JP6302403B2 - ビーム整形装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビーム整形装置に関するものである。

非特許文献１，２には、ノイズの少ないホログラフィー照射のために、空間光変調素子を用いる方法が記載されている。この方法では、一つの空間光変調素子をフーリエ面に配置することによって、光の振幅及び位相分布をそれぞれ独立して制御する。

A. Jesacher et al., "Near-perfect hologram reconstruction with aspatial light modulator", Optics Express, Vol. 16, No. 4, pp.2597-2603 (2008) A. Jesacher et al., "Full phase and amplitude control of holographicoptical tweezers with high efficiency" , Optics Express, Vol. 16, No. 7, pp.4479-4486(2008)

従来より、例えばガウシアン分布に従う強度分布を有する入射光を、トップハット状の強度分布を有する光に変換する装置として、ホモジナイザが知られている。ホモジナイザは、エッチング処理によって位相パターンが書き込まれた２枚のガラス（レンズ）によって構成される。しかしながら、このような構成では、出力光の強度分布を任意に変更することは困難である。

そこで、電気信号によって位相パターンを任意に変更することが可能な空間光変調素子の利用が考えられる。特に、光損失を抑えたい場合には、位相変調型の空間光変調素子が好適である。しかしながら、位相変調型の空間光変調素子は、単独では強度変調を行うことができないので、入射光の強度分布がそのまま出力光の強度分布となる。したがって、例えばガウシアン分布に従う強度分布を有する入射光を、断面が四角形状でありトップハット状の強度分布を有する光に変換したり、或いは断面が円形状でありトップハット状の強度分布を有する入射光を、断面が四角形状でありトップハット状の強度分布を有する光に変換するといった、任意の断面形状および強度分布の光への変換は極めて難しい。

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、任意の断面形状および強度分布の光への変換が可能なビーム整形装置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、本発明によるビーム整形装置は、位相変調型の空間光変調素子により構成され、入射光の位相を変調するための第一位相パターンを表示する第一位相変調部と、位相変調型の空間光変調素子により構成され、第一位相変調部と光学的に結合され、第一位相変調部によって位相変調された光の位相を更に変調するための第二位相パターンを表示する第二位相変調部と、第一位相変調部及び第二位相変調部それぞれに第一位相パターン及び第二位相パターンそれぞれを与える制御部とを備え、第一位相パターン及び第二位相パターンが、第二位相変調部から出力される光の強度分布及び位相分布を所定の分布に近づけるための位相パターンであり、第一位相変調部及び第二位相変調部は、単一の反射型空間光変調素子により構成され、その光反射面のうち一部の領域が、第一位相変調部として使用され、他の一部の領域が、第一位相変調部と光学的に結合された第二位相変調部として使用されているとともに、第二位相パターンは、第一位相変調部によって位相変調された光の位相を打ち消すことを特徴とする。

このビーム整形装置では、位相変調型の空間光変調素子によって各々構成される第一位相変調部及び第二位相変調部が光学的に結合されており、入射光が第一位相変調部に入射し、出射光が第二位相変調部から取り出される。そして、第一位相変調部には、例えば所定の強度分布を与える第一位相パターンが表示され、所定の強度分布を有する光が第二位相変調部に入射する。このとき、第二位相変調部には例えば所定の位相分布が与えられる。これにより、任意の断面形状及び強度分布を有する出力光が得られる。このように、位相変調型の２つの空間光変調素子を用いることにより、位相分布だけでなく強度分布をも任意に制御することが可能となる。すなわち、このビーム整形装置によれば、任意の（動的な）断面形状および強度分布の光への変換が可能となる。

本発明によるビーム整形装置によれば、任意の断面形状および強度分布の光への変換が可能となる。

図１は、第１実施形態に係るビーム整形装置の構成を示す図である。 図２は、ビーム整形装置を含む光学系の一例を示す図である。 図３は、第二位相変調部に入射される光の強度分布の例を示す図である。 図４は、第二位相変調部に与えられる第二位相パターンの例を示す図である。 図５は、出射光の光軸方向と直交する断面の形状の例を示す図である。 図６は、第２変形例の構成を示す図である。 図７は、ＴＩＲＦ顕微鏡に用いられる光学系の例を示す図である。 図８は、（ａ）従来のＴＩＲＦ顕微鏡における励起光の例を示す図であって、光軸方向から対物レンズの射出瞳を観察した様子を概略的に示す図、及び（ｂ）第３変形例における励起光の様子を示す図であって、光軸方向から対物レンズの射出瞳を観察した様子を概略的に示す図である。 図９は、第二位相変調部に入射される光の強度分布の例を示す図である。 図１０は、第二位相変調部に与えられる第二位相パターンの例を示す図である。 図１１は、第２実施形態に係るビーム整形装置の構成を示す図である。 図１２は、第２実施形態に係るビーム整形装置の一変形例の構成を示す図である。 図１３は、第２実施形態に係るビーム整形装置の別の変形例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ビーム整形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）

図１は、本発明の第１実施形態に係るビーム整形装置１０Ａの構成を示す図である。本実施形態のビーム整形装置１０Ａは、第一位相変調部１２と、第二位相変調部１４と、制御部１６とを備えている。第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４は、ビーム整形装置１０Ａに入力される入射光の光軸Ａに沿った方向に並んで配置されており、第二位相変調部１４は、第一位相変調部１２と光学的に結合されている。なお、後述する別の実施形態において示されるように、第一位相変調部１２と第二位相変調部１４との間に、レンズや反射鏡等の光学部品が介在してもよい。

このビーム整形装置１０Ａでは、入射光Ｐ₁の位相を変調するための第一位相パターンを第一位相変調部１２が表示する。また、第一位相変調部１２によって位相変調された光Ｐ_２の位相を更に変調するための第二位相パターンを第二位相変調部１４が表示する。第一位相パターン及び第二位相パターンは、第二位相変調部１４から出力される光Ｐ_３の強度分布及び位相分布を所定（所望）の分布に近づけるための位相パターンである。

入射光Ｐ₁は例えば平行光であり、第一位相変調部１２の前面（第二位相変調部１４と対向する面とは反対側の面）から入射する。そして、第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４によってこの入射光Ｐ₁が任意の断面形状の光Ｐ_３に変換され、第二位相変調部１４の背面（第一位相変調部１２と対向する面とは反対側の面）から、光Ｐ_３が出力される。なお、入射光Ｐ₁の光軸と直交する断面は典型的には円形であり、入射光Ｐ₁の強度分布は典型的にはガウシアン分布である。

第一位相変調部１２は、空間光変調素子（ＳＬＭ；Spatial Light Modulator）により構成される。また、第二位相変調部１４も同様に、空間光変調素子により構成される。第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４に使用される空間光変調素子には、位相変調型の空間光変調素子、例えば屈折率変化材料型ＳＬＭ（例えば液晶を用いたものでは、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型やＬＣＤ（Liquid
Crystal Display）など）、セグメントミラー（Segment Mirror）型ＳＬＭ、連続形状可変鏡（Continuous Deformable Mirror）型ＳＬＭ等がある。屈折率変化材料型ＳＬＭ、セグメントミラー型ＳＬＭ、及び連続形状可変鏡型ＳＬＭは、電圧や電流、或いは書き出し光の印加によって種々のレンズパターンが付与されることにより、任意の焦点距離を有するレンズとして機能する。なお、本実施形態では透過型の空間光変調素子を例示しているが、空間光変調素子は反射型であってもよい。

なお、本実施形態のビーム整形装置１０Ａでは、第一位相変調部１２と第二位相変調部１４との距離Ｌ₁は不変であり、第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４の位置は、後段に設けられる光学部品（不図示）に対して相対的に固定される。

制御部１６は、第一位相パターンを第一位相変調部１２に与え、第二位相パターンを第二位相変調部１４に与える。具体的には、制御部１６は、空間光変調素子の各画素を駆動するための電気信号（位相パターン）を第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４へ提供する。ビーム整形装置１０Ａでは、このようにして制御部１６が第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４の位相パターンを動的に変更することにより、第二位相変調部１４に入射する光Ｐ_２の強度分布が変化するとともに、ビーム整形装置１０Ａから出射される光Ｐ_３の強度及び位相分布が任意に変調される。なお、制御部１６は、第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４が収容される筐体内に配置されても良く、或いは筐体の外部に配置されてもよい。

以下、制御部１６が第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４にそれぞれ付与する第一位相パターン及び第二位相パターンの作成方法の具体例について説明する。

まず、第一位相変調部１２に表示すべき位相分布φ_１を求めるために、第一位相変調部１２に入射する光Ｐ_１の強度分布Ｉ_１ｉｎ（振幅分布Ａ_１ｉｎ）に関する情報を取得する。なお、振幅分布Ａ_１ｉｎと光Ｐ_１の強度分布Ｉ_１ｉｎとは、次の数式（１）に示される関係がある。

次に、第二位相変調部１４に入射させるべき光Ｐ_２の強度分布Ｉ_２ｉｎ（振幅分布Ａ_２ｉｎ）を設定する。そして、強度分布Ｉ_１ｉｎ及びＩ_２ｉｎ（振幅分布Ａ_１ｉｎ及びＡ_２ｉｎ）が得られたのち、例えばＧＳ（Gerchberg & Saxton）法やＯＣ法等の反復フーリエ法若しくはＯＲＡ（Optimal Rotation Angle）法といったＣＧＨ（Computer
Generated Hologram）設計法を用いて、第一位相変調部１２が表示すべき位相分布φ_１を含む第一位相パターンを求める。このような第一位相パターンを第一位相変調部１２が表示することにより、第一位相変調部１２から距離Ｌ_１だけ離れた第二位相変調部１４に、所望の強度分布Ｉ_２ｉｎ（振幅分布Ａ_２ｉｎ）を有する光Ｐ_２が入射することとなる。なお、第二位相変調部１４に到達する光Ｐ_２の位相分布φ_２ｉｎは、第一位相変調部１２における位相変調と第一位相変調部１２からの伝搬過程とによって決定される。この位相分布φ_２ｉｎは、光Ｐ_２の伝搬の様子をシミュレーションすることで求められる。

次に、第二位相変調部１４が表示すべき位相分布φ_２を含む第二位相パターンを求めるために、ターゲットパターンＡ_ｔｇｔを設定する。ここでターゲットパターンとは、ビーム整形装置１０Ａから出力された光Ｐ_３が、ビーム整形装置１０Ａの後段に配置されたレンズによってフーリエ変換されることにより、再生される１つ以上の集光点の分布を指す。また、第二位相変調部１４に入射する光Ｐ_２の強度分布Ｉ_２ｉｎ（振幅分布Ａ_２ｉｎ）を設定する。こうしてターゲットパターンＡ_ｔｇｔ及び振幅分布Ａ_２ｉｎを設定したのち、例えばＧＳ法やＯＣ法といった反復フーリエ法、或いは、例えばＯＲＡ法といったＣＧＨ設計法を用いて、第二位相変調部１４が表示すべき位相分布φ_２を含む第二位相パターンを求める。このとき、例えば第二位相変調部１４に入射する光Ｐ_２が平面波である場合に第二位相変調部１４が表示すべき位相分布φ_２を含む第二位相パターンを求めるとよい。但し、実際には、第一位相変調部１２により位相変調されて伝搬した光Ｐ_２が第二位相変調部１４に入射する際、その位相分布φ_２ｉｎは平面波ではない。したがって、次の数式（２）に示される処理を行うことにより、第二位相変調部１４が表示すべき位相分布φ_２を含む第二位相パターンを求めるとよい。
この数式（２）に示される処理では、光Ｐ_２の位相分布φ_２ｉｎを第二位相変調部１４にて打ち消すとともに、更に新たな位相パターンを加えている。

なお、第一位相変調部１２が表示すべき第一位相パターンを求める際にも、上記と同様の処理を行ってもよい。すなわち、第一位相変調部１２に入射する光Ｐ_１の位相分布φ_１ｉｎが平面波でないときには、第一位相変調部１２において表示する第一位相パターンの位相分布φ_１を、次の数式（３）によって求めるとよい。

また、第一位相変調部１２に表示される第一位相パターンは、レンズ効果を有する位相パターンであってもよい。そして、第一位相パターンがレンズ効果を有する場合、そのレンズ効果の焦点距離ｆは、第一位相変調部１２と第二位相変調部１４との距離Ｌ_１とは等しくなく、距離Ｌ_１よりも長いか、若しくは短いことが好ましい。焦点距離ｆと距離Ｌ_１とが互いに等しいと、光Ｐ_２の集光点が第二位相変調部１４と重なるので、第二位相変調部１４の動作に影響を及ぼすおそれがあるからである。焦点距離ｆが距離Ｌ_１よりも長いか、若しくは短いことにより、光Ｐ_２の集光点を第二位相変調部１４から外して、第二位相変調部１４を好適に動作させることができる。

以上の方法によって作成された第一位相パターン及び第二位相パターンを制御部１６が第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４へそれぞれ付与することにより、第一位相変調部１２に適切な位相パターンを表示させて第二位相変調部１４に入射する光Ｐ_２の強度分布を変化させ、且つ、第二位相変調部１４から出力される光Ｐ_３の強度分布及び位相分布を所望の形状に近づけることができる。

また、このビーム整形装置１０Ａによれば、入射光Ｐ_１と出力光Ｐ_３との比である光利用効率を高めることもできる。例えば、第一位相変調部１２としてＬＣＤなどの強度マスクを用いた場合、強度分布の調整は容易であるものの、入射光Ｐ_１の強度分布と光Ｐ_２の強度分布との関係によっては、光利用効率が極めて低くなることがある。これに対し、ビーム整形装置１０Ａでは、第一位相変調部１２が空間光変調素子によって構成されており入射光Ｐ_１の位相分布のみを変更するので、光利用効率の低下を効果的に抑制することができる。

ここで、本実施形態に係るビーム整形装置１０Ａを備える光学系の具体例について説明する。一般的に、レンズに入射する光の強度分布は、レンズを通過した光の集光スポットの形状に影響を及ぼす。例えば、レンズに入射する光の強度分布が均一なトップハット状である場合には、集光スポットにはエアリーパターンが現れる。また、レンズに入射する光の強度分布がガウシアン分布である場合には、集光スポットにはガウシアン形状の集光像が現れる。このように、レンズに入射する光の強度分布を積極的に変更することで、様々な形状の集光スポットを得ることが可能となる。そして、このような特殊な形状の集光スポットは、レーザ加工やレーザ顕微鏡等の用途において有用となる可能性がある。

図２は、ビーム整形装置１０Ａを含む光学系の一例を示す図である。図２に示される光学系５０は、ビーム整形装置１０Ａと、レーザ光源２８と、スペイシャルフィルタ３２と、コリメートレンズ３４と、対物レンズ４０とを備えている。

第一位相変調部１２には、入射光Ｐ₁が入力される。入射光Ｐ₁は、例えば、レーザ光源２８から出射されたレーザ光が、スペイシャルフィルタ３２の集光レンズ３２ａ及びピンホール３２ｂを通過することにより波面ノイズや歪みを除去されたのち、コリメートレンズ３４を通過して平行化されることによって好適に生成される。なお、光学系５０は、レーザ光源２８から出射されたレーザ光を拡径（若しくは縮径）するビームエキスパンダを、スペイシャルフィルタ３２に代えて備えても良い。

そして、第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４によってこの入射光Ｐ₁の強度分布および位相分布が任意に変更され、第二位相変調部１４の背面（第一位相変調部１２と対向する面とは反対側の面）から、出射光Ｐ_３が出力される。出射光Ｐ_３は、対物レンズ４０の射出瞳に入射し、対物レンズ４０において集光される。なお、集光点上には観察や加工等の対象物Ｂが配置されている。

このような光学系５０において、例えば上述した実施例のように位相パターンを第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４に付与すると、出射光Ｐ_３の集光スポットにおいて任意の集光形状を得ることできる。例えば、第一位相変調部１２において、ガウシアン分布状の強度分布を有する入射光Ｐ_１が第一位相パターンにより変調され、図３に示される強度分布の光Ｐ_２が第二位相変調部１４に入射した場合を考える。このとき、第二位相パターンとして図４に示されるような位相パターンを第二位相変調部１４に与えると、集光スポットにおける光Ｐ_３の光軸方向と直交する断面の形状を、図５に示されるような多角形状（例えば三角形状）とすることができる。更に、該断面における光Ｐ_３の強度分布をトップハット状とすることができる。

このような任意の形状および強度分布を有する集光スポットの形成は、例えば加工分野では対象物の面の高速加工を可能とし、また、顕微観察分野では、対象物の特定の場所を面状に光刺激することを可能とする。

なお、図２に示された光学系５０では、少なくとも光源２８、ビーム整形装置１０Ａ及び対物レンズ４０が設けられていればよく、他に様々な変形が考えられる。例えば、加工の様子や顕微観察のための観察ユニットが付属していてもよいし、対象物を移動若しくは回転するためのステージが更に設けられてもよい。

（第１の変形例）

上述した実施形態では、ビーム整形装置１０Ａから出力された光Ｐ_３が対物レンズ４０によって集光されているが、対物レンズ４０を省略することも可能である。すなわち、対物レンズ４０に代えて、第二位相変調部１４に表示される第二位相パターンが、光Ｐ_３を収束光にするための集光レンズ効果を有する位相パターンを含むとよい。このような構成により、光Ｐ_３を好適に集光することができる。或いは、必要に応じて、第二位相パターンが、光Ｐ_３を拡散光にするための位相パターンを含んでもよい。

（第２の変形例）

図６は、上述した実施形態の第２変形例の構成を示す図である。本変形例に係るビーム整形装置１０Ｂは、上記実施形態のビーム整形装置１０Ａと同様に、第一位相変調部１２、第二位相変調部１４、及び制御部１６を備えている。そして、本変形例に係るビーム整形装置１０Ｂは、レンズ１８を更に備えている。

レンズ１８は、第一位相変調部１２と第二位相変調部１４との間に配置されており、第一位相変調部１２から出射された光Ｐ_２を集光（若しくは拡散）して第二位相変調部１４に提供する。空間光変調素子が実現し得るレンズの焦点距離には下限が存在するが、本変形例のようにレンズ１８を組み合わせることにより、そのような下限を超えて焦点距離を設定することができる。

なお、この場合、第二位相変調部１４に表示される第二位相パターンに含まれるレンズ効果の焦点距離ｆは距離Ｌ_１と同じであってもよいが、第一位相変調部１２の第一位相パターンに含まれるレンズ効果と、レンズ１８とを合成した焦点距離は、距離Ｌ_１と異なる（距離Ｌ_１よりも長いか、若しくは短い）ことが好ましい。これにより、加工分野や顕微鏡用途などにおいて大パワーのレーザ光を使用した場合であっても、空間光変調素子にレーザ光が集光されることを回避し、空間光変調素子の好適な動作を維持することができる。

（第３の変形例）

制御部１６が第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４にそれぞれ付与する第一位相パターン及び第二位相パターンは、上述した実施形態の方法に代えて、以下の方法により作成されてもよい。

まず、第一位相変調部１２に表示すべき位相分布φ_１を求めるために、第一位相変調部１２に入射する光Ｐ_１の強度分布Ｉ_１ｉｎ（振幅分布Ａ_１ｉｎ）に関する情報を取得する。次に、第二位相変調部１４に入射させるべき光Ｐ_２の強度分布Ｉ_２ｉｎ（振幅分布Ａ_２ｉｎ）を設定する。そして、強度分布Ｉ_１ｉｎ及びＩ_２ｉｎ（振幅分布Ａ_１ｉｎ及びＡ_２ｉｎ）が得られたのち、例えばＧＳ法やＯＣ法といった反復フーリエ法若しくはＯＲＡ法といったＣＧＨ設計法を用いて、第一位相変調部１２が表示すべき位相分布φ_１を含む第一位相パターンを求める。

なお、第一位相変調部１２に入射する光Ｐ_１の位相分布φ_１ｉｎが平面波である場合はφ_１＝φ_１ｏｕｔ（φ_１ｏｕｔは第一位相変調部１２から出射される光Ｐ_２の位相パターン）であるが、位相分布φ_１ｉｎが平面波でないときには、第一位相変調部１２において表示される第一位相パターンの位相分布φ_１を、次の数式（４）によって求めるとよい。

このような第一位相パターンを第一位相変調部１２が表示することにより、第一位相変調部１２から距離Ｌ_１だけ離れた第二位相変調部１４に、所望の強度分布Ｉ_２ｉｎ（振幅分布Ａ_２ｉｎ）を有する光Ｐ_２が入射することとなる。なお、第二位相変調部１４に入射する光Ｐ_２の位相分布φ_２ｉｎは、第一位相変調部１２における位相変調と第一位相変調部１２からの伝搬過程とによって決定される。この位相分布φ_２ｉｎは、光Ｐ_２の伝搬の様子をシミュレーションすることで求められる。

次に、第二位相変調部１４が表示すべき位相分布φ_２を含む第二位相パターンを求める。本変形例では、第二位相変調部１４から出力される光Ｐ_３を平行光にするための位相パターンを含むような第二位相パターンを求める。例えば、第二位相変調部１４から出射される光Ｐ_３を平行光とし、且つ平面波とするために、位相分布φ_２を、第二位相変調部１４に入射する光の位相分布φ_２ｉｎの逆の位相分布とする。すなわち、位相分布φ_２を次の数式（５）によって求める。

ここで、本変形例に係るビーム整形装置を備える光学系の具体例として、ＴＩＲＦ（Total Internal Reflection Fluorescence）顕微鏡と呼ばれる、超高ＮＡ且つ高倍率の対物レンズを用いてイメージングを行う方法について説明する。ＴＩＲＦ顕微鏡は、レーザ光を全反射させてエバネッセント場を発生させ、蛍光を励起させるものである。図７は、ＴＩＲＦ顕微鏡に用いられる光学系の例を示す図である。図７に示されるように、この光学系６０は、ビーム整形装置１０Ａと、ＴＩＲＦ顕微鏡用の対物レンズ４２とを備えている。なお、ビーム整形装置１０Ａの前段には、図２に示された光学系５０と同様に、レーザ光源２８、スペイシャルフィルタ３２（若しくはビームエキスパンダ）、及びコリメートレンズ３４が配置される。また、この光学系６０は励起光側の光学系であるが、蛍光などを観察するための観察側の光学系を兼ねてもよい。

この光学系６０では、第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４によって入射光Ｐ₁の強度分布および位相分布が任意に変更され、第二位相変調部１４の背面から、出射光Ｐ_３が出力される。出射光Ｐ_３は、対物レンズ４２の射出瞳４２ａに入射し、対物レンズ４２によって集光される。このとき、出射光Ｐ_３の光軸方向と直交する断面の形状が環状（リング状）となり、対物レンズ４２の射出瞳４２ａの縁部付近に入射するように、第一位相パターン及び第二位相パターンを設定するとよい。

ここで、図８（ａ）は、従来のＴＩＲＦ顕微鏡における励起光の例を示す図であって、光軸方向から対物レンズ４２の射出瞳４２ａを観察した様子を概略的に示している。また、図８（ｂ）は、本変形例における励起光の様子を示す図であって、光軸方向から対物レンズ４２の射出瞳４２ａを観察した様子を概略的に示している。

図８（ａ）に示されるように、従来のＴＩＲＦ顕微鏡では、対物レンズ４２の射出瞳４２ａの縁部付近の一部のスポットに励起光ＥＸを入射させる。これに対し、本変形例では、図８（ｂ）に示されるように、対物レンズ４２の射出瞳４２ａの縁部全体に沿った環状（リング状）の平行光を励起光ＥＸとして対物レンズ４２に入射させることができる。励起光ＥＸの形状をこのように整形することによって、蛍光を励起するためのエバネッセント場をより効果的に発生させることができる。

このような環状の励起光ＥＸをビーム整形装置１０Ａから出力するためには、ガウシアン分布の強度分布を有する入射光Ｐ_１を第一位相変調部１２にて変調し、例えば図９のような強度分布を有する光Ｐ_２を第二位相変調部１４に入射させる。そして、第二位相変調部１４に第二位相パターンとして図１０に示されるような位相パターンを付与する。これにより、図９に示される強度分布を保った平行光Ｐ_３が第二位相変調部１４から出力される。なお、空間光変調素子を１個のみ用いた場合、図９に示されるようなリング状の強度分布を有する光を作成することはできるが、平行光としては出力されない。

なお、上記ではリング状の強度分布を有する光（励起光）Ｐ_３を作成する場合について例示したが、本変形例によれば、他に様々な強度分布を有する光を作成することが可能である。

また、上記では第二位相変調部１４から出力される光Ｐ_３を平行光としているが、制御部１６は、光Ｐ_３が発散光や収束光となるような第二位相パターンを第二位相変調部１４に与えてもよい。

また、図７に示された構成においても、図６に示されたように、第一位相変調部１２と第二位相変調部１４との間にレンズ１８が設けられてもよい。レンズ１８は、第一位相変調部１２から出射された光Ｐ_２を集光（若しくは拡散）して第二位相変調部１４に提供する。空間光変調素子が実現し得るレンズの焦点距離には下限が存在するが、このようにレンズ１８を組み合わせることにより、そのような下限を超えて焦点距離を設定することができる。

（第４の変形例）

制御部１６が第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４にそれぞれ付与する第一位相パターン及び第二位相パターンは、上述した実施形態の方法に代えて、以下の方法により作成されてもよい。

まず、第二位相変調部１４から出力される光Ｐ_３の位相分布を求めるために、ターゲットパターンＡ_ｔｇｔを設定する。このターゲットパターンＡ_ｔｇｔは、第二位相変調部１４から射出された光がレンズや位相のレンズ効果によって収束したときに生成される集光パターンである。また、第二位相変調部１４に入射する光Ｐ_２の強度分布Ｉ_２ｉｎ（振幅分布Ａ_２ｉｎ）を設定する。こうしてターゲットパターンＡ_ｔｇｔ及び振幅分布Ａ_２ｉｎを設定したのち、例えばＧＳ法やＯＣ法といった反復フーリエ法、或いは、例えばＯＲＡ法といったＣＧＨ設計法を用いて、第二位相変調部１４から出力される光Ｐ_３の位相分布を求める。なお、振幅分布Ａ_２ｉｎと光Ｐ_２の強度分布Ｉ_２ｉｎとは、次の数式（６）に示される関係がある。

次に、第一位相変調部１２に入射させるべき光Ｐ_１の強度分布Ｉ_１ｉｎ（振幅分布Ａ_１ｉｎ）を設定する。そして、強度分布Ｉ_１ｉｎ及びＩ_２ｉｎ（振幅分布Ａ_１ｉｎ及びＡ_２ｉｎ）が得られたのち、例えばＧＳ法やＯＣ法等の反復フーリエ法若しくはＯＲＡ法といったＣＧＨ設計法を用いて、第一位相変調部１２が表示すべき位相分布φ_１を含む第一位相パターンを求める。なお、第一位相変調部１２から出力される光Ｐ_２の位相分布φ_１ｏｕｔは、第一位相変調部１２に入射する光の波面が平行光の場合には位相分布φ_１であり、第二位相変調部１４にて表示すべき位相分布φ_２は次の数式（７）によって求めるとよい。
なお、位相分布φ_２ｏｕｔは、光Ｐ_２の伝搬の様子をシミュレーションすることで求められる。

以上に説明した第１実施形態及び各変形例に係るビーム整形装置によって得られる効果について説明する。

第１実施形態及び各変形例に係るビーム整形装置１０Ａ（１０Ｂ）では、位相変調型の空間光変調素子によって各々構成される第一位相変調部１２及び第二位相変調部１４を光学的に結合し、入射光Ｐ_１を第一位相変調部１２に入射させ、出射光Ｐ_３を第二位相変調部１４から取り出している。そして、第一位相変調部１２には所定の強度分布を与える第一位相パターンを表示させるとともに、この所定の強度分布を有する光Ｐ_２を第二位相変調部１４に入射させ、第二位相変調部１４に所定の位相分布を与えることによって、任意の断面形状及び強度分布を有する出力光Ｐ_３を得ている。

このように、位相変調型の２つの空間光変調素子を用いることにより、位相分布だけでなく強度分布をも任意に制御することが可能となる。すなわち、このビーム整形装置１０Ａ（１０Ｂ）によれば、任意の（動的な）断面形状および強度分布の光への変換が可能となる。例えば、任意の集光形状でもって集光をさせることができ、また、入力光Ｐ_１の強度分布を変更して、平行光、集光光、若しくは発散光の状態で光Ｐ_３を出力させることができる。

また、非特許文献１，２に記載された構成のように、空間光変調素子をフーリエ面上に配置すると、例えば光強度のレーザ光を使用するような用途において、空間光変調素子の一部分に光が集中してしまい、空間光変調素子の機能が低下するおそれがある。これに対し、第１実施形態および各変形例に係るビーム整形装置１０Ａ（１０Ｂ）では、第二位相変調部１４は第一位相変調部１２のフーリエ面から離れて配置され（すなわち、距離Ｌ_１≠焦点距離ｆ）、且つ距離Ｌ_１を任意の長さとすることが可能である。したがって、第二位相変調部１４を構成する空間光変調素子の機能の低下を抑えることができる。

（第２の実施の形態）

図１１は、本発明の第２実施形態に係るビーム整形装置１０Ｃの構成を示す図である。本実施形態のビーム整形装置１０Ｃは、第一位相変調部２２と、第二位相変調部２４と、制御部２６とを備えている。第一位相変調部２２及び第二位相変調部２４は、反射型の空間光変調素子によって構成されており、光反射面２２ａ及び２４ａをそれぞれ有している。また、図１１に示されるように、ビーム整形装置１０Ｃは、レーザ光源２８と、スペイシャルフィルタ３２（若しくはビームエキスパンダ）と、コリメートレンズ３４と、反射素子である反射鏡３６ａ〜３６ｅとを更に備えても良い。

本実施形態では、以下に述べる構造によって、第二位相変調部２４が第一位相変調部２２に光学的に結合されている。すなわち、第二位相変調部２４の光反射面２４ａは、複数の反射素子である反射鏡３６ｄ及び３６ｃを介して第一位相変調部２２の光反射面２２ａと光学的に結合されており、同時に、反射鏡３６ｅと光学的に結合されている。また、第一位相変調部２２の光反射面２２ａには、反射鏡３６ｂ及び３６ａを介して入射光Ｐ₁が入力される。入射光Ｐ₁は、例えば、レーザ光源２８から出射されたレーザ光が、スペイシャルフィルタ３２の集光レンズ３２ａ及びピンホール３２ｂを通過することにより波面ノイズや歪みを除去されたのち、コリメートレンズ３４を通過して平行化されることによって好適に生成される。

制御部２６は、第一位相変調部２２及び第二位相変調部２４それぞれに第一位相パターン及び第二位相パターンそれぞれを与える。具体的には、制御部２６は、空間光変調素子の各画素を駆動するための電気信号（位相パターン）を第一位相変調部２２及び第二位相変調部２４へ提供する。ビーム整形装置１０Ｃでは、このように制御部２６が第一位相変調部２２及び第二位相変調部２４の位相パターンを変更することによって、任意の強度分布および位相分布を有する光Ｐ_３が出力される。なお、制御部２６は、第一位相変調部２２及び第二位相変調部２４が収容される筐体内に配置されても良く、或いは筐体の外部に配置されてもよい。

本実施形態のように、第一位相変調部及び第二位相変調部は、反射型の空間光変調素子によって構成されてもよい。このような場合でも、前述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（変形例）

図１２は、第２実施形態の一変形例として、ビーム整形装置１０Ｄの構成を示す図である。本変形例に係るビーム整形装置１０Ｄと第２実施形態との相違点は、第一位相変調部及び第二位相変調部の構成である。すなわち、本変形例では、ビーム整形装置１０Ｄが一つの反射型空間光変調素子３０を備え、第一位相変調部及び第二位相変調部が、単一の反射型空間光変調素子３０により構成されており、その光反射面３０ａのうち一部の領域（第一の領域）が第一位相変調部３０ｂとして使用され、他の一部の領域（第二の領域）が第二位相変調部３０ｃとして使用されている。本変形例では、第二位相変調部３０ｃが、反射鏡３６ｄ及び３６ｃを介して第一位相変調部３０ｂと光学的に結合されており、同時に、反射鏡３６ｅと光学的に結合されている。また、第一位相変調部３０ｂには、反射鏡３６ｂ及び３６ａを介して平行光である入射光Ｐ₁が入力される。

制御部２６は、空間光変調素子３０の各画素を駆動するための電気信号（位相パターン）を空間光変調素子３０へ提供することにより、第一位相変調部３０ｂ及び第二位相変調部３０ｃそれぞれに第一位相パターン及び第二位相パターンそれぞれを与える。ビーム整形装置１０Ｄでは、このように制御部２６が第一位相変調部３０ｂ及び第二位相変調部３０ｃの位相パターンを変更することによって、任意の強度分布および位相分布を有する光Ｐ_３が出力される。

本変形例のように、第一位相変調部及び第二位相変調部は、互いに共通の単一の空間光変調素子によって構成されてもよい。このような場合でも、前述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、第２の実施の形態や変形例において、第一位相変調部および第二位相変調部に光を入出射する光学系としては、図１１や図１２に示された構成以外にも様々な形態が可能である。例えば、スペイシャルフィルタ３２及びコリメートレンズ３４に代えてエキスパンダを設けてもよく、反射鏡３６ａ〜３６ｅは、例えば三角プリズムといった他の光反射光学部品に置き換えられてもよい。また、図１３に示されるように、反射鏡を用いない構成も可能である。また、図１３の構成では、第一位相変調部２２を構成する反射型空間光変調素子と、第二位相変調部２４を構成する反射型空間光変調素子とが、それらの光反射面２２ａ、２４ａが互いに平行になるように配置されていることが好ましい。この場合、入射光と出射光とを略平行とすることができ、装置を比較的小型とすることができる。

本発明によるビーム整形装置は、上述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、上述した実施形態及び変形例では、第一位相変調部に入射する光が平行光である場合が例示されているが、第一位相変調部に入射する光は平行光に限らず、様々な光を適用することができる。

また、上述した各実施形態では第二位相変調部の後段に設けられる光学部品として対物レンズを例示したが、本発明に係るビーム整形装置の第二位相変調部の後段には、対物レンズに限られず様々な光学部品が設けられ得る。

また、上述した各実施形態では、ビーム整形装置が２つの位相変調部（空間光変調素子）を備える形態を例示したが、本発明に係るビーム整形装置は、３つ以上の位相変調部（空間光変調素子）を備えてもよい。また、第二位相変調部１４に呈示される位相パターンにホログラムパターンを重畳しても良い。これにより、任意の振幅に変調した後、位相も変調することができる。

上記実施形態によるビーム整形装置では、位相変調型の空間光変調素子により構成され、入射光の位相を変調するための第一位相パターンを表示する第一位相変調部と、位相変調型の空間光変調素子により構成され、第一位相変調部と光学的に結合され、第一位相変調部によって位相変調された光の位相を更に変調するための第二位相パターンを表示する第二位相変調部と、第一位相変調部及び第二位相変調部それぞれに第一位相パターン及び第二位相パターンそれぞれを与える制御部とを備え、第一位相パターン及び第二位相パターンが、第二位相変調部から出力される光の強度分布及び位相分布を所定の分布に近づけるための位相パターンである構成としている。

また、ビーム整形装置は、第二位相パターンが、第二位相変調部から出力される光を、平行光、拡散光または収束光にするための位相パターンを含んでもよい。

また、ビーム整形装置は、第二位相変調部から出力される光の光軸方向と直交する断面の形状が多角形状であり、該断面における該光の強度分布がトップハット状であってもよい。

また、ビーム整形装置は、第二位相変調部から出力される光の光軸方向と直交する断面の形状が環状であってもよい。

また、ビーム整形装置は、第一位相変調部及び第二位相変調部が、それぞれ反射型空間光変調素子により構成されていることとしても良い。また、この場合、第一位相変調部を構成する反射型空間光変調素子と、第二位相変調部を構成する反射型空間光変調素子とが、それらの光反射面が互いに平行になるように配置されている構成としても良い。

また、ビーム整形装置は、第一位相変調部及び第二位相変調部が、単一の反射型空間光変調素子により構成され、その光反射面のうち一部の領域が第一位相変調部として使用され、他の一部の領域が第二位相変調部として使用されていることとしても良い。

また、ビーム整形装置は、複数の反射素子を備え、第二位相変調部が、複数の反射素子を介して第一位相変調部と光学的に結合されている構成としても良い。

また、ビーム整形装置は、空間光変調素子が、透過型空間光変調素子である構成としても良い。

また、ビーム整形装置は、第二位相パターンが、第一位相変調部によって位相変調された光の位相を打ち消す構成としても良い。

本発明は、任意の断面形状および強度分布の光への変換が可能なビーム整形装置として利用可能である。

１０Ａ〜１０Ｄ…ビーム整形装置、１２，２２…第一位相変調部、１４，２４…第二位相変調部、１６…制御部、１８…レンズ、２６…制御部、２８…レーザ光源、３０…反射型空間光変調素子、３０ｂ…第一位相変調部、３０ｃ…第二位相変調部、３２…スペイシャルフィルタ、３４…コリメートレンズ、３６ａ〜３６ｅ…反射鏡、４０，４２…対物レンズ、４２ａ…射出瞳、５０，６０…光学系、Ａ…光軸、Ｂ…対象物、ＥＸ…励起光、Ｐ₁…入射光、Ｐ_２…光、Ｐ_３…出射光。

Claims (5)

1. 位相変調型の空間光変調素子により構成され、入射光の位相を変調するための第一位相パターンを表示する第一位相変調部と、
   位相変調型の空間光変調素子により構成され、前記第一位相変調部と光学的に結合され、前記第一位相変調部によって位相変調された光の位相を更に変調するための第二位相パターンを表示する第二位相変調部と、
   前記第一位相変調部及び前記第二位相変調部それぞれに前記第一位相パターン及び前記第二位相パターンそれぞれを与える制御部と
   を備え、
   前記第一位相パターン及び前記第二位相パターンが、前記第二位相変調部から出力される光の強度分布及び位相分布を所定の分布に近づけるための位相パターンであり、
   前記第一位相変調部及び前記第二位相変調部は、単一の反射型空間光変調素子により構成され、その光反射面のうち一部の領域が、前記第一位相変調部として使用され、他の一部の領域が、前記第一位相変調部と光学的に結合された前記第二位相変調部として使用されているとともに、
   前記第二位相パターンは、前記第一位相変調部によって位相変調された光の位相を打ち消すことを特徴とする、ビーム整形装置。
2. 複数の反射素子を備え、前記第二位相変調部は、前記複数の反射素子を介して前記第一位相変調部と光学的に結合されていることを特徴とする、請求項１に記載のビーム整形装置。
3. 前記第二位相パターンが、前記第二位相変調部から出力される光を、平行光、拡散光または収束光にするための位相パターンを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のビーム整形装置。
4. 前記第二位相変調部から出力される光の光軸方向と直交する断面の形状が多角形状であり、該断面における該光の強度分布がトップハット状であ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ビーム整形装置。
5. 前記第二位相変調部から出力される光の光軸方向と直交する断面の形状が環状であ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ビーム整形装置。