JP6506974B2 - 光照射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光照射装置に関するものである。
非特許文献1は、光軸に垂直な或る面内において均一な光強度分布を有する照明光を生成するための方式を開示する。このような照明光を生成する方式としては、例えばガウス分布に従う光強度分布を有する入力光を空間光変調器により変調する方式が挙げられる。この方式では、集光面内の所定の範囲において光強度分布が均一になるような計算機ホログラム(CGH;Computer Generated Hologram)が、空間光変調器により呈示される。空間光変調器に呈示されるCGHは、次の数式(1)に示される一次元ξの関数を基に設計される(φ(ξ)は位置ξにおいて呈示される位相値)。
Fred M. Dickey, Scott C. Holswade, "Laser Beam Shaping Theory AndTechniques", CRC Press, (2000)
近年、微小箇所の観察における照明光やレーザ加工用途のレーザ光の生成を、空間光変調器を用いて行うことが研究されている。空間光変調器に呈示されるCGHを制御することによって、例えば所定領域内における光強度が均一であるといった、所望の強度分布を有する光を生成することができる。
空間光変調器に入力される(変調前の)光の強度分布は、多くの場合、ガウス分布に従う(以下、このような光をガウスビームと称する)。従って、空間光変調器に呈示されるCGHとしては、理想的なガウスビームを変調することを想定したホログラムが用意される。しかしながら、実際に空間光変調器によって変調される(若しくは変調された後の)光の強度分布は、光路上に配置される光学部品(例えばアパーチャ、エッジマスク等)によって、周縁部分が欠ける等、理想的なガウス分布から不連続に変形してしまう場合がある。このような場合に、理想的なガウスビームを想定したCGHが空間光変調器に呈示されると、得られる出力光の光強度分布は所望の分布から離れてしまう。例えば、所定領域内における光強度を均一とするためのCGHが空間光変調器に呈示された場合であっても、入力光の周縁部分がアパーチャによって欠けると、周縁部分からの回折光の影響により所定領域内での光強度の均一性が低下してしまう。
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、光の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、出力光の強度分布を所望の分布に近づけることができる光照射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、本発明の一実施形態による光照射装置は、ガウス分布に従う光強度分布を有する光を出力するガウスビーム出力部と、光を受け、CGHを呈示して光を変調する空間光変調器と、空間光変調器によって変調された光を集光する光学系と、ガウスビーム出力部と空間光変調器との間の光軸、及び空間光変調器と光学系との間の光軸のうち少なくとも一方の光軸上に配置された振幅マスクとを備える。振幅マスクは、その光軸を中心とする円形状の第1領域と、第1領域を囲む円環状の第2領域とを有する。第2領域における透過率は、光軸から離れるに従い連続的に減少している。
また、本発明の一実施形態による別の光照射装置は、ガウス分布に従う強度分布を有する光を出力するガウスビーム出力部と、光を受け、CGHを呈示して光を変調する空間光変調器と、空間光変調器によって変調された光を集光する光学系と、ガウスビーム出力部と空間光変調器との間の光軸、及び空間光変調器と光学系との間の光軸のうち少なくとも一方の光軸上に配置された振幅マスクとを備える。振幅マスクは、その光軸を中心とする円形状の第1領域と、第1領域を囲む円環状の第2領域とを有する。光のうち第2領域を透過した部分の光強度は、光軸から離れるに従い連続的に減少する。
上記の各光照射装置では、ガウスビーム出力部から出力された光が空間光変調器によって変調され、光学系によって集光される。空間光変調器には、光学系によって集光された光の強度分布が集光面において所望の分布となるためのCGHが呈示され得る。更に、上記の各光照射装置では、空間光変調器の前段若しくは後段(またはその双方)の光軸上に、その光軸を中心とする円環状の第2領域を有する振幅マスクが設けられている。本発明者は、このような振幅マスクにおいて、第2領域を透過した部分の光強度が光軸から離れるに従い連続的に減少するような場合には、集光光学系に至る前の光の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、出力光の光強度分布に対する該変形による影響が緩和されることを見出した。また、第2領域を透過した光のこのような光強度は、例えば、第2領域の透過率が光軸から離れるに従い連続的に減少することによって好適に実現され得る。従って、上記の各光照射装置によれば、光の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、出力光の強度分布を所望の分布に近づけることができる。
また、上記の各光照射装置は、光学系によって集光された光の集光面における光強度分布を検出する光検出器と、集光面において所望の光強度分布を生じさせるためのCGHを、光検出器からの出力データに基づいて提供する制御部とを更に備えてもよい。このような構成によって、集光面における光強度分布を、フィードバック制御により更に精度良く所望の分布に近づけることができる。また、振幅マスクの第2領域が上記の構成を有することによって、集光面における光強度分布を所望の分布に更に近づけ易くすることができる。
また、上記の各光照射装置では、第1領域における透過率が均一であってもよい。これにより、集光面における光強度分布を所望の分布に更に近づけ易くすることができる。また、例えば第1領域における透過率がほぼ100%である場合には、振幅マスクによる光損失を低減して光利用効率を高めることができる。
また、上記の各光照射装置では、光軸を中心とする径方向における第2領域の幅rが、第1領域の半径rと幅rとの和(r+r)の20%〜50%の範囲内であってもよい。本発明者の知見によれば、第2領域の幅がこのような範囲内であることによって、入力光のガウス分布からの変形による出力光の光強度分布への影響がより好適に緩和される。
また、上記の各光照射装置では、CGHが、光学系によって集光された光の集光面の所定領域内において均一な光強度分布を生成するためのホログラムであってもよい。このような場合、入力光のガウス分布からの変形によって光強度分布の均一性が損なわれたとしても、上記の光照射装置によれば、振幅マスクの働きによって光強度分布の均一性を回復することができる。
本発明による光照射装置によれば、入力光の強度分布がガウス分布から変形した場合であっても、出力光の強度分布を所望の分布に近づけることができる。
図1は、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。 図2は、空間光変調器による変調動作を概念的に示す図である。 図3は、位相φ(ξ)と成形後の光強度分布との関係の一例を示す図である。 図4は、光軸方向から見た振幅マスクの構成を示す平面図である。 図5は、光軸を含む断面における振幅マスクの透過率分布の例を示すグラフである。 図6は、光軸を含む断面における振幅マスクの透過率分布の例を示すグラフである。 図7は、振幅マスクを透過した光の強度分布の例を示す図である。 図8は、効果を説明するためのシミュレーション結果である。 図9は、効果を説明するためのシミュレーション結果である。 図10は、効果を説明するためのシミュレーション結果である。 図11は、第1変形例に係る光照射装置の構成を示す図である。 図12は、振幅マスクの透過率分布を示すグラフである。 図13は、振幅マスクを透過した光の強度分布を示すグラフである。 図14は、図13に示された光強度分布を有する光を集光光学系に入力させたときの、集光面における出力光の強度分布を示すグラフである。 図15は、振幅マスクの第2領域の幅を種々に変化させたときの、集光面における出力光の強度分布を示すグラフである。 図16は、第3実施例における振幅マスクの透過率分布を示すグラフである。 図17(a)は、振幅マスクを透過した光の強度分布を示すグラフである。図17(b)は、集光面における出力光の強度分布を示すグラフである。
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、ガウスビーム出力部10と、空間光変調器20と、振幅マスク30と、集光光学系40と、光検出器50と、制御部60とを備える。
ガウスビーム出力部10は、ガウス分布に従う光強度分布を有する光L1を出力する。ガウスビーム出力部10は、例えば、光源11、及び光源11と光学的に結合されたビームエキスパンダ12を含んで構成される。光源11は、例えばパルス光発振や連続波発振のレーザ光源、SLD光源、或いはLED光源などを含んで構成され、ガウス分布に従う光強度分布を有する光L1を出力する。ビームエキスパンダ12は、例えば光L1の光路上に並んで配置された複数のレンズを含んで構成され、それら複数のレンズの光軸に対して垂直な断面における光L1の光径を調整する。一例では、ビームエキスパンダ12は、光L1の光径を拡大する。
空間光変調器20は、ビームエキスパンダ12と光学的に結合されており、ビームエキスパンダ12から光L1を受ける。空間光変調器20は、光L1を空間的に変調するための変調パターンであるCGHを呈示する。空間光変調器20に呈示されるCGHは、制御部60によって制御される。空間光変調器20は、位相変調型でも良いし、振幅(強度)変調型でも良い。また、空間光変調器20は、反射型及び透過型の何れであってもよい。また、空間光変調器20は複数枚設けられてもよく、その場合、光L1は複数回にわたって変調される。
振幅マスク30は、空間光変調器20と光学的に結合されており、本実施形態においては、空間光変調器20と集光光学系40の間の光軸O24上に配置されている。つまり、本実施形態の振幅マスク30は、空間光変調器20と集光光学系40との間において光L1の光路上に配置されている。また、振幅マスク30は、光軸O24に垂直な断面において所定の透過率分布を有する光学部品である。一例では、振幅マスク30は吸収型或いは反射型のNDフィルタによって好適に構成される。なお、振幅マスク30の透過率分布については後に詳述する。
集光光学系40は、本実施形態においては、振幅マスク30と光学的に結合されており、光L1の光路上に配置され、照射対象物と対向して配置される。集光光学系40は、集光光学系40から焦点距離fだけ離れた位置に集光面を形成し、空間光変調器20から出力された光L1を出力光L2に変換しつつ該集光面に集光する。集光光学系40は、例えば一又は複数のレンズによって構成される(例えば、対物レンズ)。前述した空間光変調器20に呈示されるCGHは、集光光学系40によって集光された出力光L2の強度分布を集光面において所望の分布とする。従って、空間光変調器20と集光光学系40との間においては、光L1の光強度分布はガウス分布を維持している。
光検出器50は、集光光学系40の光軸O4において、集光光学系40から焦点距離fだけ離れた集光面に配置され、集光光学系40によって集光された出力光L2の光強度分布を検出する。光検出器50は、複数のアノードを有するマルチアノード型の光電子増倍管(Photomultiplier Tube;PMT)によって構成されてもよく、または、フォトダイオード若しくはアバランシェフォトダイオードといったポイントセンサが複数個並んでアレイ状に構成されてもよい。或いは、光検出器50は、CCDイメージセンサ、EM−CCDイメージセンサ、若しくはCMOSイメージセンサといった、複数の画素を有するエリアイメージセンサであってもよい。光検出器50は、出力光L2の光強度分布を示す出力データSdを制御部60に提供する。なお、照射対象物に出力光L2が照射される際には、光検出器50は取り除かれ、その位置に照射対象物が配置される。
制御部60は、集光光学系40の集光面において出力光L2に所望の光強度分布を生じさせるためのCGHを、光検出器50からの出力データSdに基づいて提供する。すなわち、制御部60は、出力データSdに示される出力光L2の光強度分布が所望の分布から離れている場合に、光強度分布が所望の分布に近づくようなCGHを算出する。或いは、制御部60は、複数のCGHを予め記憶しておき、出力データSdに示される出力光L2の光強度分布に応じて、所望の分布に近づくためのCGHを複数のCGHの中から選択してもよい。制御部60は、算出または選択したCGHを含む制御信号Scを、空間光変調器20に提供する。
図2は、空間光変調器20による変調動作を概念的に示す図である。なお、図2においては、光軸O24及び光軸O4に垂直な面における光密度が破線(光線)の疎密によって示されており、光密度が大きいほど破線が密に並んでいる。図2に示されるように、空間光変調器20には、ガウス分布に従う光強度分布A1を有する光L1が入力される。光L1の光密度は、光軸O24上において最も大きく、周縁部に近づくほど小さくなる。空間光変調器20にはCGH21が呈示される。CGH21は、光L1から、集光面において所望の光強度分布A2を有する出力光L2を生成するためのCGHである。出力光L2の光強度分布A2は、例えば、図2に示されるように集光面の所定領域B1内において均一な分布を有する。所定領域B1は、例えば集光光学系40の光軸O4を含む領域であり、一実施例では光軸O4を中心とする円形状の領域である。この場合、出力光L2の光密度は、所定領域B1において一定であり、所定領域B1の外では急激に低下する。
上記の変調動作において、通常、CGH21としては、光強度分布A1が理想的なガウス分布であることを前提としたホログラムが用意される。しかしながら、実際の光L1の強度分布は、光路上に配置される光学部品(例えばアパーチャ、エッジマスク等)によって、周縁部分が欠ける等、理想的なガウス分布から不連続に変形してしまう場合がある。このような場合に、理想的なガウス分布を前提としたCGH21が空間光変調器20に呈示されると、得られる光強度分布A2は所望の分布から離れてしまう。例えば、光L1の周縁部分がアパーチャによって欠けると、所定領域B1内での光強度の均一性が低下してしまう。
そこで、本実施形態では、下記の数式(2)に示されるように、上記の数式(1)に対し、位相φ(ξ)の曲率dφ/dξを制御する制御パラメータAを導入する。この制御パラメータAが適切な値に設定されることにより、所定領域B1内での光強度の均一性を本来の均一さに近づけることができる。なお、この計算は制御部60において行われる。
制御パラメータAを適切な値に設定するためには、光検出器50によって得られたデータSdに示される光強度分布を用いるとよい。ここで、図3は、位相φ(ξ)と成形後の光強度分布A2との関係の一例を示す図である。なお、図3において、位相φ(ξ)欄の長破線D1は適切な位相曲線を示し、短破線D2は制御前の位相曲線を示している。
図3の上段に示されるように、制御パラメータAが適切値となっている(位相曲線の曲率が適切な位相曲線と一致している)場合には、所定領域B1内での光強度が均一となる。これに対し、図3の中段に示されるように、制御パラメータAが適切値よりも大きい場合には、所定領域B1内での光強度が凹状となってしまう。このような場合には、制御パラメータAをより小さく設定することによって、所定領域B1内での光強度を均一に近づけることができる。また、図3の下段に示されるように、制御パラメータAが適切値よりも小さい場合には、所定領域B1内での光強度が凸状となってしまう。このような場合には、制御パラメータAをより大きく設定することによって、所定領域B1内での光強度を均一に近づけることができる。なお、データSdに示される光強度分布の形状に基づいて、予めAの大凡の値を決定してもよい。
また、図1に示されたように、本実施形態では空間光変調器20と集光光学系40との間の光軸O24上に振幅マスク30が配置されている。上述したような、光強度分布A1の理想的なガウス分布からの変形による光強度分布A2の変形は、この振幅マスク30によっても解消され得る。ここで、図4は、光軸O24の方向から見た振幅マスク30の構成を示す平面図である。図4に示されるように、本実施形態の振幅マスク30は、第1領域31及び第2領域32を有する。
第1領域31は、光軸O24を中心とする円形状の領域である。第1領域31における透過率は均一であり、例えば100%若しくはそれに極めて近い値である。従って、空間光変調器20から集光光学系40に至るまでの光軸O24付近の光強度分布は、そのまま維持される。また、第2領域32は、光軸O24を中心とする円環状(すなわち光軸O24周りに対称)の領域であって、第1領域31を囲んでいる。第2領域32における透過率は、光軸O24から離れるに従い、第1領域31の透過率から連続的に減少(すなわち単調減少)している。従って、アポダイゼーション効果(高次の回折光を抑制して、低周波のコントラストが向上し、一方で高周波のコントラストが低減する効果)を得ることができ、光L1のうち第2領域32を透過した部分の光強度は、光軸O24から離れるに従い、第1領域31の周縁部の光強度から連続的に減少(すなわち単調減少)することとなる。後述する実施例に示されるように、光軸O24を中心とする径方向における第2領域32の幅rは、第1領域31の半径rと幅rとの和(r+r)の20%〜50%の範囲内であるとよい。
図5及び図6は、光軸O24を含む断面における振幅マスク30の透過率分布の例を示すグラフである。図5(a)に示される例では、第2領域32における透過率が、第1領域31と第2領域32との境界からの距離に比例して低下している。また、図5(b)及び図6(a)に示される例では、第2領域32における透過率が、第1領域31と第2領域32との境界からの距離を変数とする2次関数となっている。図5(b)は2次曲線が下に凸(すなわち2回微分値が常に正)である場合を示し、図6(a)は2次曲線が上に凸(すなわち2回微分値が常に負)である場合を示す。また、図6(b)に示される例では、第2領域32における透過率が、第1領域31と第2領域32との境界からの距離を変数とするシグモイド(SIGMOID)関数となっている。
図7は、上記のような透過率分布を有する振幅マスク30を透過した光L1の光強度分布の例を示す図であって、光強度を色の濃淡で表している。なお、黒い領域ほど光強度が弱く、白い領域ほど光強度が強い。この図7に示されるように、振幅マスク30を透過した後の光L1の光強度分布では、第2領域32を透過した部分の光強度が、光軸O24から離れるに従い連続的に減少している。
ここで、図8〜図10は、本実施形態による効果を説明するためのシミュレーション結果である。なお、これらの図において、縦軸は光強度を表し、横軸は光軸O24を含む断面の径方向位置を表す。図8(a)に示されるように光L1が理想的なガウス分布を有する場合、図8(b)に示されるように、集光面における出力光L2の光強度分布は、所定領域B1において略均一なトップハット状となる。しかし、図9(a)に示されるように、アパーチャによって光L1の光強度分布の裾が不連続に途切れた場合、図9(b)に示されるように、集光面における出力光L2の光強度分布は、所定領域B1において均一性が損なわれた形状となる。なお、これらの例では、制御パラメータを19000とした。
これに対し、図10(a)に示されるように、第2領域32を通過した光L1の部分の光強度が光軸O24から離れるに従い連続的に減少している場合、図10(b)のグラフG1に示されるように、所定領域B1での光強度が図9(b)と比較して均一に近づく(振幅マスク30のアポダイゼーション効果)。また、制御パラメータを更に好適な28000に設定した場合、図10(b)のグラフG2に示されるように、所定領域B1での光強度がグラフG1と比較して更に均一に近づく(低下した高周波のコントラストの回復効果)。
このように、振幅マスク30において、第2領域32を透過した光L1の光強度が光軸O24から離れるに従い連続的に減少するような場合には、光L1の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、集光面における出力光L2の光強度分布に対する該変形による影響が緩和されることを本発明者は見出した。また、第2領域32を透過した光L1のこのような光強度は、例えば図5及び図6に示されたように、第2領域32の透過率が光軸O24から離れるに従い連続的に減少することによって好適に実現され得る。従って、本実施形態によれば、光L1の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、出力光L2の強度分布を所望の分布に近づけることができる。
なお、光L1の強度分布における不連続部分は、第2領域32の外側を透過することが好ましい。言い換えれば、第2領域32の外側の輪郭は、光L1の強度分布における不連続部分によって規定されることが好ましい。また、光L1はガウス分布を有していればよく、光L1のビーム径に制限はない。
また、本実施形態のように、光照射装置1Aは、集光光学系40によって集光された出力光L2の集光面における光強度分布を検出する光検出器50と、集光面において所望の光強度分布を生じさせるためのCGHを、光検出器50からの出力データに基づいて提供する制御部60とを更に備えてもよい。この構成によれば、振幅マスクのアポダイゼーション効果により低下した高周波のコントラストをCGH制御で回復することができる。特に、振幅分布と位相分布の両方を制御する構成によって、集光面における光強度分布を、フィードバック制御により更に精度良く所望の分布に近づけることができる。また、振幅マスク30の第2領域32が上記の構成を有することによって、集光面における光強度分布を所望の分布に更に近づけ易くすることができる。
また、本実施形態のように、第1領域31における透過率は均一であってもよい。これにより、集光面における光強度分布を所望の分布に更に近づけ易くすることができる。また、例えば第1領域31における透過率がほぼ100%である場合には、振幅マスク30による光損失を低減して光利用効率を高めることができる。
また、本実施形態のように、光軸O24を中心とする径方向における第2領域32の幅rが、第1領域31の半径rと幅rとの和(r+r)の20%〜50%の範囲内であってもよい。後述する実施例に示されるように、本発明者の知見によれば、第2領域32の幅がこのような範囲内であることによって、光L1のガウス分布からの変形による出力光L2の光強度分布への影響がより好適に緩和される。
また、本実施形態のように、空間光変調器20に呈示されるCGHは、集光面の所定領域B1内において均一な光強度分布を生成するためのホログラムであってもよい。このような場合、光L1のガウス分布からの変形によって光強度分布の均一性が損なわれたとしても、振幅マスク30の働きによって光強度分布の均一性を回復することができる。
(変形例)
図11は、上記実施形態の一変形例に係る光照射装置1Bの構成を示す図である。本変形例と上記実施形態との相違点は、振幅マスク30の配置である。本変形例において、振幅マスク30は、ガウスビーム出力部10と空間光変調器20との間の光軸O12上に配置されている。つまり、ガウスビーム出力部10と空間光変調器20との間における光L1の光路上に配置されている。このような構成であっても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、振幅マスク30は、ガウスビーム出力部10と空間光変調器20との間、並びに空間光変調器20と集光光学系40との間の双方の光軸O12,O24上に配置されてもよい。なお、本変形例の作用は、上記実施形態の図4、図5、及び図6における光軸O24を光軸O12に置き換えて理解される。
(第1実施例)
ここで、上記実施形態の第1実施例について説明する。図12は、本実施例における振幅マスク30の透過率分布を示すグラフであって、縦軸は規格化された透過率を示し、横軸は規格化された半径方向位置を示す。図12に示されるグラフG11〜G14は、それぞれ図5(a)、図5(b)、図6(a)、及び図6(b)に対応している。なお、第2領域32の幅rを、第1領域31の半径rと幅rとの和(r+r)の40%とした。
図13は、振幅マスク30を透過した光L1の光強度分布を示すグラフであって、縦軸は光強度を示し、横軸は光軸に垂直な断面における径方向位置を示す。グラフG21〜G24は、それぞれ図12のグラフG11〜G14に対応している。また、グラフG25は、比較のため、振幅マスク30を設けない場合の光L1の光強度分布を示している。図13に示されるように、本実施例では、第2領域32を透過した光L1の光強度が、光軸から離れるに従い連続的に減少している。
図14は、図13に示された光強度分布を有する光L1を集光光学系40に入力させたときの、集光面における出力光L2の光強度分布を示すグラフである。縦軸は光強度を示し、横軸は光軸からの距離を示す。グラフG31〜G35は、それぞれ図13のグラフG21〜G25に対応している。図14に示されるように、振幅マスク30を設けない場合(グラフG35)、所定領域における光強度の均一性が大きく損なわれる。これに対し、振幅マスク30を設けた場合(グラフG31〜G34)、所定領域における光強度の均一性が改善されている。特に、第2領域32における透過率が、第1領域31と第2領域32との境界からの距離を変数とする下に凸の2次関数となっている場合には(グラフG32)、均一性の改善が顕著である。
本実施例において示されたように、上記実施形態の光照射装置1Aによれば、光L1の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、出力光L2の強度分布を所望の分布に近づけることができる。
(第2実施例)
上記実施形態の第2実施例について説明する。図15は、振幅マスク30の第2領域32の幅rを種々に変化させたときの、集光面における出力光L2の光強度分布を示すグラフである。縦軸は光強度を示し、横軸は光軸からの距離を示す。グラフG41〜G45は、それぞれ、第2領域32の幅rが第1領域31の半径rと幅rとの和(r+r)の10%、20%、30%、40%、及び50%である場合を示す。なお、本実施例では、第2領域32における透過率を、第1領域31と第2領域32との境界からの距離を変数とする下に凸の2次関数とした(図5(b)を参照)。
図15を参照すると、幅rが和(r+r)の20%〜50%の範囲内である場合に、所定領域における光強度の均一性がより大きく改善されていることがわかる。特に、幅rが和(r+r)の30%〜40%の範囲内である場合には、光強度の均一性がより一層改善されている。従って、上記実施形態においては、幅rが和(r+r)の20%〜50%の範囲内であることが好ましく、幅rが和(r+r)の30%〜40%の範囲内であることが更に好ましい。
(第3実施例)
上記実施形態の第3実施例について説明する。図16は、本実施例における振幅マスク30の透過率分布を示すグラフであって、縦軸は規格化された透過率を示し、横軸は規格化された半径方向位置を示す。図16に示されるように、本実施例では、振幅マスク30の第1領域31と第2領域32との境界を、該境界における光強度が光軸(光軸O12及び/又は光軸O24)における光強度の90%となる位置に設定した。なお、第2領域32における透過率を、第1領域31と第2領域32との境界からの距離を変数とする下に凸の2次関数とした(図5(b)を参照)。更に、第2領域32の外周における透過率をゼロよりも大きい値とした。
図17(a)は、振幅マスク30を透過した光L1の光強度分布を示すグラフであって、縦軸は光強度を示し、横軸は光軸に垂直な断面における径方向位置を示す。グラフG51は振幅マスク30を設けた場合を示し、グラフG52は振幅マスク30を設けない場合を示す。
図17(b)は、集光面における出力光L2の光強度分布を示すグラフである。縦軸は光強度を示し、横軸は光軸からの距離を示す。グラフG61は図17(a)のグラフG51に対応しており、グラフG62は図17(a)のグラフG52に対応している。図17(b)に示されるように、上記実施形態によれば、光L1の光強度分布が、ガウス分布の中央部付近のみを切り取った形状を有する場合であっても、振幅マスク30の作用によって、所定領域における出力光L2の強度分布を所望の分布に近づけることができる。
本発明による光照射装置は、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、上記実施形態では図5及び図6において種々の透過率分布のバリエーションが示されたが、本発明ではこれらの透過率分布に限らず、第2領域の透過率が光軸から離れるに従い連続的に減少していれば、他の分布であってもよい。例えば、第1領域における透過率分布は均一でなくともよい。また、第2領域の透過率が、光軸から離れるに従い部分的に増加する場合であっても、第2領域を透過後の光の強度分布が光軸から離れるに従い連続的に減少していればよい。
また、上記実施形態では、光検出器からの出力データに基づいて制御部がCGHのフィードバック制御を行っているが、このようなフィードバック制御を行わず、予め算出または選択されたCGHを空間光変調器が呈示してもよい。さらに、空間光変調器20によって変調された光を集光する光学系は集光光学系に限らず、投影レンズなどの投影光学系を用いてもよい。これにより、本発明による光照射装置をプロジェクタなどの投影装置として用いることができる。
1A,1B…光照射装置、10…ガウスビーム出力部、11…光源、12…ビームエキスパンダ、20…空間光変調器、30…振幅マスク、31…第1領域、32…第2領域、40…集光光学系、50…光検出器、60…制御部、A1,A2…光強度分布、B1…所定領域、f…焦点距離、L1…光、L2…出力光、O12,O24,O4…光軸、Sc…制御信号、Sd…出力データ。

Claims (6)

  1. ガウス分布に従う光強度分布を有する光を出力するガウスビーム出力部と、
    前記光を受け、計算機ホログラムを呈示して前記光を変調する空間光変調器と、
    変調された前記光を集光する光学系と、
    前記ガウスビーム出力部と前記空間光変調器との間の光軸、及び前記空間光変調器と前記光学系との間の光軸のうち少なくとも一方の光軸上に配置された振幅マスクと、
    を備え、
    前記振幅マスクは、前記光軸を中心とする円形状の第1領域と、前記第1領域を囲む円環状の第2領域とを有し、
    前記第2領域における透過率が、前記光軸から離れるに従い連続的に減少している、光照射装置。
  2. ガウス分布に従う強度分布を有する光を出力するガウスビーム出力部と、
    前記光を受け、計算機ホログラムを呈示して前記光を変調する空間光変調器と、
    変調された前記光を集光する光学系と、
    前記ガウスビーム出力部と前記空間光変調器との間の光軸、及び前記空間光変調器と前記光学系との間の光軸のうち少なくとも一方の光軸上に配置された振幅マスクと、
    を備え、
    前記振幅マスクは、前記光軸を中心とする円形状の第1領域と、前記第1領域を囲む円環状の第2領域とを有し、
    前記光のうち前記第2領域を透過した部分の光強度が、前記光軸から離れるに従い連続的に減少する、光照射装置。
  3. 前記光学系によって集光された前記光の集光面における光強度分布を検出する光検出器と、
    前記集光面において所望の光強度分布を生じさせるための前記計算機ホログラムを、前記光検出器からの出力データに基づいて提供する制御部と、
    を更に備える、請求項1または2に記載の光照射装置。
  4. 前記第1領域における透過率が均一である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光照射装置。
  5. 前記光軸を中心とする径方向における前記第2領域の幅rが、前記第1領域の半径rと前記幅rとの和(r+r)の20%〜50%の範囲内である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の光照射装置。
  6. 前記計算機ホログラムは、前記光学系によって集光された前記光の集光面の所定領域内において均一な光強度分布を生成するためのホログラムである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の光照射装置。
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