JPWO2014077092A1 - 光変調装置 - Google Patents

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Abstract

強度分布及び偏光状態を制御可能であり、且つ小型化が可能な光変調装置を提供する。光変調装置１Ａは、第１の空間光変調器２０と、ピンホール部材４０と、第２の空間光変調器５０とを備える。空間光変調器２０は、強度変調を行うためのキノフォームが表示される位相変調面２０ａを有し、変調光Ｐ２を生成する。ピンホール部材４０は、変調光Ｐ２の１次光成分を通過させるための光通過孔４１を有し、変調光Ｐ２の０次光成分を遮蔽する。空間光変調器５０は、ピンホール部材４０の光通過孔４１を経て偏光変調面５０ａに入射した変調光Ｐ２の偏光状態を制御する偏光変調面５０ａを有し、変調光Ｐ３を生成する。

Description

本発明は、光変調装置に関する。
非特許文献１には、２つの空間光変調器を備える光学装置が開示されている。この光学装置において、一方の空間光変調器は位相変調型のものであり、他方の空間光変調器は偏光変調型のものである。これらの空間光変調器は、テレセントリック光学系によって互いに光学的に結合されている。
特開２００５−１３５４７９号公報
MichaelR. Beversluis, Lukas Novotny, and Stephan J. Stranick,"Programmable vector point-spread functionengineering", Optics Express,Vol. 14, No. 7, 3 April 2006, pp.2650-2656
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変調光によって行うことが研究されている。このような方式では、空間光変調器の表示内容を制御することによって、観察対象物や加工対象物に照射される光の強度分布や偏光状態などを自在に制御することができる。しかしながら、従来は、空間光変調器によって強度変調を行う装置や、空間光変調器によって偏光変調を行う装置がそれぞれ独立して存在しており、これらを組み合わせて使用すると装置が大型化してしまうという問題がある。
本発明は、強度分布及び偏光状態を制御可能であり、且つ小型化が可能な光変調装置を提供することを目的とする。
一実施形態による第１の光変調装置は、一次元又は二次元に配列された複数の領域を含む第１の位相変調面を有し、強度変調を行うためのキノフォームが第１の位相変調面に表示され、第１の位相変調面に入射した光の位相を複数の領域毎に変調することにより第１の変調光を生成する第１の空間光変調器と、第１の変調光のｎ次光成分（ｎは０を除く整数）を通過させるための光通過孔を有し、第１の変調光の０次光成分を遮蔽する部材と、一次元又は二次元に配列された複数の領域を含む偏光変調面を有し、部材の光通過孔を経て偏光変調面に入射した第１の変調光の偏光状態を複数の領域毎に変調することにより第２の変調光を生成する第２の空間光変調器とを備える。
また、別の実施形態による第２の光変調装置は、一次元又は二次元に配列された複数の領域を含む第１の位相変調面を有し、強度変調を行うためのキノフォームが第１の位相変調面に表示され、第１の位相変調面に入射した光の位相を複数の領域毎に変調することにより第１の変調光を生成する第１の空間光変調器と、第１の変調光のｎ次光成分（ｎは０を除く整数）を通過させるための光通過孔を有し、第１の変調光の０次光成分を遮蔽する部材と、一次元又は二次元に配列された複数の領域を含む第２の位相変調面を有し、部材の光通過孔を経て第２の位相変調面に入射した第１の変調光の位相を複数の領域毎に変調する第２の空間光変調器と、部材と第２の位相変調面との間の第１の変調光の光路上及び第２の位相変調面から出射する第２の変調光の光路上に配置された位相板、または、部材と第２の位相変調面との間の第１の変調光の光路上に配置された第１の位相板及び第２の位相変調面から出射する第２の変調光の光路上に配置された第２の位相板とを備える。
また、第１及び第２の光変調装置は、第１の位相変調面において、第１の変調光の位相変調を複数の領域毎に行うための位相分布がキノフォームに重ねて表示されてもよい。
また、第１及び第２の光変調装置は、第１の空間光変調器と第２の空間光変調器とを光学的に結合するケプラー型の両側テレセントリック光学系を更に備え、両側テレセントリック光学系を構成する一対のレンズの間における第１の変調光の光路上に部材が配置されてもよい。
また、第１及び第２の光変調装置は、直線偏光を有する光を、第１の空間光変調器の第１の位相変調面に向けて出力する光源を更に備えてもよい。
本発明によれば、強度分布及び偏光状態を制御可能であり、且つ小型化が可能な光変調装置を提供することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る光変調装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、第１実施形態の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、第１実施形態の制御部の内部構成を示すブロック図である。 図４は、第１実施形態の別の構成を模式的に示す図である。 図５は、変調光の光軸に垂直な面内での光強度分布を示す画像である。 図６は、空間光変調器において偏光変調を行った場合における、変調光の光軸に垂直な面内での光強度分布を示す画像である。 図７は、二次元イメージセンサの直前に偏光子を配置し、水平偏光成分のみを検出した場合の画像である。 図８は、様々な偏光変調の例を示す画像である。 図９は、本発明の第２実施形態として、レーザ加工装置の構成を示す図である。 図１０は、本発明の第２実施形態として、レーザ加工装置の構成を示す図である。 図１１は、本発明の第３実施形態として、レーザ加工装置の構成を示す図である。 図１２は、本発明の第３実施形態として、レーザ加工装置の構成を示す図である。 図１３は、本発明の第４実施形態として、観察装置の構成を示す図である。 図１４は、本発明の第４実施形態として、観察装置の構成を示す図である。 図１５は、本発明の第５実施形態として、観察装置の構成を示す図である。 図１６は、本発明の第５実施形態として、観察装置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光変調装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光変調装置１Ａの構成を模式的に示す図である。図１に示されるように、本実施形態の光変調装置１Ａは、光源１０と、第１の空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）２０と、光学系３０と、ピンホール部材４０と、第２の空間光変調器（ＳＬＭ）５０と、制御部６０とを備えている。
光源１０は、光Ｐ１を空間光変調器２０の位相変調面２０ａへ向けて出力する。光Ｐ１は、直線偏光を有することが好ましく、例えばレーザ光である。また、光Ｐ１は平行化（コリメート）されている。光源１０は、光Ｐ１をコリメートするための光学系を含む。なお、光Ｐ１の波長は特に制限されないが、後述する空間光変調器２０における変調位相幅をπ（ｒａｄ）以上確保することが可能な波長であることが望ましい。
第１の空間光変調器２０は、位相変調型の空間光変調器である。空間光変調器２０は、一次元又は二次元に配列された複数の領域（画素）を含む第１の位相変調面２０ａを有する。空間光変調器２０は、その複数の領域毎に光Ｐ１の位相を変調することにより、第１の変調光Ｐ２を生成する。位相変調面２０ａには、制御部６０から提供される制御信号Ｓａに応じて、キノフォームが表示される。このキノフォームは、変調光Ｐ２の強度変調を行うためのキノフォームであって、変調光Ｐ２が所定の強度分布を有することとなるような複数の領域毎の回折格子位相値を含んでいる。また、位相変調面２０ａにおいて、変調光Ｐ２の位相変調を複数の領域毎に行うための位相分布が上記キノフォームに重ねて表示されてもよい。この位相分布は、複数の領域毎に個別に設定された所望位相値を含む。また、位相変調面２０ａにおいて、空間光変調器２０と、後述する第２の空間光変調器５０との双方もしくは何れか一方において発生する波面位相歪みを補正するための波面位相歪み補正パターンが、上記キノフォームに重ねて表示されてもよい。一例では、位相変調面２０ａの各領域に表示される位相値は、回折格子位相値、所望位相値、及び波面位相歪み補正値を加算したものである。なお、波面位相歪み補正パターンは、光学系全体若しくは一部の光学系において発生する位相歪みを補正するためのパターンであってもよい。また、空間光変調器５０で発生した位相変化を補正するためのパターンであってもよい。また、空間光変調器２０については、所望の位相分布（位相パターン）を上記キノフォームに重ねても良い。
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、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、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の主面上において一次元又は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光Ｐ１の光路長が変化し、ひいては、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キノフォーム等の位相パターン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。
光学系３０は、空間光変調器２０と空間光変調器５０とを光学的に結合するケプラー型の両側テレセントリック光学系を含んでいる。すなわち、光学系３０は、一対の前段レンズ３１及び後段レンズ３２を有しており、これら前段レンズ３１及び後段レンズ３２がケプラー型アフォーカル光学系（４ｆ光学系）を構成している。具体的には、前段レンズ３１と後段レンズ３２との光学距離が、前段レンズ３１の焦点距離ｆ１と後段レンズ３２の焦点距離ｆ２との和（ｆ１＋ｆ２）と実質的に等しい。また、このような光学系３０は両側テレセントリックな光学系であるため、後段レンズ３２の焦平面は、空間光変調器２０の位相変調面２０ａと共役な関係にある。なお、本実施形態では、後段レンズ３２の焦平面に空間光変調器５０の偏光変調面５０ａが配置される。
光学系３０は、前段レンズ３１及び後段レンズ３２のうち一方若しくは双方の焦点距離が変更可能なように構成されてもよい。例えば、焦点距離が互いに異なる前段レンズ３１（または後段レンズ３２）を複数用意し、これらのレンズを選択的に用いることによってこのような構成を好適に実現することができる。そして、光学系３０がこのような構成を有することにより、変調光Ｐ２の横倍率を任意に変更することができる。なお、このような構成においては変調光Ｐ２の結像位置も変化するので、焦点距離の変更に伴い、位相変調面２０ａと偏光変調面５０ａとの光学的距離が変更されるとよい。
また、本実施形態の光学系３０は、反射鏡３３及び３４を更に有する。反射鏡３３及び３４は、光変調装置１Ａを小型化するための光学部品であって、光Ｐ１の光軸方向と交差する方向に並んで配置されている。反射鏡３３は、空間光変調器２０の位相変調面２０ａから出射されて前段レンズ３１を通過した変調光Ｐ２を、反射鏡３４に向けて反射する。また、反射鏡３４は、反射鏡３３から到達した変調光Ｐ２を、空間光変調器２０の近傍に配置された空間光変調器５０の偏光変調面５０ａに向けて反射する。この変調光Ｐ２は、反射鏡３４と偏光変調面５０ａとの間の光路において後段レンズ３２を通過する。
位相変調面２０ａから出射された変調光Ｐ２は、位相変調面２０ａに表示されたキノフォームの回折パターンによって生成された、０次光成分及びｎ次光成分（ｎは０を除く整数）を含んでいる。本実施形態では、位相変調面２０ａから出射された変調光Ｐ２が、前段レンズ３１と後段レンズ３２との間で一旦集光される。ピンホール部材４０は、前段レンズ３１と後段レンズ３２との間における変調光Ｐ２の光路上に配置されており、好適には、その光軸方向位置が、変調光Ｐ２のｎ次光成分の集光位置と重なるように設けられる。例えば、ピンホール部材４０は、変調光Ｐ２の１次光成分を通過させるための光学的な開口である光通過孔４１を有しており、この光通過孔４１を通過できない０次光成分を遮蔽する。
光通過孔４１は、０次光成分を十分に遮蔽し、且つ、ｎ次光成分を十分に透過できる内径を有することが望ましい。ピンホール部材４０は、光通過孔４１の内径を調整するための機構を更に有してもよい。また、ピンホール部材４０は、変調光Ｐ２のｎ次光成分の光軸と光通過孔４１とを容易に位置合わせできるように、ｎ次光成分の光軸と交差する面内にて光通過孔４１の位置を調整するための機構を更に有してもよい。また、光通過孔４１にフーリエマスクが形成されてもよい。
第２の空間光変調器５０は、偏光変調型の空間光変調器である。空間光変調器５０は、一次元又は二次元に配列された複数の領域を含む第２の偏光変調面５０ａを有する。空間光変調器５０は、ピンホール部材４０の光通過孔４１を経て偏光変調面５０ａに入射した変調光Ｐ２の偏光状態をこれら複数の領域毎に変調することにより、第２の変調光Ｐ３を生成する。偏光変調面５０ａには、制御部６０から提供される制御信号Ｓｂに応じて、偏光分布パターンが表示される。空間光変調器５０は、例えば図２に示された空間光変調器２０の構成において、液晶層２４がツイストネマティック液晶層に置き換えられることによって好適に実現される。偏光変調面５０ａによって偏光変調された変調光Ｐ３は、光Ｐ１の光軸方向に沿う光軸でもって光変調装置１Ａの外部へ出射する。
制御部６０は、変調光Ｐ２が所定の強度分布を有するように、より好ましくは所定の強度分布及び位相分布を有するように空間光変調器２０へ制御信号Ｓａを与えることによって、キノフォームを含む位相パターンを位相変調面２０ａに表示させる。また、制御部６０は、変調光Ｐ３が所定の偏光状態を有するように空間光変調器５０へ制御信号Ｓｂを与えることによって、偏光変調面５０ａに偏光パターンを表示させる。
図３は、本実施形態の制御部６０の内部構成を示すブロック図である。なお、図３に示される構成は、空間光変調器２０へ与える制御信号Ｓａを生成する部分の構成であるが、空間光変調器５０へ与える制御信号Ｓｂを生成する部分の構成もこれと同様である。
図３に示されるように、制御部６０は、記憶部６１、計算部６２、選択部６３、駆動部６４、及び外部入力部６５を有する。
記憶部６１は、空間光変調器２０の位相変調面２０ａに表示させるキノフォームに関するデータを記憶する。このキノフォームは、後述する計算部６２によって算出されたものであってもよく、或いは、予め光変調装置１Ａの外部で算出されて光変調装置１Ａに入力されたものであってもよい。また、記憶部６１は、光変調装置１Ａが備える光学系、空間光変調器２０、及び空間光変調器５０のうち少なくとも一つにおいて発生する収差（位相歪み）を補正するための補正用パターンに関するデータと、その補正用パターンと検出温度とを関連付けるための温度情報テーブルとを更に記憶してもよい。
なお、記憶部６１は、キノフォームや補正用パターンに関する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６０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６１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、キノフォームが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、キノフォームデータ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６１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６２は、変調光Ｐ２が所定の強度分布を有することとなるように、位相変調面２０ａに表示させるキノフォームを算出する。必要に応じて、計算部６２は、こうして算出したキノフォームに、位相歪みを補正するための補正用パターンを加算する。
選択部６３は、記憶部６１が複数のキノフォームを記憶している場合に、一又は複数のキノフォームを、例えばキーボードといった外部入力部６５からの指示に基づいて選択する。駆動部６４は、計算部６２から提供されたキノフォーム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６０に含まれる記憶部６１、計算部６２、選択部６３、及び駆動部６４は、一つの筐体内に収容されてもよく、或いは互いに分離して設けられてもよい。
図４（ａ）は、本実施形態の別の構成として、光変調装置１Ｂの構成を模式的に示す図である。この光変調装置１Ｂは、図１に示された光変調装置１Ａの空間光変調器５０に代えて、空間光変調器７０及び１／４波長板８０を備えている。
空間光変調器７０は、光変調装置１Ｂにおける第２の空間光変調器であって、位相変調型の空間光変調器である。空間光変調器７０は、一次元又は二次元に配列された複数の領域を含む第２の位相変調面７０ａを有し、ピンホール部材４０の光通過孔４１を経て位相変調面７０ａに入射した変調光Ｐ２の位相をその複数の領域毎に変調する。位相変調面７０ａには、制御部６０から提供される制御信号Ｓｃに応じて、位相分布パターンが表示される。位相変調面７０ａによって位相変調された変調光Ｐ３は、光Ｐ１の光軸方向に沿う光軸でもって光変調装置１Ａの外部へ出射する。
位相変調面７０ａに表示される位相分布パターンは、位相変調面７０ａから出射して１／４波長板８０を通過した後の変調光Ｐ３が所定の偏光状態を有することとなるような、複数の画素毎の位相値を含んでいる。また、この位相分布パターンは、空間光変調器２０及び７０の双方もしくは何れか一方において発生する波面位相歪みを補正するための波面位相歪み補正パターンを含んでもよい。一例では、位相変調面７０ａの各領域に表示される位相値は、所望位相値と波面位相歪み補正値とを加算したものである。なお、波面位相歪み補正パターンは、光学系全体若しくは一部の光学系において発生する位相歪みを補正するためのパターンであってもよい。
１／４波長板８０は、本実施形態における位相板であって、ピンホール部材４０と位相変調面７０ａとの間の変調光Ｐ２の光路上、及び位相変調面７０ａから出射する変調光Ｐ３の光路上に配置されている。変調光Ｐ２及びＰ３の各光軸に対する１／４波長板８０の角度や向きは、位相変調面７０ａに入射する変調光Ｐ２の偏光状態を直線偏光から円偏光に変換し、また、位相変調面７０ａから出射する変調光Ｐ３の偏光状態を円偏光から直線偏光に変換するように設定される。なお、このような設定を容易に行うために、１／４波長板８０は、回転及び移動が可能なステージ上に取り付けられていることが好ましい。なお、図４（ｂ）に示されるように、光変調装置１Ｂは、１／４波長板８０に代えて、ピンホール部材４０と位相変調面７０ａとの間の変調光Ｐ２の光路上に配置された第１の位相板としての１／４波長板８０ａと、位相変調面７０ａから出射する変調光Ｐ３の光路上に配置された第２の位相板としての１／４波長板８０ｂとを備えてもよい。この場合、ピンホール部材４０と位相変調面７０ａとの間の変調光Ｐ２の光路上における第１の位相板としては、１／４波長板８０ａに代えて１／２波長板が配置されてもよい。これにより、変調光Ｐ３の偏光方向を調整することができる。
本実施形態の光変調装置１Ａ及び光変調装置１Ｂは、次のように動作する。まず、光源１０から出射された光Ｐ１（好ましくは直線偏光の光）が、空間光変調器２０の位相変調面２０ａに入射する。そして、位相変調面２０ａに表示されたキノフォームを含む位相パターンに応じて光Ｐ１が変調され、変調光Ｐ２として位相変調面２０ａから出射される。キノフォームには強度変調のための回折格子パターンが含まれているので、変調光Ｐ２には、−１次、０次、１次、２次、３次などの回折光成分が含まれる。これらのうち、強度変調に寄与しない０次光成分がピンホール部材４０において遮蔽され、強度変調に寄与するｎ次光成分がピンホール部材４０を通過する。その後、変調光Ｐ２の偏光状態が偏光変調面５０ａ（図１を参照）、又は、１／４波長板８０若しくは８０ａ，８０ｂ及び位相変調面７０ａ（図４（ａ）又は図４（ｂ）を参照）において変調され、変調後の変調光Ｐ３は、光変調装置１Ａ及び光変調装置１Ｂの外部に設置された照射対象物に照射される。光変調装置１Ａ及び１Ｂが例えば顕微鏡観察の際に観察対象物を照明する照明装置である場合には、観察対象物に変調光Ｐ３が照射される。また、光変調装置１Ａ及び１Ｂが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レーザ加工装置である場合には、加工対象物に変調光Ｐ３が照射される。
以上に説明した本実施形態の光変調装置１Ａ及び１Ｂによれば、空間光変調器２０及びピンホール部材４０によって変調光Ｐ３の強度分布を制御することができ、また、空間光変調器５０（若しくは空間光変調器７０及び１／４波長板８０（又は８０ａ，８０ｂ））によって変調光Ｐ３の偏光分布を制御することができる。また、本実施形態の光変調装置１Ａ及び１Ｂによれば、空間光変調器２０によって強度変調を行う構成と、空間光変調器５０又は７０によって偏光変調を行う構成とが一つに纏まって構成されているので、装置の小型化が可能となる。なお、通常、位相変調型の空間光変調器は或る一方向の偏光成分のみの位相変調を行うので、本実施形態のように、偏光変調用の空間光変調器５０及び７０は、位相変調用の空間光変調器２０の後段に配置されることが好ましい。
また、光変調装置１Ａ及び１Ｂでは、空間光変調器２０及び空間光変調器５０（又は７０）を電気的に駆動することによって強度変調、位相変調及び偏光変調を行うことができ、機械的な駆動部分を無くす（若しくは少なくする）ことができる。したがって、環境の変化や設定値の変更等に対してロバストな光変調装置を実現することができる。
また、図１に示された光変調装置１Ａによれば、図４（ａ）又は図４（ｂ）に示された光変調装置１Ｂと比較して、１／４波長板８０（又は８０ａ，８０ｂ）を省略することができる。したがって、光学部品数を削減して製造コストを下げることができる。
ここで、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、変調光Ｐ３の光軸に垂直な面内での光強度分布を示す画像であって、ＣＭＯＳセンサといった二次元イメージセンサを用いて得られたものである。但し、これらの図では、空間光変調器５０（又は７０）は駆動されておらず、空間光変調器２０によって生じる光強度分布のみが表されている。図５（ａ）及び図５（ｂ）では、光強度が大きい部分ほど明るく、光強度が小さい部分ほど暗く表示されている。
図５（ａ）は、トップハット状の強度分布が得られるように強度変調を行うキノフォームを空間光変調器２０に表示することにより得られた１次回折光の光強度分布を示している。また、図５（ｂ）は、ガウス分布状の強度分布が得られるように強度変調を行うキノフォームを空間光変調器２０に表示することにより得られた１次回折光の光強度分布を示している。これらの図に示されるように、空間光変調器２０に適切なキノフォームを表示させることによって、変調光Ｐ３の強度分布を容易に制御することができる。
また、図６は、空間光変調器５０（又は７０）において偏光変調を行った場合における、変調光Ｐ３の光軸に垂直な面内での光強度分布を示す画像である。すなわち、図６に示される画像では、ガウス分布状の強度分布が得られるように強度変調を行うキノフォームを空間光変調器２０に表示し、且つ、放射状の偏光分布が得られるように偏光変調を行う位相パターンを空間光変調器５０（又は７０）に表示させることにより得られた変調光Ｐ３の光強度分布を示している。なお、図６においても、光強度が大きい部分ほど明るく、光強度が小さい部分ほど暗く表示されている。図６に示されるように、この例において二次元イメージセンサによって得られる変調光Ｐ３の強度分布は、図５（ｂ）に対して殆ど変化していない。これは、空間光変調器５０（又は７０）により偏光変調を行っても、強度分布は変化しないからである。
これに対し、二次元イメージセンサの直前に偏光子を配置し、水平偏光成分のみを検出した場合の画像を図７に示す。図７に示されるように、この画像では、強度分布の中心を基準とする上下方向において水平偏光成分が殆ど存在しないため暗く、左右方向において水平偏光成分が存在しているため明るくなっている。このことから、変調光Ｐ３には放射状の偏光状態が含まれていると言える。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、様々な偏光変調の例を示す画像である。なお、これらの画像もまた、二次元イメージセンサの直前に偏光子を配置し、水平偏光成分のみを検出して得られた画像である。本実施形態の光変調装置１Ａ及び１Ｂによれば、これらのような高次放射状の偏光ビームの生成も可能となる。
なお、本実施形態において、空間光変調器５０又は１／４波長板８０若しくは８０ｂと照射対象物（若しくは照射対象物の前段に配置される集光レンズ）との間に、フィルタ、ダイクロイックミラー、拡大縮小光学系などの光学部品が配置されてもよい。
（第２の実施形態）
図９及び図１０は、本発明の第２実施形態として、レーザ加工装置１Ｃ及び１Ｄの構成を示す図である。図９に示されるレーザ加工装置１Ｃは図１に示された光変調装置１Ａの構成を備えており、図１０に示されるレーザ加工装置１Ｄは図４（ａ）又は図４（ｂ）に示された光変調装置１Ｂの構成を備えている。なお、図１０は、図４（ａ）に示された構成を代表して示している。
本実施形態のレーザ加工装置１Ｃ，１Ｄは、第１実施形態の光変調装置１Ａ，１Ｂの構成に加えて、光照射対象である加工対象物Ｂを載置するステージ９１を備えている。ステージ９１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Ｐ３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Ｐ３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９１は、手動及び電動の何れであってもよい。
また、本実施形態においても、空間光変調器５０又は１／４波長板８０（又は８０ｂ）と加工対象物Ｂとの間には、フィルタ、ダイクロイックミラー、拡大縮小光学系などの光学部品が配置されてもよい。
（第３の実施形態）
図１１及び図１２は、本発明の第３実施形態として、レーザ加工装置１Ｅ及び１Ｆの構成を示す図である。図１１に示されるレーザ加工装置１Ｅは図１に示された光変調装置１Ａの構成を備えており、図１２に示されるレーザ加工装置１Ｆは図４（ａ）又は図４（ｂ）に示された光変調装置１Ｂの構成を備えている。なお、図１２は、図４（ａ）に示された構成を代表して示している。
本実施形態のレーザ加工装置１Ｅ，１Ｆは、第１実施形態の光変調装置１Ａ，１Ｂの構成に加えて、加工対象物Ｂを載置するステージ９１と、加工対象物Ｂに向けて変調光Ｐ３を集光する集光レンズ９２とを備えている。この形態において、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームは、集光レンズ９２において変調光Ｐ３が所望の強度分布を有するように設定される。また、加工対象物Ｂの位置は、集光レンズ９２の焦平面上に加工部位が位置するようにステージ９１によって調整される。
（第４の実施形態）
図１３及び図１４は、本発明の第４実施形態として、観察装置１Ｇ及び１Ｈの構成を示す図である。図１３に示される観察装置１Ｇは図１に示された光変調装置１Ａの構成を備えており、図１４に示される観察装置１Ｈは図４（ａ）又は図４（ｂ）に示された光変調装置１Ｂの構成を備えている。なお、図１４は、図４（ａ）に示された構成を代表して示している。これらの観察装置１Ｇ及び１Ｈは、例えば顕微鏡に好適に用いられる。
本実施形態の観察装置１Ｇ，１Ｈは、第１実施形態の光変調装置１Ａ，１Ｂの構成に加えて、光照射対象である観察対象物Ｃを載置するステージ９１と、透過型観察光学系９３とを備えている。透過型観察光学系９３は、観察対象物Ｃに対して変調光Ｐ３が入射する側とは反対側に配置されており、コリメートレンズ９３ａと、反射鏡９３ｂと、結像レンズ９３ｃと、カメラ９４とを有している。カメラ９４は、一次元又は二次元に配列された複数の画素を有する。また、光源１０とは別の観察用光源が、観察装置１Ｇ，１Ｈの光学系の途中に配置されてもよい。
この実施形態では、観察対象物Ｃに照射された変調光Ｐ３のうち、観察対象物Ｃを透過した光像Ｐ４がコリメートレンズ９３ａ、反射鏡９３ｂ及び結像レンズ９３ｃを経てカメラ９４に入射する。カメラ９４は、透過光像Ｐ４を撮像して画像データを生成する。
本実施形態の透過型観察光学系９３によって取得される画像データは、例えば透過光像、透過光強度、蛍光像、蛍光強度、発光像、発光強度、散乱像、または散乱強度などといった様々なデータである。透過型観察光学系９３では、観察対象物Ｃの種類に応じて、透過光像Ｐ４の波長が選択される。また、観察装置１Ｇ，１Ｈは、観察対象物Ｃに対する透過型観察光学系９３（若しくは透過型観察光学系９３を構成する各要素の少なくとも一つ）の相対位置を変更するための機構を更に備えてもよい。この機構は、観察装置１Ｇ，１Ｈの外部からの信号やフィードバック信号などによって制御されてもよい。
また、本実施形態において、観察対象物Ｃとカメラ９４との間には、フィルタ、ダイクロイックミラー、拡大縮小光学系などの光学部品が配置されてもよい。
（第５の実施形態）
図１５及び図１６は、本発明の第５実施形態として、観察装置１Ｊ及び１Ｋの構成を示す図である。図１５に示される観察装置１Ｊは図１に示された光変調装置１Ａの構成を備えており、図１６に示される観察装置１Ｋは図４（ａ）又は図４（ｂ）に示された光変調装置１Ｂの構成を備えている。なお、図１６は、図４（ａ）に示された構成を代表して示している。これらの観察装置１Ｊ及び１Ｋは、例えば顕微鏡に好適に用いられる。
本実施形態の観察装置１Ｊ，１Ｋは、第１実施形態の光変調装置１Ａ，１Ｂの構成に加えて、光照射対象である観察対象物Ｃを載置するステージ９１と、反射型観察光学系９５とを備えている。反射型観察光学系９５は、観察対象物Ｃに対して変調光Ｐ３が入射する側と同じ側に配置されており、ハーフミラー（若しくはダイクロイックミラー）９５ａと、コリメートレンズ９５ｂと、結像レンズ９５ｃと、カメラ９６とを有している。カメラ９６は、一次元又は二次元に配列された複数の画素を有する。また、光源１０とは別の観察用光源が、観察装置１Ｊ，１Ｋの光学系の途中に配置されてもよい。
この実施形態では、観察対象物Ｃに照射された変調光Ｐ３のうち、観察対象物Ｃにおいて反射した光像Ｐ５がミラー９５ａ、コリメートレンズ９５ｂ及び結像レンズ９５ｃを経てカメラ９６に入射する。カメラ９６は、反射光像Ｐ５を撮像して画像データを生成する。
本実施形態の反射型観察光学系９５によって取得される画像データは、例えば透過光像、透過光強度、蛍光像、蛍光強度、発光像、発光強度、散乱像、または散乱強度などといった様々なデータである。反射型観察光学系９５では、観察対象物Ｃの種類に応じて、反射光像Ｐ５の波長が選択される。また、観察装置１Ｊ，１Ｋは、観察対象物Ｃに対する反射型観察光学系９５（若しくは反射型観察光学系９５を構成する各要素の少なくとも一つ）の相対位置を変更するための機構を更に備えてもよい。この機構は、観察装置１Ｊ，１Ｋの外部からの信号やフィードバック信号などによって制御されてもよい。観察装置１Ｊ，１Ｋを用いると、観察光学系９５の位置だけでなく、偏光子などと組み合わせることによって空間光変調器で制御している強度、位相、及び偏光もフィードバック制御できる。
また、観察装置１Ｊ，１Ｋが、空間光変調器５０（又は１／４波長板８０若しくは８０ｂ）と観察対象物Ｃとの間に集光レンズを備える場合（第３実施形態を参照）、反射型観察光学系９５に含まれるコリメートレンズ９５ｂが集光レンズを兼ねてもよい。これにより、光学部品数を削減することができ、製造コスト低減に寄与することができる。また、このとき、ミラー９５ａは、空間光変調器５０（又は１／４波長板８０若しくは８０ｂ）と集光レンズとの間に配置されるとよい。
本発明による光変調装置は、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、上記各実施形態の光変調装置は、第１の空間光変調器と第２の空間光変調器とを光学的に結合する光学系としてケプラー型の両側テレセントリック光学系を備えているが、これらの空間光変調器を光学的に結合する光学系としては、これ以外にも様々な光学系を用いることができる。また、上記各実施形態では、第１の空間光変調器と第２の空間光変調器とが個別に設けられた構成を例示しているが、第１及び第２の空間光変調器が単一の光変調器の各一部であってもよい。
本発明は、強度分布及び偏光状態を制御可能であり、且つ小型化が可能な光変調装置として利用可能である。
１Ａ，１Ｂ…光変調装置、１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…レーザ加工装置、１Ｇ，１Ｈ，１Ｊ，１Ｋ…観察装置、１０…光源、２０，７０…空間光変調器、２０ａ，７０ａ…位相変調面、３０…光学系、３１…前段レンズ、３２…後段レンズ、３３，３４…反射鏡、４０…ピンホール部材、４１…光通過孔、５０…空間光変調器、５０ａ…偏光変調面、６０…制御部、６１…記憶部、６２…計算部、６３…選択部、６４…駆動部、６５…外部入力部、８０，８０ａ，８０ｂ…１／４波長板、９１…ステージ、９２…集光レンズ、９３…透過型観察光学系、９４，９６…カメラ、９５…反射型観察光学系、Ｂ…加工対象物、Ｃ…観察対象物、Ｐ１…光、Ｐ２…変調光、Ｐ３…変調光、Ｐ４…透過光像、Ｐ５…反射光像、Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ…制御信号。

Claims (5)

  1. 一次元又は二次元に配列された複数の領域を含む第１の位相変調面を有し、強度変調を行うためのキノフォームが前記第１の位相変調面に表示され、前記第１の位相変調面に入射した光の位相を前記複数の領域毎に変調することにより第１の変調光を生成する第１の空間光変調器と、
    前記第１の変調光のｎ次光成分（ｎは０を除く整数）を通過させるための光通過孔を有し、前記第１の変調光の０次光成分を遮蔽する部材と、
    一次元又は二次元に配列された複数の領域を含む偏光変調面を有し、前記部材の前記光通過孔を経て前記偏光変調面に入射した前記第１の変調光の偏光状態を前記複数の領域毎に変調することにより第２の変調光を生成する第２の空間光変調器と
    を備える、光変調装置。
  2. 一次元又は二次元に配列された複数の領域を含む第１の位相変調面を有し、強度変調を行うためのキノフォームが前記第１の位相変調面に表示され、前記第１の位相変調面に入射した光の位相を前記複数の領域毎に変調することにより第１の変調光を生成する第１の空間光変調器と、
    前記第１の変調光のｎ次光成分（ｎは０を除く整数）を通過させるための光通過孔を有し、前記第１の変調光の０次光成分を遮蔽する部材と、
    一次元又は二次元に配列された複数の領域を含む第２の位相変調面を有し、前記部材の前記光通過孔を経て前記第２の位相変調面に入射した前記第１の変調光の位相を前記複数の領域毎に変調する第２の空間光変調器と、
    前記部材と前記第２の位相変調面との間の前記第１の変調光の光路上及び前記第２の位相変調面から出射する前記第２の変調光の光路上に配置された位相板、または、前記部材と前記第２の位相変調面との間の前記第１の変調光の光路上に配置された第１の位相板及び前記第２の位相変調面から出射する前記第２の変調光の光路上に配置された第２の位相板と
    を備える、光変調装置。
  3. 前記第１の位相変調面において、前記第１の変調光の位相変調を前記複数の領域毎に行うための位相分布が前記キノフォームに重ねて表示される、請求項１または２に記載の光変調装置。
  4. 前記第１の空間光変調器と前記第２の空間光変調器とを光学的に結合するケプラー型の両側テレセントリック光学系を更に備え、
    前記両側テレセントリック光学系を構成する一対のレンズの間における前記第１の変調光の光路上に前記部材が配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光変調装置。
  5. 直線偏光を有する光を、前記第１の空間光変調器の前記第１の位相変調面に向けて出力する光源を更に備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光変調装置。
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