JP7244888B1 - 光変調装置及び集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】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。【選択図】図１

Description

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。
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。

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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。

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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝であって、各φ_ｎが同一である分布φ｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝において、全ての分布φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ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Ｃ_ｍｎが行列状に配置されたセル群Ｃであって、各セルＣ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎにより構成されていてもよいし、複数列のセルＣ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_１ｎ～Ｃ_Ｍｎにおける１次元の変調量の分布を分布φ_ｎと表し、１フレーム分のセル群Ｃの分布φ_ｎをまとめて分布φ｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝と表す。図２では、分布φのうちφ_１及びφ_Ｎ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Ｃ_１１～Ｃ_Ｍ１に入射させる。セルＣ_１１～Ｃ_Ｍ１は、分布φ_１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φ_１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Ｃ_１２～Ｃ_Ｍ２に入射させる。セルＣ_１２～Ｃ_Ｍ２は、分布φ_２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φ_３，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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φ_ｎ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φ_ｎは、１次元ビームＬ１２における各分布φ_ｎ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Ｃ_ｍｎ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｛φ_Ｎ＋１，φ_Ｎ＋２，・・・φ_２Ｎ｝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｛φ_Ｎ＋１，φ_Ｎ＋２，・・・φ_２Ｎ｝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Ｃ_ｍｎ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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝及び分布φ｛φ_Ｎ＋１，φ_Ｎ＋２，・・・φ_２Ｎ｝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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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Ｐ_Ｃ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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Ｐ_Ｃにおいて、集光点が移動するように分布φ｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝を設定しておくことにより、集光装置１は、集光面Ｐ_Ｃ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Ｐ_Ｃ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Ｐ_Ｃ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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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Ｐ_Ｃ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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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Ｐ_Ｃ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Ｐ_Ｃ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Ｐ_Ｃ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Ｐ_Ｃ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Ｃ_ｍｎ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Ｃ_ｍｎ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Ｐ_Ｃ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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝を設定した。具体的には、集光面Ｐ_Ｃ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φ_ｎ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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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Ｐ_Ｃ上の８個の点の何れかに集光される。

集光面Ｐ_Ｃ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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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Ｐ_Ｃ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Ｐ_Ｃ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Ｐ_Ｃを傾けることにより、集光面Ｐ_Ｃ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Ｐ_Ｃ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φ_ｎ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φ_９０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Ｃ_ｍ９０においては、強度を１に設定し、ｍが偶数であるセルＣ_ｍ９０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φ_９０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φ_９０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（φ_１＝φ_２＝・・・＝φ_ｎ＝・・・＝φ_Ｎ）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φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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｛φ_１，φ_２，・・・φ_ｎ，・・・φ_Ｎ｝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Ｐ_Ｃ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Ｐ_Ｃ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。

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 (9)

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次元ビームをライン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ライン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ライン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ラインビームを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ライン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、を備えており、
   前記変調工程において、前記２次元光変調器は、前記第１変換工程にて得られたラインビームを空間変調するとともに反射することによって、前記空間変調されたラインビームを生成し、
   前記走査光学系は、前記第１変換工程において２次元ビームをラインビームに変換すると共に、前記第２変換工程においてラインビームを２次元ビームに変換するシリンドリカルレンズを含む、
   ことを特徴とする光変調装置。
2. 前記走査光学系は、
   前記変調工程においてライン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ライン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、を更に含んでおり、
   前記２次元光変調器は、反射型であり、前記シリンドリカルレンズにより得られた前記ラインビームを当該シリンドリカルレンズの方向へ反射する、
   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、レゾナントスキャナである、
   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ライン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の分布が設定されている、
   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次元ビームをライン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ライン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ライン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ラインビームを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ライン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し、
   前記変調工程において、前記２次元光変調器は、前記第１変換工程にて得られたラインビームを空間変調するとともに反射することによって、前記空間変調されたラインビームを生成し、
   前記第１変換工程及び前記第２変換工程は、単一のシリンドリカルレンズにより実施される、
   ことを特徴とする光変調方法。
8. 行列状に配置されたセル群であって、各セルにおける位相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次元ビームをライン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ライン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、その列により位相を空間変調されたライン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ラインビームを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ライン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。
9. 行列状に配置されたセル群であって、各セルにおける位相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次元ビームをライン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ライン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、その列により位相を空間変調されたライン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ラインビームを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ライン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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