专利名称：光控制装置以及光控制方法
技术领域：
本发明涉及光控制装置以及光控制方法。
背景技术：
空间光调制器在各个二维排列的多个像素中能够调制输入光的强度或者相位。作为这样的空间光调制器，存在能够仅调制强度的强度调制型的调制器、能够仅调制相位的相位调制型的调制器、能够调制强度以及相位的两者的强度相位调制型的调制器。空间光调制器的各个像素中调制了强度或者相位而输出的光例如被设置于空间光调制器的后段的聚光光学系统聚光，从而能够加工存在于该聚光位置的对象物。强度调制型的空间光调制器是调整每个像素中输入光的透过率的空间光调制器， 因为不能够利用未透过的部分的光，所以光的利用效率较差。强度相位调制型的空间光调制器难以互相独立地控制各个像素中的强度调制和相位调制，因而使用操作较为困难。另一方面，相位调制型的空间光调制器是调制每个像素中输入光的相位的空间光调制器，因为能够输出几乎所有的光，所以光的利用效率较高。另外，相位调制型的空间光调制器通过显示由计算机全息图(hologram)等制作成的相位图案，从而输出光的光束截面上的相位分布的自由度较高，由聚光光学系统得到的输出光的聚光位置的自由度较高。 作为使用这样的相位调制型的空间光调制器的光控制的用途，可以列举加工对象物的表面和内部的加工、拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)模式光的生成等。另外，众所周知相位调制型的空间光调制器中能够调制每个像素中被相位调制而输出的光的强度(参照非专利文献1)。这是一种使通过重叠用于光衍射的炫耀光栅 (blazed grating)图案和具有规定的相位调制分布的相位图案而成的相位图案显示于相位调制型的空间光调制器，调整炫耀光栅图案，从而调整空间光调制器中的光衍射效率的装置。由此，由空间光调制器进行衍射而输出的光，在其光束截面上能够具有所希望的强度分布以及相位分布。另外，一般来说，光波的相位α和相位(α+2ηπ)因为是同等的，所以空间光调制器的各个像素中的光相位调制如果能够在2π的范围内那么是充分的。在此，η为任意的整数。例如，在相位调制量超过2 π的情况下，通过对该相位调制量加减2η π (称为“相位折叠”)从而可以使相位调制量为从0到的范围内的值。即使如上所述被相位折叠后的相位调制量成为空间光调制器的各个像素的相位调制量，原理上也不会产生任何问题。现有的空间光调制器被设定为具有相位调制范围2 π。这是由于如果空间光调制器中的相位调制范围是2 π，那么相位图案中通过进行相位折叠从而在原理上也能够表现超过2 π的相位调制。另外，空间光调制器具有超过2 π的相位调制范围，不仅是冗长的， 而且会引起输入灰度(gradation)值与相位调制量之间的关系上的分辨率的降低和应答速度的降低。非专利文献非专利文献 1 :Joseph P. Kirk and Alan L. Jones, "Phase-onlycomplex-valuespatial filter", Journal of the optical society of America, Vol.61, No. 8,1971
发明内容
发明所要解决的课题然而，本发明人利用使通过重叠炫耀光栅(blazed grating)图案和规定的相位图案而成的相位图案显示于相位调制型的空间光调制器而在该空间光调制器中能够调制每个像素中被相位调制而输出的光的强度，进行了各种各样的研究开发。本发明人在进行该研究开发的时候，发现了会有产生从空间光调制器输出的光的光束截面上的强度分布以及相位分布与所希望的分布不同的现象的情况，即会有从空间光调制器输出的光的光束品质降低的现象。而且，本发明人发现了该现象起因于相位折叠。本发明是为了解决上述问题而悉心研究之结果，以提供一种在使通过重叠炫耀光栅图案和具有规定的相位调制分布的相位图案而成的相位图案显示于相位调制型的空间光调制器的技术中，能够获得具有所希望的光束截面的光的光控制装置以及光控制方法为目的。解决课题的技术手段本发明所涉及的光控制装置，其特征在于，具备(1)输出光的光源；(2)能够在 4 π的范围内进行二维排列的多个像素的各个中的相位调制，输入从光源输出的光，显示在多个像素的各个中对光的相位进行调制的相位图案，输出由该相位图案进行相位调制后的光的相位调制型的空间光调制器；以及(3)使相位调制范围为2 π以下的用于光衍射的炫耀光栅(blazed grating)图案和相位调制范围为2 π以下的具有规定的相位调制分布的相位图案重叠而成的相位图案显示于空间光调制器，调整炫耀光栅图案，从而调整空间光调制器中的光衍射效率的控制部。在本发明所涉及的光控制装置中，控制部优选为使重叠了具有对应于特定指数的拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)模式光的光束截面上的强度分布的光衍射效率分布的炫耀光栅图案和具有对应于拉盖尔-高斯模式光的光束截面上的相位分布的相位调制分布的相位图案的相位图案显示于空间光调制器。另外，在本发明所涉及的光控制装置中，控制部优选为使重叠了具有对应于在光束截面上具有特定的强度分布以及相位分布的光的该强度分布的光衍射效率分布的炫耀光栅图案和具有对应于相位分布的相位调制分布的相位图案的相位图案显示于空间光调制器。本发明所涉及的光控制方法，其特征在于，使用(1)输出光的光源；以及O)能够在的范围内进行二维排列的多个像素的各个中的相位调制，输入从光源输出的光，显示在多个像素的各个中对光的相位进行调制的相位图案，输出由该相位图案进行相位调制后的光的相位调制型的空间光调制器，(3)使相位调制范围为2 π以下的用于光衍射的炫耀光栅图案和相位调制范围为2π以下的具有规定的相位调制分布的相位图案重叠而成的相位图案显示于空间光调制器，调整炫耀光栅图案，从而调整空间光调制器中的光衍射效率。本发明所涉及的光控制方法优选为使重叠了具有对应于特定指数的拉盖尔-高斯模式光的光束截面上的强度分布的光衍射效率分布的炫耀光栅图案和具有对应于拉盖尔-高斯模式光的光束截面上的相位分布的相位调制分布的相位图案的相位图案显示于空间光调制器。本发明所涉及的光控制方法优选为使重叠了具有对应于在光束截面上具有特定的强度分布以及相位分布的光的该强度分布的光衍射效率分布的炫耀光栅图案和具有对应于相位分布的相位调制分布的相位图案的相位图案显示于空间光调制器。发明的效果根据本发明，能够在使炫耀光栅图案和具有规定的相位调制分布的相位图案重叠而成的相位图案显示于相位调制型的空间光调制器的技术中获得具有所希望的光束截面的光。
图1是光控制装置1的结构图。图2是表示炫耀光栅(blazed grating)图案的图。图3是表示炫耀光栅图案中的相位调制分布的一个例子的图。图4是表示实际的显示于空间光调制器的炫耀光栅图案中的k值与衍射效率的关系的图表。图5是表示炫耀光栅图案中的相位调制分布的一个例子的图。图6是表示炫耀光栅图案中的各个像素的相位调制量的一个例子的图表。图7是表示相位图案中的相位调制分布的一个例子的图。图8是表示重叠了炫耀光栅图案(图5、图6)和具有规定的相位调制分布的相位图案(图7)的相位图案中的相位调制分布的图。图9是表示对相位图案(^result (图8)进行相位折叠之后的相位图案中的相位调制分布的图。图10是表示在比较例的情况下从空间光调制器输出的光的光束截面上的强度分布的一个例子的图。图11是表示LGli3光的光束截面上的强度分布的图。图12是表示用于获得LGu光的光束截面上的强度分布(图11)的炫耀光栅图案
^grating 的图。图13是表示用于获得LGu光的光束截面上的相位分布的所希望相位图案的图。图14是表示由本实施方式所生成的LGli3光的光束截面上的强度分布的图。图15是表示由比较例所生成的LGu光的光束截面上的强度分布的图。图16是表示光束整形前的强度分布以及光束整形后的强度分布的一个例子的图。符号的说明L···光控制装置、2…摄像装置、10…光源、20···棱镜、30…空间光调制器、31···驱动
部、32…控制部、41...透镜、42…缝隙(aperture)、43…透镜。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明用于实施本发明的最佳方式。还有，在图面的说明中， 将相同的符号标注于相同的要素，从而省略重复的说明。图1是光控制装置1的结构图。由该图所表示的光控制装置1具备光源10、棱镜 20、空间光调制器30、驱动部31、控制部32、透镜41、缝隙42以及透镜43。还有，在该图中除了光控制装置1之外还表示有摄像装置2。本发明中所使用的相位调制型的空间光调制器可以是反射型的空间光调制器，也可以是透过型的空间光调制器。作为反射型的空间光调制器，可以是LC0S(Liquid Crystal on Silicon) MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)型以及光寻址型中的任意一种。另外，作为透过型的空间光调制器，可以是LCD(Liquid Crystal Display)等。在图1 中，作为空间光调制器30，表示反射型的空间光调制器。光源10是输出应该由空间光调制器30进行相位调制的光的装置，优选为激光光源，也可以是飞秒(femto second)激光光源或Nd:YAG激光光源等的脉冲激光光源，也可以是He-Ne等的CW激光光源。从光源10输出的光优选为在经过空间滤波器(spatial filter)之后由准直透镜(Collimate Lens)校准。棱镜20具有第1反射面21以及第2反射面22。棱镜20的第1反射面21输入从光源10输出的光，并将该光向空间光调制器30反射。棱镜20的第2反射面22输入从空间光调制器30输出的光，并将该光向透镜41反射。空间光调制器30是相位调制型的空间光调制器，具有二维排列的多个像素，能够在的范围内进行这些多个像素的各个中的相位调制，并能够显示在多个像素的各个中对光的相位进行调制的相位图案。空间光调制器30输入从光源10输出并在棱镜20的第1 反射面21上被反射而到达的光，并使由该相位图案进行相位调制之后的光向棱镜20的第 2反射面22输出。该空间光调制器30中所显示的相位图案例如可以列举由数值计算求得的计算机全息图(CGH :Computer Generated Hologram)等。驱动部31是设定空间光调制器30的二维排列的多个像素的各个中的相位调制量的装置，将用于该每个像素的相位调制量设定的信号赋予空间光调制器30。驱动部31通过设定空间光调制器30的二维排列的多个像素的各个中的相位调制量从而使相位图案显示于空间光调制器30。控制部32例如由计算机所构成，通过控制驱动部31的动作从而从驱动部31向空间光调制器30写入相位图案。即存储应该被显示于空间光调制器30的相位图案A，或者制作该相位图案A并从驱动部31将该相位图案A写入到空间光调制器30。该相位图案A由相位调制范围为以下的用于光衍射的炫耀光栅(blazed grating)图案和相位调制范围为2 π以下的具有规定的相位调制分布的相位图案重叠而成。具有该规定的相位调制分布的相位图案包含用于在光束截面上实现所希望的相位分布的成分，另外，优选还包含用于修正光控制装置1中的包括空间光调制器30的光学系统的相位失真的成分。通过调整炫耀光栅图案从而能够调整空间光调制器30中的光衍射效率。透镜41输入从空间光调制器30输出并在棱镜20的第2反射面22上被反射的光。透镜41和透镜43构成了 4f光学系统，在两者之间的焦点位置上配置有缝隙42的开口。该缝隙42以仅通过所希望的次数的衍射光的方式配置。摄像装置2接收从光控制装置1的透镜43输出的光B，并取得该光B的光束截面上的强度分布。摄像装置2是用于观察从光控制装置1输出的光的品质的装置。还有，在用于加工等的时候，在透镜43的后段重新配置透镜，并在其聚光点位置上配置加工对象物。该光控制装置1的大致动作如以下所述。由被控制部32控制的驱动部31，将炫耀光栅图案和相位图案重叠而成的相位图案显示于空间光调制器30。从光源10输出的光在棱镜20的第1反射面21上被反射，并被输入到空间光调制器30。被输入到空间光调制器30的光由被显示于空间光调制器30的相位图案中的炫耀光栅图案而被衍射并输出。该光衍射的时候的衍射效率根据炫耀光栅图案的形状而不同， 另外，会有根据空间光调制器30的入射面上的位置而不同的情况。另外，从空间光调制器 30被衍射并被输出的光成为由被显示于空间光调制器30的相位图案中的具有规定的相位调制分布的相位图案而被相位调制的光。从空间光调制器30输出的光在棱镜20的第2反射面22上被反射，经过透镜41、 缝隙42以及透镜43，并由摄像装置2进行受光从而取得光束截面上的强度分布。此时，透镜41、缝隙42以及透镜43为选择性地通过从空间光调制器30输出的光中的所希望的衍射次数的衍射光的结构。因此，从透镜43输出到摄像装置2的光B成为具有所希望的强度分布以及相位分布的光。接着，对被显示于空间光调制器30的相位图案进行详细的说明。该相位图案由用于光衍射的炫耀光栅图案和具有规定的相位调制分布的相位图案重叠而成。图2是表示炫耀光栅图案的图。在该图中，以浓淡表示各个像素的相位调制量(调制宽度2π)。如果对显示有这样的炫耀光栅图案的空间光调制器30输入光，那么该光被衍射。该光衍射的时候的衍射效率根据炫耀光栅图案的形状而不同。将沿着空间光调制器30的光入射面上的特定方向的N像素作为1周期的炫耀光栅图案^grating由下述式⑴表示。在此，η表示沿着特定方向的周期内的像素位置。k可以是0以上1以下的值。因此，炫耀光栅图案(^grating的相位调制范围为2 π以下的^π。[数1]φ^(η) = 2π. Iir^lll…⑴该炫耀光栅图案(^grating的理论上的衍射效率I+lth由下述式(2)表示，且根据k值而不同。当k值为1的时候，理论上的衍射效率I+lth的最大值为1。[数2]7僅=n(l-k)…⑵因此，如果空间光调制器30的光入射面上k值不同地分布，那么在空间光调制器 30的光入射面上的光衍射效率也进行分布。图3是表示炫耀光栅图案C^grating中的相位调制分布的一个例子的图。在该图中，横轴表示像素位置。如该图所示的例子那样，在越向右 k值越大的情况下，越向右衍射效率越高。图4是表示实际的显示于空间光调制器的炫耀光栅图案$grating中的k值与衍射效率的关系的图表。如该图所示，k值越大衍射效率越高。 还有，衍射角不依赖于k值。被显示于空间光调制器30的相位图案是重叠了上述那样的炫耀光栅图案 ^grating和作为相位图案的所希望相位图案^esireW相位图案，由下述式⑶表示。或者，被显示于空间光调制器30的相位图案C^result是重叠了上述那样的炫耀光栅图案6grating和作为相位图案的所希望相位图案Φ^μ以及失真修正图案Φ。 Μ。 。η的相位图案，由下述式 (4)表示。[数3]φ resiuit 办 grating+ 办 desire(3)[数4]
权利要求
1.一种光控制装置，其特征在于，具备光源，输出光；相位调制型的空间光调制器，能够在4 π的范围内进行二维排列的多个像素的各个中的相位调制，输入从所述光源输出的光，显示在所述多个像素的各个中对光的相位进行调制的相位图案，并输出由该相位图案进行相位调制后的光；以及控制部，使相位调制范围为2π以下的用于光衍射的炫耀光栅图案和相位调制范围为 2π以下的具有规定的相位调制分布的相位图案重叠而成的相位图案显示于所述空间光调制器，调整所述炫耀光栅图案，从而调整所述空间光调制器中的光衍射效率。
2.如权利要求1所述的光控制装置，其特征在于，所述控制部使重叠了所述炫耀光栅图案和所述相位图案的相位图案显示于所述空间光调制器，所述炫耀光栅图案具有对应于特定指数的拉盖尔-高斯模式光的光束截面上的强度分布的光衍射效率分布，所述相位图案具有对应于所述拉盖尔-高斯模式光的光束截面上的相位分布的相位调制分布。
3.如权利要求1所述的光控制装置，其特征在于，所述控制部使重叠了所述炫耀光栅图案和所述相位图案的相位图案显示于所述空间光调制器，所述炫耀光栅图案具有对应于在光束截面上具有特定的强度分布以及相位分布的光的该强度分布的光衍射效率分布，所述相位图案具有对应于所述相位分布的相位调制分布。
4.一种光控制方法，其特征在于，使用光源，输出光；以及相位调制型的空间光调制器，能够在4 π的范围内进行二维排列的多个像素的各个中的相位调制，输入从所述光源输出的光，显示在所述多个像素的各个中对光的相位进行调制的相位图案，并输出由该相位图案进行相位调制后的光，使相位调制范围为2π以下的用于光衍射的炫耀光栅图案和相位调制范围为2π以下的具有规定的相位调制分布的相位图案重叠而成的相位图案显示于所述空间光调制器，调整所述炫耀光栅图案，从而调整所述空间光调制器中的光衍射效率。
5.如权利要求4所述的光控制方法，其特征在于，使重叠了所述炫耀光栅图案和所述相位图案的相位图案显示于所述空间光调制器，所述炫耀光栅图案具有对应于特定指数的拉盖尔-高斯模式光的光束截面上的强度分布的光衍射效率分布，所述相位图案具有对应于所述拉盖尔-高斯模式光的光束截面上的相位分布的相位调制分布。
6.如权利要求4所述的光控制方法，其特征在于，使重叠了所述炫耀光栅图案和所述相位图案的相位图案显示于所述空间光调制器，所述炫耀光栅图案具有对应于在光束截面上具有特定的强度分布以及相位分布的光的该强度分布的光衍射效率分布，所述相位图案具有对应于所述相位分布的相位调制分布。
全文摘要
本发明涉及光控制装置以及光控制方法。光控制装置(1)具备光源(10)、棱镜(20)、空间光调制器(30)、驱动部(31)、控制部(32)、透镜(41)、缝隙(42)以及透镜(43)。空间光调制器(30)是相位调制型的空间光调制器，具有二维排列的多个像素，能够在4π的范围内进行这些多个像素的各个中的相位调制，显示在多个像素的各个中对光的相位进行调制的相位图案。该相位图案由重叠相位调制范围为2π以下的用于光衍射的炫耀光栅图案和相位调制范围为2π以下的具有规定的相位调制分布的相位图案而成。
文档编号G02F1/01GK102265207SQ200980152729
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者井上卓, 大竹良幸, 安藤太郎, 松本直也 申请人:浜松光子学株式会社