JP5474340B2 - 光変調装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射型の空間光変調器を備える光変調装置に関するものである。

特許文献１には、反射型の空間光変調器（ＳＬＭ：SpatialLight Modulator）を用いた装置が記載されている。この文献に記載された装置では、仮想基準直線上に二つのミラーが配置され、仮想基準直線から垂直方向にずれた位置に反射型のＳＬＭが配置されている。そして、仮想基準直線に沿って入射してくる入力光は一方のミラーで反射し、ＳＬＭに入射する。この光はＳＬＭにより変調され、他方のミラーで反射したのち仮想基準直線に沿って出力される。

近年、ＳＬＭをレーザ加工装置や顕微鏡等に応用する技術が研究されている。例えばレーザ加工装置にＳＬＭを応用する場合、位相変調型のＳＬＭによりレーザ光を位相変調し、その位相変調後のレーザ光を集光レンズにより加工部位に集光することにより、集光点における収差を補正して加工精度を高めることが可能となる。

ここで、ＳＬＭを顕微鏡に応用する場合には対象部位に光を当ててその部位を観察することが必要となるが、ＳＬＭをレーザ加工装置に応用する場合においても、加工位置を高精度に特定するために対象部位（加工部位）を観察できることが望ましい。そのため、一般的には、レーザ光とは波長が異なる照明光を対象部位に照射し、その照明光の照射に伴って対象部位で発生した反射光や散乱光（以下、観察光という）を受光することにより、その部位を観察する。
国際公開２００６／０３５７７５号パンフレット

特許文献１に記載されたような構成において、上述した照明光を用いて対象部位を観察する場合、例えばレーザ光と照明光とを同一の光路上に重ねて入力し、各ミラーやＳＬＭにおいてこれらの光を反射させたのち、対象部位から反射または散乱した観察光をレーザ光から分岐して受光することとなる。しかしながらこのような構成では、照明光及び観測光に含まれるレーザ光と同じ偏光成分もＳＬＭにより変調されてしまうので、観察光を受光する際の光量が低下し、解像度が劣化してしまう。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、観察光の解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察できる光変調装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による光変調装置は、レーザ光、及びレーザ光とは波長が異なりレーザ光が照射される対象部位を観察するために対象部位に照射される照明光を同一の光路上に出射する光源部と、照明光を透過する第１の透光性部材上に形成され、光源部から同一の光路でもって入射するレーザ光及び照明光を受け、レーザ光を反射させて照明光を透過させる第１の誘電体多層膜鏡と、第１の誘電体多層膜鏡からレーザ光を斜め前方より受け、該レーザ光を反射させつつ、二次元配列された複数の画素毎にレーザ光を変調する反射型の空間光変調器と、第１の透光性部材上、又は第１の透光性部材とは別に設けられ照明光を透過させる第２の透光性部材上に形成され、空間光変調器から受けたレーザ光を反射させるとともに、第１の誘電体多層膜鏡、及び少なくとも第１の透光性部材を透過した照明光を反射後のレーザ光と同一の光路上へ透過させる第２の誘電体多層膜鏡と、第２の誘電体多層膜鏡から同一の光路でもって入射する照明光及びレーザ光を受け、照明光及びレーザ光を集光する集光レンズとを備えることを特徴とする。

上記した光変調装置では、レーザ光および照明光が光源部から同一の光路上に入力されたのち、第１の誘電体多層膜鏡に入射する。この第１の誘電体多層膜鏡においてレーザ光および照明光は分岐され、レーザ光のみが反射型ＳＬＭに入射する。その後、反射型ＳＬＭによって変調されたレーザ光と照明光とは第２の誘電体多層膜鏡によって再び同一光路を進み、加工対象物や観察対象物の対象部位に達する。また、この対象部位における反射または散乱により得られる観察光は、上述した照明光と逆の光路を辿る。すなわち、この光変調装置によれば、照明光および観察光が反射型ＳＬＭによる変調を回避することができるので、観察光の解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察することができる。

また、光変調装置は、第１の透光性部材はプリズムから成り、第１の誘電体多層膜鏡が、プリズムの第１の面上に形成されており、第２の誘電体多層膜鏡が、プリズムの第２の面上に形成されており、照明光が第１の面からプリズム内に入射してプリズムの第３の面において全反射し、全反射した照明光はプリズム内を伝搬して第２の面に達することを特徴としてもよい。このような構成により、第１の誘電体多層膜鏡においてレーザ光および照明光の各光路を分岐し、第２の誘電体多層膜鏡においてこれらの光を再び同一光路とする構成を好適に実現できる。また、第１及び第２の誘電体多層膜鏡の角度や、これらを透過する照明光の光路を調整する必要がないので、当該光変調装置の組み立てを簡易にできる。

本発明による光変調装置によれば、観察光の解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による光変調装置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。

（第１の実施の形態）
先ず、本発明に係る光変調装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光変調装置１Ａの構成図である。この図に示される光変調装置１Ａは、光源１１、光源２１、観察部３１、ハーフミラー４１、ダイクロイックミラー４２、プリズム４３、反射型ＳＬＭ５１、駆動部５２、および集光レンズ６１を備える。

光源１１、光源２１、およびダイクロイックミラー４２は、本実施形態における光源部を構成する。光源１１は、被変調光であるレーザ光Ｌｒを出射するレーザ光源である。光源２１は、照明光Ｌｉを出射する照明光源である。なお、光源２１としては、例えばハロゲンランプが用いられる。ダイクロイックミラー４２は、特定波長の光を選択的に反射し、他の波長の光を透過させる。すなわち、ダイクロイックミラー４２は、光源１１から出射されて到達するレーザ光Ｌｒを反射させるとともに、光源２１から出射されて到達する照明光Ｌｉを透過させる。このダイクロイックミラー４２によって、互いに波長が異なるレーザ光Ｌｒ及び照明光Ｌｉは、プリズム４３へ向けて同一の光路上に出射される。

プリズム４３は、本実施形態における第１の透光性部材であり、少なくとも照明光Ｌｉを透過する透光性の材質から成る。プリズム４３は、その一断面が三角形状となる四面体を呈しており、該三角形状の三辺のうち一辺を含む第１の面４３ａと、他の一辺を含む第２の面４３ｂと、残りの一辺を含む第３の面４３ｃとを有する。なお、これらの面４３ａ〜４３ｃは全て、プリズム４３の厚さ方向と平行である。第１の面４３ａには、レーザ光Ｌｒを反射して照明光Ｌｉを透過する誘電体多層膜鏡（第１の誘電体多層膜鏡）４４ａが形成されており、第２の面４３ｂには、同様にレーザ光Ｌｒを反射して照明光Ｌｉを透過する誘電体多層膜鏡（第２の誘電体多層膜鏡）４４ｂが形成されている。

誘電体多層膜鏡４４ａは、ダイクロイックミラー４２から到達したレーザ光Ｌｒを反射型ＳＬＭ５１へ向けて反射させるとともに、照明光Ｌｉを透過させる。誘電体多層膜鏡４４ｂは、反射型ＳＬＭ５１から出射されて到達したレーザ光Ｌｒを集光レンズ６１へ向けて反射させるとともに、誘電体多層膜鏡４４ａからプリズム４３を介して受けた照明光Ｌｉを、反射後のレーザ光Ｌｒと同一の光路上へ透過させる。

なお、誘電体多層膜鏡４４ａを透過して第１の面４３ａからプリズム４３内へ入射した照明光Ｌｉは、第３の面４３ｃにおいて全反射し、プリズム４３を伝搬して第２の面４３ｂの誘電体多層膜鏡４４ｂに到達する。

反射型ＳＬＭ５１は、誘電体多層膜鏡４４ａにおいて反射したレーザ光Ｌｒを斜め前方より受け、該レーザ光Ｌｒを反射させつつ、二次元配列された複数の画素毎にレーザ光Ｌｒを変調する。本実施形態の反射型ＳＬＭ５１は、位相変調型のものであって、例えば以下に説明する構造を備える。

図２は、反射型ＳＬＭ５１の一例として、ＬＣＯＳ（LiquidCrystal on Silicon）型の構造を示す分解斜視図である。図２に示すように、この反射型ＳＬＭ５１は、シリコン基板５５と、シリコン基板５５上に設けられた金属電極層５６と、金属電極層５６上に設けられたミラー層５７と、ミラー層５７上に設けられた液晶層５８と、液晶層５８上に設けられた透明電極層５９と、透明電極層５９上に設けられたガラス板６０と、を備えている。金属電極層５６及び透明電極層５９は、複数行および複数列からなる二次元状に配置された複数の電極部５６ａ，５９ａを有しており、金属電極層５６の各電極部５６ａと透明電極層５９の各電極部５９ａとは、反射型ＳＬＭ５１の積層方向において互いに対向している。そして、一対の電極部５６ａ，５９ａによって、反射型ＳＬＭ５１における画素が規定される。

このように構成された反射型ＳＬＭ５１において、レーザ光Ｌｒは、外部からガラス板６０及び透明電極層５９を順次透過して液晶層５８に入射し、ミラー層５７によって反射されて、液晶層５８から透明電極層５９及びガラス板６０を順次透過して外部に出射される。このとき、互いに対向する一対の電極部５６ａ，５９ａ毎に電圧が印加され、その電圧に応じて、液晶層５８において互いに対向する一対の電極部５６ａ，５９ａに挟まれた部分の屈折率が変化している。これにより、複数の画素のそれぞれにおいて、レーザ光Ｌｒの進行方向と直交する所定の方向の成分の位相にずれが生じ、レーザ光Ｌｒが画素毎に整形（位相変調）されることとなる。

再び図１を参照すると、駆動部５２は、反射型ＳＬＭ５１の二次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調量を設定するものであり、その画素毎の位相変調量設定のための信号を反射型ＳＬＭ５１に与える。

集光レンズ６１は、誘電体多層膜鏡４４ｂから出射したレーザ光Ｌｒおよび照明光Ｌｉの光路上に配置される。集光レンズ６１は、反射型ＳＬＭ５１から出力され誘電体多層膜鏡４４ｂにおいて反射したレーザ光Ｌｒ、および誘電体多層膜鏡４４ｂを透過した照明光Ｌｉを集光して、レーザ光Ｌｒを対象物９１の対象部位（加工部位または観察部位）において結像させる。また、集光レンズ６１は、対象物９１において照明光Ｌｉが反射・散乱して生じる光（すなわち観察光Ｌｏ）を入力して、その観察光Ｌｏをプリズム４３へ向けて出力する。なお、集光レンズ６１としては、無限焦点対物レンズが好適に用いられる。

観察光Ｌｏは、照明光Ｌｉと同じ波長成分を含むので、集光レンズ６１から誘電体多層膜鏡４４ｂに達したのち、誘電体多層膜鏡４４ｂを透過してプリズム４３の内部を伝搬する。観察光Ｌｏは、プリズム４３の第３の面４３ｃにおいて反射したのち誘電体多層膜鏡４４ａを透過し、更にダイクロイックミラー４２を透過する。

ここで、ハーフミラー４１は、光源２１とダイクロイックミラー４２との間に配置される。ハーフミラー４１は、光源２１から出射された照明光Ｌｉをダイクロイックミラー４２へ向けて透過させるとともに、ダイクロイックミラー４２を透過して到達した観察光Ｌｏを観察部３１へ向けて反射させる。観察部３１は、ハーフミラー４１から到達した観察光Ｌｏを撮像素子により受光して、この観察光Ｌｏに基づく対象物９１の対象部位の画像を取得する。

続いて、本実施形態の光変調装置１Ａが備えるプリズム４３、反射型ＳＬＭ５１、および集光レンズ６１の具体的な構成例について説明する。図３は、プリズム４３、反射型ＳＬＭ５１、および集光レンズ６１を有するＳＬＭモジュール２の平面図である。また、図４は、図３に示すＳＬＭモジュール２のIV−IV線に沿った断面を示す側断面図であり、図５は、図３に示すＳＬＭモジュール２のＶ−Ｖ線に沿った断面を示す側断面図である。

図３〜図５を参照すると、ＳＬＭモジュール２は、筐体３と、筐体３の内部に収容されたプリズム４３および反射型ＳＬＭ５１と、筐体３の壁面に取り付けられた集光レンズ６１とを備える。筐体３は略直方体状の外観を有しており、その一対の側壁の一方に集光レンズ６１が取り付けられており、他方には開口３ａが設けられている。この開口３ａからは、光源部（光源１１、光源２１、およびダイクロイックミラー４２）からレーザ光Ｌｒおよび照明光Ｌｉが入射する。

プリズム４３は、その厚さ方向が、開口３ａと集光レンズ６１とを結ぶ軸線と直交するように、筐体３の底板３ｂ上に載置される。そして、プリズム４３の第１の面４３ａは筐体３の開口３ａに向けて配置され、第２の面４３ｂは集光レンズ６１に向けて配置される。プリズム４３の第３の面４３ｃは、筐体３の底板上に配置される。

反射型ＳＬＭ５１は、筐体３の内部においてプリズム４３の上方に配置される。反射型ＳＬＭ５１は、あおり機構４によって支持される。あおり機構４は、反射型ＳＬＭ５１の角度を調整するために筐体３に固定されており、反射型ＳＬＭ５１を吊下している。なお、あおり機構４と筐体３の天板３ｃとの間には、反射型ＳＬＭ５１を制御するための回路基板５が配置される。

以上の構成を備える本実施形態の光変調装置１Ａにおける作用および効果について説明する。本実施形態に係る光変調装置１Ａでは、レーザ光Ｌｒおよび照明光Ｌｉが光源部（光源１１、光源２１、およびダイクロイックミラー４２）から同一の光路上に入力されたのち、これらの光が誘電体多層膜鏡４４ａに入射する。この誘電体多層膜鏡４４ａにおいてレーザ光Ｌｒおよび照明光Ｌｉは分岐され、レーザ光Ｌｒのみが反射型ＳＬＭ５１に入射する。その後、反射型ＳＬＭ５１によって変調されたレーザ光Ｌｒと照明光Ｌｉとは誘電体多層膜鏡４４ｂによって再び同一光路を進み、加工対象物または観察対象物としての対象物９１の対象部位に達する。また、この対象部位における反射または散乱により得られる観察光Ｌｏは、上述した照明光Ｌｉと逆の光路を辿ってハーフミラー４１に達し、観察部３１において観察される。

このように、本実施形態に係る光変調装置１Ａにおいては、照明光Ｌｉおよび観察光Ｌｏがプリズム４３の内部を通過し、反射型ＳＬＭ５１には入射しない。すなわち、光変調装置１Ａによれば、照明光Ｌｉおよび観察光Ｌｏが反射型ＳＬＭ５１による変調を回避することができるので、観察部３１に入射する観察光Ｌｏの解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察することができる。

また、本実施形態のように、誘電体多層膜鏡４４ａ，４４ｂが形成される透光性部材としてプリズム４３を用い、照明光Ｌｉおよび観察光Ｌｏにプリズム４３内を伝搬させることによって、誘電体多層膜鏡４４ａにおいてレーザ光Ｌｒおよび照明光Ｌｉの各光路を分岐し、誘電体多層膜鏡４４ｂにおいてこれらの光を再び同一光路とする構成を好適に実現できる。また、このような構成によれば、誘電体多層膜鏡４４ａ，４４ｂの角度や、これらを透過する照明光Ｌｉの光路を調整する必要がないので、光変調装置１Ａの組み立てを簡易にできる。

（第２の実施の形態）
続いて、本発明に係る光変調装置の第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態に係る光変調装置１Ｂの構成図である。この図に示される光変調装置１Ｂと第１実施形態の光変調装置１Ａとの構成上の相違点は、誘電体多層膜鏡４４ａ，４４ｂが形成される透光性部材の態様である。なお、他の構成（光源１１、光源２１、観察部３１、ハーフミラー４１、ダイクロイックミラー４２、反射型ＳＬＭ５１、駆動部５２、および集光レンズ６１）の構成および作用に関しては、前述した第１実施形態と同様なので詳細な説明を省略する。

図６に示すように、光変調装置１Ｂは、図１に示したプリズム４３に代えて、本実施形態における第１の透光性部材としての透光板４５と、本実施形態における第２の透光性部材として透光板４５とは別に設けられた透光板４６とを備える。透光板４５，４６は、少なくとも照明光Ｌｉを透過する透光性の材質から成る。そして、透光板４５の板面には第１の誘電体多層膜鏡４４ａが形成されており、透光板４６の板面には第２の誘電体多層膜鏡４４ｂが形成されている。

第１実施形態と同様に、誘電体多層膜鏡４４ａは、ダイクロイックミラー４２から到達したレーザ光Ｌｒを反射型ＳＬＭ５１へ向けて反射させるとともに、照明光Ｌｉを透過させる。誘電体多層膜鏡４４ａを透過した照明光Ｌｉは透光板４５および透光板４６を透過して誘電体多層膜鏡４４ｂに達する。一方、レーザ光Ｌｒは反射型ＳＬＭ５１へ入射し、変調された後に誘電体多層膜鏡４４ｂに達する。誘電体多層膜鏡４４ｂは、レーザ光Ｌｒを集光レンズ６１へ向けて反射させるとともに、照明光Ｌｉを、反射後のレーザ光Ｌｒと同一の光路上へ透過させる。

以上の構成を備える本実施形態の光変調装置１Ｂにおいては、照明光Ｌｉおよび観察光Ｌｏが透光板４５、透光板４６という経路を通過し、反射型ＳＬＭ５１には入射しない。すなわち、光変調装置１Ｂにおいても、照明光Ｌｉおよび観察光Ｌｏが反射型ＳＬＭ５１による変調を回避することができるので、観察部３１に入射する観察光Ｌｏの解像度および光量を保ちつつ対象部位を観察することができる。

また、本実施形態では、誘電体多層膜鏡４４ａ，４４ｂが別個の透光板４５，４６上にそれぞれ形成され、誘電体多層膜鏡４４ａを透過した照明光Ｌｉが誘電体多層膜鏡４４ｂへ向けて伝播する。このような構成により、誘電体多層膜鏡４４ａにおいてレーザ光Ｌｒおよび照明光Ｌｉの各光路を分岐し、誘電体多層膜鏡４４ｂにおいてこれらの光を再び同一光路とする構成を好適に実現できる。

本発明による光変調装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記第１実施形態では第１の透光性部材としてプリズムを例示し、第２実施形態では第１及び第２の透光性部材として透光板を例示したが、本発明における第１の透光性部材や第２の透光性部材はこれらに限られるものではなく、照明光を透過し得る様々な材質・形状の部材によって構成されることができる。

第１実施形態に係る光変調装置１Ａの構成図である。 反射型ＳＬＭ５１の一例として、ＬＣＯＳ型の構造を示す分解斜視図である。 プリズム４３、反射型ＳＬＭ５１、および集光レンズ６１を有するＳＬＭモジュール２の平面図である。 図３に示すＳＬＭモジュール２のIV−IV線に沿った断面を示す側断面図である。 図３に示すＳＬＭモジュール２のＶ−Ｖ線に沿った断面を示す側断面図である。 第２実施形態に係る光変調装置１Ｂの構成図である。

符号の説明

１Ａ…光変調装置、１Ｂ…光変調装置、２…ＳＬＭモジュール、３…筐体、３ａ…開口、３ｂ…底板、３ｃ…天板、４…あおり機構、５…回路基板、１１，２１…光源、３１…観察部、４１…ハーフミラー、４２…ダイクロイックミラー、４３…プリズム、４３ａ…第１の面、４３ｂ…第２の面、４３ｃ…第３の面、４４ａ…（第１の）誘電体多層膜鏡、４４ｂ…（第２の）誘電体多層膜鏡、４５，４６…透光板、５１…反射型ＳＬＭ、５２…駆動部、６１…集光レンズ、９１…対象物、Ｌｉ…照明光、Ｌｏ…観察光、Ｌｒ…レーザ光。

Claims (2)

1. レーザ光、及び前記レーザ光とは波長が異なり前記レーザ光が照射される対象部位を観察するために前記対象部位に照射される照明光を同一の光路上に出射する光源部と、
   前記照明光を透過する第１の透光性部材上に形成され、前記光源部から同一の光路でもって入射する前記レーザ光及び前記照明光を受け、前記レーザ光を反射させて前記照明光を透過させる第１の誘電体多層膜鏡と、
   前記第１の誘電体多層膜鏡から前記レーザ光を斜め前方より受け、該レーザ光を反射させつつ、二次元配列された複数の画素毎に前記レーザ光を変調する反射型の空間光変調器と、
   前記第１の透光性部材上、又は前記第１の透光性部材とは別に設けられ前記照明光を透過させる第２の透光性部材上に形成され、前記空間光変調器から受けた前記レーザ光を反射させるとともに、前記第１の誘電体多層膜鏡、及び少なくとも前記第１の透光性部材を透過した前記照明光を反射後の前記レーザ光と同一の光路上へ透過させる第２の誘電体多層膜鏡と、
   前記第２の誘電体多層膜鏡から同一の光路でもって入射する前記照明光及び前記レーザ光を受け、前記照明光及び前記レーザ光を集光する集光レンズとを備えることを特徴とする、光変調装置。
2. 前記第１の透光性部材はプリズムから成り、
   前記第１の誘電体多層膜鏡が、前記プリズムの第１の面上に形成されており、
   前記第２の誘電体多層膜鏡が、前記プリズムの第２の面上に形成されており、
   前記照明光が前記第１の面から前記プリズム内に入射して前記プリズムの第３の面において全反射し、全反射した前記照明光は前記プリズム内を伝搬して前記第２の面に達することを特徴とする、請求項１に記載の光変調装置。
   

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