位相変調素子及びその位相変調素子を用いた光学装置
【課題】 液体の供給機構を必要せず、光の位相変調がより速く行われる位相変調素子を提供することを目的とする。
【解決手段】 位相変調素子（１００）は、二次元に配置され二次元方向の垂直方向で所定の厚さ（Ｗ１）を有する複数のセル（１０）と、光を透過するとともに垂直方向にセル内を第１キャビティ（１１ａ）及び第２キャビティ（１１ｂ）に分け垂直方向に移動可能である可動窓（１３）と、第１キャビティに収納され第１屈折率（ｎ１）を有し光を透過する第１透明媒質（１２ａ）と、第２キャビティに収納され第１屈折率と異なる第２屈折率（ｎ２）を有し光を透過する第２透明媒質（１２ｂ）と、可動窓を移動させて第１キャビティに収納される第１透明媒質及び第２キャビティに収納される第２透明媒質の垂直方向の厚さ（Ｗ２、Ｗ３）を変更させる駆動部（１５）と、を備える。
【解決手段】 位相変調素子（１００）は、二次元に配置され二次元方向の垂直方向で所定の厚さ（Ｗ１）を有する複数のセル（１０）と、光を透過するとともに垂直方向にセル内を第１キャビティ（１１ａ）及び第２キャビティ（１１ｂ）に分け垂直方向に移動可能である可動窓（１３）と、第１キャビティに収納され第１屈折率（ｎ１）を有し光を透過する第１透明媒質（１２ａ）と、第２キャビティに収納され第１屈折率と異なる第２屈折率（ｎ２）を有し光を透過する第２透明媒質（１２ｂ）と、可動窓を移動させて第１キャビティに収納される第１透明媒質及び第２キャビティに収納される第２透明媒質の垂直方向の厚さ（Ｗ２、Ｗ３）を変更させる駆動部（１５）と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を透過または反射させることにより、空間的に所望の位相分布を有する光波面を形成することができる位相変調素子、及びこれを適用した光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
位相変調素子は、光の位相を制御することにより、光の波面収差補正、集光分布補正、または各種の位相マスクとして利用されている。位相変調素子は、さらに光演算、光計測、記録、ディスプレイ、光通信分野でも利用されている。
【０００３】
特許文献１では、二次元的に複数のセルが配置された透過光の位相分布を変調する光学素子が開示されている。特許文献１に開示される光学素子は、透過構造体の各セルに屈折率の異なる液体又はそれらの混合液を供給することで、二次元空間の透過光の位相分布を変調している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４３６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された光学素子は位相変調条件を変えるたびに液体をセルから出したり入れたりしなければならない。このため、光学素子に液体を供給する供給機構を付随させなければならず、光学素子を含めた装置の小型化が困難である。また、複数の屈折率の異なる液体を調合する場合、液体が均一に馴染むまでに一定の時間がかかるので、光学素子に影響を与える。
【０００６】
本発明は、光の位相変調を短時間で行えるとともに小型化できる位相変調素子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】
【０００７】
第１観点の位相変調素子は、光を位相変調させる。また位相変調素子は、二次元に配置され二次元方向の垂直方向で所定の厚さを有する複数のセルと、光を透過するとともに垂直方向にセル内を第１キャビティ及び第２キャビティに分け垂直方向に移動可能である可動窓と、第１キャビティに収納され第１屈折率を有し光を透過する第１透明媒質と、第２キャビティに収納され第１屈折率と異なる第２屈折率を有し光を透過する第２透明媒質と、可動窓を移動させて第１キャビティに収納される第１透明媒質及び第２キャビティに収納される第２透明媒質の垂直方向の厚さを変更させる駆動部と、を備える。
【０００８】
第２観点の位相変調装置は、第１観点の位相変調素子と、位相変調素子の第１キャビティに配置され光を細分する分割部と、位相変調素子の第２キャビティに配置され分割部で細分された光をまとめる結合部と、を備える。
【０００９】
第３観点の記録装置は、第１観点の位相変調素子と、位相変調素子の第１キャビティに配置される空間変調素子と、位相変調素子の第２キャビティに配置される結像光学系と、結像光学系の垂直方向の焦点位置に配置される記録媒体と、を備える。
【００１０】
第４観点の撮像装置は、第１観点の位相変調素子を有する撮像光学系と、撮像光学系の焦点位置に配置される撮像素子と、撮像素子からの信号を処理する信号処理部と、を備える。
【００１１】
第５観点のレーザー加工装置は、垂直方向にレーザー光を射出するレーザー光源と、レーザー光を垂直方向で平行光にするコリメータレンズと、コリメータレンズからの平行光の一部を垂直方向に分割し一部を二次元方向に分割するビームスプリッタと、ビームスプリッタの垂直方向に配置された第１観点の位相変調素子と、位相変調素子からの光を結像する結像レンズと、結像レンズの垂直方向の焦点位置に配置される加工ターゲットと、ビームスプリッタの二次元方向に配置される波面検出器と、波面検出器及び位相変調素子に接続される制御部と、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の位相変調素子は、光の位相変調を短時間で行うとともに小型化しやすい構造である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は、第１位相変調素子１００の側面図である。 （ｂ）は、第１位相変調素子１００の平面図である。
【図２】図１の点線Ｂで囲まれた部分の拡大図で、駆動部１５による光ＬＬの位相変調を説明する図である。
【図３】（ａ）は、可動窓１３の斜視図である。 （ｂ）は、可動窓１３のガイド部１７の斜視図である。
【図４】駆動部２５が可動窓２３に直接に接続されている一例を示した図である。
【図５】第２位相変調素子２００の側面図である。
【図６】第３位相変調素子３００の側面図である。
【図７】（ａ）は、第１位相変調素子１００を用いた位相変調装置ＰＭＸの概略図である。 （ｂ）は、位相変調装置ＰＭＸでの画像ＩＭ１〜ＩＭ３の変化状態の説明図である。
【図８】（ａ）は、第１位相変調素子１００を用いた記録装置ＲＸの記録ステップの説明図である。 （ｂ）は、第１位相変調素子１００を用いた記録装置ＲＸの再生ステップにおける入射光の説明図である。 （ｃ）は、第１位相変調素子１００を用いた記録装置ＲＸの再生ステップにおける反射光の説明図である。
【図９】第１位相変調素子１００を用いた撮像装置ＰＸの概略図である。
【図１０】第１位相変調素子１００を用いたレーザー加工装置ＬＷＸの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１実施形態）
＜第１位相変調素子１００の全体構成＞
第１位相変調素子１００の全体構成について、図１〜図４を参照しながら説明する。図１（ａ）は第１位相変調素子１００の側面図で、図１（ｂ）は第１位相変調素子１００の平面図である。第１実施形態では、６×６個のセル１０から構成される第１位相変調素子１００について説明する。第１位相変調素子は、用途によって縦（Ｙ軸）、横（Ｘ軸）のセル数を変更することができる。
【００１５】
図１に示されたように、第１位相変調素子１００はＸ軸方向に６個、Ｙ軸方向に６個で二次元に配置された３６個のセル１０から構成されている。各セル１０は、Ｚ軸方向で厚さＷ１を有し、可動窓１３は第１キャビティ１１ａ及び第２キャビティ１１ｂに分割している。第１キャビティ１１ａは、可動窓１３と、−Ｚ側の透明窓１６ａと、＋Ｙ側の封止弁１４ａ及び固定栓１８と、−Ｙ側の固定栓１８とで構成される。可動窓１３から−Ｚ側の透明窓１６ａまでのＺ軸方向の厚さはＷ２である。同様に、第２キャビティ１１ｂは、可動窓１３と、＋Ｚ側の透明窓１６ｂと、＋Ｙ側の封止弁１４ｂ及び固定栓１８と、−Ｙ側の固定栓１８とで構成される。可動窓１３から＋Ｚ側の透明窓１６ｂまでのＺ軸方向の厚さはＷ３である。
【００１６】
また、透明窓１６ｂには開口部１９が形成され、封止弁１４ｂが大気に接する状態となる。すなわち、封止弁１４ｂは常に大気圧を受ける状態である。さらに、封止弁１４ａと固定栓１８との間のスペースＶＤは真空状態から大気圧状態となっている。
【００１７】
第１キャビティ１１ａには屈折率ｎ１の第１透明媒質１２ａが充填され、第２キャビティ１１ｂには屈折率ｎ２の第２透明媒質１２ｂが充填されている。ここで、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２とは互いに異なる屈折率である。第１透明媒質１２ａ又は第２透明媒質１２ｂは気体又は液体であってよい。また第１透明媒質１２ａ又は第２透明媒質１２ｂは高い粘性を有する液体、いわゆる高分子ゲルであってもよい。第１透明媒質１２ａ又は第２透明媒質１２ｂは、具体的には、水、エタノール、パラフィン油、イマージョンオイル、空気（窒素及び酸素）、窒素ガス、ヘリウムガスなどが挙げられる。
【００１８】
可動窓１３、透明窓１６ａ及び透明窓１６ｂは、光を透過する石英ガラス、アクリル等の樹脂が用いられる。また、封止弁１４ａ、１４ｂとしては金属ボール又はゴムが用いられる。大気に接する封止弁１４ｂは第１透明媒質１２ａ及び第２透明媒質１２ｂが液体の場合には油層でもよい。さらに、固定栓１８及び封止弁１４ａ、１４ｂは光を透過しない金属、樹脂又はセラミック材料からなる。
【００１９】
第１位相変調素子１００は、図１に示されたように封止弁１４ａの＋Ｙ側のスペースＶＤに封止弁１４ａをＹ軸方向で移動させる駆動部１５をさらに備えている。ここで、駆動部１５としては例えばピエゾ素子であればよい。駆動部１５としてのピエゾ素子は、電圧の印加により伸びることができる。スペースＶＤは真空状態であり、封止弁１４ｂは常に大気圧を受ける状態である。そのため、駆動部１５に電圧が印加されていないとき、封止弁１４ａは大気圧に押圧される状態となる（図２（ａ）を参照）。また特に図示しないが封止弁１４ａと駆動部１５とが一体に形成されていてもよい。また駆動部１５がピエゾ素子である場合に、マイナス電圧を印加すれば縮ませることもできる。
【００２０】
駆動部１５の動作について、図２を参照しながら説明する。図２は、図１の点線Ｂで囲まれた部分の拡大図である。なお、図２（ａ）は駆動部１５が伸びていない初期状態を示した図で、図２（ｂ）は電圧の印加により駆動部１５が伸びている伸長状態を示した図である。
【００２１】
図２（ａ）に示されたように、初期状態では封止弁１４ｂが大気圧により押圧され、第１透明媒質１２ａ第２透明媒質１２ｂを介して封止弁１４ａが押されている。このためスペースＶＤは小さくなり、第１透明媒質１２ａのＺ軸方向の厚さＷ２ａが狭く第２透明媒質１２ｂのＺ軸方向の厚さＷ３ａが広くなる。すなわち、光ＬＬは第１透明媒質１２ａを通過する距離は短く、第２透明媒質１２ｂを通過する距離が長くなる。図２（ａ）に示された状態で、駆動部１５に電圧が印加されると封止弁１４ａが−Ｙ軸方向に押圧される。このとき、図２（ｂ）に示されたように可動窓１３が第１透明媒質１２ａに押圧されて＋Ｚ軸方向に移動する。これにより、第１透明媒質１２ａのＺ軸方向の厚さＷ２ｂが広く第２透明媒質１２ｂのＺ軸方向の厚さＷ３ｂが狭くなる。すなわち、光ＬＬは第１透明媒質１２ａを通過する距離は長く、第２透明媒質１２ｂを通過する距離が短くなる。
【００２２】
可動窓１３はＺ軸方向に沿って平行移動することが好ましい。可動窓１３の平行移動について、図３を参照しながら説明する。図３（ａ）は可動窓１３の斜視図で、図３（ｂ）は可動窓１３のガイド部１７の斜視図である。
【００２３】
図３（ａ）に示されたように、可動窓１３は全体的に四角形形状であり、その四辺には外周に突出した突出部１３１が一辺に２つずつ形成されている。図３（ａ）では８個の突出部１３１が形成されているが、可動窓１３が固定できるように適切な数の突起部１３１が形成されればよい。図３（ｂ）に示されたように、ガイド部１７の内側には可動窓１３の突起部１３１に対応するように凹んだ８個のレール１７１が形成されている。つまり、突起部１３１がレール１７１に係合されることで、可動窓１３がガイド部１７内でＺ軸方向に沿って平行移動することができる。
【００２４】
図３に示された可動窓１３は駆動部１５に押圧された第１透明媒質１２ａ又は大気圧に押圧されてＺ軸方向に沿って移動する。大気圧を利用しない代わりに、固定栓１８と封止弁１４ｂとの間（図２を参照）に、コイルバネなどの伸縮部材を配置してもよい。この場合には、透明窓１６ｂに開口部１９を設けなくてもよい。
【００２５】
図３では、駆動部２５が第１透明媒質１２ａを介して可動窓１３を移動させた。この方法ではなく、駆動部２５が直接に可動窓２３に接続されて可動窓２３を駆動してもよい。図４は、駆動部２５が可動窓２３に直接に接続されている一例を示した図である。なお、図４（ａ）は駆動部２５が伸びていない初期状態を示した図で、図４（ｂ）は駆動部２５が伸びている伸長状態を示した図である。
【００２６】
図４に示されたように、駆動部２５は可動窓２３の任意の突起部２３１に接続されている。また図４（ａ）に示された駆動部２５の初期状態の長さはｄ１で、図４（ｂ）に示された駆動部２５の伸長状態の長さはｄ２である。つまり、駆動部２５が図４（ａ）の長さｄ１から図４（ｂ）の長さｄ２まで伸びた際、可動窓２３がＺ軸方向でΔｄ、すなわち（ｄ２−ｄ１）程度移動される。これにより、第１透明媒質１２ａ及び第２透明媒質１２ｂのＺ軸方向の厚さが調整される（図２を参照）。図４に示された駆動部２５は可動窓２３の突起部２３１に接続されているが、可動窓が突起部を有していない形状で駆動部２５が直接に可動窓に接続されてもよい。また、図４では１つの駆動部２５により可動窓２３を移動させるが、複数の駆動部２５により１つの可動窓２３を移動させる構成でもよい。
【００２７】
また、図１及び図２で示した駆動部１５もしくは図３で示した駆動部２５の代わりに、電磁力で可動窓を移動させることも可能である。図２において、−Ｚ側の透明窓１６ａと、＋Ｚ側の透明窓１６ｂとにそれぞれＩＴＯ(Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）電極を形成する。そして可動窓１３に電荷を持たせて、透明電極である透明窓１６ａと透明窓１６ｂとに電圧を加える。このようにして、クーロン力の引力及び斥力により可動窓を移動させることができる。
【００２８】
＜第１位相変調素子１００による位相変調＞
第１位相変調素子１００による位相変調について、図１〜図４を参照しながら説明する。可動窓１３、２３のＺ軸方向の変位をΔｄ（図２、図４を参照。）と、第１位相変調素子１００の置かれる周囲媒質の屈折率をｎ０（図示しない）とする。そして、光ＬＬの入射角をθ０（図１を参照。）と、第１透明媒質１２ａの屈折率をｎ１（図１を参照）と、第２透明媒質１２ｂの屈折率をｎ２（図１を参照）とする。可動窓１３、２３がＺ軸方向に変位Δｄ移動すると、光路長の変化量ΔＬは数式（１）で示された量になる。
【数１】
… 数式（１）
【００２９】
例えば、周囲媒質が空気（ｎ０＝１）、第１透明媒質１２ａが水（ｎ１＝１．３３）、第２透明媒質１２ｂが空気（ｎ２＝１）で入射角が（θ０＝０度）の場合を説明する。可動窓１３、２３が変位Δｄ＝１μｍであると、光路長の変化量ΔＬ＝０．３３μｍとなる。光が可視光の場合、波長λは０．４０μｍ〜０．８０μｍなので、ΔＬ＝０．８λ〜０．４λとなる。橙色の波長λは０．６６μｍ程度であるので、可動窓１３、２３の変位Δｄ＝１μｍ当たりの位相変調はπ程度となる。可動窓１３、２３の変位Δｄに対する光路長変化ΔＬの感度は、第１透明媒質１２ａと第２透明媒質１２ｂとの屈折率差Δｎ（＝ｎ１−ｎ２）を変えることで調整可能である。
【００３０】
数式（１）を簡略するとΔＬ≒Δｎ×Δｄの関係である。仮に駆動部２５の分解能が１μｍであったとしても、Δｎ（＝ｎ１−ｎ２）の絶対値が小さくなるように第１透明媒質１２ａと第２透明媒質１２ｂとを選べば、可動窓１３、２３の変位Δｄに対して、π／２又はπ／４等の位相変調が可能である。
【００３１】
（第２実施形態）
＜第２位相変調素子２００の全体構成＞
第２位相変調素子２００の全体構成について、図５を参照しながら説明する。図５は、第２位相変調素子２００の側面図である。なお、第１実施形態と同じ構成要件には同じ符号を付して説明する。
【００３２】
図５に示されたように、第２位相変調素子２００は複数のセル１０から構成されている。各セル１０は、Ｚ軸方向で厚さＷ１を有し、可動窓１３は第１キャビティ１１ａ及び第２キャビティ１１ｂに分割している。第１キャビティ１１ａは、可動窓１３と−Ｚ側の反射ミラー２６ａとで挟まれている。第２キャビティ１１ｂは、可動窓１３と＋Ｚ側の透明窓２６ｂとで挟まれている。ここで、透明窓２６ｂは第１実施形態の透明窓１６ａ、１６ｂと同じ構成で、入射光ＬＬ１及び反射光ＬＬ２を透過することができる。反射ミラー２６ａは、透明窓２６ｂを透過した入射光ＬＬ１を反射する。
【００３３】
第２実施形態でも、駆動部及び可動窓として図４に示された駆動部２５及び可動窓２３が用いられてもよい。
【００３４】
＜第２位相変調素子２００による位相変調＞
第２位相変調素子２００においては、透明窓２６ｂを透過した入射光ＬＬ１が第２キャビティ１１ｂ内の第２透明媒質１２ｂ及び第１キャビティ１１ａ内の第１透明媒質１２ａを順次に通過して反射ミラー２６ａに反射されて反射光ＬＬ２となる。その後、反射光ＬＬ２が再び第１キャビティ１１ａ内の第１透明媒質１２ａ及び第２キャビティ１１ｂ内の第２透明媒質１２ｂを順次に通過して透明窓２６ｂから外部に射出される。
【００３５】
つまり、第２実施形態では、光が入射光ＬＬ１及び反射光ＬＬ２として第２位相変調素子２００の第１透明媒質１２ａ及び第２透明媒質１２ｂを二回透過する。これにより、可動窓１３が初期位置にある状態に対して受ける光路長の変化量ΔＬが第１実施形態の２倍となる。すなわち、以下の数式（２）に示されたとおりである。
【数２】
… 数式（２）
【００３６】
（第３実施形態）
＜第３位相変調素子３００の全体構成＞
第３位相変調素子３００の全体構成について、図６を参照しながら説明する。図６は、第３位相変調素子３００の側面図である。なお、第１実施形態と同じ構成要件には同じ符号を付して説明する。
【００３７】
図６に示されたように、第３位相変調素子３００は複数のセル３０により構成される。各セル３０は、可動窓３３により第１キャビティ３１ａ及び第２キャビティ３１ｂに分割されている。なお、可動窓３３はＹ軸及びＺ軸方向に対して斜めに配置されている。すなわち、第１キャビティ３１ａは＋Ｚ側の可動窓３３と、−Ｚ側の透明窓１６ａと、＋Ｙ側の封止弁１４ａ及び固定栓１８と、−Ｙ側の固定栓１８とで密閉される台形である。同様に、第２キャビティ３１ｂは−Ｚ側の可動窓３３と、＋Ｚ側の透明窓１６ｂと、＋Ｙ側の封止弁１４ｂ及び固定栓１８と、−Ｙ側の固定栓１８とで密閉される台形である。
【００３８】
つまり、各セル３０の第１キャビティ３１ａ及び第２キャビティ３１ｂはそれぞれにＹ軸方向に連続した鋸歯状の格子構造を有する回折格子の役割をする。換言すれば、第３位相変調素子３００全体が２つの回折格子を密着した回折素子の構成となる。
【００３９】
第３実施形態では、可動窓３３がＹ軸及びＺ軸方向に対して斜めに配置されたままにＺ軸方向に沿って平行に移動する。ここで、可動窓３３は図３又は図４に示されたように移動することができる。また、第２実施形態で説明されたように片方の透明窓１６ａ又は１６ｂが光を反射する反射ミラーとなってもよい。
【００４０】
（応用例１―位相変調装置ＰＭＸ）
＜位相変調装置ＰＭＸの全体構成＞
応用例１では光学装置として第１位相変調素子１００を用いた位相変調装置ＰＭＸを一例として説明する。位相変調装置ＰＭＸの全体構成について、図７（ａ）を参照しながら説明する。図７（ａ）は位相変調装置ＰＭＸの概略図である。
【００４１】
図７（ａ）に示されたように、位相変調装置ＰＭＸは分割部ＤＰ、第１位相変調素子１００及び結合部ＳＰで構成される。分割部ＤＰ及び結合部ＳＰは、複数のイメージファイバＩＦ及びコリメータレンズＣＬを含んでいる。ここで、１つのイメージファイバＩＦ及びコリメータレンズＣＬがセットになって第１位相変調素子１００の１つのセル１０にそれぞれ対応するように配置されている。
【００４２】
上述のような位相変調装置ＰＭＸの構成によれば、第１位相変調素子１００における光が遮断される固定栓１８からなる遮光領域ＭＡ（図７（ｂ）を参照）の影響を与えて有効に位相変調できない問題を解決することができる。
【００４３】
＜位相変調装置ＰＭＸでの位相変調＞
位相変調装置ＰＭＸでの位相変調について、図７（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。図７（ｂ）は位相変調装置ＰＭＸでの像ＩＭ１〜ＩＭ３の変化状態の説明図である。
【００４４】
図７に示されたように、像ＩＭ１は位相変調装置ＰＭＸに入射する前の被写体（図示しない）の像である。位相変調装置ＰＭＸに入射した像ＩＭ１の光は、点線で示されたように６×６に細分されて分割部ＤＰの各イメージファイバＩＦにそれぞれ入射される。
【００４５】
そして、各イメージファイバＩＦ及びコリメータレンズＣＬにより導かれた光は、それぞれに第１位相変調素子１００の各セル１０に入射し位相変調される。ここで、像ＩＭ１を構成するすべての光が固定栓１８からなる遮光領域ＭＡの影響を与えず第１位相変調素子１００の各セル１０に入射して像ＩＭ２を構成する。
【００４６】
その後、分割部ＤＰにより細分され第１位相変調素子１００の各セル１０により位相変調された像ＩＭ２を構成する光が結合部ＳＰの各コリメータレンズＣＬ及びイメージファイバＩＦで導かれまとめられることで全体的に位相変調された像ＩＭ３が形成される。
【００４７】
応用例１では、第１位相変調素子１００が用いられているが、第３実施形態の第３位相変調素子３００が用いられてもよい。
【００４８】
（応用例２―記録装置ＲＸ）
＜記録装置ＲＸの全体構成＞
応用例２では光学装置として第１位相変調素子１００を用いた記録装置ＲＸを一例として説明する。図８（ａ）は記録装置ＲＸの記録ステップの説明図で、図８（ｂ）は記録装置ＲＸの再生ステップにおける入射光の説明図で、図８（ｃ）は記録装置ＲＸの再生ステップにおける反射光の説明図である。なお、円形で描かれた参照光ＲＬ及び信号光ＳＬは光の断面図である。また、記録装置ＲＸは例えばホログラム記録再生システムを含み、以下はホログラム記録再生システムを一例として説明する。
【００４９】
図８に示されたように、記録装置ＲＸは光の空間強度を変調する空間光変調器ＳＬＭと、第１位相変調素子１００と、結像レンズＬＳと、記録媒体ＲＭと、撮像素子ＩＳとで構成される。空間光変調器ＳＬＭは、例えば液晶パネルなどである。記録媒体ＲＭは、ホログラム記録媒体を含み、光による記録／再生に好適なホログラム記録材料層を有している。撮像素子ＩＳは、ＣＣＤ（charge coupled device）などである。なお、記録媒体ＲＭは結像レンズＬＳのＺ軸方向の焦点位置に配置されている。
【００５０】
＜記録装置ＲＸによる記録及び再生＞
記録時には、図８（ａ）に示されたように、光源（図示しない）からの入射光ＩＬに対して空間光変調器ＳＬＭで空間光強度変調を施し、同一光軸Ａｘ上に配置された信号光ＳＬと参照光ＲＬとを生成する。このとき、信号光ＳＬとしては、画素単位で記録データに応じた強度変調を施して生成される。参照光ＲＬは、所定パターンによる強度変調を施して生成される。
【００５１】
次に、空間光変調器ＳＬＭでの強度変調によって生成された信号光ＳＬ及び参照光ＲＬに対して第１位相変調素子１００で位相のランダム位相パターンを施し、結像レンズＬＳで集光されて記録媒体ＲＭに照射される。これにより、記録媒体ＲＭにおいては、信号光ＳＬ（記録像）に応じた干渉縞が形成され、この形成された干渉縞によってデータの記録が行われる。
【００５２】
再生時には、まず図８（ｂ）に示されるように、入射光ＩＬに対する空間光変調器ＳＬＭの空間光変調（強度変調）によって、参照光ＲＬが生成される。そして、このように生成された参照光ＲＬに対しては、第１位相変調素子１００で記録時と同じ位相パターンが与えられる。
【００５３】
その後、第１位相変調素子１００で位相変調を受けた参照光ＲＬは、結像レンズＬＳを介して記録媒体ＲＭに対して照射される。このとき、参照光ＲＬは記録時と同じ位相パターンが与えられ、このような参照光ＲＬが記録媒体ＲＭに照射される。これにより、図８（ｃ）に示すように、記録されたホログラムに応じた回折光ＤＬが得られ、この回折光ＤＬが記録媒体ＲＭからの反射光として出力され、記録データに応じた再生像（再生光）が得られる。得られた再生像を撮像素子ＩＳで受光し、撮像素子ＩＳの受光信号に基づいて記録データの再生が行われる。
【００５４】
信号光ＳＬは、記録データに応じて強度変調されて生成されるため、光強度（振幅）「０」「１」が必ずしもランダムに配置されるものとはならず、記録信号スペクトルの直流成分の発生を助長する。直流成分は、それによって記録材料が大きく反応してしまい、それ以上ホログラム（データ）を多重させて記録できなくし、記録の高密度化を阻害する。
【００５５】
したがって、第１位相変調素子１００で、信号光ＳＬ及び参照光ＲＬに対してランダムな位相変調パターンを与えることにより、信号光ＳＬと参照光ＲＬとの干渉効率の向上や、記録信号のスペクトルの拡散を図ることができ、記録媒体ＲＭ上に形成される干渉縞の直流成分を抑圧し、高記録密度化が図れる。
【００５６】
位相変調パターンとしては、例えば「０」「π」の２値によるランダム位相パターンを設定する。すなわち、位相変調を行わないピクセル（位相＝０）と、位相をπ（１８０°）だけ変調するピクセルとが半々となるようなランダムな位相変調パターンを設定する。
【００５７】
空間光変調器ＳＬＭによる強度変調で信号光として、その光強度が記録データに応じて「０」「１」に変調された光が生成され、このような信号光に対して第１位相変調素子１００で「０」または「π」の位相変調が施される。これにより、光の波面の振幅として、「−１」「０」「＋１」の光がそれぞれ生成できる。光強度「１」で変調されたピクセルについて位相「０」の変調が与えられたときは、振幅は「１」であり、位相「π」による変調が与えられたときは、振幅は「−１」となる。光強度「０」のピクセルについては位相「０」又は「π」の何れの変調に対しても振幅は「０」のままである。
【００５８】
上述のような位相変調を第１位相変調素子１００で施すことで、空間光変調器ＳＬＭから出力される信号光ＳＬ及び参照光ＲＬ内の光強度「１」のピクセルを振幅「１」と「−１」とにランダム（半々）に分けることができる。振幅「１」と「−１」の光をランダムに分けられることで、フーリエ面（周波数平面：この場合はメディア上での像と考えればよい）において均質にスペクトルをばらまくことができ、これによって記録信号に生じる直流成分の抑圧を図ることができる。
【００５９】
（応用例３―撮像装置ＰＸ）
応用例３では光学装置として第１位相変調素子１００を用いた撮像装置ＰＸを一例として説明する。図９は、撮像装置ＰＸの概略図である。
【００６０】
図９に示されたように、撮像装置ＰＸは位相マスクとしての第１位相変調素子１００及び複数の撮像レンズＰＬを有する撮像光学系ＰＳと、撮像光学系ＰＳのＺ軸方向の焦点位置に配置される撮像素子ＩＳと、撮像素子ＩＳに接続される信号処理部ＳＣとで構成される。
【００６１】
撮像装置ＰＸは、第１位相変調素子１００により撮像光学系ＰＳの瞳付近でデフォーカスに対して感度が鈍くなるよう波面をコード化し、撮像素子ＩＳで取得した中間像を信号処理部ＳＣでデジタル処理により被写界深度の深い画像撮影が可能である。
【００６２】
なお、第１位相変調素子１００は駆動部１５（図１を参照）で与える力の調整で、付与する空間位相分布が可変となる。このため、例えばカメラの撮像レンズのように画像のボケを効果的に使いたい用途が生じた場合も空間位相分布に変調を与えない状態（初期状態）に戻せば、位相マスクとしての第１位相変調素子１００を取り外すことなくそのまま対応できる。
【００６３】
（応用例４―レーザー加工装置ＬＷＸ）
応用例４では光学装置として第１位相変調素子１００を用いたレーザー加工装置ＬＷＸを一例として説明する。図１０は、レーザー加工装置ＬＷＸの概略図である。
【００６４】
レーザー光源ＬＩからのレーザー光ＲＬＬを、空間フィルタＳＦを介して余分な回折波や反射波、キズやゴミなどの回折散乱波を取り除き、コリメータレンズＣＬで平行光にする。ビーム波面の歪みをモニターするためにビームスプリッタＢＳでビームの一部を波面検出器に導く。波面検出器としては、例えば、シャックハルトマンセンサーを用いる。波面検出器ＷＳでモニターした波面データから制御部ＣＰでビームの歪みを求め、その歪みを打ち消すように第１位相変調素子１００の駆動部１５（図１を参照）に与える力を制御する。位相変調によって、歪みの取れたビームが結像レンズＬＳで加工ターゲットＷＴ上に集光させ、加工される。第１位相変調素子１００は、与える空間位相変調が可変であるため、様々なビームの歪み補正に対応できる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上、本明細書では最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０、３０ … セル
１１ａ、３１ａ … 第１キャビティ、 １１ｂ、３１ｂ … 第２キャビティ
１２ａ … 第１透明媒質、 １２ｂ … 第２透明媒質
１３、２３、３３ … 可動窓
１４ａ、１４ｂ … 封止弁
１５、２５ … 駆動部
１６ａ、１６ｂ、２６ｂ … 透明窓
１７ … ガイド部
１８ … 固定栓
１００、２００、３００ 位相変調素子
１３１、２３１ … 突起部
１７１ … レール
Ａｘ … 光軸
ＢＳ … ビームスプリッタ
ＣＬ … コリメータレンズ
ＣＰ … 制御部
ＤＰ … 分割部
ＩＦ … イメージファイバ
ＩＭ１〜ＩＭ３ … 画像
ＩＳ … 撮像素子
ＬＩ … レーザー光
ＬＳ … 結像レンズ
ＬＷＸ … レーザー加工装置
ＭＡ … 遮光領域
ｎ０、ｎ１、ｎ２ … 屈折率
ＰＭＸ … 位相変調装置
ＰＬ … 撮像レンズ
ＰＳ … 撮像光学系
ＰＸ … 撮像装置
ＲＬ … 参照光
ＲＬＬ … レーザー光
ＲＭ … 記録媒体
ＲＸ … 記録装置
ＳＣ … 信号処理部
ＳＦ … 空間フィルタ
ＳＰ … 結合部
ＳＬ … 信号光
ＳＬＭ … 空間光変調器
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ２ａ、Ｗ２ｂ、Ｗ３、Ｗ３ａ、Ｗ３ｂ … 厚さ
ＷＳ … 波面検出器
ＷＴ … 加工ターゲット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を透過または反射させることにより、空間的に所望の位相分布を有する光波面を形成することができる位相変調素子、及びこれを適用した光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
位相変調素子は、光の位相を制御することにより、光の波面収差補正、集光分布補正、または各種の位相マスクとして利用されている。位相変調素子は、さらに光演算、光計測、記録、ディスプレイ、光通信分野でも利用されている。
【０００３】
特許文献１では、二次元的に複数のセルが配置された透過光の位相分布を変調する光学素子が開示されている。特許文献１に開示される光学素子は、透過構造体の各セルに屈折率の異なる液体又はそれらの混合液を供給することで、二次元空間の透過光の位相分布を変調している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４３６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された光学素子は位相変調条件を変えるたびに液体をセルから出したり入れたりしなければならない。このため、光学素子に液体を供給する供給機構を付随させなければならず、光学素子を含めた装置の小型化が困難である。また、複数の屈折率の異なる液体を調合する場合、液体が均一に馴染むまでに一定の時間がかかるので、光学素子に影響を与える。
【０００６】
本発明は、光の位相変調を短時間で行えるとともに小型化できる位相変調素子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】
【０００７】
第１観点の位相変調素子は、光を位相変調させる。また位相変調素子は、二次元に配置され二次元方向の垂直方向で所定の厚さを有する複数のセルと、光を透過するとともに垂直方向にセル内を第１キャビティ及び第２キャビティに分け垂直方向に移動可能である可動窓と、第１キャビティに収納され第１屈折率を有し光を透過する第１透明媒質と、第２キャビティに収納され第１屈折率と異なる第２屈折率を有し光を透過する第２透明媒質と、可動窓を移動させて第１キャビティに収納される第１透明媒質及び第２キャビティに収納される第２透明媒質の垂直方向の厚さを変更させる駆動部と、を備える。
【０００８】
第２観点の位相変調装置は、第１観点の位相変調素子と、位相変調素子の第１キャビティに配置され光を細分する分割部と、位相変調素子の第２キャビティに配置され分割部で細分された光をまとめる結合部と、を備える。
【０００９】
第３観点の記録装置は、第１観点の位相変調素子と、位相変調素子の第１キャビティに配置される空間変調素子と、位相変調素子の第２キャビティに配置される結像光学系と、結像光学系の垂直方向の焦点位置に配置される記録媒体と、を備える。
【００１０】
第４観点の撮像装置は、第１観点の位相変調素子を有する撮像光学系と、撮像光学系の焦点位置に配置される撮像素子と、撮像素子からの信号を処理する信号処理部と、を備える。
【００１１】
第５観点のレーザー加工装置は、垂直方向にレーザー光を射出するレーザー光源と、レーザー光を垂直方向で平行光にするコリメータレンズと、コリメータレンズからの平行光の一部を垂直方向に分割し一部を二次元方向に分割するビームスプリッタと、ビームスプリッタの垂直方向に配置された第１観点の位相変調素子と、位相変調素子からの光を結像する結像レンズと、結像レンズの垂直方向の焦点位置に配置される加工ターゲットと、ビームスプリッタの二次元方向に配置される波面検出器と、波面検出器及び位相変調素子に接続される制御部と、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の位相変調素子は、光の位相変調を短時間で行うとともに小型化しやすい構造である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は、第１位相変調素子１００の側面図である。 （ｂ）は、第１位相変調素子１００の平面図である。
【図２】図１の点線Ｂで囲まれた部分の拡大図で、駆動部１５による光ＬＬの位相変調を説明する図である。
【図３】（ａ）は、可動窓１３の斜視図である。 （ｂ）は、可動窓１３のガイド部１７の斜視図である。
【図４】駆動部２５が可動窓２３に直接に接続されている一例を示した図である。
【図５】第２位相変調素子２００の側面図である。
【図６】第３位相変調素子３００の側面図である。
【図７】（ａ）は、第１位相変調素子１００を用いた位相変調装置ＰＭＸの概略図である。 （ｂ）は、位相変調装置ＰＭＸでの画像ＩＭ１〜ＩＭ３の変化状態の説明図である。
【図８】（ａ）は、第１位相変調素子１００を用いた記録装置ＲＸの記録ステップの説明図である。 （ｂ）は、第１位相変調素子１００を用いた記録装置ＲＸの再生ステップにおける入射光の説明図である。 （ｃ）は、第１位相変調素子１００を用いた記録装置ＲＸの再生ステップにおける反射光の説明図である。
【図９】第１位相変調素子１００を用いた撮像装置ＰＸの概略図である。
【図１０】第１位相変調素子１００を用いたレーザー加工装置ＬＷＸの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１実施形態）
＜第１位相変調素子１００の全体構成＞
第１位相変調素子１００の全体構成について、図１〜図４を参照しながら説明する。図１（ａ）は第１位相変調素子１００の側面図で、図１（ｂ）は第１位相変調素子１００の平面図である。第１実施形態では、６×６個のセル１０から構成される第１位相変調素子１００について説明する。第１位相変調素子は、用途によって縦（Ｙ軸）、横（Ｘ軸）のセル数を変更することができる。
【００１５】
図１に示されたように、第１位相変調素子１００はＸ軸方向に６個、Ｙ軸方向に６個で二次元に配置された３６個のセル１０から構成されている。各セル１０は、Ｚ軸方向で厚さＷ１を有し、可動窓１３は第１キャビティ１１ａ及び第２キャビティ１１ｂに分割している。第１キャビティ１１ａは、可動窓１３と、−Ｚ側の透明窓１６ａと、＋Ｙ側の封止弁１４ａ及び固定栓１８と、−Ｙ側の固定栓１８とで構成される。可動窓１３から−Ｚ側の透明窓１６ａまでのＺ軸方向の厚さはＷ２である。同様に、第２キャビティ１１ｂは、可動窓１３と、＋Ｚ側の透明窓１６ｂと、＋Ｙ側の封止弁１４ｂ及び固定栓１８と、−Ｙ側の固定栓１８とで構成される。可動窓１３から＋Ｚ側の透明窓１６ｂまでのＺ軸方向の厚さはＷ３である。
【００１６】
また、透明窓１６ｂには開口部１９が形成され、封止弁１４ｂが大気に接する状態となる。すなわち、封止弁１４ｂは常に大気圧を受ける状態である。さらに、封止弁１４ａと固定栓１８との間のスペースＶＤは真空状態から大気圧状態となっている。
【００１７】
第１キャビティ１１ａには屈折率ｎ１の第１透明媒質１２ａが充填され、第２キャビティ１１ｂには屈折率ｎ２の第２透明媒質１２ｂが充填されている。ここで、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２とは互いに異なる屈折率である。第１透明媒質１２ａ又は第２透明媒質１２ｂは気体又は液体であってよい。また第１透明媒質１２ａ又は第２透明媒質１２ｂは高い粘性を有する液体、いわゆる高分子ゲルであってもよい。第１透明媒質１２ａ又は第２透明媒質１２ｂは、具体的には、水、エタノール、パラフィン油、イマージョンオイル、空気（窒素及び酸素）、窒素ガス、ヘリウムガスなどが挙げられる。
【００１８】
可動窓１３、透明窓１６ａ及び透明窓１６ｂは、光を透過する石英ガラス、アクリル等の樹脂が用いられる。また、封止弁１４ａ、１４ｂとしては金属ボール又はゴムが用いられる。大気に接する封止弁１４ｂは第１透明媒質１２ａ及び第２透明媒質１２ｂが液体の場合には油層でもよい。さらに、固定栓１８及び封止弁１４ａ、１４ｂは光を透過しない金属、樹脂又はセラミック材料からなる。
【００１９】
第１位相変調素子１００は、図１に示されたように封止弁１４ａの＋Ｙ側のスペースＶＤに封止弁１４ａをＹ軸方向で移動させる駆動部１５をさらに備えている。ここで、駆動部１５としては例えばピエゾ素子であればよい。駆動部１５としてのピエゾ素子は、電圧の印加により伸びることができる。スペースＶＤは真空状態であり、封止弁１４ｂは常に大気圧を受ける状態である。そのため、駆動部１５に電圧が印加されていないとき、封止弁１４ａは大気圧に押圧される状態となる（図２（ａ）を参照）。また特に図示しないが封止弁１４ａと駆動部１５とが一体に形成されていてもよい。また駆動部１５がピエゾ素子である場合に、マイナス電圧を印加すれば縮ませることもできる。
【００２０】
駆動部１５の動作について、図２を参照しながら説明する。図２は、図１の点線Ｂで囲まれた部分の拡大図である。なお、図２（ａ）は駆動部１５が伸びていない初期状態を示した図で、図２（ｂ）は電圧の印加により駆動部１５が伸びている伸長状態を示した図である。
【００２１】
図２（ａ）に示されたように、初期状態では封止弁１４ｂが大気圧により押圧され、第１透明媒質１２ａ第２透明媒質１２ｂを介して封止弁１４ａが押されている。このためスペースＶＤは小さくなり、第１透明媒質１２ａのＺ軸方向の厚さＷ２ａが狭く第２透明媒質１２ｂのＺ軸方向の厚さＷ３ａが広くなる。すなわち、光ＬＬは第１透明媒質１２ａを通過する距離は短く、第２透明媒質１２ｂを通過する距離が長くなる。図２（ａ）に示された状態で、駆動部１５に電圧が印加されると封止弁１４ａが−Ｙ軸方向に押圧される。このとき、図２（ｂ）に示されたように可動窓１３が第１透明媒質１２ａに押圧されて＋Ｚ軸方向に移動する。これにより、第１透明媒質１２ａのＺ軸方向の厚さＷ２ｂが広く第２透明媒質１２ｂのＺ軸方向の厚さＷ３ｂが狭くなる。すなわち、光ＬＬは第１透明媒質１２ａを通過する距離は長く、第２透明媒質１２ｂを通過する距離が短くなる。
【００２２】
可動窓１３はＺ軸方向に沿って平行移動することが好ましい。可動窓１３の平行移動について、図３を参照しながら説明する。図３（ａ）は可動窓１３の斜視図で、図３（ｂ）は可動窓１３のガイド部１７の斜視図である。
【００２３】
図３（ａ）に示されたように、可動窓１３は全体的に四角形形状であり、その四辺には外周に突出した突出部１３１が一辺に２つずつ形成されている。図３（ａ）では８個の突出部１３１が形成されているが、可動窓１３が固定できるように適切な数の突起部１３１が形成されればよい。図３（ｂ）に示されたように、ガイド部１７の内側には可動窓１３の突起部１３１に対応するように凹んだ８個のレール１７１が形成されている。つまり、突起部１３１がレール１７１に係合されることで、可動窓１３がガイド部１７内でＺ軸方向に沿って平行移動することができる。
【００２４】
図３に示された可動窓１３は駆動部１５に押圧された第１透明媒質１２ａ又は大気圧に押圧されてＺ軸方向に沿って移動する。大気圧を利用しない代わりに、固定栓１８と封止弁１４ｂとの間（図２を参照）に、コイルバネなどの伸縮部材を配置してもよい。この場合には、透明窓１６ｂに開口部１９を設けなくてもよい。
【００２５】
図３では、駆動部２５が第１透明媒質１２ａを介して可動窓１３を移動させた。この方法ではなく、駆動部２５が直接に可動窓２３に接続されて可動窓２３を駆動してもよい。図４は、駆動部２５が可動窓２３に直接に接続されている一例を示した図である。なお、図４（ａ）は駆動部２５が伸びていない初期状態を示した図で、図４（ｂ）は駆動部２５が伸びている伸長状態を示した図である。
【００２６】
図４に示されたように、駆動部２５は可動窓２３の任意の突起部２３１に接続されている。また図４（ａ）に示された駆動部２５の初期状態の長さはｄ１で、図４（ｂ）に示された駆動部２５の伸長状態の長さはｄ２である。つまり、駆動部２５が図４（ａ）の長さｄ１から図４（ｂ）の長さｄ２まで伸びた際、可動窓２３がＺ軸方向でΔｄ、すなわち（ｄ２−ｄ１）程度移動される。これにより、第１透明媒質１２ａ及び第２透明媒質１２ｂのＺ軸方向の厚さが調整される（図２を参照）。図４に示された駆動部２５は可動窓２３の突起部２３１に接続されているが、可動窓が突起部を有していない形状で駆動部２５が直接に可動窓に接続されてもよい。また、図４では１つの駆動部２５により可動窓２３を移動させるが、複数の駆動部２５により１つの可動窓２３を移動させる構成でもよい。
【００２７】
また、図１及び図２で示した駆動部１５もしくは図３で示した駆動部２５の代わりに、電磁力で可動窓を移動させることも可能である。図２において、−Ｚ側の透明窓１６ａと、＋Ｚ側の透明窓１６ｂとにそれぞれＩＴＯ(Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）電極を形成する。そして可動窓１３に電荷を持たせて、透明電極である透明窓１６ａと透明窓１６ｂとに電圧を加える。このようにして、クーロン力の引力及び斥力により可動窓を移動させることができる。
【００２８】
＜第１位相変調素子１００による位相変調＞
第１位相変調素子１００による位相変調について、図１〜図４を参照しながら説明する。可動窓１３、２３のＺ軸方向の変位をΔｄ（図２、図４を参照。）と、第１位相変調素子１００の置かれる周囲媒質の屈折率をｎ０（図示しない）とする。そして、光ＬＬの入射角をθ０（図１を参照。）と、第１透明媒質１２ａの屈折率をｎ１（図１を参照）と、第２透明媒質１２ｂの屈折率をｎ２（図１を参照）とする。可動窓１３、２３がＺ軸方向に変位Δｄ移動すると、光路長の変化量ΔＬは数式（１）で示された量になる。
【数１】
… 数式（１）
【００２９】
例えば、周囲媒質が空気（ｎ０＝１）、第１透明媒質１２ａが水（ｎ１＝１．３３）、第２透明媒質１２ｂが空気（ｎ２＝１）で入射角が（θ０＝０度）の場合を説明する。可動窓１３、２３が変位Δｄ＝１μｍであると、光路長の変化量ΔＬ＝０．３３μｍとなる。光が可視光の場合、波長λは０．４０μｍ〜０．８０μｍなので、ΔＬ＝０．８λ〜０．４λとなる。橙色の波長λは０．６６μｍ程度であるので、可動窓１３、２３の変位Δｄ＝１μｍ当たりの位相変調はπ程度となる。可動窓１３、２３の変位Δｄに対する光路長変化ΔＬの感度は、第１透明媒質１２ａと第２透明媒質１２ｂとの屈折率差Δｎ（＝ｎ１−ｎ２）を変えることで調整可能である。
【００３０】
数式（１）を簡略するとΔＬ≒Δｎ×Δｄの関係である。仮に駆動部２５の分解能が１μｍであったとしても、Δｎ（＝ｎ１−ｎ２）の絶対値が小さくなるように第１透明媒質１２ａと第２透明媒質１２ｂとを選べば、可動窓１３、２３の変位Δｄに対して、π／２又はπ／４等の位相変調が可能である。
【００３１】
（第２実施形態）
＜第２位相変調素子２００の全体構成＞
第２位相変調素子２００の全体構成について、図５を参照しながら説明する。図５は、第２位相変調素子２００の側面図である。なお、第１実施形態と同じ構成要件には同じ符号を付して説明する。
【００３２】
図５に示されたように、第２位相変調素子２００は複数のセル１０から構成されている。各セル１０は、Ｚ軸方向で厚さＷ１を有し、可動窓１３は第１キャビティ１１ａ及び第２キャビティ１１ｂに分割している。第１キャビティ１１ａは、可動窓１３と−Ｚ側の反射ミラー２６ａとで挟まれている。第２キャビティ１１ｂは、可動窓１３と＋Ｚ側の透明窓２６ｂとで挟まれている。ここで、透明窓２６ｂは第１実施形態の透明窓１６ａ、１６ｂと同じ構成で、入射光ＬＬ１及び反射光ＬＬ２を透過することができる。反射ミラー２６ａは、透明窓２６ｂを透過した入射光ＬＬ１を反射する。
【００３３】
第２実施形態でも、駆動部及び可動窓として図４に示された駆動部２５及び可動窓２３が用いられてもよい。
【００３４】
＜第２位相変調素子２００による位相変調＞
第２位相変調素子２００においては、透明窓２６ｂを透過した入射光ＬＬ１が第２キャビティ１１ｂ内の第２透明媒質１２ｂ及び第１キャビティ１１ａ内の第１透明媒質１２ａを順次に通過して反射ミラー２６ａに反射されて反射光ＬＬ２となる。その後、反射光ＬＬ２が再び第１キャビティ１１ａ内の第１透明媒質１２ａ及び第２キャビティ１１ｂ内の第２透明媒質１２ｂを順次に通過して透明窓２６ｂから外部に射出される。
【００３５】
つまり、第２実施形態では、光が入射光ＬＬ１及び反射光ＬＬ２として第２位相変調素子２００の第１透明媒質１２ａ及び第２透明媒質１２ｂを二回透過する。これにより、可動窓１３が初期位置にある状態に対して受ける光路長の変化量ΔＬが第１実施形態の２倍となる。すなわち、以下の数式（２）に示されたとおりである。
【数２】
… 数式（２）
【００３６】
（第３実施形態）
＜第３位相変調素子３００の全体構成＞
第３位相変調素子３００の全体構成について、図６を参照しながら説明する。図６は、第３位相変調素子３００の側面図である。なお、第１実施形態と同じ構成要件には同じ符号を付して説明する。
【００３７】
図６に示されたように、第３位相変調素子３００は複数のセル３０により構成される。各セル３０は、可動窓３３により第１キャビティ３１ａ及び第２キャビティ３１ｂに分割されている。なお、可動窓３３はＹ軸及びＺ軸方向に対して斜めに配置されている。すなわち、第１キャビティ３１ａは＋Ｚ側の可動窓３３と、−Ｚ側の透明窓１６ａと、＋Ｙ側の封止弁１４ａ及び固定栓１８と、−Ｙ側の固定栓１８とで密閉される台形である。同様に、第２キャビティ３１ｂは−Ｚ側の可動窓３３と、＋Ｚ側の透明窓１６ｂと、＋Ｙ側の封止弁１４ｂ及び固定栓１８と、−Ｙ側の固定栓１８とで密閉される台形である。
【００３８】
つまり、各セル３０の第１キャビティ３１ａ及び第２キャビティ３１ｂはそれぞれにＹ軸方向に連続した鋸歯状の格子構造を有する回折格子の役割をする。換言すれば、第３位相変調素子３００全体が２つの回折格子を密着した回折素子の構成となる。
【００３９】
第３実施形態では、可動窓３３がＹ軸及びＺ軸方向に対して斜めに配置されたままにＺ軸方向に沿って平行に移動する。ここで、可動窓３３は図３又は図４に示されたように移動することができる。また、第２実施形態で説明されたように片方の透明窓１６ａ又は１６ｂが光を反射する反射ミラーとなってもよい。
【００４０】
（応用例１―位相変調装置ＰＭＸ）
＜位相変調装置ＰＭＸの全体構成＞
応用例１では光学装置として第１位相変調素子１００を用いた位相変調装置ＰＭＸを一例として説明する。位相変調装置ＰＭＸの全体構成について、図７（ａ）を参照しながら説明する。図７（ａ）は位相変調装置ＰＭＸの概略図である。
【００４１】
図７（ａ）に示されたように、位相変調装置ＰＭＸは分割部ＤＰ、第１位相変調素子１００及び結合部ＳＰで構成される。分割部ＤＰ及び結合部ＳＰは、複数のイメージファイバＩＦ及びコリメータレンズＣＬを含んでいる。ここで、１つのイメージファイバＩＦ及びコリメータレンズＣＬがセットになって第１位相変調素子１００の１つのセル１０にそれぞれ対応するように配置されている。
【００４２】
上述のような位相変調装置ＰＭＸの構成によれば、第１位相変調素子１００における光が遮断される固定栓１８からなる遮光領域ＭＡ（図７（ｂ）を参照）の影響を与えて有効に位相変調できない問題を解決することができる。
【００４３】
＜位相変調装置ＰＭＸでの位相変調＞
位相変調装置ＰＭＸでの位相変調について、図７（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。図７（ｂ）は位相変調装置ＰＭＸでの像ＩＭ１〜ＩＭ３の変化状態の説明図である。
【００４４】
図７に示されたように、像ＩＭ１は位相変調装置ＰＭＸに入射する前の被写体（図示しない）の像である。位相変調装置ＰＭＸに入射した像ＩＭ１の光は、点線で示されたように６×６に細分されて分割部ＤＰの各イメージファイバＩＦにそれぞれ入射される。
【００４５】
そして、各イメージファイバＩＦ及びコリメータレンズＣＬにより導かれた光は、それぞれに第１位相変調素子１００の各セル１０に入射し位相変調される。ここで、像ＩＭ１を構成するすべての光が固定栓１８からなる遮光領域ＭＡの影響を与えず第１位相変調素子１００の各セル１０に入射して像ＩＭ２を構成する。
【００４６】
その後、分割部ＤＰにより細分され第１位相変調素子１００の各セル１０により位相変調された像ＩＭ２を構成する光が結合部ＳＰの各コリメータレンズＣＬ及びイメージファイバＩＦで導かれまとめられることで全体的に位相変調された像ＩＭ３が形成される。
【００４７】
応用例１では、第１位相変調素子１００が用いられているが、第３実施形態の第３位相変調素子３００が用いられてもよい。
【００４８】
（応用例２―記録装置ＲＸ）
＜記録装置ＲＸの全体構成＞
応用例２では光学装置として第１位相変調素子１００を用いた記録装置ＲＸを一例として説明する。図８（ａ）は記録装置ＲＸの記録ステップの説明図で、図８（ｂ）は記録装置ＲＸの再生ステップにおける入射光の説明図で、図８（ｃ）は記録装置ＲＸの再生ステップにおける反射光の説明図である。なお、円形で描かれた参照光ＲＬ及び信号光ＳＬは光の断面図である。また、記録装置ＲＸは例えばホログラム記録再生システムを含み、以下はホログラム記録再生システムを一例として説明する。
【００４９】
図８に示されたように、記録装置ＲＸは光の空間強度を変調する空間光変調器ＳＬＭと、第１位相変調素子１００と、結像レンズＬＳと、記録媒体ＲＭと、撮像素子ＩＳとで構成される。空間光変調器ＳＬＭは、例えば液晶パネルなどである。記録媒体ＲＭは、ホログラム記録媒体を含み、光による記録／再生に好適なホログラム記録材料層を有している。撮像素子ＩＳは、ＣＣＤ（charge coupled device）などである。なお、記録媒体ＲＭは結像レンズＬＳのＺ軸方向の焦点位置に配置されている。
【００５０】
＜記録装置ＲＸによる記録及び再生＞
記録時には、図８（ａ）に示されたように、光源（図示しない）からの入射光ＩＬに対して空間光変調器ＳＬＭで空間光強度変調を施し、同一光軸Ａｘ上に配置された信号光ＳＬと参照光ＲＬとを生成する。このとき、信号光ＳＬとしては、画素単位で記録データに応じた強度変調を施して生成される。参照光ＲＬは、所定パターンによる強度変調を施して生成される。
【００５１】
次に、空間光変調器ＳＬＭでの強度変調によって生成された信号光ＳＬ及び参照光ＲＬに対して第１位相変調素子１００で位相のランダム位相パターンを施し、結像レンズＬＳで集光されて記録媒体ＲＭに照射される。これにより、記録媒体ＲＭにおいては、信号光ＳＬ（記録像）に応じた干渉縞が形成され、この形成された干渉縞によってデータの記録が行われる。
【００５２】
再生時には、まず図８（ｂ）に示されるように、入射光ＩＬに対する空間光変調器ＳＬＭの空間光変調（強度変調）によって、参照光ＲＬが生成される。そして、このように生成された参照光ＲＬに対しては、第１位相変調素子１００で記録時と同じ位相パターンが与えられる。
【００５３】
その後、第１位相変調素子１００で位相変調を受けた参照光ＲＬは、結像レンズＬＳを介して記録媒体ＲＭに対して照射される。このとき、参照光ＲＬは記録時と同じ位相パターンが与えられ、このような参照光ＲＬが記録媒体ＲＭに照射される。これにより、図８（ｃ）に示すように、記録されたホログラムに応じた回折光ＤＬが得られ、この回折光ＤＬが記録媒体ＲＭからの反射光として出力され、記録データに応じた再生像（再生光）が得られる。得られた再生像を撮像素子ＩＳで受光し、撮像素子ＩＳの受光信号に基づいて記録データの再生が行われる。
【００５４】
信号光ＳＬは、記録データに応じて強度変調されて生成されるため、光強度（振幅）「０」「１」が必ずしもランダムに配置されるものとはならず、記録信号スペクトルの直流成分の発生を助長する。直流成分は、それによって記録材料が大きく反応してしまい、それ以上ホログラム（データ）を多重させて記録できなくし、記録の高密度化を阻害する。
【００５５】
したがって、第１位相変調素子１００で、信号光ＳＬ及び参照光ＲＬに対してランダムな位相変調パターンを与えることにより、信号光ＳＬと参照光ＲＬとの干渉効率の向上や、記録信号のスペクトルの拡散を図ることができ、記録媒体ＲＭ上に形成される干渉縞の直流成分を抑圧し、高記録密度化が図れる。
【００５６】
位相変調パターンとしては、例えば「０」「π」の２値によるランダム位相パターンを設定する。すなわち、位相変調を行わないピクセル（位相＝０）と、位相をπ（１８０°）だけ変調するピクセルとが半々となるようなランダムな位相変調パターンを設定する。
【００５７】
空間光変調器ＳＬＭによる強度変調で信号光として、その光強度が記録データに応じて「０」「１」に変調された光が生成され、このような信号光に対して第１位相変調素子１００で「０」または「π」の位相変調が施される。これにより、光の波面の振幅として、「−１」「０」「＋１」の光がそれぞれ生成できる。光強度「１」で変調されたピクセルについて位相「０」の変調が与えられたときは、振幅は「１」であり、位相「π」による変調が与えられたときは、振幅は「−１」となる。光強度「０」のピクセルについては位相「０」又は「π」の何れの変調に対しても振幅は「０」のままである。
【００５８】
上述のような位相変調を第１位相変調素子１００で施すことで、空間光変調器ＳＬＭから出力される信号光ＳＬ及び参照光ＲＬ内の光強度「１」のピクセルを振幅「１」と「−１」とにランダム（半々）に分けることができる。振幅「１」と「−１」の光をランダムに分けられることで、フーリエ面（周波数平面：この場合はメディア上での像と考えればよい）において均質にスペクトルをばらまくことができ、これによって記録信号に生じる直流成分の抑圧を図ることができる。
【００５９】
（応用例３―撮像装置ＰＸ）
応用例３では光学装置として第１位相変調素子１００を用いた撮像装置ＰＸを一例として説明する。図９は、撮像装置ＰＸの概略図である。
【００６０】
図９に示されたように、撮像装置ＰＸは位相マスクとしての第１位相変調素子１００及び複数の撮像レンズＰＬを有する撮像光学系ＰＳと、撮像光学系ＰＳのＺ軸方向の焦点位置に配置される撮像素子ＩＳと、撮像素子ＩＳに接続される信号処理部ＳＣとで構成される。
【００６１】
撮像装置ＰＸは、第１位相変調素子１００により撮像光学系ＰＳの瞳付近でデフォーカスに対して感度が鈍くなるよう波面をコード化し、撮像素子ＩＳで取得した中間像を信号処理部ＳＣでデジタル処理により被写界深度の深い画像撮影が可能である。
【００６２】
なお、第１位相変調素子１００は駆動部１５（図１を参照）で与える力の調整で、付与する空間位相分布が可変となる。このため、例えばカメラの撮像レンズのように画像のボケを効果的に使いたい用途が生じた場合も空間位相分布に変調を与えない状態（初期状態）に戻せば、位相マスクとしての第１位相変調素子１００を取り外すことなくそのまま対応できる。
【００６３】
（応用例４―レーザー加工装置ＬＷＸ）
応用例４では光学装置として第１位相変調素子１００を用いたレーザー加工装置ＬＷＸを一例として説明する。図１０は、レーザー加工装置ＬＷＸの概略図である。
【００６４】
レーザー光源ＬＩからのレーザー光ＲＬＬを、空間フィルタＳＦを介して余分な回折波や反射波、キズやゴミなどの回折散乱波を取り除き、コリメータレンズＣＬで平行光にする。ビーム波面の歪みをモニターするためにビームスプリッタＢＳでビームの一部を波面検出器に導く。波面検出器としては、例えば、シャックハルトマンセンサーを用いる。波面検出器ＷＳでモニターした波面データから制御部ＣＰでビームの歪みを求め、その歪みを打ち消すように第１位相変調素子１００の駆動部１５（図１を参照）に与える力を制御する。位相変調によって、歪みの取れたビームが結像レンズＬＳで加工ターゲットＷＴ上に集光させ、加工される。第１位相変調素子１００は、与える空間位相変調が可変であるため、様々なビームの歪み補正に対応できる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上、本明細書では最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０、３０ … セル
１１ａ、３１ａ … 第１キャビティ、 １１ｂ、３１ｂ … 第２キャビティ
１２ａ … 第１透明媒質、 １２ｂ … 第２透明媒質
１３、２３、３３ … 可動窓
１４ａ、１４ｂ … 封止弁
１５、２５ … 駆動部
１６ａ、１６ｂ、２６ｂ … 透明窓
１７ … ガイド部
１８ … 固定栓
１００、２００、３００ 位相変調素子
１３１、２３１ … 突起部
１７１ … レール
Ａｘ … 光軸
ＢＳ … ビームスプリッタ
ＣＬ … コリメータレンズ
ＣＰ … 制御部
ＤＰ … 分割部
ＩＦ … イメージファイバ
ＩＭ１〜ＩＭ３ … 画像
ＩＳ … 撮像素子
ＬＩ … レーザー光
ＬＳ … 結像レンズ
ＬＷＸ … レーザー加工装置
ＭＡ … 遮光領域
ｎ０、ｎ１、ｎ２ … 屈折率
ＰＭＸ … 位相変調装置
ＰＬ … 撮像レンズ
ＰＳ … 撮像光学系
ＰＸ … 撮像装置
ＲＬ … 参照光
ＲＬＬ … レーザー光
ＲＭ … 記録媒体
ＲＸ … 記録装置
ＳＣ … 信号処理部
ＳＦ … 空間フィルタ
ＳＰ … 結合部
ＳＬ … 信号光
ＳＬＭ … 空間光変調器
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ２ａ、Ｗ２ｂ、Ｗ３、Ｗ３ａ、Ｗ３ｂ … 厚さ
ＷＳ … 波面検出器
ＷＴ … 加工ターゲット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を位相変調させる位相変調素子であって、
二次元に配置され前記二次元方向の垂直方向で所定の厚さを有する複数のセルと、
前記光を透過するとともに、前記垂直方向に前記セル内を第１キャビティ及び第２キャビティに分け、前記垂直方向に移動可能である可動窓と、
前記第１キャビティに収納され第１屈折率を有し前記光を透過する第１透明媒質と、
前記第２キャビティに収納され前記第１屈折率と異なる第２屈折率を有し、前記光を透過する第２透明媒質と、
前記可動窓を移動させて前記第１キャビティに収納される前記第１透明媒質及び前記第２キャビティに収納される前記第２透明媒質の前記垂直方向の厚さを変更させる駆動部と、
を備える位相変調素子。
【請求項２】
前記セルの前記垂直方向に、前記第１透明媒体を前記可動窓と挟み込み前記光を透過する透明窓と前記第２透明媒体を前記可動窓と挟み込み前記光を透過する透明窓とを備える請求項１に記載の位相変調素子。
【請求項３】
前記セルの前記垂直方向に、前記第１透明媒体を前記可動窓と挟み込み前記光を透過する透明窓と前記第２透明媒体を前記可動窓と挟み込み前記光を反射するミラーとを備える請求項１に記載の位相変調素子。
【請求項４】
前記可動窓が前記垂直方向に対して斜めに配置されている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の位相変調素子。
【請求項５】
前記可動窓は前記垂直方向に平行移動する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の位相変調素子。
【請求項６】
前記第１透明媒質を封止するとともに、移動可能な第１封止弁と、
前記第２透明媒質を封止するとともに、移動可能な第２封止弁とを備え、
前記駆動部は前記第１封止弁又は第２封止弁を移動させることにより、前記可動窓を移動させる請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の位相変調素子。
【請求項７】
請求項２に記載の前記位相変調素子と、
前記位相変調素子の前記第１キャビティに配置され前記光を細分する分割部と、
前記位相変調素子の前記第２キャビティに配置され前記分割部で細分された前記光をまとめる結合部と、
を備える位相変調装置。
【請求項８】
請求項２に記載の前記位相変調素子と、
前記位相変調素子の前記第１キャビティに配置される空間変調素子と、
前記位相変調素子の前記第２キャビティに配置される結像光学系と、
前記結像光学系の前記垂直方向の焦点位置に配置される記録媒体と、
を備える記録装置。
【請求項９】
請求項２に記載の前記位相変調素子を有する撮像光学系と、
前記撮像光学系の焦点位置に配置される撮像素子と、
前記撮像素子からの信号を処理する信号処理部と、
を備える撮像装置。
【請求項１０】
前記垂直方向にレーザー光を射出するレーザー光源と、
前記レーザー光を前記垂直方向で平行光にするコリメータレンズと、
前記コリメータレンズからの前記平行光の一部を前記垂直方向に分割し一部を前記二次元方向に分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタの前記垂直方向に配置された請求項２に記載の前記位相変調素子と、
前記位相変調素子からの前記光を結像する結像レンズと、
前記結像レンズの前記垂直方向の焦点位置に配置される加工ターゲットと、
前記ビームスプリッタの前記二次元方向に配置される波面検出器と、
前記波面検出器及び前記位相変調素子に接続される制御部と、
を備えるレーザー加工装置。
【請求項１】
光を位相変調させる位相変調素子であって、
二次元に配置され前記二次元方向の垂直方向で所定の厚さを有する複数のセルと、
前記光を透過するとともに、前記垂直方向に前記セル内を第１キャビティ及び第２キャビティに分け、前記垂直方向に移動可能である可動窓と、
前記第１キャビティに収納され第１屈折率を有し前記光を透過する第１透明媒質と、
前記第２キャビティに収納され前記第１屈折率と異なる第２屈折率を有し、前記光を透過する第２透明媒質と、
前記可動窓を移動させて前記第１キャビティに収納される前記第１透明媒質及び前記第２キャビティに収納される前記第２透明媒質の前記垂直方向の厚さを変更させる駆動部と、
を備える位相変調素子。
【請求項２】
前記セルの前記垂直方向に、前記第１透明媒体を前記可動窓と挟み込み前記光を透過する透明窓と前記第２透明媒体を前記可動窓と挟み込み前記光を透過する透明窓とを備える請求項１に記載の位相変調素子。
【請求項３】
前記セルの前記垂直方向に、前記第１透明媒体を前記可動窓と挟み込み前記光を透過する透明窓と前記第２透明媒体を前記可動窓と挟み込み前記光を反射するミラーとを備える請求項１に記載の位相変調素子。
【請求項４】
前記可動窓が前記垂直方向に対して斜めに配置されている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の位相変調素子。
【請求項５】
前記可動窓は前記垂直方向に平行移動する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の位相変調素子。
【請求項６】
前記第１透明媒質を封止するとともに、移動可能な第１封止弁と、
前記第２透明媒質を封止するとともに、移動可能な第２封止弁とを備え、
前記駆動部は前記第１封止弁又は第２封止弁を移動させることにより、前記可動窓を移動させる請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の位相変調素子。
【請求項７】
請求項２に記載の前記位相変調素子と、
前記位相変調素子の前記第１キャビティに配置され前記光を細分する分割部と、
前記位相変調素子の前記第２キャビティに配置され前記分割部で細分された前記光をまとめる結合部と、
を備える位相変調装置。
【請求項８】
請求項２に記載の前記位相変調素子と、
前記位相変調素子の前記第１キャビティに配置される空間変調素子と、
前記位相変調素子の前記第２キャビティに配置される結像光学系と、
前記結像光学系の前記垂直方向の焦点位置に配置される記録媒体と、
を備える記録装置。
【請求項９】
請求項２に記載の前記位相変調素子を有する撮像光学系と、
前記撮像光学系の焦点位置に配置される撮像素子と、
前記撮像素子からの信号を処理する信号処理部と、
を備える撮像装置。
【請求項１０】
前記垂直方向にレーザー光を射出するレーザー光源と、
前記レーザー光を前記垂直方向で平行光にするコリメータレンズと、
前記コリメータレンズからの前記平行光の一部を前記垂直方向に分割し一部を前記二次元方向に分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタの前記垂直方向に配置された請求項２に記載の前記位相変調素子と、
前記位相変調素子からの前記光を結像する結像レンズと、
前記結像レンズの前記垂直方向の焦点位置に配置される加工ターゲットと、
前記ビームスプリッタの前記二次元方向に配置される波面検出器と、
前記波面検出器及び前記位相変調素子に接続される制御部と、
を備えるレーザー加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２３４０７５（Ｐ２０１２−２３４０７５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０３３６４（Ｐ２０１１−１０３３６４）
【出願日】平成２３年５月６日（２０１１．５．６）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月６日（２０１１．５．６）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]