JP2010152094A - 光制御装置および光制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレーズドグレーティングパターンと所定の位相変調分布を有する位相パターンとが重畳されてなる位相パターンを位相変調型の空間光変調器に呈示させる技術において所望のビーム断面を有する光を得ることができる光制御装置を提供する。
【解決手段】光制御装置１は、光源１０、プリズム２０、空間光変調器３０、駆動部３１、制御部３２、レンズ４１、アパーチャ４２、レンズ４３を備える。空間光変調器３０は、位相変調型のものであって、２次元配列された複数の画素を有し、これら複数の画素それぞれにおける位相変調が４π以上の範囲で可能であり、複数の画素それぞれにおいて光の位相を変調する位相パターンを呈示する。この位相パターンは、光回折の為のブレーズドグレーティングパターンと、所定の位相変調分布を有する位相パターンとが重畳されてなり、位相変調範囲が２π以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光制御装置および光制御方法に関するものである。

空間光変調器は、２次元配列された複数の画素それぞれにおいて入力光の強度または位相を変調することができる。このような空間光変調器として、強度のみを変調することができる強度変調型のものと、位相のみを変調することができる位相変調型のものと、強度および位相の双方を変調することができる強度位相変調型のものとがある。空間光変調器の各画素において強度または位相が変調されて出力された光は、例えば、空間光変調器の後段に設けられた集光光学系により集光されて、その集光位置に存在する対象物を加工することができる。

強度変調型の空間光変調器は、画素毎に入力光の透過率を調整するものであり、透過させなかった部分の光を利用することができないので、光の利用効率が悪い。強度位相変調型の空間光変調器は、各画素における強度変調と位相変調とを互いに独立に制御することが容易でなく、取り扱いが困難である。

一方、位相変調型の空間光変調器は、画素毎に入力光の位相変化を調整するものであり、殆ど全ての光を出力することができるので、光の利用効率が高い。また、位相変調型の空間光変調器は、計算機ホログラムなどから作成される位相パターンを呈示することにより、出力光のビーム断面における位相分布の自由度が高く、集光光学系による出力光の集光位置の自由度が高い。このような位相変調型の空間光変調器を用いた光制御の用途としては、加工対象物の表面や内部の加工や、ラゲールガウシアンモード光の生成などが挙げられる。

また、位相変調型の空間光変調器において画素ごとに位相変調される出力される光の強度を変調できることが知られている（非特許文献１を参照）。これは、光回折の為のブレーズドグレーティングパターンと所定の位相変調分布を有する位相パターンとが重畳されてなる位相パターンを位相変調型の空間光変調器に呈示させ、ブレーズドグレーティングパターンを調整することにより空間光変調器における光回折効率を調整するものである。これによれば、空間光変調器により回折されて出力される光は、そのビーム断面において所望の強度分布および位相分布を有することができるとされている。

また、一般に、光波の位相αと位相(α＋２ｎπ)とは同等であるので、空間光変調器の各画素における光位相変調は２πの範囲で可能であれば充分であるとされている。ここで、ｎは任意の整数である。例えば、位相変調量が２πを超える場合には、その位相変調量に対して２ｎπを加減算すること（「位相折りたたみ」という。）で位相変調量を０から２πまでの範囲内の値とすればよい。このように位相折りたたみされた後の位相変調量が空間光変調器の各画素の位相変調量とされても、原理的には何ら問題が生じることはないとされている。

従来の空間光変調器は位相変調範囲２πを有するように設定されている。これは、空間光変調器における位相変調範囲が２πであれば、位相パターンにおいて位相折りたたみを行うことで原理的には２π超の位相変調をも表現できるからである。また、空間光変調器が２π超の位相変調範囲を有することは、冗長であるだけでなく、入力階調値と位相変調量との間の関係における分解能の低下や応答速度の低下が起こるからである。
Joseph P. Kirk and Alan L. Jones, "Phase-only complex-value spatialfilter", Journal of the optical society of America, Vol.61, No.8, 1971

ところで、本発明者は、ブレーズドグレーティングパターンと所定の位相変調分布を有する位相パターンとが重畳されてなる位相パターンを位相変調型の空間光変調器に呈示させて、この空間光変調器において画素ごとに位相変調される出力される光の強度を変調できることを利用して、様々な研究開発を行っている。本発明者は、その研究開発の際に、空間光変調器から出力される光のビーム断面における強度分布および位相分布が所望のものとは異なる現象が生じる場合があること、すなわち、空間光変調器から出力される光のビーム品質が低下する現象が生じる場合があることを見出した。そして、本発明者は、その現象が位相折りたたみに因るものであることを見出した。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、ブレーズドグレーティングパターンと所定の位相変調分布を有する位相パターンとが重畳されてなる位相パターンを位相変調型の空間光変調器に呈示させる技術において所望のビーム断面を有する光を得ることができる光制御装置および光制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る光制御装置は、(1) 光を出力する光源と、(2) ２次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調が４π以上の範囲で可能であり、光源から出力された光を入力し、複数の画素それぞれにおいて光の位相を変調する位相パターンを呈示して、この位相パターンにより位相変調した後の光を出力する位相変調型の空間光変調器と、(3)光回折の為のブレーズドグレーティングパターンと所定の位相変調分布を有する位相パターンとが重畳されて位相変調範囲が２π以上である位相パターンを空間光変調器に呈示させ、ブレーズドグレーティングパターンを調整することにより空間光変調器における光回折効率を調整する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る光制御装置では、制御部は、特定指数のラゲールガウシアンモード光のビーム断面における強度分布に応じた光回折効率分布を有するブレーズドグレーティングパターンと、ラゲールガウシアンモード光のビーム断面における位相分布に応じた位相変調分布を有する位相パターンとが重畳された位相パターンを、空間光変調器に呈示させるのが好適である。

また、本発明に係る光制御装置では、制御部は、ビーム断面において特定の強度分布および位相分布を有する光の該強度分布に応じた光回折効率分布を有するブレーズドグレーティングパターンと、位相分布に応じた位相変調分布を有する位相パターンとが重畳された位相パターンを、空間光変調器に呈示させるのが好適である。

本発明に係る光制御方法は、(1) 光を出力する光源と、(2) ２次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調が４π以上の範囲で可能であり、光源から出力された光を入力し、複数の画素それぞれにおいて光の位相を変調する位相パターンを呈示して、この位相パターンにより位相変調した後の光を出力する位相変調型の空間光変調器と、を用い、(3)光回折の為のブレーズドグレーティングパターンと所定の位相変調分布を有する位相パターンとが重畳されてなり位相変調範囲が２π以上である位相パターンを空間光変調器に呈示させ、ブレーズドグレーティングパターンを調整することにより空間光変調器における光回折効率を調整することを特徴とする。

本発明に係る光制御方法は、特定指数のラゲールガウシアンモード光のビーム断面における強度分布に応じた光回折効率分布を有するブレーズドグレーティングパターンと、ラゲールガウシアンモード光のビーム断面における位相分布に応じた位相変調分布を有する位相パターンとが重畳された位相パターンを、空間光変調器に呈示させるのが好適である。

また、本発明に係る光制御方法は、ビーム断面において特定の強度分布および位相分布を有する光の該強度分布に応じた光回折効率分布を有するブレーズドグレーティングパターンと、位相分布に応じた位相変調分布を有する位相パターンとが重畳された位相パターンを、空間光変調器に呈示させるのが好適である。

本発明によれば、ブレーズドグレーティングパターンと所定の位相変調分布を有する位相パターンとが重畳されてなる位相パターンを位相変調型の空間光変調器に呈示させる技術において所望のビーム断面を有する光を得ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、光制御装置１の構成図である。この図に示される光制御装置１は、光源１０、プリズム２０、空間光変調器３０、駆動部３１、制御部３２、レンズ４１、アパーチャ４２およびレンズ４３を備える。なお、この図には光制御装置１に加えて撮像装置２も示されている。

本発明において用いられる位相変調型の空間光変調器は、反射型のものであってもよいし、透過型のものであってもよい。反射型の空間光変調器としては、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型および光アドレス型の何れであってもよい。また、透過型の空間光変調器としてはＬＣＤ（LiquidCrystal Display）等であってもよい。図１では、空間光変調器３０として反射型のものが示されている。

光源１０は、空間光変調器３０により位相変調されるべき光を出力するものであり、好適にはレーザ光源であり、フェムト秒レーザ光源やＮｄ:ＹＡＧレーザ光源などのパルスレーザ光源であってもよいし、Ｈｅ−ＮｅなどのＣＷレーザ光源であってもよい。光源１０から出力された光は、スペイシャルフィルタを経た後にコリメートレンズによりコリメートされるのが好ましい。

プリズム２０は、第１反射面２１および第２反射面２２を有する。プリズム２０の第１反射面２１は、光源１０から出力された光を入力して、その光を空間光変調器３０へ反射させる。プリズム２０の第２反射面２２は、空間光変調器３０から出力された光を入力して、その光をレンズ４１へ反射させる。

空間光変調器３０は、位相変調型のものであって、２次元配列された複数の画素を有し、これら複数の画素それぞれにおける位相変調が４π以上の範囲で可能であり、複数の画素それぞれにおいて光の位相を変調する位相パターンを呈示することができる。空間光変調器３０は、光源１０から出力されプリズム２０の第１反射面２１で反射されて到達した光を入力し、この位相パターンにより位相変調した後の光をプリズム２０の第２反射面２２へ出力する。この空間光変調器３０において呈示される位相パターンは、例えば数値計算により求められた計算機ホログラム（ＣＧＨ: Computer Generated Hologram）などがある。

駆動部３１は、空間光変調器３０の２次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調量を設定するものであり、その画素毎の位相変調量設定のための信号を空間光変調器３０に与える。駆動部３１は、空間光変調器３０の２次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調量を設定することで、空間光変調器３０に位相パターンを呈示させる。

制御部３２は、例えばコンピュータで構成され、駆動部３１の動作を制御することで、駆動部３１から空間光変調器３０へ位相パターンを書き込ませる。すなわち、空間光変調器３０に呈示させるべき位相パターンＡを記憶し、或いは、その位相パターンＡを作成して、その位相パターンＡを駆動部３１から空間光変調器３０へ書き込ませる。

この位相パターンＡは、光回折の為のブレーズドグレーティングパターンと、所定の位相変調分布を有する位相パターンと、が重畳されてなる。この所定の位相変調分布を有する位相パターンは、光ビーム断面において所望の位相分布を実現するための成分を含み、また、光制御装置１における光学系の位相歪みを補正するための成分を更に含むのも好適である。また、この位相パターンＡは、位相変調範囲が２π以上である。ブレーズドグレーティングパターンを調整することにより空間光変調器３０における光回折効率を調整することができる。

レンズ４１は、空間光変調器３０から出力されプリズム２０の第２反射面２２で反射された光を入力する。レンズ４１とレンズ４３とは４ｆ光学系を構成していて、両者の間の焦点位置にアパーチャ４２の開口が配置されている。このアパーチャは空間光変調器３０によって回折した光のうち所望の次数の回折光のみを通過するように配置されている。

撮像装置２は、光制御装置１のレンズ４３から出力された光Ｂを受光し、その光Ｂのビーム断面における強度分布を取得する。撮像装置２は、光制御装置１から出力される光の品質を観察するためのものである。なお、加工などに用いる際には、レンズ４３の後段に新たにレンズを配置し、その集光点位置に加工対象物を配置する。

この光制御装置１の概略動作は以下のとおりである。制御部３２により制御された駆動部３１により、ブレーズドグレーティングパターンと位相パターンとが重畳されてなる位相パターンが空間光変調器３０に呈示される。光源１０から出力された光は、プリズム２０の第１反射面２１で反射されて、空間光変調器３０に入力される。

空間光変調器３０に入力された光は、空間光変調器３０に呈示された位相パターンのうちブレーズドグレーティングパターンにより回折されて出力される。その光回折の際の回折効率は、ブレーズドグレーティングパターンの形状によって異なり、また、空間光変調器３０の入射面上の位置によって異なる場合がある。また、空間光変調器３０から回折されて出力された光は、空間光変調器３０に呈示された位相パターンのうち所定の位相変調分布を有する位相パターンにより位相変調されたものとなっている。

空間光変調器３０から出力された光は、プリズム２０の第２反射面２２で反射され、レンズ４１，アパーチャ４２およびレンズ４３を経て、撮像装置２により受光されて光ビーム断面における強度分布が取得される。このとき、レンズ４１，アパーチャ４２およびレンズ４３は、空間光変調器３０から出力される光のうち所望の回折次数の回折光を選択的に通過させる構成とされている。したがって、レンズ４３から撮像装置２へ出力される光Ｂは、所望の強度分布および位相分布を有する光となっている。

次に、空間光変調器３０に呈示される位相パターンについて詳細に説明する。この位相パターンは、光回折の為のブレーズドグレーティングパターンと、所定の位相変調分布を有する位相パターンと、が重畳されてなる。図２は、ブレーズドグレーティングパターンを示す図である。この図では、各画素の位相変調量（変調幅２π）が濃淡で示されている。このようなブレーズドグレーティングパターンが呈示された空間光変調器３０に対して光が入力されると、その光は回折される。その光回折の際の回折効率は、ブレーズドグレーティングパターンの形状によって異なる。

空間光変調器３０の光入射面上の特定方向に沿ったＮ画素を１周期とするブレーズドグレーティングパターンφ_gratingは、下記（１）式で表される。ここで、ｎは、特定方向に沿った周期内の画素位置を表す。ｋは、０以上１以下の値をとり得る。したがって、ブレーズドグレーティングパターンφ_gratingの位相変調範囲は、２π以下である２ｋπである。

このブレーズドグレーティングパターンφ_gratingの理論的な回折効率Ｉ_+1thは、下記（２）式で表され、ｋ値によって異なる。ｋが値１であるときに、理論的な回折効率Ｉ_+1thは最大値１となる。

したがって、空間光変調器３０の光入射面においてｋ値が一様ではなく分布していれば、空間光変調器３０の光入射面における光回折効率も分布したものとなる。図３は、ブレーズドグレーティングパターンφ_gratingにおける位相変調分布の一例を示す図である。この図において、横軸は画素位置を表す。この図に示される例のように、右に向うほどｋ値が大きい場合には、右に向うほど回折効率が高くなる。図４は、実際の空間光変調器に呈示されたブレーズドグレーティングパターンφ_gratingにおけるｋ値と回折効率との関係を示すグラフである。この図に示されるように、ｋ値が大きいほど回折効率は高い。なお、回折角はｋ値に依存しない。

空間光変調器３０に呈示される位相パターンφ_resultは、上記のようなブレーズドグレーティングパターンφ_gratingと、位相パターンとしての所望位相パターンφ_desireとが重畳されたものであって、下記（３）式で表される。或いは、空間光変調器３０に呈示される位相パターンφ_resultは、上記のようなブレーズドグレーティングパターンφ_gratingと、位相パターンとしての所望位相パターンφ_desireおよび歪み補正パターンφ_correctionとが重畳されたものであって、下記（４）式で表される。

所望位相パターンφ_desireは、光ビーム断面において所望の位相分布を実現するためのパターンであり、その位相変調範囲が２π以下である。また、歪み補正パターンφ_correctionは、光制御装置１における光学系の位相歪みを補正するためのパターンであり、一般に位相変調範囲が数π程度である。光制御装置１における光学系の位相歪みは、プリズム２０の第１反射面２１および第２反射面２２、空間光変調器３０ならびにレンズ４１，４３に存在し得る。このような位相パターンφ_resultが呈示された空間光変調器３０から回折されて出力された光は、そのビーム断面において所望の強度分布および位相分布を有するものとなる。

以下では、説明を簡便化するために、上記（３）式および（４）式を下記（５）式で表すことにする。この（５）式中の位相パターンφ_phaseは、（３）式中の所望位相パターンφ_desireであり、或いは、（４）式中の所望位相パターンφ_desireと歪み補正パターンφ_correctionとの和である。

本実施形態においては空間光変調器３０に呈示される位相パターンφ_resultは、位相変調範囲が２π以上である。この位相パターンφ_resultに含まれるブレーズドグレーティングパターンφ_gratingの一例として、図５および図６に示されるものを考える。図５は、ブレーズドグレーティングパターンにおける位相変調分布の一例を示す図である。この図において、横軸は画素位置を表す。また、図６は、ブレーズドグレーティングパターンにおける各画素の位相変調量の一例を示す図表である。このブレーズドグレーティングパターンφ_gratingでは、ｋ値が０.５であり、Ｎ値が８であり、隣接する２画素の間の位相変調量の差が０.１２５πである。図５では、ブレーズドグレーティングパターンφ_gratingの略６周期分が示されている。

また、位相パターンφ_resultに含まれる位相パターンφ_phaseの一例として、図７に示されるものを考える。図７は、位相パターンにおける位相変調分布の一例を示す図である。この図において、横軸は画素位置を表す。この位相パターンφ_phaseは、位相変調量が０である部分と、位相変調量が１.２５πである部分とを含む。

図８は、ブレーズドグレーティングパターンφ_grating（図５，図６）と位相パターンφ_phase（図７）とが重畳された位相パターンφ_resultにおける位相変調分布を示す図である。この図において、横軸は画素位置を表す。この図に示される位相パターンφ_resultでは、位相変調範囲が２π以上となっている。

図９は、位相パターンφ_result（図８）に対して位相折りたたみを行った後の位相パターンにおける位相変調分布を示す図である。この図においても、横軸は画素位置を表す。位相折りたたみ後の位相パターン（図９）における位相変調分布では、位相折りたたみ前の位相パターンφ_result（図８）のうち位相変調量が２πを超える画素について該位相変調量から２πが減じられたものとなっていて、各画素における位相変調量が０から２πまでの範囲にある。

位相変調範囲が４π以上である空間光変調器３０が用いられる本実施形態の場合、その空間光変調器３０には位相折りたたみ前の位相パターン（図８）が呈示される。これに対して、位相変調範囲が２πである空間光変調器が用いられる比較例の場合、その空間光変調器には位相折りたたみ後の位相パターン（図９）が呈示される。

位相折りたたみ前の位相パターン（図８）と位相折りたたみ後の位相パターン（図９）とは、原理的には互いに同等の効果を有する。しかし、実際の空間光変調器においては、隣接する２画素の間で位相変調量の差が大きい部分には、折りたたみ領域（flyback region）と呼ばれる位相がなまって正しく表示されない領域が存在する。すなわち、位相折りたたみ前の位相パターン（図８）と比べて、位相折りたたみ後の位相パターン（図９）では、図中で矢印により示される位置に折りたたみ領域が存在することになり、これにより所望の強度分布および位相分布を有する光を得ることができない。

位相変調範囲が２πである空間光変調器に位相折りたたみ後の位相パターン（図９）が呈示される比較例の場合に、位相折りたたみ前には隣接する２画素の間で位相変調量の差が僅かであったものが、位相折りたたみ後には該２画素の間の位相変調量の差が略２πになる。このような位相折りたたみ後の位相パターンを現実の空間光変調器に呈示させると、その空間光変調器において隣接２画素間で位相変調量の差が大きい部分で、その位相変調量が急峻に変化しきれず、隣接２画素間でクロストークが生じる。このようなクロストークが存在する部分（折りたたみ領域）は、隣接２画素間で位相変調量の略２πの段差があり且つ折りたたみ領域がブレーズドグレーティングパターンの周期構造内に存在する場合において特に顕著な影響を及ぼすと考えられる。

空間光変調器に呈示される位相パターンにおける位相変調量変化が比較的滑らかな場合には、折りたたみ領域が少なく、空間光変調器から出力される光のビーム断面における強度分布および位相分布に対して折りたたみ領域が与える影響はおおむね無視できる。

図１０は、比較例の別の一例として空間光変調器から出力された光のビーム断面における強度分布の一例を示す図である。ここで空間光変調器に呈示される位相パターンは、ブレーズドグレーティングパターンφ_gratingと所望位相パターンφ_desireとが重畳されたもので、空間光変調器から出力される光のビーム断面における強度分布が均一になることを意図したものである。意図した光のビーム断面における強度分布は、図中の黒い領域が全面に亘る筈である。しかし、実際に得られた光のビーム断面における強度分布は、上記の意図に反して、強度が強い領域（図中の白い領域）が存在する。これは、ブレーズドグレーティングパターンφ_gratinが多くの折りたたみ領域を有する上に、これに所望位相パターンφ_desireおよび歪み補正パターンφ_correctionが重畳されてなる位相パターンφ_resultが更に多くの折りたたみ領域を有するためである。

比較例において、出力光のビーム断面において実際に不具合が見られた部分は、位相パターンで位相変調量が急峻に変化している場所と一致している。現実の空間光変調器では出力光の品質低下が無視できない問題となる。このように、比較例では、折りたたみ領域の影響により、所望の強度分布および位相分布を有する光を得ることができない。

これに対して、本実施形態では、各画素で位相変調範囲が４π以上である空間光変調器３０に、位相変調範囲が２πを超える位相パターン（例えば図８）を呈示する。したがって、位相折りたたみを行う必要がなく、ビーム断面において所望の強度分布および位相分布を有する光を得ることができる。

次に、本実施形態に係る光制御装置１を用いてラゲールガウシアンモード光を生成する場合について説明する。ラゲールガウシアンモード光は、ビーム断面において動径指数および偏角指数により特定される強度分布および位相分布を有している。以下では、動径指数が１であって偏角指数が３であるラゲールガウシアンモード光（以下「ＬＧ_１,３光」と記す。）を生成する場合について説明する。

図１１は、ＬＧ_１,３光のビーム断面における強度分布を示す図である。ビーム断面における強度分布が同図に示されるような分布となるように、ブレーズドグレーティングパターンφ_gratingが設定される。図１２は、ＬＧ_１,３光のビーム断面における強度分布（図１１）を得るためのブレーズドグレーティングパターンφ_gratingを示す図である。また、図１３は、ＬＧ_１,３光のビーム断面における位相分布を得るための所望位相パターンφ_desireを示す図である。図１２および図１３それぞれにおいて、各画素の位相変調量が濃淡で示されている。

空間光変調器３０によりＬＧ_１,３光を生成するための位相パターンφ_resultは、上記のブレーズドグレーティングパターンφ_gratingと所望位相パターンφ_desireとが重畳され、さらに歪み補正パターンφ_correctionが重畳されたものである。この位相パターンφ_resultが空間光変調器３０に呈示される。この位相パターンφ_resultは通常は２πを超える位相変調範囲となっている。

本実施形態では、位相変調範囲が４π以上である空間光変調器３０が用いられるので、位相パターンφ_resultに対して位相折りたたみを行う必要がなく、所望の強度分布および位相分布を有するＬＧ_１,３光を得ることができる。これに対して、比較例では、位相変調範囲が２πである空間光変調器が用いられるので、その空間光変調器には位相折りたたみ後の位相パターンが呈示され、それ故、所望の強度分布および位相分布を有するＬＧ_１,３光を得ることができない。

図１４は、本実施形態により生成されたＬＧ_１,３光のビーム断面における強度分布を示す図である。また、図１５は、比較例により生成されたＬＧ_１,３光のビーム断面における強度分布を示す図である。両者を対比して判るように、比較例により生成されたＬＧ_１,３光と比較して、本実施形態により生成されたＬＧ_１,３光は、所望のものに近い強度分布を有している。

このように本実施形態に係る光制御装置１により生成されるラゲールガウシアンモード光は、ビーム断面において位相分布だけでなく強度分布も所望のものに近いものであり、モード純度が高いものとなる。したがって、このラゲールガウシアンモード光は、光ピンセットや量子演算において好適に利用され得る。

次に、本実施形態に係る光制御装置１を用いたビーム整形について説明する。ビーム整形は、ビーム断面における強度分布が不均一である入力光を、ビーム断面における強度分布が所望のものである出力光に変換する技術である。図１６は、ビーム整形前の強度分布およびビーム整形後の強度分布の一例を示す図である。実線はビーム整形前の強度分布を示し、破線はビーム整形後の強度分布を示す。ビーム整形前の強度分布（実線）は中心に近いほど強度が強いものとし、ビーム整形後の強度分布（破線）は均一であるとする。

このビーム整形のために用いられるブレーズドグレーティングパターンφ_gratingは、ビーム断面におけるビーム整形前の強度分布とビーム整形後の強度分布との比に応じた回折効率分布を有するようｋ値の分布が設定される。また、空間光変調器３０に呈示される位相パターンφ_resultは、このブレーズドグレーティングパターンφ_gratingに所望位相パターンφ_desireおよび歪み補正パターンφ_correctionが重畳されたものとされる。この位相パターンφ_resultにおける位相変調範囲が２πを超える場合がある。

本実施形態では、位相変調範囲が４π以上である空間光変調器３０が用いられるので、位相パターンφ_resultに対して位相折りたたみを行う必要がなく、所望の強度分布および位相分布を有するビーム整形後の光を得ることができる。これに対して、比較例では、位相変調範囲が２πである空間光変調器が用いられるので、その空間光変調器には位相折りたたみ後の位相パターンが呈示され、それ故、所望の強度分布および位相分布を有するビーム整形後の光を得ることができない。

このように本実施形態に係る光制御装置１によりビーム整形することにより、ビーム断面における強度分布が不均一である入力光を、ビーム断面における強度分布が所望のものである出力光に変換することができる。例えば、ガウシアン分布のビーム光を、トップフラットと呼ばれる均一分布のビーム光に整形することができる。このようなビーム整形技術は、加工用途や顕微鏡用の照明などに有用である。

光制御装置１の構成図である。 ブレーズドグレーティングパターンを示す図である。 ブレーズドグレーティングパターンにおける位相変調分布の一例を示す図である。 実際の空間光変調器に呈示されたブレーズドグレーティングパターンにおけるｋ値と回折効率との関係を示すグラフである。 ブレーズドグレーティングパターンにおける位相変調分布の一例を示す図である。 ブレーズドグレーティングパターンにおける各画素の位相変調量の一例を示す図表である。 位相パターンにおける位相変調分布の一例を示す図である。 ブレーズドグレーティングパターン（図５，図６）と所定の位相変調分布を有する位相パターン（図７）とが重畳された位相パターンにおける位相変調分布を示す図である。 位相パターンφ_result（図８）に対して位相折りたたみを行った後の位相パターンにおける位相変調分布を示す図である。 比較例の場合に空間光変調器から出力された光のビーム断面における強度分布の一例を示す図である。 ＬＧ_１,３光のビーム断面における強度分布を示す図である。 ＬＧ_１,３光のビーム断面における強度分布（図１１）を得るためのブレーズドグレーティングパターンφ_gratingを示す図である。 ＬＧ_１,３光のビーム断面における位相分布を得るための所望位相パターンφ_desireを示す図である。 本実施形態により生成されたＬＧ_１,３光のビーム断面における強度分布を示す図である。 比較例により生成されたＬＧ_１,３光のビーム断面における強度分布を示す図である。 ビーム整形前の強度分布およびビーム整形後の強度分布の一例を示す図である。

符号の説明

１…光制御装置、２…撮像装置、１０…光源、２０…プリズム、３０…空間光変調器、３１…駆動部、３２…制御部、４１…レンズ、４２…アパーチャ、４３…レンズ。

Claims (6)

1. 光を出力する光源と、
   ２次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調が４π以上の範囲で可能であり、前記光源から出力された光を入力し、前記複数の画素それぞれにおいて光の位相を変調する位相パターンを呈示して、この位相パターンにより位相変調した後の光を出力する位相変調型の空間光変調器と、
   光回折の為のブレーズドグレーティングパターンと所定の位相変調分布を有する位相パターンとが重畳されてなり位相変調範囲が２π以上である位相パターンを前記空間光変調器に呈示させ、前記ブレーズドグレーティングパターンを調整することにより前記空間光変調器における光回折効率を調整する制御部と、
   を備えることを特徴とする光制御装置。
2. 前記制御部が、特定指数のラゲールガウシアンモード光のビーム断面における強度分布に応じた光回折効率分布を有する前記ブレーズドグレーティングパターンと、前記ラゲールガウシアンモード光のビーム断面における位相分布に応じた位相変調分布を有する前記位相パターンとが重畳された位相パターンを、前記空間光変調器に呈示させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
3. 前記制御部が、ビーム断面において特定の強度分布および位相分布を有する光の該強度分布に応じた光回折効率分布を有する前記ブレーズドグレーティングパターンと、前記位相分布に応じた位相変調分布を有する前記位相パターンとが重畳された位相パターンを、前記空間光変調器に呈示させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光制御装置。
4. 光を出力する光源と、
   ２次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調が４π以上の範囲で可能であり、前記光源から出力された光を入力し、前記複数の画素それぞれにおいて光の位相を変調する位相パターン呈示して、この位相パターンにより位相変調した後の光を出力する位相変調型の空間光変調器と、
   を用い、
   光回折の為のブレーズドグレーティングパターンと所定の位相変調分布を有する位相パターンとが重畳されてなり位相変調範囲が２π以上である位相パターンを前記空間光変調器に呈示させ、前記ブレーズドグレーティングパターンを調整することにより前記空間光変調器における光回折効率を調整する、
   ことを特徴とする光制御方法。
5. 特定指数のラゲールガウシアンモード光のビーム断面における強度分布に応じた光回折効率分布を有する前記ブレーズドグレーティングパターンと、前記ラゲールガウシアンモード光のビーム断面における位相分布に応じた位相変調分布を有する前記位相パターンとが重畳された位相パターンを、前記空間光変調器に呈示させる、ことを特徴とする請求項４に記載の光制御方法。
6. ビーム断面において特定の強度分布および位相分布を有する光の該強度分布に応じた光回折効率分布を有する前記ブレーズドグレーティングパターンと、前記位相分布に応じた位相変調分布を有する前記位相パターンとが重畳された位相パターンを、前記空間光変調器に呈示させる、ことを特徴とする請求項４に記載の光制御方法。