KR102018412B1 - 광조사 장치 - Google Patents

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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

광조사 장치(1A)는 조사 대상물 B를 비추기 위한 장치로서, 판독광 L1을 출력하는 광원(10)과, 판독광 L1의 위상을 변조하여 변조광 L2를 출사하는 공간광 변조기(20)와, 공간광 변조기(20)의 위상 변조면(20a)과 광학적으로 결합된 렌즈(31), 및 렌즈(31)와 조사 대상물 B의 사이에 광학적으로 결합된 렌즈(32)를 가지고, 위상 변조면(20a)과 조사 대상물 B를 광학적으로 결합하는 양측 텔레센트릭 광학계(30A)를 구비한다. 위상 변조면(20a)과 렌즈(31)의 광학 거리는 렌즈(31)의 초점 거리와 실질적으로 같다. 공간광 변조기(20)는 프레넬형 키노폼을 위상 변조면(20a)에 표시한다. 이것에 의해, 광축 방향에 있어서의 변조광의 조사 위치를 용이하게 변화시키는 것이 가능한 광조사 장치가 실현된다.

Description

광조사 장치{LIGHT IRRADIATION DEVICE}
본 발명은 광조사 장치에 관한 것이다.
비특허 문헌 1에는, 미세 구조를 고속으로 병렬 가공하기 위한, 다중화된 프레넬 렌즈를 포함하는 홀로그래피((holography)를 이용한 펨토초 레이저 가공 방법이 기재되어 있다. 도 12는 이 문헌에 기재된 장치의 일부 구성을 나타내는 도면이다. 도 12에 도시되는 것처럼, 이 장치는 판독광의 위상을 변조하는 공간광 변조기(102)와, 위상 변조된 변조광 La를 집광하는 텔레센트릭 광학계(104)를 구비하고 있다. 텔레센트릭 광학계(104)는 2개의 렌즈(106 및 108)를 가지고 있고, 공간광 변조기(102)로부터 출력된 변조광 La는, 공간광 변조기(102)와 초단(初段)의 렌즈(106)의 사이에 있어서 일단 수렴되어, 집광점 P1을 형성한다.
비특허 문헌 1: Satoshi Hasegawa, Yoshio Hayasaki, and Nobuo Nishida, "Holographicfemtosecond laser processing with multiplexed phase Fresnel lenses", Optics Letters, Vol. 31, No. 11, June 1, 2006
비특허 문헌 1에 기재된 장치에서는, 집광점 P1에 있어서 원하는 강도 분포를 가지는 변조광 La가 얻어지도록, 다중화된 프레넬 렌즈 패턴을 공간광 변조기(102)에 표시시키고 있다. 그리고 집광점 P1에 있어서의 변조광 La의 강도 분포를, 텔레센트릭 광학계(104)를 통해서 타겟면 F1에 전사(傳寫)하고 있다. 그렇지만, 이러한 방식에는 다음과 같은 문제가 있다. 즉, 집광점 P1에 있어서 변조광 La를 일단 수렴시키고 있기 때문에, 렌즈(108)로부터 출력되는 변조광 La의 집광점 P2의 광축 방향에 있어서의 가변(可變) 범위는, 렌즈(108)의 초점 심도(深度) 정도여서, 매우 작다. 따라서 광축 방향에 있어서의 변조광 La의 조사 위치를 가변으로 하기 위해서는, 텔레센트릭 광학계(104)나 조사 대상물을 광축 방향으로 이동시킬 필요가 있어, 장치의 구조가 복잡하게 되어 버린다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 광축 방향에 있어서의 변조광의 조사 위치를 용이하게 변화시키는 것이 가능한 광조사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 의한 광조사 장치는, 조사 대상물에 광을 조사하기 위한 광조사 장치로서, 판독광을 출력하는 광원과, 이차원 배열된 복수의 영역을 포함하는 위상 변조면을 가지고, 복수의 영역마다 판독광의 위상을 변조함으로써 변조광을 출사하는 공간광 변조기와, 공간광 변조기의 위상 변조면과 광학적으로 결합된 제1 렌즈, 및 제1 렌즈와 조사 대상물의 사이에 광학적으로 결합된 제2 렌즈를 가지고, 위상 변조면과 조사 대상물을 광학적으로 결합하는 양측(兩側) 텔레센트릭 광학계를 구비하고, 위상 변조면과 제1 렌즈의 광학 거리가 제1 렌즈의 초점 거리와 실질적으로 같고, 공간광 변조기가 프레넬형 키노폼(kinoform)을 위상 변조면에 표시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 광조사 장치에 의하면, 광축 방향에 있어서의 변조광의 조사 위치를 용이하게 변화시키는 것이 가능해진다.
도 1은 일 실시 형태에 따른 광조사 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 공간광 변조기의 일례로서, LCOS형의 공간광 변조기를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 (a) 일 실시 형태의 계산 방법에 의해 산출된 프레넬형 키노폼의 예를 나타내는 화상, 및 (b) 그 키노폼에 의해서 조사 대상물에 조사되는 변조광의 형상을 나타내는 도면이다.
도 4는 (a) 일 실시 형태의 계산 방법에 의해 산출된 프레넬형 키노폼의 예를 나타내는 화상, 및 (b) 그 키노폼에 의해서 조사 대상물에 조사되는 변조광의 형상을 나타내는 도면이다.
도 5는 (a) 일 실시 형태의 계산 방법에 의해 산출된 프레넬형 키노폼의 예를 나타내는 화상, 및 (b) 그 키노폼에 의해서 조사 대상물에 조사되는 변조광의 형상을 나타내는 도면이다.
도 6은 조사 대상물에 대해서 변조광을 입체적으로 조사하고 있는 모습을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 위상 변조면으로부터 출사되는 변조광이 광학계에 의해서 집광되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 8은 제1 변형예로서의 광조사 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 제2 변형예로서의 광조사 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 제3 변형예로서의 광조사 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 제4 변형예로서의 광조사 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 12는 비 특허 문헌 1에 기재된 장치의 일부의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 광조사 장치의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광조사 장치(1A)의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시 형태의 광조사 장치(1A)는 광학 현미경에 있어서 관찰 대상물 B(이하, 조사 대상물이라고 함)를 비추기 위한 조명 장치이다. 도 1에 도시되는 것처럼, 본 실시 형태의 광조사 장치(1A)는 판독 광원(10)과, 전단(前段) 광학계(12)와, 공간광 변조기(Spatial Light Modulator；SLM)(20)와, 양측 텔레센트릭 광학계(30A)(이하, 간단하게 광학계(30A)라고 함)와, 제어부(40)와, 조사 대상물 B를 지지하는 스테이지(50)를 구비하고 있다.
판독 광원(10)은 소정 파장의 판독광 L1을 출력한다. 판독광 L1은 단색이면서 또한 어느 정도의 코히런스를 가지는 것이 바람직하고, 예를 들면 레이저광이다. 또, 판독광 L1로서는, LED로부터의 광 등의 코히런트성이 낮은 광이어도 좋지만, 판독광 L1에 복수의 파장 성분이 포함되는 경우, 색보정 렌즈 등에 의한 보정이 필요하게 되는 경우가 있다.
전단 광학계(12)는 판독 광원(10)과 광학적으로 결합되어 있고, 판독 광원(10)으로부터 출력된 판독광 L1을, 공간광 변조기(20)로 안내한다. 전단 광학계(12)는, 예를 들면 빔 익스팬더나 공간 필터 등의 광학계를 포함할 수 있다. 또, 전단 광학계(12)는, 예를 들면 빔 스플리터, 파장판, 편광자(偏光子) 및 렌즈와 같은 다양한 광학 부품을 포함할 수 있다.
공간광 변조기(20)는 이차원 배열된 복수의 영역을 포함하는 위상 변조면(20a)을 가지고, 그 복수의 영역마다 판독광 L1의 위상을 변조함으로써, 변조광 L2를 생성한다. 위상 변조면(20a)에는, 제어부(40)로부터 제공되는 제어 신호에 따라서, 프레넬형 키노폼이 표시된다. 또한, 키노폼이란, 위상의 공간 정보를 의미한다. 공간광 변조기(20)는 변조광 L2를, 광학계(30A)에 제공한다. 또한, 프레넬형 키노폼의 산출 방법에 대해서는 후술한다.
광학계(30A)는 전단 렌즈(31)(제1 렌즈) 및 후단 렌즈(32)(제2 렌즈)를 가지고 있다. 전단 렌즈(31)는 볼록 렌즈로서, 공간광 변조기(20)의 위상 변조면(20a)과 광학적으로 결합되어 있다. 또, 후단 렌즈(32)는, 이른바 대물 렌즈이며, 전단 렌즈(31)와 조사 대상물 B의 사이에 배치되어, 한쪽 면이 전단 렌즈(31)와 광학적으로 결합되고, 다른 쪽 면이 조사 대상물 B와 광학적으로 결합되어 있다. 또한, 후단 렌즈(32)는 볼록 렌즈여도 좋다. 광학계(30A)는 이러한 구성을 가지고 있음으로써, 위상 변조면(20a)과 조사 대상물 B를 광학적으로 결합한다.
도 2는 본 실시 형태의 공간광 변조기(20)의 일례로서, LCOS형의 공간광 변조기를 개략적으로 나타내는 단면도로서, 판독광 L1의 광축을 따른 단면을 나타내고 있다. 이 공간광 변조기(20)는 투명 기판(21), 실리콘 기판(22), 복수의 화소 전극(23), 액정층(24), 투명 전극(25), 배향막(26a 및 26b), 유전체 미러(27) 및 스페이서(28)를 구비하고 있다.
투명 기판(21)은 판독광 L1을 투과하는 재료로 이루어지고, 실리콘 기판(22)의 주면(主面)을 따라서 배치된다. 복수의 화소 전극(23)은, 실리콘 기판(22)의 주면상에 있어서 이차원 격자 형상으로 배열되어, 공간광 변조기(20)의 각 화소를 구성한다. 투명 전극(25)은 복수의 화소 전극(23)과 대향하는 투명 기판(21)의 면상에 배치된다. 액정층(24)은 복수의 화소 전극(23)과 투명 전극(25)의 사이에 배치된다. 배향막(26a)은 액정층(24)과 투명 전극(25)의 사이에 배치되고, 배향막(26b)은 액정층(24)과 복수의 화소 전극(23)의 사이에 배치된다. 유전체 미러(27)는 배향막(26b)과 복수의 화소 전극(23)의 사이에 배치된다. 유전체 미러(27)는 투명 기판(21)으로부터 입사되어 액정층(24)을 투과한 판독광 L1을 반사하여, 다시 투명 기판(21)으로부터 출사시킨다.
또, 공간광 변조기(20)는 복수의 화소 전극(23)과 투명 전극(25)의 사이에 인가되는 전압을 제어하는 화소 전극 회로(액티브 매트릭스 구동 회로)(29)를 추가로 구비하고 있다. 화소 전극 회로(29)로부터 어느 화소 전극(23)에 전압이 인가되면, 그 화소 전극(23)과 투명 전극(25)의 사이에 생긴 전계의 크기에 따라서, 그 화소 전극(23)상의 액정층(24)의 굴절률이 변화한다. 따라서 액정층(24)의 당해 부분을 투과하는 판독광 L1의 광로 길이가 변화하고, 나아가서는, 판독광 L1의 위상이 변화한다. 그리고 복수의 화소 전극(23)에 다양한 크기의 전압을 인가함으로써, 위상 변조량의 공간적인 분포를 전기적으로 기입할 수 있어, 필요에 따라서 다양한 키노폼을 표시할 수 있다.
또한, 공간광 변조기(20)는, 도 2에 도시된 것 같은 전기 어드레스형의 액정 소자로 한정되지 않고, 예를 들면 광 어드레스형의 액정 소자나, 가변경(可變鏡)형의 광 변조기여도 좋다. 또, 도 2에는 반사형의 공간광 변조기(20)가 도시되어 있지만, 본 실시 형태의 공간광 변조기(20)는 투과형이어도 좋다.
이하, 공간광 변조기(20)에 표시되는 프레넬형 키노폼의 산출 방법의 예로서, 역전파에 의한 계산 방법에 대해 설명한다.
본 실시 형태에서는, 공간광 변조기(20)에 의해서 변조된 변조광 L2의 재생 이미지면이, 조사 대상물 B와 겹치도록 설정된다. 이 재생 이미지면에 있어서의 변조광 L2의 패턴(타겟 패턴)이 M개(단 M은 2이상의 정수)의 점광원에 의해서 구성되어 있다고 가정하면, 위상 변조면(20a)에 있어서의 홀로그램면은, 각 점광원으로부터의 파면 전파 함수의 총합으로서 취급할 수 있다.
그리고 재생 이미지면에 있어서의 각 점광원의 좌표를 (xm, ym)(단, m=0, 1, … , M－1)라고 하면, 홀로그램면의 각 화소의 좌표 (xa, yb)(단, a, b=0, 1, … , N－1, N은 x방향 및 y방향에 있어서의 화소 수)에 있어서의 각 점광원의 파면 전파 함수 um(xa, yb)은, 다음 수식 (1)과 같이 나타내진다.
[수 1]
Figure 112015052696536-pct00001
단, i는 허수 단위이고, k는 파수(=2π/λ, λ는 변조광 L2의 파장)이며, z는 재생 이미지면과 홀로그램면의 거리이고, Am은 복소 진폭 성분(즉 광의 세기)이며, θm은 위상 성분이고,δ는 각 화소에서의 초기 위상이다.
또, rm은 다음 수식 (2)
[수 2]
Figure 112015052696536-pct00002
에 의해 정의되는 수치로서, 재생 이미지면 내의 각 점광원으로부터 홀로그램면의 각 화소까지의 거리를 나타내고 있다.
본 방법에서는, M개의 점광원에 관한 파면 전파 함수 um의 총합 utotal(xa, yb)를 다음 수식 (3)에 의해서 구한다.
[수 3]
Figure 112015052696536-pct00003
그리고 이 총합 utotal(xa, yb)로부터 위상 성분을 추출함으로써, 계산기 합성 홀로그램(Computer Generated Hologram；CGH)에 의한 키노폼(Kinoform)을 작성한다.
또한, 여기서 위상 성분을 추출하는 것은, 공간광 변조기(20)가 위상 변조형의 공간광 변조기이기 때문에, 파면 전파 함수 um에 포함되는 진폭 정보를 무시하기 위함이다. 또, 이 계산을 할 때, 위상 폴딩(folding)이 가능한 폴딩선이 나이키스트(nyquist) 주파수를 넘지 않도록, 즉 파면 전파 함수 um의 위상항 exp(－iθm)에 있어서, 인접하는 화소와의 위상차가 π(rad)를 넘지 않도록, 파면 전파 함수 um의 함수 영역을 제한할 필요가 있다.
도 3 ~ 도 5는 (a) 상기의 계산 방법에 의해 산출된 프레넬형 키노폼을 나타내는 화상과, (b) 그 키노폼에 의해서 조사 대상물 B에 조사되는 변조광 L2의 형상(광축에 수직인 단면 형상)을 나타내는 도면이다. 도 3은 조사 대상물 B에 있어서의 변조광의 형상이, 사각형 모양인 경우를 나타내고 있다. 도 4는 조사 대상물 B에 있어서의 변조광의 형상이, 원형 모양인 경우를 나타내고 있다. 도 5는 조사 대상물 B에 있어서의 변조광의 형상이, 서로 평행한 2개의 직선 모양인 경우를 나타내고 있다.
상기의 계산 방법에 의하면, 위상 변조면(20a)에 표시되는 프레넬형 키노폼을, 이것들처럼, 조사 대상물 B에 있어서의 변조광 L2의 형상을 원형 모양, 사각형 모양 또는 직선 모양으로 하는 키노폼으로 하는 것이 가능하다. 또한, 조사 대상물 B에 있어서의 변조광 L2의 형상은 이것들로 한정되지 않고, 다양한 형상이 가능하다.
또, 상기의 계산 방법을 이용하면, 조사 대상물 B에 대해서 입체적으로(삼차원적으로) 변조광 L2를 조사할 수 있는 키노폼도 계산 가능하다. 도 6은 조사 대상물 B(예를 들면 세포)에 대해서 변조광 L2를 입체적으로 조사하고 있는 모습을 개념적으로 나타내는 도면이다. 도면 중에 도시된 실선 C는, 조사 대상물 B의 표면에 있어서 변조광 L2가 조사되는 부분을 나타내고 있다.
또한, 상기의 계산 방법에 있어서, 재생 이미지면에 있어서의 광강도 분포의 중심 부분의 광강도를, 그 광강도 분포의 주위 부분의 광강도보다도 작게 함으로써, 충분한 개구수(NA)를 유지하면서 조사 광량을 조정할 수 있다. 또, 계산적 혹은 실험적인 피드백을 행하는 반복법에 의해서, 광강도 Am의 분포를 조정해도 좋다.
또, 상기의 계산 방법에 있어서, 개구수(NA)를 나이키스트 주파수를 넘지 않는 정도로 변경해도 좋다. 이것에 의해, 조사 대상물 B에 조사되는 변조광 L2의 광강도 및 집광점의 크기를 임의로 변경할 수 있다.
또, 상기의 계산 방법에 있어서의 수식 중에 초기치를 포함해도 좋지만, 다음 수식 (4)에 의해서 산출되는 초기 위상 θm＇을, 키노폼 산출 후에 가산해도 좋다.
[수 4]
Figure 112015052696536-pct00004
또한, 이 초기 위상 θm＇은 수차 보정, 빔 정형, 빔 확산 등을 조정하기 위한 것이어도 좋다.
또, 상기의 계산 방법에 있어서, 변조광 L2의 파장(설계 파장)은, 공간광 변조기(20)가 변조할 수 있는 범위에 포함되는 파장이면 좋고, 다른 요건에 의해서는 조금도 제한되지 않는다.
또, 상기의 계산 방법에 있어서 사용되는 판독광 L1의 강도의 값은, 이론치 및 실험치 중 어느 것이어도 좋다. 단, 판독광 L1의 광축에 수직인 단면에 있어서의 강도 분포는, 균일하게 가까운 것이 바람직하다. 판독광 L1의 강도 분포가 균일하지 않은 경우에는, 판독광 L1의 강도 분포 정보를 포함한 계산에 의해 키노폼을 설계할 필요가 있다. 이때의 판독광 L1의 강도 분포는, 위상 변조면(20a)과 공역(共役)인 면에 있어서 취득된 강도 분포인 것이 바람직하다.
또한, 위상 변조면(20a)에 표시되는 키노폼은, 상술한 역전파에 의한 계산 방법 이외에도, 다양한 방법에 의해 산출될 수 있다. 예를 들면, 일반적인 반복법(예를 들면 GS법) 등에 프레넬 회절을 적용한 계산 방법을 이용하여, 키노폼을 계산해도 좋다.
이어서, 위상 변조면(20a)에 표시되는 프레넬형 키노폼 및 광학계(30A)의 구성에 대해서, 상세하게 설명한다. 도 7 (a) ~ 도 7 (c)는, 위상 변조면(20a)으로부터 출사되는 변조광 L2가 광학계(30A)에 의해서 집광되는 모습을 나타내는 도면이다. 본 실시 형태에 있어서, 위상 변조면(20a)과 전단 렌즈(31)의 광학 거리 d1은, 전단 렌즈(31)의 초점 거리와 실질적으로 동일하다. 본 실시 형태의 광학계(30A)는, 이러한 점에 있어서 도 12에 도시된 구성과는 상위하다. 도 12의 구성에서는, 공간광 변조기(102)의 위상 변조면과 렌즈(106)의 거리는, 위상 변조면에 표시되는 프레넬 렌즈의 초점 거리 d와, 렌즈(106)의 초점 거리 fa의 합이 된다.
본 실시 형태에 있어서, 위상 변조면(20a)에 표시되는 프레넬형 키노폼은, 전단 렌즈(31)를 향해서 변조광 L2를 지름 축소시키는(집광하는) 키노폼을 포함할 수 있다. 도 7 (a) 및 도 7 (b)는, 전단 렌즈(31)를 향해서 지름 축소되는 변조광 L2를 나타내고 있다. 도 7 (a)에 도시되는 형태에서는, 프레넬형 키노폼에 의한 초점 거리는, 위상 변조면(20a)과 전단 렌즈(31)의 광학 거리 d1 보다도 길다. 또, 도 7 (b)에 도시되는 형태에서는, 프레넬형 키노폼에 의한 초점 거리는, 위상 변조면(20a)과 전단 렌즈(31)의 광학 거리 d1 보다도 짧다.
또, 본 실시 형태에 있어서, 위상 변조면(20a)에 표시되는 프레넬형 키노폼은, 전단 렌즈(31)를 향해서 레이저광을 지름 확대시키는 키노폼을 포함해도 좋다. 도 7 (c)는 전단 렌즈(31)를 향해서 지름 확대되는 변조광 L2를 나타내고 있다. 또한, 비교를 위해서, 도 7 (a) ~ 도 7 (c)에는, 위상 변조면(20a)으로부터 평행광으로서 출사된 변조광 L3의 윤곽이 파선으로 도시되어 있다.
도 7 (a) ~ 도 7 (c)에 도시되는 것처럼, 위상 변조면(20a)으로부터 출사되는 변조광 L2의 형태에 의해서, 광축 방향에 있어서의 집광점 P0의 위치가 변화한다. 즉, 집광점 P0와 후단 렌즈(32)의 초평면(焦平面) F의 거리 Δz는, 위상 변조면(20a)에 표시되는 프레넬형 키노폼에 의해서 결정된다.
조사 대상물 B를 조명할 때, 집광점이 크고 조사 영역이 넓은 경우에는, 이러한 광학계(30A)는 생략되는 것도 가능하지만, 현미경으로의 광조사에 있어서는, 집광점을 작게 하고, 또한 좁은 영역에 효율 좋게 집광시킬 필요가 있다. 그러나 위상 변조형의 공간광 변조기(20)만으로는, 그 위상 분해능 및 공간 분해능이 충분하지 않은 경우가 있고, 그러한 경우에는 충분히 작은 집광점을 생성하는 것이 어렵다. 따라서 높은 개구수(NA)를 가지는 렌즈를 이용하여 광학계(30A)를 구성하는 것이 바람직하다.
그리고 이러한 경우, 케플러(kepler)형 아포컬(afocal) 광학계(4f 광학계)를 이용하고, 또한 이 광학계의 후단 렌즈를 대물 렌즈로 하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태의 광학계(30A)는 케플러형 아포컬 시스템을 이루고 있고, 전단 렌즈(31)와 후단 렌즈(32)의 광학 거리 d2가, 전단 렌즈(31)의 초점 거리 f1와 후단 렌즈(32)의 초점 거리 f2의 합(f1＋f2)과 실질적으로 같다. 또, 이러한 광학계(30A)는 양측 텔레센트릭한 광학계이기 때문에, 대물 렌즈(후단 렌즈(32))의 초평면은, 공간광 변조기(20)의 위상 변조면(20a)과 공역인 관계에 있다. 또한, 푸리에 광학계의 0차 광성분은 백그라운드 노이즈로서 잔류하지만, 본 실시 형태의 광학계(30A)에서는, 이러한 노이즈는 집광점에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다.
여기서, 4f 광학계의 축소 배율 M은, 다음 수식 (5)에 의해서 구해진다.
[수 5]
Figure 112015052696536-pct00005
공간광 변조기(20)로부터 공역면까지의 거리 L은
[수 6]
Figure 112015052696536-pct00006
이기 때문에, 이들 수식 (5) 및 (6)에 기초하여, 최적인 전단 렌즈(31) 및 후단 렌즈(32)의 조합을 결정할 수 있어, 광학계의 최적화를 도모할 수 있다.
한편, 광축 방향에 있어서의 집광점의 위치는, 키노폼 설계치 및 축소 배율 M에 의해서 고유하게 결정된다. 즉, 키노폼의 설계 초점 거리를 z라고 하면, 집광점은 후단 렌즈(32)의 초평면으로부터 Δz(=z×M)의 거리에 위치하게 된다(도 7 (a) ~ 도 7 (c)를 참조). 이 관계는 z이 음(negative)인 경우에도 마찬가지로 성립된다.
또한, 후단 렌즈(32)와 위상 변조면(20a)의 간격이 변화해도 상기의 관계는 성립되지만, 그 간격이 크게 변화하는 경우에는, 합성 초점 거리의 계산을 포함하여 Δz를 구하는 것이 바람직하다. 이것은, 광학계(30A)가 케플러형 아포컬 시스템을 구성하는 경우여도 마찬가지이다. 이러한 Δz는, 예를 들면 다음과 같이 구해진다.
위상 변조면(20a)에 표시되는 프레넬형 키노폼의 초점 거리를 fSLM, 전단 렌즈(31)의 초점 거리를 f1, 후단 렌즈(32)의 초점 거리를 f2, 위상 변조면(20a)과 전단 렌즈(31)의 거리를 f1, 전단 렌즈(31)와 후단 렌즈(32)의 거리를 f1＋f2라고 하면, 프레넬형 키노폼과 전단 렌즈(31)의 합성 초점 거리 f＇는, 다음 수식 (7)에 의해서 산출된다.
[수 7]
Figure 112015052696536-pct00007
이것과 마찬가지로, 합성 초점 거리 f＇와 후단 렌즈(32)의 합성 초점 거리 f는, 다음 수식 (8)에 의해서 산출된다.
[수 8]
Figure 112015052696536-pct00008
그리고 Δz는 다음 수식 (9)에 의해서 산출된다.
[수 9]
Figure 112015052696536-pct00009
또한, 본 실시 형태의 광학계(30A)에 있어서, 전단 렌즈(31) 및 후단 렌즈(32)는, 각각이 단일의 렌즈로 이루어져도 좋고, 또 각각이 복수의 렌즈로 이루어져도 좋다. 또, 광학계(30A)는 전단 렌즈(31) 및 후단 렌즈(32)에 더하여, 다른 렌즈를 포함해도 좋다. 그 경우, 다른 렌즈의 초점 거리를 상기의 합성 초점 거리 f의 계산에 포함하면 좋다. 또, 광학계(30A)는 전단 렌즈(31) 및 후단 렌즈(32)에 더하여, 렌즈 이외의 광학 부품(예를 들면, 빔 스플리터, 파장판, 편광자, 스캐너 등)을, 큰 파면 수차가 생기지 않는 정도로 포함해도 좋다.
이상에 설명한, 본 실시 형태에 의한 광조사 장치(1A)에 의해서 얻어지는 효과에 대해 설명한다.
전술한 것처럼, 비 특허 문헌 1에 기재된 장치에서는, 도 12에 도시된 것처럼, 집광점 P1에 있어서 변조광 La를 일단 수렴시키고 있기 때문에, 렌즈(108)로부터 출력되는 변조광 La의 집광점 P2의 광축 방향에 있어서의 가변 범위는, 렌즈(108)의 초점 심도 정도여서, 매우 작다. 따라서 광축 방향에 있어서의 변조광 La의 조사 위치를 가변으로 하기 위해서는, 텔레센트릭 광학계(104)나 조사 대상물을 광축 방향으로 이동시킬 필요가 있어, 장치의 구조가 복잡하게 되어 버린다. 즉, 공간광 변조기(102)에 표시되는 프레넬 렌즈의 초점 거리를 d, 렌즈(106)의 초점 거리를 fa라고 하면, 공간광 변조기(102)와 렌즈(106)의 거리가 d＋fa가 되도록, 텔레센트릭 광학계(104)를 스테이지 등에 의해서 이동시키지 않으면 안 된다. 또, 렌즈(108)의 초점 거리를 fb라고 하면, 렌즈(108)로부터 거리 fb를 떨어진 위치에 대상물을 배치할 필요가 있으므로, 텔레센트릭 광학계(104)와 동시에 대상물의 위치도 이동시키지 않으면 안 된다.
이러한 문제점에 대해, 본 실시 형태의 광조사 장치(1A)에서는, 위상 변조면(20a)에 표시되는 키노폼을 변경하는 것에만 의해서, 광학계(30A)를 이동시키는 일 없이, 광축 방향에 있어서의 변조광 L2의 조사 위치(즉 집광점의 위치, Δz)를 변화시킬 수 있다. 따라서 이 광조사 장치(1A)에 의하면, 광축 방향에 있어서의 변조광 L2의 조사 위치의 변화를, 간단하고 쉬운 구성에 의해서 용이하게 행할 수 있어, 장치의 소형화가 가능해진다. 또, 위상 변조면(20a)에 표시되는 키노폼으로서 프레넬형 키노폼을 채용하고 있으므로, 변조광 L2의 조사 위치의 가변 범위를 충분히 넓게 할 수 있다. 또, 판독광 L1의 광강도 분포나 파장이 변동했을 경우에도, 광학계(30A)를 이동시키는 일 없이, 키노폼의 변경에만 의해서 변조광 L2의 조사 위치를 조정할 수 있다.
또, 조사 대상물 B에 조사되는 변조광 L2의 광축을 변경하는 경우에 있어서도, 위상 변조면(20a)에 표시되는 키노폼을 변경하는 것에만 의해서, 광학계(30A)를 이동시키는 일 없이 변경할 수 있다. 따라서 이러한 광축의 변경도 용이하게 행할 수 있다. 추가로는, 광학계(30A)를 교환하는 일 없이, 개구수(NA)를 변경하는 것도 용이하게 할 수 있다. 또, 조사 대상물 B에 조사되는 변조광 L2의 광량의 조정도 용이하다.
또, 이 광조사 장치(1A)에 의하면, 현미경의 확대 배율을 변경하기 위해서 대물 렌즈(후단 렌즈(32))가 교환되었을 경우에도, 키노폼의 변경에만 의해서 변조광 L2의 형상을 유지할 수 있어, 광학계의 변경을 불필요하게 할 수 있다.
또, 이 광조사 장치(1A)에 의하면, 푸리에형 키노폼에서는 실현 곤란한, 강도 균일성의 높은 직선 등의 연속한 단면 형상을 가지는 조명광을 용이하게 실현할 수 있다. 또, 이 광조사 장치(1A)에 의하면, 동시에 조명되는 조사 대상물 B의 영역은 평면적인 영역으로 한정되지 않고, 입체적인 영역을 동시에 조명할 수도 있다.
또, 이 광조사 장치(1A)에 의하면, 위상 변조면(20a)에 표시되는 키노폼으로서 프레넬형 키노폼을 채용하고 있으므로, 전술한 것처럼 0차 광성분에 의한 영향을 억제할 수 있다. 따라서 예를 들면 이 광조사 장치(1A)가 형광 현미경에 적용되는 경우에는, 퇴색(Photobleach)을 작게 억제할 수 있다.
또, 이 광조사 장치(1A)에서는, 변조광 L2의 광강도 분포를 실험적으로 계측하여, 그 계측 결과를 키노폼의 설계에 피드백해도 좋다. 이것에 의해, 사용자측의 수요에 적합하면서 또한 범용성이 높은 양태에서의 조명이 가능해진다. 또한, 변조광 L2의 광강도 분포를 계측할 때에는, 변조광 L2의 집광면과 같은 이미지면을 관찰 가능한 위치에 계측기를 배치하면 좋다.
또, 이 광조사 장치(1A)에서는, 판독 광원(10)과는 별도로 참조용 광원 및 파면 센서를 추가로 마련함으로써, 변조광 L2에 대해서 광학적인 보상을 행해도 좋다. 이때, 파면 센서의 검출 결과로부터 산출된 보상용 파면은, 상술한 키노폼 산출을 할 때의 초기치로서 주어지면 좋다.
또한, 이 광조사 장치(1A)는 근래 활발히 연구되고 있는 SIM(Structured Illumination Microscopy)로의 적용도 가능하다.
(제1 변형예)
도 8은 상기 실시 형태의 제1 변형예로서, 광조사 장치(1B)의 구성을 나타내는 도면이다. 이 광조사 장치(1B)는, 상기 실시 형태의 광학계(30A)를 대신하여, 광학계(30B)를 구비하고 있다. 또한, 광학계(30B)를 제외한 다른 구성에 대해서는, 상기 실시 형태와 마찬가지이다.
본 변형예의 광학계(30B)는, 전단 렌즈(31)와 후단 렌즈(33)를 가진다. 전단 렌즈(31) 및 후단 렌즈(33)는, 이른바 갈릴레이(galilei)형 아포컬 시스템을 이루고 있고, 후단 렌즈(33)는 오목 렌즈이다. 이러한 구성을 구비하는 광조사 장치(1B)여도, 상술한 광조사 장치(1A)와 마찬가지의 작용 효과를 달성할 수 있다. 단, 본 변형예에서는, 위상 변조면(20a)에 표시되는 키노폼의 위상 분포의 양음(positive-negative)를 반전할 필요가 있고, 또 후단 렌즈(33)는 오목 렌즈가 되므로 통상의 대물 렌즈를 사용할 수 없다. 또한, 본 변형예에 있어서, Δz의 산출 방법은 상기 실시 형태와 마찬가지이다.
(제2 변형예)
도 9는 상기 실시 형태의 제2 변형예로서, 광조사 장치(1C)의 구성을 나타내는 도면이다. 이 광조사 장치(1C)는 상기 실시 형태의 광조사 장치(1A)의 구성에 더하여, 관찰 광학계(40A)를 구비하고 있다. 이 관찰 광학계(40A)는 조사 대상물 B를 지지하는 스테이지(50)에 대해서 조사 대상물 B와 같은 측에 배치되어 있다.
본 변형예의 관찰 광학계(40A)는, 빔 스플리터(41)와 화상 취득용 센서(42)를 가진다. 빔 스플리터(41)는 위상 변조면(20a)과 전단 렌즈(31)의 사이에 광학적으로 결합되어 있다. 빔 스플리터(41)는 위상 변조면(20a)으로부터 출사된 변조광 L2를 전단 렌즈(31)를 향해서 투과시킴과 아울러, 후단 렌즈(32) 및 전단 렌즈(31)를 통해서 얻어지는 조사 대상물 B에 관한 광이미지 L4를, 화상 취득용 센서(42)를 향해서 반사한다. 화상 취득용 센서(42)는, 빔 스플리터(41)와 광학적으로 결합된 광검출면을 가지고, 광이미지 L4를 촬상하여 화상 데이터를 생성한다. 전단 렌즈(31)로부터 화상 취득용 센서(42)까지의 광학 거리는, 전단 렌즈(31)의 초점 거리와 대략 같거나, 그 초점 거리에 가까운 것이 바람직하다. 또한, 빔 스플리터(41)와 화상 취득용 센서(42)의 사이에, 릴레이 렌즈와 같은 광학계나, 필터 등의 광학 부품이 마련되어도 좋다.
화상 취득용 센서(42)는 일차원 센서, 이차원 이미지 센서, 및 분광기 중 어느 것이어도 좋고, 혹은 이것들을 병용해도 좋다. 화상 취득용 센서(42)가 일차원 센서인 경우에는, 전단 렌즈(31)와 화상 취득용 센서(42)의 사이에 핀홀을 배치하여, 공초점(共焦点) 시스템을 구성해도 좋다. 또한, 화상 취득용 센서(42)는 광검출면의 위치를 가변으로 하는 위치 조정 기구를 가지는 것이 바람직하다. 또, 화상 취득용 센서(42)의 광검출면은, 광이미지 L4의 집광면에 위치하는 것이 바람직하다.
(제3 변형예)
도 10은 상기 실시 형태의 제3 변형예로서, 광조사 장치(1D)의 구성을 나타내는 도면이다. 이 광조사 장치(1D)는 상기 실시 형태의 광조사 장치(1A)의 구성에 더하여, 관찰 광학계(40B)를 구비하고 있다. 이 관찰 광학계(40B)는 조사 대상물 B를 지지하는 스테이지(50)에 대해서 조사 대상물 B와 같은 측에 배치되어 있다.
본 변형예의 관찰 광학계(40B)는, 제2 변형예의 관찰 광학계(40A)의 구성(빔 스플리터(41) 및 화상 취득용 센서(42))에 더하여, 결상 렌즈(43)를 가진다. 결상 렌즈(43)는, 빔 스플리터(41)와 화상 취득용 센서(42)의 광검출면의 사이에 광학적으로 결합되어 있다. 결상 렌즈(43)로부터 화상 취득용 센서(42)까지의 광학 거리는, 결상 렌즈(43)의 초점 거리와 대략 같거나, 그 초점 거리에 가까운 것이 바람직하다. 또한, 빔 스플리터(41)와 화상 취득용 센서(42)의 사이에, 릴레이 렌즈와 같은 광학계나, 필터 등의 광학 부품이 추가로 마련되어도 좋다. 또, 화상 취득용 센서(42)의 광검출면은, 광이미지 L4의 집광면에 위치하는 것이 바람직하다.
(제4 변형예)
도 11은 상기 실시 형태의 제4 변형예로서, 광조사 장치(1E)의 구성을 나타내는 도면이다. 이 광조사 장치(1E)는 상기 실시 형태의 광조사 장치(1A)의 구성에 더하여, 관찰 광학계(40C)를 구비하고 있다. 이 관찰 광학계(40C)는 조사 대상물 B를 지지하는 스테이지(50)에 대해서 조사 대상물 B와는 반대측에 배치되어 있어, 스테이지(50)를 투과한 광이미지 L4를 관찰한다.
관찰 광학계(40C)는 결상 렌즈(44)와, 대물 렌즈(45)와, 화상 취득용 센서(46)를 가진다. 결상 렌즈(44)는 화상 취득용 센서(46)의 광검출면과 광학적으로 결합되어 있다. 또, 대물 렌즈(45)는 결상 렌즈(44)와 조사 대상물 B의 사이에 배치되어, 한쪽 면이 결상 렌즈(44)와 광학적으로 결합되고, 다른 쪽 면이 조사 대상물 B와 광학적으로 결합되어 있다. 관찰 광학계(40C)는, 이러한 구성을 가지고 있음으로써, 조사 대상물 B에 관한 광이미지 L4를 촬상하여 화상 데이터를 생성한다.
결상 렌즈(44)로부터 화상 취득용 센서(46)까지의 광학 거리는, 결상 렌즈(44)의 초점 거리와 대략 같거나, 그 초점 거리에 가까운 것이 바람직하다. 또한, 결상 렌즈(44)와 화상 취득용 센서(46)의 사이에, 릴레이 렌즈와 같은 광학계나, 필터 등의 광학 부품이 마련되어도 좋다.
화상 취득용 센서(46)는 일차원 센서, 이차원 이미지 센서, 및 분광기 중 어느 것이어도 좋고, 혹은 이것들을 병용해도 좋다. 화상 취득용 센서(46)가 일차원 센서인 경우에는, 결상 렌즈(44)와 화상 취득용 센서(46)의 사이에 핀홀을 배치하여, 공초점 시스템을 구성해도 좋다. 또한, 화상 취득용 센서(46)는 광검출면의 위치를 가변으로 하는 위치 조정 기구를 가지는 것이 바람직하다. 또, 화상 취득용 센서(46)의 광검출면은, 광이미지 L4의 집광면에 위치하는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명에 따른 광조사 장치의 바람직한 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 반드시 상기 실시 형태로 한정되지 않고, 레이저 가공 장치 등의 광 조명 장치로서도 이용할 수 있다. 또, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.
상기 실시 형태에 의한 광조사 장치에서는, 조사 대상물에 광을 조사하기 위한 광조사 장치로서, 판독광을 출력하는 광원과, 이차원 배열된 복수의 영역을 포함하는 위상 변조면을 가지고, 복수의 영역마다 판독광의 위상을 변조함으로써 변조광을 출사하는 공간광 변조기와, 공간광 변조기의 위상 변조면과 광학적으로 결합된 제1 렌즈, 및 제1 렌즈와 조사 대상물의 사이에 광학적으로 결합된 제2 렌즈를 가지고, 위상 변조면과 조사 대상물을 광학적으로 결합하는 양측 텔레센트릭 광학계를 구비하고, 위상 변조면과 제1 렌즈의 광학 거리가 제1 렌즈의 초점 거리와 실질적으로 같고, 공간광 변조기가 프레넬형 키노폼을 위상 변조면에 표시하는 구성으로 하고 있다.
또, 광조사 장치는 프레넬형 키노폼이, 제1 렌즈를 향해서 변조광을 지름 축소시키는 키노폼을 포함하는 구성으로 해도 좋다.
혹은, 광조사 장치는 프레넬형 키노폼이, 제1 렌즈를 향해서 변조광을 지름 확대시키는 키노폼을 포함하는 구성으로 해도 좋다.
또, 광조사 장치는 프레넬형 키노폼이, 조사 대상물에 있어서의 변조광의 형상을, 원형 모양, 사각형 모양 또는 직선 모양으로 하는 키노폼인 구성으로 해도 좋다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 광축 방향에 있어서의 변조광의 조사 위치를 용이하게 변화시키는 것이 가능한 광조사 장치로서 이용 가능하다.
1A~1E … 광조사 장치, 10 … 광원,
12 … 전단 광학계, 20 … 공간광 변조기,
20a … 위상 변조면, 30A, 30B … (양측 텔레센트릭) 광학계,
31 … 전단 렌즈, 32, 33 … 후단 렌즈,
40 … 제어부, 40A~40C … 관찰 광학계,
41 … 빔 스플리터, 42, 46 … 화상 취득용 센서,
43, 44 … 결상 렌즈, 45 … 대물 렌즈,
50 … 스테이지, B … 조사 대상물,
F1 … 타겟면, L1 … 판독광,
L2, L3 … 변조광, L4 … 광이미지.

Claims (4)

  1. 조사 대상물에 광을 조사하기 위한 광조사 장치로서,
    판독광을 출력하는 광원과,
    이차원 배열된 복수의 영역을 포함하는 위상 변조면을 가지고, 상기 복수의 영역마다 상기 판독광의 위상을 변조함으로써 변조광을 출사하는 공간광 변조기와,
    상기 공간광 변조기의 상기 위상 변조면과 광학적으로 결합된 제1 렌즈, 및 상기 제1 렌즈와 상기 조사 대상물의 사이에 광학적으로 결합된 제2 렌즈를 가지고, 상기 위상 변조면과 상기 조사 대상물을 광학적으로 결합하는 양측(兩側) 텔레센트릭 광학계를 구비하고,
    상기 위상 변조면과 상기 제1 렌즈의 광학 거리가 상기 제1 렌즈의 초점 거리와 실질적으로 같고,
    상기 공간광 변조기가, 프레넬형 키노폼(kinoform)을 상기 위상 변조면에 표시함과 아울러, 상기 프레넬형 키노폼의 초점 거리를 변경함으로써 광축 방향에 있어서의 상기 변조광의 집광점의 위치를 변화시키는 것을 특징으로 하는 광조사 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레넬형 키노폼이, 상기 제1 렌즈를 향해서 상기 변조광을 지름 축소시키는 키노폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 광조사 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레넬형 키노폼이, 상기 제1 렌즈를 향해서 상기 변조광을 지름 확대시키는 키노폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 광조사 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레넬형 키노폼은, 상기 조사 대상물에 있어서의 상기 변조광의 형상을, 원형 모양, 사각형 모양 또는 직선 모양으로 하는 키노폼인 것을 특징으로 하는 광조사 장치.
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