そのキノフォームによって照射対象物に照射される変調光の形状を示す図である。 （ａ）一実施形態の計算方法により算出されたフレネル型キノフォームの例を示す画像である。（ｂ）そのキノフォームによって照射対象物に照射される変調光の形状を示す図である。 （ａ）一実施形態の計算方法により算出されたフレネル型キノフォームの例を示す画像である。（ｂ）そのキノフォームによって照射対象物に照射される変調光の形状を示す図である。 照射対象物に対して変調光を立体的に照射している様子を概念的に示す図である。 位相変調面から出射される変調光が光学系によって集光される様子を示す図である。 第１変形例としての光照射装置の構成を示す図である。 第２変形例としての光照射装置の構成を示す図である。 第３変形例としての光照射装置の構成を示す図である。 第４変形例としての光照射装置の構成を示す図である。 非特許文献１に記載された装置の一部の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による光照射装置、顕微鏡装置、レーザ加工装置、及び光照射方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る光照射装置１Ａの構成を示す図である。本実施形態の光照射装置１Ａは、光学顕微鏡において観察対象物Ｂ（以下、照射対象物という）を照らすための照明装置である。図１に示されるように、本実施形態の光照射装置１Ａは、読み出し光源１０と、前段光学系１２と、空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）２０と、両側テレセントリック光学系３０Ａ（以下、単に光学系３０Ａという）と、制御部４０と、照射対象物Ｂを支持するステージ５０とを備えている。

読み出し光源１０は、所定波長の読み出し光Ｌ１を出力する。読み出し光Ｌ１は、単色且つ或る程度のコヒーレンシーを有することが好ましく、例えばレーザ光である。また、読み出し光Ｌ１としては、ＬＥＤからの光などのコヒーレント性が低い光でもよいが、読み出し光Ｌ１に複数の波長成分が含まれる場合、色補正レンズなどによる補正が必要になる場合がある。

前段光学系１２は、読み出し光源１０と光学的に結合されており、読み出し光源１０から出力された読み出し光Ｌ１を、空間光変調器２０へ導く。前段光学系１２は、例えばビームエキスパンダや空間フィルタなどの光学系を含むことができる。また、前段光学系１２は、例えばビームスプリッタ、波長板、偏光子、及びレンズといった種々の光学部品を含むことができる。

空間光変調器２０は、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面２０ａを有し、その複数の領域毎に読み出し光Ｌ１の位相を変調することにより、変調光Ｌ２を生成する。位相変調面２０ａには、制御部４０から提供される制御信号に応じて、フレネル型キノフォームが表示される。なお、キノフォームとは、位相の空間情報を意味する。空間光変調器２０は、変調光Ｌ２を、光学系３０Ａに提供する。なお、フレネル型キノフォームの算出方法については後述する。

光学系３０Ａは、前段レンズ３１（第１のレンズ）及び後段レンズ３２（第２のレンズ）を有している。前段レンズ３１は、凸レンズであって、空間光変調器２０の位相変調面２０ａと光学的に結合されている。また、後段レンズ３２は、いわゆる対物レンズであり、前段レンズ３１と照射対象物Ｂとの間に配置され、一方の面が前段レンズ３１と光学的に結合され、他方の面が照射対象物Ｂと光学的に結合されている。なお、後段レンズ３２は凸レンズであってもよい。光学系３０Ａは、このような構成を有することにより、位相変調面２０ａと照射対象物Ｂとを光学的に結合する。

図２は、本実施形態の空間光変調器２０の一例として、ＬＣＯＳ型の空間光変調器を概略的に示す断面図であって、読み出し光Ｌ１の光軸に沿った断面を示している。この空間光変調器２０は、透明基板２１、シリコン基板２２、複数の画素電極２３、液晶層２４、透明電極２５、配向膜２６ａ及び２６ｂ、誘電体ミラー２７、並びにスペーサ２８を備えている。透明基板２１は、読み出し光Ｌ１を透過する材料からなり、シリコン基板２２の主面に沿って配置される。複数の画素電極２３は、シリコン基板２２の主面上において二次元格子状に配列され、空間光変調器２０の各画素を構成する。透明電極２５は、複数の画素電極２３と対向する透明基板２１の面上に配置される。液晶層２４は、複数の画素電極２３と透明電極２５との間に配置される。配向膜２６ａは液晶層２４と透明電極２５との間に配置され、配向膜２６ｂは液晶層２４と複数の画素電極２３との間に配置される。誘電体ミラー２７は配向膜２６ｂと複数の画素電極２３との間に配置される。誘電体ミラー２７は、透明基板２１から入射して液晶層２４を透過した読み出し光Ｌ１を反射して、再び透明基板２１から出射させる。

また、空間光変調器２０は、複数の画素電極２３と透明電極２５との間に印加される電圧を制御する画素電極回路（アクティブマトリクス駆動回路）を更に備えている。画素電極回路から何れかの画素電極２３に電圧が印加されると、該画素電極２３と透明電極２５との間に生じた電界の大きさに応じて、該画素電極２３上の液晶層２４の屈折率が変化する。したがって、液晶層２４の当該部分を透過する読み出し光Ｌ１の光路長が変化し、ひいては、読み出し光Ｌ１の位相が変化する。そして、複数の画素電極２３に様々な大きさの電圧を印加することによって、位相変調量の空間的な分布を電気的に書き込むことができ、必要に応じて様々なキノフォームを表示することができる。

なお、空間光変調器２０は、図２に示されたような電気アドレス型の液晶素子に限られず、例えば光アドレス型の液晶素子や、可変鏡型の光変調器であってもよい。また、図２には反射型の空間光変調器２０が示されているが、本実施形態の空間光変調器２０は透過型であってもよい。

以下、空間光変調器２０に表示されるフレネル型キノフォームの算出方法の例として、逆伝搬による計算方法について説明する。

本実施形態では、空間光変調器２０によって変調された変調光Ｌ２の再生像面が、照射対象物Ｂと重なるように設定される。この再生像面における変調光Ｌ２のパターン（ターゲットパターン）がＭ個（但しＭは２以上の整数）の点光源によって構成されていると仮定すると、位相変調面２０ａにおけるホログラム面は、各点光源からの波面伝搬関数の総和として扱うことができる。そして、再生像面における各点光源の座標を（ｘ_ｍ，ｘ_ｍ）（但し、ｍ＝０，１，・・・，Ｍ−１）とすると、ホログラム面の各画素の座標（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）（但し、ａ，ｂ＝０，１，・・・，Ｎ−１、Ｎはｘ方向及びｙ方向における画素数）における各点光源の波面伝搬関数ｕ_ｍ（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）は、次の数式（１）のように表される。

但し、ｉは虚数単位であり、ｋは波数（＝２π／λ、λは変調光Ｌ２の波長）であり、ｚは再生像面とホログラム面との距離であり、Ａ_ｍは複素振幅成分（すなわち光の強さ）であり、θ_ｍは位相成分であり、δは各画素での初期位相である。また、ｒ_ｍは次の数式（２）

により定義される数値であって、再生像面内の各点光源からホログラム面の各画素までの距離を表している。

本方法では、Ｍ個の点光源に関する波面伝搬関数ｕ_ｍの総和ｕ_{ｔｏｔａｌ}（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）を次の数式（３）によって求める。

そして、この総和ｕ_{ｔｏｔａｌ}（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）から位相成分を抽出することにより、計算機合成ホログラム（Computer Generated Hologram；ＣＧＨ）を作成する。なお、ここで位相成分を抽出するのは、空間光変調器２０が位相変調型の空間光変調器であることから、波面伝搬関数ｕ_ｍに含まれる振幅情報を無視するためである。また、この計算の際、位相折り畳みの折り返し線がナイキスト周波数を越えないように、すなわち波面伝搬関数ｕ_ｍの位相項ｅｘｐ（−ｉθ_ｍ）において、隣接する画素との位相差がπ（ｒａｄ）を越えないように、波面伝搬関数ｕ_ｍの関数領域を制限する必要がある。

図３〜図５は、（ａ）上記の計算方法により算出されたフレネル型キノフォームを示す画像と、（ｂ）そのキノフォームによって照射対象物Ｂに照射される変調光Ｌ２の形状（光軸に垂直な断面形状）を示す図である。図３は、照射対象物Ｂにおける変調光の形状が矩形状である場合を示している。図４は、照射対象物Ｂにおける変調光の形状が円形状である場合を示している。図５は、照射対象物Ｂにおける変調光の形状が、互いに平行な２本の直線状である場合を示している。

上記の計算方法によれば、位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームを、これらのように、照射対象物Ｂにおける変調光Ｌ２の形状を円形状、矩形状、又は直線状とするキノフォームとすることが可能である。なお、照射対象物Ｂにおける変調光Ｌ２の形状はこれらに限られず、様々な形状が可能である。

また、上記の計算方法を用いると、照射対象物Ｂに対して立体的に（三次元的に）変調光Ｌ２を照射することができるキノフォームも計算可能である。図６は、照射対象物Ｂ（例えば細胞）に対して変調光Ｌ２を立体的に照射している様子を概念的に示す図である。図中に示された実線Ｃは、照射対象物Ｂの表面において変調光Ｌ２が照射される部分を表している。

なお、上記の計算方法において、再生像面における光強度分布の中心部分の光強度を、該光強度分布の周囲部分の光強度よりも小さくすることにより、十分な開口数（ＮＡ）を維持しつつ照射光量を調整することができる。また、計算的もしくは実験的なフィードバックを行う反復法によって、光強度Ａ_ｍの分布を調整してもよい。

また、上記の計算方法において、開口数（ＮＡ）を、ナイキスト周波数を超えない程度に変更してもよい。これにより、照射対象物Ｂに照射される変調光Ｌ２の光強度、及び集光点の大きさを任意に変更することができる。

また、上記の計算方法における数式の中に初期値を含めても良いが、次の数式（４）によって算出される初期位相θ_ｍ’を、キノフォーム算出後に加算してもよい。

なお、この初期位相θ_ｍ’は、収差補正、ビーム整形、ビーム拡がりなどを調整するためのものであってもよい。

また、上記の計算方法において、変調光Ｌ２の波長（設計波長）は、空間光変調器２０が変調し得る範囲に含まれる波長であればよく、他の要件によっては何ら制限されない。

また、上記の計算方法において使用される読み出し光Ｌ１の強度の値は、理論値及び実験値の何れでもよい。但し、読み出し光Ｌ１の光軸に垂直な断面における強度分布は、均一に近いことが望ましい。読み出し光Ｌ１の強度分布が均一ではない場合には、読み出し光Ｌ１の強度分布情報を含めた計算によりキノフォームを設計する必要がある。このときの読み出し光Ｌ１の強度分布は、位相変調面２０ａと共役な面において取得された強度分布であることが望ましい。

なお、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームは、上述した逆伝搬による計算方法以外にも、様々な方法により算出されることができる。例えば、一般的な反復法（例えばＧＳ法）などにフレネル回折を適用した計算方法を用いて、キノフォームを計算してもよい。

続いて、位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームおよび光学系３０Ａの構成について、詳細に説明する。図７（ａ）〜図７（ｃ）は、位相変調面２０ａから出射される変調光Ｌ２が光学系３０Ａによって集光される様子を示す図である。本実施形態において、位相変調面２０ａと前段レンズ３１との光学距離ｄ１は、前段レンズ３１の焦点距離と実質的に等しい。本実施形態の光学系３０Ａは、このような点において図１２に示された構成とは相違している。図１２の構成では、空間光変調器１０２の位相変調面とレンズ１０６との距離は、位相変調面に表示されるフレネルレンズの焦点距離ｄと、レンズ１０６の焦点距離ｆａとの和となる。

本実施形態において、位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームは、前段レンズ３１に向けて変調光Ｌ２を縮径させる（集光する）キノフォームを含むことができる。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、前段レンズ３１に向けて縮径される変調光Ｌ２を示している。図７（ａ）に示される形態では、フレネル型キノフォームによる焦点距離は、位相変調面２０ａと前段レンズ３１との光学距離ｄ１よりも長い。また、図７（ｂ）に示される形態では、フレネル型キノフォームによる焦点距離は、位相変調面２０ａと前段レンズ３１との光学距離ｄ１よりも短い。

また、本実施形態において、位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームは、前段レンズ３１に向けてレーザ光を拡径させるキノフォームを含んでもよい。図７（ｃ）は、前段レンズ３１に向けて拡径される変調光Ｌ２を示している。なお、比較のため、図７（ａ）〜図７（ｃ）には、位相変調面２０ａから平行光として出射された変調光Ｌ３の輪郭が破線で示されている。

図７（ａ）〜図７（ｃ）に示されるように、位相変調面２０ａから出射される変調光Ｌ２の形態によって、光軸方向における集光点Ｐ０の位置が変化する。すなわち、集光点Ｐ０と後段レンズ３２の焦平面Ｆとの距離Δｚは、位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームによって決定される。

照射対象物Ｂを照明する際、集光点が大きく照射領域が広い場合には、このような光学系３０Ａは省略されることも可能であるが、顕微鏡での光照射においては、集光点を小さくし、且つ狭い領域に効率良く集光させる必要がある。しかし、位相変調型の空間光変調器２０のみでは、その位相分解能及び空間分解能が十分ではない場合があり、そのような場合には十分に小さな集光点を生成することが難しい。したがって、高い開口数（ＮＡ）を有するレンズを用いて光学系３０Ａを構成することが望ましい。

そして、このような場合、ケプラー型アフォーカル光学系（４ｆ光学系）を用い、且つ、この光学系の後段レンズを対物レンズとすることが望ましい。本実施形態の光学系３０Ａはケプラー型アフォーカル系を成しており、前段レンズ３１と後段レンズ３２との光学距離ｄ２が、前段レンズ３１の焦点距離ｆ_１と後段レンズ３２の焦点距離ｆ_２との和（ｆ_１＋ｆ_２）と実質的に等しい。また、このような光学系３０Ａは両側テレセントリックな光学系であるため、対物レンズ（後段レンズ３２）の焦平面は、空間光変調器２０の位相変調面２０ａと共役な関係にある。なお、フーリエ光学系の０次光成分はバックグラウンドノイズとして残留するが、本実施形態の光学系３０Ａでは、このようなノイズは集光点に比べて無視できる程度に小さい。

ここで、４ｆ光学系の縮小倍率Ｍは、次の数式（５）によって求められる。

空間光変調器２０から共役面までの距離Ｌは

であるため、これらの数式（５）及び（６）に基づいて、最適な前段レンズ３１及び後段レンズ３２の組み合わせを決定することができ、光学系の最適化を図ることができる。

一方、光軸方向における集光点の位置は、キノフォーム設計値及び縮小倍率Ｍによって一義的に決定される。すなわち、キノフォームの設計焦点距離をｚとすると、集光点は、後段レンズ３２の焦平面からΔｚ（＝ｚ×Ｍ）の距離に位置することとなる（図７（ａ）〜図７（ｃ）を参照）。この関係は、ｚが負である場合であっても同様に成り立つ。

なお、後段レンズ３２と位相変調面２０ａとの間隔が変化しても上記の関係は成り立つが、この間隔が大きく変化する場合には、合成焦点距離の計算を含めてΔｚを求めることが好ましい。これは、光学系３０Ａがケプラー型アフォーカル系を構成する場合であっても同様である。このようなΔｚは、例えば次のようにして求められる。位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームの焦点距離をｆ_SLM、前段レンズ３１の焦点距離をｆ_１、後段レンズ３２の焦点距離をｆ_２、位相変調面２０ａと前段レンズ３１との距離をｆ_１、前段レンズ３１と後段レンズ３２との距離をｆ_１＋ｆ_２とすると、フレネル型キノフォームと前段レンズ３１との合成焦点距離ｆ’は、次の数式（７）によって算出される。

これと同様に、合成焦点距離ｆ’と後段レンズ３２との合成焦点距離ｆは、次の数式（８）によって算出される。

そして、Δｚは次の数式（９）によって算出される。

なお、本実施形態の光学系３０Ａにおいて、前段レンズ３１及び後段レンズ３２は、それぞれが単一のレンズから成ってもよく、また、それぞれが複数のレンズから成ってもよい。また、光学系３０Ａは、前段レンズ３１及び後段レンズ３２に加えて、別のレンズを含んでもよい。その場合、別のレンズの焦点距離を上記の合成焦点距離ｆの計算に含めるとよい。また、光学系３０Ａは、前段レンズ３１及び後段レンズ３２に加えて、レンズ以外の光学部品（例えば、ビームスプリッタ、波長板、偏光子、スキャナなど）を、大きな波面収差が生じない程度に含んでもよい。

以上に説明した、本実施形態による光照射装置１Ａによって得られる効果について説明する。前述したように、非特許文献１に記載された装置では、図１２に示されたように、集光点Ｐ１において変調光Ｌａを一旦収束させているため、レンズ１０８から出力される変調光Ｌａの集光点Ｐ２の光軸方向における可変範囲は、レンズ１０８の焦点深度程度であり、極めて小さい。したがって、光軸方向における変調光Ｌａの照射位置を可変とするためには、テレセントリック光学系１０４や照射対象物を光軸方向に移動させる必要があり、装置の構造が複雑になってしまう。つまり、空間光変調器１０２に表示されるフレネルレンズの焦点距離をｄ、レンズ１０６の焦点距離をｆａとすると、空間光変調器１０２とレンズ１０６との距離がｄ＋ｆａとなるように、テレセントリック光学系１０４をステージなどによって移動させなくてはならない。また、レンズ１０８の焦点距離をｆｂとすると、レンズ１０８から距離ｆｂを隔てた位置に対象物を配置する必要があるので、テレセントリック光学系１０４と同時に対象物の位置をも移動させなくてはならない。

このような問題点に対し、本実施形態の光照射装置１Ａでは、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームを変更することのみによって、光学系３０Ａを移動させることなく、光軸方向における変調光Ｌ２の照射位置（すなわち集光点の位置、Δｚ）を変化させることができる。したがって、この光照射装置１Ａによれば、光軸方向における変調光Ｌ２の照射位置の変化を、簡易な構成によって容易に行うことができ、装置の小型化が可能となる。また、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームとしてフレネル型キノフォームを採用しているので、変調光Ｌ２の照射位置の可変範囲を十分に広くすることができる。また、読み出し光Ｌ１の光強度分布や波長が変動した場合であっても、光学系３０Ａを移動させることなく、キノフォームの変更のみによって変調光Ｌ２の照射位置を調整することができる。

また、照射対象物Ｂに照射される変調光Ｌ２の光軸を変更する場合においても、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームを変更することのみによって、光学系３０Ａを移動させることなく変更することができる。したがって、このような光軸の変更も容易に行うことができる。更には、光学系３０Ａを交換することなく、開口数（ＮＡ）を変更することも容易にできる。また、照射対象物Ｂに照射される変調光Ｌ２の光量の調整も容易である。

また、この光照射装置１Ａによれば、顕微鏡の拡大倍率を変更するために対物レンズ（後段レンズ３２）が交換された場合であっても、キノフォームの変更のみによって変調光Ｌ２の形状を維持することができ、光学系の変更を不要とすることができる。

また、この光照射装置１Ａによれば、フーリエ型ＣＧＨでは実現困難な、強度均一性の高い直線などの連続した断面形状を有する照明光を容易に実現することができる。また、この光照射装置１Ａによれば、同時に照明される照射対象物Ｂの領域は平面的な領域に限られず、立体的な領域を同時に照明することもできる。

また、この光照射装置１Ａによれば、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームとしてフレネル型キノフォームを採用しているので、前述したように０次光成分による影響を抑えることができる。したがって、例えばこの光照射装置１Ａが蛍光顕微鏡に適用される場合には、退色（Photobleach）を小さく抑えることができる。

また、この光照射装置１Ａでは、変調光Ｌ２の光強度分布を実験的に計測し、その計測結果をキノフォームの設計にフィードバックしてもよい。これにより、使用者側の需要に適合し且つ汎用性の高い態様での照明が可能となる。なお、変調光Ｌ２の光強度分布を計測する際には、変調光Ｌ２の集光面と同じ像面を観察可能な位置に計測器を配置するとよい。

また、この光照射装置１Ａでは、読み出し光源１０とは別に参照用光源及び波面センサを更に設けることにより、変調光Ｌ２に対して光学的な補償を行ってよい。このとき、波面センサの検出結果から算出された補償用波面は、上述したキノフォーム算出の際の初期値として与えられるとよい。

なお、この光照射装置１Ａは、近年盛んに研究されているＳＩＭ（Structured Illumination Microscopy）への適用も可能である。

（第１の変形例）
図８は、上記実施形態の第１変形例として、光照射装置１Ｂの構成を示す図である。この光照射装置１Ｂは、上記実施形態の光学系３０Ａに代えて、光学系３０Ｂを備えている。なお、光学系３０Ｂを除く他の構成については、上記実施形態と同様である。

本変形例の光学系３０Ｂは、前段レンズ３１と、後段レンズ３３とを有する。前段レンズ３１及び後段レンズ３３は、いわゆるガリレイ型アフォーカル系を成しており、後段レンズ３３は凹レンズである。このような構成を備える光照射装置１Ｂであっても、上述した光照射装置１Ａと同様の作用効果を奏することができる。但し、本変形例では、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームの位相分布の正負を反転する必要があり、また、後段レンズ３３は凹レンズとなるので通常の対物レンズを使用することができない。なお、本変形例において、Δｚの算出方法は上記実施形態と同様である。

（第２の変形例）
図９は、上記実施形態の第２変形例として、光照射装置１Ｃの構成を示す図である。この光照射装置１Ｃは、上記実施形態の光照射装置１Ａの構成に加えて、観察光学系４０Ａを備えている。この観察光学系４０Ａは、照射対象物Ｂを支持するステージ５０に対して照射対象物Ｂと同じ側に配置されている。

本変形例の観察光学系４０Ａは、ビームスプリッタ４１と、画像取得用センサ４２とを有する。ビームスプリッタ４１は、位相変調面２０ａと前段レンズ３１との間に光学的に結合されている。ビームスプリッタ４１は、位相変調面２０ａから出射された変調光Ｌ２を前段レンズ３１に向けて透過するとともに、後段レンズ３２及び前段レンズ３１を介して得られる照射対象物Ｂに関する光像Ｌ４を、画像取得用センサ４２に向けて反射する。画像取得用センサ４２は、ビームスプリッタ４１と光学的に結合された光検出面を有し、光像Ｌ４を撮像して画像データを生成する。前段レンズ３１から画像取得用センサ４２までの光学距離は、前段レンズ３１の焦点距離と略等しいか、その焦点距離に近いことが好ましい。なお、ビームスプリッタ４１と画像取得用センサ４２との間に、リレーレンズといった光学系や、フィルタなどの光学部品が設けられてもよい。

画像取得用センサ４２は、一次元センサ、二次元イメージセンサ、及び分光器のうちの何れであってもよく、或いはこれらを併用してもよい。画像取得用センサ４２が一次元センサである場合には、前段レンズ３１と画像取得用センサ４２との間にピンホールを配置し、共焦点系を構成してもよい。なお、画像取得用センサ４２は、光検出面の位置を可変にする位置調整機構を有することが好ましい。また、画像取得用センサ４２の光検出面は、光像Ｌ４の集光面に位置することが好ましい。

（第３の変形例）
図１０は、上記実施形態の第３変形例として、光照射装置１Ｄの構成を示す図である。この光照射装置１Ｄは、上記実施形態の光照射装置１Ａの構成に加えて、観察光学系４０Ｂを備えている。この観察光学系４０Ｂは、照射対象物Ｂを支持するステージ５０に対して照射対象物Ｂと同じ側に配置されている。

本変形例の観察光学系４０Ｂは、第２変形例の観察光学系４０Ａの構成（ビームスプリッタ４１及び画像取得用センサ４２）に加えて、結像レンズ４３を有する。結像レンズ４３は、ビームスプリッタ４１と画像取得用センサ４２の光検出面との間に光学的に結合されている。結像レンズ４３から画像取得用センサ４２までの光学距離は、結像レンズ４３の焦点距離と略等しいか、その焦点距離に近いことが好ましい。なお、ビームスプリッタ４１と画像取得用センサ４２との間に、リレーレンズといった光学系や、フィルタなどの光学部品が更に設けられてもよい。また、画像取得用センサ４２の光検出面は、光像Ｌ４の集光面に位置することが好ましい。

（第４の変形例）
図１１は、上記実施形態の第４変形例として、光照射装置１Ｅの構成を示す図である。この光照射装置１Ｅは、上記実施形態の光照射装置１Ａの構成に加えて、観察光学系４０Ｃを備えている。この観察光学系４０Ｃは、照射対象物Ｂを支持するステージ５０に対して照射対象物Ｂとは反対側に配置されており、ステージ５０を透過した光像Ｌ４を観察する。

観察光学系４０Ｃは、結像レンズ４４と、対物レンズ４５と、画像取得用センサ４６とを有する。結像レンズ４４は、画像取得用センサ４６の光検出面と光学的に結合されている。また、対物レンズ４５は、結像レンズ４４と照射対象物Ｂとの間に配置され、一方の面が結像レンズ４４と光学的に結合され、他方の面が照射対象物Ｂと光学的に結合されている。観察光学系４０Ｃは、このような構成を有することにより、照射対象物Ｂに関する光像Ｌ４を撮像して画像データを生成する。

結像レンズ４４から画像取得用センサ４６までの光学距離は、結像レンズ４４の焦点距離と略等しいか、その焦点距離に近いことが好ましい。なお、結像レンズ４４と画像取得用センサ４６との間に、リレーレンズといった光学系や、フィルタなどの光学部品が設けられてもよい。

画像取得用センサ４６は、一次元センサ、二次元イメージセンサ、及び分光器のうちの何れであってもよく、或いはこれらを併用してもよい。画像取得用センサ４６が一次元センサである場合には、結像レンズ４４と画像取得用センサ４６との間にピンホールを配置し、共焦点系を構成してもよい。なお、画像取得用センサ４６は、光検出面の位置を可変にする位置調整機構を有することが好ましい。また、画像取得用センサ４６の光検出面は、光像Ｌ４の集光面に位置することが好ましい。

以上、本発明に係る光照射装置、顕微鏡装置、レーザ加工装置、及び光照射方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上記実施形態に限られず、レーザー加工装置などの光照明装置としても用いることができる。また、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

（付記）
本発明に係る光照射装置は、次の特徴を備えてもよい。すなわち、光照射装置は、照射対象物に光を照射するための光照射装置であって、光を出力する光源と、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、フレネル型キノフォームを前記位相変調面に表示することにより、前記複数の領域毎に前記光源から出力された光の位相を変調して、変調光を出射する空間光変調器と、前記空間光変調器の前記位相変調面と光学的に結合された第１のレンズ、及び前記第１のレンズと前記照射対象物との間に光学的に結合された第２のレンズを有し、前記位相変調面と前記照射対象物とを光学的に結合する両側テレセントリック光学系とを備え、前記位相変調面と前記第１のレンズとの光学距離が前記第１のレンズの焦点距離と等しいことを特徴としてもよい。

また、前記フレネル型キノフォームは、前記第１のレンズに向けて前記変調光を縮径させるキノフォームを含むことを特徴としてもよい。また、前記フレネル型キノフォームは、前記第１のレンズに向けて前記変調光を拡径させるキノフォームを含むことを特徴としてもよい。また、前記フレネル型キノフォームは、前記照射対象物における前記変調光の形状を、円形状、矩形状、又は直線状とするキノフォームであることを特徴としてもよい。

１Ａ〜１Ｅ…光照射装置、１０…光源、１２…前段光学系、２０…空間光変調器、２０ａ…位相変調面、３０Ａ，３０Ｂ…（両側テレセントリック）光学系、３１…前段レンズ、３２，３３…後段レンズ、４０…制御部、４０Ａ〜４０Ｃ…観察光学系、４１…ビームスプリッタ、４２，４６…画像取得用センサ、４３，４４…結像レンズ、４５…対物レンズ、５０…ステージ、Ｂ…照射対象物、Ｆ１…ターゲット面、Ｌ１…読み出し光、Ｌ２，Ｌ３…変調光、Ｌ４…光像。

Claims (9)

1. 照射対象物に光を照射するための光照射装置であって、
   光を出力する光源と、
   二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、前記複数の領域毎に前記光源から出力された光の位相を変調して、変調光を出射する空間光変調器と、
   前記空間光変調器に制御信号を提供する制御部と、
   前記空間光変調器の前記位相変調面と光学的に結合された第１のレンズ、及び前記第１のレンズと光学的に結合された第２のレンズを有し、前記照射対象物に前記変調光を照射する両側テレセントリック光学系とを備え、
   前記位相変調面と前記第１のレンズとの光学距離が前記第１のレンズの焦点距離と等しいことを特徴とする、光照射装置。
2. 前記制御部は、前記制御信号によって、前記第２のレンズの光軸方向における前記変調光の集光点の位置を制御することを特徴とする、請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記制御部は、前記制御信号によって、前記照射対象物に照射される前記変調光の光強度を制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載の光照射装置。
4. 前記制御部は、前記制御信号によって、前記変調光の集光点の大きさを制御することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光照射装置。
5. 前記制御部は、前記制御信号によって、前記照射対象物おける前記変調光の形状を制御することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光照射装置。
6. 前記第２のレンズは対物レンズであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光照射装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の光照射装置と、
   前記照射対象物に関する光像を撮像する画像取得用センサを有する観察光学系と、
   を備えることを特徴とする、顕微鏡装置。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の光照射装置を備え、
   前記光源はレーザ光を出力することを特徴とする、レーザ加工装置。
9. 照射対象物に光を照射するための光照射方法であって、
   二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有する空間光変調器によって、光源から出力された光の位相を前記複数の領域毎に変調するステップと、
   前記空間光変調器の前記位相変調面と光学的に結合された第１のレンズ、及び前記第１のレンズと光学的に結合された第２のレンズを有する両側テレセントリック光学系によって、前記照射対象物に変調光を照射するステップとを備え、
   前記位相変調面と前記第１のレンズとの光学距離が前記第１のレンズの焦点距離と等しいことを特徴とする、光照射方法。