JP4606831B2

JP4606831B2 - 光パターン形成方法および装置、ならびに光ピンセット装置

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Publication number: JP4606831B2
Application number: JP2004290620A
Authority: JP
Inventors: 昇央福智; 泰則伊ケ崎; 卓井上
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: US7527201B2; JP4664031B2; CN1755429A; US20060043184A1; JP2006072280A; JP2006072279A; CN100442106C

Description

この発明は、空間光変調器を用いた光パターンの形成に関する。

位相変調型の空間光変調器であるＰＡＬ−ＳＬＭ（Parallel-Aligned Liquid crystal Spatial Light Modulator：平行配向型ネマチック液晶空間光変調器）の応用技術として、二次元の光パターンを高い光利用効率（理論的には、ほぼ１００％）で作成する光パターン形成（波面整形）技術がある。現在、光パターン形成技術は、レーザ加工や光ピンセットの分野で注目されている。レーザ加工の分野では任意のパターンを刻印するレーザマーキング・レーザ加工に、また、光ピンセットなどの粒子捕捉の分野では多点制御に、光パターン形成技術を応用することができる。

読出し光をＰＡＬ−ＳＬＭによって位相変調し、その変調光をフーリエ変換して光パターンを形成すると、その光パターンには、位相変調に応じた所望のパターンの他に、位相変調の影響を受けない０次光も現れる。０次光が出現する原因は、ＰＡＬ−ＳＬＭのＭＴＦ（変調伝達関数）や面精度の影響に起因して理想の位相変調とのずれが生じるためである。０次光はノイズであるため、光パターン形成の応用分野では問題となることも考えられる。例えば、レーザ加工応用では０次光の部分が強く加工されてしまうことになり、光ピンセット応用では０次光の部分に試料をトラップしてしまうことになる。そこで、０次光を遮断するために、０次光用の遮蔽板を光路上に配置する手法（特許文献１を参照）や、ＰＡＬ−ＳＬＭの光アドレス部において０次光が入射する位置に不感応部分を設ける手法（特許文献２を参照）が提案されている。
特開２００１−２７２６３６号公報特開平７−２８０８５号公報

しかし、上記の手法によって形成できる光パターンの形状は、０次光から十分に分離されたものに制限される。目的の光パターンが０次光に近かったり０次光と重なっていたりすると、０次光と一緒に光パターンまで遮断されてしまい、光パターンの形状を損ねてしまうためである。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、光パターンの形状を制限することなく０次光を低減することの可能な光パターン形成方法および装置、ならびに光ピンセット装置を提供することを課題とする。

一つの側面において、本発明は、位相変調型の空間光変調器を用いて０次光の輝度が低減された光パターンを形成する方法に関する。この方法は、前記光パターンに対応する主位相パターンに、所定の波面歪みを補正する副位相パターンを足し合わせて位相パターンを作成するステップと、位相変調型の空間光変調器にその位相パターンを入力し、平面波に上記の波面歪みを与えて生成された読出し光を空間光変調器に照射し、読出し光を上記の位相パターンに応じて位相変調するステップと、その位相変調された読出し光を、レンズを用いてフーリエ変換し、出力面上に結像させるステップとを備えている。

読出し光に与えられる波面歪みによって０次光の結像度が低下するので、０次光の輝度が出力面上で低減される。読出し光の０次光以外の成分に与えられる波面歪みは、副位相パターンによって補正される。これにより、出力面上における光パターンのぼけが防止される。

位相パターンを作成するステップは、波面歪みの位相分布の符号を反転させて副位相パターンを作成してもよい。

別の側面において、本発明は、０次光の輝度が低減された光パターンを形成する装置に関する。この装置は、入力される位相パターンに応じて読出し光を位相変調する位相変調型の空間光変調器と、形成すべき光パターンに対応する主位相パターンに、所定の波面歪みを補正する副位相パターンを足し合わせて位相パターンを作成し、上記の位相パターンを空間光変調器に入力する制御装置と、平面波に上記の波面歪みを与えて読出し光を生成し、その読出し光を空間光変調器に照射する発光装置と、空間光変調器によって位相変調された読出し光をフーリエ変換して出力面上に結像させるレンズを備えている。

制御装置は、波面歪みの位相分布の符号を反転させて副位相パターンを作成してもよい。

制御装置は、位相パターンを電気的な画像信号として空間光変調器に入力してもよい。空間光変調器は、その画像信号に応じた光学像を表示する液晶表示装置と、液晶表示装置に照明光を照射してその光学像を投影する照明装置と、読出し光および投影された光学像を受光し、その光学像の強度分布に応じて読出し光を位相変調する変調素子を有していてもよい。

更に別の側面において、本発明は、上記の光パターン形成装置を備える光ピンセット装置に関する。この光ピンセット装置は、その光パターン形成装置によって形成された光パターンを試料に照射して試料を捕捉する。

本発明は、０次光を遮断するのではなく０次光の結像度を低下させるので、光パターンの形状を制限することなく０次光を低減することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施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。

第１実施形態
図１は、本実施形態の光パターン形成装置１０の構成を示す概略図である。光パターン形成装置１０は、空間光変調器１２、制御装置１４、読出し光源１６、ビームエキスパンダ１８、コリメータレンズ２０、位相板２１およびフーリエ変換レンズ２２を有しており、所望の二次元的な光パターンを出力面２４上に形成することができる。

空間光変調器１２は、電気アドレス型の位相変調型空間光変調器の一例であり、ＰＰＭ（Programmable Phase Modulator：プログラマブル位相変調器）と呼ばれる。空間光変調器１２は、書込み光源３０、透過型のＬＣＤ（Liquid Crystal Display：液晶ディスプレイ）３２、結像レンズ３４、およびＰＡＬ−ＳＬＭ（Parallel-Aligned Liquid crystal Spatial Light Modulator：平行配向型ネマチック液晶空間光変調器）３６を有している。

書込み光源３０は、一様な二次元強度分布を有する平面波の書込み光３８をＬＣＤ３２に照射する。書込み光源３０は、例えば、レーザ素子と、そのレーザ素子から発するコヒーレントなレーザ光をコリメートするコリメータレンズから構成される。ただし、書込み光源３０がレーザ光源に限られるわけではない。

ＬＣＤ３２は、制御装置１４から入力される電気的な画像信号に応じた画像を表示する。ＬＣＤ３２は、書込み光３８を透過させ、書込み光３８の強度分布を表示画像の輝度分布に応じて変調する。つまり、ＬＣＤ３２は、書込み光３８を表示画像のパターンに応じて強度変調する電気アドレス型の強度変調型空間光変調器である。

結像レンズ３４は、強度変調された書込み光３８をＰＡＬ−ＳＬＭ３６上に結像させる。つまり、書込み光源３０および結像レンズ３４は、ＬＣＤ３２上に表示された画像をＰＡＬ−ＳＬＭ３６上に投影する。

ＰＡＬ−ＳＬＭ３６は、光アドレス型の位相変調型空間光変調器である。ＰＡＬ−ＳＬＭ３６の構造および動作は公知なので、ここでは簡単に説明するにとどめる。なお、ＰＡＬ−ＳＬＭ３６の詳細な説明は、例えば国際公開第０３／０３６３６８号パンフレットに開示されている。

ＰＡＬ−ＳＬＭ３６は、その後部に照射された書込み光３８によって光アドレスされ、前部に照射された読出し光２６を位相変調して、書込み光３８の強度分布に応じた二次元位相分布を読出し光２６に与える。ＰＡＬ−ＳＬＭ３６の後部には光導電層が設けられ、前部には液晶層が設けられている。液晶層および光導電層は一対の透明電極によって挟まれており、これらの透明電極を介して液晶層に電圧が印加される。強度変調された書込み光３８が光導電層に照射されると、液晶層には書込み光の強度分布に応じた屈折率分布が形成される。この液晶層に読出し光２６が照射されると、その屈折率分布に応じて読出し光２６が位相変調される。こうして、書込み光３８の強度分布に応じた位相分布が読出し光２６に与えられる。ＰＡＬ−ＳＬＭ３６は、反射型の位相変調器であり、液晶層と光導電層の間にはミラー層が設けられている。位相変調された読出し光２６は、ミラー層によって反射され、ＰＡＬ−ＳＬＭ３６から出射する。

制御装置１４は、所望の光パターンに応じたＣＧＨ（Computer Generated Hologram：コンピュータ合成ホログラム）を作成し、そのＣＧＨに対応する画像信号をＬＣＤ３２に供給して、ＣＧＨの画像をＬＣＤ３２上に表示させる。ＣＧＨは、ＰＡＬ−ＳＬＭ３６による位相変調を制御するデータであり、読出し光２６に与える位相の二次元分布、すなわち位相パターンを示している。ＣＧＨ画像において各画素の輝度は位相値を示している。空間光変調器１２は、ＣＧＨ画像の輝度分布に応じて読出し光２６を位相変調する。制御装置１４の一例は、ＣＧＨ作成ソフトウェアがインストールされたコンピュータシステムである。ＣＧＨは、シミユレーティッドアニーリング手法やキノホーム手法など、任意の手法により作成することができる。

読出し光源１６、ビームエキスパンダ１８、コリメータレンズ２０および位相板２１は、空間光変調器１２に読出し光２６を照射する発光装置２８を構成している。読出し光２６は、読出し光源１６から出射し、ビームエキスパンダ１８、コリメータレンズ２０および位相板２１を介してＰＡＬ−ＳＬＭ３６に照射される。

本実施形態では、読出し光源１６はレーザ素子であり、コヒーレントで直線偏光のレーザ光を生成する。ただし、読出し光源１６がレーザ光源に限られるわけではない。ビームエキスパンダ１８は、このレーザ光の径を拡大し、コリメータレンズ２０は、このレーザ光をコリメートする。このように、読出し光源１６、ビームエキスパンダ１８およびコリメータレンズ２０は、平面波を生成する光学系を構成する。

位相板２１は、透過型の位相変調型空間光変調器である。位相板２１は、位相板２１を透過する平面波の波面に不均一な位相分布を与えて、波面を歪ませる。この波面歪みは固定されており、位相板２１を取り替えない限り、変化しない。位相板２１は、例えば、平面波の波面に不規則な位相分布を与えるランダム位相板であってもよい。こうして、波面の歪んだ読出し光２６がＰＡＬ−ＳＬＭ３６に照射される。本実施形態では、読出し光源１６は、読出し光２６がＰＡＬ−ＳＬＭ３６内の液晶層にｐ偏光として入射するように配置されている。ただし、読出し光２６の入射角度が小さい場合には、読出し光２６が液晶層にｓ偏光として入射するように読出し光源１６を配置してもよい。

ＰＡＬ−ＳＬＭ３６内の光導電層には、結像レンズ３４によってＬＣＤ３２上のＣＧＨ画像が投影される。この投影像の二次元強度分布に応じて光導電層のインピーダンスが変化するので、液晶層に印加される電圧は、ＣＧＨ画像の強度分布に応じた分布を有することになる。液晶分子の傾斜角度は印加電圧に依存するので、結果として、ＣＧＨ画像の強度分布に応じた屈折率分布が液晶層に形成される。液晶層を透過する読出し光２６の波面には、この屈折率分布に応じた二次元位相分布が与えられる。こうして位相変調された読出し光２６は、液晶層と光導電層の間に配置されたミラー層によって反射され、ＰＡＬ−ＳＬＭ３６からフーリエ変換レンズ２２に向かって出射する。

フーリエ変換レンズ２２は、位相変調された読出し光２６を受光してフーリエ変換し、出力面２４上に光学像を結ばせる。ここで、出力面２４はフーリエ変換面である。この光学像は、読出し光２６の位相分布に応じた強度分布を有する。こうして、光パターンが出力面２４上に形成される。読出し光２６が十分なパワーを有していれば、光パターン形成装置１０をレーザ加工装置として利用し、出力面２４上に配置された物体の表面を所望のパターンに加工することが可能になる。

一般に、位相変調型空間光変調器によって変調された光をフーリエ変換する際には、０次光が発生する。０次光は、読出し光に与えられる位相分布とは無関係に現れるノイズである。本実施形態では、位相板２１を用いて読出し光２６のうち０次光のみの結像度を低下させることにより光パターン周辺における０次光の輝度を低減する。以下では、この点について詳細に説明する。

まず、本実施形態との比較のため、０次光の結像度を低下させない例を説明する。この比較例では、光パターン形成装置１０から位相板２１を取り除いて使用する。図２（ａ）は、この比較例においてＬＣＤ３２に入力されるＣＧＨを示す写真であり、図２（ｂ）は、このＣＧＨを用いて出力面２４上に形成される光パターンを示す写真である。以下では、形成しようとする光パターンを「ターゲットパターン」と呼ぶことにする。

図２（ａ）のＣＧＨは、図２（ｂ）に示されるような星型のターゲットパターンに対応する位相パターンである。このＣＧＨは、ターゲットパターン内の光量分布を均一にするように計算されている。しかし、図２（ｂ）に示されるように、実際に形成された星型パターンの中心には、０次光が高い輝度の輝点として現れる。

出力面２４上での０次光の輝度を低減するため、本実施形態では、位相板２１を用いて読出し光２６の波面に歪みを与える。この波面歪みは、出力面２４上での結像度を低下させる。光パターン形成装置１０において空間光変調器１２を動作させずミラーの役割をさせた場合、出力面２４上における読出し光２６の像は、位相板２１がない場合に比べてぼけることになる。

本実施形態では、この波面歪みを利用して、０次光についてのみ結像度を低下させ、出力面２４上における０次光の輝度を低減する。位相板２１による波面歪みが出力面２４上の光パターンに与える影響を除去するため、制御装置１４は、ターゲットパターン用の位相パターンに、その波面歪みを補正する位相パターンを足し合わせてＣＧＨを作成する。

図３は、この波面歪み補正パターンの一例を示す写真である。この波面歪み補正パターンは、位相板２１が読出し光２６に与える波面歪みと相殺する位相変調を読出し光２６に与える。波面歪みの位相分布は、位相板２１を透過した平面波の波面を波面センサで計測することにより測定できる。波面歪みの位相分布が特定されれば、その波面歪みを補正する位相パターンを計算することができる。例えば、波面歪みの位相分布の符号を反転することにより波面歪み補正パターンを作成してもよい。

星型の光パターンを形成する場合、制御装置１４は、図２（ａ）に示される位相パターンに図３の波面歪み補正パターンを足し合わせてＣＧＨを作成し、そのＣＧＨを表す画像信号をＬＣＤ３２に供給する。図４（ａ）は、このＣＧＨを示す写真である。このＣＧＨは、シミュレーティッドアニーリング手法によって作成されたものである。上述のように、位相パターンの各画素の輝度は位相値を表すから、二つの位相パターンの足し合わせは、対応する画素同士の位相値の足し合わせを意味する。ＬＣＤ３２への入力が０から２５５までの輝度値を有する２５６階調の画像信号である場合、制御装置１４は、位相パターンの足し合わせによって画素の輝度値が２５５を越えたら、足し合わせ後の数値から２５５を引いた数値をその画素の輝度値にするという演算を行って画像信号を生成する。

制御装置１４は、こうして作成したＣＧＨに対応する画像信号を生成し、ＬＣＤ３２に入力する。波面歪み補正パターンの足し合わせにより、ＰＡＬ−ＳＬＭ３６での位相変調は、位相板２１による波面歪みを打ち消すことになる。この結果、出力面２４にはターゲットパターンがぼけることなく形成される。ＰＡＬ−ＳＬＭ３６での位相変調の際、読出し光２６から０次光が生じるが、この０次光はＰＡＬ−ＳＬＭ３６による位相変調を受けないので、０次光には波面歪みが残る。この波面歪みのために、出力面２４上で０次光の結像度が低下し、０次光がぼけることになる。

図４（ｂ）は、波面歪み補正パターンを足し合わせた図４（ａ）のＣＧＨを用いて出力面２４上に形成される光パターンを示している。波面歪み補正パターンを足し合わせずに形成した図２（ｂ）の光パターンと比較すると明らかなように、出力面２４上で０次光の輝度が低下し、目立たなくなっている。

このように、読出し光２６に波面歪みを与えることにより、出力面２４上で０次光をぼかし、その輝度を低減することができる。読出し光２６の０次光以外の成分に与えられた波面歪みは補正用の位相パターンによって補正されるので、出力面２４上における光パターンのぼけを防止することができる。しかも、０次光を遮断しないため、光パターンの形状を損ねることがない。したがって、光パターンの形状が制限されることもない。

第２実施形態
以下では、本発明の第２の実施形態を説明する。図５は、本実施形態の光パターン形成装置の構成を示す概略図である。この光パターン形成装置４０は、第１実施形態と同様の光パターン形成装置１０ａを用いて光パターンを形成し、その光パターンを顕微鏡５０内の観察面に結像させる。

光パターン形成装置１０ａ内には、読出し光２６を反射するミラー４１〜４３が配置されている。光パターン形成装置１０ａによって形成された光パターンの像は、リレーレンズ４４および４５によって顕微鏡５０内に転送される。この光パターンは、顕微鏡５０内のリレーレンズ５１、ミラー５２および対物レンズ５３によって試料台５４の底面に照射される。試料台５４には光パターンを透過させるための窓（図示せず）が設けられており、光パターンは、この窓を通過して試料台５４の上面、すなわち観察面で結像する。焦点合わせのために、対物レンズ５３と試料台５４との距離は調整可能になっている。

試料台５４の上面には、図示しないプレパラートを介して試料６０が載せられる。試料６０には、試料台５４の上方に配置された落射照明装置５６から白色照明光５８が照射される。この照明によって形成された試料６０の光学像は、対物レンズ５３、ミラー５２およびリレーレンズ５１によって顕微鏡５０の外部に伝送される。リレーレンズ４４および４５の間には、ビームスプリッタ４６が配置されている。試料６０の光学像は、リレーレンズ４５、ビームスプリッタ４６およびリレーレンズ４７によってＣＣＤカメラ４８まで伝送され、ＣＣＤカメラ４８によって撮像される。観察者は、ＣＣＤカメラ４８の出力画像を見ることで試料６０を観察することができる。

一つ以上の点像を含む光パターンを顕微鏡５０の観察面上に結像させれば、試料６０中の粒子を光の圧力によって各点像の位置に捕捉することが可能である。空間光変調器１２に入力するＣＧＨを制御して点像の位置を徐々に変化させれば、それに伴って捕捉された粒子を移動させることもできる。このように、光パターン形成装置４０は光ピンセット装置として機能する。以下では、複数の点像を有する光パターン、すなわち多点像パターンを使用するものとする。

図６（ａ）は、光パターン形成装置１０ａから位相板２１を取り除き、多点像パターン用の位相パターンのみからなるＣＧＨを空間光変調器１２に入力したときのＣＣＤカメラ４８の出力画像を示す写真である。このＣＧＨは、キノホーム手法で作成されたものである。図６（ａ）に示されるように、波面歪み補正パターンの足し合わせを行わないと、多点像パターン中に０次光（図６（ａ）において丸囲みされた白い輝点）が高い輝度で現れてしまう。多点像パターン中に０次光が存在する場合、０次光の位置でも粒子が捕捉される。しかし、意図しない位置で粒子が捕捉されるのは好ましくない。

図６（ｂ）は、位相板２１を発光装置２８内に設置し、多点像パターン用の位相パターンに図３の波面歪み補正パターンを足し合わせたＣＧＨを空間光変調器１２に入力したときのＣＣＤカメラ４８の出力画像を示す写真である。このＣＧＨもキノホーム手法で作成されたものである。位相板２１による読出し光２６の波面歪みよって０次光の結像度が低下する一方、波面歪み補正パターンによって０次光以外の成分の波面歪みは解消する。したがって、図６（ｂ）のように多点像パターン中において０次光のみがぼけ、その輝度が低下する。これにより、所望の位置でのみ粒子を捕捉することが可能となる。しかも、０次光を遮断しないため、点像の位置が制限されることもない。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

例えば、読出し光の波面に波面歪みを与える位相変調器として、位相板２１の代わりに、他の任意の位相変調型空間光変調器を使用することができる。これは透過型でも反射型でもよい。空間光変調器１２の代わりに、他の任意の電気アドレス型の位相変調型空間光変調器を使用することができる。例えば、透過型または反射型の位相変調型ＬＣＤや、ディフォーマブルミラーなどを採用することができる。ＬＣＤ３２の代わりに、他の任意の電気アドレス型の強度変調型空間光変調器を使用することができる。これは透過型でも反射型でもよい。ＰＡＬ−ＳＬＭ３６の代わりに、他の任意の光アドレス型の位相変調型空間光変調器を使用することができる。これは透過型でも反射型でもよい。

第１実施形態の構成を示す概略図である。比較例のＣＧＨおよび光パターンを示す写真である。波面歪み補正パターンを示す写真である。第１実施形態のＣＧＨおよび光パターンを示す写真である。第２実施形態の構成を示す概略図である。比較例および第２実施形態で形成される光パターンを示す写真である。

符号の説明

１０…光パターン形成装置、１２…空間光変調器、１４…制御装置、１６…読出し光源源、１８…ビームエキスパンダ、２０…コリメータレンズ、２１…位相板、２２…フーリエ変換レンズ、２４…出力面、２６…読出し光、２８…発光装置、３０…書込み光源、３２…ＬＣＤ、３４…結像レンズ、３６…ＰＡＬ−ＳＬＭ、３８…書込み光、４０…光ピンセット装置、５０…顕微鏡

Claims

位相変調型の空間光変調器を用いて、０次光の輝度が低減された光パターンを形成する方法であって、
前記光パターンに対応する主位相パターンに、所定の波面歪みを補正する副位相パターンを足し合わせて位相パターンを作成するステップと、
前記空間光変調器に前記位相パターンを入力し、平面波に前記波面歪みを与えて生成された読出し光を前記空間光変調器に照射して、前記読出し光を前記位相パターンに応じて位相変調するステップと、
その位相変調された読出し光を、レンズを用いてフーリエ変換し、出力面上に結像させるステップと、を備える光パターン形成方法。
前記位相パターンを作成するステップは、前記波面歪みの位相分布の符号を反転させて前記副位相パターンを作成する、請求項１に記載の光パターン形成方法。
０次光の輝度が低減された光パターンを形成する装置であって、
入力される位相パターンに応じて読出し光を位相変調する位相変調型の空間光変調器と、
前記光パターンに対応する主位相パターンに、所定の波面歪みを補正する副位相パターンを足し合わせて前記位相パターンを作成し、その位相パターンを前記空間光変調器に入力する制御装置と、
平面波に前記波面歪みを与えて前記読出し光を生成し、その読出し光を前記空間光変調器に照射する発光装置と、
前記空間光変調器によって位相変調された前記読出し光をフーリエ変換して出力面上に結像させるレンズと、を備える光パターン形成装置。
前記制御装置は、前記波面歪みの位相分布の符号を反転させて前記副位相パターンを作成する、請求項３に記載の光パターン形成装置。
前記制御装置は、前記位相パターンを電気的な画像信号として前記空間光変調器に入力し、
前記空間光変調器は、前記画像信号に応じた光学像を表示する液晶表示装置と、前記液晶表示装置に照明光を照射して前記光学像を投影する照明装置と、前記読出し光および投影された前記光学像を受光し、その光学像の強度分布に応じて前記読出し光を位相変調する変調素子を有している、請求項３または４に記載の光パターン形成装置。
請求項３〜５のいずれかに記載の光パターン形成装置を備え、その光パターン形成装置によって形成された光パターンを試料に照射して前記試料を捕捉する光ピンセット装置。