JPWO2014073611A1 - 位相変調方法および位相変調装置 - Google Patents

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Abstract

所望の強度分布を精度良く実現するための位相分布を簡易に求め得る位相変調方法を提供する。ターゲット面ＴＡにて変調光Ｐ２が所定の強度分布を有するように、位相変調面２０ａに表示させる位相分布を算出し、この位相分布を位相変調面２０ａに表示させ、読み出し光Ｐ１を位相変調面２０ａに入射させて変調光Ｐ２を生成する。位相分布を算出する際、位相変調面２０ａ上の領域をＮ個の領域Ａ１…ＡＮに分割し、領域Ａ１…ＡＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるようにこれらの大きさを設定する。また、ターゲット面ＴＡ上の領域をＮ個の領域Ｂ１…ＢＮに分割し、領域Ｂ１…ＢＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるようにこれらの大きさを設定する。領域Ａｎから領域Ｂｎまでの光路長Ｌｎを求め、光路長Ｌｎに基づいて領域Ａｎの位相を決定することにより、位相分布を算出する。

Description

本発明は、位相変調方法および位相変調装置に関する。
特許文献１には、被検物体を照明する手段を備える顕微鏡が記載されている。この顕微鏡は、被検物体に光源からの光を照射し、この被検物体の情報を含んだ光束を発生させる照明手段と、被検物体に照射される光の波長等を変調する照明光変調手段と、対物レンズの瞳面近傍に設けられ、被検物体の情報を含んだ光束の位相等を変調する瞳変調手段とを備えている。瞳変調手段は、液晶型の空間光変調素子によって構成されている。
特開２００３−１２１７４９号公報
近年、顕微鏡観察における対象物の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た位相変調によって行うことが研究されている。顕微鏡観察における対象物の照明では、空間光変調器における位相分布（ホログラム）を制御することによって、例えば円環形状といった所望の強度分布を有する照明光を実現することができる。また、レーザ加工用途では、空間光変調器における位相分布を制御することによって、例えばトップハット（ｔｏｐｈａｔ）形状といった所望の強度分布を有するレーザ光を加工対象物に照射することができる。しかしながら、従来の装置では、所望の強度分布を精度良く実現するためには位相分布を複雑な計算によって求めなければならず、位相分布を簡易に求め得る方法が望まれている。
本発明は、所望の強度分布を精度良く実現するための位相分布を簡易に求めることができる位相変調方法および位相変調装置を提供することを目的とする。
一実施形態による位相変調方法は、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有する空間光変調器を用い、光軸を含む任意の断面における強度分布が光軸に対して軸対称となる読み出し光の位相を複数の領域毎に変調することにより変調光を生成する位相変調方法であって、位相変調面から所定の光学距離だけ離れたターゲット面において変調光が所定の強度分布を有するように、位相変調面に表示させる位相分布を算出する位相分布算出ステップと、位相分布を位相変調面に表示させ、読み出し光を位相変調面に入射させて変調光を生成する変調光生成ステップとを備え、位相分布算出ステップが、読み出し光が入射する位相変調面上の領域を、読み出し光の光軸を中心とする同心円状のＮ個（Ｎは２以上の整数）の領域Ａ１…ＡＮに分割するとともに、読み出し光の光軸を含む断面での領域Ａ１…ＡＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるように領域Ａ１…ＡＮの大きさを設定し、ターゲット面上の領域を、変調光の光軸を中心とする同心円状のＮ個の領域Ｂ１…ＢＮに分割するとともに、変調光の光軸を含む断面での領域Ｂ１…ＢＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるように領域Ｂ１…ＢＮの大きさを設定するステップと、領域Ａｎから領域Ｂｎまでの光路長Ｌｎ（ｎは１からＮまでの各整数）を求め、光路長Ｌｎに基づいて領域Ａｎの位相を決定することにより、位相分布を算出するステップとを含む。
また、この位相変調方法は、位相分布算出ステップが、位相変調面に入射する読み出し光の光軸を含む断面での強度分布を計測する計測ステップを更に含んでもよい。また、この位相変調方法は、位相変調面からターゲット面までの変調光の光路が空隙からなってもよい。
また、一実施形態による第１の位相変調装置は、光軸を含む任意の断面における強度分布が光軸に対して軸対称となる読み出し光を出力する光源と、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、読み出し光の位相を複数の領域毎に変調することにより変調光を生成する空間光変調器と、位相変調面から所定の光学距離だけ離れたターゲット面において変調光が所定の強度分布を有するように、位相変調面に表示させる位相分布を算出する位相分布演算部とを備え、位相分布演算部が、読み出し光が入射する位相変調面上の領域を、読み出し光の光軸を中心とする同心円状のＮ個（Ｎは２以上の整数）の領域Ａ１…ＡＮに分割するとともに、読み出し光の光軸を含む断面での領域Ａ１…ＡＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるように領域Ａ１…ＡＮの大きさを設定し、ターゲット面上の領域を、変調光の光軸を中心とする同心円状のＮ個の領域Ｂ１…ＢＮに分割するとともに、変調光の光軸を含む断面での領域Ｂ１…ＢＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるように領域Ｂ１…ＢＮの大きさを設定し、領域Ａｎから領域Ｂｎまでの光路長Ｌｎ（ｎは１からＮまでの各整数）を求め、光路長Ｌｎに基づいて領域Ａｎの位相を決定することにより、位相変調面に表示させる位相分布を算出する。
また、第１の位相変調装置は、位相変調面に入射する読み出し光の光軸を含む断面での強度分布を計測する計測部を更に備えてもよい。
また、別の実施形態による第２の位相変調装置は、光軸を含む任意の断面における強度分布が光軸に対して軸対称となる読み出し光を出力する光源と、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、読み出し光の位相を複数の領域毎に変調することにより変調光を生成する空間光変調器と、位相変調面から所定の光学距離だけ離れたターゲット面において変調光が所定の強度分布を有するように、位相変調面に表示させる位相分布を制御する制御部とを備え、制御部は、位相分布を記憶する記憶部を有しており、位相分布は、読み出し光が入射する位相変調面上の領域を、読み出し光の光軸を中心とする同心円状のＮ個（Ｎは２以上の整数）の領域Ａ１…ＡＮに分割するとともに、読み出し光の光軸を含む断面での領域Ａ１…ＡＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるように領域Ａ１…ＡＮの大きさを設定し、ターゲット面上の領域を、変調光の光軸を中心とする同心円状のＮ個の領域Ｂ１…ＢＮに分割するとともに、変調光の光軸を含む断面での領域Ｂ１…ＢＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるように領域Ｂ１…ＢＮの大きさを設定し、領域Ａｎから領域Ｂｎまでの光路長Ｌｎ（ｎは１からＮまでの各整数）を求め、光路長Ｌｎに基づいて領域Ａｎの位相を決定することにより算出されたものである。
また、第１及び第２の位相変調装置は、位相変調面からターゲット面までの変調光の光路が空隙からなってもよい。また、第１及び第２の位相変調装置は、ターゲット面に配置された対物レンズを更に備えてもよい。
また、別の実施形態による位相変調方法は、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有する空間光変調器を用い、読み出し光の位相を複数の領域毎に変調することにより変調光を生成する位相変調方法であって、位相変調面から所定の光学距離だけ離れたターゲット面において変調光が所定の強度分布を有するように、位相変調面に表示させる位相分布を算出する位相分布算出ステップと、位相分布を位相変調面に表示させ、読み出し光を位相変調面に入射させて変調光を生成する変調光生成ステップとを備え、位相分布算出ステップが、読み出し光の強度分布の重心位置を算出し、該重心位置を座標の中心とする極座標系において、読み出し光が入射する位相変調面上の領域を、各領域毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるようにＭ個（Ｍは２以上の整数）の領域Ｓ１…ＳＭに分割し、ターゲット面上の強度分布の重心位置を算出し、該重心位置を座標の中心とする極座標系において、変調光が入射するターゲット面上の領域を、各領域毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるようにＭ個の領域Ｒ１…ＲＭに分割するステップと、領域Ｓｍから領域Ｒｍまでの光路長ＬＢｍ（ｍは１からＭまでの各整数）を求め、光路長ＬＢｍに基づいて領域Ｓｍの位相を決定することにより、位相分布を算出するステップとを含む。
また、さらに別の実施形態による第３の位相変調装置は、読み出し光を出力する光源と、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、読み出し光の位相を複数の領域毎に変調することにより変調光を生成する空間光変調器と、位相変調面から所定の光学距離だけ離れたターゲット面において変調光が所定の強度分布を有するように、位相変調面に表示させる位相分布を算出する位相分布演算部とを備え、位相分布演算部が、読み出し光の強度分布の重心位置を算出し、該重心位置を座標の中心とする極座標系において、読み出し光が入射する位相変調面上の領域を、各領域毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるようにＭ個（Ｍは２以上の整数）の領域Ｓ１…ＳＭに分割し、ターゲット面上の強度分布の重心位置を算出し、該重心位置を座標の中心とする極座標系において、変調光が入射するターゲット面上の領域を、各領域毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるようにＭ個の領域Ｒ１…ＲＭに分割し、領域Ｓｍから領域Ｒｍまでの光路長ＬＢｍ（ｍは１からＭまでの各整数）を求め、光路長ＬＢｍに基づいて領域Ｓｍの位相を決定することにより、位相変調面に表示させる位相分布を算出する。
また、さらに別の実施形態による第４の位相変調装置は、読み出し光を出力する光源と、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、読み出し光の位相を複数の領域毎に変調することにより変調光を生成する空間光変調器と、位相変調面から所定の光学距離だけ離れたターゲット面において変調光が所定の強度分布を有するように、位相変調面に表示させる位相分布を制御する制御部とを備え、制御部は、位相分布を記憶する記憶部を有しており、位相分布は、読み出し光の強度分布の重心位置を算出し、該重心位置を座標の中心とする極座標系において、読み出し光が入射する位相変調面上の領域を、各領域毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるようにＭ個（Ｍは２以上の整数）の領域Ｓ１…ＳＭに分割し、ターゲット面上の強度分布の重心位置を算出し、該重心位置を座標の中心とする極座標系において、変調光が入射するターゲット面上の領域を、各領域毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるようにＭ個の領域Ｒ１…ＲＭに分割し、領域Ｓｍから領域Ｒｍまでの光路長ＬＢｍ（ｍは１からＭまでの各整数）を求め、光路長ＬＢｍに基づいて領域Ｓｍの位相を決定することにより算出されたものである。
本発明による位相変調方法および位相変調装置によれば、所望の強度分布を精度良く実現するための位相分布を簡易に求めることができる。
図１は、位相変調装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、空間光変調器の一例として、ＬＣＯＳ型の空間光変調器を概略的に示す断面図である。 図３は、制御部の内部構成を示すブロック図である。 図４は、位相変調方法を示すフローチャートである。 図５は、位相変調面上の領域の分割の様子を示すグラフである。 図６は、ターゲット面上の領域の分割の様子を示すグラフである。 図７は、光路長算出ステップにおける計算を概念的に示す図である。 図８は、実施例により導出された読み出し光の強度分布を示すグラフである。 図９は、実施例により計算された位相分布を示すグラフである。 図１０は、トップハット形状の強度分布を有する変調光を光軸方向から撮像した画像である。 図１１は、輪帯形状の強度分布を有する変調光を光軸方向から撮像した画像である。 図１２は、第１変形例としての位相変調装置の構成を示す図である。 図１３は、第２実施形態による位相変調方法を示すフローチャートである。 図１４は、位相変調面上の領域の分割の様子を示す平面図である。 図１５は、ターゲット面上の領域の分割の様子を示す平面図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明による位相変調方法および位相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実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る位相変調装置１Ａの構成を模式的に示す図である。位相変調装置１Ａは、照射対象物に光を照射する装置であって、例えば顕微鏡観察の際に観察対象物を照明し、また、例えばレーザ加工の際に加工対象物にレーザ光を出射する。図１に示されるように、本実施形態の位相変調装置１Ａは、光源１０と、空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）２０と、制御部３０と、計測部４０とを備えている。
光源１０は、読み出し光Ｐ１を空間光変調器２０へ出力する。読み出し光Ｐ１は、光軸を含む任意の断面における強度分布（強度プロファイル）が光軸に対して軸対称となる光であって、例えばガウス分布の強度プロファイルを有するレーザ光である。また、読み出し光Ｐ１は平行化（コリメート）されている。光源１０は、読み出し光Ｐ１をコリメートするための光学系を含む。
空間光変調器２０は、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面２０ａを有し、その複数の領域毎に読み出し光Ｐ１の位相を変調することにより、変調光Ｐ２を生成する。位相変調面２０ａには、制御部３０から提供される制御信号に応じて、位相分布（ホログラム）が表示される。空間光変調器２０は、変調光Ｐ２を、位相変調面２０ａから所定の光学距離だけ離れたターゲット面ＴＡに向けて出射する。位相変調面２０ａとターゲット面ＴＡとの間にはレンズ等の光学部品が何ら設けられておらず、位相変調面２０ａからターゲット面ＴＡまでの変調光Ｐ２の光路は空隙から成る。なお、一例では、ターゲット面ＴＡには照射対象物が設置され、また、別の一例では、ターゲット面ＴＡには対物レンズが設置される。また、更に別の例では、４ｆテレセントッリック光学系やズームレンズなどの結像光学系が、ターゲット面ＴＡ以降に設置されてもよい。
図２は、本実施形態の空間光変調器２０の一例として、ＬＣＯＳ型の空間光変調器を概略的に示す断面図であって、読み出し光Ｐ１の光軸に沿った断面を示している。この空間光変調器２０は、透明基板２１、シリコン基板２２、複数の画素電極２３、液晶層２４、透明電極２５、配向膜２６ａ及び２６ｂ、誘電体ミラー２７、並びにスペーサ２８を備えている。透明基板２１は、読み出し光Ｐ１を透過する材料からなり、シリコン基板２２の主面に沿って配置される。複数の画素電極２３は、シリコン基板２２の主面上において二次元格子状に配列され、空間光変調器２０の各画素を構成する。透明電極２５は、複数の画素電極２３と対向する透明基板２１の面上に配置される。液晶層２４は、複数の画素電極２３と透明電極２５との間に配置される。配向膜２６ａは液晶層２４と透明電極２５との間に配置され、配向膜２６ｂは液晶層２４と複数の画素電極２３との間に配置される。誘電体ミラー２７は配向膜２６ｂと複数の画素電極２３との間に配置される。誘電体ミラー２７は、透明基板２１から入射して液晶層２４を透過した読み出し光Ｐ１を反射して、再び透明基板２１から出射させる。
また、空間光変調器２０は、複数の画素電極２３と透明電極２５との間に印加される電圧を制御する画素電極回路（アクティブマトリクス駆動回路）２９を更に備えている。画素電極回路２９から何れかの画素電極２３に電圧が印加されると、該画素電極２３と透明電極２５との間に生じた電界の大きさに応じて、該画素電極２３上の液晶層２４の屈折率が変化する。したがって、液晶層２４の当該部分を透過する読み出し光Ｐ１の光路長が変化し、ひいては、読み出し光Ｐ１の位相が変化する。そして、複数の画素電極２３に様々な大きさの電圧を印加することによって、位相変調量の空間的な分布を電気的に書き込むことができ、必要に応じて様々な位相分布（ホログラム）を表示することができる。
なお、空間光変調器２０は、図２に示されたような電気アドレス型の液晶素子に限られず、例えば光アドレス型の液晶素子や、可変鏡型の光変調器であってもよい。また、図２には反射型の空間光変調器２０が示されているが、本実施形態の空間光変調器２０は透過型であってもよい。また、空間光変調器２０と光源１０との間には、ビームエキスパンダ及び／又は空間フィルタなどの光学部品を含む光学系が設けられてもよい。
再び図１を参照する。計測部４０は、位相変調面２０ａに入射する読み出し光Ｐ１の光軸を含む断面での強度分布（強度プロファイル）を計測する。計測部４０は、例えば、読み出し光Ｐ１を分光するビームスプリッタ４１と、ビームスプリッタ４１により分光された読み出し光Ｐ１の強度分布を検出する一次元または二次元の光センサ４２とを有する。計測部４０において計測された強度分布に関するデータは、制御部３０に提供される。
制御部３０は、ターゲット面ＴＡにおいて変調光Ｐ２が所定の強度分布を有するように、空間光変調器２０へ電気信号を与えることによって位相変調面２０ａに位相分布を表示させる。図３は、本実施形態の制御部３０の内部構成を示すブロック図である。図３に示されるように、制御部３０は、記憶部３１、計算部３２、選択部３３、駆動部３４、及び外部入力部３５を有する。
記憶部３１は、空間光変調器２０の位相変調面２０ａに表示させる位相分布に関するデータを記憶する。この位相分布は、後述する計算部３２によって算出されたものであってもよく、或いは、予め位相変調装置１Ａの外部で算出されて位相変調装置１Ａに入力されたものであってもよい。また、記憶部３１は、位相変調装置１Ａが備える光学系及び／又は空間光変調器２０において発生する収差（位相歪み）を補正するための位相分布に関するデータを更に記憶してもよい。
なお、記憶部３１は、位相分布データを圧縮した状態で記憶しても良い。その場合、制御部３０は、データを解凍するためのデータ処理部を更に有することが好ましい。また、記憶部３１は、或る程度大きな容量を有する記憶素子（メモリ）によって好適に実現される。例えば、位相分布がＳＶＧＡ解像度（８００ピクセル×６００ピクセル）での８ビット画像であるとき、データを圧縮しない場合には、位相分布データ１個あたりのデータ量が４８０キロバイトとなる。したがって、記憶部３１は、このような大きなデータを格納可能な容量を有する記憶素子によって実現されることが望ましい。
計算部３２は、本実施形態における位相分布演算部であって、ターゲット面ＴＡにおいて変調光Ｐ２が所定の強度分布を有するように、位相変調面２０ａに表示させる位相分布を算出する。必要に応じて、計算部３２は、こうして算出した位相分布に、位相歪みを補正するための位相分布を加算する。
選択部３３は、記憶部３１が複数の位相分布を記憶している場合に、一又は複数の位相分布を、例えばキーボードといった外部入力部３５からの指示に基づいて選択する。駆動部３４は、計算部３２から提供された位相分布を含む制御信号を生成し、この制御信号を空間光変調器２０へ提供する。なお、制御部３０に含まれる記憶部３１、計算部３２、選択部３３、及び駆動部３４は、互いに分離して設けられてもよい。
ここで、位相分布の算出方法の例について、本実施形態による位相変調方法と共に説明する。なお、以下に説明する位相分布の計算は、計算部３２によって行われてもよく、或いは位相変調装置１Ａの外部において予め行われてもよい。図４は、本実施形態による位相変調方法を示すフローチャートである。図４に示されるように、本実施形態の位相変調方法は、位相分布算出ステップＳ１と、変調光生成ステップＳ２とを備えている。
＜位相分布の算出＞
位相分布算出ステップＳ１では、ターゲット面ＴＡにおいて変調光Ｐ２が所定の強度分布を有するように、位相変調面２０ａに表示させる位相分布を算出する。本実施形態において算出される位相分布は、光軸を含む任意の断面における強度分布が光軸に対して軸対称となる（すなわち、等強度線が光軸を中心とする同心円状となる）読み出し光Ｐ１の強度分布を、同様に光軸に対して軸対称となる強度分布を有する変調光Ｐ２に変換するためのものである。したがって、本実施形態では、計算の簡易化のため、読み出し光Ｐ１及び変調光Ｐ２の径方向における一次元強度分布に基づいて位相分布を算出する。なお、以下の説明では、光軸上の点を座標原点とし、座標軸の単位をｐｘ（ピクセル）とする。
この位相分布算出ステップＳ１では、まず、位相変調面２０ａに入射する読み出し光Ｐ１の光軸を含む断面での強度分布を求める（計測ステップＳ１１）。読み出し光Ｐ１の強度分布は、図１に示された計測部４０によって求められる。なお、読み出し光Ｐ１の強度分布を予め計測し、或いは、読み出し光Ｐ１の強度分布を理論値に基づいて予め求め、それらの計測結果や演算結果を計算部３２が記憶しておいてもよい。その場合、計測部４０及び計測ステップＳ１１を省略することができる。
次に、読み出し光Ｐ１が入射する位相変調面２０ａ上の領域を複数の領域に分割する（第１の分割ステップＳ１２）。図５は、この分割の様子を示すグラフであって、縦軸は位相変調面２０ａ上の位置（読み出し光Ｐ１の光軸が原点）を示しており、横軸は光強度を示している。図５に示されるように、このステップＳ１２では、位相変調面２０ａ上の領域を、読み出し光Ｐ１の光軸を中心とする同心円状のＮ個（Ｎは２以上の整数）の領域Ａ１…ＡＮに分割する。このとき、読み出し光Ｐ１の光軸を含む断面での領域Ａ１…ＡＮにおける強度分布の積分値ＳＡ１…ＳＡＮが互いに等しくなるように（すなわちＳＡ１＝ＳＡ２＝…＝ＳＡＮ）、領域Ａ１…ＡＮの大きさを設定する。例えば図５に示されるように読み出し光Ｐ１の強度分布がガウス分布である場合、光軸付近における強度が高く、光軸から遠くなるに従って強度が小さくなる。したがって、積分値ＳＡ１…ＳＡＮが互いに等しくなるように領域Ａ１…ＡＮを設定すると、各領域Ａ１…ＡＮの径方向の幅は、光軸に最も近い領域Ａ１において最も狭く、光軸から最も遠い領域ＡＮにおいて最も広くなる。すなわち、領域Ａ１…ＡＮの幅は、ガウス分布の密度分布関数に従うこととなる。
第１の分割ステップＳ１２における具体的な計算方法は次の通りである。まず、読み出し光Ｐ１の強度分布Ｇ１（ｘ）（但し、ｘは径方向の位置座標）の積分値ＳＡを求め、この積分値ＳＡを分割数Ｎで等分割してΔＳＡ＝ＳＡ／Ｎを算出する。次に、隣接する光線位置ｘｎ−１からの距離をδｘｎとして、その座標での光強度Ｇ１（ｘｎ−１＋δｘｎ）から次の微小積分値δＳＡ（ｎ）を求める。
δＳＡ（ｎ）＝Ｇ１（ｘｎ−１＋δｘｎ）×δｘｎ ・・・（１）
微小積分値δＳＡ（ｎ）が上記の等分割した積分値ＳＡ／Ｎと同値、すなわちδＳＡ（ｎ）＝ΔＳＡとなるときの微小変量δｘｎが、領域Ａｎの幅に相当する。このような計算を繰り返すことにより、読み出し光Ｐ１の径方向の領域Ａ１…ＡＮそれぞれの幅を求めることができる。
また、この位相分布算出ステップＳ１では、変調光Ｐ２が入射するターゲット面ＴＡ上の領域を複数の領域に分割する（第２の分割ステップＳ１３）。なお、この第２の分割ステップＳ１３は、第１の分割ステップＳ１２より前に行われてもよく、或いは第１の分割ステップＳ１２と同時に行われてもよい。
図６は、この分割の様子を示すグラフであって、縦軸はターゲット面ＴＡ上の位置（変調光Ｐ２の光軸が原点）を示しており、横軸は光強度を示している。図６に示されるように、このステップＳ１３では、ターゲット面ＴＡ上の領域を、変調光Ｐ２の光軸を中心とする同心円状のＮ個（すなわち領域Ａ１…ＡＮと同数）の領域Ｂ１…ＢＮに分割する。このとき、変調光Ｐ２の光軸を含む断面での領域Ｂ１…ＢＮにおける強度分布の積分値ＳＢ１…ＳＢＮが互いに等しくなるように（すなわちＳＢ１＝ＳＢ２＝…＝ＳＢＮ）、領域Ｂ１…ＢＮの大きさを設定する。例えば図６に示されるように変調光Ｐ２の強度分布が均一なトップハット形状である場合、光軸からの距離によらず強度は一定である。したがって、積分値Ｆ１…ＦＮが互いに等しくなるように領域Ｂ１…ＢＮを設定すると、各領域Ｂ１…ＢＮの径方向の幅は、光軸からの距離によらず一定幅となる。
第２の分割ステップＳ１３における具体的な計算方法は次の通りである。まず、変調光Ｐ２の所定の強度分布Ｇ２（ｙ）（但し、ｙは径方向の位置座標）の積分値ＳＢを求め、この積分値ＳＢを分割数Ｎで等分割してΔＳＢ＝ＳＢ／Ｎを算出する。次に、隣接する光線位置ｙｎ−１からの距離をδｙｎとして、その座標での光強度Ｇ２（ｙｎ−１＋δｙｎ）から次の微小積分値δＳＢ（ｎ）を求める。
δＳＢ（ｎ）＝Ｇ２（ｙｎ−１＋δｙｎ）×δｙｎ ・・・（２）
微小積分値δＳＢ（ｎ）が上記の等分割した積分値ＳＢ／Ｎと同値、すなわちδＳＢ（ｎ）＝ΔＳＢとなるときの微小変量δｙｎが、領域Ｂｎの幅に相当する。このような計算を繰り返すことにより、変調光Ｐ２の径方向の領域Ｂ１…ＢＮそれぞれの幅を求めることができる。
続いて、領域Ａｎから領域Ｂｎまでの光路長Ｌｎ（ｎは１からＮまでの各整数）を求める（光路長算出ステップＳ１４）。ここで、図７は、この光路長算出ステップＳ１４における計算を概念的に示す図である。なお、図７において、Ｑは変調光Ｐ２の光軸を示している。同図に示されるように、この光路長算出ステップＳ１４では、領域Ａ１から領域Ｂ１までの光路長Ｌ１、領域Ａ２から領域Ｂ２までの光路長Ｌ２、・・・、領域ＡＮから領域ＢＮまでの光路長ＬＮを算出する。そして、光路長Ｌｎに基づいて領域Ａｎの位相を決定する。例えば、光路長Ｌｎ１と他の光路長Ｌｎ２との光路差Ｌｎ１−Ｌｎ２（ｎ１，ｎ２は１以上Ｎ以下の整数、ｎ１≠ｎ２）を位相差に換算することにより、各領域Ａｎの位相を決定することができる。或いは、光路長Ｌｎと変調光Ｐ２の光軸長さＬ０との差Ｌｎ−Ｌ０を位相差に換算することにより、各領域Ａｎの位相を決定することができる。こうして全ての領域Ａ１…ＡＮについて位相を決定することにより、位相分布が算出される（位相分布算出ステップＳ１５）。なお、こうして求められる位相分布は読み出し光Ｐ１の径方向に沿った一次元の分布なので、変調光Ｐ２の光軸Ｑを中心としてこの分布を一周回させることにより、二次元の位相分布を求めることができる。また、領域Ａ１…ＡＮの各位相差を求める際に用いる伝搬関数は、幾何光学的なものに限らず、フレネル伝搬則やヘルムホルツ方程式に基づいてもよい。
＜変調光の生成＞
変調光生成ステップＳ２では、位相分布算出ステップＳ１によって算出された位相分布を示す制御信号が制御部３０から空間光変調器２０に提供される。空間光変調器２０は、この位相分布を位相変調面２０ａに表示し、位相変調面２０ａに入射した読み出し光Ｐ１を変調して変調光Ｐ２を生成する。変調光Ｐ２は、所定の強度分布を伴ってターゲット面ＴＡに到達する。
以上に説明した本実施形態の位相変調装置１Ａおよび位相変調方法による効果について説明する。本実施形態では、空間光変調器２０を用いて読み出し光Ｐ１の位相を変調することにより、変調光Ｐ２の強度分布を所定の分布に近づくように制御している。したがって、従来のように固定レンズを用いて強度分布を制御する方式と比較して、例えば読み出し光Ｐ１のビーム径が変化した場合であっても、位相分布を変更することにより、任意の断面形状の光を簡便かつ容易に生成することができる。また、ターゲット面ＴＡの位置の変更や強度分布形状の変更などにも容易に対応することができる。
また、本実施形態の位相変調装置１Ａおよび位相変調方法では、図４のフローチャートに示されたような簡易な計算によって、例えばトップハット形状といった、所望の強度分布を実現するための位相分布を精度良く求めることができる。一般に読み出し光Ｐ１として使用されるレーザ光は、例えばガウス分布のように、光軸付近において最も強く、光軸から離れるに従い次第に弱くなる強度分布を有することが多い。しかしながら、レーザ加工などにおいては、このようになだらかな強度分布ではなく、所定の領域内における強度が均一であってその領域外では強度がゼロであるような強度分布を有する、いわゆるトップハットビーム（或いはホモジナイズビーム）が望まれることがある。このトップハットビームを対物レンズ等により集光すると、なだらかな強度分布を有するビームと比較して、より小さなビームスポット（集光点）が得られ、加工精度を高め得るとともに、より微細な加工が可能となる。
トップハットビームは、例えば空間フィルタを用いてビーム径を広げ、その中心部分のみを取り出すことによっても生成可能である。しかし、このような生成方法では大きな光量ロスが生じるので、極めて高い光強度を要するレーザ加工用途には不向きである。これに対し、本実施形態の位相変調装置１Ａおよび位相変調方法は、読み出し光Ｐ１の光量をほぼ全て使用してトップハット形状の変調光Ｐ２を生成することができるので、極めて高い光強度を要するレーザ加工用途に好適である。
一実施例として、トップハット形状の強度分布を有する変調光Ｐ２を生成した例について述べる。この実施例では、読み出し光Ｐ１の強度分布をＣＭＯＳカメラにより計測し、その画像から強度分布を導出した。図８は、本実施例により導出された読み出し光Ｐ１の強度分布を示すグラフである。なお、読み出し光Ｐ１のビーム半径ｒ１として、光強度が最大値の１／ｅ２となる半径値ｒ１＝１４０［ｐｘ］（＝２．８［ｍｍ］）を採用し、読み出し光Ｐ１の強度分布を切断ガウス分布（TruncatedGaussian）に近似した。また、ターゲット面ＴＡでの変調光Ｐ２の強度分布のビーム半径ｒ２を１．２ｍｍとし、位相変調面２０ａとターゲット面ＴＡとの光学距離ｄを１５０ｍｍとし、読み出し光Ｐ１及び変調光Ｐ２の波長λを６３３ｎｍとした。図９は、こうして計算された位相分布を示すグラフである。なお、図９において、縦軸は位相（単位：ラジアン）を表しており、横軸は位相変調面２０ａにおける読み出し光Ｐ１の径方向位置をピクセル単位で表している。図９に示される一次元の位相分布を基に、二次元位相分布を計算し、更に２πラジアンで位相を折り返すことにより、トップハット形状の強度分布を実現するための所望の位相分布（ホモジナイズパターン）が完成する。図１０は、本実施例によって得られた、トップハット形状の強度分布を有する変調光Ｐ２を光軸方向から撮像した画像である。
また、本実施形態の位相変調装置１Ａおよび位相変調方法では、図４のフローチャートに示されたような簡易な計算によって、例えば中心部の光量がゼロに近い輪帯形状といった強度分布も実現可能である。図１１は、上述した実施例と同様にして得られた、輪帯形状の強度分布を有する変調光Ｐ２を光軸方向から撮像した画像である。このような輪帯形状の変調光Ｐ２を生成するためには、本実施形態においてターゲット面ＴＡにおける所定の強度分布を変更すればよい。すなわち、輪帯を構成する領域をＮ個の領域Ｂ１…ＢＮに等分割し、上記の計算を行うとよい。なお、輪帯の幅を変更する際には、輪帯を構成する上記領域の幅を変更すればよい。このように、本実施形態によれば変調光Ｐ２の形状の変更を極めて簡易に行うことができる。
本実施形態の位相変調装置１Ａおよび位相変調方法では、計算部３２において一次元位相分布を算出したのち、最小二乗法などのフィッティング手法を用いて読み出し光Ｐ１の径方向位置に関する位相分布関数を作成してもよい。そして、この位相分布関数に基づいて二次元位相分布を作成してもよい。
また、本実施形態の位相変調装置１Ａおよび位相変調方法では、領域Ａ１…ＡＮの各位相差を計算する際に、以下に示される値を初期値として計算に含めてもよい。なお、初期値として計算に含める場合、これらの値は、光軸を含む任意の断面における分布が光軸に対して軸対称となることが必要である。また、これらの値は、位相変調面２０ａ及びターゲット面ＴＡの何れにおけるものでもよく、若しくは両方におけるものであってもよい。
・位相変調面２０ａに入射する読み出し光Ｐ１の波面を予め実測または推定した値
・位相変調面２０ａの面歪みを実測または推定した値
・読み出し光Ｐ１及び／又は変調光Ｐ２を伝搬する光学系において発生する波面収差を実測または推定した値
・ゼルニケ（Zernike）多項式などの直交関数系により表現された波面形状
・任意の焦点距離を有するフレネルレンズパターン
・フーリエ型ホログラム若しくはフレネル型ホログラム（なお、このときのフーリエ型ホログラムは、図１のターゲット面ＴＡの位置が考慮されたものであってもよい。）
なお、これらの値は、領域Ａ１…ＡＮの各位相差を計算した後、若しくは位相分布を作成した後に加算されてもよい。なお、計算後の各位相差または位相分布に加算する場合、これらの値は、光軸を含む任意の断面における分布が光軸に対して軸対称となる必要はない。また、これらの値の一部を初期値として位相差の計算に含め、他の部分を計算後の位相差または位相分布に加算してもよい。
また、本実施形態では、一次元の強度分布に基づいて、位相変調面２０ａやターゲット面ＴＡの領域を領域Ａ１…ＡＮや領域Ｂ１…ＢＮに分割しているが、二次元の強度分布に基づいて、微小面積素ｄＳによって位相変調面２０ａやターゲット面ＴＡの領域を分割してもよい。この場合、上述した数式（１）及び（２）は
δＳＡ（ｎ）＝Ｇ１（ｘｎ−１＋δｘｎ）×δｘｎ×（ｘｎ×δθ） ・・・（３）
δＳＢ（ｎ）＝Ｇ２（ｙｎ−１＋δｙｎ）×δｙｎ×（ｙｎ×δθ） ・・・（４）
となる。なお、δθは微小回転角である。
また、本実施形態では、読み出し光Ｐ１および変調光Ｐ２の各強度分布に基づいて、位相変調面２０ａに表示すべき位相分布を算出している。したがって、読み出し光Ｐ１の入射位相および変調光Ｐ２の出射位相については最適化が行われていない。これらの最適化として、例えば反復法などの数値計算を用いることにより、所望の位相値に収束させてもよい。
ここで、位相変調面２０ａに表示された位相分布が本実施形態の計算方法によって算出されたものであるか否かは、次の方法により検証される。すなわち、位相変調面２０ａに表示された位相分布を位相変調装置１Ａから抽出可能である場合には、本実施形態の計算方法によって算出された位相分布との差分を計算して比較することによって検証が可能である。
また、位相変調装置１Ａから抽出された位相分布と、本実施形態の計算方法によって算出された位相分布との相関係数を算出してもよい。なお、比較対象である一対の数値をＮ組含むデータ列（ｘｉ，ｙｉ）（但し、ｉ＝１，…，Ｎ）の相関係数Ｒは、次の数式（５）によって与えられる。
また、変調光Ｐ２の波面を計測し、その計測結果に基づいて、位相変調面２０ａに表示された位相分布を推定してもよい。具体的には、次の何れかの方法を用いることができる。
・光干渉計測手法を用いて変調光Ｐ２の波面を計測する。
・シャックハルトマン式波面センサなどを用いて変調光Ｐ２の位相の空間分布を計測する。
・ターゲット面ＴＡにおける変調光Ｐ２の強度分布と、ターゲット面ＴＡの前段側及び後段側の少なくとも一方に位置する一箇所以上の面における変調光Ｐ２の強度分布とを、二次元センサ（例えばカメラ）などを用いて計測する。そして、位相変調面２０ａあるいはターゲット面ＴＡからの距離が考慮されたフレネル伝搬計算などを用いて、位相情報を推定する。
本実施形態において、照射対象物はステージ上に載置されてもよい。ステージは、少なくとも１軸での移動が可能であることが好ましく、変調光Ｐ２の光軸と交差するとともに互いに直交するＸ軸及びＹ軸、変調光Ｐ２の光軸に沿ったＺ軸、Ｘ軸周り、Ｙ軸周り、並びにＺ軸周りの何れか少なくとも一つの方向に移動可能であることがより好ましい。ステージは、手動及び電動の何れであってもよい。
また、本実施形態の位相変調装置１Ａが顕微鏡に用いられる場合、位相変調装置１Ａは、照射対象物（観察対象物）を観察するための観察光学系を更に備えてもよい。この場合、観察光学系は、照射対象物において反射した光を受けてもよく、或いは照射対象物を透過した光を受けてもよい。
（第１の変形例）
図１２は、上記実施形態の第１変形例として、位相変調装置１Ｂの構成を示す図である。この位相変調装置１Ｂは、上述した位相変調装置１Ａの構成に加えて、対物レンズ５０を更に備えている。対物レンズ５０は、位相変調面２０ａと照射対象物Ｄとの間において、その瞳がターゲット面ＴＡと一致するように配置される。例えば図１１に示されたような輪帯形状の変調光Ｐ２が対物レンズ５０に入射すると、対物レンズ５０の縁に沿った領域を照明することとなる。したがって、暗視野照明顕微鏡、位相差顕微鏡、全反射顕微鏡、微小スポットを形成する光照射装置などが好適に実現される。
（第２の変形例）
上記実施形態において、位相変調面２０ａからターゲット面ＴＡまでの距離をｄとしたとき、曲率半径が±ｄである曲面、もしくは焦点が±ｄである放物面として表される位相分布を予め計算しておき、この位相分布を、計算部３２において位相分布を算出する際の初期値としてもよい。これにより、無限遠回折位相パターンを生成することができる。或いは、曲率半径が±ｄである曲面、もしくは焦点が±ｄである放物面として表される位相分布を予め計算しておき、この位相分布を、計算部３２において算出された位相分布に加算することによって、無限遠回折位相パターンを生成してもよい。なお、これらの曲率半径の正負は、位相変調面２０ａでの読み出し光Ｐ１のビーム半径ｒ１と、ターゲット面ＴＡでの変調光Ｐ２のビーム半径ｒ２との比によって決定されるとよい。
また、本変形例の位相変調装置は、読み出し光Ｐ１を位相変調面２０ａへ伝搬する前段光学系、及び位相変調面２０ａから出射された変調光Ｐ２を照射対象物へ伝搬する後段光学系のうち少なくとも一方を更に備えてもよい。本変形例において生成される位相分布はフーリエ回折型であるため、ターゲット面ＴＡが無限遠方に存在することとなるが、例えば後段光学系として集光レンズが配置されることにより、集光レンズの焦点面において所定の強度分布を得ることができる。したがって、照射対象物を集光レンズから焦点距離だけ離れた位置に配置することにより、所定の強度分布を有する変調光Ｐ２を照射対象物に照射することができる。また、集光レンズの焦点距離を変更することによって、ターゲット面ＴＡでの変調光Ｐ２のビーム径を変えることも可能である。
上述した前段光学系としては、ビームエキスパンダや空間フィルタなどが好適である。また、後段光学系としては、４ｆテレセントッリック光学系やズームレンズなどの結像光学系が好適である。なお、後段光学系において、結像倍率が可変であってもよい。その場合、結像倍率によっては不要な光成分が中心部に集光されるので、その光成分を遮光するための０次光カットフィルタが更に設置されてもよい。
（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態に係る位相変調装置及び位相変調方法について説明する。本実施形態の位相変調装置は、第１実施形態の位相変調装置１Ａと同様に、光源１０と、空間光変調器２０と、制御部３０と、計測部４０とを備えている。但し、本実施形態の光源１０が出力する読み出し光Ｐ１は、光軸を含む任意の断面における強度分布が光軸に対して軸対称である必要はなく、様々な強度分布を有することができる。また、以下に説明する位相分布の計算は、制御部３０の計算部３２によって行われてもよく、或いは位相変調装置の外部において予め行われ、その算出後の位相分布が記憶部３１に記憶されてもよい。
図１３は、本実施形態による位相変調方法を示すフローチャートである。図１３に示されるように、本実施形態の位相変調方法は、位相分布算出ステップＳ３と、変調光生成ステップＳ４とを備えている。
＜位相分布の算出＞
位相分布算出ステップＳ３では、ターゲット面ＴＡにおいて変調光Ｐ２が所定の強度分布を有するように、位相変調面２０ａに表示させる位相分布を算出する。本実施形態において算出される位相分布は、読み出し光Ｐ１を変調光Ｐ２に変換するためのものである。本実施形態では、極座標系における読み出し光Ｐ１及び変調光Ｐ２の二次元強度分布に基づいて位相分布を算出する。
位相分布算出ステップＳ３では、まず、位相変調面２０ａに入射する読み出し光Ｐ１の強度分布を求める（計測ステップＳ３１）。読み出し光Ｐ１の強度分布は、計測部４０によって求められる。なお、第１実施形態と同様に、読み出し光Ｐ１の強度分布を予め計測し、或いは、読み出し光Ｐ１の強度分布を理論値に基づいて予め求め、それらの計測結果や演算結果を計算部３２が記憶しておいてもよい。その場合、計測部４０及び計測ステップＳ３１を省略することができる。
次に、計測ステップＳ３１において計測された強度分布に基づき、読み出し光Ｐ１の強度分布の重心位置を算出する（第１の重心演算ステップＳ３２）。そして、読み出し光Ｐ１が入射する位相変調面２０ａ上の領域を複数の領域に分割する（第１の分割ステップＳ３３）。図１４は、この分割の様子を示す平面図である。なお、図１４では、読み出し光Ｐ１の強度分布が色の濃淡で示されており、白色の部分の光強度が最も大きく、黒色の部分の光強度が最も小さく、色が濃いほど光強度が小さくなっている。図１４に示されるように、このステップＳ３３では、重心演算ステップＳ３２にて算出された重心位置Ｃ１を座標の中心とする極座標系において、読み出し光Ｐ１が入射する位相変調面２０ａ上の領域を、角度方向にＭ個（Ｍは２以上の整数）の扇状の領域Ｓ１…ＳＭに分割する。このとき、各領域Ｓ１…ＳＭ毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるように、領域Ｓ１…ＳＭの大きさを設定する。なお、図１４には、一例として断面楕円形状の読み出し光Ｐ１が示されており、その光強度分布の重心は長軸方向の一方に寄っている。そして、同図には、この読み出し光Ｐ１の入射領域を１２個の領域Ｓ１…Ｓ１２に分割する例が示されている。
また、この位相分布算出ステップＳ３では、ターゲット面ＴＡ上の変調光Ｐ２の強度分布の重心位置を算出する（第２の重心演算ステップＳ３４）。そして、変調光Ｐ２が入射するターゲット面ＴＡ上の領域を複数の領域に分割する（第２の分割ステップＳ３５）。なお、この第２の分割ステップＳ３５は、第１の分割ステップＳ３３より前に行われてもよく、或いは第１の分割ステップＳ３３と同時に行われてもよい。
図１５は、この分割の様子を示す平面図である。なお、図１５においても、変調光Ｐ２の強度分布が色の濃淡で示されており、白色の部分の光強度が最も大きく、黒色の部分の光強度が最も小さく、色が濃いほど光強度が小さくなっている。図１５に示されるように、このステップＳ３５では、重心演算ステップＳ３４にて算出された重心位置Ｃ２を座標の中心とする極座標系において、変調光Ｐ２が入射するターゲット面ＴＡ上の領域を、角度方向にＭ個の扇状の領域Ｒ１…ＲＭに分割する。このとき、各領域Ｒ１…ＲＭ毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるように、領域Ｒ１…ＲＭの大きさを設定する。なお、図１５には、一例として断面円形状の変調光Ｐ２が示されており、その光強度分布の重心は円の中心と一致する。そして、同図には、この変調光Ｐ２の入射領域を１２個の領域Ｒ１…Ｒ１２に分割する例が示されている。
続いて、領域Ｓｍから領域Ｒｍまでの光路長ＬＢｍ（ｍは１からＭまでの各整数）を求める（光路長算出ステップＳ３６）。この光路長算出ステップＳ３６では、領域Ｓ１から領域Ｒ１までの光路長ＬＢ１、領域Ｓ２から領域Ｒ２までの光路長ＬＢ２、・・・、領域ＳＭから領域ＲＭまでの光路長ＬＢＭを算出する。そして、光路長ＬＢｍに基づいて領域Ｓｍの位相を決定する。例えば、光路長ＬＢｍ１と他の光路長ＬＢｍ２との光路差ＬＢｍ１−ＬＢｍ２（ｍ１，ｍ２は１以上Ｍ以下の整数、ｍ１≠ｍ２）を位相差に換算することにより、各領域Ｓｍの位相を決定することができる。或いは、光路長ＬＢｍと変調光Ｐ２の光軸長さＬＢ０との差ＬＢｍ−ＬＢ０を位相差に換算することにより、各領域Ｓｍの位相を決定することができる。こうして全ての領域Ｓ１…ＳＭについて位相を決定することにより、位相分布が算出される（位相分布算出ステップＳ３７）。なお、領域Ｓ１…ＳＭの各位相差を求める際に用いる伝搬関数は、幾何光学的なものに限らず、フレネル伝搬則やヘルムホルツ方程式に基づいてもよい。
＜変調光の生成＞
変調光生成ステップＳ４では、位相分布算出ステップＳ３によって算出された位相分布を示す制御信号が制御部３０から空間光変調器２０に提供される。空間光変調器２０は、この位相分布を位相変調面２０ａに表示し、位相変調面２０ａに入射した読み出し光Ｐ１を変調して変調光Ｐ２を生成する。変調光Ｐ２は、所定の強度分布を伴ってターゲット面ＴＡに到達する。
以上に説明した本実施形態の位相変調装置および位相変調方法によれば、第１実施形態と同様に、例えば読み出し光Ｐ１のビーム径が変化した場合であっても、位相分布を変更することにより、任意の断面形状の光を簡便かつ容易に生成することができる。また、ターゲット面ＴＡの位置の変更や強度分布形状の変更などにも容易に対応することができる。更に、所望の強度分布を実現するための位相分布を精度良く求めることができる。なお、本実施形態では、読み出し光Ｐ１が入射する位相変調面２０ａ上の領域、及び変調光Ｐ２が入射するターゲット面ＴＡ上の領域のそれぞれを、重心を原点とする極座標系の角度方向に分割する例を示したが、分割の形態はこれに限られるものではない。位相変調面２０ａ上の領域の分割数とターゲット面ＴＡ上の領域の分割数とが同数である他の様々な形態でもって、これらの領域を分割することができる。
以上、本発明に係る位相変調方法および位相変調装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上記実施形態に限られず、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、位相分布算出ステップにおいて算出された位相分布に、他の機能を実現するためのホログラムを重畳して、これらの機能を同時に実現させてもよい。一例としては、算出された位相分布に、フーリエ型ホログラムを複素振幅法により重畳させることで、２つの機能を同時に実現できる。あるいは、位相分布を算出する際の位相変調面における計算対象領域を限定し、計算対象領域外の領域にフーリエ型ホログラムなどの情報を埋め込むことによって、２つの機能を同時に実現できる。また、上記実施形態では空間光変調器が用いられているので、位相変調面に表示されるホログラムを変更することにより、機能を容易に切り替えることができる。一例としては、位相分布算出ステップにおいて算出される位相分布（ホログラム）とフーリエ型ホログラムとを相互に切り替えることによって、２つの異なる機能を一つの位相変調装置において実現してもよい。
また、上記各実施形態の位相変調方法及び位相変調装置は、変調光の強度分布若しくは位相分布、又は強度分布及び位相分布の両方を計測し、その計測結果を位相分布算出ステップにおける位相分布計算に反映させるフィードバック系を更に備えてもよい。或いは、上記各実施形態の位相変調方法及び位相変調装置は、変調光の強度分布若しくは位相分布、又は強度分布及び位相分布の両方を計測し、その計測結果に基づいて、予め算出された複数の位相分布の中から適切な位相分布を選択するフィードバック系を更に備えてもよい。また、上記各実施形態の位相変調方法及び位相変調装置は、位相分布算出ステップにおける位相分布計算を外部信号からの制御に基づいて行ってもよい。
また、上記第１実施形態では、位相変調面上及びターゲット面上の双方において一次元強度分布に基づいて位相分布を算出しており、また、上記第２実施形態では、位相変調面上及びターゲット面上の双方において二次元強度分布に基づいて位相分布を算出している。本発明では、例えば位相変調面上及びターゲット面上のいずれか一方において一次元強度分布に基づいて位相分布を算出し、他方において二次元強度分布に基づいて位相分布を算出してもよい。
本発明は、所望の強度分布を精度良く実現するための位相分布を簡易に求めることができる位相変調方法および位相変調装置として実施可能である。
１Ａ，１Ｂ…位相変調装置、１０…光源、２０…空間光変調器、２０ａ…位相変調面、３０…制御部、３１…記憶部、３２…計算部、３３…選択部、３４…駆動部、３５…外部入力部、４０…計測部、４１…ビームスプリッタ、４２…光センサ、５０…対物レンズ、Ｐ１…読み出し光、Ｐ２…変調光、ＴＡ…ターゲット面。

Claims (14)

  1. 二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有する空間光変調器を用い、光軸を含む任意の断面における強度分布が前記光軸に対して軸対称となる読み出し光の位相を前記複数の領域毎に変調することにより変調光を生成する位相変調方法であって、
    前記位相変調面から所定の光学距離だけ離れたターゲット面において前記変調光が所定の強度分布を有するように、前記位相変調面に表示させる位相分布を算出する位相分布算出ステップと、
    前記位相分布を前記位相変調面に表示させ、前記読み出し光を前記位相変調面に入射させて前記変調光を生成する変調光生成ステップと
    を備え、
    前記位相分布算出ステップが、
    前記読み出し光が入射する前記位相変調面上の領域を、前記読み出し光の光軸を中心とする同心円状のＮ個（Ｎは２以上の整数）の領域Ａ１…ＡＮに分割するとともに、前記読み出し光の光軸を含む断面での前記領域Ａ１…ＡＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるように前記領域Ａ１…ＡＮの大きさを設定し、前記ターゲット面上の領域を、前記変調光の光軸を中心とする同心円状のＮ個の領域Ｂ１…ＢＮに分割するとともに、前記変調光の光軸を含む断面での前記領域Ｂ１…ＢＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるように前記領域Ｂ１…ＢＮの大きさを設定するステップと、
    前記領域Ａｎから前記領域Ｂｎまでの光路長Ｌｎ（ｎは１からＮまでの各整数）を求め、前記光路長Ｌｎに基づいて前記領域Ａｎの位相を決定することにより、前記位相分布を算出するステップと
    を含む、位相変調方法。
  2. 前記位相分布算出ステップが、前記位相変調面に入射する前記読み出し光の光軸を含む断面での強度分布を計測する計測ステップを更に含む、請求項１に記載の位相変調方法。
  3. 前記位相変調面から前記ターゲット面までの前記変調光の光路が空隙からなる、請求項１または２に記載の位相変調方法。
  4. 光軸を含む任意の断面における強度分布が前記光軸に対して軸対称となる読み出し光を出力する光源と、
    二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、前記読み出し光の位相を前記複数の領域毎に変調することにより変調光を生成する空間光変調器と、
    前記位相変調面から所定の光学距離だけ離れたターゲット面において前記変調光が所定の強度分布を有するように、前記位相変調面に表示させる位相分布を算出する位相分布演算部と
    を備え、
    前記位相分布演算部が、前記読み出し光が入射する前記位相変調面上の領域を、前記読み出し光の光軸を中心とする同心円状のＮ個（Ｎは２以上の整数）の領域Ａ１…ＡＮに分割するとともに、前記読み出し光の光軸を含む断面での前記領域Ａ１…ＡＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるように前記領域Ａ１…ＡＮの大きさを設定し、前記ターゲット面上の領域を、前記変調光の光軸を中心とする同心円状のＮ個の領域Ｂ１…ＢＮに分割するとともに、前記変調光の光軸を含む断面での前記領域Ｂ１…ＢＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるように前記領域Ｂ１…ＢＮの大きさを設定し、前記領域Ａｎから前記領域Ｂｎまでの光路長Ｌｎ（ｎは１からＮまでの各整数）を求め、前記光路長Ｌｎに基づいて前記領域Ａｎの位相を決定することにより、前記位相変調面に表示させる位相分布を算出する、位相変調装置。
  5. 前記位相変調面に入射する前記読み出し光の光軸を含む断面での強度分布を計測する計測部を更に備える、請求項４に記載の位相変調装置。
  6. 光軸を含む任意の断面における強度分布が前記光軸に対して軸対称となる読み出し光を出力する光源と、
    二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、前記読み出し光の位相を前記複数の領域毎に変調することにより変調光を生成する空間光変調器と、
    前記位相変調面から所定の光学距離だけ離れたターゲット面において前記変調光が所定の強度分布を有するように、前記位相変調面に表示させる位相分布を制御する制御部と
    を備え、
    前記制御部は、前記位相分布を記憶する記憶部を有しており、
    前記位相分布は、前記読み出し光が入射する前記位相変調面上の領域を、前記読み出し光の光軸を中心とする同心円状のＮ個（Ｎは２以上の整数）の領域Ａ１…ＡＮに分割するとともに、前記読み出し光の光軸を含む断面での前記領域Ａ１…ＡＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるように前記領域Ａ１…ＡＮの大きさを設定し、前記ターゲット面上の領域を、前記変調光の光軸を中心とする同心円状のＮ個の領域Ｂ１…ＢＮに分割するとともに、前記変調光の光軸を含む断面での前記領域Ｂ１…ＢＮにおける強度分布の積分値が互いに等しくなるように前記領域Ｂ１…ＢＮの大きさを設定し、前記領域Ａｎから前記領域Ｂｎまでの光路長Ｌｎ（ｎは１からＮまでの各整数）を求め、前記光路長Ｌｎに基づいて前記領域Ａｎの位相を決定することにより算出されたものである、位相変調装置。
  7. 前記位相変調面から前記ターゲット面までの前記変調光の光路が空隙からなる、請求項４〜６のいずれか一項に記載の位相変調装置。
  8. 前記ターゲット面に配置された対物レンズを更に備える、請求項４〜７のいずれか一項に記載の位相変調装置。
  9. 二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有する空間光変調器を用い、読み出し光の位相を前記複数の領域毎に変調することにより変調光を生成する位相変調方法であって、
    前記位相変調面から所定の光学距離だけ離れたターゲット面において前記変調光が所定の強度分布を有するように、前記位相変調面に表示させる位相分布を算出する位相分布算出ステップと、
    前記位相分布を前記位相変調面に表示させ、前記読み出し光を前記位相変調面に入射させて前記変調光を生成する変調光生成ステップと
    を備え、
    前記位相分布算出ステップが、
    前記読み出し光が入射する前記位相変調面上の領域を、各領域毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるようにＭ個（Ｍは２以上の整数）の領域Ｓ１…ＳＭに分割し、前記変調光が入射する前記ターゲット面上の領域を、各領域毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるようにＭ個の領域Ｒ１…ＲＭに分割する第１ステップと、
    前記領域Ｓｍから前記領域Ｒｍまでの光路長ＬＢｍ（ｍは１からＭまでの各整数）を求め、前記光路長ＬＢｍに基づいて前記領域Ｓｍの位相を決定することにより、前記位相分布を算出する第２ステップと
    を含む、位相変調方法。
  10. 前記第１ステップにおいて、前記読み出し光の強度分布の重心位置を算出し、前記読み出し光が入射する前記位相変調面上の領域を、前記重心位置を座標の中心とする極座標系において角度方向に分割することにより前記Ｍ個の領域Ｓ１…ＳＭに分割し、
    前記第２ステップにおいて、前記ターゲット面上の強度分布の重心位置を算出し、前記変調光が入射する前記ターゲット面上の領域を、前記重心位置を座標の中心とする極座標系において角度方向に分割することにより前記Ｍ個の領域Ｒ１…ＲＭに分割する、請求項９に記載の位相調整方法。
  11. 読み出し光を出力する光源と、
    二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、前記読み出し光の位相を前記複数の領域毎に変調することにより変調光を生成する空間光変調器と、
    前記位相変調面から所定の光学距離だけ離れたターゲット面において前記変調光が所定の強度分布を有するように、前記位相変調面に表示させる位相分布を算出する位相分布演算部と
    を備え、
    前記位相分布演算部が、前記読み出し光が入射する前記位相変調面上の領域を、各領域毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるようにＭ個（Ｍは２以上の整数）の領域Ｓ１…ＳＭに分割し、前記変調光が入射する前記ターゲット面上の領域を、各領域毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるようにＭ個の領域Ｒ１…ＲＭに分割し、前記領域Ｓｍから前記領域Ｒｍまでの光路長ＬＢｍ（ｍは１からＭまでの各整数）を求め、前記光路長ＬＢｍに基づいて前記領域Ｓｍの位相を決定することにより、前記位相変調面に表示させる位相分布を算出する、位相変調装置。
  12. 前記位相分布演算部が、前記読み出し光の強度分布の重心位置を算出し、前記読み出し光が入射する前記位相変調面上の領域を、前記重心位置を座標の中心とする極座標系において角度方向に分割することにより前記Ｍ個の領域Ｓ１…ＳＭに分割し、前記ターゲット面上の強度分布の重心位置を算出し、前記変調光が入射する前記ターゲット面上の領域を、前記重心位置を座標の中心とする極座標系において角度方向に分割することにより前記Ｍ個の領域Ｒ１…ＲＭに分割する、請求項１１に記載の位相変調装置。
  13. 読み出し光を出力する光源と、
    二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、前記読み出し光の位相を前記複数の領域毎に変調することにより変調光を生成する空間光変調器と、
    前記位相変調面から所定の光学距離だけ離れたターゲット面において前記変調光が所定の強度分布を有するように、前記位相変調面に表示させる位相分布を制御する制御部と
    を備え、
    前記制御部は、前記位相分布を記憶する記憶部を有しており、
    前記位相分布は、前記読み出し光が入射する前記位相変調面上の領域を、各領域毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるようにＭ個（Ｍは２以上の整数）の領域Ｓ１…ＳＭに分割し、前記変調光が入射する前記ターゲット面上の領域を、各領域毎の強度分布の積分値が互いに等しくなるようにＭ個の領域Ｒ１…ＲＭに分割し、前記領域Ｓｍから前記領域Ｒｍまでの光路長ＬＢｍ（ｍは１からＭまでの各整数）を求め、前記光路長ＬＢｍに基づいて前記領域Ｓｍの位相を決定することにより算出されたものである、位相変調装置。
  14. 前記位相分布は、前記読み出し光の強度分布の重心位置を算出し、前記読み出し光が入射する前記位相変調面上の領域を、前記重心位置を座標の中心とする極座標系において角度方向に分割することにより前記Ｍ個の領域Ｓ１…ＳＭに分割し、前記ターゲット面上の強度分布の重心位置を算出し、前記変調光が入射する前記ターゲット面上の領域を、前記重心位置を座標の中心とする極座標系において角度方向に分割することにより前記Ｍ個の領域Ｒ１…ＲＭに分割されたものである、請求項１３に記載の位相変調装置。
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