JP7244888B1 - 光変調装置及び集光装置 - Google Patents
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Abstract
Description
に関する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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