KR101577096B1 - 광 제어 장치 및 광 제어 방법 - Google Patents

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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

광 제어 장치(1)는 광원(10), 프리즘(20), 공간광 변조기(30), 구동부(31), 제어부(32), 렌즈(41), 어퍼쳐(42), 렌즈(43)를 구비한다. 공간광 변조기(30)는 위상 변조형인 것으로서, 2차원 배열된 복수의 화소를 가지고, 이들 복수의 화소 각각에 있어서 위상 변조가 4π 이상의 범위에서 가능하고, 복수의 화소 각각에 있어서 광의 위상을 변조하는 위상 패턴을 제시한다. 이 위상 패턴은 광회절을 위한 블레이즈드 그레이팅 패턴과, 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩되어 이루어지며, 위상 변조 범위가 2π 이상이다.

Description

광 제어 장치 및 광 제어 방법{LIGHT CONTROL DEVICE AND LIGHT CONTROL METHOD}
본 발명은 광 제어 장치 및 광 제어 방법에 관한 것이다.
공간광 변조기는 2차원 배열된 복수의 화소 각각에 있어서 입력광의 강도 또는 위상을 변조할 수 있다. 이와 같은 공간광 변조기로서, 강도만을 변조할 수 있는 강도 변조형인 것과, 위상만을 변조할 수 있는 위상 변조형인 것과, 강도 및 위상의 쌍방을 변조할 수 있는 강도 위상 변조형인 것이 있다. 공간광 변조기의 각 화소에 있어서 강도 또는 위상이 변조되어 출력된 광은 예를 들어, 공간광 변조기의 후단(後段)에 마련된 집광 광학계에 의해 집광되고, 그 집광 위치에 존재하는 대상물을 가공할 수 있다.
강도 변조형의 공간광 변조기는 화소마다 입력광의 투과율을 조정하는 것이며, 투과시키지 않은 부분의 광을 이용할 수 없기 때문에, 광의 이용 효율이 나쁘다. 강도 위상 변조형의 공간광 변조기는 각 화소에 있어서 강도 변조와 위상 변조를 서로 독립적으로 제어하는 것이 용이하지 않아서 취급이 곤란하다.
한편, 위상 변조형의 공간광 변조기는 화소마다 입력광의 위상을 변조하는 것이며, 대부분 모든 광을 출력할 수 있으므로, 광의 이용 효율이 높다. 또, 위상 변조형의 공간광 변조기는 계산기 홀로그램 등으로 작성되는 위상 패턴을 제시하는 것에 의해, 출력광의 빔 단면에 있어서 위상 분포의 자유도가 높고, 집광 광학계에 의한 출력광의 집광 위치의 자유도가 높다. 이와 같은 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용한 광 제어의 용도로서는 가공 대상물의 표면이나 내부의 가공이나, 라게르 가우시안 모드(laguerre gaussian mode) 광의 생성 등을 들 수 있다.
또, 위상 변조형의 공간광 변조기에 있어서 화소마다 위상 변조되어 출력되는 광의 강도를 변조할 수 있다는 것이 알려져 있다(비특허 문헌 1을 참조). 이것은 광회절을 위한 블레이즈드 그레이팅 패턴(blazed grating pattern)과, 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩되어 이루어지는 위상 패턴을 위상 변조형의 공간광 변조기에 제시시키고, 블레이즈드 그레이팅 패턴을 조정하는 것에 의해 공간광 변조기에 있어서 광회절 효율을 조정하는 것이다. 이에 의하면, 공간광 변조기에 의해 회절되어 출력되는 광은 그 빔 단면에 있어서 원하는 강도 분포 및 위상 분포를 가질 수 있다고 되고 있다.
또, 일반적으로, 광파(光波)의 위상
Figure 112011051393142-pct00001
과 위상 (
Figure 112011051393142-pct00002
+2nπ)은 동등하므로, 공간광 변조기의 각 화소에 있어서 광 위상 변조는 2π의 범위에서 가능하면 충분하다고 되어 있다. 여기서, n은 임의의 정수이다. 예를 들어, 위상 변조량이 2π를 넘는 경우에는, 그 위상 변조량에 대해서 2nπ를 가감산하는 것(「위상 플라이백(flyback)」이라고 함)에 의해 위상 변조량을 0으로부터 2π까지 범위 내의 값으로 하면 좋다. 이와 같이 위상 플라이백된 후의 위상 변조량이 공간광 변조기의 각 화소의 위상 변조량으로 되어도, 원리적으로는 어떤 문제가 발생하는 일은 없다고 여겨지고 있다.
종래의 공간광 변조기는 위상 변조 범위 2π를 가지도록 설정되어 있다. 이것은 공간광 변조기에 있어서 위상 변조 범위가 2π이면, 위상 패턴에 있어서 위상 플라이백을 행하는 것에 의해 원리적으로는 2π 초과의 위상 변조도 표현할 수 있기 때문이다. 또, 공간광 변조기가 2π 초과의 위상 변조 범위를 가지는 것은 용장(冗長)할뿐만 아니라, 입력 계조값(階調値)과 위상 변조량 사이의 관계에 있어서 분해능의 저하나 응답 속도의 저하가 일어나기 때문이다.
선행 기술 문헌
비특허 문헌
비특허 문헌 1 : Joseph P. Kirk and Alan L. Jones,“Phase-only complex-value spatial filter”, Journal of the optical society of America,Vol.61, No.8, 1971
그런데 본 발명자는 블레이즈드 그레이팅 패턴과 소정의 위상 패턴이 중첩되어 이루어지는 위상 패턴을 위상 변조형의 공간광 변조기에 제시시키고, 이 공간광 변조기에 있어서 화소마다 위상 변조되어 출력되는 광의 강도를 변조할 수 있는 것을 이용하여 여러 가지 연구 개발을 행하고 있다. 본 발명자는 그 연구 개발 시에, 공간광 변조기로부터 출력되는 광의 빔 단면에 있어서 강도 분포 및 위상 분포가 원하는 것과는 다른 현상이 발생하는 경우가 있다는 것, 즉 공간광 변조기로부터 출력되는 광의 빔 품질이 저하되는 현상이 발생하는 경우가 있다는 것을 찾아냈다. 그리고 본 발명자는 그 현상이 위상 플라이백에 인한 것임을 알아냈다.
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것이며, 블레이즈드 그레이팅 패턴과, 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩되어 이루어지는 위상 패턴을 위상 변조형의 공간광 변조기에 제시시키는 기술에 있어서 원하는 빔 단면을 가지는 광을 얻을 수 있는 광 제어 장치 및 광 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 광 제어 장치는, (1) 광을 출력하는 광원과, (2) 2차원 배열된 복수의 화소 각각에 있어서 위상 변조가 4π 이상의 범위에서 가능하고, 광원으로부터 출력된 광을 입력하고, 복수의 화소 각각에 있어서 광의 위상을 변조하는 위상 패턴을 제시하고, 이 위상 패턴에 의해 위상 변조한 후의 광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기와, (3) 광회절을 위한 블레이즈드 그레이팅 패턴과 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩되어서 위상 변조 범위가 2π 이상인 위상 패턴을 공간광 변조기에 제시시키고, 블레이즈드 그레이팅 패턴을 조정하는 것에 의해 공간광 변조기에 있어서 광회절 효율을 조정하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 광 제어 장치에서, 제어부는 특정 지수의 라게르 가우시안 모드 광의 빔 단면에 있어서 강도 분포에 따른 광회절 효율 분포를 가지는 블레이즈드 그레이팅 패턴과, 라게르 가우시안 모드 광의 빔 단면에 있어서 위상 분포에 따른 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩된 위상 패턴을 공간광 변조기에 제시시키는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 관한 광 제어 장치에서, 제어부는 빔 단면에 있어서 특정의 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 광의 그 강도 분포에 따른 광회절 효율 분포를 가지는 블레이즈드 그레이팅 패턴과, 위상 분포에 따른 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩된 위상 패턴을 공간광 변조기에 제시시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 광 제어 방법은, (1) 광을 출력하는 광원과, (2) 2차원 배열된 복수의 화소 각각에 있어서 위상 변조가 4π 이상의 범위에서 가능하고, 광원으로부터 출력된 광을 입력하고, 복수의 화소 각각에 있어서 광의 위상을 변조하는 위상 패턴을 제시하고, 이 위상 패턴에 의해 위상 변조한 후의 광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하고, (3) 광회절을 위한 블레이즈드 그레이팅 패턴과 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩되어 이루어지며 위상 변조 범위가 2π 이상인 위상 패턴을 공간광 변조기에 제시시키고, 블레이즈드 그레이팅 패턴을 조정하는 것에 의해 공간광 변조기에 있어서 광회절 효율을 조정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 광 제어 방법은, 특정 지수의 라게르 가우시안 모드 광의 빔 단면에 있어서 강도 분포에 따른 광회절 효율 분포를 가지는 블레이즈드 그레이팅 패턴과, 라게르 가우시안 모드 광의 빔 단면에 있어서 위상 분포에 따른 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩된 위상 패턴을 공간광 변조기에 제시시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 광 제어 방법은, 빔 단면에 있어서 특정의 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 광의 그 강도 분포에 따른 광회절 효율 분포를 가지는 블레이즈드 그레이팅 패턴과, 위상 분포에 따른 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩된 위상 패턴을 공간광 변조기에 제시시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 블레이즈드 그레이팅 패턴과 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩되어 이루어지는 위상 패턴을 위상 변조형의 공간광 변조기에 제시시키는 기술에 있어서 원하는 빔 단면을 가지는 광을 얻을 수 있다.
도 1은 광 제어 장치(1)의 구성도이다.
도 2는 블레이즈드 그레이팅 패턴을 나타내는 도면이다.
도 3은 블레이즈드 그레이팅 패턴에 있어서 위상 변조 분포의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 실제의 공간광 변조기에 제시된 블레이즈드 그레이팅 패턴에 있어서 k값과 회절 효율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 블레이즈드 그레이팅 패턴에 있어서 위상 변조 분포의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 블레이즈드 그레이팅 패턴에 있어서 각 화소의 위상 변조량의 일례를 나타내는 도표이다.
도 7은 위상 패턴에 있어서 위상 변조 분포의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 블레이즈드 그레이팅 패턴(도 5, 도 6)과 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴(도 7)이 중첩된 위상 패턴에 있어서 위상 변조 분포를 나타내는 도면이다.
도 9는 위상 패턴 φ result(도 8)에 대해서 위상 플라이백을 행한 후의 위상 패턴에 있어서 위상 변조 분포를 나타내는 도면이다.
도 10은 비교예의 경우에 공간광 변조기로부터 출력된 광의 빔 단면에 있어서 강도 분포의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은 LG1 , 3광의 빔 단면에 있어서 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 12는 LG1 , 3광의 빔 단면에 있어서 강도 분포(도 11)를 얻기 위한 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating을 나타내는 도면이다.
도 13은 LG1 , 3광의 빔 단면에 있어서 위상 분포를 얻기 위한 소망 위상 패턴 φ d esi re을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 실시 형태에 의해 생성된 LG1 , 3광의 빔 단면에 있어서 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 15는 비교예에 의해 생성된 LG1 , 3광의 빔 단면에 있어서 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 16은 빔 정형(整形) 전의 강도 분포 및 빔 정형 후의 강도 분포의 일례를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하고, 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.
도 1은 광 제어 장치(1)의 구성도이다. 이 도면에 나타나는 광 제어 장치(1)는 광원(10), 프리즘(20), 공간광 변조기(30), 구동부(31), 제어부(32), 렌즈(41), 어퍼쳐(aperture; 42), 및 렌즈(43)를 구비한다. 또한, 이 도면에는 광 제어 장치(1)에 더하여 촬상 장치(2)도 나타나 있다.
본 발명에 대해서 이용되는 위상 변조형의 공간광 변조기는 반사형인 것이어도 좋으며, 투과형인 것이어도 좋다. 반사형의 공간광 변조기로서는 LCOS(Liquid Crystal on Silicon)형, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)형 및 광 어드레스형 중 어느 쪽이어도 좋다. 또, 투과형의 공간광 변조기로서는 LCD(Liquid Crystal Display) 등이어도 좋다. 도 1에서는 공간광 변조기(30)로서 반사형인 것이 나타나 있다.
광원(10)은 공간광 변조기(30)에 의해 위상 변조되어야 하는 광을 출력하는 것이며, 바람직하게는 레이저 광원이며, 펨토초(femto抄) 레이저 광원이나 Nd:YAG 레이저 광원 등의 펄스 레이저 광원이어도 좋으며, He-Ne 등의 CW 레이저 광원이어도 좋다. 광원(10)으로부터 출력된 광은 공간 필터를 거친 후에 콜리메이트 렌즈(collimate lens)에 의해 콜리메이트되는 것이 바람직하다.
프리즘(20)은 제1 반사면(21) 및 제2 반사면(22)을 가진다. 프리즘(20)의 제1 반사면(21)은 광원(10)으로부터 출력된 광을 입력하고, 그 광을 공간광 변조기(30)에 반사시킨다. 프리즘(20)의 제2 반사면(22)은 공간광 변조기(30)로부터 출력된 광을 입력하고, 그 광을 렌즈(41)에 반사시킨다.
공간광 변조기(30)는 위상 변조형인 것으로서, 2차원 배열된 복수의 화소를 가지고, 이들 복수의 화소 각각에 있어서 위상 변조가 4π 이상의 범위에서 가능하고, 복수의 화소 각각에 있어서 광의 위상을 변조하는 위상 패턴을 제시할 수 있다. 공간광 변조기(30)는 광원(10)으로부터 출력되어 프리즘(20)의 제1 반사면(21)에서 반사되어 도달한 광을 입력하고, 이 위상 패턴에 의해 위상 변조한 후의 광을 프리즘(20)의 제2 반사면(22)에 출력한다. 이 공간광 변조기(30)에 있어서 제시되는 위상 패턴은 예를 들어 수치 계산에 의해 구해진 계산기 홀로그램(CGH: Computer Generated Hologram) 등을 들 수 있다.
구동부(31)는 공간광 변조기(30)의 2차원 배열된 복수의 화소 각각에 있어서 위상 변조량을 설정하는 것이며, 그 화소마다의 위상 변조량 설정을 위한 신호를 공간광 변조기(30)에 준다. 구동부(31)는 공간광 변조기(30)의 2차원 배열된 복수의 화소 각각에 있어서 위상 변조량을 설정하는 것에 의해, 공간광 변조기(30)에 위상 패턴을 제시시킨다.
제어부(32)는 예를 들어 컴퓨터로 구성되고, 구동부(31)의 동작을 제어하는 것에 의해, 구동부(31)로부터 공간광 변조기(30)에 위상 패턴을 기입시킨다. 즉, 공간광 변조기(30)에 제시시켜야 할 위상 패턴(A)을 기억하거나, 또는 그 위상 패턴(A)을 작성하고, 그 위상 패턴(A)을 구동부(31)로부터 공간광 변조기(30)에 기입시킨다.
이 위상 패턴(A)은 광회절을 위한 블레이즈드 그레이팅 패턴과, 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩되어 이루어진다. 이 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴은 광빔 단면에 있어서 원하는 위상 분포를 실현하기 위한 성분을 포함하고, 또 광 제어 장치(1)에 있어서 광학계의 위상 왜곡을 보정하기 위한 성분을 추가로 포함하는 것도 바람직하다. 또한, 이 위상 패턴(A)은 위상 변조 범위가 2π 이상이다. 블레이즈드 그레이팅 패턴을 조정하는 것에 의해 공간광 변조기(30)에 있어서 광회절 효율을 조정할 수 있다.
렌즈(41)는 공간광 변조기(30)로부터 출력되어 프리즘(20)의 제2 반사면(22)에서 반사된 광을 입력한다. 렌즈(41)와 렌즈(43)는 4f 광학계를 구성하고 있고, 양자간의 초점 위치에 어퍼쳐(42)의 개구가 배치되어 있다. 이 어퍼쳐는 공간광 변조기(30)에 의해 회절된 광 중에서 원하는 차수(次數)의 회절광만이 통과하도록 배치되어 있다.
촬상 장치(2)는 광 제어 장치(1)의 렌즈(43)로부터 출력된 광(B)을 수광하고, 그 광(B)의 빔 단면에 있어서 강도 분포를 취득한다. 촬상 장치(2)는 광 제어 장치(1)로부터 출력되는 광의 품질을 관찰하기 위한 것이다. 또한, 가공 등에 이용할 때, 렌즈(43)의 후단에 새로 렌즈를 배치하고, 그 집광점 위치에 가공 대상물을 배치한다.
이 광 제어 장치(1)의 개략 동작은 이하와 같다. 제어부(32)에 의해 제어된 구동부(31)에 의해, 블레이즈드 그레이팅 패턴과 위상 패턴이 중첩되어 이루어지는 위상 패턴이 공간광 변조기(30)에 제시된다. 광원(10)으로부터 출력된 광은 프리즘(20)의 제1 반사면(21)에서 반사되고, 공간광 변조기(30)에 입력된다.
공간광 변조기(30)에 입력된 광은 공간광 변조기(30)에 제시된 위상 패턴 중 블레이즈드 그레이팅 패턴에 의해 회절되어 출력된다. 그 광회절 시의 회절 효율은 블레이즈드 그레이팅 패턴의 형상에 따라 다르며, 또 공간광 변조기(30)의 입사면 상의 위치에 따라 다른 경우가 있다. 또, 공간광 변조기(30)로부터 회절되어 출력된 광은 공간광 변조기(30)에 제시된 위상 패턴 중에서 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴에 의해 위상 변조된 것으로 되어 있다.
공간광 변조기(30)로부터 출력된 광은 프리즘(20)의 제2 반사면(22)에서 반사되고, 렌즈(41), 어퍼쳐(42) 및 렌즈(43)를 거쳐서, 촬상 장치(2)에 의해 수광되어 광빔 단면에 있어서 강도 분포가 취득된다. 이 때, 렌즈(41), 어퍼쳐(42) 및 렌즈(43)는 공간광 변조기(30)로부터 출력되는 광 중에서 원하는 회절 차수의 회절광을 선택적으로 통과시키는 구성으로 되어 있다. 따라서 렌즈(43)로부터 촬상 장치(2)에 출력되는 광(B)은 원하는 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 광으로 되어 있다.
다음에, 공간광 변조기(30)에 제시되는 위상 패턴에 대해서 상세하게 설명한다. 이 위상 패턴은 광회절을 위한 블레이즈드 그레이팅 패턴과, 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩되어 이루어진다. 도 2는 블레이즈드 그레이팅 패턴을 나타내는 도면이다. 이 도면에서는 각 화소의 위상 변조량(변조폭 2π)이 농담(濃淡)으로 나타나 있다. 이와 같은 블레이즈드 그레이팅 패턴이 제시된 공간광 변조기(30)에 대해서 광이 입력되면, 그 광은 회절된다. 그 광회절 시의 회절 효율은 블레이즈드 그레이팅 패턴의 형상에 따라 다르다.
공간광 변조기(30)의 광 입사면 상의 특정 방향을 따른 N 화소를 1 주기로 하는 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating은 하기 (1) 식으로 나타낸다. 여기서, n은 특정 방향을 따른 주기 내의 화소 위치를 나타낸다. k는 0 이상 1 이하인 값을 취할 수 있다. 따라서 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating의 위상 변조 범위는 2π 이하인 2kπ이다.
[식 1]
Figure 112011051393142-pct00003
이 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating의 이론적인 회절 효율 I +1 th는 하기 (2) 식으로 나타나고, k값에 따라 다르다. k가 값 1일 때, 이론적인 회절 효율 I +1 th는 최대값 1로 된다.
[식 2]
Figure 112011051393142-pct00004
따라서 공간광 변조기(30)의 광 입사면에 있어서 k값이 고르지 않게 분포되어 있으면, 공간광 변조기(30)의 광 입사면에 있어서 광회절 효율도 분포된 것으로 된다. 도 3은 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating에 있어서 위상 변조 분포의 일례를 나타내는 도면이다. 이 도면에 있어서, 횡축은 화소 위치를 나타낸다. 이 도면에 나타나는 예와 같게, 오른쪽으로 향할수록 k값이 큰 경우에는, 오른쪽으로 향할수록 회절 효율이 높아진다. 도 4는 실제의 공간광 변조기에 제시된 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating에 있어서 k값과 회절 효율의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 도면에 나타난 바와 같이, k값이 클수록 회절 효율은 높다. 또한, 회절각은 k값에 의존하지 않는다.
공간광 변조기(30)에 제시되는 위상 패턴 φ result는 상기와 같은 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating과 위상 패턴으로서의 소망 위상 패턴 φ desire이 중첩된 것으로서, 하기 (3) 식으로 나타낸다. 또는 공간광 변조기(30)에 제시되는 위상 패턴 φ r esu lt는 상기와 같은 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating과 위상 패턴으로서의 소망 위상 패턴 φ desire 및 왜곡 보정 패턴 φ correction이 중첩된 것으로서, 하기 (4) 식으로 나타낸다.
[식 3]
Figure 112011051393142-pct00005
[식 4]
Figure 112011051393142-pct00006
소망 위상 패턴 φ desire은 광빔 단면에 있어서 원하는 위상 분포를 실현하기 위한 패턴이며, 그 위상 변조 범위가 2π 이하이다. 또, 왜곡 보정 패턴 φ correction는 광 제어 장치(1)에 있어서 광학계의 위상 왜곡을 보정하기 위한 패턴이며, 일반적으로 위상 변조 범위가 수π 정도이다. 광 제어 장치(1)에 있어서 광학계의 위상 왜곡은 프리즘(20)의 제1 반사면(21) 및 제2 반사면(22), 공간광 변조기(30) 및 렌즈(41, 43)에 존재할 수 있다. 이와 같은 위상 패턴 φ result가 제시된 공간광 변조기(30)로부터 회절되어 출력된 광은 그 빔 단면에 있어서 원하는 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 것으로 된다.
이하에서는 설명을 간편화하기 위해, 상기 (3) 식 및 (4) 식을 하기 (5) 식으로 나타내기로 한다. 이 (5) 식 중의 위상 패턴 φ phase는 (3) 식 중의 소망 위상 패턴 φ desire이거나, 또는 (4) 식 중의 소망 위상 패턴 φ desire과 왜곡 보정 패턴 φ correction의 합이다.
[식 5]
Figure 112011051393142-pct00007
본 실시 형태에 있어서 공간광 변조기(30)에 제시되는 위상 패턴 φ result는 위상 변조 범위가 2π 이상이다. 이 위상 패턴 φ result에 포함되는 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating의 일례로서, 도 5 및 도 6에 나타낸 것을 들 수 있다. 도 5는 블레이즈드 그레이팅 패턴에 있어서 위상 변조 분포의 일례를 나타내는 도면이다. 이 도면에 있어서, 횡축은 화소 위치를 나타낸다. 또, 도 6은 블레이즈드 그레이팅 패턴에 있어서 각 화소의 위상 변조량의 일례를 나타내는 도표이다. 이 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating에서는 k값이 0.5이며, N값이 8이며, 인접하는 2 화소의 사이의 위상 변조량의 차가 0.125π이다. 도 5에서는 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating의 거의 6 주기분이 나타나 있다.
또, 위상 패턴 φ result에 포함되는 위상 패턴 φ phase의 일례로서, 도 7에 나타낸 것을 들 수 있다. 도 7은 위상 패턴에 있어서 위상 변조 분포의 일례를 나타내는 도면이다. 이 도면에 있어서, 횡축은 화소 위치를 나타낸다. 이 위상 패턴 φ phase는 위상 변조량이 0인 부분과 위상 변조량이 1.25π인 부분을 포함한다.
도 8은 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating(도 5, 도 6)과 위상 패턴 φ phase(도 7)가 중첩된 위상 패턴 φ result에 있어서 위상 변조 분포를 나타내는 도면이다. 이 도면에 있어서, 횡축은 화소 위치를 나타낸다. 이 도면에 나타나는 위상 패턴 φ result에서는 위상 변조 범위가 2π 이상으로 되어 있다.
도 9는 위상 패턴 φ result(도 8)에 대해서 위상 플라이백을 행한 후의 위상 패턴에 있어서 위상 변조 분포를 나타내는 도면이다. 이 도면에 있어서도 횡축은 화소 위치를 나타낸다. 위상 플라이백 후의 위상 패턴(도 9)에 있어서 위상 변조 분포에서는 위상 플라이백 전의 위상 패턴 φ result(도 8) 중 위상 변조량이 2π를 넘는 화소에 대해서 그 위상 변조량으로부터 2π가 감소된 것으로 되어 있고, 각 화소에 있어서 위상 변조량이 0으로부터 2π까지의 범위에 있다.
위상 변조 범위가 4π 이상인 공간광 변조기(30)가 이용되는 본 실시 형태의 경우, 그 공간광 변조기(30)에는 위상 플라이백 전의 위상 패턴(도 8)이 제시된다. 이에 대해, 위상 변조 범위가 2π인 공간광 변조기가 이용되는 비교예의 경우, 그 공간광 변조기에는 위상 플라이백 후의 위상 패턴(도 9)이 제시된다.
위상 플라이백 전의 위상 패턴(도 8)과 위상 플라이백 후의 위상 패턴(도 9)은 원리적으로 서로 동등한 효과를 가진다. 그러나 실제의 공간광 변조기에 있어서, 인접하는 2 화소의 사이에서 위상 변조량의 차가 큰 부분에는 플라이백 영역(flyback region)으로 불리는 위상이 변형되어 올바르게 표시되지 않는 영역이 존재한다. 즉, 위상 플라이백 전의 위상 패턴(도 8)과 비교해서, 위상 플라이백 후의 위상 패턴(도 9)에서는 도면 중에서 화살표에 의해 나타나는 위치에 플라이백 영역이 존재하게 되고, 이에 의해 원하는 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 광을 얻을 수 없다.
위상 변조 범위가 2π인 공간광 변조기에 위상 플라이백 후의 위상 패턴(도 9)이 제시되는 비교예의 경우에, 위상 플라이백 전에는 인접하는 2 화소의 사이에 위상 변조량의 차가 작은 것이, 위상 플라이백 후에는 그 2 화소의 사이의 위상 변조량의 차가 거의 2π로 된다. 이와 같은 위상 플라이백 후의 위상 패턴을 현실의 공간광 변조기에 제시시키면, 그 공간광 변조기에 있어서 인접 2 화소 사이에서 위상 변조량의 차가 큰 부분에서, 그 위상 변조량이 급준(急峻)하게 변화하지 못하고, 인접 2 화소 사이에서 크로스 토크(cross talk)가 발생한다. 이와 같은 크로스 토크가 존재하는 부분(플라이백 영역)은 인접 2 화소 사이에서 위상 변조량의 거의 2π의 단차(段差)가 있고, 또한 플라이백 영역이 블레이즈드 그레이팅 패턴의 주기 구조 내에 존재하는 경우에 있어서 특히 현저한 영향을 미친다고 생각된다.
공간광 변조기에 제시되는 위상 패턴에 있어서 위상 변조량 변화가 비교적 매끄러운 경우에는, 플라이백 영역이 적고, 공간광 변조기로부터 출력되는 광의 빔 단면에 있어서 강도 분포 및 위상 분포에 대해서 플라이백 영역이 주는 영향은 대개 무시할 수 있다.
도 10은 비교예의 다른 일례로서 공간광 변조기로부터 출력된 광의 빔 단면에 있어서 강도 분포의 일례를 나타내는 도면이다. 여기서, 공간광 변조기에 제시되는 위상 패턴은 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating과 소망 위상 패턴 φ desire가 중첩된 것이고, 공간광 변조기로부터 출력되는 광의 빔 단면에 있어서 강도 분포가 균일하게 되는 것을 의도한 것이다. 의도한 광의 빔 단면에 있어서 강도 분포는 도면 중의 검은 영역이 전면(全面)에 걸쳐 있다. 그러나 실제로 얻어진 광의 빔 단면에 있어서 강도 분포는 상기의 의도에 반하여, 강도가 강한 영역(도면 중의 흰 영역)이 존재한다. 이것은 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating이 많은 플라이백 영역을 가질뿐만 아니라, 이것에 소망 위상 패턴 φ desire 및 왜곡 보정 패턴 φ correction이 중첩되어 이루어지는 위상 패턴 φ result가 더욱 많은 플라이백 영역을 가지기 때문이다.
비교예에 있어서, 출력광의 빔 단면에 있어서 실제로 불편이 나타나는 부분은 위상 패턴에서 위상 변조량이 급준하게 변화하고 있는 장소와 일치하고 있다. 현실의 공간광 변조기에서는 출력광의 품질 저하를 무시할 수 없는 문제가 된다. 이와 같이, 비교예에서는 플라이백 영역의 영향에 의해, 원하는 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 광을 얻을 수 없다.
이에 대해, 본 실시 형태에서는 각 화소에서 위상 변조 범위가 4π 이상인 공간광 변조기(30)에, 위상 변조 범위가 2π를 넘는 위상 패턴(예를 들어 도 8)을 제시한다. 따라서 위상 플라이백을 행할 필요가 없고, 빔 단면에 있어서 원하는 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 광을 얻을 수 있다.
다음에, 본 실시 형태에 관한 광 제어 장치(1)를 이용하여 라게르 가우시안 모드 광을 생성하는 경우에 대해서 설명한다. 라게르 가우시안 모드 광은 빔 단면에 있어서 동경(動徑) 지수 및 편각(偏角) 지수에 의해 특정되는 강도 분포 및 위상 분포를 가지고 있다. 이하에서는 동경 지수가 1이며 편각 지수가 3인 라게르 가우시안 모드 광(이하 「LG1 , 3광」이라고 기재함)을 생성하는 경우에 대해서 설명한다.
도 11은 LG1 , 3광의 빔 단면에 있어서 강도 분포를 나타내는 도면이다. 빔 단면에 있어서 강도 분포가 동 도면에 나타나는 분포로 되도록, 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating이 설정된다. 도 12는 LG1 , 3광의 빔 단면에 있어서 강도 분포(도 11)를 얻기 위한 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating을 나타내는 도면이다. 또, 도 13은 LG1,3광의 빔 단면에 있어서 위상 분포를 얻기 위한 소망 위상 패턴 φ desire을 나타내는 도면이다. 도 12 및 도 13 각각에 있어서, 각 화소의 위상 변조량이 농담으로 나타나 있다.
공간광 변조기(30)에 의해 LG1 , 3광을 생성하기 위한 위상 패턴 φ result는 상기의 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating과 소망 위상 패턴 φ desire이 중첩되고, 추가로 왜곡 보정 패턴 φ correction이 중첩된 것이다. 이 위상 패턴 φ result가 공간광 변조기(30)에 제시된다. 이 위상 패턴 φ result는 통상적으로 2π를 넘는 위상 변조 범위로 되어 있다.
본 실시 형태에서는 위상 변조 범위가 4π 이상인 공간광 변조기(30)가 이용되므로, 위상 패턴 φ result에 대해서 위상 플라이백을 행할 필요가 없고, 원하는 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 LG1 , 3광을 얻을 수 있다. 이에 대해, 비교예에서는 위상 변조 범위가 2π인 공간광 변조기가 이용되므로, 그 공간광 변조기에는 위상 플라이백 후의 위상 패턴이 제시되고, 이에 의해 원하는 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 LG1 , 3광을 얻을 수 없다.
도 14는 본 실시 형태에 의해 생성된 LG1 , 3광의 빔 단면에 있어서 강도 분포를 나타내는 도면이다. 또, 도 15는 비교예에 의해 생성된 LG1 , 3광의 빔 단면에 있어서 강도 분포를 나타내는 도면이다. 양자를 대비하여 알 수 있는 바와 같이, 비교예에 의해 생성된 LG1 , 3광과 비교하여, 본 실시 형태에 의해 생성된 LG1 , 3광은 원하는 것에 가까운 강도 분포를 가지고 있다.
이와 같이 본 실시 형태에 관한 광 제어 장치(1)에 의해 생성되는 라게르 가우시안 모드 광은 빔 단면에 있어서 위상 분포뿐만 아니라 강도 분포도 원하는 것에 가까운 것이며, 모드 순도가 높은 것으로 된다. 따라서 이 라게르 가우시안 모드 광은 광 핀셋이나 양자 연산에 있어서 바람직하게 이용될 수 있다.
다음에, 본 실시 형태에 관한 광 제어 장치(1)를 이용한 빔 정형에 대해서 설명한다. 빔 정형은 빔 단면에 있어서 강도 분포가 불균일한 입력광을, 빔 단면에 있어서 강도 분포가 원하는 것인 출력광으로 변환하는 기술이다. 도 16은 빔 정형 전의 강도 분포 및 빔 정형 후의 강도 분포의 일례를 나타내는 도면이다. 실선은 빔 정형 전의 강도 분포를 나타내고, 파선은 빔 정형 후의 강도 분포를 나타낸다. 빔 정형 전의 강도 분포(실선)는 중심에 가까울수록 강도가 강한 것으로 하고, 빔 정형 후의 강도 분포(파선)는 균일하다고 한다.
이 빔 정형을 위해 이용되는 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating은 빔 단면에 있어서 빔 정형 전의 강도 분포와 빔 정형 후의 강도 분포의 비에 따른 회절 효율 분포를 가지도록 k값의 분포가 설정된다. 또, 공간광 변조기(30)에 제시되는 위상 패턴 φ result는 이 블레이즈드 그레이팅 패턴 φ grating에 소망 위상 패턴 φ desire 및 왜곡 보정 패턴 φ correction이 중첩된 것으로 된다. 이 위상 패턴 φ result에 있어서 위상 변조 범위가 2π를 넘는 경우가 있다.
본 실시 형태에서는 위상 변조 범위가 4π 이상인 공간광 변조기(30)가 이용되므로, 위상 패턴 φ result에 대해서 위상 플라이백을 행할 필요가 없고, 원하는 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 빔 정형 후의 광을 얻을 수 있다. 이에 대해, 비교예에서는 위상 변조 범위가 2π인 공간광 변조기가 이용되므로, 그 공간광 변조기에는 위상 플라이백 후의 위상 패턴이 제시되고, 이에 의해 원하는 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 빔 정형 후의 광을 얻을 수 없다.
이와 같이 본 실시 형태에 관한 광 제어 장치(1)에 의해 빔 정형하는 것에 의해, 빔 단면에 있어서 강도 분포가 불균일한 입력광을, 빔 단면에 있어서 강도 분포가 원하는 것인 출력광으로 변환할 수 있다. 예를 들어, 가우시안 분포의 빔광을, 톱 플랫으로 불리는 균일 분포의 빔광에 정형할 수 있다. 이와 같은 빔 정형 기술은 가공 용도나 현미경용의 조명 등에 유용하다.
본 발명은 블레이즈드 그레이팅 패턴과 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩되어 이루어지는 위상 패턴을 위상 변조형의 공간광 변조기에 제시시키는 기술에 있어서 원하는 빔 단면을 가지는 광을 얻을 수 있는 광 제어 장치를 제공한다.
1ㆍㆍㆍ광 제어 장치,
2ㆍㆍㆍ촬상 장치,
10ㆍㆍㆍ광원,
20ㆍㆍㆍ프리즘,
30ㆍㆍㆍ공간광 변조기,
31ㆍㆍㆍ구동부,
32ㆍㆍㆍ제어부,
41ㆍㆍㆍ렌즈,
42ㆍㆍㆍ어퍼쳐,
43ㆍㆍㆍ렌즈.

Claims (6)

  1. 광을 출력하는 광원과,
    2차원 배열된 복수의 화소 각각에 있어서 위상 변조가 4π 이상의 범위에서 가능하고, 상기 광원으로부터 출력된 광을 입력하고, 상기 복수의 화소 각각에 있어서 광의 위상을 변조하는 위상 패턴을 제시하고, 이 위상 패턴에 의해 위상 변조한 후의 광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기와,
    광회절을 위한 블레이즈드 그레이팅 패턴(blazed grating pattern)과 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩되어 이루어지며 위상 변조 범위가 2π 이상인 위상 패턴을 상기 공간광 변조기에 제시시키고, 상기 블레이즈드 그레이팅 패턴을 조정하는 것에 의해 상기 공간광 변조기에 있어서 광회절 효율을 조정하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부가, 빔 단면에 있어서 특정의 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 광의 그 강도 분포에 따른 광회절 효율 분포를 가지는 상기 블레이즈드 그레이팅 패턴과, 상기 위상 분포에 따른 위상 변조 분포를 가지는 상기 위상 패턴이 중첩된 위상 패턴을 상기 공간광 변조기에 제시시키는 것을 특징으로 하는 광 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부가 특정 지수의 라게르 가우시안 모드(laguerre gaussian mode) 광의 빔 단면에 있어서 강도 분포에 따른 광회절 효율 분포를 가지는 상기 블레이즈드 그레이팅 패턴과, 상기 라게르 가우시안 모드 광의 빔 단면에 있어서 위상 분포에 따른 위상 변조 분포를 가지는 상기 위상 패턴이 중첩된 위상 패턴을 상기 공간광 변조기에 제시시키는 것을 특징으로 하는 광 제어 장치.
  3. 광을 출력하는 광원과,
    2차원 배열된 복수의 화소 각각에 있어서 위상 변조가 4π 이상의 범위에서 가능하고, 상기 광원으로부터 출력된 광을 입력하고, 상기 복수의 화소 각각에 있어서 광의 위상을 변조하는 위상 패턴을 제시하고, 이 위상 패턴에 의해 위상 변조한 후의 광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하고,
    광회절을 위한 블레이즈드 그레이팅 패턴과 소정의 위상 변조 분포를 가지는 위상 패턴이 중첩되어 이루어지며 위상 변조 범위가 2π 이상인 위상 패턴을 상기 공간광 변조기에 제시시키고, 상기 블레이즈드 그레이팅 패턴을 조정하는 것에 의해 상기 공간광 변조기에 있어서 광회절 효율을 조정하고,
    상기 공간광 변조기로의 제시 시, 빔 단면에 있어서 특정의 강도 분포 및 위상 분포를 가지는 광의 그 강도 분포에 따른 광회절 효율 분포를 가지는 상기 블레이즈드 그레이팅 패턴과, 상기 위상 분포에 따른 위상 변조 분포를 가지는 상기 위상 패턴이 중첩된 위상 패턴을 상기 공간광 변조기에 제시시키는 것을 특징으로 하는 광 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    특정 지수의 라게르 가우시안 모드 광의 빔 단면에 있어서 강도 분포에 따른 광회절 효율 분포를 가지는 상기 블레이즈드 그레이팅 패턴과, 상기 라게르 가우시안 모드 광의 빔 단면에 있어서 위상 분포에 따른 위상 변조 분포를 가지는 상기 위상 패턴이 중첩된 위상 패턴을 상기 공간광 변조기에 제시시키는 것을 특징으로 하는 광 제어 방법.
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