(57)【要約】【課題】ベッセルビームと同程度の超解像特性を有し集光特性や生成の容易さ等の特長を有する光を出力することができる光源装置を提供する。【解決手段】光源装置１は、レーザ光源１０および光位相変調素子１５等を備える。光位相変調素子１５は、レーザ光源１０から出力されてビームスプリッタ１４を経たコヒーレント光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光をビームスプリッタ１４へ出力する。光位相変調素子１４に入力される光のビーム断面上において、所定位置を中心とするｐ個の円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域を設定したときに、(ｐ＋１)個の領域それぞれの径方向の幅が外側の領域ほど広く、(ｐ＋１)個の領域それぞれにおいて位相変調量が一定であり、(ｐ＋１)個の領域のうち隣り合う２つの領域の間で位相変調量がπだけ異なる。【選択図】図１
2008210977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光を出力する光源と、
外部から入力される制御信号に基づいて各画素での位相変調量が設定され、前記光源から出力された光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光を出力する光位相変調素子と、
を備え、
前記光位相変調素子に入力される光のビーム断面上において、所定位置を中心とするｐ個の円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域を設定したときに、前記(ｐ＋１)個の領域それぞれの径方向の幅が外側の領域ほど広く、前記(ｐ＋１)個の領域それぞれにおいて位相変調量が一定であり、前記(ｐ＋１)個の領域のうち隣り合う２つの領域の間で位相変調量がπだけ異なる、
ことを特徴とする光源装置（ただし、ｐは自然数）。
【請求項２】
被観察物を観察する装置であって、請求項１記載の光源装置と、前記光源装置から出力される光を前記被観察物中の観察点に集光照射する照射光学系と、前記被観察物中における観察点を走査する走査手段と、前記照射光学系による観察点への光の集光照射に伴い生じる光を検出する検出光学系と、を備えることを特徴とする観察装置。
【請求項３】
被加工物を加工する装置であって、請求項１記載の光源装置と、前記光源装置から出力される光を前記被加工物中の加工点に集光照射する照射光学系と、前記被加工物中における加工点を走査する走査手段と、を備えることを特徴とする加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光のビーム断面上において所定の位相分布を有する光を発生する光源装置、ならびに、これを用いた観察装置および加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被観察物を観察する場合や被加工物を加工する場合に、レーザ光源等の光源から出力される光は、レンズ等を含む照射光学系を経て被観察物または被加工物に集光照射される。このように光を集光する場合、その集光径の大きさの目安であるビームウエスト径は、光の波長の半分程度までしか小さくすることができないことが知られている。これは回折限界と呼ばれる。ただし、この回折限界は、ガウシアンモード（あるいは基本モード）の光についてのことである。一方、回折限界より微細な空間構造を持つ高次モード光の存在が知られている。
【０００３】
このような性質をもつ光ビームとしてベッセル（Bessel）ビームやラゲール・ガウス・モード（Laguerre-Gaussian Mode）光（以下「ＬＧモード光」という。）が知られている。このような光ビームを用いれば、実効的に回折限界以下の微小領域に光のエネルギーを集中させることが可能となる。この原理にもとづき、これまでに、ベッセルビームを用いた回折限界以下の解像度を持つピックアップ装置や微細加工技術および顕微鏡などの発明が提案されている。
【０００４】
また、ＬＧモード光を出力する光源装置については、例えば非特許文献１〜６に記載されている。これらの文献に記載された光源装置は、光ビーム断面において円周方向に沿って位相が変化するＬＧモード光を発生するものである。このようなＬＧモード光は、光ピンセット、量子計算および量子通信などへの応用が期待され、目下、光学・物理の分野で注目されている。
【非特許文献１】J. Arlt, et al., Journal ofModern Optics, Vol.45, No.6, pp.1231-1237 (1998).
【非特許文献２】D. G. Grier, Nature, Vol.424,pp.810-816 (2003).
【非特許文献３】M. W. Beijersbergen, et al., Optics Communications, Vol.112,pp.321-327 (1994).
【非特許文献４】K. Sueda, et al., OpticsExpress, Vol.12, No.15, pp.3548-3553 (2004).
【非特許文献５】N. R. Heckenberg, et al., Optics Letters, Vol.17, No.3, pp.221-223 (1992).
【非特許文献６】N. R. Heckenberg, et al., Optical and Quantum Electronics, Vol.24, No.24, pp.155-166 (1992).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、集光時の中央スポット径が回折限界以下となるような光ビームはいくつか知られているが、いずれも生成に複雑な光学系が必要、あるいは生成されるビームが低品位であるという問題があった。特に、ベッセルビームは、ＬＧモード光と最も類似した性質をもつ光ビームであるが、現在知られている生成手法では近似的なベッセルビームを生成することしかできない。さらに近似ベッセルビームの生成ですら、従来手法には光学技術的な困難が含まれている。すなわち、近似ベッセルビームの生成には、高精度な素子を得ることが困難でかつ使用にあたっても光軸調整が難しい、アキシコンが必要であり、上記の目的に充分な品位の近似ベッセルビームを生成するためには、多大な技術的負担が要求される。
【０００６】
本発明は、ベッセルビームと同程度の超解像特性を有し集光特性や生成の容易さ等の特長を有する光を出力することができる光源装置を提供することを目的とする。また、本発明は、このような光源装置を用いて高解像度で被観察物を観察することができる観察装置、および、このような光源装置を用いて高解像度で被加工物を加工することができる加工装置を提供することをも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る光源装置は、(1) コヒーレント光を出力する光源と、(2) 外部から入力される制御信号に基づいて各画素での位相変調量が設定され、光源から出力された光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光を出力する光位相変調素子と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明に係る光源装置では、光位相変調素子に入力される光のビーム断面上において、所定位置を中心とするｐ個の円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域を設定したときに、(ｐ＋１)個の領域それぞれの径方向の幅が外側の領域ほど広く、(ｐ＋１)個の領域それぞれにおいて位相変調量が一定であり、(ｐ＋１)個の領域のうち隣り合う２つの領域の間で位相変調量がπだけ異なることを特徴とする。ただし、ｐは自然数である。
【０００８】
なお、ｎを整数としたときに任意の位相αと位相(α＋２ｎπ)とは互いに等価であり、また、位相調整量の分布はオフセット値を無視して相対値のみを問題とすればよい。これらのことを考慮して、光位相変調素子における位相変調量は、位相αから位相(α＋２π)までの範囲に制限することが可能であり、また、αを値０としてもよい。
【０００９】
本発明に係る観察装置は、被観察物を観察する装置であって、上記の本発明に係る光源装置と、光源装置から出力される光を被観察物中の観察点に集光照射する照射光学系と、被観察物中における観察点を走査する走査手段と、照射光学系による観察点への光の集光照射に伴い生じる光を検出する検出光学系と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る加工装置は、被加工物を加工する装置であって、上記の本発明に係る光源装置と、光源装置から出力される光を被加工物中の加工点に集光照射する照射光学系と、被加工物中における加工点を走査する走査手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る光源装置は、ベッセルビームと同程度の超解像特性を有し集光特性や生成の容易さ等の特長を有する光を出力することができる。また、この光源装置を用いることにより、高解像度で被観察物を観察することができ、また、高解像度で被加工物を加工することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
先ず、本発明に係る光源装置の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る光源装置１の構成図である。この図に示される光源装置１は、レーザ光源１０、凸レンズ１１、凸レンズ１２、アパーチャ１３、ビームスプリッタ１４、反射型の光位相変調素子１５、ミラー１６、凸レンズ１７および凸レンズ１８を備える。また、この図には、凸レンズ１８から出力される光のビーム断面における強度分布を観察するためのＣＣＤカメラ１９も示されている。
【００１４】
レーザ光源１０は、コヒーレントなレーザ光を出力するものであり、例えばＨｅ-Ｎｅレーザ光源等である。レンズ１１およびレンズ１２は、ビームエクスパンダとして作用するものであって、レーザ光源１０から出力された光を入力し、その光のビーム径を拡大して、該光を平行光として出力する。アパーチャ１３は、円形の開口を有し、レンズ１１およびレンズ１２から出力された光を入力して、その光のビーム断面のうち開口を通過する部分を出力する。ビームスプリッタ１４は、アパーチャ１３から到達した光の一部を透過させて光位相変調素子１５へ出力するとともに、光位相変調素子１５から到達した光の一部を反射させてミラー１６へ出力する。
【００１５】
光位相変調素子１５は、レーザ光源１０から出力されてビームスプリッタ１４を経た光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光をビームスプリッタ１４へ反射させる。光位相変調素子１５は、外部から入力される制御信号に基づいて反射の際の各画素の位相変調量が設定される素子（ＳＬＭ: Spatial Light Modulator）である。光位相変調素子１５としてＳＬＭが用いられる場合、位相変調量の空間的分布を電気的に書き込むことが可能であり、必要に応じて様々な位相変調分布を与えることができる。
【００１６】
ミラー１６は、ビームスプリッタ１４から到達した光を反射させて、その反射された光をレンズ１７へ出力する。レンズ１７およびレンズ１８は、ミラー１６により反射された光を入力し、その光のビーム径を調整して、該光を平行光として出力する。ＣＣＤカメラ１９は、レンズ１７およびレンズ１８から出力された光を入力して、その光のビーム断面における光強度分布を検出する。
【００１７】
この光源装置１では、レーザ光源１０から出力されたコヒーレントなレーザ光は、凸レンズ１１および凸レンズ１２によりビーム径が拡大された後、そのビーム断面の一部部分がアパーチャ１３の円形の開口を通過して、ビーム断面が円形とされ、さらにビームスプリッタ１４を透過して光位相変調素子１５に入力される。光位相変調素子１５に入力された光は、この光位相変調素子１５によりビーム断面上の位置に応じて位相変調を受けて反射される。光位相変調素子１５により位相変調を受けて反射された光は、ビームスプリッタ１４により反射され、さらにミラー１６により反射され、凸レンズ１７および凸レンズ１８によりビーム径が調整されて、ＣＣＤカメラ１９の受光面に入射して、このＣＣＤカメラ１９により光ビーム断面における光強度分布が検出される。
【００１８】
光位相変調素子１５において反射光に与えられる位相変調量について更に詳細に説明すると以下のとおりである。図２に示されるように、光位相変調素子１５に入力される光のビーム断面上において、所定位置を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐの各円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐを設定する。内側から順に領域Ａ０，Ａ１，Ａ２，…，Ａｐとする。領域Ａ０は、半径ｒ１の円周の内側の領域であり、領域Ａｉは、半径ｒｉ-1の円周と半径ｒｉの円周との間の領域である（ｉ＝１，２，３，…，ｐ）。
【００１９】
このとき、(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐそれぞれの径方向の幅は、外側の領域ほど広い。すなわち、半径ｒ１〜ｒｐの間に以下の関係式が成り立つ。なお、最も内側にある領域Ａ０については、半径ｒ１を径方向の幅とする。
【００２０】
【数１】
2008210977.tif 000003
【００２１】
さらに、(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐそれぞれにおいて位相変調量は一定であり、(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐのうち隣り合う２つの領域の間で位相変調量はπだけ異なる。すなわち、偶数番目の領域Ａ０，Ａ２，Ａ４，…それぞれの領域内における位相変調量φ０は一定である。また、奇数番目の領域Ａ１，Ａ３，Ａ５，…それぞれの領域内における位相変調量φ１は一定である。そして、これら位相変調量φ０と位相変調量φ１とは互いにπだけ異なる。
【００２２】
動径方向ｒについて設定されるべきｐ個の半径ｒ１〜ｒｐの円周で表される位相不連続線は以下のように設定される。位相不連続線は、光強度が０となる部分（「節」）に存在する。ＬＧモードの場合、光強度分布の節はSonine多項式の零点から求めることができる。つまり、下記（２）式で定義されるSonine多項式Ｓpq(ｚ)が値０となる変数ｚの値を求める。なお、ｐは、動径指数と呼ばれ、自然数である。また、ｑは、偏角指数と呼ばれ、０以外の整数である。
【００２３】
【数２】
2008210977.tif 000004
【００２４】
特に、本実施形態では偏角指数ｑは値０とされる。このとき、上記（２）式は、下記（３）式で表されるLaguerre多項式となる。Laguerre多項式は、ｐ次の多項式であり、ｐ個の異なる正の実数根ａ１〜ａｐを持つ。これらの根ａｉと光ビームウェスト半径ｗとを用いれば、位相不連続線の半径ｒiは、下記（４）式で表される（ｉ＝１，２，３，…，ｐ）。
【００２５】
【数３】
2008210977.tif 000005
【００２６】
【数４】
2008210977.tif 000006
【００２７】
このような位相変調φ(ｒ)を光位相変調素子１５により受けて反射された光は、動径指数がｐで偏角指数が０であるＬＧモード光となる。このＬＧモード光は、偏角変数θを固定したとき、位相不連続線を境界線として接する二つの領域に属する点における位相値がπの差を持つ。また、(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐそれぞれの径方向の幅は、外側の領域ほど広い。
【００２８】
図３は、光位相変調素子１５における位相変調量の分布の例を示す図である。同図（ａ）は、動径指数ｐを５とした場合の位相変調量の分布を示す。また、同図（ｂ）は、動径指数ｐを１０とした場合の位相変調量の分布を示す。この図において、位相不連続線は上記の（３）式および（４）式から得られたものであり、黒色の各領域では位相変調量が０であり、灰色の各領域では位相変調量がπである。各領域の径方向の幅は、外側の領域ほど広い。
【００２９】
図４は、光位相変調素子１５における入射光および反射光それぞれのビーム断面における強度分布を示す図である。同図（ａ）は入射光の強度分布を示し、同図（ｂ）は反射光の強度分布を示す。ここでは、動径指数ｐを１３とした。すなわち、同図（ｂ）は、１３次の動径指数を有するＬＧモード光の強度分布を示す。なお、同図（ｂ）では、光ビームの断面構造を観測し易くするため、階調の補正を行っている。したがって、入射光の強度分布（同図（ａ））と比較して、ＬＧモード光である反射光の強度分布（同図（ｂ））では、中央スポット（最も内側にある領域Ａ０）が入射光と同程度の大きさに見えているが、実際には非常に小さいスポットとなっている。
【００３０】
このような高次動径指数を有するＬＧモード光をレンズにより集光させた場合、ビームウェスト径を波長の半分程度よりも小さくすることは不可能である（回折限界）。しかし、ＬＧモード光の内部構造は保存されるので、集光点上において高次動径指数ＬＧモード光の中央スポット（領域Ａ０）は回折限界以下の大きさを有することになる。
【００３１】
なお、中央スポット（領域Ａ０）の周囲に存在するリング（サイドローブ、すなわち、領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，…）は、ベッセルビームと同様の挙動を示し、ベッセルビームに関して確立されている技術を用いることにより、それらの影響を低減させることも可能である。高次動径指数ＬＧモード光に特有の性質としては、動径指数ｐを大きくするほど、中央スポット（領域Ａ０）の大きさを小さくすることが可能である点が挙げられる。
【００３２】
また、サイドローブ（領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，…）の広がりは、ベッセルビームでは理論的に無限であるのに対し、高次動径指数ＬＧモード光では有限である。このことから、光学系の径をサイドローブ全体が完全に含まれるように設定しておくことにより、より理想的に条件のもとで高次動径指数ＬＧモード光の特性を利用することができる。
【００３３】
次に、本発明に係る光源装置の他の実施形態について説明する。図５は、他の実施形態に係る光源装置２の構成図である。この図に示される光源装置２は、レーザ光源１０、凸レンズ１１、凸レンズ１２、アパーチャ１３、透過型の光位相変調素子２０、ミラー２１、ミラー１６、凸レンズ１７および凸レンズ１８を備える。また、この図にも、凸レンズ１８から出力される光のビーム断面における強度分布を観察するためのＣＣＤカメラ１９も示されている。図１に示された光源装置１の構成と比較すると、この図５に示される光源装置２は、ビームスプリッタ１４および反射型の光位相変調素子１５に替えて、透過型の光位相変調素子２０およびミラー２１を備える点で相違する。
【００３４】
光位相変調素子２０は、レーザ光源１０から出力されてアパーチャ１３の開口を通過した光を入力し、その光のビーム断面上の位置に応じて該光を位相変調して、その位相変調後の光をミラー２１へ透過させる。光位相変調素子２０は、外部から入力される制御信号に基づいて透過の際の各画素の位相変調量が設定される素子（ＳＬＭ）である。光位相変調素子２０としてＳＬＭが用いられる場合、位相変調量の空間的分布を電気的に書き込むことが可能であり、必要に応じて様々な位相変調分布を与えることができる。ミラー２１は、光位相変調素子２０から透過されて出力された光を反射させて、その反射した光をミラー１６へ出力する。
【００３５】
この光源装置２では、レーザ光源１０から出力されたコヒーレントなレーザ光は、凸レンズ１１および凸レンズ１２によりビーム径が拡大された後、そのビーム断面の一部部分がアパーチャ１３の円形の開口を通過して、ビーム断面が円形とされ、光位相変調素子２０に入力される。光位相変調素子２０に入力された光は、この光位相変調素子２０によりビーム断面上の位置に応じて位相変調を受けて透過される。光位相変調素子２０により位相変調を受けて透過された光は、ミラー２１およびミラー１６により反射され、凸レンズ１７および凸レンズ１８によりビーム径が調整されて、ＣＣＤカメラ１９の受光面に入射して、このＣＣＤカメラ１９により光ビーム断面における光強度分布が検出される。
【００３６】
透過型の光位相変調素子２０において透過光に与えられる位相変調量は、反射型の光位相変調素子１５において反射光に与えられる位相変調量と同様である。すなわち、光位相変調素子２０に入力される光のビーム断面上において、所定位置を中心とするｐ個の半径ｒ１〜ｒｐの各円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐを設定する。内側から順に領域Ａ０，Ａ１，Ａ２，…，Ａｐとする。このとき、(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐそれぞれの径方向の幅は、外側の領域ほど広い。すなわち、半径ｒ１〜ｒｐの間に上記（１）式が成り立つ。さらに、(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐそれぞれにおいて位相変調量は一定であり、(ｐ＋１)個の領域Ａ０〜Ａｐのうち隣り合う２つの領域の間で位相変調量はπだけ異なる。そして、動径方向ｒについて設定されるべきｐ個の半径ｒ１〜ｒｐの円周で表される位相不連続線は、上記の（３）式および（４）式で得られる。
【００３７】
このように構成される光源装置２においても、図３に示されたような光位相変調素子２０における位相変調量の分布が可能であり、また、図４に示されたような光位相変調素子２０における入射光および反射光それぞれのビーム断面における強度分布が可能である。そして、光源装置２においても、集光点上において高次動径指数ＬＧモード光の中央スポット（領域Ａ０）は回折限界以下の大きさを有することができる。
【００３８】
次に、本発明に係る観察装置の実施形態について説明する。図６は、本実施形態に係る観察装置３の構成図である。この図に示される観察装置３は、被観察物８を観察する装置であって、図１に示された構成のうちＣＣＤカメラ１９を除いた光源装置１の構成に加えて、走査型顕微鏡を構成する構成要素として、ミラー３０、ビームスプリッタ３１、対物レンズ３２、フィルタ３３、光検出器３４、制御部３５、表示部３６および移動ステージ３７を更に備えている。
【００３９】
ミラー３０は、レンズ１８から出力された光を反射して、その反射した光をビームスプリッタ３１へ出力する。ビームスプリッタ３１は、ミラー３０から到達した光を入力して該光を対物レンズ３２へ透過させるとともに、対物レンズ３２から到達した光を入力して該光をフィルタ３３へ反射させる。対物レンズ３２は、ビームスプリッタ３１から到達した光を入力して該光を被観察物８の観察点へ集光照射する。すなわち、ミラー３０からビームスプリッタ３１を経て対物レンズ３２に到るまでの光学系は、光源装置１から出力される光を被観察物８中の観察点に集光照射する照射光学系を構成している。
【００４０】
また、対物レンズ３２は、該観察点への光の集光照射に伴い生じる光を入力して該光をビームスプリッタ３１へ出力する。フィルタ３３は、ビームスプリッタ３１から到達した光を入力して該光のうち特定波長域の光を選択的に光検出器３４へ透過させる。光検出器３４は、フィルタ３３から到達した光を受光して該光の強度を検出し、その検出した受光強度に応じた値の電気信号を制御部３５へ出力する。光検出器３４は、高感度の光検出が可能な光電子増倍管であるのが好適である。すなわち、対物レンズ３２からビームスプリッタ３１およびフィルタ３３を経て光検出器３４に到るまでの光学系は、照射光学系による観察点への光の集光照射に伴い生じる光を検出する検出光学系を構成している。
【００４１】
制御部３５は、被観察物８を載置する移動ステージ３７を移動させて、被観察物８中の観察点の位置を変更する。すなわち、制御部３５および移動ステージ３７は、被観察物８中における観察点を走査する走査手段を構成している。
【００４２】
また、制御部３５は、空間光変調素子１５における光反射の際の各画素の位相変調量を設定するための制御信号を空間光変調素子１５に与えることで、光源装置１から出力される光のビーム断面における光強度分布を上述の如く設定する。さらに、制御部３５は、光検出器３４から出力された電気信号を入力し、この電気信号の値と被観察物８中における観察点の位置情報とから被観察物８の２次元観察像を作成し、その像を表示部３６により表示させる。
【００４３】
この観察装置３では、光源装置１における凸レンズ１７および凸レンズ１８によりビーム径が調整されて出力された光は、そのビーム断面上において、所定位置を中心とするｐ個の円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域を設定したときに、(ｐ＋１)個の領域それぞれの径方向の幅が外側の領域ほど広く、(ｐ＋１)個の領域それぞれにおいて位相変調量が一定であり、(ｐ＋１)個の領域のうち隣り合う２つの領域の間で位相変調量がπだけ異なるものとなっている。
【００４４】
そして、凸レンズ１８から出力された光は、ミラー３０により反射され、ビームスプリッタ３１を透過して、対物レンズ３２により被観察物８中の観察点に集光照射される。この集光照射に伴い観察点で発生する光（散乱光や蛍光など）は、対物レンズ３２を経て、ビームスプリッタ３１により反射され、フィルタ３３を透過して、光検出器３４により受光される。その受光強度は電気信号として光検出器３４から出力される。
【００４５】
また、対物レンズ３２から被観察物８への光の集光照射の位置（観察点）は、制御部３５および移動ステージ３７により走査される。この走査により、被観察物８における各位置で発生した光が光検出器３４により受光される。そして、制御部３５により、光検出器３４から出力された電気信号の値と、被観察物８中における観察点の位置情報とから、被観察物８の２次元観察像が作成される。その像は表示部３６により表示される。
【００４６】
上述したように、光源装置１から出力される高次動径指数を有するＬＧモード光を対物レンズ３２により集光させた場合、全体のビーム径を波長の半分程度よりも小さくすることは不可能であるが、ＬＧモード光の内部構造は保存される。したがって、観察装置３において、対物レンズ３２による集光点（観察点）の大きさ、すなわち、ＬＧモード光の中央スポット（領域Ａ０）は、回折限界以下の大きさを有することになる。このことから、移動ステージ３７による被観察物８の走査ステップを、被観察物８への照射時のＬＧモード光の中央スポット（領域Ａ０）の大きさより小さくすることで、極めて高い解像度で被観察物８を観察することができる。なお、移動ステージ３７の駆動には、ピエゾアクチュエータ等を用いて行うのが望ましい。
【００４７】
なお、これまでに説明してきた観察装置３は、走査型レーザ顕微鏡の構成を有していて、観察点からの後方散乱光を対物レンズ３２により集光し、フィルタ３３を経由して光検出器３４により光検出するものである。このように散乱光を検出する場合、フィルタ３３の透過波長域は、照射レーザ光の波長を含むように設定される。光ピックアップ装置や走査レーザ検眼鏡等も同様の構成で実現することができる。被観察物８を走査するのではなく、光源装置１側を走査してもよい。走査レーザ検眼鏡では、光源装置１側を走査することが多い。走査型二光子顕微鏡も略同様の構成で実現することができ、この場合、フィルタ３３の透過波長域は、照射レーザ波長に対して１／２の波長成分を透過するように設定される。また、これまでに説明してきた観察装置３は落射照明方式のものであったが、照射用の対物レンズと検出用の対物レンズとを被観察物を挟んで対向配置する構成とすることにより、透過照明方式の観察装置も実現することができる。光源装置１に替えて光源装置２が用いられてもよい。
【００４８】
次に、本発明に係る加工装置の実施形態について説明する。図７は、本実施形態に係る加工装置４の構成図である。この図に示される加工装置４は、被加工物９を加工する装置であって、図１に示された構成のうちＣＣＤカメラ１９を除いた光源装置１の構成に加えて、ミラー３０、対物レンズ３２、制御部３５および移動ステージ３７を更に備えている。
【００４９】
ミラー３０は、レンズ１８から出力された光を反射して、その反射した光を対物レンズ３２へ出力する。対物レンズ３２は、ミラー３０から到達した光を入力して該光を被加工物９の加工点へ集光照射する。すなわち、ミラー３０から対物レンズ３２に到るまでの光学系は、光源装置１から出力される光を被加工物９中の加工点に集光照射する照射光学系を構成している。
【００５０】
制御部３５は、被加工物９を載置する移動ステージ３７を移動させて、被加工物９中の加工点の位置を変更する。すなわち、制御部３５および移動ステージ３７は、被加工物９中における加工点を走査する走査手段を構成している。また、制御部３５は、空間光変調素子１５における光反射の際の各画素の位相変調量を設定するための制御信号を空間光変調素子１５に与えることで、光源装置１から出力される光のビーム断面における光強度分布を上述の如く設定する。
【００５１】
この加工装置９では、光源装置１における凸レンズ１７および凸レンズ１８によりビーム径が調整されて出力された光は、そのビーム断面上において、所定位置を中心とするｐ個の円周によって区分される(ｐ＋１)個の領域を設定したときに、(ｐ＋１)個の領域それぞれの径方向の幅が外側の領域ほど広く、(ｐ＋１)個の領域それぞれにおいて位相変調量が一定であり、(ｐ＋１)個の領域のうち隣り合う２つの領域の間で位相変調量がπだけ異なるものとなっている。そして、凸レンズ１８から出力された光は、ミラー３０により反射され、対物レンズ３２により被加工物９中の加工点に集光照射される。また、対物レンズ３２から被加工物９への光の集光照射の位置（加工点）は、制御部３５および移動ステージ３７により走査される。
【００５２】
上述したように、光源装置１から出力される高次動径指数を有するＬＧモード光を対物レンズ３２により集光させた場合、全体のビーム径を波長の半分程度よりも小さくすることは不可能であるが、ＬＧモード光の内部構造は保存される。したがって、加工装置９において、対物レンズ３２による集光点（加工点）の大きさ、すなわち、ＬＧモード光の中央スポット（領域Ａ０）は、回折限界以下の大きさを有することになる。このことから、移動ステージ３７による被加工物９の走査ステップを、被加工物９への照射時のＬＧモード光の中央スポット（領域Ａ０）の大きさより小さくすることで、極めて高い解像度で被加工物９を加工（変性、破壊、等）することができる。なお、移動ステージ３７の駆動には、ピエゾアクチュエータ等を用いて行うのが望ましい。
【００５３】
なお、被加工物９の加工点に集光照射される光は、連続光およびパルス光の何れであってもよいが、その加工点を加工し得るだけの充分な強度を有していることが必要である。光源装置１に替えて光源装置２が用いられてもよい。
【００５４】
本発明に係る光源装置は、一般的であり、上述した観察装置や加工装置の他にも多くの応用を持つ。例えば、従来から知られているようなベッセルビームにより実現できる超解像効果は、本発明により置換することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施形態に係る光源装置１の構成図である。
【図２】空間光変調素子１５における位相変調について説明する図である。
【図３】光位相変調素子１５における位相変調量の分布の例を示す図である。
【図４】光位相変調素子１５における入射光および反射光それぞれのビーム断面における強度分布を示す図である。
【図５】他の実施形態に係る光源装置２の構成図である。
【図６】本実施形態に係る観察装置３の構成図である。
【図７】本実施形態に係る加工装置４の構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１，２…光源装置、３…観察装置、４…加工装置、８…被観察物、９…被加工物、１０…レーザ光源、１１，１２…凸レンズ、１３…アパーチャ、１４…ビームスプリッタ、１５…光位相変調素子、１６…ミラー、１７，１８…凸レンズ、１９…ＣＣＤカメラ、２０…光位相変調素子、２１…ミラー、３０…ミラー、３１…ビームスプリッタ、３２…対物レンズ、３３…フィルタ、３４…光検出器、３５…制御部、３６…表示部、３７…移動ステージ。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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【図４】
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