WO2016117409A1 - 光照射装置 - Google Patents

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WO2016117409A1
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寛人 酒井
優 瀧口
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • One aspect of the present invention relates to a light irradiation apparatus.
  • Non-Patent Document 1 discloses a method for generating illumination light having a uniform light intensity distribution in a certain plane perpendicular to the optical axis.
  • a system for generating such illumination light for example, a system in which input light having a light intensity distribution according to a Gaussian distribution is modulated by a spatial light modulator.
  • a computer generated hologram (CGH) in which the light intensity distribution is uniform in a predetermined range within the light collection surface is presented by the spatial light modulator.
  • the CGH presented in the spatial light modulator is designed based on a one-dimensional function represented by the following formula (1) ( ⁇ ( ⁇ ) is a phase value presented at the position ⁇ ).
  • the intensity distribution of light (before modulation) input to the spatial light modulator follows a Gaussian distribution (hereinafter, such light is referred to as a Gaussian beam). Therefore, as the CGH presented in the spatial light modulator, a hologram assuming that an ideal Gaussian beam is modulated is prepared. However, the intensity distribution of light that is actually modulated (or after being modulated) by the spatial light modulator is such that the peripheral portion is missing due to optical components (for example, apertures, edge masks, etc.) arranged on the optical path, etc.
  • the ideal Gaussian distribution may be discontinuously deformed.
  • the light intensity distribution of the output light to be obtained deviates from the desired distribution. For example, even when CGH for making the light intensity uniform within a predetermined region is presented to the spatial light modulator, if the peripheral portion of the input light is missing due to the aperture, the influence of the diffracted light from the peripheral portion The uniformity of the light intensity within the predetermined area is reduced.
  • One aspect of the present invention has been made in view of such problems. Even when the light intensity distribution is discontinuously deformed from the Gaussian distribution, the output light intensity distribution is changed to a desired distribution. It aims at providing the light irradiation apparatus which can approach.
  • a light irradiation apparatus includes a Gaussian beam output unit that outputs light having a light intensity distribution according to a Gaussian distribution, and receives light, presents CGH, and emits light.
  • a spatial light modulator that modulates, an optical system that collects light modulated by the spatial light modulator, an optical axis between the Gaussian beam output section and the spatial light modulator, and a spatial light modulator and an optical system
  • an amplitude mask disposed on at least one of the optical axes.
  • the amplitude mask has a circular first region centered on the optical axis and an annular second region surrounding the first region. The transmittance in the second region continuously decreases as the distance from the optical axis increases.
  • another light irradiation apparatus includes a Gaussian beam output unit that outputs light having an intensity distribution according to a Gaussian distribution, and a spatial light modulator that receives light and presents CGH to modulate the light.
  • An optical system that collects light modulated by the spatial light modulator, an optical axis between the Gaussian beam output unit and the spatial light modulator, and an optical axis between the spatial light modulator and the optical system.
  • An amplitude mask disposed on at least one of the optical axes. The amplitude mask has a circular first region centered on the optical axis and an annular second region surrounding the first region. The light intensity of the portion of the light that has passed through the second region continuously decreases as the distance from the optical axis increases.
  • the light output from the Gaussian beam output unit is modulated by the spatial light modulator and collected by the optical system.
  • the spatial light modulator may be presented with CGH for the intensity distribution of the light collected by the optical system to be a desired distribution on the light collection surface.
  • an amplitude mask having an annular second region centered on the optical axis is provided on the optical axis of the front stage or the rear stage (or both) of the spatial light modulator. Yes.
  • each of the light irradiation devices described above includes a photodetector for detecting the light intensity distribution on the light collection surface of the light collected by the optical system, and a CGH for generating a desired light intensity distribution on the light collection surface. And a control unit that provides data based on output data from the photodetector.
  • the transmittance in the first region may be uniform. Thereby, the light intensity distribution on the condensing surface can be made closer to a desired distribution. For example, when the transmittance in the first region is approximately 100%, the light loss due to the amplitude mask can be reduced and the light utilization efficiency can be increased.
  • the width r 2 of the second region in the radial direction centered on the optical axis is 20 (the sum (r 1 + r 2 ) of the radius r 1 and the width r 2 of the first region). It may be in the range of 50% to 50%. According to the knowledge of the present inventor, when the width of the second region is within such a range, the influence on the light intensity distribution of the output light due to the deformation from the Gaussian distribution of the input light is more appropriately mitigated. .
  • the CGH may be a hologram for generating a uniform light intensity distribution within a predetermined region of a light collection surface of light collected by the optical system.
  • the uniformity of the light intensity distribution is recovered by the function of the amplitude mask. be able to.
  • the intensity distribution of the output light can be brought close to a desired distribution even when the intensity distribution of the input light is deformed from the Gaussian distribution.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a light irradiation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram conceptually illustrating the modulation operation by the spatial light modulator.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the phase ⁇ ( ⁇ ) and the light intensity distribution after molding.
  • FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the amplitude mask viewed from the optical axis direction.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of the transmittance distribution of the amplitude mask in a cross section including the optical axis.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of the transmittance distribution of the amplitude mask in a cross section including the optical axis.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a light irradiation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram conceptually illustrating the modulation operation by the spatial light modulator.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an intensity distribution of light transmitted through the amplitude mask.
  • FIG. 8 is a simulation result for explaining the effect.
  • FIG. 9 is a simulation result for explaining the effect.
  • FIG. 10 is a simulation result for explaining the effect.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a light irradiation apparatus according to a first modification.
  • FIG. 12 is a graph showing the transmittance distribution of the amplitude mask.
  • FIG. 13 is a graph showing the intensity distribution of light transmitted through the amplitude mask.
  • FIG. 14 is a graph showing the intensity distribution of output light on the condensing surface when light having the light intensity distribution shown in FIG. 13 is input to the condensing optical system.
  • FIG. 12 is a graph showing the transmittance distribution of the amplitude mask.
  • FIG. 13 is a graph showing the intensity distribution of light transmitted through the amplitude mask.
  • FIG. 14 is a graph showing the intensity distribution of output light on
  • FIG. 15 is a graph showing the intensity distribution of output light on the condensing surface when the width of the second region of the amplitude mask is variously changed.
  • FIG. 16 is a graph showing the transmittance distribution of the amplitude mask in the third embodiment.
  • FIG. 17A is a graph showing the intensity distribution of light transmitted through the amplitude mask.
  • FIG. 17B is a graph showing the intensity distribution of output light on the condensing surface.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a light irradiation apparatus 1A according to an embodiment of the present invention.
  • the light irradiation apparatus 1 ⁇ / b> A according to the present embodiment includes a Gaussian beam output unit 10, a spatial light modulator 20, an amplitude mask 30, a condensing optical system 40, a photodetector 50, and a control unit 60.
  • the Gaussian beam output unit 10 outputs light L1 having a light intensity distribution according to a Gaussian distribution.
  • the Gaussian beam output unit 10 includes, for example, a light source 11 and a beam expander 12 optically coupled to the light source 11.
  • the light source 11 includes, for example, a pulsed light oscillation or continuous wave oscillation laser light source, an SLD light source, or an LED light source, and outputs light L1 having a light intensity distribution according to a Gaussian distribution.
  • the beam expander 12 includes, for example, a plurality of lenses arranged side by side on the optical path of the light L1, and adjusts the light diameter of the light L1 in a cross section perpendicular to the optical axes of the plurality of lenses. In one example, the beam expander 12 expands the light diameter of the light L1.
  • the spatial light modulator 20 is optically coupled to the beam expander 12 and receives light L1 from the beam expander 12.
  • the spatial light modulator 20 presents CGH which is a modulation pattern for spatially modulating the light L1.
  • the CGH presented to the spatial light modulator 20 is controlled by the control unit 60.
  • the spatial light modulator 20 may be a phase modulation type or an amplitude (intensity) modulation type.
  • the spatial light modulator 20 may be either a reflection type or a transmission type. Further, a plurality of spatial light modulators 20 may be provided, and in that case, the light L1 is modulated a plurality of times.
  • the amplitude mask 30 is optically coupled to the spatial light modulator 20 and is disposed on the optical axis O 24 between the spatial light modulator 20 and the condensing optical system 40 in this embodiment. That is, the amplitude mask 30 of this embodiment is disposed on the optical path of the light L1 between the spatial light modulator 20 and the condensing optical system 40.
  • the amplitude mask 30 is an optical component having a predetermined transmittance distribution in a cross section perpendicular to the optical axis O 24.
  • the amplitude mask 30 may be constituted by an absorption type or reflection type ND filter. The transmittance distribution of the amplitude mask 30 will be described in detail later.
  • the condensing optical system 40 is optically coupled to the amplitude mask 30, is disposed on the optical path of the light L1, and is disposed to face the irradiation object.
  • the condensing optical system 40 forms a condensing surface at a position away from the condensing optical system 40 by the focal length f, and converts the light L1 output from the spatial light modulator 20 into the output light L2 while condensing the light. Focus on the surface.
  • the condensing optical system 40 is configured by, for example, one or a plurality of lenses (for example, an objective lens).
  • the CGH presented in the spatial light modulator 20 described above makes the intensity distribution of the output light L2 collected by the condensing optical system 40 a desired distribution on the condensing surface. Therefore, between the spatial light modulator 20 and the condensing optical system 40, the light intensity distribution of the light L1 maintains a Gaussian distribution.
  • the light detector 50 is disposed on a condensing surface that is separated from the condensing optical system 40 by a focal length f on the optical axis O 4 of the condensing optical system 40, and the output light L 2 collected by the condensing optical system 40.
  • the light intensity distribution of is detected.
  • the photodetector 50 may be constituted by a multi-anode type photomultiplier tube (PMT) having a plurality of anodes, or a plurality of point sensors such as photodiodes or avalanche photodiodes arranged in an array. May be configured.
  • PMT multi-anode type photomultiplier tube
  • the photodetector 50 may be an area image sensor having a plurality of pixels, such as a CCD image sensor, an EM-CCD image sensor, or a CMOS image sensor.
  • the photodetector 50 provides the control unit 60 with output data Sd indicating the light intensity distribution of the output light L2.
  • the photodetector 50 is removed, and the irradiation target is disposed at that position.
  • the control unit 60 provides CGH for generating a desired light intensity distribution in the output light L2 on the condensing surface of the condensing optical system 40 based on the output data Sd from the photodetector 50. That is, the control unit 60 calculates CGH such that the light intensity distribution approaches the desired distribution when the light intensity distribution of the output light L2 indicated in the output data Sd is away from the desired distribution. Alternatively, the control unit 60 stores a plurality of CGHs in advance, and selects a CGH for approaching a desired distribution from the plurality of CGHs according to the light intensity distribution of the output light L2 indicated in the output data Sd. May be. The controller 60 provides the spatial light modulator 20 with a control signal Sc including the calculated or selected CGH.
  • FIG. 2 is a diagram conceptually illustrating the modulation operation by the spatial light modulator 20.
  • the light density in the plane perpendicular to the optical axis O 24 and the optical axis O 4 is indicated by the density of broken lines (light rays), and the broken lines are arranged more densely as the light density increases.
  • the spatial light modulator 20 receives light L1 having a light intensity distribution A1 according to a Gaussian distribution. Light density of the light L1 is greatest on the optical axis O 24, it becomes smaller as approaching the periphery.
  • a CGH 21 is presented to the spatial light modulator 20.
  • the CGH 21 is a CGH for generating output light L2 having a desired light intensity distribution A2 on the light collection surface from the light L1.
  • the light intensity distribution A2 of the output light L2 has, for example, a uniform distribution in a predetermined region B1 on the condensing surface as shown in FIG.
  • the predetermined region B1 is, for example, a region including the optical axis O 4 of the condensing optical system 40, and is a circular region centered on the optical axis O 4 in one embodiment.
  • the light density of the output light L2 is constant in the predetermined region B1, and rapidly decreases outside the predetermined region B1.
  • the CGH 21 a hologram is prepared on the assumption that the light intensity distribution A1 is an ideal Gaussian distribution.
  • the actual intensity distribution of the light L1 may be discontinuously deformed from an ideal Gaussian distribution, such as a lack of a peripheral portion due to an optical component (for example, an aperture or an edge mask) arranged on the optical path. is there.
  • the CGH 21 based on an ideal Gaussian distribution is presented to the spatial light modulator 20, the obtained light intensity distribution A2 is far from the desired distribution.
  • the peripheral portion of the light L1 is missing due to the aperture, the uniformity of the light intensity in the predetermined region B1 is reduced.
  • a control parameter A for controlling the curvature d ⁇ / d ⁇ of the phase ⁇ ( ⁇ ) is introduced to the above formula (1).
  • the control parameter A By setting the control parameter A to an appropriate value, the uniformity of the light intensity in the predetermined area B1 can be brought close to the original uniformity. This calculation is performed in the control unit 60.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the phase ⁇ ( ⁇ ) and the light intensity distribution A2 after molding.
  • a long broken line D1 in the column of phase ⁇ ( ⁇ ) indicates an appropriate phase curve
  • a short broken line D2 indicates a phase curve before control.
  • the control parameter A when the control parameter A has an appropriate value (the curvature of the phase curve matches the appropriate phase curve), the light intensity in the predetermined region B1 is uniform. It becomes.
  • the control parameter A when the control parameter A is larger than an appropriate value, the light intensity in the predetermined area B1 becomes concave. In such a case, by setting the control parameter A to be smaller, the light intensity in the predetermined area B1 can be made closer to uniform.
  • the control parameter A when the control parameter A is smaller than an appropriate value, the light intensity in the predetermined region B1 becomes convex. In such a case, by setting the control parameter A to be larger, the light intensity in the predetermined area B1 can be made closer to uniform.
  • an approximate value of A may be determined in advance based on the shape of the light intensity distribution indicated in the data Sd.
  • the amplitude mask 30 is disposed on the optical axis O 24 between the spatial light modulator 20 and the condensing optical system 40.
  • the deformation of the light intensity distribution A2 due to the deformation of the light intensity distribution A1 from the ideal Gaussian distribution as described above can also be eliminated by the amplitude mask 30.
  • FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the amplitude mask 30 viewed from the direction of the optical axis O 24 .
  • the amplitude mask 30 of this embodiment has a first region 31 and a second region 32.
  • the first region 31 is a circular region centered on the optical axis O 24 .
  • the transmittance in the first region 31 is uniform, for example, 100% or a value very close thereto. Therefore, the light intensity distribution near the optical axis O 24 from the spatial light modulator 20 to the condensing optical system 40 is maintained as it is.
  • the second region 32 is a region of the annular shape centered on the optical axis O 24 (i.e. symmetry to the optical axis O 24 around) surrounds the first region 31.
  • the transmittance in the second region 32 continuously decreases (that is, monotonously decreases) from the transmittance in the first region 31 as the distance from the optical axis O 24 increases.
  • an apodization effect an effect of adding good blur to the imaging surface by emphasizing the low frequency component and suppressing the high frequency component
  • the width r 2 of the second region 32 in the radial direction centered on the optical axis O 24 is the sum of the radius r 1 and the width r 2 of the first region 31 (r 1 + r 2 ) in the range of 20% to 50%.
  • FIG. 5 and 6 are graphs showing an example of the transmittance distribution of the amplitude mask 30 in a cross section including the optical axis O 24 .
  • the transmittance in the second region 32 decreases in proportion to the distance from the boundary between the first region 31 and the second region 32.
  • the transmittance in the second region 32 is a quadratic function in which the distance from the boundary between the first region 31 and the second region 32 is a variable. It has become.
  • FIG. 5B shows a case where the quadratic curve is convex downward (that is, the second derivative is always positive), and FIG.
  • the transmittance in the second region 32 is a sigmoid function having the distance from the boundary between the first region 31 and the second region 32 as a variable. .
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the light intensity distribution of the light L1 transmitted through the amplitude mask 30 having the transmittance distribution as described above, and the light intensity is represented by color shading.
  • the black area has a lower light intensity
  • the white area has a higher light intensity.
  • the light intensity distribution of the amplitude mask 30 light L1 after transmitted through the light intensity of the transmitted portion of the second region 32 continuously decreases with distance from the optical axis O 24 ing.
  • FIGS. 8 to 10 are simulation results for explaining the effects of the present embodiment.
  • the vertical axis represents the light intensity
  • the horizontal axis represents the radial position of the cross section including the optical axis O 24 .
  • the light intensity distribution of the output light L2 on the condensing surface is in the predetermined region B1. It becomes a substantially uniform top hat shape.
  • FIG. 9A when the bottom of the light intensity distribution of the light L1 is discontinuously interrupted by the aperture, as shown in FIG.
  • the light intensity distribution has a shape in which the uniformity is impaired in the predetermined region B1.
  • the control parameter is set to 19000.
  • the intensity distribution of the light L1 from the Gaussian distribution has found that even when continuously deformed, the influence of the deformation on the light intensity distribution of the output light L2 on the condensing surface is reduced. Further, such light intensity of the light L1 transmitted through the second region 32 is continuously increased as the transmittance of the second region 32 is separated from the optical axis O 24 as shown in FIGS. 5 and 6, for example. It can be realized by decreasing. Therefore, according to this embodiment, even when the intensity distribution of the light L1 is discontinuously deformed from the Gaussian distribution, the intensity distribution of the output light L2 can be brought close to a desired distribution.
  • the discontinuous portion in the intensity distribution of the light L1 can be transmitted outside the second region 32.
  • the outer contour of the second region 32 can be defined by a discontinuous portion in the intensity distribution of the light L1.
  • the light L1 only needs to have a Gaussian distribution, and the beam diameter of the light L1 is not limited.
  • the light irradiation device 1A includes a photodetector 50 that detects the light intensity distribution on the light collection surface of the output light L2 collected by the light collection optical system 40, and a desired light on the light collection surface. And a control unit 60 that provides CGH for generating the light intensity distribution based on the output data from the photodetector 50.
  • a control unit 60 that provides CGH for generating the light intensity distribution based on the output data from the photodetector 50.
  • the transmittance in the first region 31 may be uniform. Thereby, the light intensity distribution on the condensing surface can be made closer to a desired distribution. For example, when the transmittance in the first region 31 is almost 100%, the light loss due to the amplitude mask 30 can be reduced and the light utilization efficiency can be increased.
  • the width r 2 of the second region 32 in the radial direction centered on the optical axis O 24 is the sum (r 1 + r 2) of the radius r 1 and the width r 2 of the first region 31. ) In the range of 20% to 50%. As shown in the examples described later, according to the knowledge of the present inventor, when the width of the second region 32 is within such a range, the light of the output light L2 due to deformation from the Gaussian distribution of the light L1. The influence on the intensity distribution is mitigated more suitably.
  • the CGH presented in the spatial light modulator 20 may be a hologram for generating a uniform light intensity distribution within a predetermined region B1 of the light condensing surface.
  • the uniformity of the light intensity distribution can be recovered by the function of the amplitude mask 30.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a light irradiation apparatus 1B according to a modification of the above embodiment.
  • the difference between this modification and the above embodiment is the arrangement of the amplitude mask 30.
  • the amplitude mask 30 is disposed on the optical axis O 12 between the Gaussian beam output unit 10 and the spatial light modulator 20. That is, it is disposed on the optical path of the light L1 between the Gaussian beam output unit 10 and the spatial light modulator 20. Even if it is such a structure, there can exist an effect similar to the said embodiment.
  • the amplitude mask 30 is disposed on the optical axes O 12 and O 24 both between the Gaussian beam output unit 10 and the spatial light modulator 20 and between the spatial light modulator 20 and the condensing optical system 40. May be.
  • the operation of this modification can be understood by replacing the optical axis O 24 in FIGS. 4, 5, and 6 of the above embodiment with the optical axis O 12 .
  • FIG. 12 is a graph showing the transmittance distribution of the amplitude mask 30 in the present embodiment, in which the vertical axis indicates the normalized transmittance, and the horizontal axis indicates the normalized radial position.
  • the graphs G11 to G14 shown in FIG. 12 correspond to FIGS. 5 (a), 5 (b), 6 (a), and 6 (b), respectively.
  • the width r 2 of the second region 32 is set to 40% of the sum (r 1 + r 2 ) of the radius r 1 and the width r 2 of the first region 31.
  • FIG. 13 is a graph showing the light intensity distribution of the light L1 transmitted through the amplitude mask 30, wherein the vertical axis indicates the light intensity, and the horizontal axis indicates the radial position in the cross section perpendicular to the optical axis.
  • Graphs G21 to G24 correspond to graphs G11 to G14 in FIG. 12, respectively.
  • the graph G25 shows the light intensity distribution of the light L1 when the amplitude mask 30 is not provided.
  • the light intensity of the light L1 transmitted through the second region 32 continuously decreases as the distance from the optical axis increases.
  • FIG. 14 is a graph showing the light intensity distribution of the output light L2 on the light collection surface when the light L1 having the light intensity distribution shown in FIG. 13 is input to the light collection optical system 40.
  • the vertical axis represents the light intensity
  • the horizontal axis represents the distance from the optical axis.
  • Graphs G31 to G35 correspond to graphs G21 to G25 in FIG. 13, respectively.
  • the amplitude mask 30 is not provided (graph G35)
  • the uniformity of light intensity in a predetermined region is greatly impaired.
  • the amplitude mask 30 is provided (graphs G31 to G34)
  • the uniformity of the light intensity in the predetermined region is improved.
  • the transmittance in the second region 32 is a downward convex quadratic function with the distance from the boundary between the first region 31 and the second region 32 as a variable (graph G32)
  • it is uniform.
  • the improvement of sex is remarkable.
  • the intensity distribution of the output light L2 is desired even when the intensity distribution of the light L1 is discontinuously deformed from the Gaussian distribution. It can be close to the distribution of.
  • Figure 15 is a graph showing when varying the width r 2 of the second region 32 of the amplitude mask 30 variously, a light intensity distribution of the output light L2 in the light-collecting surface.
  • the vertical axis represents the light intensity
  • the horizontal axis represents the distance from the optical axis.
  • Graph G41 ⁇ G45, respectively, the width r 2 of the second region 32 is 10% of the sum of the radius r 1 and a width r 2 of the first region 31 (r 1 + r 2) , 20%, 30%, 40% , And 50%.
  • the transmittance in the second region 32 is a downward convex quadratic function with the distance from the boundary between the first region 31 and the second region 32 as a variable (FIG. 5B). See).
  • the width r 2 when the width r 2 is in the range of 20% to 50% of the sum (r 1 + r 2 ), the uniformity of the light intensity in the predetermined region is greatly improved.
  • the width r 2 when the width r 2 is in the range of 30% to 40% of the sum (r 1 + r 2 ), the light intensity uniformity is further improved.
  • 30% of the width r 2 the sum is preferably (r 1 + r 2) is in the range 20% to 50% of a width r 2 is the sum (r 1 + r 2) 40 % Is more preferable.
  • FIG. 16 is a graph showing the transmittance distribution of the amplitude mask 30 in the present embodiment, in which the vertical axis indicates the normalized transmittance and the horizontal axis indicates the normalized radial position.
  • the boundary between the first region 31 and the second region 32 of the amplitude mask 30 is determined based on the optical intensity (optical axis O 12 and / or optical axis O). 24 ) The position was set to 90% of the light intensity.
  • the transmittance in the second region 32 is a downwardly convex quadratic function with the distance from the boundary between the first region 31 and the second region 32 as a variable (see FIG. 5B). Furthermore, the transmittance at the outer periphery of the second region 32 was set to a value larger than zero.
  • FIG. 17A is a graph showing the light intensity distribution of the light L1 transmitted through the amplitude mask 30, wherein the vertical axis indicates the light intensity, and the horizontal axis indicates the radial position in the cross section perpendicular to the optical axis.
  • a graph G51 shows a case where the amplitude mask 30 is provided, and a graph G52 shows a case where the amplitude mask 30 is not provided.
  • FIG. 17B is a graph showing the light intensity distribution of the output light L2 on the condensing surface.
  • the vertical axis represents the light intensity
  • the horizontal axis represents the distance from the optical axis.
  • the graph G61 corresponds to the graph G51 in FIG. 17A
  • the graph G62 corresponds to the graph G52 in FIG.
  • the intensity distribution of the output light L2 in the predetermined region can be brought close to a desired distribution.
  • the light irradiation apparatus is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications are possible.
  • various transmittance distribution variations are shown in FIGS. 5 and 6, but the present invention is not limited to these transmittance distributions, and the transmittance of the second region is continuously increased as the distance from the optical axis increases.
  • Other distributions may be used as long as they are reduced.
  • the transmittance distribution in the first region may not be uniform. Even if the transmittance of the second region partially increases as the distance from the optical axis increases, the intensity distribution of the light after passing through the second region may continuously decrease as the distance from the optical axis increases. That's fine.
  • the control unit performs CGH feedback control based on output data from the photodetector.
  • feedback control is not performed, and the previously calculated or selected CGH is spatially modulated.
  • a vessel may present.
  • the optical system that condenses the light modulated by the spatial light modulator 20 is not limited to the condensing optical system, and a projection optical system such as a projection lens may be used.
  • the light irradiation apparatus by this invention can be used as projection apparatuses, such as a projector.
  • the intensity distribution of the output light can be brought close to a desired distribution.
  • SYMBOLS 1A, 1B Light irradiation apparatus, 10 ... Gaussian beam output part, 11 ... Light source, 12 ... Beam expander, 20 ... Spatial light modulator, 30 ... Amplitude mask, 31 ... 1st area

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Abstract

　本発明は、光の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、出力光の強度分布を所望の分布に近づけることができる光照射装置を提供することを目的とする。本発明の光照射装置は、ガウス分布に従う光強度分布を有する光を出力するガウスビーム出力部（１０）と、前記光を受け、計算機ホログラムを呈示して前記光を変調する空間光変調器（２０）と、変調された前記光を集光する光学系（４０）と、前記ガウスビーム出力部と前記空間光変調器との間の光軸、及び前記空間光変調器と前記光学系との間の光軸のうち少なくとも一方の光軸上に配置された振幅マスク（３０）と、を備え、前記振幅マスクは、前記光軸を中心とする円形状の第１領域と、前記第１領域を囲む円環状の第２領域とを有し、前記第２領域における透過率が、前記光軸から離れるに従い連続的に減少している。

Description

光照射装置
　本発明の一側面は、光照射装置に関するものである。
　非特許文献１は、光軸に垂直な或る面内において均一な光強度分布を有する照明光を生成するための方式を開示する。このような照明光を生成する方式としては、例えばガウス分布に従う光強度分布を有する入力光を空間光変調器により変調する方式が挙げられる。この方式では、集光面内の所定の範囲において光強度分布が均一になるような計算機ホログラム（ＣＧＨ；Computer Generated Hologram）が、空間光変調器により呈示される。空間光変調器に呈示されるＣＧＨは、次の数式（１）に示される一次元ξの関数を基に設計される（φ（ξ）は位置ξにおいて呈示される位相値）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Fred M. Dickey, Scott C. Holswade, "Laser Beam Shaping Theory And Techniques", CRC Press, (2000)
　近年、微小箇所の観察における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て行うことが研究されている。空間光変調器に呈示されるＣＧＨを制御することによって、例えば所定領域内における光強度が均一であるといった、所望の強度分布を有する光を生成することができる。
　空間光変調器に入力される（変調前の）光の強度分布は、多くの場合、ガウス分布に従う（以下、このような光をガウスビームと称する）。従って、空間光変調器に呈示されるＣＧＨとしては、理想的なガウスビームを変調することを想定したホログラムが用意される。しかしながら、実際に空間光変調器によって変調される（若しくは変調された後の）光の強度分布は、光路上に配置される光学部品（例えばアパーチャ、エッジマスク等）によって、周縁部分が欠ける等、理想的なガウス分布から不連続に変形してしまう場合がある。このような場合に、理想的なガウスビームを想定したＣＧＨが空間光変調器に呈示されると、得られる出力光の光強度分布は所望の分布から離れてしまう。例えば、所定領域内における光強度を均一とするためのＣＧＨが空間光変調器に呈示された場合であっても、入力光の周縁部分がアパーチャによって欠けると、周縁部分からの回折光の影響により所定領域内での光強度の均一性が低下してしまう。
　本発明の一側面は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、光の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、出力光の強度分布を所望の分布に近づけることができる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、本発明の一実施形態による光照射装置は、ガウス分布に従う光強度分布を有する光を出力するガウスビーム出力部と、光を受け、ＣＧＨを呈示して光を変調する空間光変調器と、空間光変調器によって変調された光を集光する光学系と、ガウスビーム出力部と空間光変調器との間の光軸、及び空間光変調器と光学系との間の光軸のうち少なくとも一方の光軸上に配置された振幅マスクとを備える。振幅マスクは、その光軸を中心とする円形状の第１領域と、第１領域を囲む円環状の第２領域とを有する。第２領域における透過率は、光軸から離れるに従い連続的に減少している。
　また、本発明の一実施形態による別の光照射装置は、ガウス分布に従う強度分布を有する光を出力するガウスビーム出力部と、光を受け、ＣＧＨを呈示して光を変調する空間光変調器と、空間光変調器によって変調された光を集光する光学系と、ガウスビーム出力部と空間光変調器との間の光軸、及び空間光変調器と光学系との間の光軸のうち少なくとも一方の光軸上に配置された振幅マスクとを備える。振幅マスクは、その光軸を中心とする円形状の第１領域と、第１領域を囲む円環状の第２領域とを有する。光のうち第２領域を透過した部分の光強度は、光軸から離れるに従い連続的に減少する。
　上記の各光照射装置では、ガウスビーム出力部から出力された光が空間光変調器によって変調され、光学系によって集光される。空間光変調器には、光学系によって集光された光の強度分布が集光面において所望の分布となるためのＣＧＨが呈示され得る。更に、上記の各光照射装置では、空間光変調器の前段若しくは後段（またはその双方）の光軸上に、その光軸を中心とする円環状の第２領域を有する振幅マスクが設けられている。本発明者は、このような振幅マスクにおいて、第２領域を透過した部分の光強度が光軸から離れるに従い連続的に減少するような場合には、集光光学系に至る前の光の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、出力光の光強度分布に対する該変形による影響が緩和されることを見出した。また、第２領域を透過した光のこのような光強度は、例えば、第２領域の透過率が光軸から離れるに従い連続的に減少することによって実現され得る。従って、上記の各光照射装置によれば、光の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、出力光の強度分布を所望の分布に近づけることができる。
　また、上記の各光照射装置は、光学系によって集光された光の集光面における光強度分布を検出する光検出器と、集光面において所望の光強度分布を生じさせるためのＣＧＨを、光検出器からの出力データに基づいて提供する制御部とを更に備えてもよい。このような構成によって、集光面における光強度分布を、フィードバック制御により更に精度良く所望の分布に近づけることができる。また、振幅マスクの第２領域が上記の構成を有することによって、集光面における光強度分布を所望の分布に更に近づけ易くすることができる。
　また、上記の各光照射装置では、第１領域における透過率が均一であってもよい。これにより、集光面における光強度分布を所望の分布に更に近づけ易くすることができる。また、例えば第１領域における透過率がほぼ１００％である場合には、振幅マスクによる光損失を低減して光利用効率を高めることができる。
　また、上記の各光照射装置では、光軸を中心とする径方向における第２領域の幅ｒ２が、第１領域の半径ｒ１と幅ｒ２との和（ｒ１＋ｒ２）の２０％～５０％の範囲内であってもよい。本発明者の知見によれば、第２領域の幅がこのような範囲内であることによって、入力光のガウス分布からの変形による出力光の光強度分布への影響がより好適に緩和される。
　また、上記の各光照射装置では、ＣＧＨが、光学系によって集光された光の集光面の所定領域内において均一な光強度分布を生成するためのホログラムであってもよい。このような場合、入力光のガウス分布からの変形によって光強度分布の均一性が損なわれたとしても、上記の光照射装置によれば、振幅マスクの働きによって光強度分布の均一性を回復することができる。
　本発明の一側面による光照射装置によれば、入力光の強度分布がガウス分布から変形した場合であっても、出力光の強度分布を所望の分布に近づけることができる。
図１は、本発明の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、空間光変調器による変調動作を概念的に示す図である。 図３は、位相φ（ξ）と成形後の光強度分布との関係の一例を示す図である。 図４は、光軸方向から見た振幅マスクの構成を示す平面図である。 図５は、光軸を含む断面における振幅マスクの透過率分布の例を示すグラフである。 図６は、光軸を含む断面における振幅マスクの透過率分布の例を示すグラフである。 図７は、振幅マスクを透過した光の強度分布の例を示す図である。 図８は、効果を説明するためのシミュレーション結果である。 図９は、効果を説明するためのシミュレーション結果である。 図１０は、効果を説明するためのシミュレーション結果である。 図１１は、第１変形例に係る光照射装置の構成を示す図である。 図１２は、振幅マスクの透過率分布を示すグラフである。 図１３は、振幅マスクを透過した光の強度分布を示すグラフである。 図１４は、図１３に示された光強度分布を有する光を集光光学系に入力させたときの、集光面における出力光の強度分布を示すグラフである。 図１５は、振幅マスクの第２領域の幅を種々に変化させたときの、集光面における出力光の強度分布を示すグラフである。 図１６は、第３実施例における振幅マスクの透過率分布を示すグラフである。 図１７（ａ）は、振幅マスクを透過した光の強度分布を示すグラフである。図１７（ｂ）は、集光面における出力光の強度分布を示すグラフである。
　以下、添付図面を参照しながら本発明の一側面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、ガウスビーム出力部１０と、空間光変調器２０と、振幅マスク３０と、集光光学系４０と、光検出器５０と、制御部６０とを備える。
　ガウスビーム出力部１０は、ガウス分布に従う光強度分布を有する光Ｌ１を出力する。ガウスビーム出力部１０は、例えば、光源１１、及び光源１１と光学的に結合されたビームエキスパンダ１２を含んで構成される。光源１１は、例えばパルス光発振や連続波発振のレーザ光源、ＳＬＤ光源、或いはＬＥＤ光源などを含んで構成され、ガウス分布に従う光強度分布を有する光Ｌ１を出力する。ビームエキスパンダ１２は、例えば光Ｌ１の光路上に並んで配置された複数のレンズを含んで構成され、それら複数のレンズの光軸に対して垂直な断面における光Ｌ１の光径を調整する。一例では、ビームエキスパンダ１２は、光Ｌ１の光径を拡大する。
　空間光変調器２０は、ビームエキスパンダ１２と光学的に結合されており、ビームエキスパンダ１２から光Ｌ１を受ける。空間光変調器２０は、光Ｌ１を空間的に変調するための変調パターンであるＣＧＨを呈示する。空間光変調器２０に呈示されるＣＧＨは、制御部６０によって制御される。空間光変調器２０は、位相変調型でも良いし、振幅（強度）変調型でも良い。また、空間光変調器２０は、反射型及び透過型の何れであってもよい。また、空間光変調器２０は複数枚設けられてもよく、その場合、光Ｌ１は複数回にわたって変調される。
　振幅マスク３０は、空間光変調器２０と光学的に結合されており、本実施形態においては、空間光変調器２０と集光光学系４０の間の光軸Ｏ24上に配置されている。つまり、本実施形態の振幅マスク３０は、空間光変調器２０と集光光学系４０との間において光Ｌ１の光路上に配置されている。また、振幅マスク３０は、光軸Ｏ24に垂直な断面において所定の透過率分布を有する光学部品である。一例では、振幅マスク３０は吸収型或いは反射型のＮＤフィルタによって構成され得る。なお、振幅マスク３０の透過率分布については後に詳述する。
　集光光学系４０は、本実施形態においては、振幅マスク３０と光学的に結合されており、光Ｌ１の光路上に配置され、照射対象物と対向して配置される。集光光学系４０は、集光光学系４０から焦点距離ｆだけ離れた位置に集光面を形成し、空間光変調器２０から出力された光Ｌ１を出力光Ｌ２に変換しつつ該集光面に集光する。集光光学系４０は、例えば一又は複数のレンズによって構成される（例えば、対物レンズ）。前述した空間光変調器２０に呈示されるＣＧＨは、集光光学系４０によって集光された出力光Ｌ２の強度分布を集光面において所望の分布とする。従って、空間光変調器２０と集光光学系４０との間においては、光Ｌ１の光強度分布はガウス分布を維持している。
　光検出器５０は、集光光学系４０の光軸Ｏ4において、集光光学系４０から焦点距離ｆだけ離れた集光面に配置され、集光光学系４０によって集光された出力光Ｌ２の光強度分布を検出する。光検出器５０は、複数のアノードを有するマルチアノード型の光電子増倍管（Photomultiplier Tube；ＰＭＴ）によって構成されてもよく、または、フォトダイオード若しくはアバランシェフォトダイオードといったポイントセンサが複数個並んでアレイ状に構成されてもよい。或いは、光検出器５０は、ＣＣＤイメージセンサ、ＥＭ－ＣＣＤイメージセンサ、若しくはＣＭＯＳイメージセンサといった、複数の画素を有するエリアイメージセンサであってもよい。光検出器５０は、出力光Ｌ２の光強度分布を示す出力データＳｄを制御部６０に提供する。なお、照射対象物に出力光Ｌ２が照射される際には、光検出器５０は取り除かれ、その位置に照射対象物が配置される。
　制御部６０は、集光光学系４０の集光面において出力光Ｌ２に所望の光強度分布を生じさせるためのＣＧＨを、光検出器５０からの出力データＳｄに基づいて提供する。すなわち、制御部６０は、出力データＳｄに示される出力光Ｌ２の光強度分布が所望の分布から離れている場合に、光強度分布が所望の分布に近づくようなＣＧＨを算出する。或いは、制御部６０は、複数のＣＧＨを予め記憶しておき、出力データＳｄに示される出力光Ｌ２の光強度分布に応じて、所望の分布に近づくためのＣＧＨを複数のＣＧＨの中から選択してもよい。制御部６０は、算出または選択したＣＧＨを含む制御信号Ｓｃを、空間光変調器２０に提供する。
　図２は、空間光変調器２０による変調動作を概念的に示す図である。なお、図２においては、光軸Ｏ24及び光軸Ｏ4に垂直な面における光密度が破線（光線）の疎密によって示されており、光密度が大きいほど破線が密に並んでいる。図２に示されるように、空間光変調器２０には、ガウス分布に従う光強度分布Ａ１を有する光Ｌ１が入力される。光Ｌ１の光密度は、光軸Ｏ24上において最も大きく、周縁部に近づくほど小さくなる。空間光変調器２０にはＣＧＨ２１が呈示される。ＣＧＨ２１は、光Ｌ１から、集光面において所望の光強度分布Ａ２を有する出力光Ｌ２を生成するためのＣＧＨである。出力光Ｌ２の光強度分布Ａ２は、例えば、図２に示されるように集光面の所定領域Ｂ１内において均一な分布を有する。所定領域Ｂ１は、例えば集光光学系４０の光軸Ｏ4を含む領域であり、一実施例では光軸Ｏ4を中心とする円形状の領域である。この場合、出力光Ｌ２の光密度は、所定領域Ｂ１において一定であり、所定領域Ｂ１の外では急激に低下する。
　上記の変調動作において、通常、ＣＧＨ２１としては、光強度分布Ａ１が理想的なガウス分布であることを前提としたホログラムが用意される。しかしながら、実際の光Ｌ１の強度分布は、光路上に配置される光学部品（例えばアパーチャ、エッジマスク等）によって、周縁部分が欠ける等、理想的なガウス分布から不連続に変形してしまう場合がある。このような場合に、理想的なガウス分布を前提としたＣＧＨ２１が空間光変調器２０に呈示されると、得られる光強度分布Ａ２は所望の分布から離れてしまう。例えば、光Ｌ１の周縁部分がアパーチャによって欠けると、所定領域Ｂ１内での光強度の均一性が低下してしまう。
　そこで、本実施形態では、下記の数式（２）に示されるように、上記の数式（１）に対し、位相φ（ξ）の曲率ｄφ/ｄξを制御する制御パラメータＡを導入する。この制御パラメータＡが適切な値に設定されることにより、所定領域Ｂ１内での光強度の均一性を本来の均一さに近づけることができる。なお、この計算は制御部６０において行われる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　制御パラメータＡを適切な値に設定するためには、光検出器５０によって得られたデータＳｄに示される光強度分布を用いるとよい。ここで、図３は、位相φ（ξ）と成形後の光強度分布Ａ２との関係の一例を示す図である。なお、図３において、位相φ（ξ）欄の長破線Ｄ１は適切な位相曲線を示し、短破線Ｄ２は制御前の位相曲線を示している。
　図３の上段に示されるように、制御パラメータＡが適切値となっている（位相曲線の曲率が適切な位相曲線と一致している）場合には、所定領域Ｂ１内での光強度が均一となる。これに対し、図３の中段に示されるように、制御パラメータＡが適切値よりも大きい場合には、所定領域Ｂ１内での光強度が凹状となってしまう。このような場合には、制御パラメータＡをより小さく設定することによって、所定領域Ｂ１内での光強度を均一に近づけることができる。また、図３の下段に示されるように、制御パラメータＡが適切値よりも小さい場合には、所定領域Ｂ１内での光強度が凸状となってしまう。このような場合には、制御パラメータＡをより大きく設定することによって、所定領域Ｂ１内での光強度を均一に近づけることができる。なお、データＳｄに示される光強度分布の形状に基づいて、予めＡの大凡の値を決定してもよい。
　また、図１に示されたように、本実施形態では空間光変調器２０と集光光学系４０との間の光軸Ｏ24上に振幅マスク３０が配置されている。上述したような、光強度分布Ａ１の理想的なガウス分布からの変形による光強度分布Ａ２の変形は、この振幅マスク３０によっても解消され得る。ここで、図４は、光軸Ｏ24の方向から見た振幅マスク３０の構成を示す平面図である。図４に示されるように、本実施形態の振幅マスク３０は、第１領域３１及び第２領域３２を有する。
　第１領域３１は、光軸Ｏ24を中心とする円形状の領域である。第１領域３１における透過率は均一であり、例えば１００％若しくはそれに極めて近い値である。従って、空間光変調器２０から集光光学系４０に至るまでの光軸Ｏ24付近の光強度分布は、そのまま維持される。また、第２領域３２は、光軸Ｏ24を中心とする円環状（すなわち光軸Ｏ24周りに対称）の領域であって、第１領域３１を囲んでいる。第２領域３２における透過率は、光軸Ｏ24から離れるに従い、第１領域３１の透過率から連続的に減少（すなわち単調減少）している。従って、光Ｌ１のうち第２領域３２を透過した部分の光強度は、光軸Ｏ24から離れるに従い、第１領域３１の周縁部の光強度から連続的に減少（すなわち単調減少）することとなる。その結果、アポダイゼーション効果（低周波成分を強調し高周波成分を抑制することで結像面に良好なボケ味を加える効果）を結像面とは異なるホログラム再生像面にも得ることができる。後述する実施例に示されるように、光軸Ｏ24を中心とする径方向における第２領域３２の幅ｒ２は、第１領域３１の半径ｒ１と幅ｒ２との和（ｒ１＋ｒ２）の２０％～５０％の範囲内であるとよい。
　図５及び図６は、光軸Ｏ24を含む断面における振幅マスク３０の透過率分布の例を示すグラフである。図５（ａ）に示される例では、第２領域３２における透過率が、第１領域３１と第２領域３２との境界からの距離に比例して低下している。また、図５（ｂ）及び図６（ａ）に示される例では、第２領域３２における透過率が、第１領域３１と第２領域３２との境界からの距離を変数とする２次関数となっている。図５（ｂ）は２次曲線が下に凸（すなわち２回微分値が常に正）である場合を示し、図６（ａ）は２次曲線が上に凸（すなわち２回微分値が常に負）である場合を示す。また、図６（ｂ）に示される例では、第２領域３２における透過率が、第１領域３１と第２領域３２との境界からの距離を変数とするシグモイド（ＳＩＧＭＯＩＤ）関数となっている。
　図７は、上記のような透過率分布を有する振幅マスク３０を透過した光Ｌ１の光強度分布の例を示す図であって、光強度を色の濃淡で表している。なお、黒い領域ほど光強度が弱く、白い領域ほど光強度が強い。この図７に示されるように、振幅マスク３０を透過した後の光Ｌ１の光強度分布では、第２領域３２を透過した部分の光強度が、光軸Ｏ24から離れるに従い連続的に減少している。
　ここで、図８～図１０は、本実施形態による効果を説明するためのシミュレーション結果である。なお、これらの図において、縦軸は光強度を表し、横軸は光軸Ｏ24を含む断面の径方向位置を表す。図８（ａ）に示されるように光Ｌ１が理想的なガウス分布を有する場合、図８（ｂ）に示されるように、集光面における出力光Ｌ２の光強度分布は、所定領域Ｂ１において略均一なトップハット状となる。しかし、図９（ａ）に示されるように、アパーチャによって光Ｌ１の光強度分布の裾が不連続に途切れた場合、図９（ｂ）に示されるように、集光面における出力光Ｌ２の光強度分布は、所定領域Ｂ１において均一性が損なわれた形状となる。なお、これらの例では、制御パラメータを１９０００とした。
　これに対し、図１０（ａ）に示されるように、第２領域３２を通過した光Ｌ１の部分の光強度が光軸Ｏ24から離れるに従い連続的に減少している場合、図１０（ｂ）のグラフＧ１に示されるように、所定領域Ｂ１での光強度が図９（ｂ）と比較して均一に近づく（振幅マスク３０のアポダイゼーション効果）。また、制御パラメータを更に好適な２８０００に設定した場合、図１０（ｂ）のグラフＧ２に示されるように、所定領域Ｂ１での光強度がグラフＧ１と比較して更に均一に近づく（低下した高周波成分のコントラストの回復効果）。
　このように、振幅マスク３０において、第２領域３２を透過した光Ｌ１の光強度が光軸Ｏ24から離れるに従い連続的に減少するような場合には、光Ｌ１の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、集光面における出力光Ｌ２の光強度分布に対する該変形による影響が緩和されることを本発明者は見出した。また、第２領域３２を透過した光Ｌ１のこのような光強度は、例えば図５及び図６に示されたように、第２領域３２の透過率が光軸Ｏ24から離れるに従い連続的に減少することによって実現され得る。従って、本実施形態によれば、光Ｌ１の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、出力光Ｌ２の強度分布を所望の分布に近づけることができる。
　なお、光Ｌ１の強度分布における不連続部分は、第２領域３２の外側を透過することができる。言い換えれば、第２領域３２の外側の輪郭は、光Ｌ１の強度分布における不連続部分によって規定され得る。また、光Ｌ１はガウス分布を有していればよく、光Ｌ１のビーム径に制限はない。
　また、本実施形態のように、光照射装置１Ａは、集光光学系４０によって集光された出力光Ｌ２の集光面における光強度分布を検出する光検出器５０と、集光面において所望の光強度分布を生じさせるためのＣＧＨを、光検出器５０からの出力データに基づいて提供する制御部６０とを更に備えてもよい。この構成によれば、振幅マスクのアポダイゼーション効果により低下した高周波のコントラストをＣＧＨ制御で回復することができる。特に、振幅分布と位相分布の両方を制御する構成によって、集光面における光強度分布を、フィードバック制御により更に精度良く所望の分布に近づけることができる。また、振幅マスク３０の第２領域３２が上記の構成を有することによって、集光面における光強度分布を所望の分布に更に近づけ易くすることができる。
　また、本実施形態のように、第１領域３１における透過率は均一であってもよい。これにより、集光面における光強度分布を所望の分布に更に近づけ易くすることができる。また、例えば第１領域３１における透過率がほぼ１００％である場合には、振幅マスク３０による光損失を低減して光利用効率を高めることができる。
　また、本実施形態のように、光軸Ｏ24を中心とする径方向における第２領域３２の幅ｒ２が、第１領域３１の半径ｒ１と幅ｒ２との和（ｒ１＋ｒ２）の２０％～５０％の範囲内であってもよい。後述する実施例に示されるように、本発明者の知見によれば、第２領域３２の幅がこのような範囲内であることによって、光Ｌ１のガウス分布からの変形による出力光Ｌ２の光強度分布への影響がより好適に緩和される。
　また、本実施形態のように、空間光変調器２０に呈示されるＣＧＨは、集光面の所定領域Ｂ１内において均一な光強度分布を生成するためのホログラムであってもよい。このような場合、光Ｌ１のガウス分布からの変形によって光強度分布の均一性が損なわれたとしても、振幅マスク３０の働きによって光強度分布の均一性を回復することができる。
　（変形例）図１１は、上記実施形態の一変形例に係る光照射装置１Ｂの構成を示す図である。本変形例と上記実施形態との相違点は、振幅マスク３０の配置である。本変形例において、振幅マスク３０は、ガウスビーム出力部１０と空間光変調器２０との間の光軸Ｏ12上に配置されている。つまり、ガウスビーム出力部１０と空間光変調器２０との間における光Ｌ１の光路上に配置されている。このような構成であっても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、振幅マスク３０は、ガウスビーム出力部１０と空間光変調器２０との間、並びに空間光変調器２０と集光光学系４０との間の双方の光軸Ｏ12，Ｏ24上に配置されてもよい。なお、本変形例の作用は、上記実施形態の図４、図５、及び図６における光軸Ｏ24を光軸Ｏ12に置き換えて理解される。
　（第１実施例）ここで、上記実施形態の第１実施例について説明する。図１２は、本実施例における振幅マスク３０の透過率分布を示すグラフであって、縦軸は規格化された透過率を示し、横軸は規格化された半径方向位置を示す。図１２に示されるグラフＧ１１～Ｇ１４は、それぞれ図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）、及び図６（ｂ）に対応している。なお、第２領域３２の幅ｒ２を、第１領域３１の半径ｒ１と幅ｒ２との和（ｒ１＋ｒ２）の４０％とした。
　図１３は、振幅マスク３０を透過した光Ｌ１の光強度分布を示すグラフであって、縦軸は光強度を示し、横軸は光軸に垂直な断面における径方向位置を示す。グラフＧ２１～Ｇ２４は、それぞれ図１２のグラフＧ１１～Ｇ１４に対応している。また、グラフＧ２５は、比較のため、振幅マスク３０を設けない場合の光Ｌ１の光強度分布を示している。図１３に示されるように、本実施例では、第２領域３２を透過した光Ｌ１の光強度が、光軸から離れるに従い連続的に減少している。
　図１４は、図１３に示された光強度分布を有する光Ｌ１を集光光学系４０に入力させたときの、集光面における出力光Ｌ２の光強度分布を示すグラフである。縦軸は光強度を示し、横軸は光軸からの距離を示す。グラフＧ３１～Ｇ３５は、それぞれ図１３のグラフＧ２１～Ｇ２５に対応している。図１４に示されるように、振幅マスク３０を設けない場合（グラフＧ３５）、所定領域における光強度の均一性が大きく損なわれる。これに対し、振幅マスク３０を設けた場合（グラフＧ３１～Ｇ３４）、所定領域における光強度の均一性が改善されている。特に、第２領域３２における透過率が、第１領域３１と第２領域３２との境界からの距離を変数とする下に凸の２次関数となっている場合には（グラフＧ３２）、均一性の改善が顕著である。
　本実施例において示されたように、上記実施形態の光照射装置１Ａによれば、光Ｌ１の強度分布がガウス分布から不連続に変形した場合であっても、出力光Ｌ２の強度分布を所望の分布に近づけることができる。
　（第２実施例）上記実施形態の第２実施例について説明する。図１５は、振幅マスク３０の第２領域３２の幅ｒ２を種々に変化させたときの、集光面における出力光Ｌ２の光強度分布を示すグラフである。縦軸は光強度を示し、横軸は光軸からの距離を示す。グラフＧ４１～Ｇ４５は、それぞれ、第２領域３２の幅ｒ２が第１領域３１の半径ｒ１と幅ｒ２との和（ｒ１＋ｒ２）の１０％、２０％、３０％、４０％、及び５０％である場合を示す。なお、本実施例では、第２領域３２における透過率を、第１領域３１と第２領域３２との境界からの距離を変数とする下に凸の２次関数とした（図５（ｂ）を参照）。
　図１５を参照すると、幅ｒ２が和（ｒ１＋ｒ２）の２０％～５０％の範囲内である場合に、所定領域における光強度の均一性がより大きく改善されていることがわかる。特に、幅ｒ２が和（ｒ１＋ｒ２）の３０％～４０％の範囲内である場合には、光強度の均一性がより一層改善されている。従って、上記実施形態においては、幅ｒ２が和（ｒ１＋ｒ２）の２０％～５０％の範囲内であることが好ましく、幅ｒ２が和（ｒ１＋ｒ２）の３０％～４０％の範囲内であることが更に好ましい。
　（第３実施例）上記実施形態の第３実施例について説明する。図１６は、本実施例における振幅マスク３０の透過率分布を示すグラフであって、縦軸は規格化された透過率を示し、横軸は規格化された半径方向位置を示す。図１６に示されるように、本実施例では、振幅マスク３０の第１領域３１と第２領域３２との境界を、該境界における光強度が光軸（光軸Ｏ12及び／又は光軸Ｏ24）における光強度の９０％となる位置に設定した。なお、第２領域３２における透過率を、第１領域３１と第２領域３２との境界からの距離を変数とする下に凸の２次関数とした（図５（ｂ）を参照）。更に、第２領域３２の外周における透過率をゼロよりも大きい値とした。
　図１７（ａ）は、振幅マスク３０を透過した光Ｌ１の光強度分布を示すグラフであって、縦軸は光強度を示し、横軸は光軸に垂直な断面における径方向位置を示す。グラフＧ５１は振幅マスク３０を設けた場合を示し、グラフＧ５２は振幅マスク３０を設けない場合を示す。
　図１７（ｂ）は、集光面における出力光Ｌ２の光強度分布を示すグラフである。縦軸は光強度を示し、横軸は光軸からの距離を示す。グラフＧ６１は図１７（ａ）のグラフＧ５１に対応しており、グラフＧ６２は図１７（ａ）のグラフＧ５２に対応している。図１７（ｂ）に示されるように、上記実施形態によれば、光Ｌ１の光強度分布が、ガウス分布の中央部付近のみを切り取った形状を有する場合であっても、振幅マスク３０の作用によって、所定領域における出力光Ｌ２の強度分布を所望の分布に近づけることができる。
　本発明による光照射装置は、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、上記実施形態では図５及び図６において種々の透過率分布のバリエーションが示されたが、本発明ではこれらの透過率分布に限らず、第２領域の透過率が光軸から離れるに従い連続的に減少していれば、他の分布であってもよい。例えば、第１領域における透過率分布は均一でなくともよい。また、第２領域の透過率が、光軸から離れるに従い部分的に増加する場合であっても、第２領域を透過後の光の強度分布が光軸から離れるに従い連続的に減少していればよい。また、上記実施形態では、光検出器からの出力データに基づいて制御部がＣＧＨのフィードバック制御を行っているが、このようなフィードバック制御を行わず、予め算出または選択されたＣＧＨを空間光変調器が呈示してもよい。さらに、空間光変調器２０によって変調された光を集光する光学系は集光光学系に限らず、投影レンズなどの投影光学系を用いてもよい。これにより、本発明による光照射装置をプロジェクタなどの投影装置として用いることができる。
　入力光の強度分布がガウス分布から変形した場合であっても、出力光の強度分布を所望の分布に近づけることができる。
　１Ａ，１Ｂ…光照射装置、１０…ガウスビーム出力部、１１…光源、１２…ビームエキスパンダ、２０…空間光変調器、３０…振幅マスク、３１…第１領域、３２…第２領域、４０…集光光学系、５０…光検出器、６０…制御部、Ａ１，Ａ２…光強度分布、Ｂ１…所定領域、ｆ…焦点距離、Ｌ１…光、Ｌ２…出力光、Ｏ12，Ｏ24，Ｏ4…光軸、Ｓｃ…制御信号、Ｓｄ…出力データ。

Claims (6)

  1. 　ガウス分布に従う光強度分布を有する光を出力するガウスビーム出力部と、
    　前記光を受け、計算機ホログラムを呈示して前記光を変調する空間光変調器と、
    　変調された前記光を集光する光学系と、
    　前記ガウスビーム出力部と前記空間光変調器との間の光軸、及び前記空間光変調器と前記光学系との間の光軸のうち少なくとも一方の光軸上に配置された振幅マスクと、
    　を備え、
    　前記振幅マスクは、前記光軸を中心とする円形状の第１領域と、前記第１領域を囲む円環状の第２領域とを有し、
    　前記第２領域における透過率が、前記光軸から離れるに従い連続的に減少している、光照射装置。
  2. 　ガウス分布に従う強度分布を有する光を出力するガウスビーム出力部と、
    　前記光を受け、計算機ホログラムを呈示して前記光を変調する空間光変調器と、
    　変調された前記光を集光する光学系と、
    　前記ガウスビーム出力部と前記空間光変調器との間の光軸、及び前記空間光変調器と前記光学系との間の光軸のうち少なくとも一方の光軸上に配置された振幅マスクと、
    　を備え、
    　前記振幅マスクは、前記光軸を中心とする円形状の第１領域と、前記第１領域を囲む円環状の第２領域とを有し、
    　前記光のうち前記第２領域を透過した部分の光強度が、前記光軸から離れるに従い連続的に減少する、光照射装置。
  3. 　前記光学系によって集光された前記光の集光面における光強度分布を検出する光検出器と、
    　前記集光面において所望の光強度分布を生じさせるための前記計算機ホログラムを、前記光検出器からの出力データに基づいて提供する制御部と、
    　を更に備える、請求項１または２に記載の光照射装置。
  4. 　前記第１領域における透過率が均一である、請求項１～３のいずれか一項に記載の光照射装置。
  5. 　前記光軸を中心とする径方向における前記第２領域の幅ｒ２が、前記第１領域の半径ｒ１と前記幅ｒ２との和（ｒ１＋ｒ２）の２０％～５０％の範囲内である、請求項１～４のいずれか一項に記載の光照射装置。
  6. 　前記計算機ホログラムは、前記光学系によって集光された前記光の集光面の所定領域内において均一な光強度分布を生成するためのホログラムである、請求項１～５のいずれか一項に記載の光照射装置。
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