WO2023048159A1 - 光変調装置及び集光装置 - Google Patents

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WO2023048159A1
WO2023048159A1 PCT/JP2022/035081 JP2022035081W WO2023048159A1 WO 2023048159 A1 WO2023048159 A1 WO 2023048159A1 JP 2022035081 W JP2022035081 W JP 2022035081W WO 2023048159 A1 WO2023048159 A1 WO 2023048159A1
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WO
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dimensional beam
dimensional
modulation
light
cell group
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PCT/JP2022/035081
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English (en)
French (fr)
Inventor
敦史 渋川
雄気 須藤
ムサク，ジャング
Original Assignee
国立大学法人北海道大学
韓国科学技術院
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection

Definitions

  • the present invention relates to a light modulating device and a light collecting device provided with the light modulating device.
  • LCD Liquid Crystal Display
  • LCOS Liquid Crystal on Silicon
  • DMDs Digital Mirror Devices
  • SLMs are cell groups arranged in rows and columns, and are provided with cell groups in which the amount of modulation in each cell can be set independently.
  • SLMs modulate the two-dimensional beam according to the amount of modulation in each cell by reflecting or transmitting the two-dimensional beam incident on the cell group at each cell.
  • the cycle of updating the modulation pattern is limited by the frame rates of the LCD, LCOS, and DMD provided in the SLM.
  • a frame rate in LCD is 1 kHz (see Non-Patent Document 1) or about 100 Hz (see Non-Patent Document 2)
  • an example of a frame rate in DMD is 25 kHz (see Non-Patent Document 3).
  • LCDs and LCOSs are collectively referred to as liquid crystal spatial light modulators (LC-SLMs).
  • the frame rate of the optical modulator cannot be higher than the frame rate of the SLM.
  • One aspect of the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide an optical modulation device that can be driven at a frame rate higher than that of the SLM, and to provide such a light modulation device.
  • An object of the present invention is to provide a light collecting device with a light modulating device.
  • an optical modulation device provides a two-dimensional light modulation device including a cell group arranged in a matrix, wherein the cell group can independently set the modulation amount in each cell.
  • An optical modulator a first conversion step of converting a two-dimensional beam into a one-dimensional beam, and a one-dimensional beam obtained in the first conversion step being incident on any row of the cell group, thereby and a second converting step of converting the one-dimensional beam obtained in the modulating step into a two-dimensional beam. and a scanning optical system that repeatedly performs scanning while switching columns of the cell group.
  • a condensing device converts the two-dimensional beam obtained by the optical modulation device according to the above-described aspect of the present invention and the second conversion step into a condensed beam. and a scattering medium.
  • the modulation amount of each cell is set so that the condensing points of the condensed beams are formed at different positions in each column of the cell group.
  • an optical modulation method is a two-dimensional optical modulator including a cell group arranged in a matrix, wherein the modulation amount of each cell can be independently set.
  • a first conversion step, a modulation step, and a second conversion step are repeatedly performed while switching the columns of the cell group on which the one-dimensional beam is incident in the modulation step.
  • the first converting step converts a two-dimensional beam into a one-dimensional beam
  • the modulating step converts the one-dimensional beam obtained in the first converting step into one of the cell groups.
  • a one-dimensional beam is generated that is spatially modulated by the column, and the second transforming step transforms the one-dimensional beam obtained in the modulating step into a two-dimensional beam.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the concept of a condensing device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 2 is a plan view of a two-dimensional light modulator included in the light modulation device included in the light collecting device shown in FIG. 1
  • 2 is a perspective view showing the concept of a scanning optical system provided in a modified example of the light collecting device shown in FIG. 1
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration of a first embodiment of the present invention
  • FIG. (a) and (b) are plan views schematically showing configurations of a second embodiment and a third embodiment of the present invention, respectively.
  • (a) is an image showing the distribution ⁇ 1 , ⁇ 2 , . . . ⁇ n , .
  • (b) is an image showing the modulation pattern of the modulated two-dimensional beam obtained in the third embodiment.
  • (c) is the distribution ⁇ 1 , ⁇ 2 , . . . ⁇ n , . , ⁇ 2 , . . . ⁇ n , . .
  • (d) is an image showing a speckle pattern obtained in a comparative example.
  • (e) is an image showing condensed points obtained in the first example.
  • (a) is a graph showing the column dependency of the frame rate in the condensing devices 1 of the first example and the second example.
  • (b) to (d) are images showing condensed points obtained when frame rates are set to 1 MHz, 3 MHz, and 6 MHz, respectively, in the first embodiment.
  • (e) to (g) are images showing condensed points obtained when frame rates are set to 1 MHz, 3 MHz, and 6 MHz, respectively, in the second embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the concept of the light collecting device 1.
  • FIG. FIG. 2 is a plan view of the two-dimensional light modulator 11 included in the light modulation device 10 included in the light collecting device 1.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the concept of the light collecting device 1.
  • FIG. 2 is a plan view of the two-dimensional light modulator 11 included in the light modulation device 10 included in the light collecting device 1.
  • the light collecting device 1 includes a light modulating device 10 and a scattering medium 21. As shown in FIG. It should be noted that the concept of the condensing device 1 is explained here. For example, like each embodiment of the light collecting device 1 described with reference to FIGS. 4 and 5, the light collecting device 1 may include members other than the members described in the overview section.
  • the optical modulation device 10 shown in FIG. 1 is one embodiment of the present invention.
  • the optical modulator 10 includes a two-dimensional optical modulator 11, a polarizing beam splitter 12, a quarter-wave plate 13, a cylindrical lens 14, a biconvex lens 15, a scanning mirror 16, an objective lens 17, and a controller. 18 and .
  • the two-dimensional light modulator 11 is also called a spatial light modulator (SLM).
  • SLM spatial light modulator
  • the two-dimensional optical modulator 11 is a cell group C in which a plurality of cells Cmn are arranged in a matrix, and the modulation amount in each cell Cmn can be set independently.
  • the cell group C is composed of M rows and N columns of cells Cmn .
  • M and N are integers of 1 or more
  • m and n are integers of 1 ⁇ m ⁇ M and 1 ⁇ n ⁇ N, respectively.
  • M and N are not limited to 200 and can be determined as appropriate.
  • the number of rows M and the number of columns N of the cells Cmn in the cell group C can be different.
  • the one-dimensional beam L11 which will be described later, may be scanned over the entire area of the cell C mn with M rows and N columns, or only a partial area of the cell C mn with M rows and N columns may be scanned with the one-dimensional beam L11. You may
  • the optical modulator 10 uses a reflective two-dimensional optical modulator 11 . Therefore, as the two-dimensional optical modulator 11, either an LCOS (Liquid Crystal on Silicon) display or a digital mirror device (DMD) can be preferably used.
  • An LCOS which is an example of a liquid crystal spatial light modulator, can modulate the phase of incident light according to the set modulation amount of the cell Cmn (for example, 0 or more and 2 ⁇ or less).
  • the DMD can modulate the intensity of incident light according to the set modulation amount (eg, 0 or 1) of the cell Cmn . Therefore, the cell group C, in which such cells Cmn are arranged in a matrix, can convert incident light into spatially modulated light by reflecting it.
  • the frame rate of LCOS that can be driven at high speed is, for example, 500 Hz.
  • a DMD that can be driven at high speed has a frame rate of, for example, 25 kHz.
  • a DMD with a frame rate of 25 kHz is used as the two-dimensional optical modulator 11 .
  • the two-dimensional optical modulator 11 is controlled by the controller 18 .
  • the control unit 18 resets the modulation amount in each cell Cmn of the two-dimensional optical modulator 11 for each frame.
  • the direction along the rows of the cell group C is defined as the x-axis direction, and the direction along the columns is defined as the y-axis direction.
  • laser light source In this embodiment, a HeNe laser is used as a laser light source for generating the two-dimensional beam L21. Therefore, the wavelength of the two-dimensional beam L21 is 632.8 nm.
  • the laser light source that generates the two-dimensional beam L21 and the wavelength of the two-dimensional beam L21 are not limited to these, and can be selected as appropriate.
  • the laser light source is arranged so that the propagation direction of the two-dimensional beam L21 is parallel to the positive direction of the x-axis. That is, the optical axis of the two-dimensional beam L21 is parallel to the x-axis direction.
  • the two-dimensional beam L21 is linearly polarized light whose plane of polarization is parallel to the zx plane.
  • the two-dimensional beam L21 is adjusted to be collimated light with a square irradiation area as shown in FIG.
  • the polarizing beam splitter 12 is a cubic optical member configured by joining two prisms.
  • the polarizing beam splitter 12 is arranged on the optical axis of the two-dimensional beam L21, as shown in FIG.
  • the surface on which the two-dimensional beam L21 is incident (the surface on the x-axis negative direction side) is referred to as a surface 121.
  • the plane on which the dimensional beam L22 is incident (the plane on the positive x-axis direction) is called a plane 122, and the plane on which the two-dimensional beam L22 is emitted (the plane on the negative z-axis direction) is called a plane 123.
  • the bonding surface of the polarizing beam splitter 12 transmits linearly polarized light whose plane of polarization is parallel to the zx plane, and reflects linearly polarized light whose plane of polarization is parallel to the xy plane. Therefore, the joint surface of the polarizing beam splitter 12 transmits the two-dimensional beam L21.
  • the two-dimensional beam L21 transmitted through the polarizing beam splitter 12 is converted from linearly polarized light whose plane of polarization is parallel to the zx plane to circularly polarized light by the quarter-wave plate 13, which will be described later.
  • the two-dimensional beam L22 is converted by the quarter-wave plate 13 from circularly polarized light into linearly polarized light whose plane of polarization is parallel to the xy plane. Therefore, the bonding surface of the polarizing beam splitter 12 reflects the two-dimensional beam L22 incident from the surface 122 toward the surface 123 . Note that the two-dimensional beam L22 is collimated light whose irradiation area is square like the two-dimensional beam L21. Also, the configuration and method for converting the two-dimensional beam L21 into the two-dimensional beam L22 will be described later.
  • the polarizing beam splitter 12 configured in this manner emits the two-dimensional beam L21 incident on the surface 121 of the polarizing beam splitter 12 from the surface 122, and transmits the two-dimensional beam L22 incident from the surface 122 to the surface 122. 123.
  • the combination of the polarizing beam splitter 12 and the quarter-wave plate 13 can be replaced with a beam splitter independent of polarization (here, referred to as a half mirror).
  • a beam splitter independent of polarization here, referred to as a half mirror.
  • the power of the two-dimensional beam L21 is halved when the two-dimensional beam L21 passes through the half mirror
  • the power of the two-dimensional beam L22 is halved when the two-dimensional beam L22 is reflected by the half mirror. do. Therefore, when using a half mirror, the loss is greater than when using a combination of the polarizing beam splitter 12 and the quarter-wave plate 13 .
  • the combination of the polarizing beam splitter 12 and the quarter-wave plate 13 may be adopted, and when emphasis is placed on the simplicity of the configuration and the low cost of parts, a half mirror may be used. should be adopted.
  • the quarter-wave plate 13 is arranged on the optical axis of the two-dimensional beam L21, as shown in FIG.
  • the quarter-wave plate 13 converts the two-dimensional beam L21 from linearly polarized light whose plane of polarization is parallel to the zx plane to circularly polarized light.
  • the quarter-wave plate 13 converts the two-dimensional beam L22 from circularly polarized light into linearly polarized light whose plane of polarization is parallel to the xy plane.
  • the cylindrical lens 14 is arranged on the optical axis of the two-dimensional beam L21, as shown in FIG.
  • the cylindrical lens 14 is oriented to convert the z-axis direction component of the two-dimensional beam L21 from collimated light into convergent light, and transmit the y-axis direction component of the two-dimensional beam L21 as collimated light.
  • the cylindrical lens 14 transforms the two-dimensional beam L21 into the one-dimensional beam L11 and transforms the one-dimensional beam L12 into the two-dimensional beam L22.
  • the optical axis of the two-dimensional beam L21 and the optical axis of the one-dimensional beam L11 are aligned, and the optical axis of the one-dimensional beam L12 and the optical axis of the two-dimensional beam L22 are aligned.
  • the one-dimensional beam L11 and the one-dimensional beam L12 are beams whose irradiation regions are one-dimensional lines in an imaged state.
  • the cylindrical lens 14 is arranged so that the line of the one-dimensional beam L11 obtained by converting the two-dimensional beam L21 is parallel to the y-axis.
  • the biconvex lens 15 is arranged on the optical axis of the one-dimensional beam L11, as shown in FIG.
  • the biconvex lens 15 is arranged at a position where the distance from the cylindrical lens 14 is equal to the sum of the focal length of the cylindrical lens 14 and the focal length of the biconvex lens 15 . Therefore, the biconvex lens 15 converts the z-axis direction component of the one-dimensional beam L11 from diffuse light to collimated light, and converts the y-axis direction component of the one-dimensional beam L11 from collimated light to convergent light.
  • the scanning mirror 16 is arranged on the optical axis of the one-dimensional beam L11, as shown in FIG.
  • the scanning mirror 16 is arranged at a position where the distance between its center and the biconvex lens 15 is equal to the focal length of the biconvex lens 15 .
  • the scanning mirror 16 is arranged at its reference position so as to reflect the one-dimensional beam L11 propagating in the positive direction of the x-axis in the negative direction of the z-axis. That is, the one-dimensional beam L11 enters the reflecting surface of the scanning mirror 16 at the reference position at an incident angle of 45° and exits at an exit angle of 45°.
  • the scanning mirror 16 is arranged at its reference position so as to reflect in the negative x-axis direction the one-dimensional beam L12 propagating in the positive z-axis direction. That is, the one-dimensional beam L12 enters the reflecting surface of the scanning mirror 16 at the reference position at an incident angle of 45° and exits at an exiting angle of 45°.
  • the scanning mirror 16 is configured such that the orientation of the reflecting surface vibrates within a range of minute angles with respect to the reference position.
  • the scanning mirror 16 is arranged so that its rotation axis is parallel to the y-axis.
  • the range of angles over which scanning mirror 16 vibrates is not limited. This angle range can be appropriately determined according to the pitch of the rows in the cell group C of the two-dimensional optical modulator 11, the arrangement of the optical system, and the like.
  • the range of this angle is, for example, ⁇ 2.5° with respect to the reference position.
  • the scanning mirror 16 switches the column of the cell group C into which the one-dimensional beam L11 is incident in the modulation step S12, which will be described later.
  • a column that is a switching unit when the one-dimensional beam L11 is incident may be composed of one column of cells C mn , or may be composed of a plurality of columns of cells C mn . .
  • the number of rows of cells Cmn that form a switching unit can be appropriately determined in consideration of the size relationship with the line width of the one-dimensional beam L11, the accuracy of alignment in the scanning optical system, and the like.
  • any one of a resonator mirror, a galvanomirror, and a polygon mirror can be suitably used as such a scanning mirror 16 .
  • the driving frequency of the resonator mirror that can be driven at high speed is, for example, 12 kHz
  • the driving frequency of the galvanometer mirror that can be driven at high speed is, for example, 500 Hz.
  • a resonator mirror having a driving frequency of 12 kHz is used as the scanning mirror 16 .
  • the operation of the scanning mirror 16 is controlled by the controller 18 .
  • the controller 18 controls the range of angles in which the scanning mirror 16 vibrates.
  • the objective lens 17 is arranged on the optical axis of the one-dimensional beam L11 reflected by the scanning mirror 16.
  • FIG. The objective lens 17 is arranged at a position where the distance from the center of the scanning mirror 16 is equal to its own focal length. Therefore, the objective lens 17 converts the y-axis component of the one-dimensional beam L11 from diffuse light to collimated light, and converts the x-axis component of the one-dimensional beam L11 from collimated light to convergent light.
  • the two-dimensional light modulator 11 arranged behind the objective lens 17 is arranged at a position where the distance from the objective lens 17 is equal to the focal length of the objective lens 17 .
  • the one-dimensional beam L11 forms an image of the component in the x-axis direction on the surface of the two-dimensional light modulator 11, so that the irradiation area becomes a one-dimensional line.
  • the direction in which the lines in the one-dimensional beam L11 are extended is parallel to the column direction of the cell group C (that is, the y direction).
  • the objective lens 17 guides the one-dimensional beam L11 reflected by the scanning mirror 16 to any column of the cell group C and forms an image.
  • which column of the cell group C the one-dimensional beam L11 forms an image on is controlled by the orientation of the reflecting surface of the scanning mirror 16.
  • FIG. That is, the column of the cell group C on which the one-dimensional beam L11 is imaged is controlled by the controller 18.
  • the objective lens 17 forms an image of the spatially modulated one-dimensional beam L12 reflected by any column of the cell group C on the reflecting surface of the scanning mirror 16 .
  • the one-dimensional beam L12 propagates in the same optical path as the one-dimensional beam L11 in the opposite direction and enters the cylindrical lens 14 .
  • the objective lens 17 cooperates with the biconvex lens 15 to two-dimensionally reduce or expand the size of the one-dimensional beam L11 and the one-dimensional beam L12, which are line beams.
  • the magnification of reduction or enlargement by the biconvex lens 15 and the objective lens 17 is determined by a combination of the focal length of the biconvex lens 15 and the focal length of the objective lens 17 .
  • the biconvex lens 15 and the objective lens 17 can be omitted.
  • the cylindrical lens 14 is arranged at the position of the objective lens 17 in FIG.
  • the distance between the cylindrical lens 14 and the scanning mirror 16 and the distance between the cylindrical lens 14 and the two-dimensional light modulator 11 are equal to the focal length of the cylindrical lens 14 .
  • An example of a case where some degree of aberration caused by scanning using the scanning mirror 16 can be tolerated is a case where only the columns near the center of the two-dimensional light modulator 11 are used. That is, there is a case where the scanning range of the one-dimensional beam L11 in the column direction is narrow. In this embodiment, since the two-dimensional light modulator 11 with 200 columns is used, the center of the two-dimensional light modulator 11 is located between the 100th column and the 101st column.
  • the polarizing beam splitter 12 the cylindrical lens 14, the biconvex lens 15, the scanning mirror 16, the objective lens 17, and the controller 18, the cylindrical lens 14, the scanning mirror 16, and the objective lens 17 is an example of a scanning optical system.
  • This light modulation method includes a first conversion step S11, a modulation step S12, and a second conversion step S13.
  • the cylindrical lens 14 of the scanning optical system performs a first conversion step S11 for converting the two-dimensional beam L21 into a one-dimensional beam L11.
  • the scanning mirror 16 and the objective lens 17 of the scanning optical system cause the one-dimensional beam L11 obtained in the first conversion step S11 to be incident on any row of the cell group C, thereby spatially modulating it by that row.
  • a modulation step S12 is performed to generate a modulated one-dimensional beam L12.
  • the objective lens 17 and scanning mirror 16 of the scanning optical system cause the spatially modulated one-dimensional beam L12 to enter the cylindrical lens 14 .
  • the cylindrical lens 14 of the scanning optical system performs a second conversion step S13 of converting the spatially modulated one-dimensional beam L12 into a two-dimensional beam L22.
  • the modulation step S12 is repeatedly performed while switching the column of the cell group C into which the one-dimensional beam L11 is incident.
  • the optical modulator 10 generates the spatially modulated one-dimensional beam L12 by making the one-dimensional beam L11 incident on any column of the cell group C, and the spatially modulated one-dimensional beam L12 is By converting to a two-dimensional beam L22, a spatially modulated two-dimensional beam L22 can be generated. Therefore, a maximum of N modulation patterns can be obtained without resetting the modulation amount in each cell Cmn in the two-dimensional optical modulator 11 (without updating the frame). can be driven at a frame rate higher than that of the two-dimensional optical modulator 11 .
  • the control unit 18 sets the modulation amount in each cell Cmn of the cell group C in advance. This preset modulation amount is called the first frame modulation amount.
  • the distribution of the one-dimensional modulation amount in the cells C 1n to C Mn arranged in the n-th column of the cell group C is expressed as a distribution ⁇ n
  • the distribution ⁇ n of the cell group C for one frame is summarized into a distribution ⁇ 1 , ⁇ 2 , . . . ⁇ n , .
  • ⁇ 1 and ⁇ N of the distribution ⁇ are shown as representatives.
  • the controller 18 controls the scanning mirror 16 to cause the one-dimensional beam L11 to enter the cells C 11 to C M1 arranged in the first row of the cell group C.
  • the cells C 11 to C M1 convert the one-dimensional beam L11 into a one-dimensional beam L12 by modulating the one-dimensional beam L11 with the distribution ⁇ 1 . That is, the one-dimensional beam L12 is a one-dimensional beam spatially modulated by the distribution ⁇ 1 .
  • the controller 18 controls the scanning mirror 16 to cause the one-dimensional beam L11 to enter the cells C 12 to C M2 arranged in the second row of the cell group C.
  • the cells C 12 to C M2 convert the one-dimensional beam L11 into a one-dimensional beam L12 by modulating the one-dimensional beam L11 with the distribution ⁇ 2 .
  • the controller 18 controls the scanning mirror 16 to cause the one-dimensional beam L11 to be incident on each of the 3rd to Nth columns of the cell group C in order.
  • Each of the third to Nth columns of the cell group C modulates the one-dimensional beam L11 by the distributions ⁇ 3 , . . . ⁇ n , . Convert to beam L12.
  • the light modulation device 10 scans the one-dimensional beam L11 in the positive direction of the x-axis using the scanning mirror 16 and the control unit 18, thereby modulating the first frame of the two-dimensional light modulator 11.
  • the one-dimensional beam L12 is converted into the two-dimensional beam L22 by the second conversion step S13.
  • each distribution ⁇ n of the one-dimensional beam L12 is extended along the row direction.
  • each distribution ⁇ n in the two-dimensional beam L22 has a shape obtained by expanding each distribution ⁇ n in the one-dimensional beam L12 along the row direction.
  • the control unit 18 resets the modulation amount in each cell Cmn of the cell group C. This reset amount of modulation is called the amount of modulation of the second frame.
  • the control unit 18 controls the scanning mirror 16 to cause the one-dimensional beam L11 to enter each of the Nth to 1st columns of the cell group C in order. That is, the light modulation device 10 scans the one-dimensional beam L11 in the negative direction of the x-axis using the scanning mirror 16 and the control unit 18, thereby adjusting the distribution of the modulation amount of the two-dimensional light modulator 11 in the second frame. Generate a one-dimensional beam L12 modulated by ⁇ N+1 , ⁇ N+2 , . . . ⁇ 2N ⁇ .
  • the columns of the cell group C into which the one-dimensional beam L11 is incident are cycled from the N-th column to the first column, so that the light modulation device 10 has the distribution ⁇ N+1 , ⁇ N+2 , . ⁇ 2N ⁇ to generate a one-dimensional beam L12.
  • the one-dimensional beam L12 is converted into a two-dimensional beam L22 by a second conversion step S13.
  • the two-dimensional optical modulator 11 changes the modulation amount in each cell Cmn to the modulation amount in the second frame as soon as possible at the timing when the one-dimensional beam L11 is scanned from the 1st column to the Nth column of the cell group C. It is preferable to be able to update.
  • the frame rate of the two-dimensional light modulator 11 is preferably as fast as possible, and more preferably twice or more the driving frequency of the scanning mirror 16 .
  • a DMD with a frame rate of 25 kHz is used as the two-dimensional optical modulator 11
  • a resonator mirror with a drive frequency of 12 kHz is used as the scanning mirror 16, so that the above conditions are satisfied.
  • an intensity-modulating DMD is used as the two-dimensional optical modulator 11, and a resonator mirror is used as the scanning mirror 16 corresponding to the frame rate (for example, 25 kHz).
  • a phase modulation type LCOS is used as the two-dimensional light modulator 11
  • a galvanomirror is used as the scanning mirror 16 corresponding to the frame rate (for example, 500 Hz).
  • 250 Hz half the LCOS frame rate
  • the optical modulator 10 emits the spatially modulated two-dimensional beam L22 from the emission surface of the polarization beam splitter 12 located on the z-axis negative direction side in the z-axis negative direction.
  • the scanning mirror 16 and the objective lens 17 of the scanning optical system sequentially irradiate each column of the cell group C with the one-dimensional beam L11. Therefore, the two-dimensional beam L22 modulated by the distribution ⁇ 1 , ⁇ 2 , . . . ⁇ n , .
  • the scattering medium 21 is arranged at a position behind the light modulation device 10 (that is, behind the polarization beam splitter 12 ) and on a conjugate plane of the two-dimensional light modulator 11 . .
  • the scattering medium 21 is configured to scatter light incident on one principal surface (the principal surface on the z-axis positive direction side in FIG. 1).
  • the scattering medium 21 may be a solid, a liquid, or a colloid such as a gel.
  • frosted glass is used as the solid scattering medium 21 .
  • Other examples of solid scattering media 21 include opal glass and aggregated nanoparticles.
  • the wavefront solution of the two-dimensional beam with respect to the specific scattering medium 21 is obtained in advance, and the wavefront of the two-dimensional beam L22 generated by the optical modulator 10 is brought as close as possible to the above-mentioned wavefront solution. It can be focused to a point.
  • the modulation amount of each cell Cmn should be set so that the wavefront of the two-dimensional beam L22 approaches the wavefront solution described above as much as possible.
  • a genetic algorithm (X. Zhang et al., “Binary wavefront optimization using a genetic algorithm” (2019)) that imitates the process of biological evolution is employed as a method for obtaining the wavefront solution described above.
  • the method of obtaining the wavefront solution is not limited to this, and can be selected as appropriate.
  • the scattering medium 21 can be used to converge the spatially modulated two-dimensional beam L22 on a predetermined condensing point.
  • the light collecting device 1 can achieve the light collecting point on the light collecting plane PC can be performed over any desired period of time.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the concept of the scanning optical system 30 provided in the light collecting device 1A.
  • the coordinate system illustrated in FIG. 3 is the same as the coordinate system illustrated in FIGS.
  • the light collector 1A is based on the light collector 1.
  • the light collecting device 1A differs from the light collecting device 1 in that it employs a scanning optical system 30 in place of the scattering medium 21 arranged after the light modulator 10 (after the polarizing beam splitter 12). . Therefore, in this modified example, only the scanning optical system 30 will be described, and the description of the light modulation device 10 will be omitted.
  • the scanning optical system 30 includes a fixed mirror 31, a scanning mirror 32, and an objective lens 33.
  • the fixed mirror 31 is arranged on the optical axis of the two-dimensional beam L22, as shown in FIG.
  • the fixed mirror 31 is arranged so as to reflect, in the positive x-axis direction, the two-dimensional beam L22 propagating in the negative z-axis direction. That is, the two-dimensional beam L22 enters the reflecting surface of the fixed mirror 31 at an incident angle of 45° and exits at an exit angle of 45°.
  • the fixed mirror 31 directs the optical axis of the two-dimensional beam L22 reflected by the scanning mirror 32 to the two-dimensional light modulator 11 in the light modulator 10 shown in FIG. It is provided for convenience in order to make it parallel to the optical axis of the beam L11.
  • the fixed mirror 31 can be omitted.
  • the scanning mirror 32 is arranged on the optical axis of the two-dimensional beam L22 reflected by the fixed mirror 31 .
  • the scanning mirror 32 is arranged at its reference position so as to reflect the two-dimensional beam L22 propagating in the positive direction of the x-axis in the negative direction of the z-axis. That is, the two-dimensional beam L22 enters the reflecting surface of the scanning mirror 32 at the reference position at an incident angle of 45° and exits at an exit angle of 45°.
  • the scanning mirror 32 is configured such that the orientation of the reflecting surface vibrates within a range of minute angles with respect to the reference position.
  • the scanning mirror 32 is arranged so that its rotation axis is parallel to the y-axis.
  • the light collecting device 1A includes the scanning optical system 30, the two-dimensional beam L22 to be imaged on the light collecting surface PC can be scanned while periodically vibrating along the x-axis direction.
  • the two-dimensional optical modulator 11 can change the striped distribution ⁇ ⁇ 1 , ⁇ 2 , . . . ⁇ n , . Therefore, the two-dimensional optical modulator 11 can slightly change the propagation angle of the two-dimensional beam L22 along the y-axis direction. Thereby, the light spot generated by the objective lens 33 can be scanned along the y-axis direction on the condensing plane PC .
  • the light collecting device 1A since the light collecting device 1A includes the scanning mirror 32, the propagation angle of the two-dimensional beam L22 having the striped distribution ⁇ 1 , ⁇ 2 , . . . ⁇ n , . can be slightly changed along the x-axis direction. Thereby, the light spot generated by the objective lens 33 can be scanned along the x-axis direction on the condensing plane PC . Therefore, similarly to the light collecting device 1, the light collecting device 1A can two-dimensionally scan the light spot on the light collecting surface PC of the two-dimensional beam L22.
  • the objective lens 33 forms an image of the two-dimensional beam L22 reflected by the scanning mirror 32 on a predetermined condensing plane PC .
  • the focal point of the two-dimensional beam L22 can be varied along the z-axis direction.
  • FIG. 4 is a plan view schematically showing the configuration of the first embodiment of the light collecting device 1.
  • FIG. 5(a) and 5(b) are plan views schematically showing the configurations of a second embodiment and a third embodiment of the light collecting device 1, respectively.
  • the first to third embodiments are configurations embodying the condensing device 1 shown in FIG. 1 in order to implement one aspect of the present invention.
  • the configuration for embodying the light collecting device 1 shown in FIG. optical members other than the objective lens 17 can be appropriately selected.
  • the first embodiment is a configuration for scanning the condensing point of the two-dimensional beam L22 using the condensing device 1.
  • FIG. 4 the structure of the observation system arranged after the converging surface PC is for observing the condensing point to be scanned. This observation system configuration can be omitted when the light collecting device 1 is actually used.
  • the second embodiment is a configuration for scanning the condensing point of the two-dimensional beam L22 using the condensing device 1, and is a configuration for changing the distance from the scattering medium 21 at each condensing point.
  • FIG. 5(a) shows only the configuration of the observation system used in the second embodiment.
  • the third embodiment is a configuration for observing the modulation pattern of the two-dimensional beam L22 as it is without converting the two-dimensional beam L22 generated by the light collecting device 1 into a focused beam.
  • FIG. 5(b) shows only the configuration of the observation system used in the third embodiment.
  • the light modulator 10 two-dimensional light modulator 11, polarizing beam splitter 12, cylindrical lens 14, biconvex lens 15, scanning In addition to the configuration of the mirror 16, the objective lens 17, and the control unit 18), the laser light source LS, the half-wave plate HWP, the beam expander BE, the quarter-wave plate 13, and the volume hologram diffraction grating VHG and.
  • a biconvex lens L1 In the light collecting device 1 of the first embodiment, between the polarizing beam splitter 12 and the scattering medium 21, a biconvex lens L1, a spatial filter SF, a biconvex lens L2, a biconvex lens L3, and a fixed A mirror M and a biconvex lens L4 are arranged.
  • a biconvex lens L5, a polarizer P, and a camera CAM are arranged as the configuration of the observation system.
  • a Thorlabs HNL150LB HeNe laser with an output of 15 mW
  • V-7001 frame rate: 25 kHz
  • Vialux which is an example of DMD
  • the number of rows M and the number of columns N of the cell group C are both 360, and the number of columns to be switched when the one-dimensional beam L11 is incident on the cell group C is two cells. Cmn . Therefore, the number of columns to be actually scanned is 180 columns.
  • a cylindrical lens with a focal length of 100 mm was adopted as the cylindrical lens 14 .
  • the biconvex lens 15 an achromatic lens with a focal length of 50 mm is used.
  • the scanning mirror 16 CRS (driving frequency: 12 kHz) of Cambridge Technology, which is an example of a resonator mirror, was adopted.
  • the objective lens 17 an objective lens with a magnification of 4 times was adopted.
  • a volume hologram diffraction grating VHG is arranged between the objective lens 17 and the two-dimensional light modulator 11 .
  • the volume hologram diffraction grating VHG is arranged for the purpose of canceling the inclination (approximately 12°) of the micromirrors forming each cell Cmn in the two-dimensional optical modulator 11 by diffracting the one-dimensional beam L11 by approximately 12°. ing.
  • the biconvex lenses L1 to L4 arranged after the polarizing beam splitter 12 are all achromatic lenses.
  • the focal lengths of the biconvex lenses L1 to L4 are 150 mm, 100 mm, 50 mm and 30 mm, respectively.
  • the spatial filter SF disposed after the biconvex lens L1 removes unnecessary light contained in the two-dimensional beam L22 by transmitting only the light distributed near the optical axis of the two-dimensional beam L22.
  • the biconvex lens L2 arranged after the spatial filter SF collimates the two-dimensional beam L22 emitted from the spatial filter SF, which is divergent light.
  • the biconvex lens L3 arranged after the biconvex lens L2 converts the two-dimensional beam L22 into convergent light and forms an image on the reflecting surface of the fixed mirror M.
  • a fixed mirror M arranged behind the biconvex lens L3 reflects the two-dimensional beam L22, thereby guiding the two-dimensional beam L22 toward the scattering medium 21.
  • the biconvex lens L4 arranged behind the fixed mirror M collimates the two-dimensional beam L22 reflected by the fixed mirror M, which is divergent light, and makes it enter the scattering medium 21.
  • the distribution in each column of the cell group C is such that the condensing point of the two-dimensional beam L22 can be scanned on the condensing plane P C having a constant distance from the scattering medium 21.
  • ⁇ ⁇ 1 , ⁇ 2 , . . . ⁇ n .
  • a circle was assumed on the condensing surface PC , and eight points were set so as to divide the circumference into eight equal parts.
  • Each ⁇ n was set using a genetic algorithm so that the focal point of the two-dimensional beam L22 coincides with one of the eight points.
  • the distribution ⁇ 1 , ⁇ 2 , . . . ⁇ n This is for verifying random accessibility in scanning the focal point.
  • the light is condensed at any one of eight points on the light plane PC .
  • the condensing pattern of the two-dimensional beam L22 on the condensing plane PC is observed using a biconvex lens L5 (focal length of 75 mm), a polarizer P, and a camera CAM, which constitute an observation system.
  • each ⁇ n is set using a genetic algorithm so that the focal point of the two-dimensional beam L22 coincides with any one of the eight points.
  • the camera CAM is arranged at a position corresponding to the conjugate plane of the two-dimensional light modulator 11 in order to observe the modulation pattern of the two-dimensional beam L22 as it is.
  • GVS001 of Thorlabs which is an example of a galvanometer scanner
  • CRS of Cambridge Technology which is an example of a resonator mirror. This is because the galvanometer scanner can control the orientation of the reflecting surface of the scanning mirror 16 in a closed loop.
  • Modulation pattern of two-dimensional beam Using the third embodiment, the modulation pattern of the two-dimensional beam L22 was observed. As a result, the modulation pattern of the two-dimensional beam L22 shown in FIG. 6(b) was obtained.
  • the regions where the intensity is set to 1 which are distributed as dots in the distribution ⁇ 90 shown in FIG. 6(a), are extended in stripes. Therefore, it is considered that the modulation pattern shown in FIG. 6B is generated by extending the distribution ⁇ 90 along the row direction in the second conversion step S13. Therefore, it was found that the optical modulation device 10 functioned as designed.
  • FIG. 6 is an image showing the observation result of the comparative example.
  • a speckle pattern is a pattern resulting from random interference in the two-dimensional beam L22.
  • FIG. 6 is an image showing the observation result of the first embodiment.
  • the focal point is the resulting pattern of constructive interference in the two-dimensional beam L22.
  • FIG. 6 is a graph showing the PBR (Peak-to-Background Ratio) in each column of the cell group C.
  • PBR is the ratio (Ip/Ib) of the peak intensity value Ip of the condensing point to the average intensity value Ib of the background speckles, and is a measure of the accuracy of spatial light modulation and the degree of spatial freedom. That is, the PBR is an index for evaluating the quality of the focal point.
  • FIG. 7 is a graph showing the column dependency of the frame rate of the light collecting device 1 .
  • the frame rate of the concentrator 1 varies sinusoidally within the range of about 1 MHz to about 7 MHz, and the overall frame rate is about 4.3 MHz. Do you get it. This is because the motion speed of the resonator scanner employed as the scanning mirror 16 varies sinusoidally in principle.
  • FIG. 7 is an image showing condensed points when the frame rate is 1 MHz
  • (c) of FIG. 7 is an image of condensed light when the frame rate is 3 MHz
  • FIG. 7D is an image showing condensed points when the frame rate is 6 MHz.
  • the eight red circles shown in (b) to (d) of FIG. 7 correspond to eight points determined by assuming a circle on the condensing plane PC and dividing the circumference into eight equal parts. do.
  • FIG. 7 is an image showing condensing points when the frame rate is 1 MHz
  • (f) of FIG. 7 is an image of condensing points when the frame rate is 3 MHz
  • FIG. 7G is an image showing condensed points when the frame rate is 6 MHz.
  • the eight red circles shown in (e) to (g) of FIG. 7 are eight points set on the condensing plane PC , and the distance between each point and the scattering medium 21 changes monotonously. corresponds to the eight points that
  • the light collecting device 1 can three-dimensionally scan the light collecting point at MHz class speed, in other words, the light collecting device 1 has a MHz class frame rate. .
  • An optical modulation device includes a two-dimensional optical modulator including a group of cells arranged in a matrix and capable of independently setting a modulation amount in each cell; a first conversion step of converting a beam into a one-dimensional beam, by making the one-dimensional beam obtained in the first conversion step incident on any row of the cell group, the one-dimensional beam spatially modulated by that row A modulation step of generating a beam, and a second conversion step of converting the one-dimensional beam obtained in the modulation step into a two-dimensional beam are performed by switching the column of the cell group into which the one-dimensional beam is incident in the modulation step. and a scanning optical system that repeatedly performs scanning.
  • the scanning optical system causes a one-dimensional beam to be incident on any row of the cell group included in the two-dimensional light modulator, thereby modulating two beams modulated corresponding to the modulation pattern of that row. You can get a dimensional beam.
  • the scanning optical system can perform the first conversion step, the modulation step, and the second conversion step for a plurality of columns of the cell group within one frame period in the two-dimensional light modulator.
  • the frame rate of the light modulator is higher than that of the two-dimensional light modulator. Therefore, the optical modulator according to the first aspect can be driven at a frame rate higher than that of the two-dimensional optical modulator.
  • the scanning optical system transforms the two-dimensional beam into a one-dimensional beam in the first conversion step.
  • a cylindrical lens for converting the one-dimensional beam into a two-dimensional beam in the second conversion step; an objective lens for guiding the one-dimensional beam to any column of the cell group in the modulating step; a scanning mirror for switching the row of the cells into which the one-dimensional beam is incident in the process.
  • the above configuration can be suitably used when the two-dimensional optical modulator is a reflective two-dimensional optical modulator.
  • the two-dimensional light modulator is a digital mirror device, and the scanning mirror is , are resonator mirrors.
  • a digital mirror device can drive a frame rate on the order of kHz, and a resonator mirror can drive a frequency on the order of kHz.
  • N is a positive integer
  • the two-dimensional optical modulator has, for example, a frame rate of 2N times the frequency of the resonator mirror (for example, MHz).
  • the two-dimensional light modulator is a liquid crystal spatial light modulator, and the scanning A configuration is adopted in which the mirror is a galvanomirror.
  • the liquid crystal spatial light modulator can be driven at a frame rate on the order of several hundred Hz, and the galvanomirror can be driven at a frequency on the order of several hundred Hz.
  • N is a positive integer
  • the two-dimensional optical modulator is, for example, 2N times the frequency of the resonator mirror (for example, several hundred kHz). order) frame rate.
  • the one-dimensional beam is generated in the modulation step.
  • a configuration is adopted in which a control unit is further provided for resetting the amount of modulation in each cell of the cell group when the row of the cell group to which light is incident has made a round.
  • the modulation amount in each cell of the cell group can be updated for each frame. Therefore, the optical modulation device according to the fifth aspect can continuously generate two-dimensional beams having different modulation patterns.
  • a light collecting device includes an optical modulation device according to any one of the first to fifth aspects described above, and the second conversion device. and a scattering medium for transforming the two-dimensional beam obtained in the process into a focused beam.
  • the modulation amount of each cell is set so that the condensing points of the converging beams are formed at different positions in each column of the cell group.
  • the condensing device can move (that is, scan) the focal point of the condensed beam at a frame rate higher than the frame rate of the two-dimensional light modulator.
  • an optical modulation method includes a group of cells arranged in a matrix, wherein the cell group can independently set the modulation amount of each cell.
  • An optical modulation method using a two-dimensional optical modulator wherein the first conversion step, the modulation step, and the second conversion step are performed while switching the column of the cell group into which the one-dimensional beam is incident in the modulation step. Execute repeatedly.
  • the first converting step converts a two-dimensional beam into a one-dimensional beam
  • the modulating step converts the one-dimensional beam obtained in the first converting step into one of the cell groups.
  • a one-dimensional beam is generated that is spatially modulated by the column, and the second transforming step transforms the one-dimensional beam obtained in the modulating step into a two-dimensional beam.
  • This light modulation method has the same effects as the light modulation device according to the first aspect of the present invention.

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Abstract

２次元光変調器のフレームレートよりも高いフレームレートで駆動することができる光変調装置を提供すること。光変調装置（１０）は、行列状に配置されたセル群（Ｃ）を含む２次元光変調器（１１）と、走査光学系（シリンドリカルレンズ１４、走査ミラー１６、対物レンズ１７）と、を備えている。走査光学系は、２次元ビーム（Ｌ２１）を１次元ビーム（Ｌ１１）に変換する第１変換工程（Ｓ１１）、空間変調された１次元ビーム（Ｌ１２）を生成する変調工程（Ｓ１２）、及び、変調された１次元ビーム（Ｌ１２）を２次元ビーム（Ｌ２２）に変換する第２変換工程（Ｓ１３）を、変調工程（Ｓ１２）において１次元ビーム（Ｌ１１）を入射させるセル群（Ｃ）の列を切り替えながら繰り返し実行する。

Description

光変調装置及び集光装置
　本発明は、光変調装置、及び、光変調装置を備えた集光装置に関する。
　光を空間的（具体的には２次元的に）に変調する光変調装置が備える空間光変調器（SLM: Spatial Light Modulator）として、液晶ディスプレイ（LCD: Liquid Crystal Display）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）ディスプレイ、及び、デジタルミラーデバイス（DMD: Digital Mirror Device）が知られている。これらのＳＬＭは、行列状に配置されたセル群であって、各セルにおける変調量を独立に設定可能なセル群を備えている。これらのＳＬＭは、セル群に入射する２次元ビームを各セルにおいて反射又は透過させることにより、各セルにおける変調量に応じて２次元ビームを変調する。
Abbas Kazemipour et. al., "Kilohertz frame-rate two-photon tomography", Nature Methods, VOL 16 778, p.778, AUGUST 2019. Samuel J. Yang et. al., "Extended field-of-view and increased-signal 3D holographic illumination with time-division multiplexing", OPTICS EXPRESS, Vol.23, No.25, p.32573, 14 Dec 2015. Donald B. Conkey et. al., "Genetic algorithm optimization for focusing through turbid media in noisy environments", OPTICS EXPRESS, Vol.20, No.5, p.4840, 27 February 2012.
　しかしながら、上述のようなＳＬＭにおいては、変調パターンを更新する周期が、ＳＬＭが備えるＬＣＤ、ＬＣＯＳ、及びＤＭＤのフレームレートに律速される。たとえば、ＬＣＤにおけるフレームレートの一例は、１ｋＨｚ（非特許文献１参照）あるいは１００Ｈｚ程度（非特許文献２参照）であり、ＤＭＤにおけるフレームレートの一例は、２５ｋＨｚである（非特許文献３参照）。以下において、ＬＣＤ及びＬＣＯＳのことを液晶空間光変調器（ＬＣ－ＳＬＭ）と総称する。
　このように、光変調装置が備えるＳＬＭとしてＬＣ－ＳＬＭ及びＤＭＤの何れかを採用する場合、光変調装置のフレームレートをＳＬＭのフレームレートよりも高めることができない。
　本発明の一態様は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的は、ＳＬＭのフレームレートよりも高いフレームレートで駆動することができる光変調装置を提供すること、及び、そのような光変調装置を備えた集光装置を提供することである。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光変調装置は、行列状に配置されたセル群であって、各セルにおける変調量を独立に設定可能なセル群を含む２次元光変調器と、２次元ビームを１次元ビームに変換する第１変換工程、前記第１変換工程にて得られた１次元ビームを前記セル群の何れかの列に入射させることによって、その列により空間変調された１次元ビームを生成する変調工程、及び、前記変調工程にて得られた１次元ビームを２次元ビームに変換する第２変換工程を、前記変調工程において１次元ビームを入射させる前記セル群の列を切り替えながら繰り返し実行する走査光学系と、を備えている。
　また、本発明の別の一態様に係る集光装置は、上述した本発明の一態様に係る光変調装置と、前記第２変換工程にて得られた２次元ビームを集光ビームに変換する散乱媒質と、を備えた集光装置である。本集光装置においては、前記セル群の各列は、前記集光ビームの集光点が異なる位置に形成されるように各セルの変調量が設定されている。
　また、本発明の一態様に係る光変調方法は、行列状に配置されたセル群であって、各セルにおける変調量を独立に設定可能なセル群を含む２次元光変調器を用いた光変調方法であって、第１変換工程と、変調工程と、第２変換工程と、を前記変調工程において１次元ビームを入射させる前記セル群の列を切り替えながら繰り返し実行する。本光変調方法において、前記第１変換工程は、２次元ビームを１次元ビームに変換し、前記変調工程は、前記第１変換工程にて得られた１次元ビームを前記セル群の何れかの列に入射させることによって、その列により空間変調された１次元ビームを生成し、前記第２変換工程は、前記変調工程にて得られた１次元ビームを２次元ビームに変換する。
　本発明の一態様によれば、ＳＬＭのフレームレートよりも高いフレームレートで駆動することができる光変調装置を提供すること、及び、そのような光変調装置を備えた集光装置を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る集光装置の概念を示す斜視図である。 図１に示した集光装置に含まれる光変調装置が備えている２次元光変調器の平面図である。 図１に示した集光装置の一変形例が備えている走査光学系の概念を示す斜視図である。 本発明の第１の実施例の構成を模式的に示す平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の第２の実施例及び第３の実施例の構成を模式的に示す平面図である。 （ａ）は、第３の実施例において用いた分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝を示す画像である。（ｂ）は、第３の実施例において得られた変調された２次元ビームの変調パターンを示す画像である。（ｃ）は、第３の実施例において用いた分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝であって、各φｎが同一である分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝において、全ての分布φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮの相互相関を行列形式に示したグラフである。（ｄ）は、比較例において得られたスペックルパターンを示す画像である。（ｅ）は、第１の実施例において得られた集光点を示す画像である。 （ａ）は、第１の実施例及び第２の実施例の集光装置１におけるフレームレートの列依存性を示すグラフである。（ｂ）～（ｄ）は、それぞれ、第１の実施例において、フレームレートを１ＭＨｚ、３ＭＨｚ、及び、６ＭＨｚにした場合に得られた集光点を示す画像である。（ｅ）～（ｇ）は、それぞれ、第２の実施例において、フレームレートを１ＭＨｚ、３ＭＨｚ、及び、６ＭＨｚにした場合に得られた集光点を示す画像である。
　〔集光装置の概要〕
　本発明の一実施形態に係る集光装置１について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、集光装置１の概念を示す斜視図である。図２は、集光装置１に含まれる光変調装置１０が備えている２次元光変調器１１の平面図である。
　図１に示すように、集光装置１は、光変調装置１０と、散乱媒質２１とを備えている。なお、ここで説明するのは集光装置１の概念である。例えば、図４及び図５を参照して説明する集光装置１の各実施例のように、集光装置１は、概要の欄で説明する部材以外の部材を備えていてもよい。
　＜光変調装置＞
　図１に示す光変調装置１０は、本発明の一実施形態である。光変調装置１０は、２次元光変調器１１と、偏光ビームスプリッタ１２と、１／４波長板１３と、シリンドリカルレンズ１４と、両凸レンズ１５と、走査ミラー１６と、対物レンズ１７と、制御部１８と、を備えている。
　（２次元光変調器）
　２次元光変調器１１は、空間光変調器（SLM: Spatial Light Modulator）とも呼ばれる。図２に示すように、２次元光変調器１１は、複数のセルＣｍｎが行列状に配置されたセル群Ｃであって、各セルＣｍｎにおける変調量を独立に設定可能なセル群Ｃを含む。本実施形態において、セル群Ｃは、Ｍ行Ｎ列のセルＣｍｎにより構成されている。ここで、Ｍ，Ｎは、１以上の整数であり、ｍ，ｎは、それぞれ、１≦ｍ≦Ｍ，１≦ｎ≦Ｎの整数である。本実施形態では、例えば、Ｍ＝Ｎ＝２００とする。ただし、Ｍ，Ｎは、２００に限定されず、適宜定めることができる。また、本実施形態では、セル群ＣにおけるセルＣｍｎの配置としてＭ＝Ｎである正方行列を用いている。ただし、セル群ＣにおけるセルＣｍｎの行数Ｍ及び列数Ｎは、異ならせることもできる。また、Ｍ行Ｎ列のセルＣｍｎの全領域に亘って後述する１次元ビームＬ１１を走査してもよいし、Ｍ行Ｎ列のセルＣｍｎの一部領域のみにおいて１次元ビームＬ１１を走査してもよい。
　光変調装置１０では、反射型の２次元光変調器１１を用いている。したがって、２次元光変調器１１としては、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）ディスプレイ、及び、デジタルミラーデバイス（DMD: Digital Mirror Device）の何れかを好適に用いることができる。液晶空間光変調器の一例であるＬＣＯＳは、設定されたセルＣｍｎの変調量（たとえば、０以上２π以下）に応じて、入射した光の位相を変調することができる。ＤＭＤは、設定されたセルＣｍｎの変調量（例えば、０又は１）に応じて、入射した光の強度を変調することができる。したがって、このようなセルＣｍｎが行列状に配置されたセル群Ｃは、入射する光を反射することによって、空間変調された光に変換することができる。
　高速に駆動可能なＬＣＯＳのフレームレートは、例えば、５００Ｈｚである。また、高速に駆動可能なＤＭＤのフレームレートは、例えば、２５ｋＨｚである。本実施形態では、２次元光変調器１１としてフレームレートが２５ｋＨｚであるＤＭＤを用いる。
　２次元光変調器１１は、制御部１８により制御されている。制御部１８は、２次元光変調器１１の各セルＣｍｎにおける変調量を、フレーム毎に再設定する。
　なお、図２では、セル群Ｃの行に沿った方向をｘ軸方向と定め、列に沿った方向をｙ軸方向と定め、ｘ軸方向及びｙ軸方向とともに右手系の直交座標系を構成する方向をｚ軸方向と定めている。また、図１に図示する座標系は、図２に図示する座標系と同じである。
　（レーザー光源）
　本実施形態では、２次元ビームＬ２１を生成するレーザー光源としてＨｅＮｅレーザーを用いる。したがって、２次元ビームＬ２１の波長は、６３２．８ｎｍである。ただし、２次元ビームＬ２１を生成するレーザー光源、及び、２次元ビームＬ２１の波長は、これらに限定されず、適宜選択することができる。
　図１において、このレーザー光源は、図示が省略されているが、２次元ビームＬ２１の伝搬方向がｘ軸正方向と平行になるように配置されている。すなわち、２次元ビームＬ２１の光軸は、ｘ軸方向と平行である。
　２次元ビームＬ２１は、偏光面がｚｘ面と平行な直線偏光である。２次元ビームＬ２１は、図１に示すように、照射領域が正方形状であるコリメート光になるように調整されている。
　（偏光ビームスプリッタ）
　偏光ビームスプリッタ１２は、２つのプリズムを接合することにより構成された立方体状の光学部材である。偏光ビームスプリッタ１２は、図１に示すように、２次元ビームＬ２１の光軸上に配置されている。以下においては、偏光ビームスプリッタ１２を構成する６個の面のうち、２次元ビームＬ２１が入射する面（ｘ軸負方向側の面）を面１２１と称し、２次元ビームＬ２１が出射するとともに２次元ビームＬ２２が入射する面（ｘ軸正方向側の面）を面１２２と称し、２次元ビームＬ２２が出射する面（ｚ軸負方向側の面）を面１２３と称する。
　偏光ビームスプリッタ１２の接合面は、偏光面がｚｘ面と平行な直線偏光を透過させるとともに、偏光面がｘｙ面と平行な直線偏光を反射する。したがって、偏光ビームスプリッタ１２の接合面は、２次元ビームＬ２１を透過させる。偏光ビームスプリッタ１２を透過した２次元ビームＬ２１は、後述する１／４波長板１３において、偏光面がｚｘ面と平行な直線偏光から円偏光に変換される。また、２次元ビームＬ２２は、１／４波長板１３において、円偏光から偏光面がｘｙ面と平行な直線偏光に変換される。したがって、偏光ビームスプリッタ１２の接合面は、面１２２から入射した２次元ビームＬ２２を面１２３の方向へ反射する。なお、２次元ビームＬ２２は、２次元ビームＬ２１と同様に、照射領域が正方形状であるコリメート光である。また、２次元ビームＬ２１を２次元ビームＬ２２に変換する構成及び方法については、後述する。
　このように構成された偏光ビームスプリッタ１２は、本実施形態において、偏光ビームスプリッタ１２の面１２１に入射する２次元ビームＬ２１を面１２２から出射するとともに、面１２２から入射する２次元ビームＬ２２を面１２３から出射する。
　なお、光変調装置１０においては、偏光ビームスプリッタ１２及び１／４波長板１３の組み合わせを、偏光に依存しないビームスプリッタ（ここではハーフミラーと称する）に置換することができる。ただし、その場合には、２次元ビームＬ２１がハーフミラーを透過する時に２次元ビームＬ２１のパワーが半減し、且つ、２次元ビームＬ２２がハーフミラーにより反射される時に２次元ビームＬ２２のパワーが半減する。したがって、ハーフミラーを用いる場合は、偏光ビームスプリッタ１２及び１／４波長板１３の組み合わせを用いる場合と比較して損失が大きくなる。したがって、損失の少なさを重視する場合には偏光ビームスプリッタ１２及び１／４波長板１３の組み合わせを採用すればよいし、構成の単純さ及び部品コストの安さを重視する場合にはハーフミラーを採用すればよい。
　（１／４波長板）
　１／４波長板１３は、図１に示すように、２次元ビームＬ２１の光軸上に配置されている。１／４波長板１３をは、２次元ビームＬ２１を偏光面がｚｘ面と平行な直線偏光から円偏光に変換する。また、１／４波長板１３は、２次元ビームＬ２２を円偏光から偏光面がｘｙ面と平行な直線偏光に変換する。
　（シリンドリカルレンズ）
　シリンドリカルレンズ１４は、図１に示すように、２次元ビームＬ２１の光軸上に配置されている。シリンドリカルレンズ１４は、２次元ビームＬ２１のｚ軸方向の成分をコリメート光から収束光に変換し、２次元ビームＬ２１のｙ軸方向の成分をコリメート光のまま透過する向きに配置されている。
　したがって、シリンドリカルレンズ１４は、２次元ビームＬ２１を１次元ビームＬ１１に変換すると共に、１次元ビームＬ１２を２次元ビームＬ２２に変換する。なお、２次元ビームＬ２１の光軸と、１次元ビームＬ１１の光軸とは一致しており、１次元ビームＬ１２の光軸と、２次元ビームＬ２２の光軸とは一致している。
　１次元ビームＬ１１及び１次元ビームＬ１２は、結像した状態において照射領域が一次元的なラインとなるビームである。シリンドリカルレンズ１４は、２次元ビームＬ２１を変換することにより得られる１次元ビームＬ１１のラインがｙ軸と平行になるように配置されている。
　（両凸レンズ）
　両凸レンズ１５は、図１に示すように、１次元ビームＬ１１の光軸上に配置されている。両凸レンズ１５は、シリンドリカルレンズ１４との間隔が、シリンドリカルレンズ１４の焦点距離と両凸レンズ１５の焦点距離との和と等しくなる位置に配置されている。したがって、両凸レンズ１５は、１次元ビームＬ１１のｚ軸方向の成分を拡散光からコリメート光に変換し、１次元ビームＬ１１のｙ軸方向の成分をコリメート光から収束光に変換する。
　（走査ミラー）
　走査ミラー１６は、図１に示すように、１次元ビームＬ１１の光軸上に配置されている。走査ミラー１６は、その中心と両凸レンズ１５との間隔が、両凸レンズ１５の焦点距離と等しくなる位置に配置されている。
　走査ミラー１６は、その基準位置において、ｘ軸正方向に向かって伝搬してくる１次元ビームＬ１１をｚ軸負方向に向かって反射するように配置されている。すなわち、基準位置における走査ミラー１６の反射面に対して、１次元ビームＬ１１は、入射角４５°で入射し、出射角４５°で出射する。
　また、走査ミラー１６は、その基準位置において、ｚ軸正方向に向かって伝搬してくる１次元ビームＬ１２をｘ軸負方向に向かって反射するように配置されている。すなわち、基準位置における走査ミラー１６の反射面に対して、１次元ビームＬ１２は、入射角４５°で入射し、出射角４５°で出射する。
　走査ミラー１６は、基準位置に対して微小な角度の範囲内において反射面の向きが振動するように構成されている。なお、走査ミラー１６は、回転軸がｙ軸と平行になるように配置されている。走査ミラー１６が振動する角度の範囲は限定されない。この角度の範囲は、２次元光変調器１１のセル群Ｃにおける列のピッチや、光学系の配置などに応じて適宜定めることができる。この角度の範囲は、一例として、基準位置に対して±２．５°である。
　走査ミラー１６は、反射面の向きを切り替えることによって、後述する変調工程Ｓ１２において１次元ビームＬ１１を入射させるセル群Ｃの列を切り替える。
　なお、セル群Ｃにおいて１次元ビームＬ１１を入射させる場合に切り替える単位となる列は、１列のセルＣｍｎにより構成されていてもよいし、複数列のセルＣｍｎにより構成されていてもよい。切り替える単位となる列を何列のセルＣｍｎにより構成するかは、１次元ビームＬ１１におけるライン幅との大小関係や、走査光学系におけるアライメントの精度などを考慮して、適宜定めることができる。
　このような走査ミラー１６としては、共振器ミラー、ガルバノミラー、及びポリゴンミラーの何れかを好適に用いることができる。高速に駆動可能な共振器ミラーの駆動周波数は、例えば、１２ｋＨｚであり、高速に駆動可能なガルバノミラーの駆動周波数は、例えば、５００Ｈｚである。本実施形態では、走査ミラー１６として駆動周波数が１２ｋＨｚである共振器ミラーを用いる。
　走査ミラー１６は、制御部１８によりその動作を制御されている。具体的には、制御部１８は、走査ミラー１６の振動する角度の範囲を制御している。
　（対物レンズ）
　対物レンズ１７は、走査ミラー１６により反射された１次元ビームＬ１１の光軸上に配置されている。対物レンズ１７は、走査ミラー１６の中心との間隔が、自身の焦点距離と等しくなる位置に配置されている。したがって、対物レンズ１７は、１次元ビームＬ１１のｙ軸方向の成分を拡散光からコリメート光に変換し、１次元ビームＬ１１のｘ軸方向の成分をコリメート光から収束光に変換する。また、対物レンズ１７の後段に配置されている２次元光変調器１１は、対物レンズ１７との間隔が対物レンズ１７の焦点距離と等しくなる位置に配置されている。したがって、１次元ビームＬ１１は、２次元光変調器１１の表面においてｘ軸方向の成分が結像されるので、照射領域が一次元的なラインとなる。１次元ビームＬ１１におけるラインが延伸されている方向は、セル群Ｃの列方向（すなわちｙ方向）と平行である。
　このように、対物レンズ１７は、走査ミラー１６により反射された１次元ビームＬ１１を、セル群Ｃの何れかの列に対して導くと共に結像させる。このとき、１次元ビームＬ１１がセル群Ｃのどの列に対して結像するかは、走査ミラー１６の反射面の向きにより制御されている。すなわち、１次元ビームＬ１１が結像されるセル群Ｃの列は、制御部１８により制御されている。
　（両凸レンズ及び対物レンズの組み合わせ）
　また、対物レンズ１７は、セル群Ｃの何れかの列により反射された１次元ビームＬ１２であって、空間変調された１次元ビームＬ１２を走査ミラー１６の反射面に対して結像させる。１次元ビームＬ１２は、１次元ビームＬ１１の光路と同じ光路を逆向きに伝搬し、シリンドリカルレンズ１４に入射する。
　対物レンズ１７は、両凸レンズ１５と協働することによりラインビームである１次元ビームＬ１１及び１次元ビームＬ１２のサイズを二次元的に縮小又は拡大する。両凸レンズ１５及び対物レンズ１７による縮小又は拡大の倍率は、両凸レンズ１５の焦点距離と、対物レンズ１７の焦点距離との組み合わせにより定まる。
　また、走査ミラー１６を用いた走査に起因する収差をある程度許容できる場合には、両凸レンズ１５及び対物レンズ１７を省略することもできる。この場合、シリンドリカルレンズ１４は、図１の対物レンズ１７の位置に配置され、シリンドリカルレンズ１４の前後に、走査ミラー１６および２次元光変調器１１が配置される。この時、シリンドリカルレンズ１４と走査ミラー１６の間隔およびシリンドリカルレンズ１４と２次元光変調器１１の間隔は、シリンドリカルレンズ１４の焦点距離と等しくなる。走査ミラー１６を用いた走査に起因する収差をある程度許容できる場合の例としては、２次元光変調器１１の中心付近の列のみを使用する場合が挙げられる。すなわち、１次元ビームＬ１１の列方向における走査範囲が狭い場合が挙げられる。本実施形態においては、２００列の２次元光変調器１１を用いているため、２次元光変調器１１の中心は、１００列目と１０１列目との間に位置する。
　（走査光学系）
　上述した２次元光変調器１１、偏光ビームスプリッタ１２、シリンドリカルレンズ１４、両凸レンズ１５、走査ミラー１６、対物レンズ１７、及び、制御部１８のうち、シリンドリカルレンズ１４、走査ミラー１６、及び、対物レンズ１７は、走査光学系の一例である。
　＜光変調方法＞
　次に、光変調装置１０が実施する光変調方法について、図１を参照して説明する。
　本光変調方法は、第１変換工程Ｓ１１と、変調工程Ｓ１２と、第２変換工程Ｓ１３とを含む。
　まず、走査光学系のシリンドリカルレンズ１４は、２次元ビームＬ２１を１次元ビームＬ１１に変換する第１変換工程Ｓ１１を実施する。
　次に、走査光学系の走査ミラー１６及び対物レンズ１７は、第１変換工程Ｓ１１にて得られた１次元ビームＬ１１をセル群Ｃの何れかの列に入射させることによって、その列により空間変調された１次元ビームＬ１２を生成する変調工程Ｓ１２を実施する。
　次に、走査光学系の対物レンズ１７及び走査ミラー１６は、空間変調された１次元ビームＬ１２をシリンドリカルレンズ１４に入射させる。
　次に、走査光学系のシリンドリカルレンズ１４は、空間変調された１次元ビームＬ１２を２次元ビームＬ２２に変換する第２変換工程Ｓ１３を実施する。
　そのうえで、本光変調方法では、変調工程Ｓ１２において１次元ビームＬ１１を入射させるセル群Ｃの列を切り替えながら繰り返し実行する。
　以上のように、光変調装置１０では、１次元ビームＬ１１をセル群Ｃの何れかの列に入射させることによって空間変調された１次元ビームＬ１２を生成し、空間変調された１次元ビームＬ１２を２次元ビームＬ２２に変換することによって、空間変調された２次元ビームＬ２２を生成することができる。したがって、２次元光変調器１１において各セルＣｍｎにおける変調量を再設定しなくても（フレームを更新しなくても）最大でＮ個の変調パターンを得ることができるので、光変調装置１０は、２次元光変調器１１のフレームレートよりも高いフレームレートで駆動することができる。
　（制御部による制御）
　制御部１８は、セル群Ｃの各セルＣｍｎにおける変調量を予め設定しておく。この予め設定された変調量を１フレーム目の変調量と呼ぶ。セル群Ｃのｎ列目に配置されたセルＣ１ｎ～ＣＭｎにおける１次元の変調量の分布を分布φｎと表し、１フレーム分のセル群Ｃの分布φｎをまとめて分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝と表す。図２では、分布φのうちφ１及びφＮを代表として図示している。
　そのうえで、制御部１８は、走査ミラー１６を制御することにより、１次元ビームＬ１１をセル群Ｃの１列目に配置されたセルＣ１１～ＣＭ１に入射させる。セルＣ１１～ＣＭ１は、分布φ１により１次元ビームＬ１１を変調することにより１次元ビームＬ１１を１次元ビームＬ１２に変換する。すなわち、１次元ビームＬ１２は、分布φ１により空間変調された１次元ビームである。
　次に、制御部１８は、走査ミラー１６を制御することにより、１次元ビームＬ１１をセル群Ｃの２列目に配置されたセルＣ１２～ＣＭ２に入射させる。セルＣ１２～ＣＭ２は、分布φ２により１次元ビームＬ１１を変調することにより１次元ビームＬ１１を１次元ビームＬ１２に変換する。
　その後、制御部１８は、走査ミラー１６を制御することにより、１次元ビームＬ１１をセル群Ｃの３列目～Ｎ列目の各列に順番に入射させる。セル群Ｃの３列目～Ｎ列目の各列は、それぞれ、分布φ３，・・・φｎ，・・・φＮにより１次元ビームＬ１１を変調することにより１次元ビームＬ１１を１次元ビームＬ１２に変換する。
　以上のように、光変調装置１０は、走査ミラー１６及び制御部１８を用いて１次元ビームＬ１１をｘ軸正方向に向かって走査することにより、２次元光変調器１１の１フレーム目の変調量の分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝により変調された１次元ビームＬ１２を生成する。すなわち、変調工程Ｓ１２において１次元ビームＬ１１を入射させるセル群Ｃの列が１列目からＮ列目まで一巡することにより、光変調装置１０は、分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝を有する１次元ビームＬ１２を生成する。
　なお、１次元ビームＬ１２は、第２変換工程Ｓ１３により２次元ビームＬ２２に変換される。この第２変換工程Ｓ１３により、１次元ビームＬ１２の各分布φｎが行の方向に沿って引き延ばされる。その結果、２次元ビームＬ２２における各分布φｎは、１次元ビームＬ１２における各分布φｎを行の方向に沿って拡大させた形状になる。
　ここで、１次元ビームＬ１１に関して所望の変調パターンの数が列数Ｎ以下である場合、以上の工程をもって光変調方法を終了すればよい。一方、所望の変調パターンの数が列数Ｎよりも多い場合、制御部１８は、セル群Ｃの各セルＣｍｎにおける変調量を再設定する。この再設定された変調量を２フレーム目の変調量と呼ぶ。
　制御部１８は、走査ミラー１６を制御することにより、１次元ビームＬ１１をセル群ＣのＮ列目～１列目の各列に順番に入射させる。すなわち、光変調装置１０は、走査ミラー１６及び制御部１８を用いて１次元ビームＬ１１をｘ軸負方向に向かって走査することにより、２次元光変調器１１の２フレーム目の変調量の分布φ｛φＮ＋１，φＮ＋２，・・・φ２Ｎ｝により変調された１次元ビームＬ１２を生成する。すなわち、変調工程Ｓ１２において１次元ビームＬ１１を入射させるセル群Ｃの列がＮ列目から１列目まで一巡することにより、光変調装置１０は、分布φ｛φＮ＋１，φＮ＋２，・・・φ２Ｎ｝を有する１次元ビームＬ１２を生成する。１次元ビームＬ１２は、第２変換工程Ｓ１３により２次元ビームＬ２２に変換される。
　なお、２次元光変調器１１は、１次元ビームＬ１１がセル群Ｃの１列目からＮ列目まで走査されたタイミングで、できるだけ早く各セルＣｍｎにおける変調量を２フレーム目の変調量に更新できることが好ましい。そのためには、２次元光変調器１１のフレームレートは、できるだけ速いことが好ましく、走査ミラー１６の駆動周波数の２倍以上であることがより好ましい。本実施形態においては、２次元光変調器１１としてフレームレートが２５ｋＨｚのＤＭＤを採用し、走査ミラー１６として駆動周波数が１２ｋＨｚの共振器ミラーを使用しているので、上述した条件を満たしている。
　このように構成された光変調装置１０は、走査ミラー１６が１周期分の走査を実施する間に、２次元光変調器１１の２フレーム分の分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝及び分布φ｛φＮ＋１，φＮ＋２，・・・φ２Ｎ｝により変調された２次元ビームＬ２２を生成することができる。したがって、光変調装置１０は、１２ｋＨｚ×２×Ｎのフレームレートを実現することができる。本実施形態では、Ｎ＝２００を採用しているので、光変調装置１０は、４．８ＭＨｚのフレームレートを実現可能である。
　なお、本実施形態では、２次元光変調器１１として強度変調型のＤＭＤを採用し、そのフレームレート（例えば２５ｋＨｚ）に対応して、走査ミラー１６として共振器ミラーを採用している。ただし、２次元光変調器１１として位相変調型のＬＣＯＳを採用する場合には、そのフレームレート（例えば５００Ｈｚ）に対応して、走査ミラー１６としてガルバノミラーを採用することが好ましい。ガルバノミラーの駆動周波数として２５０Ｈｚ（ＬＣＯＳのフレームレートの１／２）を採用する場合、光変調装置１０は、１００ｋＨｚ（＝２５０Ｈｚ×２×Ｎ）のフレームレートを実現可能である。
　＜散乱媒質＞
　以上のように、光変調装置１０は、空間変調された２次元ビームＬ２２を偏光ビームスプリッタ１２のｚ軸負方向側に位置する出射面から、ｚ軸負方向に向かって出射する。図１においては、２次元光変調器１１の１フレーム目の変調量の分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝により変調された２次元ビームＬ２２のみを模式的に示している。走査光学系の走査ミラー１６及び対物レンズ１７は、１次元ビームＬ１１をセル群Ｃの各列に順番に照射していく。そのため、分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝により変調された２次元ビームＬ２２が偏光ビームスプリッタ１２から順番に出射される。
　そのうえで、集光装置１では、光変調装置１０の後段（すなわち、偏光ビームスプリッタ１２の後段）であって、２次元光変調器１１の共役面となる位置に、散乱媒質２１を配置している。
　散乱媒質２１は、一方の主面（図１においてはｚ軸正方向側の主面）に入射する光を散乱するように構成されている。散乱媒質２１は、固体であってもよいし、液体であってもよいし、ゲルのようなコロイドであってもよい。本実施形態では、固体の散乱媒質２１としてすりガラスを採用している。固体の散乱媒質２１の他の例としては、オパールガラス及び凝集したナノ粒子が挙げられる。
　ランダムな変調パターンを有する２次元ビームを散乱媒質２１に入射させた場合、散乱媒質２１の後段に位置する集光面ＰＣに複数のスペックルと呼ばれる斑点状の模様が生じることが知られている。ただし、特定の散乱媒質２１に対する２次元ビームの波面解を予め求めておき、光変調装置１０が生成する２次元ビームＬ２２の波面を上述した波面解にできるだけ近づけることによって、２次元ビームを所定の点に集光することができる。そのためには、セル群Ｃにおいて各列において、２次元ビームＬ２２の波面を上述した波面解にできるだけ近づけるように、各セルＣｍｎの変調量を設定すればよい。本実施形態では、上述した波面解の求め方として、生物が進化する過程を模倣した遺伝的アルゴリズム（X. Zhang et al., ”Binary wavefront optimization using a genetic algorithm”(2019)）を採用した。ただし、波面解の求め方は、これに限定されず、適宜選択することができる。
　このように各セルＣｍｎの変調量を設定することにより、散乱媒質２１を用いて、空間変調された２次元ビームＬ２２を所定の集光点に集光することができる。
　このように、セル群Ｃの各列において、集光ビームの集光点が異なる位置に形成されるように分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝を設定しておくことにより、集光点を走査することができる。したがって、走査型のイメージングが可能になる。この技術は、散乱レンズと呼ばれている。
　例えば、集光面ＰＣにおいて、集光点が移動するように分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝を設定しておくことにより、集光装置１は、集光面ＰＣにおいて集光点を所定の経路に沿って走査することができる。また、２次元光変調器１１の１フレーム目のみならず、２フレーム以降においてもセル群Ｃにおける分布φを最適化しておくことにより、集光装置１は、集光面ＰＣにおける集光点の走査を所望の期間に亘って実施することができる。
　＜変形例＞
　図１に示した集光装置１の変形例である集光装置１Ａについて、図３を参照して説明する。図３は、集光装置１Ａが備えている走査光学系３０の概念を示す斜視図である。図３に図示する座標系は、図１及び図２に図示する座標系と同じである。
　集光装置１Ａは、集光装置１をベースにしている。ただし、集光装置１Ａは、光変調装置１０の後段（偏光ビームスプリッタ１２の後段）に配置されている散乱媒質２１の代わりに走査光学系３０を採用している点が集光装置１と異なる。したがって、本変形例では、走査光学系３０についてのみ説明し、光変調装置１０の説明を省略する。
　図３に示すように、走査光学系３０は、固定ミラー３１と、走査ミラー３２と、対物レンズ３３と、を備えている。
　（固定ミラー）
　固定ミラー３１は、図３に示すように、２次元ビームＬ２２の光軸上に配置されている。固定ミラー３１は、ｚ軸負方向に向かって伝搬してくる２次元ビームＬ２２をｘ軸正方向に向かって反射するように配置されている。すなわち、固定ミラー３１の反射面に対して、２次元ビームＬ２２は、入射角４５°で入射し、出射角４５°で出射する。
　なお、本変形例において、固定ミラー３１は、走査ミラー３２により反射された２次元ビームＬ２２の光軸を、図１に示した光変調装置１０において２次元光変調器１１に照射される１次元ビームＬ１１の光軸と平行にするために便宜的に設けたものである。走査ミラー３２により反射された２次元ビームＬ２２の光軸と、光変調装置１０において２次元光変調器１１に照射される１次元ビームＬ１１の光軸とが平行でなくてもよい場合には、固定ミラー３１を省略することができる。
　（走査ミラー）
　走査ミラー３２は、固定ミラー３１により反射された２次元ビームＬ２２の光軸上に配置されている。
　走査ミラー３２は、その基準位置において、ｘ軸正方向に向かって伝搬してくる２次元ビームＬ２２をｚ軸負方向に向かって反射するように配置されている。すなわち、基準位置における走査ミラー３２の反射面に対して、２次元ビームＬ２２は、入射角４５°で入射し、出射角４５°で出射する。
　走査ミラー３２は、走査ミラー１６と同様に、基準位置に対して微小な角度の範囲内において反射面の向きが振動するように構成されている。なお、走査ミラー３２は、回転軸がｙ軸と平行になるように配置されている。
　集光装置１Ａは、走査光学系３０を備えていることにより、集光面ＰＣにおいて結像させる２次元ビームＬ２２をｘ軸方向に沿って周期的に振動させながら走査することができる。
　２次元光変調器１１は、ｙ軸方向に沿ったストライプ状の分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝を時系列に変化させることができる。したがって、２次元光変調器１１は、２次元ビームＬ２２の伝搬角度をｙ軸方向に沿って微小変化させることができる。これにより、対物レンズ３３によって生成された光スポットを、集光面ＰＣにおいてｙ軸方向に沿って走査させることができる。
　そのうえで、集光装置１Ａは、走査ミラー３２を備えているため、ストライプ状の分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝を有する２次元ビームＬ２２の伝搬角度をｘ軸方向に沿って微小変化させることができる。これにより，対物レンズ３３によって生成された光スポットを、集光面ＰＣにおいてｘ軸方向に沿って走査させることができる。したがって、集光装置１Ａは、集光装置１と同様に、２次元ビームＬ２２の集光面ＰＣにおける光スポットを２次元的に走査することができる。
　（対物レンズ）
　対物レンズ３３は、走査ミラー３２により反射された２次元ビームＬ２２を、所定の集光面ＰＣにおいて結像させる。なお、対物レンズ３３として焦点可変レンズを採用することにより、２次元ビームＬ２２の集光点をｚ軸方向に沿って可変させることができる。
　ここでは、図４及び図５を参照して、集光装置１の第１の実施例、第２の実施例、及び、第３の実施例について説明する。図４は、集光装置１の第１の実施例の構成を模式的に示す平面図である。図５の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、集光装置１の第２の実施例及び第３の実施例の構成を模式的に示す平面図である。
　第１の実施例～第３の実施例は、本発明の一態様を実施するために、図１に示した集光装置１を具体化した構成である。ただし、図１に示した集光装置１を具体化するための構成は、第１の実施例～第３の実施例に限定されず、偏光ビームスプリッタ１２、シリンドリカルレンズ１４、走査ミラー１６、及び、対物レンズ１７以外の光学部材については、適宜選択することができる。
　第１の実施例は、集光装置１を用いて２次元ビームＬ２２の集光点を走査する場合の構成である。図４において、集光面ＰＣよりも後段に配置されている観測系の構成は、走査させる集光点を観測するための構成である。この観測系の構成は、実際に集光装置１を利用する場合には省略することができる。
　第２の実施例は、集光装置１を用いて２次元ビームＬ２２の集光点を走査する場合の構成であって、各集光点における散乱媒質２１からの距離を変化させる場合の構成である。図５の（ａ）においては、第２の実施例において用いる観測系の構成のみを図示している。
　第３の実施例は、集光装置１が生成する２次元ビームＬ２２を集光ビームに変換することなく、２次元ビームＬ２２の変調パターンをそのまま観測するための構成である。図５の（ｂ）においては、第３の実施例において用いる観測系の構成のみを図示している。
　〔第１の実施例〕
　第１の実施例である集光装置１において、光変調装置１０は、図１に示した光変調装置１０（２次元光変調器１１、偏光ビームスプリッタ１２、シリンドリカルレンズ１４、両凸レンズ１５、走査ミラー１６、対物レンズ１７、及び、制御部１８）の構成に加えて、レーザー光源ＬＳと、１／２波長板ＨＷＰと、ビームエクスパンダーＢＥと、１／４波長板１３と、体積ホログラム回折格子ＶＨＧと、を備えている。
　また、第１の実施例である集光装置１において、偏光ビームスプリッタ１２と散乱媒質２１との間には、両凸レンズＬ１と、空間フィルタＳＦと、両凸レンズＬ２と、両凸レンズＬ３と、固定ミラーＭと、両凸レンズＬ４と、が配置されている。
　また、散乱媒質２１の後段には、観測系の構成として、両凸レンズＬ５と、偏光子Ｐと、カメラＣＡＭと、が配置されている。
　本実施例では、次の構成を用いた。レーザー光源ＬＳとして、ThorlabsのHNL150LB（出力１５ｍＷのＨｅＮｅレーザー）を採用した。２次元光変調器１１として、ＤＭＤの一例であるVialuxのV-7001（フレームレートは２５ｋＨｚ）を採用した。本実施例において、セル群Ｃの行数Ｍ及び列数Ｎは、何れも３６０であり、且つ、セル群Ｃにおいて１次元ビームＬ１１を入射させる場合に切り替える単位となる列は、２列のセルＣｍｎにより構成するものとした。したがって、実際に走査対象となる列数は、１８０列である。シリンドリカルレンズ１４として焦点距離が１００ｍｍのシリンドリカルレンズを採用した。両凸レンズ１５として、焦点距離が５０ｍｍであるアクロマティックレンズを採用した。走査ミラー１６として、共振器ミラーの一例であるCambridge TechnologyのCRS（駆動周波数は、１２ｋＨｚ）を採用した。対物レンズ１７として倍率が４倍である対物レンズを採用した。
　体積ホログラム回折格子ＶＨＧは、対物レンズ１７と２次元光変調器１１との間に配置されている。体積ホログラム回折格子ＶＨＧは、１次元ビームＬ１１をおおよそ１２度回折させることで，２次元光変調器１１において各セルＣｍｎを構成するマイクロミラーの傾き（おおよそ１２°）を相殺する目的で配置されている。
　また、偏光ビームスプリッタ１２の後段に配置された両凸レンズＬ１～Ｌ４は、何れも、アクロマティックレンズである。両凸レンズＬ１～Ｌ４の各々の焦点距離は、それぞれ、１５０ｍｍ、１００ｍｍ、５０ｍｍ、３０ｍｍである。
　また、両凸レンズＬ１の後段に配置された空間フィルタＳＦは、２次元ビームＬ２２のうち光軸近傍に分布する光のみを透過することにより、２次元ビームＬ２２に含まれる不要な光を除去する。
　空間フィルタＳＦの後段に配置された両凸レンズＬ２は、空間フィルタＳＦから出射される２次元ビームＬ２２であって、発散光である２次元ビームＬ２２をコリメートする。
　両凸レンズＬ２の後段に配置された両凸レンズＬ３は、２次元ビームＬ２２を収束光に変換すると共に、固定ミラーＭの反射面に結像させる。
　両凸レンズＬ３の後段に配置された固定ミラーＭは、２次元ビームＬ２２を反射することにより、２次元ビームＬ２２を散乱媒質２１の方向へ導く。
　固定ミラーＭの後段に配置された両凸レンズＬ４は、固定ミラーＭにより反射された２次元ビームＬ２２であって、発散光である２次元ビームＬ２２をコリメートし、散乱媒質２１に入射させる。
　第１の実施例においては、散乱媒質２１との間隔が一定である集光面ＰＣ上において２次元ビームＬ２２の集光点を走査することができるように、セル群Ｃの各列における分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝を設定した。具体的には、集光面ＰＣ上に円を想定し、その円周を８等分するように８個の点を設定した。各φｎは、２次元ビームＬ２２の集光点が８個の点の何れかと一致するように、遺伝的アルゴリズムを用いて設定した。加えて、分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝は、８個の点において集光点が生成される順番がランダムになるように設定した。これは、集光点の走査におけるランダムアクセス性を検証するためである。
　このようにして設定された分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝により変調された２次元ビームＬ２２は、散乱媒質２１により集光ビームに変換され、集光面ＰＣ上の８個の点の何れかに集光される。
　集光面ＰＣ上における２次元ビームＬ２２の集光パターンは、観測系の構成である両凸レンズＬ５（焦点距離７５ｍｍ）と、偏光子Ｐと、カメラＣＡＭと、を用いて観測される。
　また、第１の実施例に対する比較例として、セル群Ｃの各列における分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝をランダムに設定した。
　〔第２の実施例及び第３の実施例〕
　第１の実施例では、散乱媒質２１との間隔が１ｃｍである集光面ＰＣ上に円を想定し、その円周を８等分するように８個の点を設定した。すなわち、第１の実施例では、散乱媒質２１の主面と、集光面ＰＣとは、平行であった。
　一方、第２の実施例では、図５の（ａ）に示すように、散乱媒質２１の主面に対して角度θだけ集光面ＰＣを傾けることにより、集光面ＰＣと散乱媒質２１との間隔が単調に変化するようにした。そのうえで、集光面ＰＣ上に、各点と散乱媒質２１との間隔が単調に変化するように、８個の点を設定した。第２の実施例においても、各φｎは、２次元ビームＬ２２の集光点が８個の点の何れかと一致するように、遺伝的アルゴリズムを用いて設定した。
　また、第３の実施例では、２次元ビームＬ２２の変調パターンをそのまま観測するため、２次元光変調器１１の共役面となる位置に、カメラＣＡＭを配置した。
　第３の実施例では、図６の（ａ）に示すように、Ｎ＝９０である列の分布φ９０として、２値の強度が交互に並んだ分布を設定した。すなわち、ｍが奇数であるセルＣｍ９０においては、強度を１に設定し、ｍが偶数であるセルＣｍ９０においては、強度をゼロに設定した。また、Ｎ＝９０以外の列においては、全てのセルＣｍｎにおいて強度をゼロに設定した。
　なお、第３の実施例では、走査ミラー１６として、共振器ミラーの一例であるCambridge TechnologyのCRSの代わりにガルバノスキャナーの一例であるThorlabsのGVS001を採用した。ガルバノスキャナーは、走査ミラー１６の反射面の向きを閉ループで制御することができるためである。
　〔２次元ビームの変調パターン〕
　第３の実施例を用いて、２次元ビームＬ２２の変調パターンを観測した。その結果、図６の（ｂ）に示す２次元ビームＬ２２の変調パターンが得られた。
　図６の（ｂ）に示す変調パターンにおいては、図６の（ａ）に示す分布φ９０において点として分布していた強度が１に設定された領域がストライプ状に引き延ばされている。そのため、図６の（ｂ）に示す変調パターンは、第２変換工程Ｓ１３により、分布φ９０が行の方向に沿って引き延ばされることによって生成されたと考えられる。したがって、光変調装置１０は、設計どおりに機能していることが分かった。
　次に、２次元光変調器１１の走査対象となる各列の分布として、同一である２値の強度分布（φ１＝φ２＝・・・＝φｎ＝・・・＝φＮ）を設定し、２次元ビームＬ２２の変調パターンを観測した。全ての分布φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮの相互相関を網羅的に求め、行列形式に示したグラフを図６の（ｃ）に示す。
　図６の（ｃ）を参照すれば、対角成分は、自己相関値になるため全ての要素が１である。一方、分布同士の相互相関値（非対角成分）は、平均90%以上を示した。この結果より、１次元ビームＬ１１によりセル群Ｃの各列を順番に走査することによって、２次元光変調器１１の各列における１次元の分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝を用いた変調に成功していることが分かった。
　〔位相変調による集光点の生成〕
　第１の実施例、及び、比較例を用いて、走査される２次元ビームＬ２２の集光点を観測した。
　図６の（ｄ）は、比較例の観測結果を示す画像である。セル群Ｃの各列における分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝をランダムに設定した場合、図６の（ｄ）に示すように、スペックルパターンの画像が得られた。スペックルパターンは、２次元ビームＬ２２におけるランダムな干渉の結果として得られるパターンである。
　図６の（ｅ）は、第１の実施例の観測結果を示す画像である。セル群Ｃの各列における分布φ｛φ１，φ２，・・・φｎ，・・・φＮ｝を、遺伝的アルゴリズムによって求めた波面解を用いて設定した場合、図６の（ｅ）に示すように、集光点を生成できることが分かった。集光点は、２次元ビームＬ２２における強め合う干渉の結果として得られるパターンである。
　図６の（ｆ）は、セル群Ｃの各列におけるＰＢＲ（Peak-to-Background Ratio）を示したグラフである。ＰＢＲとは、背景スペックルの平均強度値Ｉｂに対する集光点のピーク強度値Ｉｐの比率（Ｉｐ/Ｉｂ）であり、空間光変調の精度や空間自由度の高さなどを示す尺度になる。すなわち、ＰＢＲは、集光点の品質を評価するときの指標となる。
　図６の（ｆ）によれば、集光点のＰＢＲは、セル群Ｃの列番号に依存せず、安定して４０程度であることが分かった。この結果より、セル群Ｃの全ての列において精度の高い空間光変調が行えていることが分かった。
　〔超高速２次元光変調〕
　第１の実施例及び第２の実施例を用いて、２次元ビームＬ２２の集光点を走査した。
　図７の（ａ）は、集光装置１のフレームレートの列依存性を示すグラフである。図７の（ａ）に示すように、集光装置１のフレームレートは、約１ＭＨｚから約７ＭＨｚの範囲内において、正弦波状に変化し、全体のフレームレートとしては約４．３ＭＨｚであることが分かった。これは、走査ミラー１６として採用した共振器スキャナーの運動速度が、原理上、正弦波状に変化するためである。
　第１の実施例及び第２の実施例では、代表的な３点のフレームレート（１ＭＨｚ，３ＭＨｚ，６ＭＨｚ）を検証した。このためには、ＭＨｚスケールで走査される集光点を個々に観測することが望ましい。しかし、一般的な科学用カメラは、ＭＨｚクラスのフレームレートを持っていない。そこで、第１の実施例及び第２の実施例では、カメラＣＡＭとして、BaslerのacA1440-220umを採用した。このカメラＣＡＭは、露光時間１μｓの極短露光モードを持つ。露光時間１μｓの間に生成される集光点の数を数えることで、集光点の走査速度、すなわち、集光装置１のフレームレートを検証した。
　第１の実施例において、図７の（ｂ）は、フレームレートを１ＭＨｚにした場合の集光点を示す画像であり、図７の（ｃ）は、フレームレートを３ＭＨｚにした場合の集光点を示す画像であり、図７の（ｄ）は、フレームレートを６ＭＨｚにした場合の集光点を示す画像である。
　なお、図７の（ｂ）～（ｄ）に示す８個の赤丸は、集光面ＰＣ上に円を想定し、その円周を８等分することにより定めた８個の点に対応する。
　１ＭＨｚのフレームレートでは、１μｓの露光時間の間に２次元光変調器１１の２列分が変調されるため、８個の点のうち２個の点に集光点が生成されるはずである。また、３ＭＨｚのフレームレートでは、１μｓの露光時間の間に２次元光変調器１１の４列分が変調されるため、８個の点のうち４個の点に集光点が生成されるはずである。また、６ＭＨｚのフレームレートでは、１μｓの露光時間の間に２次元光変調器１１の７列分が変調されるため、８個の点のうち７個の点に集光点が生成されるはずである。
　図７の（ｂ）～（ｄ）を参照すれば、第１の実施例の１ＭＨｚ，３ＭＨｚ，６ＭＨｚの各フレームレートにおいて、上述したとおりの結果になっていることが分かった。
　第２の実施例において、図７の（ｅ）は、フレームレートを１ＭＨｚにした場合の集光点を示す画像であり、図７の（ｆ）は、フレームレートを３ＭＨｚにした場合の集光点を示す画像であり、図７の（ｇ）は、フレームレートを６ＭＨｚにした場合の集光点を示す画像である。
　なお、図７の（ｅ）～（ｇ）に示す８個の赤丸は、集光面ＰＣ上に設定した８個の点であって、各点と散乱媒質２１との間隔が単調に変化する８個の点に対応する。
　図７の（ｅ）～（ｇ）を参照すれば、第２の実施例の１ＭＨｚ，３ＭＨｚ，６ＭＨｚの各フレームレートにおいても、第１の実施例の場合と同様に、上述したとおりの結果になっていることが分かった。
　以上の結果より、集光装置１は、ＭＨｚクラスの速度で集光点を三次元走査できること、換言すれば、集光装置１は、ＭＨｚクラスのフレームレートを有することが実験的に実証された。
　〔まとめ]
　本発明の第１の態様に係る光変調装置は、行列状に配置されたセル群であって、各セルにおける変調量を独立に設定可能なセル群を含む２次元光変調器と、２次元ビームを１次元ビームに変換する第１変換工程、前記第１変換工程にて得られた１次元ビームを前記セル群の何れかの列に入射させることによって、その列により空間変調された１次元ビームを生成する変調工程、及び、前記変調工程にて得られた１次元ビームを２次元ビームに変換する第２変換工程を、前記変調工程において１次元ビームを入射させる前記セル群の列を切り替えながら繰り返し実行する走査光学系と、を備えている。
　上記の構成によれば、走査光学系は、２次元光変調器に含まれるセル群の何れかの列に１次元ビームを入射させることにより、その列の変調パターンに対応して変調された２次元ビームを得ることができる。そのうえで、走査光学系は、２次元光変調器における１フレームの期間内に、セル群の複数の列に対して第１変換工程、変調工程、及び、第２変換工程を実行することができるので、光変調装置のフレームレートは、２次元光変調器のフレームレートよりも高くなる。したがって、第１の態様に係る光変調装置は、２次元光変調器のフレームレートよりも高いフレームレートで駆動することができる。
　本発明の第２の態様に係る光変調装置においては、上述した第１の態様に係る光変調装置の構成に加えて、前記走査光学系は、前記第１変換工程において２次元ビームを１次元ビームに変換すると共に、前記第２変換工程において１次元ビームを２次元ビームに変換するシリンドリカルレンズと、前記変調工程において１次元ビームを前記セル群の何れかの列に導く対物レンズと、前記変調工程において１次元ビームを入射させる前記セル群の列を切り替えるための走査ミラーと、を含んでいる、構成が採用されている。
　上記の構成は、２次元光変調器が反射型の２次元光変調器である場合に好適に用いることができる。
　本発明の第３の態様に係る光変調装置においては、上述した第２の態様に係る光変調装置の構成に加えて、前記２次元光変調器は、デジタルミラーデバイスであり、前記走査ミラーは、共振器ミラーである、構成が採用されている。
　デジタルミラーデバイスは、フレームレートをｋＨｚのオーダーで駆動することができ、共振器ミラーは、周波数をｋＨｚのオーダーで駆動することができる。ここで、２次元光変調器のセル群における列数をＮ（Ｎは、正の整数）とすれば、２次元光変調器は、例えば、共振器ミラーの周波数の２Ｎ倍のフレームレート（例えばＭＨｚのオーダー）で駆動することができる。
　本発明の第４の態様に係る光変調装置においては、上述した第２の態様に係る光変調装置の構成に加えて、前記２次元光変調器は、液晶空間光変調器であり、前記走査ミラーは、ガルバノミラーである、構成が採用されている。
　液晶空間光変調器は、フレームレートを数１００Ｈｚのオーダーで駆動することができ、ガルバノミラーは、周波数を数１００Ｈｚのオーダーで駆動することができる。ここで、２次元光変調器のセル群における列数をＮ（Ｎは、正の整数）とすれば、２次元光変調器は、例えば、共振器ミラーの周波数の２Ｎ倍（例えば数１００ｋＨｚのオーダー）のフレームレートで駆動することができる。
　本発明の第５の態様に係る光変調装置においては、上述した第１の態様～第４の態様の何れか一態様に係る光変調装置の構成に加えて、前記変調工程において１次元ビームを入射させる前記セル群の列が一巡した段階で前記セル群の各セルにおける変調量を再設定する制御部を更に備えている、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、セル群の各セルにおける変調量をフレーム毎に更新することができる。したがって、第５の態様に係る光変調装置は、異なる変調パターンを有する２次元ビームを連続的に生成することができる。
　上記の課題を解決するために、本発明の第６の態様に係る集光装置は、上述した第１の態様～第５の態様の何れか一態様に係る光変調装置と、前記第２変換工程にて得られた２次元ビームを集光ビームに変換する散乱媒質と、を備えた集光装置である。本集光装置においては、前記セル群の各列は、前記集光ビームの集光点が異なる位置に形成されるように各セルの変調量が設定されている、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、光変調装置が生成する複数の２次元ビームであって、それぞれが所定の変調パターンを有する複数の２次元ビームを、散乱媒質を用いて集光ビームに変換することができる。また、集光ビームの集光点は、異なる位置に形成されている。したがって、第６の態様に係る集光装置は、２次元光変調器のフレームレートよりも高いフレームレートで、集光ビームの集光点を移動させる（すなわち、走査する）ことができる。
　上記の課題を解決するために、本発明の第７の態様に係る光変調方法は、行列状に配置されたセル群であって、各セルにおける変調量を独立に設定可能なセル群を含む２次元光変調器を用いた光変調方法であって、第１変換工程と、変調工程と、第２変換工程と、を前記変調工程において１次元ビームを入射させる前記セル群の列を切り替えながら繰り返し実行する。本光変調方法において、前記第１変換工程は、２次元ビームを１次元ビームに変換し、前記変調工程は、前記第１変換工程にて得られた１次元ビームを前記セル群の何れかの列に入射させることによって、その列により空間変調された１次元ビームを生成し、前記第２変換工程は、前記変調工程にて得られた１次元ビームを２次元ビームに変換する。
　本光変調方法は、本発明の第１の態様に係る光変調装置と同じ効果を奏する。
　１　集光装置
１０　光変調装置
１１　２次元光変調器
１２　偏光ビームスプリッタ
１４　シリンドリカルレンズ
１５　両凸レンズ
１６　走査ミラー
１７　対物レンズ
１８　制御部
２１　散乱媒質
Ｌ１１，Ｌ１２　１次元ビーム
Ｌ２１，Ｌ２２　２次元ビーム
Ｓ１１　第１変換工程
Ｓ１２　変調工程
Ｓ１３　第２変換工程

Claims (7)

  1. 　行列状に配置されたセル群であって、各セルにおける変調量を独立に設定可能なセル群を含む２次元光変調器と、
    　２次元ビームを１次元ビームに変換する第１変換工程、前記第１変換工程にて得られた１次元ビームを前記セル群の何れかの列に入射させることによって、その列により空間変調された１次元ビームを生成する変調工程、及び、前記変調工程にて得られた１次元ビームを２次元ビームに変換する第２変換工程を、前記変調工程において１次元ビームを入射させる前記セル群の列を切り替えながら繰り返し実行する走査光学系と、を備えている、ことを特徴とする光変調装置。
  2. 　前記走査光学系は、
    　前記第１変換工程において２次元ビームを１次元ビームに変換すると共に、前記第２変換工程において１次元ビームを２次元ビームに変換するシリンドリカルレンズと、
    　前記変調工程において１次元ビームを前記セル群の何れかの列に導く対物レンズと、
    　前記変調工程において１次元ビームを入射させる前記セル群の列を切り替えるための走査ミラーと、を含んでいる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
  3. 　前記２次元光変調器は、デジタルミラーデバイスであり、
    　前記走査ミラーは、共振器ミラーである、
    ことを特徴とする請求項２に記載の光変調装置。
  4. 　前記２次元光変調器は、液晶空間光変調器であり、
    　前記走査ミラーは、ガルバノミラーである、
    ことを特徴とする請求項２に記載の光変調装置。
  5. 　前記変調工程において１次元ビームを入射させる前記セル群の列が一巡した段階で前記セル群の各セルにおける変調量を再設定する制御部を更に備えている、
    ことを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の光変調装置。
  6. 　請求項１～５の何れか一項に記載の光変調装置と、前記第２変換工程にて得られた２次元ビームを集光ビームに変換する散乱媒質と、を備えた集光装置であって、
    　前記セル群の各列は、前記集光ビームの集光点が異なる位置に形成されるように各セルの変調量が設定されている、
    ことを特徴とする集光装置。
  7. 　行列状に配置されたセル群であって、各セルにおける変調量を独立に設定可能なセル群を含む２次元光変調器を用いた光変調方法であって、
    　２次元ビームを１次元ビームに変換する第１変換工程と、
    　前記第１変換工程にて得られた１次元ビームを前記セル群の何れかの列に入射させることによって、その列により空間変調された１次元ビームを生成する変調工程と、
    　前記変調工程にて得られた１次元ビームを２次元ビームに変換する第２変換工程と、
    を、前記変調工程において１次元ビームを入射させる前記セル群の列を切り替えながら繰り返し実行する、
    ことを特徴とする光変調方法。
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