CN104246572B - 光束扩展器 - Google Patents

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Abstract

本发明的光束扩展器(10A)具备：第一透镜部(12)，其由SLM或VFL中的任一者构成；第二透镜部(14)，其与第一透镜部(12)光学结合，由SLM或VFL中的任一者构成；控制部(16)，其控制第一、第二透镜部(12、14)的焦点距离。第一、第二透镜部(12、14)的距离不变。控制部(16)以输入到第一透镜部(12)的光的光径(D1)与从第二透镜部(14)输出的光的光径(D2)相互不同的方式控制第一、第二透镜部(12、14)的焦点距离。由此，实现可以简易构成且能够缩短变更光径时的所需时间的光束扩展器。

Description

光束扩展器
技术领域
本发明涉及一种光束扩展器。
背景技术
光束扩展器是指可以将平行光的光径以适应于后段的光学部件的方式进行变更的光学部件。一般而言，为了构成光束扩展器，需要使最低2组透镜在光轴上相对移动。即，在由2组透镜构成的光学***中，使这些组相对移动，使合成焦点距离发生变化。由此，相对于入射到一组的平行光的光径，能够使从另一个组输出的平行光的光径不同(例如，参照非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：朝仓书店“最新光学技术指南”第IV部1.3.2节c
非专利文献2：L.A.Romero et al.,“Lossless laser beam shaping”,JOSA,vol.13,No.4,pp.751-760(1996)。
发明内容
发明所要解决的技术问题
如前面所述，在由多个透镜组构成的现有光束扩展器中，为了使平行光的光径发生变化，需要使透镜组在光轴方向上机械移动。然而，为了提高使透镜机械移动时的位置精度，需要极复杂的机构。另外，透镜组的移动需要一定的时间，因而也难以缩短变更光径时的所需时间。
本发明是鉴于这些问题点而完成的发明，其目的在于提供一种可以简易地构成且可以缩短变更光径时的所需时间的光束扩展器。
解决技术问题的手段
为了解决上述的技术问题，本发明所涉及的光束扩展器，其特征在于，具备：第一透镜部，其由空间光调制元件或可变焦点透镜中的任一者构成；第二透镜部，其与第一透镜部光学结合，由空间光调制元件或可变焦点透镜中的任一者构成；控制部，其控制第一透镜部和第二透镜部的焦点距离，第一透镜部与第二透镜部的距离不变，控制部控制以输入到第一透镜部的光的光径与从第二透镜部输出的光的光径相互不同的方式控制第一透镜部和第二透镜部的焦点距离。控制部具体而言通过例如向空间光调制元件提供透镜图案或控制可变焦点透镜的焦点距离来控制第一透镜部和第二透镜部的焦点距离。
在该光束扩展器中，替代现有的光束扩展器中的2个以上的透镜组，配置有由空间光调制元件或可变焦点透镜中的任一者构成的第一透镜部和第二透镜部。空间光调制元件和可变焦点透镜是不变更光轴方向的位置而能够使焦点距离发生变化的光学部件。因此，通过在第一透镜部和第二透镜部的距离被固定的状态下，任意变更光束扩展器***整体的焦点距离，从而能够使从第二透镜部输出的平行光的光径相对于输入到第一透镜部的平行光的光径发生变化。另外，这些光学部件能够根据来自控制部的电信号以极短的时间变更焦点距离。因此，根据上述光束扩展器，能够缩短变更光径时的所需时间。另外，不需要用于使透镜组移动的复杂机构，因而能够简单地构成光束扩展器***整体。
发明的效果
根据本发明所涉及的光束扩展器，可以简易地构成且能够缩短变更光径时的所需时间。
附图说明
图1是表示第1实施方式所涉及的光束扩展器的结构的图。
图2是表示平行光被光束扩展器扩径或缩径的状态的图。
图3是表示控制部进行的第一透镜部和第二透镜部的控制方式的另一个例子的图。
图4是表示控制部进行的第一透镜部和第二透镜部的控制方式的另一个例子的图。
图5是表示第2实施方式所涉及的光束扩展器的结构的图。
图6是表示作为第2实施方式的一个变形例的光束扩展器的结构的图。
图7是表示作为第2实施方式的别的变形例的光束扩展器的结构的图。
图8是表示低数值孔径·低倍率的物镜和高数值孔径·高倍率的物镜的图。
图9是表示第3实施方式所涉及的显微镜的结构的图。
图10是表示第4实施方式所涉及的TIRF显微镜的图。
图11是表示第5实施方式所涉及的加工显微镜的结构例的图。
符号的说明：
10A～10C…光束扩展器、36a～36e…反射镜、12…第一透镜部、14…第二透镜部、16…控制部、22…第一透镜部、24…第二透镜部、26…控制部、28…激光光源、30…空间光调制元件、30a…光反射面、30b…第一透镜部、30c…第二透镜部、32…空间滤波器、32a…聚光透镜、32b…针孔、34…准直透镜、40,42,44…物镜、46…衍射光学元件、50A…显微镜、50B…TIRF显微镜、50C…加工显微镜、P1…入射光、P2…出射光。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边详细说明本发明所涉及的光束扩展器的实施方式。另外，在附图说明中，对相同的要素赋予相同的符号，省略重复的说明。
(第1实施方式)
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的光束扩展器10A的结构的图。本实施方式的光束扩展器10A具备第一透镜部12、第二透镜部14和控制部16。第一透镜部12和第二透镜部14在沿着输入到光束扩展器10A的平行光的光轴A的方向上并列配置，第二透镜部14与第一透镜部12光学结合。另外，如后述的别的实施方式中所述，透镜、反射镜等光学部件可以介于第一透镜部12与第二透镜部14之间。
在该光束扩展器10A中，从第一透镜部12的前面(与第二透镜部14相对的面的相反侧的面)入射平行光即入射光P1。然后，该入射光P1被第一透镜部12和第二透镜部14扩径(或缩径)，从第二透镜部14的背面(与第一透镜部12相对的面的相反侧的面)输出平行光即出射光P2。出射光P2的光径D2的大小与入射光P1的光径D1的大小不同。还有，光径是指与光轴正交的截面中的入射光P1或出射光P2的最大直径。另外，与入射光P1和出射光P2的光轴正交的截面典型地是圆形。
第一透镜部12由空间光调制元件(SLM；Spatial Light Modulator)或可变焦点透镜(VFL；Vari-Focal Lens)中的任一者构成。另外，第二透镜部14也同样地由空间光调制元件或可变焦点透镜中的任一者构成。即，作为第一透镜部12与第二透镜部14的组合，存在以下的4种模式。
[表1]
第一透镜部 第二透镜部
模式1 空间光调制元件 空间光调制元件
模式2 空间光调制元件 可变焦点透镜
模式3 可变焦点透镜 空间光调制元件
模式4 可变焦点透镜 可变焦点透镜
在能够作为第一透镜部12或第二透镜部14使用的空间光调制元件中，有相位调制型的空间光调制元件例如折射率变化材料型SLM(例如在使用了液晶的物质中，LCOS(Liquid Crystal on Silicon)型、LCD(Liquid Crystal Display)等)、分块反射镜(Segment Mirror)型SLM、连续形状可变镜(Continuous Deformable Mirror)型SLM等。折射率变化材料型SLM、分块反射镜型SLM和连续形状可变镜型SLM通过电压、电流或写入光的施加赋予各种透镜图案，由此作为具有任意焦点距离的透镜发挥功能。
还有，在本实施方式中例示了透射型的空间光调制元件，但是空间光调制元件也可以是反射型的。另外，对于作为第一透镜部12或第二透镜部14的可变焦点透镜，适合使用例如像液晶、电光学结晶那样能够任意地使光路的折射率发生变化的透镜、能够使形状发生变化的透镜等。在这些可变焦点透镜中，通过电压、电流的施加来任意地控制焦点距离。
另外，与现有的光束扩展器不同，在本实施方式的光束扩展器10A中，第一透镜部12与第二透镜部14的距离L1不变，第一透镜部12和第二透镜部14的位置相对于设置在后段的光学部件(未图示)而被相对固定。
控制部16控制第一透镜部12的焦点距离f1和第二透镜部14的焦点距离f2。在第一透镜部12和/或第二透镜部14是空间光调制元件的情况下，控制部16将用于驱动该空间光调制元件的各像素的电信号(透镜图案)提供给该第一透镜部12和/或第二透镜部14。另外，在第一透镜部12和/或第二透镜部14是可变焦点透镜的情况下，控制部16将用于控制该可变焦点透镜的焦点距离的电信号提供给该第一透镜部12和/或第二透镜部14。在光束扩展器10A中，通过这样控制部16变更第一透镜部12和第二透镜部14的焦点距离f1、f2，从而出射光P2的光径D2相对于入射光P1的光径D1任意变化。还有，控制部16可以配置在容纳有第一透镜部12和第二透镜部14的筐体内，或者可以配置在筐体的外部。
例如，当平行光即入射光P1入射时，为了将出射光P2作为平行光输出，控制部16可以将第一透镜部12和第二透镜部14的焦点距离f1、f2满足以下的数学式(1)所示的关系的电信号(空间光调制元件的情况下是透镜图案)赋给第一透镜部12和第二透镜部14。
[数学式1]
f2＝L1-f1…(1)
此时，入射光P1的光径D1与出射光P2的光径D2的比率(放大倍率M＝D2/D1)由如下数学式(2)表示。
[数学式2]
如从以上的数学式(1)和(2)可知，在第一透镜部12的焦点距离f1比第一透镜部12和第二透镜部14的距离L1大的情况下，第二透镜部14的焦点距离f2为负，从第一透镜部12到达第二透镜部14的光成为会聚光。另外，在焦点距离f1大于0且小于距离L1的情况下，焦点距离f2为正，但在该情况下，从第一透镜部12到达第二透镜部14的光在第一透镜部12与第二透镜部14之间被一次聚光，其后成为发散光，到达第二透镜部14。然后，该光被第二透镜部14所表示的折射功率为正的透镜准直。另外，在焦点距离f1小于0的情况下，焦点距离f2也为正，但该情况下，从第一透镜部12到达第二透镜部14的光成为发散光。然后，该光被第二透镜部14所表示的折射功率为正的透镜准直。
图2是表示通过光束扩展器10A使平行光扩径或缩径的状态的图。图2(a)表示平行光被扩径的状态(f1＜0、f2＞0、f2＝L1-f1)，图2(b)表示平行光被缩径的状态(f1＞0、f2＜0、f2＝L1-f1)。这里，入射到第一透镜部12的入射光P1的光径D1优选为第一透镜部12的有效面的长度L2的1/2以下。通过光径D1为长度L2的1/2以下，从而能够抑制第一透镜部12中的衍射效率(聚光效率)的降低，能够更加缩短第一透镜部12与第二透镜部14的距离L1。
例如，对由LCOS型的空间光调制元件构成的第一透镜部12输入光径10mm的入射光P1。此时，如果例如焦点距离f1为800mm以上的透镜图案被表示在空间光调制元件，则其聚光效率约为90％。然后，焦点距离f1越比800mm短，聚光效率越降低，在焦点距离f1为300mm的情况下，聚光效率为50％强。这样的聚光效率的降低是由在接近于空间光调制元件的外缘的区域中透镜图案的空间频率变高且衍射效率降低而产生的。即，如果入射光P1的光径D1小，则在焦点距离f1、f2短的情况下，也可以实现高的聚光效率。例如，通过使光径D1为长度L2的1/2以下，能够将焦点距离f2比800mm短的透镜图案表示在第二透镜部14。然后，要实现相同的光径D2时，如果焦点距离f2短，则可以按其量缩短距离L1。通过缩短距离L1，能够使光束扩展器10A更小型化。
另外，通过光径D1为长度L2的1/2以下，也能够得到如下所述的效果。即，通过在第一透镜部12表示凸透镜，能够将光径有效地缩小，相反通过表示凹透镜，能够将光径有效地扩大。作为一个例子，考虑使光径D1＝5mm的入射光P1输入到第一透镜部12输入并从第二透镜部14输出光径D2＝10mm的出射光P2的情况(参照图2(a))、以及从第二透镜部14输出光径D2＝0.5mm的出射光P2的情况(参照图2(b))。在令光径D2为10mm的情况下，光径的放大倍率为2倍。在第二透镜部14的焦点距离f2最大为800mm的情况下，距离L1能够设定为400mm，该情况下的焦点距离f1为-400mm。另外，在令光径D2为0.5mm的情况下，光径的放大倍率为0.1倍。在距离L1设定为400mm的情况下，通过使焦点距离f1为440mm，使焦点距离f2为-40mm，从而能够实现这样小的光径D2。
图3是表示控制部16进行的第一透镜部12和第二透镜部14的控制方式的另一个例子的图。在图3中表示了输入到第一透镜部12的入射光P1和从第二透镜部14输出的出射光P2的位置和光径分别不同的例子。即，在图3(a)中，包含入射光P1的中心轴线A1的直线与包含出射光P2的中心轴线A2的直线相互仅分离距离L3，在图3(b)中，包含入射光P1的中心轴线A1的直线与包含出射光P2的中心轴线A2的直线相互仅分离距离L4。这样的形态在第一透镜部12和第二透镜部14中的至少一者由空间光调制元件构成的情况下是可能的，例如通过将在透镜图案重叠有衍射光栅图案或者全息图案这样的相位图案而成的重叠图案赋给空间光调制元件来适当地实现。
如果具体说明，则在第一透镜部12和第二透镜部14中的至少一者由空间光调制元件构成的情况下，控制部16能够将使各种衍射光栅图案重叠在对第一透镜部12和第二透镜部14的两者或任一者提供的透镜图案而成的重叠图案呈现给空间光调制元件。由此，例如如图3(a)和图3(b)所示，在与光轴A1不同的任意的光轴A2上移动出射光P2的所谓的光束操纵变得可能。在这样的结构中，能够使在第一透镜部12与第二透镜部14之间行进的光的光轴倾斜，并且能够使从第二透镜部14输出的出射光P2的光轴A2与入射光P1的光轴A1平行。
另外，通过控制部16将使规定的衍射光栅图案重叠在透镜图案而成的重叠图案呈现给空间光调制元件，从而如图4(a)所示，将相对于光轴A1在相互不同的方向上倾斜的多个(图中为2个)光轴形成在第一透镜部12与第二透镜部14之间，并且在与光轴A1不同的多个光轴(例如图的A2)上移动出射光P2的多个光束的操纵也是可能的。这样的结构能够通过例如将从第二透镜部14输出的光相对于输入到第一透镜部12的光分割为多个光路那样的透镜图案赋给空间光调制元件来实现。
另外，通过控制部16使规定的衍射光栅图案重叠在透镜图案而成的重叠图案呈现给空间光调制元件，从而如图4(b)所示，将第一透镜部12分割成多个(图中为2个)区域，在这些区域的各个与第二透镜部14之间可以形成相对于光轴A1倾斜(或平行的)光轴。根据图4(b)所示的结构，与图4(a)的结构相比较，能够减小第一透镜部12的衍射角，能够减少第一透镜部12的负担。这里，就第一透镜部12的负担进行说明。在第一透镜部12由空间光调制器(SLM)构成的情况下，应该表示在该SLM的透镜图案为被称为菲涅耳透镜图案的相位图案。该图案由如下数学式(3)导出。
[数学式3]
在数学式(3)中，r为与透镜图案的中心点的距离，λ为入射的光束的波长，f为透镜的焦点距离。另外，该数学式(3)表示在可以表现直至相位差2π(rad)的SLM中为了表示菲涅耳透镜图案而使用了以2π(rad)折返相位的方法(称为相位折叠)的情况。如从该数学式(3)可知，随着远离透镜图案的中心点，相位变得陡峭。因此，在透镜图案的周边部，相位折返频繁发生。而且，如果相位折返的间隔比SLM的像素间距的2倍要短，则已经不能再表现菲涅耳透镜图案。为了避免这样的现象，在NA变得过大的情况下，可以使用图4(b)所示的结构来限制NA，并且通过将光分割成多个区域来有效地使用光。
如图3和图4所示，根据本实施方式的光束扩展器10A，除了光径的变更以外，出射光P2的光轴位置的变更或者出射光P2的分割这样的在现有光学透镜中不可能的控制也变得可能。
另外，在第一透镜部12和第二透镜部14中的至少一者由空间光调制元件构成的情况下，控制部16能够使各种全息图案重叠在对第一透镜部12和第二透镜部14的两者或任一者提供的透镜图案。由此，能够实现图3和图4所示那样的形态。
另外，在第一透镜部12和第二透镜部14中的至少一者由空间光调制元件构成的情况下，控制部16能够使用于修正由光学***所包含的失真或者可变焦点透镜产生的像差的图案重叠在对第一透镜部12和第二透镜部14的两者或任一个提供的透镜图案。
第一透镜部12和第二透镜部14分别配置的透镜、或者作为第一透镜部12和第二透镜部14使用的可变焦点透镜有时具有稍微的失真。为了精度良好地进行相位调制，期望修正由该失真引起的像差。因此，可以在赋给第一透镜部12和/或第二透镜部14的透镜图案重叠用于修正像差的图案。由此，可以以高精度地构成光学***。另外，根据本实施方式的光束扩展器10A，这样在修正像差时也不需要复杂的透镜成形，能够简易地构成***整体。
在以上说明的本实施方式的光束扩展器10A中，替代现有的光束扩展器中的2个以上的透镜组而配置有由空间光调制元件或可变焦点透镜中的任一者构成的第一透镜部12和第二透镜部14。如上所述，空间光调制元件和可变焦点透镜是不变更光轴A的方向中的位置而能够使焦点距离f1、f2发生变化的光学部件。因此，在第一透镜部12与第二透镜部14的距离L1被固定的状态下，能够任意地变更出射光P2的光径D2相对于入射光P1的光径D1的倍率。另外，这些光学部件根据来自控制部16的电信号，能够以极短的时间变更焦点距离f1、f2。因此，根据本实施方式的光束扩展器10A，与现有的光束扩展器相比较，能够大幅度地缩短变更光径D2的倍率时的所需时间。另外，由于不需要用于使透镜组移动的复杂的机构，因此能够简易地构成光束扩展器***整体。
还有，在第一透镜部12和第二透镜部14中的至少一者由空间光调制元件构成的情况下，由空间光调制元件能够实现的焦点距离的值有下限。因此，光束扩展器10A的光径的可变范围也会产生限制。为了解决这样的技术问题，可以在第一透镜部12与第二透镜部14之间适当***焦点固定透镜。或者，可以由多个空间光调制元件构成第一透镜部12和/或第二透镜部14，或在第一透镜部12和/或第二透镜部14中表示多个透镜图案来进行多次相位调制。例如通过采用这些方式，可以扩大光径的可变范围。
另外，在本实施方式中，第一透镜部12和第二透镜部14可以构成4f光学***。作为4f光学***，例如由多个透镜构成的两侧远心光学***是合适的。
(第2实施方式)
图5是表示本发明第2实施方式所涉及的光束扩展器10B的结构的图。本实施方式的光束扩展器10B具备第一透镜部22、第二透镜部24和控制部26。第一透镜部22和第二透镜部24由反射型的空间光调制元件构成，分别具有光反射面22a和24a。另外，如图5所示，光束扩展器10B还可以具备激光光源28、空间滤波器32、准直透镜34、以及反射元件即反射镜36a～36e。
在本实施方式中，通过以下所述的结构，第二透镜部24光学结合于第一透镜部22。即，第二透镜部24的光反射面24a经由多个反射元件即反射镜36d和36c而与第一透镜部22的光反射面22a光学结合，同时与反射镜36e光学结合。另外，在第一透镜部22的光反射面22a，经由反射镜36b和36a而输入有入射光P1。入射光P1通过如下方式适当生成，即例如通过从激光光源28出射的激光通过空间滤波器32的聚光透镜32a和针孔32b而除去波前噪声或者失真之后，通过准直透镜34而被平行化。
同样在本实施方式的光束扩展器10B中，第一透镜部22与第二透镜部24的光学距离(即从第一透镜部22经过反射镜36c、36d直至到达第二透镜部24的距离)不变，第一透镜部22和第二透镜部24的位置相对于结合在反射镜36e的后段的光学部件而被相对固定。还有，第一透镜部22与第二透镜部24的光学距离相当于第1实施方式中的距离L1。
控制部26控制第一透镜部22和第二透镜部24的焦点距离f1、f2。控制部26将用于驱动空间光调制元件的各像素的电信号(透镜图案)提供给第一透镜部22和第二透镜部24，由此在这些空间光调制元件中分别表示焦点距离f1、f2的透镜。在光束扩展器10B中，通过这样控制部26变更第一透镜部22和第二透镜部24的焦点距离f1、f2，从而输出光径与入射光P1不同的平行光即出射光P2。还有，控制部26可以配置在容纳有第一透镜部22和第二透镜部24的筐体内，或者也可以配置在筐体的外部。
如本实施方式所述，第一透镜部和第二透镜部可以由反射型的空间光调制元件构成。在这样的情况下，也可以发挥与前述的第1实施方式同样的效果。
(变形例)
图6是表示作为第2实施方式的一个变形例的光束扩展器10C的结构的图。本变形例所涉及的光束扩展器10C与第2实施方式的不同点在于第一透镜部和第二透镜部的结构。即，在本变形例中，光束扩展器10C具备一个反射型空间光调制元件30，第一透镜部和第二透镜部由单个反射型空间光调制元件30构成，其光反射面30a中的一部分区域(第一区域)作为第一透镜部30b使用，另一部分区域(第二区域)作为第二透镜部30c使用。在本变形例中，第二透镜部30c经由反射镜36d和36c而与第一透镜部30b光学结合，同时与反射镜36e光学结合。另外，在第一透镜部30b，经由反射镜36b和36a输入有平行光即入射光P1。
同样在本变形例的光束扩展器10C中，第一透镜部30b和第二透镜部30c的光学距离不变，第一透镜部30b和第二透镜部30c的位置相对于结合于反射镜36e的后段的光学部件而被相对固定。还有，第一透镜部30b和第二透镜部30c的光学距离相当于第1实施方式中的距离L1。
控制部26控制第一透镜部30b和第二透镜部30c的焦点距离。控制部26向空间光调制元件30提供用于驱动空间光调制元件30的各像素的电信号(透镜图案)，由此在第一透镜部30b和第二透镜部30c中分别表示焦点距离f1、f2的透镜。在光束扩展器10C中，通过这样控制部26变更第一透镜部30b和第二透镜部30c的焦点距离，由此输出光径与入射光P1不同的平行光即出射光P2。
如本变形例所述，第一透镜部和第二透镜部可以通过彼此共有的单个空间光调制元件构成。在这样的情况下，也能够起到与上述的第1实施方式同样的效果。
另外，在第2实施方式或变形例中，作为将光入射出射于第一透镜部和第二透镜部的光学***，除了图5、图6所示的结构以外，也可以是各种形态。例如，也可以替代空间滤波器32和准直透镜34而设置扩展器，反射镜36a～36e可以置换成例如三角棱镜这样的其他光反射光学部件。另外，如图7所示，也可以是不使用反射镜的结构。另外，在图7的结构中，构成第一透镜部22的反射型空间光调制元件与构成第二透镜部24的反射型空间光调制元件优选以它们的光反射面22a、24a相互平行的方式配置。在该情况下，能够使入射光P1与出射光P2大致平行，能够使装置变得比较小型。
(第3实施方式)
接着，作为本发明的第3实施方式，就具备前述第1实施方式所涉及的光束扩展器10A的显微镜进行说明。这里，作为一个例子，就激光扫描显微镜进行说明。
激光扫描显微镜使由物镜等收拢的激光的聚光点在对象物的表面光栅扫描，并使用由此产生的荧光、反射光或散射光，或者由被照射的激光从对象物产生的发光来进行成像。物镜的数值孔径(NA)越大，激光的聚光点的大小越小，聚光点越小，成像的分辨率越高。但是，聚光点越小，用于成像的扫描次数越多，成像所需要的时间越长。因此，认为首先通过使用数值孔径小的物镜，对对象物宽的区域以短时间进行低分辨率的成像，基于该成像结果选择该区域中的一部分区域，对该区域使用数值孔径大的物镜进行高分辨率的成像。
在该情况下，会切换数值孔径小的物镜与数值孔径大的物镜，在该情况下会产生如下所述的技术问题。一般而言，数值孔径小的物镜中，低倍率的物镜多，另外，数值孔径大的物镜，高倍率的物镜多。图8表示数值孔径为0.3且倍率为10倍的低倍率物镜40(图8(a))和数值孔径为0.75且倍率为40倍的高倍率物镜42(图8(b))作为一个例子。在物镜40、42中为了将光聚光来得到衍射限制图像，期望入射到物镜40、42的光P3的光径D3与出射瞳径EP1、EP2一致。
物镜40、42的出射瞳径EP1、EP2由物镜40、42的倍率和数值孔径确定。例如在图8(a)所示的倍率10倍、数值孔径0.3的物镜40中，出射瞳径EP1为10.80mm。另外，例如在图8(b)所示的倍率40倍、数值孔径0.75的物镜42中，出射瞳径EP2为6.75mm。如此，低倍率的物镜的出射瞳径比高倍率的物镜的出射瞳径大。因此，在不设置任何的光径的变更机构的情况下，会使光P3的光径D3与低倍率的物镜40的出射瞳径EP1一致。但是，由于这样的光径D3相对于高倍率的物镜42的出射瞳径EP2而言过大，因此光P3的周边部分不能通过出射光瞳。因此，只有光P3的一部分不被聚光，产生光量的损失。例如，在光P3具有平顶(top-hat)形状的强度分布的情况下，被倍率40倍的物镜42聚光的光的光量为入射的光P3的光量的约40％左右，光量损失大。
如此，在切换具有各种倍率和数值孔径的物镜来进行观察的情况下，这些物镜的出射瞳径相互不同，因而在高倍率的物镜中存在产生光量损失这样的技术问题。因此，在本实施方式中，使用第1实施方式所涉及的光束扩展器10A来进行调整，使入射到物镜的光的光径匹配于物镜的出射瞳径。
图9是表示本实施方式所涉及的显微镜50A的结构的图。如图9所示，显微镜50A具备光束扩展器10A、激光光源28、空间滤波器32、准直透镜34、以及物镜40和42。另外，也可以替代光束扩展器10A而适用第2实施方式所涉及的光束扩展器10B(或10C)。
在第一透镜部12输入有入射光P1。入射光P1通过如下方式适当生成，即例如通过从激光光源28出射的激光通过空间滤波器32的聚光透镜32a和针孔32b而除去波前噪声或者失真之后，通过准直透镜34而被平行化。然后，该入射光P1被第一透镜部12和第二透镜部14扩径(或缩径)，从第二透镜部14的背面(与第一透镜部12相对的面的相反侧的面)输出平行光即出射光P2。出射光P2入射到物镜40或42的出射光瞳，在物镜40或42中被聚光。
出射光P2的光径D2的大小对应于物镜40和42的出射瞳径EP1、EP2而被第一透镜部12和第二透镜部14调整。即，如图9(a)所示，在选择低倍率·低数值孔径的物镜40时，第一透镜部12的焦点距离f1和第二透镜部14的焦点距离f2以出射光P2的光径D2接近于比较大的出射瞳径EP1的方式被控制。还有，可以预先使入射光P1的光径D1与物镜40的出射瞳径EP1一致，使光径D2相对于光径D1的倍率为1。另外，如图9(b)所示，选择高倍率·高数值孔径的物镜42时，第一透镜部12的焦点距离f1和第二透镜部14的焦点距离f2以出射光P2的光径D2接近于比较小的出射瞳径EP2的方式被控制。
如本实施方式所述，使用光束扩展器10A(或10B、10C)并将入射到物镜的光的光径对应于出射瞳径来进行调整，由此能够降低光量的损失。
这里，关于上述效果表示具体的数值。当前，在空间光调制元件中有光利用效率为90％以上的空间光调制元件。在将这样的空间光调制元件作为第一透镜部12和第二透镜部14使用的情况下，出射光P2的光量为入射光P1的光量的约80％左右。因此，物镜42中的光量损失约为20％，与现有相比较，能够得到2倍的聚光光量。
(第4实施方式)
接着，作为本发明的第4实施方式，就具备前述的第1实施方式所涉及的光束扩展器10A的别的显微镜进行说明。这里，作为一个例子，就TIRF(Total Internal ReflectionFluorescence：全内反射荧光)显微镜进行说明。TIRF显微镜是通过使激光在观察对象物上全反射并且产生渐逝场并激发荧光来成像的装置，具备具有极大数值孔径的超高倍率的物镜。
图10是表示这样的TIRF显微镜50B的图。TIRF显微镜50B具备光束扩展器10A、激光光源28、空间滤波器32、准直透镜34、以及物镜44。另外，也可以替代光束扩展器10A而适用第2实施方式的光束扩展器10B(或10C)。
物镜44具有例如1.65这样极高的开口率、以及例如100倍这样的超高倍率。在该TIRF显微镜中，为了利用激光的全反射，需要使光入射到物镜44的出射光瞳的边缘部附近。因此，在本实施方式中，如图10所示，通过光束扩展器10A，使出射光P2的中心轴线的位置移动到物镜44的出射光瞳的边缘部附近。同时，使出射光P2的光径D2与物镜44的出射瞳径EP3相比足够小。
如此，通过在TIRF显微镜50B中适用光束扩展器10A(或10B、10C)，从而任意地控制入射到物镜44的光的位置和光径，能够适当地得到TIRF像。另外，在该显微镜同时具备通常的物镜的情况下，能够匹配于这些物镜而容易变更光的光径和光轴位置。再者，可以简易地构成这样的显微镜，能够缩短变更光径时的所需时间。
(第5实施方式)
接着，作为本发明的第5实施方式，就具备前述的第1实施方式所涉及的光束扩展器10A的别的显微镜进行说明。这里，作为一个例子，就加工显微镜进行说明。加工显微镜是通过对对象物照射激光并使对象物熔融来进行加工的装置。
图11是表示这样的加工显微镜的结构例的图。图11所示的加工显微镜50C具备光束扩展器10A、激光光源28、空间滤波器32、准直透镜34、以及物镜42。还有，还可以替代光束扩展器10A而适用第2实施方式的光束扩展器10B(或10C)。
另外，加工显微镜50C还具备衍射光学元件(DOE；Diffractive Optical Element)46。衍射光学元件46光学结合在准直透镜34与第一透镜部12之间，对从准直透镜34提供给第一透镜部12的入射光P1赋予规定的衍射作用。通过组合这样的衍射光学元件46与空间光调制元件，并对具有高斯状的强度分布的光赋予例如利用迭代傅立叶法的相位分布或者非专利文献2所记载的相位分布，从而能够得到在物镜42的聚光位置上具有扁平的强度分布(平顶形状)的聚光像。然后，通过使用这样的聚光像进行加工，能够均匀地加工比衍射限制更宽的范围，能够谋求加工速度的提高。
为了得到这样的平顶形状的聚光像，物镜42透过从高斯分布的中心到达下摆的入射光的整体是很重要的。原因在于在物镜42中高斯分布的下摆被切除(truncated)的情况下在聚光像中不能得到平顶形状的强度分布。因此，在切换倍率和数值孔径不同的多个物镜进行加工的情况下，优选使用第1和第2实施方式所涉及的光束扩展器10A～10C中的任一个来变更入射到物镜42的光的光径。由此，使入射光的整体在物镜42中透过，能够适当地得到平顶形状的聚光像。
另外，用于得到平顶形状的相位分布可以重叠在第一透镜部12和第二透镜部14中的任一者(或两者)的透镜图案。另外，本实施方式的结构也能够适用于观察用显微镜。即，通过使用比衍射限制更宽的范围的均匀光对观察对象物进行扫描或照明，从而可以进行高速扫描或均匀的照明。另外，这样的平顶形状的聚光像也可以适用于通过向观察对象物照射光来观察其反应的用途例如半导体故障解析或对细胞的光刺激这样的用途。
本发明所涉及的光束扩展器不限于上述的实施方式和变形例，可以进行其他各种变形。例如，在上述的实施方式和变形例中，例示了入射到第一透镜部的光是平行光的情况，但是入射到第一透镜部的光不限于平行光，也可以使用各种各样的光。
另外，在上述的第3～第5实施方式中，表示了将本发明所涉及的光束扩展器应用于显微镜的例子，但本发明所涉及的光束扩展器也能够作为可以变更照射范围的照明光学***来使用。另外，如图3所示，通过使出射光的中心轴线从入射光的中心轴线移动，也能够变更照明位置。
另外，在上述的第3～第5实施方式中，在紧接着第二透镜部后配置有物镜，但第二透镜部与物镜的出射光瞳或后侧焦点位置可以经由例如4f系透镜等远心透镜而结合。
另外，在上述的第3～第5实施方式中，例示了物镜作为设置在第二透镜部的后段的光学部件，但在本发明所涉及的光束扩展器的第二透镜部的后段，不限于设置物镜，可以设置有各种光学部件。
在上述实施方式所涉及的光束扩展器中，成为如下结构：即，具备：第一透镜部，其由空间光调制元件或可变焦点透镜中的任一者构成；第二透镜部，其与第一透镜部光学结合，由空间光调制元件或可变焦点透镜中的任一者构成；控制部，其通过将透镜图案赋给空间光调制元件，或者控制可变焦点透镜的焦点距离，从而控制第一透镜部和第二透镜部的焦点距离，第一透镜部与第二透镜部的距离不变，控制部以输入到第一透镜部的光的光径与从第二透镜部输出的光的光径相互不同的方式控制第一透镜部和第二透镜部的焦点距离。
另外，光束扩展器可以成为如下结构：第一透镜部和第二透镜部中的至少一者由空间光调制元件构成，控制部将包含输入到第一透镜部的光的中心轴线的直线与包含从第二透镜部输出的光的中心轴线的直线相互分离那样的透镜图案赋给空间光调制元件。例如，在TIRF显微镜这样的光学部件配置在后段的情况下，这样使从第二透镜部输出的平行光的光轴位置相对于输入到第一透镜部的平行光的光轴位置发生变化。
另外，光束扩展器可以成为如下结构：第一透镜部和第二透镜部中的至少一者由空间光调制元件构成。由此，除了光径的变更以外，光轴位置的变更、光轴的分割这样的在现有光学透镜中不可能的控制也变得可能。这样的控制例如控制部通过在赋给空间光调制元件的透镜图案重叠衍射光栅或全息图案来适当地实现。
另外，光束扩展器可以成为如下结构：控制部在赋给空间光调制元件的透镜图案重叠用于修正在该光束扩展器中产生的像差的图案。如此，根据上述光束扩展器，即使在修正像差时，也不需要复杂的透镜成形，能够简易地构成***整体。
另外，在上述实施方式的光束扩展器中，成为如下结构，即，具备：第一透镜部，其由空间光调制元件或可变焦点透镜中任一者构成；第二透镜部，其与第一透镜部光学结合，由空间光调制元件或可变焦点透镜中任一者构成；控制部，其控制第一透镜部和第二透镜部的焦点距离，第一透镜部和第二透镜部的距离不变，控制部以输入到第一透镜部的光的光径与从第二透镜部输出的光的光径相互不同的方式控制第一透镜部和第二透镜部的焦点距离。
这里，控制部具体而言例如在透镜部(第一透镜部或第二透镜部)由空间光调制元件构成的情况下，通过将透镜图案赋给该空间光调制元件来控制透镜部的焦点距离。另外，控制部在透镜部由可变焦点透镜构成的情况下，通过控制该可变焦点透镜的焦点距离来控制透镜部的焦点距离。
另外，在上述结构中，光束扩展器可以成为如下结构：第一透镜部和第二透镜部中的至少一者由空间光调制元件构成，控制部将透镜图案赋给空间光调制元件。
另外，光束扩展器可以成为如下结构：第一透镜部和第二透镜部分别由反射型空间光调制元件构成。另外，在该情况下，可以成为如下结构：构成第一透镜部的反射型空间光调制元件和构成第二透镜部的反射型空间光调制元件以它们的光反射面相互平行的方式配置。
另外，光束扩展器可以成为如下结构：第一透镜部和第二透镜部由单个反射型空间光调制元件构成，其光反射面中的一部分区域作为第一透镜部使用，另一部分区域作为第二透镜部使用。
另外，光束扩展器可以成为如下结构：具备多个反射元件，第二透镜部经由多个反射元件而与第一透镜部光学结合。
另外，光束扩展器可以成为如下结构：空间光调制元件是透射型空间光调制元件。
另外，光束扩展器可以成为如下结构：控制部将包含输入到第一透镜部的光的中心轴线的直线与包含从第二透镜部输出的光的中心轴线的直线相互分离那样的透镜图案赋给空间光调制元件。
另外，光束扩展器可以成为如下结构：控制部将从第二透镜部输出的光相对于输入到第一透镜部的光分割成多个光路那样的透镜图案赋给空间光调制元件。
另外，光束扩展器可以成为如下结构：控制部在赋给空间光调制元件的透镜图案重叠用于修正在该光束扩展器中产生的像差的图案。
另外，光束扩展器可以成为如下结构：入射到第一透镜部的入射光的光径为第一透镜部的有效面的长度的1/2以下。
产业上的可利用性
本发明可以作为可以简单地构成且能够缩短变更光径时的所需时间的光束扩展器来利用。

Claims (24)

1.一种光束扩展器，其特征在于，
具备：
第一透镜部，其由空间光调制元件或可变焦点透镜中的任一者构成；
第二透镜部，其与所述第一透镜部光学结合，由空间光调制元件或可变焦点透镜中的任一者构成；以及
控制部，其控制所述第一透镜部的焦点距离f1与所述第二透镜部的焦点距离f2，
所述第一透镜部与所述第二透镜部的距离L1不变，
所述控制部以输入到所述第一透镜部的入射光的光径与从所述第二透镜部输出的出射光的光径相互不同，并且所述出射光的光径相对于所述入射光的光径任意地变化且焦点距离f1、f2和距离L1满足关系式f2＝L1-f1的方式，通过将电信号提供给所述第一透镜部以及所述第二透镜部来控制所述第一透镜部与所述第二透镜部的焦点距离。
2.如权利要求1所述的光束扩展器，其特征在于：
所述第一透镜部和所述第二透镜部中的至少一者由空间光调制元件构成，所述控制部将透镜图案赋给所述空间光调制元件。
3.如权利要求2所述的光束扩展器，其特征在于：
所述第一透镜部和所述第二透镜部分别由反射型空间光调制元件构成。
4.如权利要求3所述的光束扩展器，其特征在于：
构成所述第一透镜部的所述反射型空间光调制元件与构成所述第二透镜部的所述反射型空间光调制元件以它们的光反射面相互平行的方式配置。
5.如权利要求2所述的光束扩展器，其特征在于：
所述第一透镜部和所述第二透镜部由单个反射型空间光调制元件构成，其光反射面中的一部分区域作为所述第一透镜部使用，另一部分区域作为所述第二透镜部使用。
6.如权利要求3所述的光束扩展器，其特征在于：
具备多个反射元件，所述第二透镜部经由所述多个反射元件而与所述第一透镜部光学结合。
7.如权利要求4所述的光束扩展器，其特征在于：
具备多个反射元件，所述第二透镜部经由所述多个反射元件而与所述第一透镜部光学结合。
8.如权利要求5所述的光束扩展器，其特征在于：
具备多个反射元件，所述第二透镜部经由所述多个反射元件而与所述第一透镜部光学结合。
9.如权利要求2所述的光束扩展器，其特征在于：
所述空间光调制元件是透射型空间光调制元件。
10.如权利要求2～9中的任一项所述的光束扩展器，其特征在于：
所述控制部将包含输入到所述第一透镜部的光的中心轴线的直线与包含从所述第二透镜部输出的光的中心轴线的直线相互分离的所述透镜图案赋给所述空间光调制元件。
11.如权利要求2～9中的任一项所述的光束扩展器，其特征在于：
所述控制部将从所述第二透镜部输出的光相对于输入所述第一透镜部的光分割成多条光路的透镜图案赋给所述空间光调制元件。
12.如权利要求10所述的光束扩展器，其特征在于：
所述控制部将从所述第二透镜部输出的光相对于输入所述第一透镜部的光分割成多条光路的透镜图案赋给所述空间光调制元件。
13.如权利要求2～9中的任一项所述的光束扩展器，其特征在于：
所述控制部在赋给所述空间光调制元件的所述透镜图案重叠用于修正在该光束扩展器中产生的像差的图案。
14.如权利要求10所述的光束扩展器，其特征在于：
所述控制部在赋给所述空间光调制元件的所述透镜图案重叠用于修正在该光束扩展器中产生的像差的图案。
15.如权利要求11所述的光束扩展器，其特征在于：
所述控制部在赋给所述空间光调制元件的所述透镜图案重叠用于修正在该光束扩展器中产生的像差的图案。
16.如权利要求12所述的光束扩展器，其特征在于：
所述控制部在赋给所述空间光调制元件的所述透镜图案重叠用于修正在该光束扩展器中产生的像差的图案。
17.如权利要求1～9中的任一项所述的光束扩展器，其特征在于：
入射到所述第一透镜部的入射光的光径为所述第一透镜部的有效面的长度的1/2以下。
18.如权利要求10所述的光束扩展器，其特征在于：
入射到所述第一透镜部的入射光的光径为所述第一透镜部的有效面的长度的1/2以下。
19.如权利要求11所述的光束扩展器，其特征在于：
入射到所述第一透镜部的入射光的光径为所述第一透镜部的有效面的长度的1/2以下。
20.如权利要求12所述的光束扩展器，其特征在于：
入射到所述第一透镜部的入射光的光径为所述第一透镜部的有效面的长度的1/2以下。
21.如权利要求13所述的光束扩展器，其特征在于：
入射到所述第一透镜部的入射光的光径为所述第一透镜部的有效面的长度的1/2以下。
22.如权利要求14所述的光束扩展器，其特征在于：
入射到所述第一透镜部的入射光的光径为所述第一透镜部的有效面的长度的1/2以下。
23.如权利要求15所述的光束扩展器，其特征在于：
入射到所述第一透镜部的入射光的光径为所述第一透镜部的有效面的长度的1/2以下。
24.如权利要求16所述的光束扩展器，其特征在于：
入射到所述第一透镜部的入射光的光径为所述第一透镜部的有效面的长度的1/2以下。
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