JPWO2013157606A1 - ビームエクスパンダ - Google Patents

ビームエクスパンダ Download PDF

Info

Publication number
JPWO2013157606A1
JPWO2013157606A1 JP2014511247A JP2014511247A JPWO2013157606A1 JP WO2013157606 A1 JPWO2013157606 A1 JP WO2013157606A1 JP 2014511247 A JP2014511247 A JP 2014511247A JP 2014511247 A JP2014511247 A JP 2014511247A JP WO2013157606 A1 JPWO2013157606 A1 JP WO2013157606A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
lens
lens unit
light
beam expander
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2014511247A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6162688B2 (ja
Inventor
直也 松本
直也 松本
卓 井上
卓 井上
優 瀧口
優 瀧口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Priority to JP2014511247A priority Critical patent/JP6162688B2/ja
Publication of JPWO2013157606A1 publication Critical patent/JPWO2013157606A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6162688B2 publication Critical patent/JP6162688B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0825—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a flexible sheet or membrane, e.g. for varying the focus
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0875—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/16—Microscopes adapted for ultraviolet illumination ; Fluorescence microscopes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/56—Optics using evanescent waves, i.e. inhomogeneous waves
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/294—Variable focal length devices

Abstract

ビームエクスパンダ１０Ａは、ＳＬＭまたはＶＦＬのうち何れか一方により構成される第一レンズ部１２と、第一レンズ部１２と光学的に結合され、ＳＬＭまたはＶＦＬのうち何れか一方により構成される第二レンズ部１４と、第一、第二レンズ部１２、１４の焦点距離を制御する制御部１６とを備える。第一、第二レンズ部１２、１４の距離は不変である。制御部１６は、第一レンズ部１２に入力される光の光径Ｄ1と、第二レンズ部１４から出力される光の光径Ｄ2とが互いに異なるように、第一、第二レンズ部１２、１４の焦点距離を制御する。これにより、簡易に構成可能であり、光径を変更する際の所要時間を短縮することが可能なビームエクスパンダが実現される。

Description

本発明は、ビームエクスパンダに関するものである。
ビームエクスパンダとは、平行光の光径を、後段の光学部品に適応するように変更することが可能な光学部品をいう。一般的に、ビームエクスパンダを構成するためには、最低２群のレンズを光軸上において相対的に移動させる必要がある。すなわち、２群のレンズからなる光学系においてこれらの群を相対的に移動させ、合成焦点距離を変化させる。これにより、一方の群に入射した平行光の光径に対して、他方の群から出力される平行光の光径を異ならせることができる（例えば非特許文献１を参照）。
朝倉書店「最新光学技術ハンドブック」第IV部１．３．２節ｃ L.A.Romero et al., "Lossless laser beam shaping", JOSA, vol. 13, No.4, pp.751-760 (1996)
前述したように、複数のレンズ群から成る従来のビームエクスパンダでは、平行光の光径を変化させるためにレンズ群を光軸方向に機械的に移動させる必要がある。しかしながら、レンズを機械的に移動させる際の位置精度を高めるためには、極めて複雑な機構を必要とする。また、レンズ群の移動に一定の時間を要するので、光径を変更する際の所要時間を短縮することも困難である。
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、簡易に構成可能であり、光径を変更する際の所要時間を短縮することが可能なビームエクスパンダ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エクスパンダは、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第一レンズ部と、第一レンズ部と光学的に結合され、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第二レンズ部と、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を制御する制御部とを備え、第一レンズ部と第二レンズ部との距離が不変であり、制御部は、第一レンズ部に入力される光の光径と、第二レンズ部から出力される光の光径とが互いに異なるように、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を制御することを特徴とする。制御部は、具体的には例えば、空間光変調素子にレンズパターンを与え、または可変焦点レンズの焦点距離を制御することにより、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を制御する。
このビームエクスパンダでは、従来のビームエクスパンダにおける２以上のレンズ群に代えて、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第一レンズ部及び第二レンズ部が配置されている。空間光変調素子及び可変焦点レンズは、光軸方向の位置を変更することなく焦点距離を変化し得る光学部品である。このため、第一レンズ部と第二レンズ部との距離が固定された状態で、ビームエクスパンダ系全体の焦点距離を任意に変更することにより、第一レンズ部に入力される平行光の光径に対して第二レンズ部から出力される平行光の光径を変化させることができる。また、これらの光学部品は、制御部からの電気信号に従って、極めて短い時間で焦点距離を変更することができる。したがって、上記ビームエクスパンダによれば、光径を変更する際の所要時間を短縮することができる。また、レンズ群を移動させるための複雑な機構を必要としないので、ビームエクスパンダ系全体を簡易に構成することができる。
本発明によるビームエクスパンダによれば、簡易に構成可能であり、光径を変更する際の所要時間を短縮することができる。
図１は、第１実施形態に係るビームエクスパンダの構成を示す図である。 図２は、ビームエクスパンダによって平行光が拡径若しくは縮径される様子を示す図である。 図３は、制御部による第一レンズ部及び第二レンズ部の制御方式の他の例を示す図である。 図４は、制御部による第一レンズ部及び第二レンズ部の制御方式の他の例を示す図である。 図５は、第２実施形態に係るビームエクスパンダの構成を示す図である。 図６は、第２実施形態の一変形例として、ビームエクスパンダの構成を示す図である。 図７は、第２実施形態の別の変形例として、ビームエクスパンダの構成を示す図である。 図８は、低開口数・低倍率の対物レンズと、高開口数・高倍率の対物レンズとを示す図である。 図９は、第３実施形態に係る顕微鏡の構成を示す図である。 図１０は、第４実施形態に係るＴＩＲＦ顕微鏡を示す図である。 図１１は、第５実施形態に係る加工顕微鏡の構成例を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明によるビームエクスパンダ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エクスパンダ１０Ａの構成を示す図である。本実施形態のビームエクスパンダ１０Ａは、第一レンズ部１２と、第二レンズ部１４と、制御部１６とを備えている。第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４は、ビームエクスパンダ１０Ａに入力される平行光の光軸Ａに沿った方向に並んで配置されており、第二レンズ部１４は、第一レンズ部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、第一レンズ部１２と第二レンズ部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。
このビームエクスパンダ１０Ａでは、第一レンズ部１２の前面（第二レンズ部１４と対向する面とは反対側の面）から、平行光である入射光Ｐ1が入射する。そして、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４によってこの入射光Ｐ1が拡径（若しくは縮径）され、第二レンズ部１４の背面（第一レンズ部１２と対向する面とは反対側の面）から、平行光である出射光Ｐ2が出力される。出射光Ｐ2の光径Ｄ2の大きさは、入射光Ｐ1の光径Ｄ1の大きさと異なる。なお、光径とは、光軸と直交する断面における入射光Ｐ1又は出射光Ｐ2の最大径をいう。また、入射光Ｐ1及び出射光Ｐ2の光軸と直交する断面は、典型的には円形である。
第一レンズ部１２は、空間光変調素子（ＳＬＭ；Spatial Light Modulator）または可変焦点レンズ（ＶＦＬ；Vari-Focal
Lens）のうち何れか一方により構成される。また、第二レンズ部１４も同様に、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される。すなわち、第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との組み合わせとしては、以下の４つのパターンが存在する。
Figure 2013157606
第一レンズ部１２若しくは第二レンズ部１４として使用することができ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。また、第一レンズ部１２若しくは第二レンズ部１４としての可変焦点レンズには、例えば液晶や電気光学結晶のように光路の屈折率を任意に変化させ得るものや、形状を変化させ得るもの等が好適に使用される。これらの可変焦点レンズでは、電圧や電流の印加によって焦点距離が任意に制御される。
また、従来のビームエクスパンダと異なり、本実施形態のビームエクスパンダ１０Ａでは、第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との距離Ｌ1は不変であり、第一レンズ部１２及び第二レンズ部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、第一レンズ部１２の焦点距離ｆ1及び第二レンズ部１４の焦点距離ｆ2を制御する。第一レンズ部１２及び／又は第二レンズ部１４が空間光変調素子である場合、制御部１６は、当該空間光変調素子の各画素を駆動するための電気信号（レンズパターン）をその第一レンズ部１２及び／又は第二レンズ部１４へ提供する。また、第一レンズ部１２及び／又は第二レンズ部１４が可変焦点レンズである場合、制御部１６は、当該可変焦点レンズの焦点距離を制御するための電気信号をその第一レンズ部１２及び／又は第二レンズ部１４へ提供する。ビームエクスパンダ１０Ａでは、このようにして制御部１６が第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４の焦点距離ｆ1，ｆ2を変更することにより、出射光Ｐ2の光径Ｄ2が、入射光Ｐ1の光径Ｄ1に対して任意に変化する。なお、制御部１６は、第一レンズ部１２及び第二レンズ部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。
例えば、平行光である入射光Ｐ1が入射したときに、出射光Ｐ2を平行光として出力する為には、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４の焦点距離ｆ1，ｆ2が以下の数式（１）に示される関係を満たすような電気信号（空間光変調素子の場合はレンズパターン）を、制御部１６が第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４に与えるとよい。
Figure 2013157606
 このとき、入射光Ｐ1の光径Ｄ1と出射光Ｐ2の光径Ｄ2との比率（拡大倍率Ｍ＝Ｄ2／Ｄ1）は、次の数式（２）によって表される。
Figure 2013157606
上の数式（１）及び（２）から明らかなように、第一レンズ部１２の焦点距離ｆ1が第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との距離Ｌ1より大きい場合には、第二レンズ部１４の焦点距離ｆ2が負となって、第一レンズ部１２から第二レンズ部１４に至る光は収束光となる。また、焦点距離ｆ1が０より大きく且つ距離Ｌ1より小さい場合には焦点距離ｆ2は正となるが、この場合、第一レンズ部１２から第二レンズ部１４に至る光は第一レンズ部１２と第二レンズ部１４の間で一度集光され、その後に発散光となって第二レンズ部１４に至る。そして、この光は、第二レンズ部１４に表示される屈折パワーが正のレンズによってコリメートされる。また、焦点距離ｆ1が０より小さい場合においても焦点距離ｆ2が正となるが、この場合には、第一レンズ部１２から第二レンズ部１４に至る光は発散光となる。そして、この光は、第二レンズ部１４に表示される屈折パワーが正のレンズによってコリメートされる。
図２は、ビームエクスパンダ１０Ａによって平行光が拡径若しくは縮径される様子を示す図である。図２（ａ）は平行光が拡径される様子（ｆ1＜０、ｆ2＞０、ｆ2＝Ｌ1−ｆ1）を示しており、図２（ｂ）は平行光が縮径される様子（ｆ1＞０、ｆ2＜０、ｆ2＝Ｌ1−ｆ1）を示している。ここで、第一レンズ部１２に入射する入射光Ｐ1の光径Ｄ1は、第一レンズ部１２の有効面の長さＬ2の１／２以下であることが好ましい。光径Ｄ1が長さＬ2の１／２以下であることにより、第一レンズ部１２における回折効率（集光効率）の低下を抑え、第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との距離Ｌ1をより短くすることができるからである。
例えば、ＬＣＯＳ型の空間光変調素子からなる第一レンズ部１２に対し、光径１０ｍｍの入射光Ｐ1が入力されたとする。このとき、例えば焦点距離ｆ1が８００ｍｍ以上であるレンズパターンが空間光変調素子に表示されていると、その集光効率は約９０％となる。そして、焦点距離ｆ1が８００ｍｍより短くなるほど集光効率は低下し、焦点距離ｆ1が３００ｍｍである場合には、集光効率は５０％強となる。このような集光効率の低下は、空間光変調素子の外縁に近い領域において、レンズパターンの空間周波数が高くなり回折効率が低下することによって生じる。すなわち、入射光Ｐ1の光径Ｄ1が小さければ、焦点距離ｆ1，ｆ2が短い場合であっても高い集光効率を実現することが可能となる。例えば、光径Ｄ1を長さＬ2の１／２以下とすることにより、焦点距離ｆ2が８００ｍｍより短いレンズパターンを第二レンズ部１４に表示させることができる。そして、同じ光径Ｄ2を実現しようとするとき、焦点距離ｆ2が短ければその分だけ距離Ｌ1を短くすることが可能となる。距離Ｌ1を短くすることによって、ビームエクスパンダ１０Ａをより小型化することができる。
また、光径Ｄ1が長さＬ2の１／２以下であることにより、次に述べる効果を得ることもできる。すなわち、第一レンズ部１２に凸レンズを表示することで光径を効果的に縮小でき、逆に凹レンズを表示することで光径を効果的に拡大できる。一例として、第一レンズ部１２に光径Ｄ1＝５ｍｍの入射光Ｐ1を入力させ、第二レンズ部１４から光径Ｄ2＝１０ｍｍの出射光Ｐ2を出力させる場合（図２（ａ）を参照）と、第二レンズ部１４から光径Ｄ2＝０．５ｍｍの出射光Ｐ2を出力させる場合（図２（ｂ）を参照）とを考える。光径Ｄ2を１０ｍｍとする場合、光径の拡大倍率は２倍である。第二レンズ部１４の焦点距離ｆ2が最大で８００ｍｍである場合、距離Ｌ1は４００ｍｍに設定されることができ、その場合の焦点距離ｆ1は−４００ｍｍとなる。また、光径Ｄ2を０．５ｍｍとする場合、光径の拡大倍率は０．１倍である。距離Ｌ1が４００ｍｍに設定されている場合、焦点距離ｆ1を４４０ｍｍとし、焦点距離ｆ2を−４０ｍｍとすることにより、このような小さな光径Ｄ2を実現することができる。
図３は、制御部１６による第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４の制御方式の他の例を示す図である。図３では、第一レンズ部１２に入力される入射光Ｐ1及び第二レンズ部１４から出力される出射光Ｐ2の位置および光径がそれぞれ異なる例を示している。すなわち、図３（ａ）では、入射光Ｐ1の中心軸線Ａ１を含む直線と、出射光Ｐ2の中心軸線Ａ２を含む直線とが互いに距離Ｌ3だけ離れており、図３（ｂ）では、入射光Ｐ1の中心軸線Ａ１を含む直線と、出射光Ｐ2の中心軸線Ａ２を含む直線とが互いに距離Ｌ4だけ離れている。このような形態は、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されている場合に可能であり、例えばレンズパターンに回折格子パターンやホログラムパターンといった位相パターンが重畳された重畳パターンを空間光変調素子に与えることによって好適に実現される。
具体的に説明すると、第一レンズ部１２および第二レンズ部１４のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されている場合、制御部１６は、第一レンズ部１２および第二レンズ部１４の双方若しくは何れか一方に対して提供するレンズパターンに、種々の回折格子パターンを重畳させた重畳パターンを空間光変調素子に呈示することができる。これにより、例えば図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、光軸Ａ１とは異なる任意の光軸Ａ２上に出射光Ｐ2を移動する、いわゆるビームステアリングが可能となる。このような構成では、第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との間を進行する光の光軸を傾斜させつつ、第二レンズ部１４から出力される出射光Ｐ2の光軸Ａ２を入射光Ｐ1の光軸Ａ１と平行にすることができる。
また、制御部１６がレンズパターンに所定の回折格子パターンを重畳させた重畳パターンを空間光変調素子に呈示することにより、図４（ａ）に示されるように、光軸Ａ１に対して互いに異なる方向に傾斜した複数（図では２つ）の光軸を第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との間に形成しつつ、光軸Ａ１とは異なる複数の光軸（例えば図のＡ２）上に出射光Ｐ2を移動するといった、複数ビームのステアリングも可能である。このような構成は、例えば、第一レンズ部１２に入力される光に対し、第二レンズ部１４から出力される光を複数の光路に分割するようなレンズパターンを空間光変調素子に与えることによって実現することができる。
また、制御部１６がレンズパターンに所定の回折格子パターンを重畳させた重畳パターンを空間光変調素子に呈示することにより、図４（ｂ）に示されるように、第一レンズ部１２を複数（図では２つ）の領域に分割し、これらの領域の各々と第二レンズ部１４との間に、光軸Ａ１に対して傾斜した（或いは平行な）光軸を形成してもよい。図４（ｂ）に示された構成によれば、図４（ａ）の構成と比較して、第一レンズ部１２における回折角を小さくすることができ、第一レンズ部１２の負担を低減することができる。ここで、第一レンズ部１２の負担について説明する。第一レンズ部１２が空間光変調器（ＳＬＭ）により構成される場合、このＳＬＭに表示すべきレンズパターンは、フレネルレンズパターンと呼ばれる位相パターンとなる。このパターンは、次の数式（３）によって導出される。
Figure 2013157606
数式（３）において、ｒはレンズパターンの中心点からの距離であり、λは入射されるビームの波長であり、ｆはレンズの焦点距離である。また、この数式（３）は、位相差２π（ｒａｄ）まで表現可能であるＳＬＭにおいて、フレネルレンズパターンを表示するために位相を２π（ｒａｄ）で折り返す方法（位相おりたたみと呼ばれる）を用いた場合を表している。この数式（３）から明らかなように、レンズパターンの中心点から離れるに従って位相が急峻となる。そのため、レンズパターンの周辺部では、位相折り返しが頻繁に発生する。そして、位相折り返しの間隔がＳＬＭの画素ピッチの２倍よりも短くなると、もはやフレネルレンズパターンを表現できないこととなる。このような現象を回避するために、ＮＡが大きくなり過ぎるような場合には、図４（ｂ）に示された構成を用いてＮＡを制限しつつ、光を複数の領域に分割することによって光を有効に使用するとよい。
図３及び図４に示されたように、本実施形態のビームエクスパンダ１０Ａによれば、光径の変更の他、出射光Ｐ2の光軸位置の変更や出射光Ｐ2の分割といった、従来の光学レンズには不可能であった制御が可能となる。
また、第一レンズ部１２および第二レンズ部１４のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されている場合、制御部１６は、第一レンズ部１２および第二レンズ部１４の双方若しくは何れか一方に対して提供するレンズパターンに、種々のホログラムパターンを重畳させることができる。これにより、図３及び図４に示されたような形態を実現することができる。
また、第一レンズ部１２および第二レンズ部１４のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されている場合、制御部１６は、第一レンズ部１２および第二レンズ部１４の双方若しくは何れか一方に対して提供するレンズパターンに、光学系に含まれる歪みや可変焦点レンズによって発生する収差を補正するためのパターンを重畳させることができる。
第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４とは別に配置されるレンズや、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４として使用される可変焦点レンズは、僅かな歪みを有することがある。位相変調を精度良く行う為には、このような歪みによる収差を補正することが望ましい。そこで、第一レンズ部１２及び／又は第二レンズ部１４に与えられるレンズパターンに収差を補正するためのパターンを重畳するとよい。これにより、高い精度で光学系を構成することが可能となる。また、本実施形態のビームエクスパンダ１０Ａによれば、このように、収差を補正する際にも複雑なレンズ成形を必要とせずに、系全体を簡易に構成することができる。
以上に説明した本実施形態のビームエクスパンダ１０Ａでは、従来のビームエクスパンダにおける２以上のレンズ群に代えて、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４が配置されている。上述したように、空間光変調素子及び可変焦点レンズは、光軸Ａの方向における位置を変更することなく焦点距離ｆ1，ｆ2を変化し得る光学部品である。このため、第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との距離Ｌ1が固定された状態で、入射光Ｐ1の光径Ｄ1に対する出射光Ｐ2の光径Ｄ2の倍率を任意に変更することができる。また、これらの光学部品は、制御部１６からの電気信号に従って、極めて短い時間で焦点距離ｆ1，ｆ2を変更することができる。したがって、本実施形態のビームエクスパンダ１０Ａによれば、従来のビームエクスパンダと比較して、光径Ｄ2の倍率を変更する際の所要時間を大幅に短縮することができる。また、レンズ群を移動させるための複雑な機構を必要としないので、ビームエクスパンダ系全体を簡易に構成することができる。
なお、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４の少なくとも一方が空間光変調素子によって構成されている場合、空間光変調素子によって実現され得る焦点距離の値には下限がある。したがって、ビームエクスパンダ１０Ａによる光径の可変範囲にも制限が生じることとなる。このような課題を解決する為には、第一レンズ部１２と第二レンズ部１４との間に焦点固定レンズを適宜挿入するとよい。或いは、第一レンズ部１２及び／又は第二レンズ部１４を複数の空間光変調素子によって構成するか、第一レンズ部１２及び／又は第二レンズ部１４において複数のレンズパターンを表示させることによって位相変調を複数回行っても良い。例えばこれらの方式を採用することによって、光径の可変範囲を拡げることが可能になる。
また、本実施形態において、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４は４ｆ光学系を構成してもよい。４ｆ光学系としては、例えば複数のレンズによって構成される両側テレセントリック光学系が好適である。
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係るビームエクスパンダ１０Ｂの構成を示す図である。本実施形態のビームエクスパンダ１０Ｂは、第一レンズ部２２と、第二レンズ部２４と、制御部２６とを備えている。第一レンズ部２２及び第二レンズ部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５に示されるように、ビームエクスパンダ１０Ｂは、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、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、第二レンズ部２４が第一レンズ部２２に光学的に結合されている。すなわち、第二レンズ部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を介して第一レンズ部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、第一レンズ部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。
本実施形態のビームエクスパンダ１０Ｂにおいても、第一レンズ部２２と第二レンズ部２４との光学距離（すなわち第一レンズ部２２から反射鏡３６ｃ，３６ｄを経て第二レンズ部２４に至るまでの距離）は不変であり、第一レンズ部２２及び第二レンズ部２４の位置は、反射鏡３６ｅの後段に結合される光学部品に対して相対的に固定されている。なお、第一レンズ部２２と第二レンズ部２４との光学距離は、第１実施形態における距離Ｌ1に相当する。
制御部２６は、第一レンズ部２２及び第二レンズ部２４の焦点距離ｆ1，ｆ2を制御する。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（レンズパターン）を第一レンズ部２２及び第二レンズ部２４へ提供することにより、これらの空間光変調素子においてそれぞれ焦点距離ｆ1、ｆ2のレンズを表示させる。ビームエクスパンダ１０Ｂでは、このように制御部２６が第一レンズ部２２及び第二レンズ部２４の焦点距離ｆ1、ｆ2を変更することによって、入射光Ｐ1とは光径が異なる平行光である出射光Ｐ2が出力される。なお、制御部２６は、第一レンズ部２２及び第二レンズ部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、第一レンズ部及び第二レンズ部は、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６は、第２実施形態の一変形例として、ビームエクスパンダ１０Ｃの構成を示す図である。本変形例に係るビームエクスパンダ１０Ｃと第２実施形態との相違点は、第一レンズ部及び第二レンズ部の構成である。すなわち、本変形例では、ビームエクスパンダ１０Ｃが一つの反射型空間光変調素子３０を備え、第一レンズ部及び第二レンズ部が、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）が第一レンズ部３０ｂとして使用され、他の一部の領域（第二の領域）が第二レンズ部３０ｃとして使用されている。本変形例では、第二レンズ部３０ｃが、反射鏡３６ｄ及び３６ｃを介して第一レンズ部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、第一レンズ部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。
本変形例のビームエクスパンダ１０Ｃにおいても、第一レンズ部３０ｂと第二レンズ部３０ｃとの光学距離は不変であり、第一レンズ部３０ｂ及び第二レンズ部３０ｃの位置は、反射鏡３６ｅの後段に結合される光学部品に対して相対的に固定されている。なお、第一レンズ部３０ｂと第二レンズ部３０ｃとの光学距離は、第１実施形態における距離Ｌ1に相当する。
制御部２６は、第一レンズ部３０ｂ及び第二レンズ部３０ｃの焦点距離を制御する。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（レンズパターン）を空間光変調素子３０へ提供することにより、第一レンズ部３０ｂ及び第二レンズ部３０ｃにおいてそれぞれ焦点距離ｆ1、ｆ2のレンズを表示させる。ビームエクスパンダ１０Ｃでは、このように制御部２６が第一レンズ部３０ｂ及び第二レンズ部３０ｃの焦点距離を変更することによって、入射光Ｐ1とは光径が異なる平行光である出射光Ｐ2が出力される。
本変形例のように、第一レンズ部及び第二レンズ部は、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、第一レンズ部および第二レンズ部に光を入出射する光学系としては、図５や図６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７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７の構成では、第一レンズ部２２を構成する反射型空間光変調素子と、第二レンズ部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Ｐ１と出射光Ｐ２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。
（第３の実施の形態）
続いて、本発明の第３実施形態として、前述した第１実施形態に係るビームエクスパンダ１０Ａを備える顕微鏡について説明する。ここでは、一例としてレーザスキャニング顕微鏡について説明する。
レーザスキャニング顕微鏡は、対物レンズ等により絞られたレーザ光の集光点を対象物の表面においてラスタースキャンさせ、これにより発生した蛍光、反射光若しくは散乱光、又は照射されたレーザ光によって対象物から生じる発光を用いてイメージングを行う。レーザ光の集光点の大きさは対物レンズの開口数（ＮＡ）が大きいほど小さくなり、集光点が小さいほどイメージングの分解能が高くなる。しかし、集光点が小さいほど、イメージングを行うためのスキャン回数が多くなり、イメージングに要する時間が長くなってしまう。そこで、まず開口数が小さい対物レンズを用いることにより、対象物の広い領域に対して短時間で低分解能のイメージングを行い、そのイメージング結果に基づいて当該領域の中の一部の領域を選択し、その領域に対して開口数が大きい対物レンズを用いて高分解能のイメージングを行うことが考えられる。
この場合、開口数が小さい対物レンズと、開口数が大きい対物レンズとを切り替えることとなるが、そのような場合には次に述べる課題が生じる。一般的に、開口数が小さい対物レンズには低倍率のものが多く、また、開口数が大きい対物レンズには高倍率のものが多い。図８は、一例として、開口数が０．３で倍率が１０倍の低倍率対物レンズ４０（図８（ａ））と、開口数が０．７５で倍率が４０倍の高倍率対物レンズ４２（図８（ｂ））とを示している。対物レンズ４０，４２において光を集光して回折限界像を得るためには、対物レンズ４０，４２に入射する光Ｐ3の光径Ｄ3が、射出瞳径ＥＰ1，ＥＰ2と合致していることが望ましい。
対物レンズ４０，４２の射出瞳径ＥＰ1，ＥＰ2は、対物レンズ４０，４２の倍率と開口数によって定まる。例えば図８（ａ）に示された倍率１０倍、開口数０．３の対物レンズ４０では、射出瞳径ＥＰ1は１０．８０ｍｍである。また、例えば図８（ｂ）に示された倍率４０倍、開口数０．７５の対物レンズ４２では、射出瞳径ＥＰ2は６．７５ｍｍである。このように、低倍率の対物レンズの射出瞳径は、高倍率の対物レンズの射出瞳径よりも大きい。したがって、光径の変更機構が何ら設けられない場合には、光Ｐ3の光径Ｄ3を低倍率の対物レンズ４０の射出瞳径ＥＰ1に合致させることとなる。しかしながら、このような光径Ｄ3は、高倍率の対物レンズ４２の射出瞳径ＥＰ2に対しては大き過ぎるため、光Ｐ3の周辺部分が射出瞳を通過できないこととなる。したがって、光Ｐ3の一部しか集光されないこととなり、光量のロスが生じる。例えば、光Ｐ3がトップハット形状の強度分布を有する場合、倍率４０倍の対物レンズ４２によって集光される光の光量は、入射した光Ｐ3の光量の約４０％程度となり、光量の大きなロスが生じる。
このように、様々な倍率及び開口数を有する対物レンズを切り替えて観察を行う場合には、これらの対物レンズの射出瞳径が互いに異なるため、高倍率の対物レンズにおいて光量のロスが生じてしまうという問題が生じる。そこで、本実施形態では、第１実施形態に係るビームエクスパンダ１０Ａを用いて、対物レンズに入射される光の光径を対物レンズの射出瞳径に合わせて調整する。
図９は、本実施形態に係る顕微鏡５０Ａの構成を示す図である。図９に示されるように、顕微鏡５０Ａは、ビームエクスパンダ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及び４２とを備えている。なお、ビームエクスパンダ１０Ａに代えて、第２実施形態に係るビームエクスパンダ１０Ｂ（若しくは１０Ｃ）が適用されてもよい。
第一レンズ部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。そして、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４によってこの入射光Ｐ1が拡径（若しくは縮径）され、第二レンズ部１４の背面（第一レンズ部１２と対向する面とは反対側の面）から、平行光である出射光Ｐ2が出力される。出射光Ｐ2は、対物レンズ４０若しくは４２の射出瞳に入射し、対物レンズ４０若しくは４２において集光される。
出射光Ｐ2の光径Ｄ2の大きさは、対物レンズ４０及び４２の射出瞳径ＥＰ1，ＥＰ2に対応して第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４により調整される。すなわち、図９（ａ）に示されるように、低倍率・低開口数の対物レンズ４０が選択されているときには、第一レンズ部１２の焦点距離ｆ1及び第二レンズ部１４の焦点距離ｆ2は、比較的大きな射出瞳径ＥＰ1に出射光Ｐ2の光径Ｄ2が近づくように制御される。なお、予め入射光Ｐ1の光径Ｄ1を対物レンズ４０の射出瞳径ＥＰ1に合致させておき、光径Ｄ1に対する光径Ｄ2の倍率を１としてもよい。また、図９（ｂ）に示されるように、高倍率・高開口数の対物レンズ４２が選択されているときには、第一レンズ部１２の焦点距離ｆ1及び第二レンズ部１４の焦点距離ｆ2は、比較的小さな射出瞳径ＥＰ2に出射光Ｐ2の光径Ｄ2が近づくように制御される。
本実施形態のように、ビームエクスパンダ１０Ａ（若しくは１０Ｂ，１０Ｃ）を用いて対物レンズへ入射する光の光径を射出瞳径に応じて調整することによって、光量のロスを低減することができる。
ここで、上記効果に関して具体的な数値を示す。現在、空間光変調素子には光利用効率が９０％以上のものがある。このような空間光変調素子を第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４として用いた場合、出射光Ｐ2の光量は入射光Ｐ1の光量の約８０％程度となる。したがって、対物レンズ４２における光量ロスは約２０％であり、従来と比較して２倍の集光光量を得ることができる。
（第４の実施の形態）
続いて、本発明の第４実施形態として、前述した第１実施形態に係るビームエクスパンダ１０Ａを備える別の顕微鏡について説明する。ここでは、一例としてＴＩＲＦ（Total Internal Reflection
Fluorescence）顕微鏡について説明する。ＴＩＲＦ顕微鏡は、観察対象物においてレーザ光を全反射させ、エバネッセント場を発生させて蛍光を励起させることによりイメージングを行う装置であって、極めて大きい開口数を有する超高倍率の対物レンズを備える。
図１０は、このようなＴＩＲＦ顕微鏡５０Ｂを示す図である。ＴＩＲＦ顕微鏡５０Ｂは、ビームエクスパンダ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４４とを備えている。なお、ビームエクスパンダ１０Ａに代えて、第２実施形態に係るビームエクスパンダ１０Ｂ（若しくは１０Ｃ）が適用されてもよい。
対物レンズ４４は、例えば１．６５といった極めて高い開口率と、例えば１００倍といった超高倍率とを有する。このＴＩＲＦ顕微鏡では、レーザ光の全反射を利用する為に、対物レンズ４４の射出瞳の縁部付近に光を入射させる必要がある。そこで、本実施形態では、図１０に示されるように、ビームエクスパンダ１０Ａによって出射光Ｐ2の中心軸線の位置を対物レンズ４４の射出瞳の縁部付近に移動させる。同時に、出射光Ｐ2の光径Ｄ2を、対物レンズ４４の射出瞳径ＥＰ3と比較して十分に小さくする。
このように、ＴＩＲＦ顕微鏡５０Ｂにビームエクスパンダ１０Ａ（若しくは１０Ｂ，１０Ｃ）を適用することによって、対物レンズ４４に入射させる光の位置および光径を任意に制御し、ＴＩＲＦ像を好適に得ることができる。また、この顕微鏡が通常の対物レンズを併せて備えている場合には、これらの対物レンズに合わせて光の光径および光軸位置を容易に変更することができる。そして、このような顕微鏡を簡易に構成可能であり、光径を変更する際の所要時間を短縮することができる。
（第５の実施の形態）
続いて、本発明の第５実施形態として、前述した第１実施形態に係るビームエクスパンダ１０Ａを備える別の顕微鏡について説明する。ここでは、一例として加工顕微鏡について説明する。加工顕微鏡は、対象物に対してレーザ光を照射し、対象物を溶融させることにより加工を行う装置である。
図１１は、このような加工顕微鏡の構成例を示す図である。図１１に示される加工顕微鏡５０Ｃは、ビームエクスパンダ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４２とを備えている。なお、ビームエクスパンダ１０Ａに代えて、第２実施形態に係るビームエクスパンダ１０Ｂ（若しくは１０Ｃ）が適用されてもよい。
また、加工顕微鏡５０Ｃは、回折光学素子（ＤＯＥ；Diffractive Optical Element）４６を更に備えている。回折光学素子４６は、コリメートレンズ３４と第一レンズ部１２との間に光学的に結合されており、コリメートレンズ３４から第一レンズ部１２に提供される入射光Ｐ1に対して所定の回折作用を与える。このような回折光学素子４６と空間光変調素子とを組み合わせ、ガウシアン状の強度分布を有する光に例えば反復フーリエ法による位相分布や非特許文献２に記載された位相分布を与えることにより、対物レンズ４２の集光位置においてフラットな強度分布（トップハット形状）を有する集光像を得ることができる。そして、このような集光像を用いて加工を行うことにより、回折限界よりも広い範囲を均一に加工することができ、加工速度の向上を図ることができる。
このようなトップハット形状の集光像を得る為には、対物レンズ４２が、ガウシアン分布の中心から裾に至る入射光の全体を透過することが重要となる。対物レンズ４２においてガウシアン分布の裾が切れた（truncated）場合、集光像においてトップハット形状の強度分布を得ることができないからである。したがって、倍率および開口数の異なる複数の対物レンズを切り替えて加工を行う場合には、第１及び第２の実施形態に係るビームエクスパンダ１０Ａ〜１０Ｃのいずれかを用いて、対物レンズ４２に入射する光の光径を変更することが好ましい。これにより、対物レンズ４２において入射光の全体を透過させ、トップハット形状の集光像を好適に得ることができる。
なお、トップハット形状を得るための位相分布は、第一レンズ部１２及び第二レンズ部１４のいずれか一方（または双方）のレンズパターンに重畳されてもよい。また、本実施形態の構成は、観察用顕微鏡にも適用され得る。すなわち、回折限界よりも広範囲な均一光を用いて、観察対象物に対してスキャニング又は照明を行うことにより、高速スキャン又は均一な照明が可能となる。また、このようなトップハット形状の集光像は、観察対象物に光を照射することによってその反応を観察するような用途、例えば半導体故障解析や細胞への光刺激といった用途にも適用可能である。
本発明によるビームエクスパンダは、上述した実施形態及び変形例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、第一レンズ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、第一レンズ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、上述した第３〜第５の実施形態では本発明に係るビームエクスパンダを顕微鏡に応用した例を示しているが、本発明に係るビームエクスパンダは、照射範囲を変更可能な照明光学系として用いられることもできる。また、図３に示されたように、出射光の中心軸線を入射光の中心軸線から移動させることにより、照明位置をも変更することができる。
また、上述した第３〜第５の実施形態では第二レンズ部の直後に対物レンズが配置されているが、第二レンズ部と、対物レンズの射出瞳又は後側焦点位置とは、例えば４ｆ系レンズなどのテレセントリックレンズを介して結合されてもよい。
また、上述した第３〜第５の実施形態では第二レンズ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エクスパンダの第二レンズ部の後段には、対物レンズに限られず様々な光学部品が設けられ得る。
上記実施形態によるビームエクスパンダでは、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第一レンズ部と、第一レンズ部と光学的に結合され、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第二レンズ部と、空間光変調素子にレンズパターンを与え、または可変焦点レンズの焦点距離を制御することにより、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を制御する制御部とを備え、第一レンズ部と第二レンズ部との距離が不変であり、制御部は、第一レンズ部に入力される光の光径と、第二レンズ部から出力される光の光径とが互いに異なるように、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を制御する構成としている。
また、ビームエクスパンダは、第一レンズ部および第二レンズ部のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されており、制御部が、第一レンズ部に入力される光の中心軸線を含む直線と、第二レンズ部から出力される光の中心軸線を含む直線とが互いに離れるようなレンズパターンを空間光変調素子に与える構成としてもよい。例えばＴＩＲＦ顕微鏡といった光学部品が後段に配置される場合には、このように第一レンズ部に入力される平行光の光軸位置に対して第二レンズ部から出力される平行光の光軸位置を変化させるとよい。
また、ビームエクスパンダは、第一レンズ部および第二レンズ部のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されていることとしてもよい。これにより、光径の変更の他、光軸位置の変更や光軸の分割といった、従来の光学レンズには不可能であった制御が可能となる。このような制御は、例えば、制御部が、空間光変調素子へ与えるレンズパターンに回折格子またはホログラムパターンを重畳することによって好適に実現される。
また、ビームエクスパンダは、制御部が、空間光変調素子へ与えるレンズパターンに、当該ビームエクスパンダにおいて発生する収差を補正するためのパターンを重畳する構成としてもよい。このように、上記ビームエクスパンダによれば、収差を補正する際にも、複雑なレンズ成形を必要とせずに系全体を簡易に構成することができる。
また、上記実施形態によるビームエクスパンダでは、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第一レンズ部と、第一レンズ部と光学的に結合され、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第二レンズ部と、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を制御する制御部とを備え、第一レンズ部と第二レンズ部との距離が不変であり、制御部は、第一レンズ部に入力される光の光径と、第二レンズ部から出力される光の光径とが互いに異なるように、第一レンズ部及び第二レンズ部の焦点距離を制御する構成としている。
ここで、制御部は、具体的には例えば、レンズ部（第一レンズ部または第二レンズ部）が空間光変調素子により構成されている場合には、その空間光変調素子にレンズパターンを与えることにより、レンズ部の焦点距離を制御する。また、制御部は、レンズ部が可変焦点レンズにより構成されている場合には、その可変焦点レンズの焦点距離を制御することにより、レンズ部の焦点距離を制御する。
また、上記構成において、ビームエクスパンダは、第一レンズ部および第二レンズ部のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されており、制御部が、空間光変調素子にレンズパターンを与える構成としても良い。
また、ビームエクスパンダは、第一レンズ部および第二レンズ部が、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、第一レンズ部を構成する反射型空間光変調素子と、第二レンズ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、ビームエクスパンダは、第一レンズ部および第二レンズ部が、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レンズ部として使用され、他の一部の領域が第二レンズ部として使用されていることとしても良い。
また、ビームエクスパンダは、複数の反射素子を備え、第二レンズ部が、複数の反射素子を介して第一レンズ部と光学的に結合されている構成としても良い。
また、ビームエクスパンダは、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、ビームエクスパンダは、制御部が、第一レンズ部に入力される光の中心軸線を含む直線と、第二レンズ部から出力される光の中心軸線を含む直線とが互いに離れるようなレンズパターンを空間光変調素子に与える構成としても良い。
また、ビームエクスパンダは、制御部が、第一レンズ部に入力される光に対し、第二レンズ部から出力される光を複数の光路に分割するようなレンズパターンを空間光変調素子に与える構成としても良い。
また、ビームエクスパンダは、制御部が、空間光変調素子へ与えるレンズパターンに、当該ビームエクスパンダにおいて発生する収差を補正するためのパターンを重畳する構成としても良い。
また、ビームエクスパンダは、第一レンズ部に入射する入射光の光径が、第一レンズ部の有効面の長さの１／２以下である構成としても良い。
本発明は、簡易に構成可能であり、光径を変更する際の所要時間を短縮することが可能なビームエクスパンダとして利用可能である。
１０Ａ〜１０Ｃ…ビームエクスパンダ、３６ａ〜３６ｅ…反射鏡、１２…第一レンズ部、１４…第二レンズ部、１６…制御部、２２…第一レンズ部、２４…第二レンズ部、２６…制御部、２８…レーザ光源、３０…空間光変調素子、３０ａ…光反射面、３０ｂ…第一レンズ部、３０ｃ…第二レンズ部、３２…スペイシャルフィルタ、３２ａ…集光レンズ、３２ｂ…ピンホール、３４…コリメートレンズ、４０，４２，４４…対物レンズ、４６…回折光学素子、５０Ａ…顕微鏡、５０Ｂ…ＴＩＲＦ顕微鏡、５０Ｃ…加工顕微鏡、Ｐ1…入射光、Ｐ2…出射光。

Claims (11)

  1. 空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第一レンズ部と、
    前記第一レンズ部と光学的に結合され、空間光変調素子または可変焦点レンズのうち何れか一方により構成される第二レンズ部と、
    前記第一レンズ部及び前記第二レンズ部の焦点距離を制御する制御部と
    を備え、
    前記第一レンズ部と前記第二レンズ部との距離が不変であり、
    前記制御部は、前記第一レンズ部に入力される光の光径と、前記第二レンズ部から出力される光の光径とが互いに異なるように、前記第一レンズ部及び前記第二レンズ部の焦点距離を制御することを特徴とする、ビームエクスパンダ。
  2. 前記第一レンズ部および前記第二レンズ部のうち少なくとも一方が空間光変調素子により構成されており、前記制御部は、前記空間光変調素子にレンズパターンを与えることを特徴とする、請求項１に記載のビームエクスパンダ。
  3. 前記第一レンズ部および前記第二レンズ部は、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を特徴とする、請求項２に記載のビームエクスパンダ。
  4. 前記第一レンズ部を構成する前記反射型空間光変調素子と、前記第二レンズ部を構成する前記反射型空間光変調素子とは、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ことを特徴とする、請求項３に記載のビームエクスパンダ。
  5. 前記第一レンズ部および前記第二レンズ部は、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レンズ部として使用され、他の一部の領域が前記第二レンズ部として使用されていることを特徴とする、請求項２に記載のビームエクスパンダ。
  6. 複数の反射素子を備え、前記第二レンズ部は、前記複数の反射素子を介して前記第一レンズ部と光学的に結合されていることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載のビームエクスパンダ。
  7. 前記空間光変調素子は、透過型空間光変調素子であることを特徴とする、請求項２に記載のビームエクスパンダ。
  8. 前記制御部は、前記第一レンズ部に入力される光の中心軸線を含む直線と、前記第二レンズ部から出力される光の中心軸線を含む直線とが互いに離れるような前記レンズパターンを前記空間光変調素子に与えることを特徴とする、請求項２〜７のいずれか一項に記載のビームエクスパンダ。
  9. 前記制御部は、前記第一レンズ部に入力される光に対し、前記第二レンズ部から出力される光を複数の光路に分割するような前記レンズパターンを前記空間光変調素子に与えることを特徴とする、請求項２〜８のいずれか一項に記載のビームエクスパンダ。
  10. 前記制御部は、前記空間光変調素子へ与える前記レンズパターンに、当該ビームエクスパンダにおいて発生する収差を補正するためのパターンを重畳することを特徴とする、請求項２〜９のいずれか一項に記載のビームエクスパンダ。
  11. 前記第一レンズ部に入射する入射光の光径は、前記第一レンズ部の有効面の長さの１／２以下であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のビームエクスパンダ。
JP2014511247A 2012-04-20 2013-04-18 ビームエクスパンダ Active JP6162688B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014511247A JP6162688B2 (ja) 2012-04-20 2013-04-18 ビームエクスパンダ

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012096815 2012-04-20
JP2012096815 2012-04-20
JP2014511247A JP6162688B2 (ja) 2012-04-20 2013-04-18 ビームエクスパンダ
PCT/JP2013/061516 WO2013157606A1 (ja) 2012-04-20 2013-04-18 ビームエクスパンダ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2013157606A1 true JPWO2013157606A1 (ja) 2015-12-21
JP6162688B2 JP6162688B2 (ja) 2017-07-12

Family

ID=49383558

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014511247A Active JP6162688B2 (ja) 2012-04-20 2013-04-18 ビームエクスパンダ

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10067401B2 (ja)
JP (1) JP6162688B2 (ja)
CN (1) CN104246572B (ja)
DE (1) DE112013002113B4 (ja)
WO (1) WO2013157606A1 (ja)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI581008B (zh) * 2015-08-07 2017-05-01 高準精密工業股份有限公司 縮放結構光圖案的方法以及應用該方法的光學裝置
US10908405B2 (en) * 2015-09-02 2021-02-02 Inscopix, Inc. Systems and methods for color imaging
WO2017079688A1 (en) 2015-11-05 2017-05-11 Inscopix, Inc. Systems and methods for optogenetic imaging
JP6951349B2 (ja) 2016-09-30 2021-10-20 オリンパス株式会社 観察装置
CN109791275B (zh) 2016-09-30 2022-05-27 奥林巴斯株式会社 观察装置
WO2018067828A1 (en) * 2016-10-06 2018-04-12 Saikou Optics Incorporated Variable magnification beam expander with ultra-fast zoom and focusing capability using adaptive optics
JP6911112B2 (ja) 2017-05-29 2021-07-28 オリンパス株式会社 観察装置
WO2018233997A1 (de) * 2017-06-23 2018-12-27 Jenoptik Optical Systems Gmbh Verfahren zur unterstützung einer justage eines strahlaufweiters, justageunterstützungsvorrichtung und strahlaufweiter
CN111343376B (zh) * 2018-12-19 2021-09-10 南京理工大学 一种基于透射式双缝孔径编码成像系统及其超分辨方法
DE102019201280A1 (de) * 2019-01-31 2020-08-06 Trumpf Laser Gmbh Anordnung und Verfahren zum Formen eines Laserstrahls
GB2605793A (en) * 2021-04-13 2022-10-19 Andor Tech Limited Microscope system with oblique illumination
CN115373206A (zh) * 2021-05-21 2022-11-22 中强光电股份有限公司 照明系统及投影装置
WO2023228548A1 (ja) * 2022-05-24 2023-11-30 ソニーグループ株式会社 ビーム整形装置、および加工装置

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6187116A (ja) * 1984-09-28 1986-05-02 Canon Inc 変倍光学系
JPH06222300A (ja) * 1993-01-28 1994-08-12 Central Res Inst Of Electric Power Ind レーザービーム整形装置
JP2001042275A (ja) * 1999-08-02 2001-02-16 Hamamatsu Photonics Kk 光波形整形装置
WO2005006053A1 (ja) * 2003-07-15 2005-01-20 Tdk Corporation 空間光変調器
WO2006035775A1 (ja) * 2004-09-27 2006-04-06 Hamamatsu Photonics K.K. 空間光変調装置、光学処理装置、カップリングプリズム、及び、カップリングプリズムの使用方法
WO2008102894A1 (ja) * 2007-02-21 2008-08-28 Nikon Corporation 変倍アフォーカル光学系
JP2008535012A (ja) * 2005-03-31 2008-08-28 バリオプテイツク 光パワー制御を有する画像形成光学系
JP2008542795A (ja) * 2005-05-03 2008-11-27 イーストマン コダック カンパニー Ｌｃｄパネルを使用するディスプレイ機器
WO2011046035A1 (ja) * 2009-10-15 2011-04-21 日本電気株式会社 画像投射装置、画像投射方法、距離測定装置及び距離測定方法
JP2011112764A (ja) * 2009-11-25 2011-06-09 Seiko Epson Corp 画像表示装置
WO2011074319A1 (ja) * 2009-12-14 2011-06-23 株式会社ニコン デフォーマブルミラー、照明光学系、露光装置、およびデバイス製造方法
WO2012017788A1 (ja) * 2010-08-03 2012-02-09 浜松ホトニクス株式会社 レーザ光整形及び波面制御用光学系
JP2012189792A (ja) * 2011-03-10 2012-10-04 Olympus Corp 顕微鏡装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006147057A (ja) 2004-11-19 2006-06-08 Sharp Corp 光ピックアップ装置
KR100971726B1 (ko) 2008-06-30 2010-07-22 금호타이어 주식회사 타이어 카카스용 고무 조성물
US8915905B2 (en) 2009-06-12 2014-12-23 Wavelight Gmbh Apparatus for ophthalmic laser surgery
DE102010002722B4 (de) * 2010-03-10 2019-06-27 Leica Microsystems (Schweiz) Ag Afokales Zoomsystem für ein Mikroskop, Mikroskop mit einem solchen Zoomsystem und Verfahren zum Betreiben eines solchen Zoomsystems

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6187116A (ja) * 1984-09-28 1986-05-02 Canon Inc 変倍光学系
JPH06222300A (ja) * 1993-01-28 1994-08-12 Central Res Inst Of Electric Power Ind レーザービーム整形装置
JP2001042275A (ja) * 1999-08-02 2001-02-16 Hamamatsu Photonics Kk 光波形整形装置
WO2005006053A1 (ja) * 2003-07-15 2005-01-20 Tdk Corporation 空間光変調器
WO2006035775A1 (ja) * 2004-09-27 2006-04-06 Hamamatsu Photonics K.K. 空間光変調装置、光学処理装置、カップリングプリズム、及び、カップリングプリズムの使用方法
JP2008535012A (ja) * 2005-03-31 2008-08-28 バリオプテイツク 光パワー制御を有する画像形成光学系
JP2008542795A (ja) * 2005-05-03 2008-11-27 イーストマン コダック カンパニー Ｌｃｄパネルを使用するディスプレイ機器
WO2008102894A1 (ja) * 2007-02-21 2008-08-28 Nikon Corporation 変倍アフォーカル光学系
WO2011046035A1 (ja) * 2009-10-15 2011-04-21 日本電気株式会社 画像投射装置、画像投射方法、距離測定装置及び距離測定方法
JP2011112764A (ja) * 2009-11-25 2011-06-09 Seiko Epson Corp 画像表示装置
WO2011074319A1 (ja) * 2009-12-14 2011-06-23 株式会社ニコン デフォーマブルミラー、照明光学系、露光装置、およびデバイス製造方法
WO2012017788A1 (ja) * 2010-08-03 2012-02-09 浜松ホトニクス株式会社 レーザ光整形及び波面制御用光学系
JP2012189792A (ja) * 2011-03-10 2012-10-04 Olympus Corp 顕微鏡装置

Also Published As

Publication number Publication date
US10067401B2 (en) 2018-09-04
DE112013002113B4 (de) 2019-03-21
CN104246572A (zh) 2014-12-24
CN104246572B (zh) 2018-01-12
JP6162688B2 (ja) 2017-07-12
US20150131142A1 (en) 2015-05-14
DE112013002113T5 (de) 2015-01-22
WO2013157606A1 (ja) 2013-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6162688B2 (ja) ビームエクスパンダ
CN107402442B (zh) 显微镜和用于选择性平面照明显微术的方法
US20190146201A1 (en) Structured illuminating apparatus, structured illuminating microscopy apparatus, and structured illuminating method
CA2779146C (en) Imaging distal end of multimode fiber
JP6302403B2 (ja) ビーム整形装置
US10295812B2 (en) Light irradiation device
JP6010450B2 (ja) 光観察装置及び光観察方法
US20200081237A1 (en) Light-Scanning Microscope with Simplified Optical System, More Particularly with Variable Pupil Position
US10558030B2 (en) Structures illumination microscopy system, method, and non-transitory storage medium storing program
US20160025970A1 (en) Image-forming optical system, illumination apparatus, and observation apparatus
US10330905B2 (en) Pair of phase modulation elements for imaging optical system, imaging optical system, illuminating device, and microscope apparatus
US20170205611A1 (en) Imaging optical system, illuminating device, and microscope apparatus
JP2014063151A (ja) 顕微鏡用照明光学系およびこれを用いた顕微鏡
JP5915874B2 (ja) 顕微鏡装置
JP2005266585A (ja) 顕微鏡
US20170205627A1 (en) Image-forming optical system, illumination apparatus, and observation apparatus
US20170205609A1 (en) Image-forming optical system, illumination apparatus, and microscope apparatus
JP6054952B2 (ja) ズームレンズ
JP2015007754A (ja) 構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置
JP6146745B2 (ja) 入射光ビームを変換するための光学配置、光ビームをラインフォーカスに変換する方法、及びそのための光学デバイス
Shibukawa et al. Large-volume focus control at 10 MHz refresh rate via fast line-scanning amplitude-encoded scattering-assisted holography
CN114375416A (zh) 多通道光机寻址单元

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160122

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160809

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161007

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170404

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170529

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170613

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170615

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6162688

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150