(57)【要約】【課題】  ＳＬＭによる不要０次光の発生を抑制することが可能な光変調方法、光変調プログラム、光変調装置、及び光照射装置を提供する。【解決手段】  ２次元配列された複数の画素を有し、入力した光の位相を変調パターンによって画素毎に変調する位相変調型の空間光変調器２０と、光の位相を変調するための目標変調パターンを設定する変調パターン設定部３１と、空間光変調器２０の画素構造特性及び目標変調パターンのパターン特性に応じたα≧１の補正係数αを設定する補正係数設定部３２と、目標変調パターンに補正係数αを乗算することで空間光変調器２０の複数の画素に呈示する補正後の変調パターンを求める変調パターン補正部３５とを備えて光変調装置２Ａを構成する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元配列された複数の画素を有し、入力した光の位相を前記複数の画素に呈示した変調パターンによって画素毎に変調して、位相変調後の光を出力する位相変調型の空間光変調器を用い、
前記空間光変調器において前記光の位相を変調するための目標変調パターンを設定する変調パターン設定ステップと、
前記目標変調パターンに対し、前記空間光変調器の画素構造特性及び前記目標変調パターンのパターン特性に応じたα≧１の補正係数αを設定する補正係数設定ステップと、
前記目標変調パターンに前記補正係数αを乗算することで、前記空間光変調器の前記複数の画素に呈示する補正後の変調パターンを求める変調パターン補正ステップと、
前記補正後の変調パターンを前記空間光変調器の前記複数の画素に呈示する変調パターン呈示ステップと
を備えることを特徴とする光変調方法。
【請求項２】
前記目標変調パターンに対応し、その前記パターン特性に応じてあらかじめ求められて補正係数記憶手段に記憶された前記補正係数αを用い、
前記補正係数設定ステップは、前記補正係数記憶手段から読み出された係数によって、前記補正係数αを設定することを特徴とする請求項１記載の光変調方法。
【請求項３】
前記目標変調パターンを参照し、その前記パターン特性に応じて前記補正係数αを求める補正係数導出ステップを備え、
前記補正係数設定ステップは、前記補正係数導出ステップで求められた係数によって、前記補正係数αを設定することを特徴とする請求項１または２記載の光変調方法。
【請求項４】
前記補正係数設定ステップにおいて、前記補正係数αは、前記空間光変調器での前記複数の画素のそれぞれの２次元の画素位置に依存する画素毎の係数α（ｘ，ｙ）として設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光変調方法。
【請求項５】
前記補正係数設定ステップにおいて、前記補正係数αとして、前記目標変調パターンの空間周波数特性に応じて設定された係数を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光変調方法。
【請求項６】
前記補正係数設定ステップにおいて、前記補正係数αとして、前記目標変調パターンによる位相変調後の光の再生パターンで最も回折角が大きい点に応じて設定された係数を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光変調方法。
【請求項７】
２次元配列された複数の画素を有し、入力した光の位相を前記複数の画素に呈示した変調パターンによって画素毎に変調して、位相変調後の光を出力する位相変調型の空間光変調器を用い、
前記空間光変調器において前記光の位相を変調するための目標変調パターンを設定する変調パターン設定処理と、
前記目標変調パターンに対し、前記空間光変調器の画素構造特性及び前記目標変調パターンのパターン特性に応じたα≧１の補正係数αを設定する補正係数設定処理と、
前記目標変調パターンに前記補正係数αを乗算することで、前記空間光変調器の前記複数の画素に呈示する補正後の変調パターンを求める変調パターン補正処理と、
前記補正後の変調パターンを前記空間光変調器の前記複数の画素に呈示する変調パターン呈示処理と
をコンピュータに実行させることを特徴とする光変調プログラム。
【請求項８】
前記目標変調パターンに対応し、その前記パターン特性に応じてあらかじめ求められて補正係数記憶手段に記憶された前記補正係数αを用い、
前記補正係数設定処理は、前記補正係数記憶手段から読み出された係数によって、前記補正係数αを設定することを特徴とする請求項７記載の光変調プログラム。
【請求項９】
前記目標変調パターンを参照し、その前記パターン特性に応じて前記補正係数αを求める補正係数導出処理を備え、
前記補正係数設定処理は、前記補正係数導出処理で求められた係数によって、前記補正係数αを設定することを特徴とする請求項７または８記載の光変調プログラム。
【請求項１０】
前記補正係数設定処理において、前記補正係数αは、前記空間光変調器での前記複数の画素のそれぞれの２次元の画素位置に依存する画素毎の係数α（ｘ，ｙ）として設定されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項記載の光変調プログラム。
【請求項１１】
前記補正係数設定処理において、前記補正係数αとして、前記目標変調パターンの空間周波数特性に応じて設定された係数を用いることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項記載の光変調プログラム。
【請求項１２】
前記補正係数設定処理において、前記補正係数αとして、前記目標変調パターンによる位相変調後の光の再生パターンで最も回折角が大きい点に応じて設定された係数を用いることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項記載の光変調プログラム。
【請求項１３】
２次元配列された複数の画素を有し、入力した光の位相を前記複数の画素に呈示した変調パターンによって画素毎に変調して、位相変調後の光を出力する位相変調型の空間光変調器と、
前記空間光変調器において前記光の位相を変調するための目標変調パターンを設定する変調パターン設定手段と、
前記目標変調パターンに対し、前記空間光変調器の画素構造特性及び前記目標変調パターンのパターン特性に応じたα≧１の補正係数αを設定する補正係数設定手段と、
前記目標変調パターンに前記補正係数αを乗算することで、前記空間光変調器の前記複数の画素に呈示する補正後の変調パターンを求める変調パターン補正手段と
を備えることを特徴とする光変調装置。
【請求項１４】
前記目標変調パターンに対応し、その前記パターン特性に応じてあらかじめ求められた前記補正係数αを記憶する補正係数記憶手段を備え、
前記補正係数設定手段は、前記補正係数記憶手段から読み出された係数によって、前記補正係数αを設定することを特徴とする請求項１３記載の光変調装置。
【請求項１５】
前記目標変調パターンを参照し、その前記パターン特性に応じて前記補正係数αを求める補正係数導出手段を備え、
前記補正係数設定手段は、前記補正係数導出手段で求められた係数によって、前記補正係数αを設定することを特徴とする請求項１３または１４記載の光変調装置。
【請求項１６】
前記補正係数設定手段において、前記補正係数αは、前記空間光変調器での前記複数の画素のそれぞれの２次元の画素位置に依存する画素毎の係数α（ｘ，ｙ）として設定されることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項記載の光変調装置。
【請求項１７】
前記補正係数設定手段において、前記補正係数αとして、前記目標変調パターンの空間周波数特性に応じて設定された係数を用いることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項記載の光変調装置。
【請求項１８】
前記補正係数設定手段において、前記補正係数αとして、前記目標変調パターンによる位相変調後の光の再生パターンで最も回折角が大きい点に応じて設定された係数を用いることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか一項記載の光変調装置。
【請求項１９】
光を供給する光源と、
前記光源から供給された前記光の位相を変調して、位相変調後の光を出力する位相変調型の空間光変調器を含む請求項１３〜１８のいずれか一項記載の光変調装置と
を備えることを特徴とする光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間光変調器の複数の画素に呈示した変調パターンによってレーザ光などの光の位相を変調する光変調方法、光変調プログラム、光変調装置、及びそれを用いた光照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）は、光の制御に用いられる光学素子である。特に、位相変調型の空間光変調器は、入力した光の位相を変調して位相変調後の光を出力するものであり、入力光の振幅を変調させることなく、位相のみを変化させて出力することができる（例えば、特許文献１、非特許文献１〜５参照）。
【０００３】
このような位相変調型ＳＬＭの特徴の１つとして、光の位相を変調することで波面を整形し、１つの光源から時間的に同一のタイミングで、空間的に位置が異なる多点の集光点を生成可能であることがあげられる。位相変調型ＳＬＭで生成した多点パターンによる光の多点同時照射を用いれば、例えばレーザ加工での複数位置同時加工、レーザスキャニング顕微鏡用途での複数位置同時観察等を、光量のロスなく実行することができる。
【０００４】
位相変調型ＳＬＭの利用の一例として、単一のレーザ光源から供給されたレーザ光に対してＳＬＭで位相変調を行うことで１０点の多点照射パターンを生成し、この照射パターンを用いて加工対象物の多点同時加工を行う場合を考える。この場合、レーザ光源による１点の集光点のみを用いる従来のレーザ加工に比べて、位相変調型ＳＬＭを用いることで対象物の加工速度が１０倍になる利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０７５９９７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】R. W. Gerchberg et al., "A practical algorithm for thedetermination of phase from image and diffraction plane pictures", OptikVol.35 (1972) pp.237-246
【非特許文献２】D. Prongue et al., "Optimized kinoform structures for highlyefficient fan-out elements", Appl. Opt. Vol.31 No.26 (1992) pp.5706-5711
【非特許文献３】O. Ripoll et al., "Review of iterative Fourier-transformalgorithms for beam shaping applications", Opt. Eng. Vol.43 No.11 (2004)pp.2549-2556
【非特許文献４】J. Bengtsson, "Kinoform design with an optimal-rotation-anglemethod", Appl. Opt. Vol.33 No.29 (1994) pp.6879-6884
【非特許文献５】D. Palima et al., "Holographic projection of arbitrary lightpatterns with a suppressed zero-order beam", Appl. Opt. Vol.46 No.20(2007) pp.4197-4201
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
位相変調型ＳＬＭでは、上記したように、多点同時照射を利用した並列処理によって、レーザ加工等の高速化を図ることができるなどの利点がある。一方、このようにＳＬＭを用いて行われるレーザ光照射では、ＳＬＭから出力される位相変調レーザ光による所望の照射パターンに加えて、ＳＬＭによって発生する不要０次光による予期せぬレーザ光照射が問題となる場合がある。
【０００８】
ここで、不要０次光とは、基本的には、ＳＬＭによって変調されなかった光成分によって発生するものである。このような光成分は、例えばＳＬＭの後段にレンズが配置された場合には、平面波がレンズによって集光される焦点位置に、予期せぬ光として集光する。このような不要０次光が発生すると、位相変調型ＳＬＭによる変調レーザ光を利用する場合に、例えばレーザ加工では、対象物に対する予定された加工点以外での予期せぬ加工が発生し、また、レーザスキャニング顕微鏡では、対象物に対する観察条件が不要０次光の影響で変動、劣化するなどの問題が生じる。
【０００９】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、ＳＬＭによる不要０次光の発生を抑制することが可能な光変調方法、光変調プログラム、光変調装置、及び光照射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明による光変調方法は、（１）２次元配列された複数の画素を有し、入力した光の位相を複数の画素に呈示した変調パターンによって画素毎に変調して、位相変調後の光を出力する位相変調型の空間光変調器を用い、（２）空間光変調器において光の位相を変調するための目標変調パターンを設定する変調パターン設定ステップと、（３）目標変調パターンに対し、空間光変調器の画素構造特性及び目標変調パターンのパターン特性に応じたα≧１の補正係数αを設定する補正係数設定ステップと、（４）目標変調パターンに補正係数αを乗算することで、空間光変調器の複数の画素に呈示する補正後の変調パターンを求める変調パターン補正ステップと、（５）補正後の変調パターンを空間光変調器の複数の画素に呈示する変調パターン呈示ステップとを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明による光変調プログラムは、（１）２次元配列された複数の画素を有し、入力した光の位相を複数の画素に呈示した変調パターンによって画素毎に変調して、位相変調後の光を出力する位相変調型の空間光変調器を用い、（２）空間光変調器において光の位相を変調するための目標変調パターンを設定する変調パターン設定処理と、（３）目標変調パターンに対し、空間光変調器の画素構造特性及び目標変調パターンのパターン特性に応じたα≧１の補正係数αを設定する補正係数設定処理と、（４）目標変調パターンに補正係数αを乗算することで、空間光変調器の複数の画素に呈示する補正後の変調パターンを求める変調パターン補正処理と、（５）補正後の変調パターンを空間光変調器の複数の画素に呈示する変調パターン呈示処理とをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１２】
本発明による光変調装置は、（ａ）２次元配列された複数の画素を有し、入力した光の位相を複数の画素に呈示した変調パターンによって画素毎に変調して、位相変調後の光を出力する位相変調型の空間光変調器と、（ｂ）空間光変調器において光の位相を変調するための目標変調パターンを設定する変調パターン設定手段と、（ｃ）目標変調パターンに対し、空間光変調器の画素構造特性及び目標変調パターンのパターン特性に応じたα≧１の補正係数αを設定する補正係数設定手段と、（ｄ）目標変調パターンに補正係数αを乗算することで、空間光変調器の複数の画素に呈示する補正後の変調パターンを求める変調パターン補正手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
上記した光変調方法、光変調プログラム、及び光変調装置においては、空間光変調器に呈示する位相変調パターンについて、レーザ光などの光の所望の照射パターン等に対応するように目標変調パターンを設定する。そして、この目標変調パターンによって空間光変調器で実際に実行される光の位相の変調について、空間光変調器における複数の画素の２次元画素構造特性と、目標変調パターンのパターン特性とに着目し、これらの画素構造特性及びパターン特性に応じて１以上の補正係数α（α≧１）を設定する。このような構成によれば、補正係数αを目標変調パターンに乗算して生成された補正後の変調パターンを空間光変調器の複数の画素に呈示することで、空間光変調器での光の位相の変調における不要０次光の発生を抑制することが可能となる。
【００１４】
ここで、補正係数の設定については、光変調方法は、目標変調パターンに対応し、そのパターン特性に応じてあらかじめ求められて補正係数記憶手段に記憶された補正係数αを用い、補正係数設定ステップは、補正係数記憶手段から読み出された係数によって、補正係数αを設定する構成を用いることができる。同様に、光変調プログラムは、目標変調パターンに対応し、そのパターン特性に応じてあらかじめ求められて補正係数記憶手段に記憶された補正係数αを用い、補正係数設定処理は、補正係数記憶手段から読み出された係数によって、補正係数αを設定する構成を用いることができる。同様に、光変調装置は、目標変調パターンに対応し、そのパターン特性に応じてあらかじめ求められた補正係数αを記憶する補正係数記憶手段を備え、補正係数設定手段は、補正係数記憶手段から読み出された係数によって、補正係数αを設定する構成を用いることができる。
【００１５】
このように、空間光変調器に呈示される変調パターンのパターン特性をあらかじめ評価して、そのパターン特性に応じて係数αを求めて記憶手段に係数データとして格納しておき、この係数データを必要に応じて読み出して、補正係数αとして設定することにより、目標変調パターンに対応した補正係数αを好適に設定することができる。
【００１６】
あるいは、補正係数の設定については、光変調方法は、目標変調パターンを参照し、そのパターン特性に応じて補正係数αを求める補正係数導出ステップを備え、補正係数設定ステップは、補正係数導出ステップで求められた係数によって、補正係数αを設定する構成を用いることができる。同様に、光変調プログラムは、目標変調パターンを参照し、そのパターン特性に応じて補正係数αを求める補正係数導出処理を備え、補正係数設定処理は、補正係数導出処理で求められた係数によって、補正係数αを設定する構成を用いることができる。同様に、光変調装置は、目標変調パターンを参照し、そのパターン特性に応じて補正係数αを求める補正係数導出手段を備え、補正係数設定手段は、補正係数導出手段で求められた係数によって、補正係数αを設定する構成を用いることができる。
【００１７】
このように、空間光変調器に呈示される変調パターンとして設定された目標変調パターンを参照してパターン特性を評価し、そのパターン特性に応じて係数αを求めることで、補正係数αを設定することによっても、目標変調パターンに対応した補正係数αを好適に設定することができる。
【００１８】
また、補正係数については、光変調方法は、補正係数設定ステップにおいて、補正係数αが、空間光変調器での複数の画素のそれぞれの２次元の画素位置に依存する画素毎の係数α（ｘ，ｙ）として設定される構成としても良い。同様に、光変調プログラムは、補正係数設定処理において、補正係数αが、空間光変調器での複数の画素のそれぞれの２次元の画素位置に依存する画素毎の係数α（ｘ，ｙ）として設定される構成としても良い。同様に、光変調装置は、補正係数設定手段において、補正係数αが、空間光変調器での複数の画素のそれぞれの２次元の画素位置に依存する画素毎の係数α（ｘ，ｙ）として設定される構成としても良い。
【００１９】
空間光変調器に呈示される位相変調パターンでは、その具体的なパターン構成により、変調パターンに乗算すべき補正係数αの値が画素位置（ｘ，ｙ）に依存して変化する場合が考えられる。これに対して、上記したように補正係数αを画素毎の係数α（ｘ，ｙ）として設定することが可能な構成とすることにより、最適な補正係数αの値が画素位置に依存する場合でも、変調パターンの補正を好適に実行することができる。
【００２０】
また、補正係数αの設定において参照する変調パターンのパターン特性については、具体的には、光変調方法は、補正係数設定ステップにおいて、補正係数αとして、目標変調パターンの空間周波数特性に応じて設定された係数を用いる構成としても良い。同様に、光変調プログラムは、補正係数設定処理において、補正係数αとして、目標変調パターンの空間周波数特性に応じて設定された係数を用いる構成としても良い。同様に、光変調装置は、補正係数設定手段において、補正係数αとして、目標変調パターンの空間周波数特性に応じて設定された係数を用いる構成としても良い。
【００２１】
あるいは、補正係数の設定で参照する変調パターンのパターン特性について、光変調方法は、補正係数設定ステップにおいて、補正係数αとして、目標変調パターンによる位相変調後の光の再生パターンで最も回折角が大きい点に応じて設定された係数を用いる構成としても良い。同様に、光変調プログラムは、補正係数設定処理において、補正係数αとして、目標変調パターンによる位相変調後の光の再生パターンで最も回折角が大きい点に応じて設定された係数を用いる構成としても良い。同様に、光変調装置は、補正係数設定手段において、補正係数αとして、目標変調パターンによる位相変調後の光の再生パターンで最も回折角が大きい点に応じて設定された係数を用いる構成としても良い。また、この場合、特に、補正係数の設定において、補正係数αとして、目標変調パターンによる位相変調後の光の再生パターンで最も回折角が大きい点と、０次光の集光点との距離に応じて設定された係数を用いることが好ましい。
【００２２】
本発明による光照射装置は、変調対象となる光を供給する光源と、光源から供給された光の位相を変調して、位相変調後の光を出力する位相変調型の空間光変調器を含む上記構成の光変調装置とを備えることを特徴とする。また、変調対象の光がレーザ光である場合には、レーザ光照射装置は、レーザ光を供給するレーザ光源と、レーザ光源から供給されたレーザ光の位相を変調して、位相変調後のレーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器を含む上記構成の光変調装置とを備えることを特徴とする。
【００２３】
このような構成によれば、位相変調型の空間光変調器を含む光変調装置において、補正係数αを目標変調パターンに乗算した補正後の変調パターンを空間光変調器の複数の画素に呈示することで、光の位相の変調における不要０次光の発生を抑制して、所望の照射パターンによる対象物への光の照射、及びそれによる対象物の加工、観察等の操作を好適に実現することが可能となる。このような光照射装置は、例えばレーザ加工装置、レーザ顕微鏡、レーザマニピュレーション装置、あるいはレーザ走査検眼鏡等における収差補正装置などとして用いることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光変調方法、光変調プログラム、光変調装置、及びそれを用いた光照射装置によれば、空間光変調器に呈示する変調パターンについて目標変調パターンを設定するとともに、空間光変調器における複数の画素の画素構造特性、及び目標変調パターンのパターン特性に応じて１以上の補正係数αを設定し、この補正係数αを目標変調パターンに乗算した補正後の変調パターンを空間光変調器に呈示することにより、空間光変調器での光の位相の変調における不要０次光の発生を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】光変調装置を含む光照射装置であるレーザ光照射装置の一実施形態の構成を示す図である。
【図２】位相変調型の空間光変調器の構成の一例を示す図である。
【図３】光変調装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図４】空間光変調器による位相変調後のレーザ光の再生パターンにおける不要０次光の発生について示す図である。
【図５】空間光変調器によるレーザ光の位相変調における画素ギャップの影響について示す図である。
【図６】０次光の回折効率の補正係数αによる変化を示すグラフである。
【図７】２×２点の矩形の多点再生パターンを示す図である。
【図８】１６×１６点の矩形の多点再生パターンを示す図である。
【図９】３２×３２点の矩形の多点再生パターンを示す図である。
【図１０】０次光の回折効率の補正係数αによる変化を示すグラフである。
【図１１】２０×２０点の矩形の多点再生パターンを示す図である。
【図１２】１０×１０点の矩形の多点再生パターンを示す図である。
【図１３】２×２点の矩形の多点再生パターンを示す図である。
【図１４】０次光の回折効率の補正係数αによる変化を示すグラフである。
【図１５】補正係数αの導出に用いられる評価光学系の一例を示す図である。
【図１６】補正係数αの設定方法の一例を示すフローチャートである。
【図１７】補正係数αの設定方法の他の例を示すフローチャートである。
【図１８】補正係数αの設定方法の他の例を示すフローチャートである。
【図１９】目標変調パターンと補正係数αとの対応関係を示すルックアップテーブルの一例を示す図である。
【図２０】８×８点の矩形の多点パターンの再生結果を示す図である。
【図２１】８×８点の矩形の多点パターンの再生結果を示す図である。
【図２２】図２０、２１に示した再生結果における０次光の強度プロファイルを示すグラフである。
【図２３】シリンドリカルレンズパターンの再生結果を示す図である。
【図２４】図２３に示した再生結果における０次光の強度プロファイルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面とともに本発明による光変調方法、光変調プログラム、光変調装置、及び光照射装置の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２７】
まず、本発明による光変調装置、及び光変調装置を含む光照射装置の基本的な構成について、その構成例とともに説明する。ここで、以下においては、空間光変調器による変調対象の光として、主にレーザ光を想定して説明する。ただし、変調対象の光は、レーザ光に限られるものではない。図１は、光変調装置を含む光照射装置であるレーザ光照射装置の一実施形態の構成を示す図である。本実施形態によるレーザ光照射装置１Ａは、照射対象物５０に対して、所望の照射パターンでレーザ光を集光照射する装置であって、レーザ光源１０と、光変調装置２Ａと、可動ステージ５８とを備えている。
【００２８】
図１に示す構成において、照射対象物５０は、Ｘ方向、Ｙ方向（水平方向）、及びＺ方向（垂直方向）に移動可能に構成された可動ステージ５８上に載置されている。また、本照射装置１Ａでは、例えば、照射対象物５０に対し、その表面または内部に対象物５０の加工、観察等を行うための１点または多点の集光点が設定され、その集光点に対してレーザ光の集光照射が行われる。
【００２９】
レーザ光源１０は、ステージ５８上の対象物５０に対して照射するためのパルスレーザ光などのレーザ光を供給するレーザ光供給手段である。レーザ光源１０から出力されたレーザ光は、ビームエキスパンダ１１によって広げられた後、反射ミラー１２、１３を介して、空間光変調器（ＳＬＭ）２０を含む光変調装置２Ａへと入力される。
【００３０】
本実施形態による光変調装置２Ａは、空間光変調器２０と、光変調器駆動装置２８と、光変調制御装置３０とを備えている。ＳＬＭ２０は、２次元配列された複数の画素を有する位相変調型の空間光変調器であり、入力したレーザ光の位相を複数の画素に呈示した２次元変調パターンによって画素毎に変調して、位相変調後のレーザ光を出力する。このような構成において、ＳＬＭ２０には例えば、数値計算により求められたホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）などの位相変調パターンが呈示され、この変調パターンによって、設定された集光点へのレーザ光の集光照射が制御される。
【００３１】
また、空間光変調器２０は、駆動装置２８を介して、光変調制御装置３０によって駆動制御されている。制御装置３０は、ＳＬＭ２０に呈示するＣＧＨの生成、保存、駆動装置２８への必要な信号の送信等を行う。また、駆動装置２８は、制御装置３０から送られたＣＧＨの信号について、ＬＵＴ（Look Up Table）を参照して電圧指示値に変換した後、ＳＬＭ２０に対して電圧印加の指示を行う。ここで用いられるＬＵＴは、例えば、ＳＬＭ２０に用いられる液晶が有する電圧に対する非線形な応答等を補正するために、位相値に対応する制御装置３０からの入力信号を電圧指示値に変換する際に用いられる参照テーブルである。なお、ＳＬＭ２０、駆動装置２８、及び制御装置３０を含む光変調装置２Ａの具体的な構成等については後述する。
【００３２】
この空間光変調器２０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。図１では、空間光変調器２０として反射型のものが示されている。また、２次元画素構造を有する空間光変調器２０としては、例えば屈折率変化材料型ＳＬＭ（例えば液晶を用いたものでは、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型、ＬＣＤ（LiquidCrystal Display））が挙げられる。
【００３３】
空間光変調器２０で所定のパターンに位相変調されて出力されたレーザ光は、レンズ５１、５２から構成される４ｆ光学系によって対物レンズ５３へと伝搬される。そして、この対物レンズ５３によって、照射対象物５０の表面または内部に設定された単一または複数の集光点にレーザ光が照射される。
【００３４】
なお、レーザ光照射装置１Ａにおける光学系の構成については、具体的には図１に示した構成に限らず、様々な構成を用いることが可能である。例えば、図１では、ビームエキスパンダ１１によってレーザ光を広げる構成としているが、スペイシャルフィルタとコリメートレンズとの組合せを用いる構成としても良い。また、光変調装置２Ａにおいて、駆動装置２８については、ＳＬＭ２０と一体に設けられる構成としても良い。また、レンズ５１、５２による４ｆ光学系については、一般には、複数のレンズで構成された両側テレセントリック光学系を用いることが好ましい。
【００３５】
また、照射対象物５０を移動させる可動ステージ５８については、例えばこのステージを固定ステージまたは光軸方向のみに移動する可動ステージとし、光学系側に可動機構、ガルバノミラー等を設ける構成としても良い。また、レーザ光源１０としては、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ光源、フェムト秒レーザ光源など、パルスレーザ光を供給するパルスレーザ光源を用いることが好ましい。
【００３６】
図１に示すレーザ光照射装置１Ａ、及び光変調装置２Ａにおいて用いられる位相変調型の空間光変調器２０の構成について説明する。図２は、位相変調型の空間光変調器の構成の一例として、ＬＣＯＳ−ＳＬＭの構成を示す図である。図２において、図２（ａ）は、ＳＬＭ２０の構成の一部を模式的に示す側面断面図であり、図２（ｂ）は、ＳＬＭ２０の構成の一部を、液晶分子が回転した状態で模式的に示す側面断面図である。
【００３７】
本構成例において、ＳＬＭ２０は、シリコン基板２１と、シリコン基板２１上に設けられた液晶層２２とを有する。また、ＳＬＭ２０は、シリコン基板２１と液晶層２２との間に配置された画素電極群２３、及び画素電極群２３との間に液晶層２２を挟む位置に設けられた電極２４をさらに有する。画素電極群２３は、液晶層２２に電圧を印加するための複数の画素電極２３ａによって構成されている。この複数の画素電極２３ａは、複数行及び複数列にわたって２次元状に配列されており、これにより、ＳＬＭ２０を構成する複数の画素による２次元画素構造が規定される。
【００３８】
一方、電極２４は、例えばガラス基板２５の一方の面上に蒸着された金属膜からなり、この金属膜は光学的に透明である。ガラス基板２５は、基板２５の上記一方の面とシリコン基板２１とが対向するように、スペーサ２６を介してシリコン基板２１上に支持されている。また、液相層２２は、シリコン基板２１とガラス基板２５との間に液晶が充填されて構成されている。
【００３９】
このような構成を備えるＳＬＭ２０において、駆動装置２８から出力された各画素に対するアナログ信号電圧が、対応する画素電極２３ａと電極２４との間に印加される。これにより、画素電極群２３と電極２４との間に挟まれた液晶層２２において電界が生じる。そして、図２（ｂ）に示されるように、各画素電極２３ａ上の液晶分子２２ａが、その印加電界の大きさに応じて回転する。液晶分子２２ａは複屈折性を有するので、ガラス基板２５を透過して光が入射すると、この光のうち液晶分子２２ａの配向方向と平行な光成分に限って、液晶分子２２ａの回転に応じた位相差が与えられる。このようにして、画素電極２３ａ毎に、入力レーザ光の位相が変調される。
【００４０】
ここで、図２に示した構成例のように、２次元配列された複数の画素を有する位相変調型のＳＬＭ２０を用いてレーザ光照射を行う場合、ＳＬＭ２０から出力される位相変調光による所望の照射パターンに加えて、ＳＬＭ２０によって発生する不要０次光による予期せぬレーザ光照射が問題となる場合がある。このような不要０次光は、詳しくは後述するように、ＳＬＭ２０の画素構造等に起因してＳＬＭ２０で変調されなかった光成分によって発生する。これに対して、図１に示した光変調装置２Ａは、このようなＳＬＭ２０による不要０次光の発生が抑制されるように、ＳＬＭ２０に呈示すべき変調パターンを設計、補正する構成を有している。
【００４１】
図３は、図１に示したレーザ光照射装置１Ａに適用される、光変調装置２Ａの構成の一例を示すブロック図である。本構成例による光変調装置２Ａは、図１に示したように、空間光変調器（ＳＬＭ）２０と、光変調器駆動装置２８と、光変調制御装置３０とを備えている。また、制御装置３０は、変調パターン設定部３１と、補正係数設定部３２と、変調パターン補正部３５と、光変調器駆動制御部３６とを有して構成されている。
【００４２】
なお、このような構成において、変調パターン（ＣＧＨ）の設計、補正、記憶等が行われる光変調制御装置３０は、例えばコンピュータによって構成することができる。また、この制御装置３０には、光変調制御について必要な情報、指示等の入力に用いられる入力装置３７、及び操作者に対する情報の表示に用いられる表示装置３８などの各装置が必要に応じて接続されている。
【００４３】
変調パターン設定部３１は、２次元配列された複数の画素を有するＳＬＭ２０に対し、ＳＬＭ２０においてレーザ光の位相を変調するための目標変調パターンを設定する変調パターン設定手段である（変調パターン設定ステップ）。目標変調パターンとして用いられるＣＧＨは、レーザ光照射における所望の再生パターン等を参照し、例えば非特許文献１〜４に記載された設計方法によって作成することができる。これらの方法を用いた設定部３１でのＣＧＨの設計は、不要０次光が発生しない理想的な条件下で行われる。
【００４４】
補正係数設定部３２は、変調パターン設定部３１において設計された理想的なＣＧＨの目標変調パターンに対し、ＳＬＭ２０の画素構造特性（図２参照）、及び目標変調パターンのパターン特性に応じて、１以上の補正係数α（α≧１）を設定する補正係数設定手段である（補正係数設定ステップ）。この補正係数αは、ＳＬＭ２０の画素構造に起因する不要０次光の発生を抑制するために設定される。
【００４５】
また、この補正係数設定部３２に対して、補正係数記憶部３３と、補正係数導出部３４とが設けられている。補正係数記憶部３３は、目標変調パターンに対応し、そのパターン特性に応じてあらかじめ求められた補正係数αを記憶する記憶手段である。また、補正係数導出部３４は、目標変調パターンを参照し、そのパターン特性に応じて補正係数αを求める導出手段である（補正係数導出ステップ）。設定部３２は、必要に応じて記憶部３３または導出部３４を用いて、目標変調パターンに対応する補正係数αを取得する。
【００４６】
変調パターン補正部３５は、目標変調パターンに補正係数αを乗算することで、ＳＬＭ２０の複数の画素に実際に呈示する補正後の変調パターンを求める変調パターン補正手段である（変調パターン補正ステップ）。ここで、ＳＬＭ２０を構成する各画素の光軸に垂直な面（変調面）上における２次元の画素位置を（ｘ，ｙ）、設定部３１において作成される目標変調パターンをφＣＧＨ（ｘ，ｙ）、補正部３５における補正後の変調パターンをφＳＬＭ（ｘ，ｙ）とすると、補正後の変調パターンφＳＬＭは
φＳＬＭ（ｘ，ｙ）＝φＣＧＨ（ｘ，ｙ）×α
によって求められる。
【００４７】
光変調器駆動制御部３６は、駆動装置２８を介してＳＬＭ２０を駆動制御して、変調パターン補正部３５によって生成された補正後の変調パターンφＳＬＭをＳＬＭ２０の複数の画素に呈示する駆動制御手段である（変調パターン呈示ステップ）。このような駆動制御部３６は、ＳＬＭ２０、駆動装置２８、及び制御装置３０を含む光変調装置２Ａの具体的な構成により、必要に応じて設けられる。
【００４８】
図３に示した光変調制御装置３０において実行される光変調方法に対応する処理は、光変調制御をコンピュータに実行させるための光変調プログラムによって実現することが可能である。例えば、制御装置３０は、光変調制御の処理に必要な各ソフトウェアプログラムを動作させるＣＰＵと、上記ソフトウェアプログラムなどが記憶されるＲＯＭと、プログラム実行中に一時的にデータが記憶されるＲＡＭとによって構成することができる。このような構成において、ＣＰＵによって所定の光変調プログラムを実行することにより、上記した制御装置３０を含む光変調装置２Ａを実現することができる。
【００４９】
また、ＳＬＭ２０を用いたレーザ光の変調操作、特に、ＳＬＭ２０に呈示する変調パターンの設計、補正のための各処理をＣＰＵによって実行させるための上記プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録して頒布することが可能である。このような記録媒体には、例えば、ハードディスク及びフレキシブルディスクなどの磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ及びＤＶＤ−ＲＯＭなどの光学媒体、フロプティカルディスクなどの磁気光学媒体、あるいはプログラム命令を実行または格納するように特別に配置された、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ、及び半導体不揮発性メモリなどのハードウェアデバイスなどが含まれる。
【００５０】
本実施形態による光変調方法、光変調プログラム、光変調装置２Ａ、及びレーザ光照射装置１Ａの効果について説明する。
【００５１】
図１〜図３に示した光変調方法、光変調プログラム、及び光変調装置２Ａにおいては、ＳＬＭ２０に呈示する位相変調パターンについて、変調パターン設定部３１において、レーザ光の所望の照射パターン等に対応するように目標変調パターンを設定する。そして、この目標変調パターンによるレーザ光の位相の変調について、補正係数設定部３２において、ＳＬＭ２０における複数の画素の２次元画素構造特性と、目標変調パターンのパターン特性とに着目し、これらの画素構造特性及びパターン特性に応じて、１以上の補正係数α（α≧１）、好ましくは１より大きい補正係数α（α＞１）を設定する。
【００５２】
このような構成によれば、変調パターン補正部３５において、補正係数αを目標変調パターンφＣＧＨに乗算して補正後の変調パターンφＳＬＭを生成し、この補正後の変調パターンφＳＬＭをＳＬＭ２０の複数の画素に呈示することで、ＳＬＭ２０でのレーザ光の位相の変調における不要０次光の発生を抑制することができる。また、これにより、ＳＬＭ２０でのレーザ光の位相変調操作、及びそれによる対象物５０に対するレーザ光の照射パターンの制御を好適、かつ精度良く実現することが可能となる。
【００５３】
また、図１に示したレーザ光照射装置１Ａでは、レーザ光源１０と、位相変調型の空間光変調器２０を含む上記構成の光変調装置２Ａとを用いて照射装置１Ａを構成している。このような構成によれば、光変調装置２Ａにおいて、補正係数αを目標変調パターンに乗算した補正後の変調パターンをＳＬＭ２０に呈示することで、ＳＬＭ２０での不要０次光の発生を抑制して、所望の照射パターンによる対象物５０へのレーザ光の照射、及びそれによる対象物５０の加工、観察等の操作を好適に実現することが可能となる。このようなレーザ光照射装置１Ａは、例えばレーザ加工装置、レーザ顕微鏡、レーザマニピュレーション装置、あるいはレーザ走査検眼鏡等における収差補正装置などとして好適に用いることができる。
【００５４】
ここで、補正係数設定部３２における補正係数αの設定については、目標変調パターンに対応し、そのパターン特性に応じてあらかじめ求められた補正係数αを記憶する補正係数記憶部３３を設け、設定部３２において、記憶部３３から読み出された係数によって、補正係数αを設定する構成を用いることができる。このように、ＳＬＭ２０に呈示される変調パターンのパターン特性をあらかじめ評価して、そのパターン特性に応じて係数αを求めて記憶部３３に係数データとして格納しておき、この係数データを必要に応じて読み出して、補正係数αとして設定することにより、目標変調パターンに対応した補正係数αを好適に設定することができる。
【００５５】
あるいは、補正係数αの設定について、目標変調パターンを参照し、そのパターン特性に応じて所定の演算等によって補正係数αを求める補正係数導出部３４を設け、設定部３２において、導出部３４で求められた係数によって、補正係数αを設定する構成を用いることができる。このように、ＳＬＭ２０に呈示される変調パターンとして設定された目標変調パターンを参照してパターン特性を演算等によって評価し、そのパターン特性に応じて係数を求めることで、補正係数αを設定することによっても、目標変調パターンに対応した補正係数αを好適に設定することができる。
【００５６】
また、補正係数αについては、ＳＬＭ２０での複数の画素のそれぞれの２次元の画素位置（ｘ，ｙ）に依存する画素毎の係数α（ｘ，ｙ）として設定される構成としても良い。ＳＬＭ２０に呈示される位相変調パターンでは、その具体的なパターン構成により、変調パターンに乗算すべき補正係数αの値が画素位置（ｘ，ｙ）に依存して変化する場合が考えられる。これに対して、上記したように補正係数αを画素毎の係数α（ｘ，ｙ）として設定することが可能な構成とすることにより、変調パターンの補正を好適に実行することができる。この場合、補正後の変調パターンφＳＬＭは
φＳＬＭ（ｘ，ｙ）＝φＣＧＨ（ｘ，ｙ）×α（ｘ，ｙ）
によって求められる。ただし、補正係数αの画素位置への依存性が小さい等の場合には、画素位置によらず補正係数αを一定値としても良い。
【００５７】
また、補正係数αの設定において参照する変調パターンのパターン特性については、具体的には、補正係数αとして、目標変調パターンの空間周波数特性に応じて設定された係数を用いる構成としても良い。あるいは、補正係数αとして、目標変調パターンによる位相変調後のレーザ光の再生パターンで最も回折角が大きい点に応じて設定された係数を用いる構成としても良い。この場合、特に、補正係数αとして、目標変調パターンによる位相変調後のレーザ光の再生パターンで最も回折角が大きい点と、０次光の集光点との距離に応じて設定された係数を用いることが好ましい。なお、補正係数αの設定方法等については、具体的にはさらに後述する。
【００５８】
図１〜図３に示したレーザ光照射装置１Ａ、及び光変調装置２Ａにおけるレーザ光の位相変調、及び変調パターンの設計、補正等について、さらに具体的に説明する。
【００５９】
まず、２次元配列された複数の画素を有するＳＬＭ２０を用いたレーザ光の位相変調における不要０次光の発生について説明する。不要０次光とは、上述したように、ＳＬＭ２０の２次元画素構造等に起因し、ＳＬＭ２０によって変調されなかった光成分によって発生するものである。このような光成分は、例えばＳＬＭの後段にレンズが配置された場合には、その焦点位置に予期せぬ光として集光する。なお、実際には、ＳＬＭ２０での歪み等によって出力光の波面が歪むため、不要０次光の集光位置は、上記した焦点位置とは若干ずれることがある。
【００６０】
不要０次光を「予期せぬ光」という理由は、理想的な条件下で行われるＣＧＨの設計やシミュレーションの段階では、この０次光が発生しないためである。ここで、図４は、空間光変調器（ＳＬＭ）による位相変調後のレーザ光の再生パターンにおける不要０次光の発生について示す図である。例えば、レンズの焦点位置において光軸に垂直な再生面上に図４（ａ）に示すような多点のレーザ光照射パターンが再生されるように、目標変調パターンのＣＧＨを設計する。
【００６１】
上記のように設計された目標変調パターンを用い、シミュレーションによってレーザ光の再生パターンを求めると、図４（ａ）と同様の多点パターンが再生される。一方、目標変調パターンを実際にＳＬＭの複数の画素に呈示してレーザ光照射パターンの再生を行うと、図４（ｂ）に丸で囲って示すように、予期せぬ光である不要０次光の集光スポットが発生する。
【００６２】
このような不要０次光の存在は、特に、多点のレーザ光照射パターンを生成して対象物の加工等を行う場合に問題となる。例えば、ＳＬＭ２０により、所望の１点のレーザ光照射パターンと、不要０次光のスポットパターンとが再生された場合に、レーザ光のうちで９９％の光成分が回折し、１％の光成分が不要０次光になったとすると、Ｓ／Ｎ比は９９となる。このような場合には、Ｓ／Ｎ比が大きいことを利用し、ＳＬＭに入力するレーザ光の光量調整などによって不要０次光のエネルギーが対象物に対する加工閾値以下となるようにすれば、不要０次光の影響を回避することができる。
【００６３】
次に、ＳＬＭ２０により、所望の９９点のレーザ光照射パターンと、不要０次光パターンとが再生された場合を考え、９９点の照射パターンのそれぞれに１％ずつの光成分が回折し、１％の光成分が不要０次光になったとすると、１点あたりのＳ／Ｎ比は１となる。このような場合には、ＳＬＭに入力するレーザ光の光量調整のみでは、不要０次光の影響を回避することができず、例えば、不要０次光を何らかの方法でマクスし遮光するか、あるいは、ＳＬＭに表示するＣＧＨにフレネルレンズパターンを加えることで、光軸方向において不要０次光とＣＧＨとの再生位置をずらして、ＣＧＨの再生面で０次光をぼかす、などの操作が必要となる。
【００６４】
また、上記では、レーザ光による多点加工について示したが、ＳＬＭによる不要０次光の発生は、多点加工以外にも、多点レーザスキャニング顕微鏡などの多点を用いた応用用途、あるいはさらに、レーザ走査検眼鏡などの単点の収差補正、集光点位置移動などにおいても問題となり、さらには、相関、ＬＧビーム再生など、ＳＬＭによってレーザ光の位相変調を行う用途全般に問題を与える。
【００６５】
このようなＳＬＭによる不要０次光は、ＳＬＭの複数の画素が有する画素構造特性、位相変調特性に起因し、ＳＬＭに実際に呈示される変調パターンが理想的な条件下で設計された目標変調パターンから変化してしまうために発生する。このようなＳＬＭでの変調パターンの変化は、例えば、図２に示したＳＬＭの画素構造における画素ギャップ、すなわち、隣接する画素と画素との間の空隙の影響によるものと考えられる。
【００６６】
ＳＬＭでの位相変調における画素ギャップの影響としては、具体的には例えば、画素ギャップにある液晶が画素電極による電圧を受けないために、画素ギャップに入力された光に位相変調がなされないことが考えられる（非特許文献５）。この場合、画素ギャップで位相変調がなされなかった光成分が集光したものが不要０次光とされてきた。
【００６７】
ところが、実際には、画素ギャップに起因する電場の広がりによる、ＳＬＭの画素間のクロストークの影響が大きいことを発見した。これは、シリコン基板側での画素単位に区切られた構造に対して、ガラス基板側の電極には一様な電圧が印加されているために、ガラス基板側の電極での電場の広がりによって、ＳＬＭの画素間のクロストークが発生するものである。すなわち、画素ギャップにある液晶では、入力レーザ光に対して位相変調がなされるものの、隣接する画素の影響を受けて振る舞いが不安定となり、その結果、画素ギャップに入力されたレーザ光の位相が予期せぬ値になる。特に、ある画素と、隣接する画素との電位差が大きい場合には、横方向に強い電位差が発生し、画素ギャップだけでなく、画素内部にある液晶の振る舞いも不安定となる可能性がある。
【００６８】
図５は、ＳＬＭによるレーザ光の位相変調における画素ギャップの影響について示す図である。ここでは、図５（ａ）の２次元パターンＰ、及び図５（ｂ）の実線のグラフＰ１に示すように、位相値０π、０．５π、１π、１．５π（ｒａｄ）で構成される４値のブレーズド回折格子を考える。なお、図５（ａ）では、位相０〜２π（ｒａｄ）を０〜２５５の階調で表現することで、ブレーズド回折格子における２次元の位相変調パターンＰを表現している。また、図５（ｂ）のグラフＰ１は、図５（ａ）の位相パターンＰにおける破線Ｌ上でのプロファイルを示している。
【００６９】
このようなブレーズド回折格子の位相パターンが理想的な条件下でＳＬＭに呈示された場合、ＳＬＭから出力される位相変調光では、不要０次光は発生しない。これに対して、実際にＳＬＭに位相変調パターンを呈示すると、ＳＬＭでの画素ギャップを含む画素構造の影響により、呈示されたパターンは、画素間のクロストークによって理想的な階段状の位相パターンにはならず、図５（ｂ）の破線のグラフＰ２に示すようになまった形状のパターンとなる。この場合、なまった変調パターンの影響により、ＳＬＭから出力される位相変調光に不要０次光が発生する。
【００７０】
図１〜図３に示したレーザ光照射装置１Ａ、及び光変調装置２Ａでは、このようなＳＬＭ２０の画素構造での画素ギャップ、及び画素間のクロストークの影響に対し、目標変調パターンφＣＧＨに対して、１以上の補正係数αを設定して乗算することで、実際にＳＬＭ２０の複数の画素に呈示する補正変調パターンφＳＬＭを生成している。本願発明者の検討結果によれば、このようにα≧１の係数αで位相変調パターンを補正することにより、位相変調光における不要０次光の発生を単純な方法で抑制することが可能である。例えば、０次光の強度を１／１０まで低減した場合、Ｓ／Ｎ比の向上により、レーザ光の多点照射において従来よりも１０倍の数の照射点を再生することができる。
【００７１】
なお、ＳＬＭ２０に呈示する位相変調パターンについては、図５ではブレーズド回折格子を表現するための位相パターンを例示したが、このような位相パターンに限らず、具体的には様々な位相変調パターンに対して、上記の係数αを用いた補正方法を適用することが可能である。そのような位相変調パターンとしては、例えば、１点、多点、線、面等の所望パターンを表現するための位相パターン、ＳＬＭが持つ歪みを補正するための補正パターン、光学系などの収差を補正するための補正パターン、焦点位置などを移動させるためのフレネルレンズパターン、光渦や非回折光などの特殊な性質を有する光を生成するパターン、あるいはそれらの複数のパターンを組み合わせた位相パターン等が挙げられる。
【００７２】
補正係数αを用いた変調パターンの上記補正式
φＳＬＭ（ｘ，ｙ）＝φＣＧＨ（ｘ，ｙ）×α
によるＳＬＭからの不要０次光の抑制効果について、ブレーズド回折格子の位相変調パターンを用いて検証を行った。
【００７３】
図６は、ＳＬＭから出力される位相変調レーザ光における０次光の回折効率の補正係数αによる変化を示すグラフである。図６のグラフにおいて、横軸は変調パターンに乗算する補正係数αを示し、縦軸は不要０次光の強度に対応する０次光の回折効率（％）を示している。また、図６において、グラフＡ１、Ａ２、Ａ３は、それぞれ、２値２画素周期、８値８画素周期、３０値３０画素周期のブレーズド回折格子の位相変調パターンを用い、係数αの値を変化させながら０次光の強度を測定した結果を示している。なお、０次光の回折効率については、事前にＳＬＭに均一な位相変調パターンを表示し、ＳＬＭにミラーの役割をさせて後段のレンズで集光したときの光の強度を記録して、これを分母とし、ブレーズド回折格子パターンを表示したときに測定された０次光の強度を分子として、その回折効率を求めた。
【００７４】
図６に示す検証結果において、補正係数をα＝１とした場合、０次光の回折効率は、グラフＡ１、Ａ２、Ａ３でそれぞれ１３％、２％、０．５％であった。また、図６の各グラフより、補正係数αを変化させると０次光の回折強度が変化し、α＜１ではいずれの条件でもα＝１のときよりも０次光の強度が大きいことがわかる。また、０次光の回折効率が最小となる補正係数αの値は、グラフＡ１、Ａ２、Ａ３でそれぞれα＝１．２８、１．１０、１．０２で、補正対象となる変調パターンによって異なる値となった。また、このときの０次光の回折効率はそれぞれ１．０％、１．０％、０．４％であり、補正係数がα＝１のときと比べて、いずれも不要０次光の発生が抑制されている。
【００７５】
なお、ここでは、１つの空間周波数成分しか持たないパターンで検証を行ったが、実際のＣＧＨなどのパターンは複数の空間周波数成分を持ち、主要な空間周波数成分の影響を受ける。主要な空間周波数成分とは、最外の再生点によるものであることが多いが、例えば最外でもエネルギーが小さい場合には、その点の影響は小さく、それ以降で回折角が大きくかつエネルギーの大きい点が、主要な成分として影響する。
【００７６】
次に、ブレーズド回折格子以外の複雑なパターンを用いた場合について、補正係数αの効果の検証を行った。具体的には、図７、８、９にそれぞれ示す、点間隔が等しい２×２点、１６×１６点、３２×３２点の矩形の多点再生パターンについて、対応する位相変調パターンを求めて検証を行った。
【００７７】
図１０は、図７、８、９に示した多点再生パターンについて、０次光の回折効率の補正係数αによる変化を示すグラフである。図１０において、グラフＢ１、Ｂ２、Ｂ３は、それぞれ、２×２点、１６×１６点、３２×３２点の多点再生パターンに対応する位相変調パターンを用い、係数αを変化させながら０次光の強度を測定した結果を示している。
【００７８】
図１０に示す検証結果において、補正係数をα＝１とした場合、０次光の回折効率は、グラフＢ１、Ｂ２、Ｂ３でそれぞれ０．８％、２．２％、４．４％であった。また、図１０の各グラフより、補正係数αを変化させると０次光の回折強度が変化し、α＜１ではいずれの条件でもα＝１のときよりも０次光の強度が大きいことがわかる。
【００７９】
また、０次光の回折効率が最小となる補正係数αの値は、グラフＢ１、Ｂ２、Ｂ３でそれぞれα＝１、１．１０、１．２８で、変調パターンによって異なる値となった。また、このときの０次光の回折効率はそれぞれ０．８％、０．７％、０．７％であり、補正係数がα＝１のときと比べて、いずれも不要０次光の発生が抑制されている。このように、ＳＬＭに呈示される位相変調パターンに対し、そのパターン特性に応じて設定された補正係数αを乗算することで、０次光の発生を容易に抑制することができる。
【００８０】
次に、最外の再生点の位置が等しい多点再生パターンについて、補正係数αの効果の検証を行った。具体的には、図１１、１２、１３にそれぞれ示す、最外の再生点（再生パターンで最も回折角が大きい点に相当する）の位置が等しい２０×２０点、１０×１０点、２×２点の矩形の多点再生パターンについて、対応する位相変調パターンを求めて検証を行った。
【００８１】
図１４は、図１１、１２、１３に示した多点再生パターンについて、０次光の回折効率の補正係数αによる変化を示すグラフである。図１４において、グラフＣ１、Ｃ２、Ｃ３は、それぞれ、最外の再生点の位置が等しい２０×２０点、１０×１０点、２×２点の多点再生パターンに対応する位相変調パターンを用い、係数αを変化させながら０次光の強度を測定した結果を示している。
【００８２】
図１４に示す検証結果において、その各グラフより、補正係数αを変化させると０次光の回折強度が変化し、α＜１ではいずれの条件でもα＝１のときよりも０次光の強度が大きいことがわかる。また、０次光の回折効率が最小となる補正係数αの値は、いずれのグラフでもα＝１．１８付近にある。これらのグラフＣ１、Ｃ２、Ｃ３では、上記したように再生点数が異なっているが、再生パターンにおける最外の再生点の位置がわかれば、その位置から最適な補正係数αを類推することができる。
【００８３】
目標変調パターンに対する補正係数αの設定、導出について説明する。上記した各具体例に示したように、最適な補正係数αは変調パターンとなるＣＧＨ毎に異なり、また、各ＣＧＨについて、０次光の強度が最小となる係数αが存在する。このような変調パターンに対する最適な補正係数αは、評価光学系を用いた測定結果、または、シミュレーション等での計算結果に基づいて、求めることができる。
【００８４】
図１５は、位相変調パターンに対する補正係数αの導出に用いられる評価光学系の一例を示す図である。図１５に示す構成において、レーザ光源１０からのレーザ光は、スペイシャルフィルタ６１、コリメートレンズ６２によって広げられた後、ハーフミラー６３を透過する。ハーフミラー６３からのレーザ光は、反射型の空間光変調器（ＳＬＭ）２０によって位相変調される。
【００８５】
そして、ＳＬＭ２０から出力された位相変調後の反射レーザ光は、ハーフミラー６３によって反射され、レンズ６４、及びアパーチャ６５を介して、光検出器６８によってその集光再生像が撮像される。このレーザ光の再生像により、ＳＬＭ２０での位相変調によるレーザ光の集光制御、及び不要０次光の発生状況について評価し、例えば０次光の強度が最小となるなどの条件によって、補正係数αを導出することができる。
【００８６】
なお、集光再生像を検出する光検出器６８としては、例えばカメラ、フォトダイオード（ＰＤ）等を用いることができる。また、スペイシャルフィルタ、レンズ、ミラー等を含む光学系の構成については、図１５に示した例以外にも様々な構成を用いることが可能である。また、このような評価光学系は、図１に示したレーザ光照射装置１Ａ、光変調装置２Ａとは別に設けても良い。あるいは、レーザ光照射装置１Ａ、または光変調装置２Ａの一部に評価光学系を組み込む構成としても良い。このように評価光学系を組み込んだ場合には、０次光の評価、及びそれによる補正係数αの設定を行った後に、直ちに対象物の加工、観察等を実行することができるという利点がある。
【００８７】
図１６は、図１５に示した評価光学系等を用いて行われる、補正係数αの設定方法の一例を示すフローチャートである。この方法では、まず、補正係数αの探索条件、具体的には係数αの探索範囲、及び探索間隔を決定する（ステップＳ１０１）。また、０次光の強度の最小値を探索する強度値Ｉｍｉｎを、大き目の初期値（例えばＩｍｉｎ＝１００）に設定する（Ｓ１０２）。そして、補正係数αの探索の対象となる変調パターンφＣＧＨを設定する（Ｓ１０３）。ここでは、新たにＣＧＨを作成するか、もしくは記憶部に格納されているデータから必要なＣＧＨを読み出して対象変調パターンを設定する。
【００８８】
対象の変調パターンが設定されたら、それに対して最初に評価を行う補正係数αの値を設定し（Ｓ１０４）、変調パターンφＣＧＨに補正係数αを乗算して、補正後の変調パターンφＳＬＭ
φＳＬＭ（ｘ，ｙ）＝φＣＧＨ（ｘ，ｙ）×α
を求める（Ｓ１０５）。そして、この補正後の変調パターンφＳＬＭをＳＬＭに呈示し、そのときの０次光の強度Ｉ０を計測する（Ｓ１０６）。
【００８９】
さらに、計測された強度値Ｉ０について、その時点での０次光の強度最小値Ｉｍｉｎと比較する（Ｓ１０７）。比較の結果、Ｉ０＜Ｉｍｉｎであった場合には、評価した係数値αを補正係数αの設定値αＤ＝αＤｅｓｉｒｅとし（αＤ＝α）、また、Ｉｍｉｎ＝Ｉ０として、０次光の強度最小値Ｉｍｉｎを置き換える（Ｓ１０８）。Ｉ０≧Ｉｍｉｎであれば、係数αＤ、及び強度最小値の探索値Ｉｍｉｎはそのままとする。
【００９０】
そして、変調パターンに対する補正係数αについて、すべての探索値での評価を終了したかを確認し（Ｓ１０９）、終了していなければ、評価を行う補正係数αの値を変更して（Ｓ１０４）、ステップＳ１０４〜Ｓ１０８に示す計測、評価を繰り返して実行する。すべての探索値での補正係数αの評価が終了していれば、対象とした変調パターンに対する補正係数αを決定して、探索を終了する。このような補正係数αの導出処理は、操作者による手動で、または所定の導出プログラムを用いて自動で実行することができる。
【００９１】
なお、ＳＬＭに呈示される位相変調パターンに対する不要０次光の評価、及び補正係数αの設定については、図３に関して上述したように、補正係数αをあらかじめ求めて記憶部３３に格納しておき、目標変調パターンが設定されたときに、それに対応する補正係数αを記憶部３３から読み出す構成を用いることができる。あるいは、目標変調パターンが設定されたときに、それに対応して導出部３４において０次光の評価、及び補正係数αの導出を行う構成を用いても良い。
【００９２】
また、補正係数αの設定対象となる変調パターンが複数ある場合には、例えば図１７のフローチャートに示すように、すべての変調パターンに対して事前に補正係数αを決定しておく構成を用いることができる。図１７の方法では、まず、複数の変調パターンを含む変調パターン群を作成し（Ｓ２０１）、そのすべての変調パターンに対して補正係数αの決定処理を行う（Ｓ２０２）。そして、変調パターン群の各変調パターンを用い、決定された補正係数αを適用して、レーザ光照射を行う（Ｓ２０３）。
【００９３】
あるいは、変調パターンが複数ある場合に、図１８のフローチャートに示すように、変調パターン毎に個別に補正係数αを決定する構成を用いても良い。図１８の方法では、まず、複数の変調パターンを含む変調パターン群を作成し（Ｓ３０１）、そのうちで、補正係数αの決定、及びレーザ光照射への適用の対象となる変調パターンを設定する（Ｓ３０２）。対象とする変調パターンを設定したら、その変調パターンに対して補正係数αの決定処理を行い（Ｓ３０３）、決定された補正係数αを適用して、レーザ光照射を行う（Ｓ３０４）。さらに、すべての変調パターンについて補正係数αの探索、及びレーザ光照射等を終了したかを確認し（Ｓ３０５）、終了していなければ、ステップＳ３０２〜Ｓ３０４に示す変調パターンの設定、補正係数αの決定、及びレーザ光照射を繰り返して実行する。すべての変調パターンで補正係数αの探索等を終了していれば、補正係数αの決定、及びそれを用いたレーザ光照射等を終了する。
【００９４】
なお、ＳＬＭで発生する不要０次光の評価、及び補正係数αの設定については、図１５の評価光学系では、光検出器６８によって位相変調レーザ光の集光再生像を検出する構成を例示したが、そのような構成に限られるものではなく、例えば、レーザ加工装置における対象物の加工結果、あるいはレーザ顕微鏡における対象物の観察結果等を参照して、補正係数αの設定を行っても良い。例えば、レーザ加工装置での加工結果を用いる場合、加工対象物では、０次光による不要な加工が行われることとなるので、その加工結果での穴の径、穴の深さ等を評価することで、補正係数αを決定することができる。
【００９５】
また、光変調装置２Ａで使用される複数の位相変調パターンのそれぞれに対して補正係数αの設定を行う場合、図１９に示すように、目標変調パターンと、補正係数αとの対応関係を示すルックアップテーブル（ＬＵＴ）を用意する構成を用いても良い。図１９のＬＵＴでは、変調パターンを特定するためのパターン番号１、２、３、４、５、…と、それに対応する補正係数αの値１．５２、１、１．８６、１．３５、１．１１、…とが、互いに対応付けされた状態で格納されている。
【００９６】
また、例えば、再生パターンで最も回折角が大きい点に応じて設定された係数を用いる場合には、図１５のような光学系と、例えばブレーズド回折格子を用いて、いくつかの再生点の位置で係数αを計測する。その後、近似や補間などの方法を用いて再生パターンから計測結果を参照し、目標変調パターンに補正係数αを適用しても良い。
【００９７】
このようなＬＵＴは、例えば、図３に示した構成において補正係数記憶部３３に記憶される。また、補正係数設定部３２は、ＬＵＴを用いる場合、変調パターン設定部３１で設定された目標変調パターンに対し、それに対応する補正係数αを記憶部３３のＬＵＴから読み出すことで、補正係数αを設定する。なお、このようなＬＵＴは、位相値についての信号を電圧指示値に変換するＬＵＴとは別に設けられるものである。
【００９８】
ここで、補正係数αを設定する際に参照される位相変調パターンのパターン特性については、上記したように評価光学系を用いて不要０次光の評価、及び補正係数αの決定を行う場合には、その評価、決定処理を通じてパターン特性が考慮され、そのパターン特性に応じた補正係数αが設定されることとなる。
【００９９】
また、パターン特性に応じた補正係数αとして、上述したように、目標変調パターンの空間周波数特性に応じて設定された係数を用いても良い。例えば、回折格子パターンについて図６のグラフに示したように、最適な補正係数αの値は、対象とする変調パターンの空間周波数成分によって変化する。したがって、このような現象を利用し、目標変調パターンにおける周波数成分の傾向から補正係数αを求めても良い。この場合、変調パターン内での位置毎に周波数成分が異なる場合には、補正係数αを、画素位置毎に異なる係数α（ｘ，ｙ）として設定しても良い。また、このような補正係数αについてＬＵＴを用意する場合、変調パターンと補正係数αとを直接に対応付けても良く、あるいは、変調パターンにおける周波数成分の傾向と補正係数αとを対応付けても良い。
【０１００】
また、補正係数αとして、目標変調パターンによる位相変調後のレーザ光の再生パターンで最も回折角が大きい点に応じて設定された係数を用いても良い。また、この場合、例えば、補正係数αとして、目標変調パターンによる位相変調後のレーザ光の再生パターンにおいて最も回折角が大きい点と、０次光の集光点との距離に応じて設定された係数を用いることが好ましい。
【０１０１】
例えば、レーザ光の再生パターンにおける最外の再生点の位置について図１４のグラフに示したように、最適な補正係数αの値は、再生パターンにおいて最も回折角が大きい点（最外の再生点に対応）によって変化する。したがって、このような現象を利用して変調パターンに対する補正係数αを求めても良い。また、このような補正係数αについてＬＵＴを用意する場合、変調パターンと補正係数αとを直接に対応付けても良く、あるいは、再生パターンでの最も回折角が大きい点の位置と補正係数αとを対応付けても良い。
【０１０２】
また、上記したように変調パターンに対して補正係数αを適用して０次光を低減する構成に加えて、さらに、フレネルレンズパターン、フレネルゾーンプレートなどによるレンズ効果を変調パターンのＣＧＨに与えることによって、ＣＧＨの再生位置と、０次光とをぼかしても良い。ここで、不要０次光の強度が大きい場合には、レーザ光の所望の照射パターンとの干渉の影響を防ぐために、フレネルレンズの焦点距離を大きくして、ＣＧＨ再生位置で０次光を大きくぼかす必要がある。
【０１０３】
このような場合、フレネルレンズの位相は中心部から距離の２乗で大きくなるため、周辺部において位相の傾斜がきつくなる。そのため、例えば周辺部において回折効率が低下するなど、ＳＬＭの位相表現能力に影響が出る可能性がある。これに対して、上記のように補正係数αを適用する構成では、０次光の強度が小さく抑制されるため、フレネルレンズの焦点距離が小さくなり、位相の傾斜が緩やかになる。これにより、ＳＬＭにかかる負担の軽減を見込むことができる。
【０１０４】
あるいは、補正係数αを適用して０次光を低減する構成に加えて、さらに、光学系の所定位置に遮蔽板などを配置することで、０次光の遮蔽を行っても良い。この場合、補正係数αによって０次光の強度が小さく抑制されていることにより、０次光による遮蔽板の加工の防止などの効果が期待できる。
【０１０５】
また、目標変調パターンφＣＧＨ（ｘ，ｙ）は、通常、位相値が０〜２π（ｒａｄ）の範囲で設計されるが、上記のように補正係数αを乗算する場合、結果として得られる変調パターンφＳＬＭ（ｘ，ｙ）での位相値が０〜２π（ｒａｄ）の範囲を超える可能性がある。したがって、光変調装置２Ａに用いる空間光変調器２０としては、その位置変調量が、通常のＣＧＨ設計において設定される位相値の範囲を超える位相を表現可能なものを用いることが好ましい。
【０１０６】
また、上記のように補正係数αを用いる光変調方法を、シリコンなどの対象物の内部にレーザ光を集光させて改質層を形成させる、ステルスダイシングレーザ加工に適用しても良い。このようなレーザ加工では、屈折率ミスマッチングによって球面収差が発生し、その集光位置が深部になればなるほど、収差の影響が大きくなる。そこで、ＳＬＭを用いて球面収差の補正を行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０１０７】
ここで、上記の収差補正では、加工深さが深くなればなるほど、収差補正パターンの空間周波数が高くなる。特に、特許文献１に記載された収差補正パターンには、空間周波数を低減させるためにレンズ効果が付与されている。そのため、補正されたレーザ光の集光点は、０次光とは異なる位置に再生され、したがって、不要０次光と所望の集光レーザ光との２点の集光点が存在することとなり、結果として対象物に対して所望の加工を行うことができない。これに対して、上記のように変調パターンに補正係数αを適用する構成では、不要０次光を低減させることで良好な条件でレーザ加工を行うことができる。
【０１０８】
係数α（α≧１）を用いた補正変調パターンによるＳＬＭからの不要０次光の抑制効果について、さらに説明する。図２０は、従来のＣＧＨ設計法を用いて生成された、８×８点の矩形の多点パターンを再生する変調パターンをＳＬＭに呈示したときのレーザ光照射パターンの再生結果を示す図である。また、図２１は、本発明による方法を用いて０次光強度を最小にする補正係数αを乗算した変調パターンをＳＬＭに呈示したときのレーザ光照射パターンの再生結果を示す図である。これらの図２０、２１において、それぞれ丸で囲って示す集光点が、不要０次光である。
【０１０９】
また、図２２は、図２０、２１に示した再生結果における０次光の強度プロファイルを示すグラフである。この０次光の強度プロファイルは、０次光の集光パターンの中心位置を通る直線上での１次元プロファイルを示している。図２２（ａ）のグラフにおいて、横軸は画素を示し、縦軸は正規化された光強度を示している。また、図２２（ｂ）のグラフにおいて、横軸は画素から換算した位置（μｍ）を示し、縦軸は正規化された光強度を示している。
【０１１０】
ここでは、光検出器であるカメラの前にアパーチャを配置せず、ｆ＝２５０ｍｍの集光レンズを用いて、図１５と同等の光学系で得られた結果を示している。このような構成において、カメラ上での２１画素が実距離９３μｍに対応している。また、図２２（ａ）、（ｂ）において、それぞれ、グラフＤ１、Ｅ１は、図２１に示した本発明による再生結果での０次光の強度プロファイルを示し、また、グラフＤ２、Ｅ２は、図２０に示した従来法による再生結果での０次光の強度プロファイルを示している。図２２の各グラフからわかるように、変調パターンの補正係数αを乗算する本発明の方法を適用することで、不要０次光のピーク強度が１／６程度に減少している。
【０１１１】
係数αを用いた補正変調パターンによるＳＬＭからの不要０次光の抑制効果について、別の例としてシリンドリカルレンズパターンによる結果を示す。ここで、シリンドリカルパターンは、例えば
φｃ（ｘ，ｙ）＝π（ｙ−ｙ０）２／λｆ
と表すことができる。ただし、上記式において、λはＳＬＭに入力される光の波長、ｆはレンズの焦点距離である。
【０１１２】
図２３は、シリンドリカルレンズパターンをＳＬＭに呈示したときのレーザ光照射パターンの再生結果を示す図であり、図２３（ａ）は、上記式を用いて生成された従来のシリンドリカルレンズパターンをＳＬＭに呈示したときのレーザ光照射パターンの再生結果を示し、図２３（ｂ）は、補正係数αを乗算した変調パターンをＳＬＭに呈示したときのレーザ光照射パターンの再生結果を示している。
【０１１３】
また、図２４は、図２３（ａ）、（ｂ）に示した再生結果における０次光の強度プロファイルを示すグラフである。図２４のグラフにおいて、横軸は画素を示し、縦軸は正規化された光強度を示している。また、図２４において、グラフＦ１は、図２３（ｂ）に示した本発明による再生結果での０次光の強度プロファイルを示し、また、グラフＦ２は、図２３（ａ）に示した従来法による再生結果での０次光の強度プロファイルを示している。図２４の各グラフからわかるように、このシリンドリカルレンズパターンを用いた例においても、不要０次光のピーク強度が１／７程度に減少している。
【０１１４】
本発明による光変調方法、光変調プログラム、光変調装置、及び光照射装置は、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、光変調装置及び光源等を含む全体の光学系の構成については、図１に示した構成例に限らず、具体的には様々な構成を用いて良い。また、補正係数αの設定及びそれを用いた変調パターンの補正については、図３に示した構成では、制御装置３０で行う構成としているが、このような構成に限らず、例えば、補正係数αの設定及び変調パターンの補正を駆動装置２８において行う構成としても良い。
【０１１５】
また、空間光変調器による変調対象となる光については、上記実施形態では主にレーザ光を想定したが、本発明は、レーザ光以外の光に対しても一般に適用可能である。そのような光としては、例えば、レーザ光源、ＬＤ、ＳＬＤなどの光源から出力されるコヒーレント光、ランプ光源などの光源から出力されるインコヒーレント光、また、レーザ光照射によって生じる散乱光、蛍光などが含まれる。コヒーレント光は、例えばレーザ加工において用いることができる。また、ランプ光源からの光、散乱光、蛍光などは、例えば顕微鏡、あるいはレーザ検眼鏡の受光側において用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明は、ＳＬＭによる不要０次光の発生を抑制することが可能な光変調方法、光変調プログラム、光変調装置、及び光照射装置として利用可能である。
【符号の説明】
【０１１７】
１Ａ…レーザ光照射装置（光照射装置）、２Ａ…光変調装置、１０…レーザ光源、１１…ビームエキスパンダ、１２、１３…反射ミラー、２０…空間光変調器（ＳＬＭ）、２８…光変調器駆動装置、３０…光変調制御装置、５０…照射対象物、５１、５２…４ｆ光学系レンズ、５３…対物レンズ、５８…可動ステージ、
２１…シリコン基板、２２…液晶層、２２ａ…液晶分子、２３…画素電極群、２３ａ…画素電極、２４…電極、２５…ガラス基板、２６…スペーサ、
３１…目標変調パターン設定部、３２…補正係数設定部、３３…補正係数記憶部、３４…補正係数導出部、３５…変調パターン補正部、３６…光変調器駆動制御部、３７…入力装置、３８…表示装置。
【図１】
2014026083.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図１０】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2014026083.tif 000013
【図２２】
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【図２４】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２３】
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