WO2014073397A1 - 光照射装置 - Google Patents

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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a light irradiation device.
  • Non-Patent Document 1 describes a femtosecond laser processing method using holography including multiplexed Fresnel lenses for parallel processing of fine structures at high speed.
  • FIG. 12 is a diagram showing a partial configuration of the apparatus described in this document. As shown in FIG. 12, this apparatus includes a spatial light modulator 102 that modulates the phase of the readout light, and a telecentric optical system 104 that collects the phase-modulated modulated light La.
  • the telecentric optical system 104 has two lenses 106 and 108, and the modulated light La output from the spatial light modulator 102 is once converged between the spatial light modulator 102 and the first stage lens 106, and collected. A light spot P1 is formed.
  • the multiplexed Fresnel lens pattern is displayed on the spatial light modulator 102 so that the modulated light La having a desired intensity distribution is obtained at the condensing point P1. Then, the intensity distribution of the modulated light La at the condensing point P1 is transferred to the target surface F1 via the telecentric optical system 104.
  • a method has the following problems. That is, since the modulated light La is once converged at the condensing point P1, the variable range in the optical axis direction of the condensing point P2 of the modulated light La output from the lens 108 is about the focal depth of the lens 108. Very small.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a light irradiation apparatus capable of easily changing the irradiation position of modulated light in the optical axis direction.
  • a light irradiation apparatus is a light irradiation apparatus for irradiating light to an irradiation object, and includes a light source that outputs readout light and a plurality of two-dimensionally arranged regions.
  • a spatial light modulator that emits modulated light by modulating the phase of the readout light for each of a plurality of regions, and a first optically coupled to the phase modulation surface of the spatial light modulator
  • a double-sided telecentric optical system having a first lens and a second lens optically coupled between the first lens and the irradiation object, and optically coupling the phase modulation surface and the irradiation object
  • the optical distance between the phase modulation surface and the first lens is substantially equal to the focal length of the first lens, and the spatial light modulator displays the Fresnel type kinoform on the phase modulation surface.
  • the irradiation position of the modulated light in the optical axis direction can be easily changed.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a light irradiation apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an LCOS type spatial light modulator as an example of the spatial light modulator.
  • 3A is an image showing an example of a Fresnel type kinoform calculated by the calculation method of one embodiment
  • FIG. 3B is a diagram showing the shape of modulated light irradiated to the irradiation object by the kinoform. is there.
  • 4A is an image showing an example of a Fresnel type kinoform calculated by the calculation method according to the embodiment
  • FIG. 4B is a diagram showing the shape of modulated light irradiated to the irradiation object by the kinoform. is there.
  • FIG. 5A is an image showing an example of a Fresnel type kinoform calculated by the calculation method of one embodiment
  • FIG. 5B is a diagram showing a shape of modulated light irradiated on the irradiation object by the kinoform. is there.
  • FIG. 6 is a diagram conceptually illustrating a state in which modulated light is three-dimensionally irradiated on an irradiation target.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a state in which the modulated light emitted from the phase modulation surface is collected by the optical system.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a light irradiation apparatus as a first modification.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a light irradiation apparatus as a second modification.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a light irradiation apparatus as a third modification.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a light irradiation apparatus as a fourth modification.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a partial configuration of the apparatus described in Non-Patent Document 1.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a light irradiation apparatus 1A according to an embodiment of the present invention.
  • 1 A of light irradiation apparatuses of this embodiment are illumination apparatuses for illuminating observation object B (henceforth irradiation object) in an optical microscope.
  • a light irradiation apparatus 1A according to the present embodiment includes a readout light source 10, a front stage optical system 12, a spatial light modulator (SLM) 20, and a bilateral telecentric optical system 30A (hereinafter, referred to as a light source 10A). , Simply referred to as an optical system 30A), a control unit 40, and a stage 50 that supports the irradiation object B.
  • SLM spatial light modulator
  • Read light source 10 outputs read light L1 having a predetermined wavelength.
  • the readout light L1 is preferably monochromatic and has a certain degree of coherency, for example, laser light.
  • the readout light L1 may be light with low coherency such as light from an LED, but when the readout light L1 includes a plurality of wavelength components, correction by a color correction lens or the like may be necessary.
  • the pre-stage optical system 12 is optically coupled to the readout light source 10 and guides the readout light L1 output from the readout light source 10 to the spatial light modulator 20.
  • the pre-stage optical system 12 can include an optical system such as a beam expander or a spatial filter.
  • the front optical system 12 can include various optical components such as a beam splitter, a wave plate, a polarizer, and a lens.
  • the spatial light modulator 20 has a phase modulation surface 20a including a plurality of regions arranged two-dimensionally, and generates the modulated light L2 by modulating the phase of the readout light L1 for each of the plurality of regions.
  • a Fresnel type kinoform is displayed on the phase modulation surface 20 a in accordance with a control signal provided from the control unit 40.
  • the kinoform means phase spatial information.
  • the spatial light modulator 20 provides the modulated light L2 to the optical system 30A. The method for calculating the Fresnel type kinoform will be described later.
  • the optical system 30A includes a front lens 31 (first lens) and a rear lens 32 (second lens).
  • the front lens 31 is a convex lens and is optically coupled to the phase modulation surface 20 a of the spatial light modulator 20.
  • the rear lens 32 is a so-called objective lens, and is disposed between the front lens 31 and the irradiation target B, one surface is optically coupled to the front lens 31, and the other surface is the irradiation target B. And optically coupled.
  • the rear lens 32 may be a convex lens.
  • the optical system 30A optically couples the phase modulation surface 20a and the irradiation object B by having such a configuration.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an LCOS type spatial light modulator as an example of the spatial light modulator 20 of the present embodiment, and shows a cross section along the optical axis of the readout light L1.
  • the spatial light modulator 20 includes a transparent substrate 21, a silicon substrate 22, a plurality of pixel electrodes 23, a liquid crystal layer 24, a transparent electrode 25, alignment films 26 a and 26 b, a dielectric mirror 27, and a spacer 28.
  • the transparent substrate 21 is made of a material that transmits the readout light L ⁇ b> 1 and is disposed along the main surface of the silicon substrate 22.
  • the plurality of pixel electrodes 23 are arranged in a two-dimensional lattice pattern on the main surface of the silicon substrate 22 and constitute each pixel of the spatial light modulator 20.
  • the transparent electrode 25 is disposed on the surface of the transparent substrate 21 that faces the plurality of pixel electrodes 23.
  • the liquid crystal layer 24 is disposed between the plurality of pixel electrodes 23 and the transparent electrode 25.
  • the alignment film 26 a is disposed between the liquid crystal layer 24 and the transparent electrode 25, and the alignment film 26 b is disposed between the liquid crystal layer 24 and the plurality of pixel electrodes 23.
  • the dielectric mirror 27 is disposed between the alignment film 26 b and the plurality of pixel electrodes 23.
  • the dielectric mirror 27 reflects the readout light L1 incident from the transparent substrate 21 and transmitted through the liquid crystal layer 24 and emits it again from the transparent substrate 21.
  • the spatial light modulator 20 further includes a pixel electrode circuit (active matrix drive circuit) 29 that controls a voltage applied between the plurality of pixel electrodes 23 and the transparent electrode 25.
  • a pixel electrode circuit active matrix drive circuit
  • the liquid crystal layer 24 on the pixel electrode 23 depends on the magnitude of the electric field generated between the pixel electrode 23 and the transparent electrode 25.
  • the refractive index of. Therefore, the optical path length of the readout light L1 that passes through the portion of the liquid crystal layer 24 changes, and as a result, the phase of the readout light L1 changes.
  • the spatial distribution of the phase modulation amount can be electrically written, and various kinoforms can be displayed as necessary. it can.
  • the spatial light modulator 20 is not limited to the electrical address type liquid crystal element as shown in FIG. 2, and may be, for example, an optical address type liquid crystal element or a variable mirror type optical modulator. 2 shows the reflective spatial light modulator 20, the spatial light modulator 20 of this embodiment may be a transmissive type.
  • the reproduction image plane of the modulated light L2 modulated by the spatial light modulator 20 is set so as to overlap the irradiation object B. If it is assumed that the modulation light L2 pattern (target pattern) on the reproduction image plane is composed of M (where M is an integer of 2 or more) point light sources, the hologram surface on the phase modulation surface 20a has each point light source. Can be treated as the sum of the wavefront propagation functions from.
  • the wavefront propagation function u m (x a , y b ) of each point light source Is expressed as the following formula (1).
  • i is the imaginary unit
  • ⁇ is the wavelength of the modulated light L2)
  • z is the distance between the reproduction image plane and the hologram plane
  • a m is the complex amplitude component ( That is, light intensity)
  • ⁇ m is a phase component
  • ⁇ is an initial phase at each pixel.
  • r m the following equation (2) And represents the distance from each point light source in the reproduced image plane to each pixel on the hologram surface.
  • a total sum u total (x a , y b ) of wavefront propagation functions u m for M point light sources is obtained by the following equation (3). Then, by extracting a phase component from this total u total (x a , y b ), a computer-generated hologram (Computer Generate Kinoform by Generated Hologram (CGH).
  • CGH Computer Generate Kinoform by Generated Hologram
  • phase component is extracted here because the spatial light modulator 20 is a phase modulation type spatial light modulator.
  • the phase difference between the adjacent pixels is ⁇ (rad) so that the folded line of the phase fold does not exceed the Nyquist frequency, that is, in the phase term exp ( ⁇ i ⁇ m ) of the wavefront propagation function u m. Therefore, it is necessary to limit the function region of the wavefront propagation function u m so as not to exceed.
  • FIG. 3 to 5 are (a) an image showing the Fresnel type kinoform calculated by the above calculation method, and (b) the shape (optical axis) of the modulated light L2 irradiated to the irradiation object B by the kinoform. It is a figure which shows perpendicular
  • FIG. 3 shows a case where the shape of the modulated light in the irradiation object B is rectangular.
  • FIG. 4 shows a case where the shape of the modulated light in the irradiation object B is circular.
  • FIG. 5 shows a case where the shape of the modulated light in the irradiation object B is two straight lines parallel to each other.
  • the Fresnel-type kinoform displayed on the phase modulation surface 20a is a kinoform in which the shape of the modulated light L2 on the irradiation object B is circular, rectangular, or linear as described above. It can be a form.
  • the shape of the modulated light L2 in the irradiation object B is not limited to these, and various shapes are possible.
  • FIG. 6 is a diagram conceptually illustrating a state in which the modulated light L2 is three-dimensionally irradiated to the irradiation target B (for example, a cell).
  • a solid line C shown in the drawing represents a portion irradiated with the modulated light L2 on the surface of the irradiation object B.
  • a sufficient numerical aperture (NA) can be maintained by making the light intensity at the central part of the light intensity distribution on the reproduced image plane smaller than the light intensity at the peripheral part of the light intensity distribution. It is possible to adjust the amount of irradiation light. Further, the computational or iterative method performing experimental feedback, may adjust the distribution of light intensity A m.
  • the numerical aperture (NA) may be changed so as not to exceed the Nyquist frequency.
  • the initial phase ⁇ m ′ calculated by the following mathematical expression (4) may be added after calculating the kinoform.
  • the initial phase ⁇ m ′ may be for adjusting aberration correction, beam shaping, beam divergence, and the like.
  • the wavelength (design wavelength) of the modulated light L2 may be a wavelength included in a range that can be modulated by the spatial light modulator 20, and is not limited by other requirements.
  • the intensity value of the readout light L1 used in the above calculation method may be either a theoretical value or an experimental value. However, it is desirable that the intensity distribution in the cross section perpendicular to the optical axis of the readout light L1 is nearly uniform. When the intensity distribution of the readout light L1 is not uniform, it is necessary to design the kinoform by calculation including the intensity distribution information of the readout light L1.
  • the intensity distribution of the readout light L1 at this time is desirably an intensity distribution acquired on a plane conjugate with the phase modulation surface 20a.
  • the kinoform displayed on the phase modulation surface 20a can be calculated by various methods other than the above-described calculation method by back propagation.
  • the kinoform may be calculated using a calculation method in which Fresnel diffraction is applied to a general iterative method (eg, GS method).
  • FIGS. 7A to 7C are diagrams showing how the modulated light L2 emitted from the phase modulation surface 20a is collected by the optical system 30A.
  • the optical distance d1 between the phase modulation surface 20a and the front lens 31 is substantially equal to the focal length of the front lens 31.
  • the optical system 30A of this embodiment is different from the configuration shown in FIG. 12 in this respect.
  • the distance between the phase modulation surface of the spatial light modulator 102 and the lens 106 is the sum of the focal length d of the Fresnel lens displayed on the phase modulation surface and the focal length fa of the lens 106.
  • the Fresnel type kinoform displayed on the phase modulation surface 20a can include a kinoform that reduces (condenses) the modulated light L2 toward the front lens 31.
  • FIGS. 7A and 7B show the modulated light L ⁇ b> 2 whose diameter is reduced toward the front lens 31.
  • the focal length by the Fresnel kinoform is longer than the optical distance d1 between the phase modulation surface 20a and the front lens 31.
  • the focal length by the Fresnel kinoform is shorter than the optical distance d1 between the phase modulation surface 20a and the front lens 31.
  • the Fresnel type kinoform displayed on the phase modulation surface 20 a may include a kinoform that expands the laser beam diameter toward the front lens 31.
  • FIG. 7C shows the modulated light L ⁇ b> 2 whose diameter is expanded toward the front lens 31.
  • the outline of the modulated light L3 emitted as parallel light from the phase modulation surface 20a is indicated by a broken line.
  • the position of the condensing point P0 in the optical axis direction changes depending on the form of the modulated light L2 emitted from the phase modulation surface 20a. That is, the distance ⁇ z between the condensing point P0 and the focal plane F of the rear lens 32 is determined by the Fresnel type kinoform displayed on the phase modulation surface 20a.
  • the condensing point When illuminating the irradiation object B, when the condensing point is large and the irradiation region is wide, such an optical system 30A can be omitted.
  • the condensing point In the light irradiation with a microscope, the condensing point is used. It is necessary to reduce the light intensity and to efficiently collect light in a narrow area.
  • the phase resolution type spatial light modulator 20 alone may not have sufficient phase resolution and spatial resolution. In such a case, it is difficult to generate a sufficiently small condensing point. Therefore, it is desirable to configure the optical system 30A using a lens having a high numerical aperture (NA).
  • NA numerical aperture
  • Optical system 30A of the present embodiment is at an Keplerian afocal system, the optical distance d2 between the front lens 31 and the rear lens 32, the focal length f 2 of the focal length f 1 and the rear lens 32 of the front lens 31 Is substantially equal to the sum of (f 1 + f 2 ). Further, since such an optical system 30A is a bilateral telecentric optical system, the focal plane of the objective lens (the rear lens 32) is in a conjugate relationship with the phase modulation surface 20a of the spatial light modulator 20. Note that although the zero-order light component of the Fourier optical system remains as background noise, in the optical system 30A of the present embodiment, such noise is small enough to be ignored compared to the focal point.
  • the reduction magnification M of the 4f optical system is obtained by the following equation (5).
  • the distance L from the spatial light modulator 20 to the conjugate plane is Therefore, the optimal combination of the front lens 31 and the rear lens 32 can be determined based on these mathematical formulas (5) and (6), and the optical system can be optimized.
  • the focal length of the Fresnel kinoform displayed on the phase modulation surface 20 a is f SLM
  • the focal length of the front lens 31 is f 1
  • the focal length of the rear lens 32 is f 2
  • the distance between the phase modulation surface 20 a and the front lens 31 is f 1 + f 2
  • the combined focal length f ′ of the Fresnel kinoform and the front lens 31 is calculated by the following equation (7).
  • the synthetic focal length f ′ and the synthetic focal length f of the rear lens 32 are calculated by the following formula (8).
  • ⁇ z is calculated by the following equation (9).
  • each of the front lens 31 and the rear lens 32 may be composed of a single lens, or may be composed of a plurality of lenses.
  • the optical system 30A may include another lens in addition to the front lens 31 and the rear lens 32. In that case, the focal length of another lens may be included in the calculation of the composite focal length f.
  • the optical system 30A may include optical components other than the lens (for example, a beam splitter, a wave plate, a polarizer, a scanner, etc.) to such an extent that large wavefront aberration does not occur. Good.
  • the modulated light La is once converged at the condensing point P1 as shown in FIG.
  • the variable range of the condensing point P2 in the optical axis direction is about the focal depth of the lens 108 and is extremely small. Therefore, in order to make the irradiation position of the modulated light La in the optical axis direction variable, it is necessary to move the telecentric optical system 104 and the irradiation object in the optical axis direction, which complicates the structure of the apparatus.
  • the telecentric optical system is such that the distance between the spatial light modulator 102 and the lens 106 is d + fa. 104 must be moved by a stage or the like. If the focal length of the lens 108 is fb, it is necessary to dispose the object at a position separated from the lens 108 by the distance fb. Therefore, the position of the object must be moved simultaneously with the telecentric optical system 104. .
  • the modulated light in the optical axis direction is moved only by changing the kinoform displayed on the phase modulation surface 20a without moving the optical system 30A.
  • the irradiation position of L2 (that is, the position of the condensing point, ⁇ z) can be changed. Therefore, according to the light irradiation apparatus 1A, the irradiation position of the modulated light L2 in the optical axis direction can be easily changed with a simple configuration, and the apparatus can be downsized.
  • the Fresnel type kinoform is adopted as the kinoform displayed on the phase modulation surface 20a, the variable range of the irradiation position of the modulated light L2 can be sufficiently widened. Even if the light intensity distribution or wavelength of the readout light L1 varies, the irradiation position of the modulated light L2 can be adjusted only by changing the kinoform without moving the optical system 30A.
  • the optical system 30A is changed without moving only by changing the kinoform displayed on the phase modulation surface 20a. be able to. Therefore, such an optical axis change can be easily performed. Furthermore, the numerical aperture (NA) can be easily changed without replacing the optical system 30A. Further, it is easy to adjust the light amount of the modulated light L2 irradiated to the irradiation object B.
  • this light irradiation apparatus 1A even when the objective lens (the rear lens 32) is changed in order to change the magnification of the microscope, the shape of the modulated light L2 is maintained only by changing the kinoform. It is possible to eliminate the need to change the optical system.
  • this light irradiation apparatus 1A it is possible to easily realize illumination light having a continuous cross-sectional shape such as a straight line with high intensity uniformity, which is difficult to realize with a Fourier type kinoform. Moreover, according to this light irradiation apparatus 1A, the area
  • this light irradiation device 1A since the Fresnel type kinoform is adopted as the kinoform displayed on the phase modulation surface 20a, the influence of the 0th-order light component can be suppressed as described above. Therefore, for example, when this light irradiation apparatus 1A is applied to a fluorescence microscope, fading (Photobleach) can be suppressed small.
  • the light intensity distribution of the modulated light L2 may be experimentally measured, and the measurement result may be fed back to the kinoform design. As a result, it is possible to perform illumination in a manner that meets the demands of the user and has high versatility. Note that when measuring the light intensity distribution of the modulated light L2, a measuring instrument may be disposed at a position where the same image plane as the condensing surface of the modulated light L2 can be observed.
  • a reference light source and a wavefront sensor may be further provided in addition to the readout light source 10, thereby optically compensating the modulated light L2.
  • the compensation wavefront calculated from the detection result of the wavefront sensor may be given as an initial value when calculating the kinoform described above.
  • the light irradiation apparatus 1A is a SIM (Structured Illumination) that has been actively studied in recent years. Microscopy) is also possible.
  • SIM Structured Illumination
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a light irradiation device 1B as a first modification of the embodiment.
  • This light irradiation device 1B includes an optical system 30B instead of the optical system 30A of the above embodiment.
  • optical system 30B instead of the optical system 30A of the above embodiment.
  • the other structure except the optical system 30B it is the same as that of the said embodiment.
  • the optical system 30 ⁇ / b> B of this modification includes a front lens 31 and a rear lens 33.
  • the front lens 31 and the rear lens 33 form a so-called Galilei type afocal system, and the rear lens 33 is a concave lens.
  • the same operational effects as those of the light irradiation apparatus 1A described above can be achieved.
  • ⁇ z is calculated in the same manner as in the above embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a light irradiation apparatus 1C as a second modification of the embodiment.
  • This light irradiation apparatus 1C includes an observation optical system 40A in addition to the configuration of the light irradiation apparatus 1A of the above embodiment.
  • the observation optical system 40A is disposed on the same side as the irradiation object B with respect to the stage 50 that supports the irradiation object B.
  • the observation optical system 40A of this modification includes a beam splitter 41 and an image acquisition sensor 42.
  • the beam splitter 41 is optically coupled between the phase modulation surface 20a and the front lens 31.
  • the beam splitter 41 transmits the modulated light L ⁇ b> 2 emitted from the phase modulation surface 20 a toward the front lens 31 and an optical image L ⁇ b> 4 related to the irradiation target B obtained through the rear lens 32 and the front lens 31. Reflected toward the acquisition sensor 42.
  • the image acquisition sensor 42 has a light detection surface optically coupled to the beam splitter 41, and captures a light image L4 to generate image data.
  • the optical distance from the front lens 31 to the image acquisition sensor 42 is preferably substantially equal to or close to the focal length of the front lens 31.
  • An optical system such as a relay lens or an optical component such as a filter may be provided between the beam splitter 41 and the image acquisition sensor 42.
  • the image acquisition sensor 42 may be any one of a one-dimensional sensor, a two-dimensional image sensor, and a spectroscope, or a combination thereof.
  • a pinhole may be arranged between the front lens 31 and the image acquisition sensor 42 to constitute a confocal system.
  • the image acquisition sensor 42 preferably has a position adjustment mechanism that makes the position of the light detection surface variable.
  • the light detection surface of the image acquisition sensor 42 is preferably located on the light collection surface of the light image L4.
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a light irradiation apparatus 1D as a third modification of the embodiment.
  • This light irradiation apparatus 1D includes an observation optical system 40B in addition to the configuration of the light irradiation apparatus 1A of the above embodiment.
  • the observation optical system 40B is arranged on the same side as the irradiation target B with respect to the stage 50 that supports the irradiation target B.
  • the observation optical system 40B of this modification has an imaging lens 43 in addition to the configuration (beam splitter 41 and image acquisition sensor 42) of the observation optical system 40A of the second modification.
  • the imaging lens 43 is optically coupled between the beam splitter 41 and the light detection surface of the image acquisition sensor 42.
  • the optical distance from the imaging lens 43 to the image acquisition sensor 42 is preferably substantially equal to or close to the focal length of the imaging lens 43.
  • An optical system such as a relay lens or an optical component such as a filter may be further provided between the beam splitter 41 and the image acquisition sensor 42.
  • the light detection surface of the image acquisition sensor 42 is preferably located on the light collection surface of the light image L4.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a light irradiation apparatus 1E as a fourth modification of the embodiment.
  • This light irradiation apparatus 1E includes an observation optical system 40C in addition to the configuration of the light irradiation apparatus 1A of the above embodiment.
  • the observation optical system 40C is disposed on the opposite side of the irradiation target B with respect to the stage 50 that supports the irradiation target B, and observes the light image L4 transmitted through the stage 50.
  • the observation optical system 40C includes an imaging lens 44, an objective lens 45, and an image acquisition sensor 46.
  • the imaging lens 44 is optically coupled to the light detection surface of the image acquisition sensor 46.
  • the objective lens 45 is disposed between the imaging lens 44 and the irradiation object B, one surface is optically coupled to the imaging lens 44, and the other surface is optically coupled to the irradiation object B.
  • the observation optical system 40C has such a configuration, and thus captures a light image L4 related to the irradiation target B and generates image data.
  • the optical distance from the imaging lens 44 to the image acquisition sensor 46 is preferably substantially equal to or close to the focal distance of the imaging lens 44.
  • An optical system such as a relay lens or an optical component such as a filter may be provided between the imaging lens 44 and the image acquisition sensor 46.
  • the image acquisition sensor 46 may be any one of a one-dimensional sensor, a two-dimensional image sensor, and a spectroscope, or a combination thereof.
  • a pinhole may be disposed between the imaging lens 44 and the image acquisition sensor 46 to constitute a confocal system.
  • the image acquisition sensor 46 preferably has a position adjustment mechanism that makes the position of the light detection surface variable.
  • the light detection surface of the image acquisition sensor 46 is preferably located on the light collection surface of the optical image L4.
  • the present invention is not necessarily limited to the above embodiment, and can be used as a light illumination device such as a laser processing device. Various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
  • the light irradiation apparatus is a light irradiation apparatus for irradiating light to an irradiation object, and includes a light source that outputs readout light and a phase modulation surface including a plurality of two-dimensionally arranged regions.
  • a spatial light modulator that emits modulated light by modulating the phase of readout light for each of a plurality of regions, a first lens optically coupled to a phase modulation surface of the spatial light modulator, and a first A second lens optically coupled between the lens and the irradiation object, and a double-sided telecentric optical system that optically couples the phase modulation surface and the irradiation object.
  • the optical distance to the first lens is substantially equal to the focal length of the first lens, and the spatial light modulator displays the Fresnel kinoform on the phase modulation surface.
  • the Fresnel type kinoform may include a kinoform that reduces the diameter of the modulated light toward the first lens.
  • the light irradiation device may have a configuration in which the Fresnel type kinoform includes a kinoform that expands the modulated light toward the first lens.
  • the light irradiation device may be configured such that the Fresnel type kinoform is a kinoform in which the shape of the modulated light in the irradiation object is circular, rectangular, or linear.
  • the present invention can be used as a light irradiation device capable of easily changing the irradiation position of the modulated light in the optical axis direction.

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Abstract

　光照射装置１Ａは、照射対象物Ｂを照らすための装置であって、読み出し光Ｌ１を出力する光源１０と、読み出し光Ｌ１の位相を変調して変調光Ｌ２を出射する空間光変調器２０と、空間光変調器２０の位相変調面２０ａと光学的に結合されたレンズ３１、及びレンズ３１と照射対象物Ｂとの間に光学的に結合されたレンズ３２を有し、位相変調面２０ａと照射対象物Ｂとを光学的に結合する両側テレセントリック光学系３０Ａとを備える。位相変調面２０ａとレンズ３１との光学距離はレンズ３１の焦点距離と実質的に等しい。空間光変調器２０は、フレネル型キノフォームを位相変調面２０ａに表示する。これにより、光軸方向における変調光の照射位置を容易に変化させることが可能な光照射装置が実現される。

Description

光照射装置
　本発明は、光照射装置に関するものである。
　非特許文献１には、微細構造を高速に並列加工するための、多重化したフレネルレンズを含むホログラフィーを用いたフェムト秒レーザー加工方法が記載されている。図１２は、この文献に記載された装置の一部の構成を示す図である。図１２に示されるように、この装置は、読み出し光の位相を変調する空間光変調器１０２と、位相変調された変調光Ｌａを集光するテレセントリック光学系１０４とを備えている。テレセントリック光学系１０４は２つのレンズ１０６及び１０８を有しており、空間光変調器１０２から出力された変調光Ｌａは、空間光変調器１０２と初段のレンズ１０６との間において一旦収束され、集光点Ｐ１を形成する。
Satoshi Hasegawa, Yoshio Hayasaki, and Nobuo Nishida, "Holographicfemtosecond laser processing with multiplexed phase Fresnel lenses", Optics Letters,Vol. 31, No. 11, June 1, 2006
　非特許文献１に記載された装置では、集光点Ｐ１において所望の強度分布を有する変調光Ｌａが得られるように、多重化したフレネルレンズパターンを空間光変調器１０２に表示させている。そして、集光点Ｐ１における変調光Ｌａの強度分布を、テレセントリック光学系１０４を介してターゲット面Ｆ１に転写している。しかしながら、このような方式には次のような問題がある。すなわち、集光点Ｐ１において変調光Ｌａを一旦収束させているため、レンズ１０８から出力される変調光Ｌａの集光点Ｐ２の光軸方向における可変範囲は、レンズ１０８の焦点深度程度であり、極めて小さい。したがって、光軸方向における変調光Ｌａの照射位置を可変とするためには、テレセントリック光学系１０４や照射対象物を光軸方向に移動させる必要があり、装置の構造が複雑になってしまう。
　本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、光軸方向における変調光の照射位置を容易に変化させることが可能な光照射装置を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決するために、本発明による光照射装置は、照射対象物に光を照射するための光照射装置であって、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、複数の領域毎に読み出し光の位相を変調することにより変調光を出射する空間光変調器と、空間光変調器の位相変調面と光学的に結合された第１のレンズ、及び第１のレンズと照射対象物との間に光学的に結合された第２のレンズを有し、位相変調面と照射対象物とを光学的に結合する両側テレセントリック光学系とを備え、位相変調面と第１のレンズとの光学距離が第１のレンズの焦点距離と実質的に等しく、空間光変調器が、フレネル型キノフォームを位相変調面に表示することを特徴とする。
　本発明による光照射装置によれば、光軸方向における変調光の照射位置を容易に変化させることが可能となる。
図１は、一実施形態に係る光照射装置の構成を示す図である。 図２は、空間光変調器の一例として、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、（ａ）一実施形態の計算方法により算出されたフレネル型キノフォームの例を示す画像、及び（ｂ）そのキノフォームによって照射対象物に照射される変調光の形状を示す図である。 図４は、（ａ）一実施形態の計算方法により算出されたフレネル型キノフォームの例を示す画像、及び（ｂ）そのキノフォームによって照射対象物に照射される変調光の形状を示す図である。 図５は、（ａ）一実施形態の計算方法により算出されたフレネル型キノフォームの例を示す画像、及び（ｂ）そのキノフォームによって照射対象物に照射される変調光の形状を示す図である。 図６は、照射対象物に対して変調光を立体的に照射している様子を概念的に示す図である。 図７は、位相変調面から出射される変調光が光学系によって集光される様子を示す図である。 図８は、第１変形例としての光照射装置の構成を示す図である。 図９は、第２変形例としての光照射装置の構成を示す図である。 図１０は、第３変形例としての光照射装置の構成を示す図である。 図１１は、第４変形例としての光照射装置の構成を示す図である。 図１２は、非特許文献１に記載された装置の一部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照射装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る光照射装置１Ａの構成を示す図である。本実施形態の光照射装置１Ａは、光学顕微鏡において観察対象物Ｂ（以下、照射対象物という）を照らすための照明装置である。図１に示されるように、本実施形態の光照射装置１Ａは、読み出し光源１０と、前段光学系１２と、空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）２０と、両側テレセントリック光学系３０Ａ（以下、単に光学系３０Ａという）と、制御部４０と、照射対象物Ｂを支持するステージ５０とを備えている。
　読み出し光源１０は、所定波長の読み出し光Ｌ１を出力する。読み出し光Ｌ１は、単色且つ或る程度のコヒーレンシーを有することが好ましく、例えばレーザ光である。また、読み出し光Ｌ１としては、ＬＥＤからの光などのコヒーレント性が低い光でもよいが、読み出し光Ｌ１に複数の波長成分が含まれる場合、色補正レンズなどによる補正が必要になる場合がある。
　前段光学系１２は、読み出し光源１０と光学的に結合されており、読み出し光源１０から出力された読み出し光Ｌ１を、空間光変調器２０へ導く。前段光学系１２は、例えばビームエキスパンダや空間フィルタなどの光学系を含むことができる。また、前段光学系１２は、例えばビームスプリッタ、波長板、偏光子、及びレンズといった種々の光学部品を含むことができる。
　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Ｌ１の位相を変調することにより、変調光Ｌ２を生成する。位相変調面２０ａには、制御部４０から提供される制御信号に応じて、フレネル型キノフォームが表示される。なお、キノフォームとは、位相の空間情報を意味する。空間光変調器２０は、変調光Ｌ２を、光学系３０Ａに提供する。なお、フレネル型キノフォームの算出方法については後述する。
　光学系３０Ａは、前段レンズ３１（第１のレンズ）及び後段レンズ３２（第２のレンズ）を有している。前段レンズ３１は、凸レンズであって、空間光変調器２０の位相変調面２０ａと光学的に結合されている。また、後段レンズ３２は、いわゆる対物レンズであり、前段レンズ３１と照射対象物Ｂとの間に配置され、一方の面が前段レンズ３１と光学的に結合され、他方の面が照射対象物Ｂと光学的に結合されている。なお、後段レンズ３２は凸レンズであってもよい。光学系３０Ａは、このような構成を有することにより、位相変調面２０ａと照射対象物Ｂとを光学的に結合する。
　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Ｌ１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Ｌ１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Ｌ１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Ｌ１の光路長が変化し、ひいては、読み出し光Ｌ１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。
　以下、空間光変調器２０に表示されるフレネル型キノフォームの算出方法の例として、逆伝搬による計算方法について説明する。
　本実施形態では、空間光変調器２０によって変調された変調光Ｌ２の再生像面が、照射対象物Ｂと重なるように設定される。この再生像面における変調光Ｌ２のパターン（ターゲットパターン）がＭ個（但しＭは２以上の整数）の点光源によって構成されていると仮定すると、位相変調面２０ａにおけるホログラム面は、各点光源からの波面伝搬関数の総和として扱うことができる。
　そして、再生像面における各点光源の座標を（ｘｍ，ｙｍ）（但し、ｍ＝０，１，・・・，Ｍ－１）とすると、ホログラム面の各画素の座標（ｘａ，ｙｂ）（但し、ａ，ｂ＝０，１，・・・，Ｎ－１、Ｎはｘ方向及びｙ方向における画素数）における各点光源の波面伝搬関数ｕｍ（ｘａ，ｙｂ）は、次の数式（１）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 但し、ｉは虚数単位であり、ｋは波数（＝２π／λ、λは変調光Ｌ２の波長）であり、ｚは再生像面とホログラム面との距離であり、Ａｍは複素振幅成分（すなわち光の強さ）であり、θｍは位相成分であり、δは各画素での初期位相である。
　また、ｒｍは次の数式（２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 により定義される数値であって、再生像面内の各点光源からホログラム面の各画素までの距離を表している。
　本方法では、Ｍ個の点光源に関する波面伝搬関数ｕｍの総和ｕｔｏｔａｌ（ｘａ，ｙｂ）を次の数式（３）によって求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 そして、この総和ｕｔｏｔａｌ（ｘａ，ｙｂ）から位相成分を抽出することにより、計算機合成ホログラム（Computer
Generated Hologram；ＣＧＨ）によるキノフォーム（Kinoform）を作成する。
　なお、ここで位相成分を抽出するのは、空間光変調器２０が位相変調型の空間光変調器であることから、波面伝搬関数ｕｍに含まれる振幅情報を無視するためである。また、この計算の際、位相折り畳みの折り返し線がナイキスト周波数を越えないように、すなわち波面伝搬関数ｕｍの位相項ｅｘｐ（－ｉθｍ）において、隣接する画素との位相差がπ（ｒａｄ）を越えないように、波面伝搬関数ｕｍの関数領域を制限する必要がある。
　図３～図５は、（ａ）上記の計算方法により算出されたフレネル型キノフォームを示す画像と、（ｂ）そのキノフォームによって照射対象物Ｂに照射される変調光Ｌ２の形状（光軸に垂直な断面形状）を示す図である。図３は、照射対象物Ｂにおける変調光の形状が矩形状である場合を示している。図４は、照射対象物Ｂにおける変調光の形状が円形状である場合を示している。図５は、照射対象物Ｂにおける変調光の形状が、互いに平行な２本の直線状である場合を示している。
　上記の計算方法によれば、位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームを、これらのように、照射対象物Ｂにおける変調光Ｌ２の形状を円形状、矩形状、又は直線状とするキノフォームとすることが可能である。なお、照射対象物Ｂにおける変調光Ｌ２の形状はこれらに限られず、様々な形状が可能である。
　また、上記の計算方法を用いると、照射対象物Ｂに対して立体的に（三次元的に）変調光Ｌ２を照射することができるキノフォームも計算可能である。図６は、照射対象物Ｂ（例えば細胞）に対して変調光Ｌ２を立体的に照射している様子を概念的に示す図である。図中に示された実線Ｃは、照射対象物Ｂの表面において変調光Ｌ２が照射される部分を表している。
　なお、上記の計算方法において、再生像面における光強度分布の中心部分の光強度を、該光強度分布の周囲部分の光強度よりも小さくすることにより、十分な開口数（ＮＡ）を維持しつつ照射光量を調整することができる。また、計算的もしくは実験的なフィードバックを行う反復法によって、光強度Ａｍの分布を調整してもよい。
　また、上記の計算方法において、開口数（ＮＡ）を、ナイキスト周波数を超えない程度に変更してもよい。これにより、照射対象物Ｂに照射される変調光Ｌ２の光強度、及び集光点の大きさを任意に変更することができる。
　また、上記の計算方法における数式の中に初期値を含めても良いが、次の数式（４）によって算出される初期位相θｍ’を、キノフォーム算出後に加算してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 なお、この初期位相θｍ’は、収差補正、ビーム整形、ビーム拡がりなどを調整するためのものであってもよい。
　また、上記の計算方法において、変調光Ｌ２の波長（設計波長）は、空間光変調器２０が変調し得る範囲に含まれる波長であればよく、他の要件によっては何ら制限されない。
　また、上記の計算方法において使用される読み出し光Ｌ１の強度の値は、理論値及び実験値の何れでもよい。但し、読み出し光Ｌ１の光軸に垂直な断面における強度分布は、均一に近いことが望ましい。読み出し光Ｌ１の強度分布が均一ではない場合には、読み出し光Ｌ１の強度分布情報を含めた計算によりキノフォームを設計する必要がある。このときの読み出し光Ｌ１の強度分布は、位相変調面２０ａと共役な面において取得された強度分布であることが望ましい。
　なお、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームは、上述した逆伝搬による計算方法以外にも、様々な方法により算出されることができる。例えば、一般的な反復法（例えばＧＳ法）などにフレネル回折を適用した計算方法を用いて、キノフォームを計算してもよい。
　続いて、位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームおよび光学系３０Ａの構成について、詳細に説明する。図７（ａ）～図７（ｃ）は、位相変調面２０ａから出射される変調光Ｌ２が光学系３０Ａによって集光される様子を示す図である。本実施形態において、位相変調面２０ａと前段レンズ３１との光学距離ｄ１は、前段レンズ３１の焦点距離と実質的に等しい。本実施形態の光学系３０Ａは、このような点において図１２に示された構成とは相違している。図１２の構成では、空間光変調器１０２の位相変調面とレンズ１０６との距離は、位相変調面に表示されるフレネルレンズの焦点距離ｄと、レンズ１０６の焦点距離ｆａとの和となる。
　本実施形態において、位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームは、前段レンズ３１に向けて変調光Ｌ２を縮径させる（集光する）キノフォームを含むことができる。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、前段レンズ３１に向けて縮径される変調光Ｌ２を示している。図７（ａ）に示される形態では、フレネル型キノフォームによる焦点距離は、位相変調面２０ａと前段レンズ３１との光学距離ｄ１よりも長い。また、図７（ｂ）に示される形態では、フレネル型キノフォームによる焦点距離は、位相変調面２０ａと前段レンズ３１との光学距離ｄ１よりも短い。
　また、本実施形態において、位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームは、前段レンズ３１に向けてレーザ光を拡径させるキノフォームを含んでもよい。図７（ｃ）は、前段レンズ３１に向けて拡径される変調光Ｌ２を示している。なお、比較のため、図７（ａ）～図７（ｃ）には、位相変調面２０ａから平行光として出射された変調光Ｌ３の輪郭が破線で示されている。
　図７（ａ）～図７（ｃ）に示されるように、位相変調面２０ａから出射される変調光Ｌ２の形態によって、光軸方向における集光点Ｐ０の位置が変化する。すなわち、集光点Ｐ０と後段レンズ３２の焦平面Ｆとの距離Δｚは、位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームによって決定される。
　照射対象物Ｂを照明する際、集光点が大きく照射領域が広い場合には、このような光学系３０Ａは省略されることも可能であるが、顕微鏡での光照射においては、集光点を小さくし、且つ狭い領域に効率良く集光させる必要がある。しかし、位相変調型の空間光変調器２０のみでは、その位相分解能及び空間分解能が十分ではない場合があり、そのような場合には十分に小さな集光点を生成することが難しい。したがって、高い開口数（ＮＡ）を有するレンズを用いて光学系３０Ａを構成することが望ましい。
　そして、このような場合、ケプラー型アフォーカル光学系（４ｆ光学系）を用い、且つ、この光学系の後段レンズを対物レンズとすることが望ましい。本実施形態の光学系３０Ａはケプラー型アフォーカル系を成しており、前段レンズ３１と後段レンズ３２との光学距離ｄ２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３０Ａは両側テレセントリックな光学系であるため、対物レンズ（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、フーリエ光学系の０次光成分はバックグラウンドノイズとして残留するが、本実施形態の光学系３０Ａでは、このようなノイズは集光点に比べて無視できる程度に小さい。
　ここで、４ｆ光学系の縮小倍率Ｍは、次の数式（５）によって求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 空間光変調器２０から共役面までの距離Ｌは
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 であるため、これらの数式（５）及び（６）に基づいて、最適な前段レンズ３１及び後段レンズ３２の組み合わせを決定することができ、光学系の最適化を図ることができる。
　一方、光軸方向における集光点の位置は、キノフォーム設計値及び縮小倍率Ｍによって一義的に決定される。すなわち、キノフォームの設計焦点距離をｚとすると、集光点は、後段レンズ３２の焦平面からΔｚ（＝ｚ×Ｍ）の距離に位置することとなる（図７（ａ）～図７（ｃ）を参照）。この関係は、ｚが負である場合であっても同様に成り立つ。
　なお、後段レンズ３２と位相変調面２０ａとの間隔が変化しても上記の関係は成り立つが、この間隔が大きく変化する場合には、合成焦点距離の計算を含めてΔｚを求めることが好ましい。これは、光学系３０Ａがケプラー型アフォーカル系を構成する場合であっても同様である。このようなΔｚは、例えば次のようにして求められる。
　位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームの焦点距離をｆSLM、前段レンズ３１の焦点距離をｆ１、後段レンズ３２の焦点距離をｆ２、位相変調面２０ａと前段レンズ３１との距離をｆ１、前段レンズ３１と後段レンズ３２との距離をｆ１＋ｆ２とすると、フレネル型キノフォームと前段レンズ３１との合成焦点距離ｆ’は、次の数式（７）によって算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 これと同様に、合成焦点距離ｆ’と後段レンズ３２との合成焦点距離ｆは、次の数式（８）によって算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 そして、Δｚは次の数式（９）によって算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　なお、本実施形態の光学系３０Ａにおいて、前段レンズ３１及び後段レンズ３２は、それぞれが単一のレンズから成ってもよく、また、それぞれが複数のレンズから成ってもよい。また、光学系３０Ａは、前段レンズ３１及び後段レンズ３２に加えて、別のレンズを含んでもよい。その場合、別のレンズの焦点距離を上記の合成焦点距離ｆの計算に含めるとよい。また、光学系３０Ａは、前段レンズ３１及び後段レンズ３２に加えて、レンズ以外の光学部品（例えば、ビームスプリッタ、波長板、偏光子、スキャナなど）を、大きな波面収差が生じない程度に含んでもよい。
　以上に説明した、本実施形態による光照射装置１Ａによって得られる効果について説明する。
　前述したように、非特許文献１に記載された装置では、図１２に示されたように、集光点Ｐ１において変調光Ｌａを一旦収束させているため、レンズ１０８から出力される変調光Ｌａの集光点Ｐ２の光軸方向における可変範囲は、レンズ１０８の焦点深度程度であり、極めて小さい。したがって、光軸方向における変調光Ｌａの照射位置を可変とするためには、テレセントリック光学系１０４や照射対象物を光軸方向に移動させる必要があり、装置の構造が複雑になってしまう。つまり、空間光変調器１０２に表示されるフレネルレンズの焦点距離をｄ、レンズ１０６の焦点距離をｆａとすると、空間光変調器１０２とレンズ１０６との距離がｄ＋ｆａとなるように、テレセントリック光学系１０４をステージなどによって移動させなくてはならない。また、レンズ１０８の焦点距離をｆｂとすると、レンズ１０８から距離ｆｂを隔てた位置に対象物を配置する必要があるので、テレセントリック光学系１０４と同時に対象物の位置をも移動させなくてはならない。
　このような問題点に対し、本実施形態の光照射装置１Ａでは、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームを変更することのみによって、光学系３０Ａを移動させることなく、光軸方向における変調光Ｌ２の照射位置（すなわち集光点の位置、Δｚ）を変化させることができる。したがって、この光照射装置１Ａによれば、光軸方向における変調光Ｌ２の照射位置の変化を、簡易な構成によって容易に行うことができ、装置の小型化が可能となる。また、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームとしてフレネル型キノフォームを採用しているので、変調光Ｌ２の照射位置の可変範囲を十分に広くすることができる。また、読み出し光Ｌ１の光強度分布や波長が変動した場合であっても、光学系３０Ａを移動させることなく、キノフォームの変更のみによって変調光Ｌ２の照射位置を調整することができる。
　また、照射対象物Ｂに照射される変調光Ｌ２の光軸を変更する場合においても、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームを変更することのみによって、光学系３０Ａを移動させることなく変更することができる。したがって、このような光軸の変更も容易に行うことができる。更には、光学系３０Ａを交換することなく、開口数（ＮＡ）を変更することも容易にできる。また、照射対象物Ｂに照射される変調光Ｌ２の光量の調整も容易である。
　また、この光照射装置１Ａによれば、顕微鏡の拡大倍率を変更するために対物レンズ（後段レンズ３２）が交換された場合であっても、キノフォームの変更のみによって変調光Ｌ２の形状を維持することができ、光学系の変更を不要とすることができる。
　また、この光照射装置１Ａによれば、フーリエ型キノフォームでは実現困難な、強度均一性の高い直線などの連続した断面形状を有する照明光を容易に実現することができる。また、この光照射装置１Ａによれば、同時に照明される照射対象物Ｂの領域は平面的な領域に限られず、立体的な領域を同時に照明することもできる。
　また、この光照射装置１Ａによれば、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームとしてフレネル型キノフォームを採用しているので、前述したように０次光成分による影響を抑えることができる。したがって、例えばこの光照射装置１Ａが蛍光顕微鏡に適用される場合には、退色（Photobleach）を小さく抑えることができる。
　また、この光照射装置１Ａでは、変調光Ｌ２の光強度分布を実験的に計測し、その計測結果をキノフォームの設計にフィードバックしてもよい。これにより、使用者側の需要に適合し且つ汎用性の高い態様での照明が可能となる。なお、変調光Ｌ２の光強度分布を計測する際には、変調光Ｌ２の集光面と同じ像面を観察可能な位置に計測器を配置するとよい。
　また、この光照射装置１Ａでは、読み出し光源１０とは別に参照用光源及び波面センサを更に設けることにより、変調光Ｌ２に対して光学的な補償を行ってよい。このとき、波面センサの検出結果から算出された補償用波面は、上述したキノフォーム算出の際の初期値として与えられるとよい。
　なお、この光照射装置１Ａは、近年盛んに研究されているＳＩＭ（Structured Illumination
Microscopy）への適用も可能である。
　（第１の変形例）
　図８は、上記実施形態の第１変形例として、光照射装置１Ｂの構成を示す図である。この光照射装置１Ｂは、上記実施形態の光学系３０Ａに代えて、光学系３０Ｂを備えている。なお、光学系３０Ｂを除く他の構成については、上記実施形態と同様である。
　本変形例の光学系３０Ｂは、前段レンズ３１と、後段レンズ３３とを有する。前段レンズ３１及び後段レンズ３３は、いわゆるガリレイ型アフォーカル系を成しており、後段レンズ３３は凹レンズである。このような構成を備える光照射装置１Ｂであっても、上述した光照射装置１Ａと同様の作用効果を奏することができる。但し、本変形例では、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームの位相分布の正負を反転する必要があり、また、後段レンズ３３は凹レンズとなるので通常の対物レンズを使用することができない。なお、本変形例において、Δｚの算出方法は上記実施形態と同様である。
　（第２の変形例）
　図９は、上記実施形態の第２変形例として、光照射装置１Ｃの構成を示す図である。この光照射装置１Ｃは、上記実施形態の光照射装置１Ａの構成に加えて、観察光学系４０Ａを備えている。この観察光学系４０Ａは、照射対象物Ｂを支持するステージ５０に対して照射対象物Ｂと同じ側に配置されている。
　本変形例の観察光学系４０Ａは、ビームスプリッタ４１と、画像取得用センサ４２とを有する。ビームスプリッタ４１は、位相変調面２０ａと前段レンズ３１との間に光学的に結合されている。ビームスプリッタ４１は、位相変調面２０ａから出射された変調光Ｌ２を前段レンズ３１に向けて透過するとともに、後段レンズ３２及び前段レンズ３１を介して得られる照射対象物Ｂに関する光像Ｌ４を、画像取得用センサ４２に向けて反射する。画像取得用センサ４２は、ビームスプリッタ４１と光学的に結合された光検出面を有し、光像Ｌ４を撮像して画像データを生成する。前段レンズ３１から画像取得用センサ４２までの光学距離は、前段レンズ３１の焦点距離と略等しいか、その焦点距離に近いことが好ましい。なお、ビームスプリッタ４１と画像取得用センサ４２との間に、リレーレンズといった光学系や、フィルタなどの光学部品が設けられてもよい。
　画像取得用センサ４２は、一次元センサ、二次元イメージセンサ、及び分光器のうちの何れであってもよく、或いはこれらを併用してもよい。画像取得用センサ４２が一次元センサである場合には、前段レンズ３１と画像取得用センサ４２との間にピンホールを配置し、共焦点系を構成してもよい。なお、画像取得用センサ４２は、光検出面の位置を可変にする位置調整機構を有することが好ましい。また、画像取得用センサ４２の光検出面は、光像Ｌ４の集光面に位置することが好ましい。
　（第３の変形例）
　図１０は、上記実施形態の第３変形例として、光照射装置１Ｄの構成を示す図である。この光照射装置１Ｄは、上記実施形態の光照射装置１Ａの構成に加えて、観察光学系４０Ｂを備えている。この観察光学系４０Ｂは、照射対象物Ｂを支持するステージ５０に対して照射対象物Ｂと同じ側に配置されている。
　本変形例の観察光学系４０Ｂは、第２変形例の観察光学系４０Ａの構成（ビームスプリッタ４１及び画像取得用センサ４２）に加えて、結像レンズ４３を有する。結像レンズ４３は、ビームスプリッタ４１と画像取得用センサ４２の光検出面との間に光学的に結合されている。結像レンズ４３から画像取得用センサ４２までの光学距離は、結像レンズ４３の焦点距離と略等しいか、その焦点距離に近いことが好ましい。なお、ビームスプリッタ４１と画像取得用センサ４２との間に、リレーレンズといった光学系や、フィルタなどの光学部品が更に設けられてもよい。また、画像取得用センサ４２の光検出面は、光像Ｌ４の集光面に位置することが好ましい。
　（第４の変形例）
　図１１は、上記実施形態の第４変形例として、光照射装置１Ｅの構成を示す図である。この光照射装置１Ｅは、上記実施形態の光照射装置１Ａの構成に加えて、観察光学系４０Ｃを備えている。この観察光学系４０Ｃは、照射対象物Ｂを支持するステージ５０に対して照射対象物Ｂとは反対側に配置されており、ステージ５０を透過した光像Ｌ４を観察する。
　観察光学系４０Ｃは、結像レンズ４４と、対物レンズ４５と、画像取得用センサ４６とを有する。結像レンズ４４は、画像取得用センサ４６の光検出面と光学的に結合されている。また、対物レンズ４５は、結像レンズ４４と照射対象物Ｂとの間に配置され、一方の面が結像レンズ４４と光学的に結合され、他方の面が照射対象物Ｂと光学的に結合されている。観察光学系４０Ｃは、このような構成を有することにより、照射対象物Ｂに関する光像Ｌ４を撮像して画像データを生成する。
　結像レンズ４４から画像取得用センサ４６までの光学距離は、結像レンズ４４の焦点距離と略等しいか、その焦点距離に近いことが好ましい。なお、結像レンズ４４と画像取得用センサ４６との間に、リレーレンズといった光学系や、フィルタなどの光学部品が設けられてもよい。
　画像取得用センサ４６は、一次元センサ、二次元イメージセンサ、及び分光器のうちの何れであってもよく、或いはこれらを併用してもよい。画像取得用センサ４６が一次元センサである場合には、結像レンズ４４と画像取得用センサ４６との間にピンホールを配置し、共焦点系を構成してもよい。なお、画像取得用センサ４６は、光検出面の位置を可変にする位置調整機構を有することが好ましい。また、画像取得用センサ４６の光検出面は、光像Ｌ４の集光面に位置することが好ましい。
　以上、本発明に係る光照射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、レーザー加工装置などの光照明装置としても用いることができる。また、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
　上記実施形態による光照射装置では、照射対象物に光を照射するための光照射装置であって、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、複数の領域毎に読み出し光の位相を変調することにより変調光を出射する空間光変調器と、空間光変調器の位相変調面と光学的に結合された第１のレンズ、及び第１のレンズと照射対象物との間に光学的に結合された第２のレンズを有し、位相変調面と照射対象物とを光学的に結合する両側テレセントリック光学系とを備え、位相変調面と第１のレンズとの光学距離が第１のレンズの焦点距離と実質的に等しく、空間光変調器が、フレネル型キノフォームを位相変調面に表示する構成としている。
　また、光照射装置は、フレネル型キノフォームが、第１のレンズに向けて変調光を縮径させるキノフォームを含む構成としてもよい。
　或いは、光照射装置は、フレネル型キノフォームが、第１のレンズに向けて変調光を拡径させるキノフォームを含む構成としてもよい。
　また、光照射装置は、フレネル型キノフォームが、照射対象物における変調光の形状を、円形状、矩形状、又は直線状とするキノフォームである構成としてもよい。
　本発明は、光軸方向における変調光の照射位置を容易に変化させることが可能な光照射装置として利用可能である。
　１Ａ～１Ｅ…光照射装置、１０…光源、１２…前段光学系、２０…空間光変調器、２０ａ…位相変調面、３０Ａ，３０Ｂ…（両側テレセントリック）光学系、３１…前段レンズ、３２，３３…後段レンズ、４０…制御部、４０Ａ～４０Ｃ…観察光学系、４１…ビームスプリッタ、４２，４６…画像取得用センサ、４３，４４…結像レンズ、４５…対物レンズ、５０…ステージ、Ｂ…照射対象物、Ｆ１…ターゲット面、Ｌ１…読み出し光、Ｌ２，Ｌ３…変調光、Ｌ４…光像。

Claims (4)

  1. 　照射対象物に光を照射するための光照射装置であって、
    　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、前記複数の領域毎に前記読み出し光の位相を変調することにより変調光を出射する空間光変調器と、
    　前記空間光変調器の前記位相変調面と光学的に結合された第１のレンズ、及び前記第１のレンズと前記照射対象物との間に光学的に結合された第２のレンズを有し、前記位相変調面と前記照射対象物とを光学的に結合する両側テレセントリック光学系と
    を備え、
    　前記位相変調面と前記第１のレンズとの光学距離が前記第１のレンズの焦点距離と実質的に等しく、
    　前記空間光変調器が、フレネル型キノフォームを前記位相変調面に表示することを特徴とする、光照射装置。
  2. 　前記フレネル型キノフォームが、前記第１のレンズに向けて前記変調光を縮径させるキノフォームを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光照射装置。
  3. 　前記フレネル型キノフォームが、前記第１のレンズに向けて前記変調光を拡径させるキノフォームを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光照射装置。
  4. 　前記フレネル型キノフォームは、前記照射対象物における前記変調光の形状を、円形状、矩形状、又は直線状とするキノフォームであることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の光照射装置。
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