JP2012226268A - 光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びレーザ光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 集光点におけるレーザ光の集光状態を好適に制御することが可能な光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びレーザ光照射装置を提供する。
【解決手段】 空間光変調器を用いたレーザ光の集光照射の制御において、レーザ光の入射パターン、及び伝搬経路上の第１、第２伝搬媒質それぞれの屈折率を取得し（ステップＳ１０１）、集光点の個数、及び各集光点についての集光位置、集光強度を設定し（Ｓ１０４）、レーザ光の伝搬で第１、第２伝搬媒質によって生じる収差条件を導出する（Ｓ１０７）。そして、収差条件を考慮して、空間光変調器に呈示する変調パターンを設計する（Ｓ１０８）。また、変調パターンの設計において、１画素での位相値の影響に着目した設計法を用いるとともに、集光点での集光状態を評価する際に、収差条件を考慮した伝搬関数を用いる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、空間光変調器の複数の画素に呈示する変調パターンによって集光点へのレーザ光の集光照射を制御する光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びそれを用いたレーザ光照射装置に関するものである。

近年、ガラス内部に導波路、光分岐器、方向性結合器などの光集積回路を３次元に作製する研究が盛んに行われている。このような光集積回路の作製方法の１つとして、フェムト秒レーザ光を用いる方法がある。この方法では、例えば、フェムト秒レーザ光の集光点において２光子吸収等により衝撃が誘起され、それによって局所的にガラスの屈折率を変化させる加工を行うことができる。また、このような照射対象物へのレーザ光の集光照射は、光集積回路の作製以外にも、様々なレーザ加工装置、あるいは、レーザ光の散乱、反射を観察するレーザ顕微鏡などにおいて広く用いられている（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１〜６参照）。

ここで、レーザ光源から出射された１本のレーザ光ビームを用いて、複雑な３次元構造の加工などのレーザ光照射を行う場合、その加工工程に莫大な時間を要するという問題がある。この場合の加工時間の短縮方法としては、複数の集光点による多点同時加工を行う方法が考えられる。このような方法を実現する最も簡単な構成は、複数のレーザ光源から供給される複数本のレーザ光ビームを用いる構成である。しかしながら、このような構成は、複数のレーザ光源を用意するコスト、設置スペース等を考えれば現実的ではない。

これに対して、位相変調型の空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial LightModulator）、及び数値計算により求められたホログラム（ＣＧＨ：Computer GeneratedHologram）を用いて、多点同時加工を実現する方法が検討されている。ＣＧＨが呈示された空間光変調器にレーザ光を入力すると、ＣＧＨの変調パターンに応じて入力光の位相が変調される。そして、光変調器から出力された変調レーザ光の波面をフーリエ変換レンズにて集光させると、１本のレーザ光ビームから複数の集光点を作り出すことができ、多点同時照射による同時加工、同時観察等のレーザ操作が可能となる。

空間光変調器を用いた照射対象物（加工対象物）の内部における多点同時加工では、光軸に対して垂直な１面内において、任意の位置にレーザ光を集光させることができる。また、このような多点同時加工では、レンズ効果を持つフレネルレンズパターンを空間光変調器に呈示するなどの方法を用いることにより、光軸方向も含めた３次元の任意の位置にレーザ光を集光させることも可能である。

特開２０１０−０５８１２８号公報 特開２０１０−０７５９９７号公報 特許第４３００１０１号公報

J. Bengtsson, "Kinoformdesign with an optimal-rotation-angle method", Appl. Opt. Vol.33 No.29(1994) pp.6879-6884 J. Bengtsson, "Design offan-out kinoforms in the entire scalar diffraction regime with anoptimal-rotation-angle method", Appl. Opt. Vol.36 No.32 (1997) pp.8435-8444 N. Yoshikawa et al., "Phaseoptimization of a kinoform by simulated annealing", Appl. Opt. Vol.33 No.5(1994) pp.863-868 N. Yoshikawa et al., "Quantizedphase optimization of two-dimensional Fourier kinoforms by a genetic algorithm",Opt. Lett. Vol.20 No.7 (1995) pp.752-754 C. Mauclair et al., "Ultrafastlaser writing of homogeneous longitudinal waveguides in glasses using dynamicwavefront correction", Opt. Exp. Vol.16 No.8 (2008) pp.5481-5492 A. Jesacher et al., "Paralleldirect laser writing in three dimensions with spatially dependent aberrationcorrection", Opt. Exp. Vol.18 No.20 (2010) pp.21090-21099 久保田広、「光学」、岩波書店、１９６７年、ｐｐ．１２８〜１３１、ｐｐ．３００〜３０１ Y. Ogura et al., "Wavelength-multiplexing diffractive phaseelements: design, fabrication, and performance evaluation", J. Opt. Soc. Am.A Vol.18 No.5 (2001) pp.1082-1092

上記した照射対象物へのレーザ光の集光照射において、空間光変調器から照射対象物へのレーザ光の伝搬経路上に収差物体が存在する場合、伝搬するレーザ光が収差の影響を受けることになる。例えば、レーザ光照射によってガラス内部の加工を行う場合、対物レンズから出射された収束光において、雰囲気媒質である空気と、加工対象物であるガラス媒体との間での屈折率の違いにより、焦点位置ずれ（収差）が発生する。

このような収差が発生すると、レーザ光の集光点の形状が光軸方向に伸び、集光点における集光密度が低下する。この場合、対象物を加工する際に、集光点におけるレーザ光強度を加工閾値に到達させるために入射レーザ光強度を高くしなければならず、あるいは、集光形状が伸張したために微細加工が出来なくなるなどの問題が生じる。このような収差の影響の問題は、多点同時照射の場合に限らず、単一の集光点にレーザ光を集光照射する場合にも同様に生じる。

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、集光点におけるレーザ光の集光状態を好適に制御することが可能な光変調制御方法、光変調制御プログラム、光変調制御装置、及びそれを用いたレーザ光照射装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による光変調制御方法は、（１）レーザ光を入力し、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用い、空間光変調器に呈示する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を制御する光変調制御方法であって、（２）レーザ光の照射条件として、空間光変調器へのレーザ光の入射パターン、空間光変調器から集光点へのレーザ光の伝搬経路上にある第１伝搬媒質の第１屈折率ｎ_１、及び第１伝搬媒質よりも集光点側にある第２伝搬媒質の第１屈折率とは異なる第２屈折率ｎ_２を取得する照射条件取得ステップと、（３）レーザ光の集光条件として、空間光変調器からのレーザ光を集光照射する集光点の個数ｓ_ｔ（ｓ_ｔは１以上の整数）、及びｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについての集光位置、集光強度を設定する集光条件設定ステップと、（４）空間光変調器から集光点ｓへのレーザ光の伝搬において、互いに屈折率が異なる第１伝搬媒質、及び第２伝搬媒質によって生じる収差条件を導出する収差条件導出ステップと、（５）収差条件導出ステップで導出された収差条件を考慮して、空間光変調器に呈示する変調パターンを設計する変調パターン設計ステップとを備え、（６）変調パターン設計ステップは、空間光変調器において２次元配列された複数の画素を想定し、複数の画素に呈示する変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を変調パターンの全ての画素について行うことで変調パターンを設計するとともに、集光点での集光状態を評価する際に、空間光変調器の変調パターンにおける画素ｊから集光点ｓへの光の伝搬について、伝搬媒質が均質な状態の自由伝搬の波動伝搬関数φ_ｊｓに収差条件を加えて変換した伝搬関数φ_ｊｓ’を用いることを特徴とする。

また、本発明による光変調制御プログラムは、（１）レーザ光を入力し、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用い、空間光変調器に呈示する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を制御する光変調制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、（２）レーザ光の照射条件として、空間光変調器へのレーザ光の入射パターン、空間光変調器から集光点へのレーザ光の伝搬経路上にある第１伝搬媒質の第１屈折率ｎ_１、及び第１伝搬媒質よりも集光点側にある第２伝搬媒質の第１屈折率とは異なる第２屈折率ｎ_２を取得する照射条件取得処理と、（３）レーザ光の集光条件として、空間光変調器からのレーザ光を集光照射する集光点の個数ｓ_ｔ（ｓ_ｔは１以上の整数）、及びｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについての集光位置、集光強度を設定する集光条件設定処理と、（４）空間光変調器から集光点ｓへのレーザ光の伝搬において、互いに屈折率が異なる第１伝搬媒質、及び第２伝搬媒質によって生じる収差条件を導出する収差条件導出処理と、（５）収差条件導出処理で導出された収差条件を考慮して、空間光変調器に呈示する変調パターンを設計する変調パターン設計処理とをコンピュータに実行させ、（６）変調パターン設計処理は、空間光変調器において２次元配列された複数の画素を想定し、複数の画素に呈示する変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を変調パターンの全ての画素について行うことで変調パターンを設計するとともに、集光点での集光状態を評価する際に、空間光変調器の変調パターンにおける画素ｊから集光点ｓへの光の伝搬について、伝搬媒質が均質な状態の自由伝搬の波動伝搬関数φ_ｊｓに収差条件を加えて変換した伝搬関数φ_ｊｓ’を用いることを特徴とする。

また、本発明による光変調制御装置は、（１）レーザ光を入力し、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用い、空間光変調器に呈示する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を制御する光変調制御装置であって、（２）レーザ光の照射条件として、空間光変調器へのレーザ光の入射パターン、空間光変調器から集光点へのレーザ光の伝搬経路上にある第１伝搬媒質の第１屈折率ｎ_１、及び第１伝搬媒質よりも集光点側にある第２伝搬媒質の第１屈折率とは異なる第２屈折率ｎ_２を取得する照射条件取得手段と、（３）レーザ光の集光条件として、空間光変調器からのレーザ光を集光照射する集光点の個数ｓ_ｔ（ｓ_ｔは１以上の整数）、及びｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについての集光位置、集光強度を設定する集光条件設定手段と、（４）空間光変調器から集光点ｓへのレーザ光の伝搬において、互いに屈折率が異なる第１伝搬媒質、及び第２伝搬媒質によって生じる収差条件を導出する収差条件導出手段と、（５）収差条件導出手段で導出された収差条件を考慮して、空間光変調器に呈示する変調パターンを設計する変調パターン設計手段とを備え、（６）変調パターン設計手段は、空間光変調器において２次元配列された複数の画素を想定し、複数の画素に呈示する変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を変調パターンの全ての画素について行うことで変調パターンを設計するとともに、集光点での集光状態を評価する際に、空間光変調器の変調パターンにおける画素ｊから集光点ｓへの光の伝搬について、伝搬媒質が均質な状態の自由伝搬での波動伝搬関数φ_ｊｓに収差条件を加えて変換した伝搬関数φ_ｊｓ’を用いることを特徴とする。

上記した光変調制御方法、制御プログラム、及び制御装置においては、空間光変調器を用いた集光点へのレーザ光の集光照射について、レーザ光の入射パターン、及び伝搬経路上の第１、第２伝搬媒質に関する情報を取得するとともに、レーザ光の集光点の個数、及び各集光点での集光位置、集光強度を含む集光条件を設定する。そして、屈折率が異なる第１、第２伝搬媒質が伝搬経路上にあることによって生じる収差条件を導出し、その収差条件を考慮して、空間光変調器に呈示する変調パターンを設計する。これにより、設定された単一または複数の集光点に対し、各集光点でのレーザ光の集光状態において、第１、第２伝搬媒質による収差の影響を低減することができる。

さらに、このような構成での変調パターンの設計について、具体的に、空間光変調器において、２次元配列された複数の画素による画素構造を想定する。そして、変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目した設計方法を用いるとともに、集光点での集光状態の評価において、自由伝搬を仮定した場合の波動伝搬関数φ_ｊｓを用いるのではなく、収差条件が考慮された伝搬関数φ_ｊｓ’に変換した上で集光状態を評価している。このような構成によれば、集光点におけるレーザ光の集光状態を好適かつ確実に評価、制御することが可能となる。なお、空間光変調器として、２次元配列された複数の画素を有する空間光変調器を用いる場合には、その画素構造をそのまま変調パターンの設計に適用することができる。

ここで、上記した光変調制御方法、制御プログラム、及び制御装置は、収差条件の導出において、画素ｊから集光点ｓへの光の伝搬についての収差条件として、その伝搬での光路長差を与える位相Φ_{ｊ−ＯＰＤ}を求め、変調パターンの設計において、変換式
φ_ｊｓ’＝φ_ｊｓ＋Φ_{ｊ−ＯＰＤ}
によって、収差条件が考慮された伝搬関数φ_ｊｓ’を求めることが好ましい。このような構成によれば、自由伝搬の伝搬関数φ_ｊｓを、収差条件が考慮された伝搬関数φ_ｊｓ’に好適に変換することができる。

また、光変調制御方法、制御プログラム、及び制御装置は、変調パターンの設計において、空間光変調器の画素ｊへのレーザ光の入射振幅をＡ_ｊ−ｉｎ、位相をφ_ｊ−ｉｎ、画素ｊでの位相値をφ_ｊとして、下記式
Ｕ_ｓ＝Ａ_ｓｅｘｐ（ｉφ_ｓ）
＝Σ_ｊＡ_ｊ−ｉｎｅｘｐ（ｉφ_ｊｓ’）ｅｘｐ（ｉ（φ_ｊ＋φ_ｊ−ｉｎ））
によって、集光点ｓにおける集光状態を示す複素振幅Ｕ_ｓを求めることが好ましい。これにより、集光点におけるレーザ光の集光状態を好適に評価することができる。

変調パターンの設計の具体的な構成については、変調パターンの画素ｊでの位相値の変更において、集光点ｓにおける集光状態を示す複素振幅の位相φ_ｓ、収差条件が考慮された伝搬関数φ_ｊｓ’、及び画素ｊでの変更前の位相値φ_ｊに基づいて解析的に求められた値によって、位相値を変更する構成を用いることができる。このように解析的に位相値を更新する方法としては、例えばＯＲＡ（Optimal Rotation Angle）法がある。あるいは、変調パターンの画素ｊでの位相値の変更において、山登り法、焼きなまし法、または遺伝的アルゴリズムのいずれかの方法を用いて探索で求められた値によって、位相値を変更する構成を用いても良い。

また、レーザ光の伝搬経路上にある第１、第２伝搬媒質については、例えば、第２伝搬媒質が、集光点が内部に設定される照射対象物であり、第１伝搬媒質が、空間光変調器と照射対象物との間にある雰囲気媒質である構成を用いることができる。なお、雰囲気媒質については、空気などの他、水、オイル等であっても良い。また、空間光変調器と集光点との間に３つ以上の媒質があっても良い。

また、光変調制御装置は、空間光変調器を駆動制御して、変調パターン設計手段によって設計された変調パターンを空間光変調器に呈示する光変調器駆動制御手段を備えていても良い。また、このような光変調器駆動制御手段については、変調パターンの設計を行う光変調制御装置とは別装置として設けられる構成としても良い。

本発明によるレーザ光照射装置は、（ａ）レーザ光を供給するレーザ光源と、（ｂ）レーザ光を入力し、レーザ光の位相を変調して、位相変調後の変調レーザ光を出力する位相変調型の空間光変調器と、（ｃ）空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定された集光点への変調レーザ光の集光照射を制御する上記構成の光変調制御装置とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、光変調制御装置によって、集光点におけるレーザ光の集光状態を好適かつ確実に制御して、照射対象物において設定された単一または複数の集光点に対するレーザ光の集光照射、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。このようなレーザ光照射装置は、例えばレーザ加工装置、レーザ顕微鏡などとして用いることができる。なお、空間光変調器としては、２次元配列された複数の画素を有し、複数の画素それぞれにおいてレーザ光の位相を変調する構成の空間光変調器を用いることが好ましい。

本発明の光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びそれを用いたレーザ光照射装置によれば、空間光変調器を用いた集光点へのレーザ光の集光照射について、レーザ光の入射パターン、及び伝搬経路上の第１、第２伝搬媒質の屈折率を取得し、レーザ光の集光点の個数、及び各集光点での集光位置、集光強度を設定し、第１、第２伝搬媒質によって生じる収差条件を導出し、その収差条件を考慮して、空間光変調器に呈示する変調パターンを設計するとともに、変調パターンの設計において、変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点でのレーザ光の集光状態に与える影響に着目した設計方法を用い、集光点での集光状態を評価する際に、収差条件が考慮された伝搬関数を用いることにより、集光点におけるレーザ光の集光状態を好適かつ確実に制御することが可能となる。

レーザ光照射装置の一実施形態の構成を示す図である。 レーザ光の伝搬過程における収差の発生について示す図である。 光変調制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 光変調制御方法の一例を示すフローチャートである。 レーザ光の伝搬において生じる収差条件の導出について示す図である。 変調パターンの設計方法の一例を示すフローチャートである。 レーザ光照射装置によるレーザ光の照射パターンの例を示す図である。 レーザ光照射装置によるレーザ光の照射パターンの例を示す図である。 レーザ光照射装置によるレーザ光の照射パターンの例を示す図である。 変調パターンの設計方法の他の例を示すフローチャートである。 レーザ光照射装置の他の実施形態の構成を示す図である。 照射対象物へのレーザ光の集光照射の一例について示す図である。

以下、図面とともに本発明による光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びレーザ光照射装置の好適な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。

まず、本発明による光変調制御の対象となる、空間光変調器を含むレーザ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。図１は、本発明による光変調制御装置を含む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１５に対してレーザ光を集光照射する装置であって、レーザ光源１０と、空間光変調器２０と、可動ステージ１８とを備えている。

図１に示す構成において、照射対象物１５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１８上に載置されている。また、本装置１Ａでは、この照射対象物１５に対し、その内部に対象物１５の加工、観察等を行うため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。

レーザ光源１０は、ステージ１８上の照射対象物１５に対して集光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へと入力される。

空間光変調器２０は、位相変調型の空間光変調器であり、例えばその２次元の変調面の各部において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。この空間光変調器２０としては、好ましくは、２次元配列された複数の画素を有し、複数の画素それぞれにおいてレーザ光の位相を変調する空間光変調器が用いられる。このような構成において、空間光変調器２０には例えばＣＧＨなどの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。また、空間光変調器２０は、光変調器駆動装置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。光変調制御装置３０の具体的な構成等については後述する。また、空間光変調器２０としては、上記した画素構造を有していないものを用いても良い。

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、空間光変調器２０としては、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））、Ｓｅｇｍｅｎｔ Ｍｉｒｒｏｒ型ＳＬＭ、Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｍｉｒｒｏｒ型ＳＬＭ、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）などが挙げられる。なお、ＤＯＥには、離散的に位相を表現したもの、あるいは後述する方法を用いてパターンを設計し、スムージングなどにより連続的なパターンに変換したものが含まれる。

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２１、２２から構成される４ｆ光学系によって対物レンズ２５へと伝搬される。そして、この対物レンズ２５によって、照射対象物１５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集光照射される。

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、駆動装置２８については、空間光変調器２０と一体に設けられる構成としても良い。また、レンズ２１、２２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。

また、照射対象物１５を移動させる可動ステージ１８については、例えばこのステージを固定とし、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。

図１に示すレーザ光照射装置１Ａにおいて、空間光変調器２０から照射対象物１５内の集光点へのレーザ光の伝搬経路上に収差物体が存在する場合、レーザ光は伝搬過程において収差の影響を受ける。ここで、図２は、レーザ光の伝搬過程における収差の発生について示す図である。例えば、上記したように照射対象物１５の内部に集光点が設定される場合、対物レンズ２５から出力された収束レーザ光は、対物レンズ２５から集光点までの伝搬経路上にある雰囲気媒質（第１伝搬媒質）である空気の屈折率ｎ_１と、ガラス媒体などの照射対象物（第２伝搬媒質）１５の屈折率ｎ_２との違いにより、近軸光線と、最外縁の光線とで、雰囲気媒質と、ガラス媒体などの照射対象物１５との境界面での屈折角が異なることとなり、それによって焦点ずれ（球面収差）が発生する。

例えば、図２に示すように、対物レンズ２５による焦点Ｏが、照射対象物１５の内部の深さｄの位置にある場合を考える。この場合、この焦点Ｏが、屈折率ｎ_１の空気と、屈折率ｎ_２の対象物１５との境界面での屈折角により、焦点Ｏ’へと焦点ずれ量δだけずれることとなる。また、この焦点ずれ量δは、対物レンズ２５に入射する光の入射高さｈによって変化する。このような入射高さｈに依存する焦点ずれδによる球面収差により、対象物１５においてレーザ光の集光点の形状が光軸方向に伸び、集光密度が低下する。

また、このような伝搬媒質による収差の発生は、照射対象物１５の内部に複数の集光点を設定し、対象物１５に対して多点同時照射（例えば、多点同時加工）を行う場合にも問題となる。すなわち、上記の球面収差は、レーザ光の光軸方向での集光位置（光軸深さ）によって収差量が異なり、光軸深さが深くなると球面収差量が大きくなる傾向がある。この場合、対象物１５に対して３次元多点同時照射を行う際には、集光点毎に、それぞれの集光位置の光軸深さに応じて異なる球面収差量を補正する必要がある。

また、多点同時照射を行う場合、各集光点に対するレーザ光の集光強度の調整の問題もある。例えば、フェムト秒レーザ光を用いたガラス内部加工では、集光点でのレーザ光の集光強度により、対象部位で加工によって発生する屈折率変化量が異なることが知られている。したがって、屈折率分布が等しい複数の導波路をレーザ光の多点同時照射によって一度に作製する場合には、空間光変調器に呈示される変調パターンにより、複数の集光点での集光強度が高い均一性で再生されることが望ましい。また、逆に複数の集光点での集光強度を互いに異なる強度に設定することで、屈折率分布が異なる複数の導波路を作製することも可能である。これらのいずれの場合においても、複数の集光点が設定された場合に、各集光点でのレーザ光の集光強度を任意に制御できることが望ましい。

これに対して、図１のレーザ光照射装置１Ａは、駆動装置２８を介して空間光変調器２０に呈示する変調パターンのＣＧＨを、光変調制御装置３０において適切に設計することで、伝搬経路上の屈折率が異なる伝搬媒質による収差の影響を低減して、集光点におけるレーザ光の集光状態を好適に制御するものである。また、本実施形態によるレーザ光照射装置１Ａ及び光変調制御装置３０によれば、複数の集光点が設定された場合での、３次元多点のレーザ光照射、及び集光点間での集光強度の調整も好適に実現可能である。

図３は、図１に示したレーザ光照射装置１Ａに適用される、光変調制御装置３０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制御装置３０は、照射条件取得部３１と、集光条件設定部３２と、収差条件導出部３３と、変調パターン設計部３４と、光変調器駆動制御部３５とを有して構成されている。なお、このような光変調制御装置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が接続されている。

照射条件取得部３１は、照射対象物１５に対するレーザ光の照射条件に関する情報を取得する照射条件取得手段である。具体的には、照射条件取得部３１は、レーザ光の照射条件として、空間光変調器２０へのレーザ光の入射パターン（例えば強度分布、位相分布情報）、光変調器２０から集光点へのレーザ光の伝搬経路上にある第１伝搬媒質（例えば雰囲気媒質）の第１屈折率ｎ_１、及び第１伝搬媒質よりも集光点側にある第２伝搬媒質の第１屈折率とは異なる第２屈折率ｎ_２を取得する（照射条件取得ステップ）。

集光条件設定部３２は、照射対象物１５に対するレーザ光の集光条件を設定する集光条件設定手段である。具体的には、集光条件設定部３２は、レーザ光の集光条件として、空間光変調器２０からの変調レーザ光を集光照射する集光点の個数ｓ_ｔ、及びｓ_ｔ個の集光点ｓ（ｓ＝１〜ｓ_ｔ）のそれぞれについての集光位置、集光強度を設定する（集光条件設定ステップ）。集光点の個数ｓ_ｔは、１以上の整数として設定され、また、多点同時照射の場合には２以上の整数として設定される。なお、取得部３１による照射条件の取得、及び設定部３２による集光条件の設定は、制御装置３０にあらかじめ用意された情報、入力装置３７から入力される情報、あるいは外部装置から供給される情報等に基づいて、自動で、もしくは操作者により手動で行われる。

収差条件導出部３３は、空間光変調器２０から照射対象物１５に対して設定された集光点ｓへのレーザ光の伝搬において、その伝搬経路上で生じる収差に関する収差条件を導出する収差条件導出手段である。ここでは、収差条件導出部３３は、図２に関して上述したように、レーザ光の伝搬経路上にあって互いに屈折率が異なる光学系側の第１伝搬媒質、及び集光点側の第２伝搬媒質について、それらの伝搬媒質によって生じる収差条件を導出する（収差条件導出ステップ）。また、伝搬経路上に伝搬媒質が３つ以上ある場合には、収差条件導出部３３は、それらの全ての伝搬媒質による収差条件を導出する。

変調パターン設計部３４は、収差条件導出部３３で導出された伝搬経路上での収差条件を考慮して、空間光変調器２０に呈示する変調パターンとなるＣＧＨを設計する変調パターン設計手段である。具体的には、変調パターン設計部３４は、取得部３１で取得された照射条件、設定部３２で設定された集光条件、及び導出部３３で導出された収差条件を参照し、それらの条件に基づいて、所望の単一または複数の集光点へとレーザ光を集光照射させる変調パターンを設計する（変調パターン設計ステップ）。

特に、本実施形態における変調パターン設計部３４では、空間光変調器２０に呈示する変調パターンの設計において、空間光変調器２０について２次元配列された複数の画素を想定するとともに、複数の画素に呈示する変調パターンの１画素（空間光変調器２０において想定された１画素、空間光変調器２０が２次元配列の複数の画素による画素構造を有する場合には、その１画素に対応）での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目した設計方法を用いる。そして、その集光状態が所望の状態に近づくように１画素の位相値を変更するとともに、そのような位相値の変更操作を変調パターンの全ての画素（少なくとも光が入射する全ての画素）について行うことで最適な変調パターンを設計する。

また、この変調パターン設計部３４では、上記した各画素での位相値の変更操作において、集光点でのレーザ光の集光状態を評価する際に、空間光変調器２０の変調パターンにおける画素ｊから集光点ｓへの光の伝搬について、伝搬媒質が均質な状態での自由伝搬を仮定した場合における波動伝搬関数φ_ｊｓをそのまま用いるのではなく、伝搬関数φ_ｊｓに対して、収差条件導出部３３で求められた収差条件を加えて変換した伝搬関数φ_ｊｓ’を用いる。これにより、レーザ光の集光状態は、伝搬経路上での収差条件を考慮して制御される。

光変調器駆動制御部３５は、駆動装置２８を介して空間光変調器２０を駆動制御して、変調パターン設計部３４によって設計された変調パターンを空間光変調器２０の複数の画素に呈示する駆動制御手段である。このような駆動制御部３５は、光変調制御装置３０がレーザ光照射装置１Ａに含まれている場合に、必要に応じて設けられる。

図３に示した光変調制御装置３０において実行される制御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制御プログラムによって実現することが可能である。例えば、光変調制御装置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によって所定の制御プログラムを実行することにより、上記した光変調制御装置３０を実現することができる。

また、空間光変調器２０を用いた光変調制御、特に、空間光変調器２０に呈示する変調パターンの設計のための各処理を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。

本実施形態による光変調制御方法、光変調制御プログラム、光変調制御装置３０、及びレーザ光照射装置１Ａの効果について説明する。

図１〜図３に示した光変調制御方法、制御プログラム、及び制御装置３０においては、空間光変調器２０を用いた集光点へのレーザ光の集光照射について、レーザ光の入射パターン、及び伝搬経路上の第１、第２伝搬媒質に関する屈折率を含む情報を取得するとともに、レーザ光の集光点の個数ｓ_ｔ、及び各集光点での集光位置、集光強度を含む集光条件を設定する。そして、収差条件導出部３３において、屈折率が異なる第１、第２伝搬媒質がレーザ光の伝搬経路上にあることによって生じる収差条件を導出するとともに、変調パターン設計部３４において、その収差条件を考慮して、空間光変調器２０に呈示する変調パターンを設計する。これにより、集光条件設定部３２において設定された単一または複数の集光点に対し、各集光点でのレーザ光の集光状態において、第１、第２伝搬媒質による収差の影響を低減することができる。

さらに、このような構成での変調パターンの設計について、具体的に、空間光変調器２０において、２次元配列された複数の画素による画素構造を想定する。そして、変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目した設計方法を用いるとともに、集光点での集光状態の評価において、伝搬媒質が均質な状態での自由伝搬を仮定した場合の波動伝搬関数φ_ｊｓを用いるのではなく、収差条件が考慮された伝搬関数φ_ｊｓ’に変換した上で集光状態を評価している。このような構成によれば、集光点におけるレーザ光の集光状態を好適かつ確実に評価、制御することが可能となる。

なお、空間光変調器２０において想定される画素構造については、空間光変調器２０として、２次元配列された複数の画素を有する空間光変調器を用いる場合には、その画素構造をそのまま変調パターンの設計に適用することができる。また、自由伝搬については、ここでは、真空ないしは大気中における伝搬のみではなく、上記したように一般に、伝搬媒質が均質な状態での伝搬、例えば、第２伝搬媒質が存在せず、第１伝搬媒質のみが均質に存在する場合における伝搬を含むものとする。

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と、上記構成の光変調制御装置３０とを用いてレーザ光照射装置１Ａを構成している。このような構成によれば、制御装置３０によって、集光点におけるレーザ光の集光状態を好適かつ確実に制御して、照射対象物１５において設定された単一または複数の集光点に対するレーザ光の集光照射、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。また、このようなレーザ光照射装置は、例えばレーザ加工装置、レーザ顕微鏡などとして用いることができる。

ここで、導出部３３での収差条件の導出については、空間光変調器２０の複数の画素のうちで画素ｊから、設定された集光点ｓへの光の伝搬を考えたときに、光の伝搬についての収差条件として、その伝搬での光路長差ＯＰＤを与える位相Φ_{ｊ−ＯＰＤ}を求めることが好ましい。また、この場合、設計部３４での変調パターンの設計については、上記のように導出された収差条件の位相Φ_{ｊ−ＯＰＤ}を用いて、変換式
φ_ｊｓ’＝φ_ｊｓ＋Φ_{ｊ−ＯＰＤ}
によって、収差条件が考慮された伝搬関数φ_ｊｓ’を求めることが好ましい。このような構成によれば、自由伝搬の伝搬関数φ_ｊｓを、収差条件が考慮された伝搬関数φ_ｊｓ’に好適に変換することができる。

また、設計部３４での変調パターンの設計については、空間光変調器２０の画素ｊへのレーザ光の入射振幅をＡ_ｊ−ｉｎ、画素ｊでの位相値をφ_ｊとして、下記式
Ｕ_ｓ＝Ａ_ｓｅｘｐ（ｉφ_ｓ）
＝Σ_ｊＡ_ｊ−ｉｎｅｘｐ（ｉφ_ｊｓ’）ｅｘｐ（ｉφ_ｊ）
によって、集光点ｓにおける集光状態を示す複素振幅Ｕ_ｓを求めることが好ましい。あるいはさらに、空間光変調器２０の画素ｊへのレーザ光の入射振幅をＡ_ｊ−ｉｎ、入射位相をφ_ｊ−ｉｎ、画素ｊでの位相値をφ_ｊとして、下記式
Ｕ_ｓ＝Ａ_ｓｅｘｐ（ｉφ_ｓ）
＝Σ_ｊＡ_ｊ−ｉｎｅｘｐ（ｉφ_ｊｓ’）ｅｘｐ（ｉ（φ_ｊ＋φ_ｊ−ｉｎ））
によって、集光点ｓにおける集光状態を示す複素振幅Ｕ_ｓを求めることが好ましい。これにより、集光点におけるレーザ光の集光状態を好適に評価することができる。

ここで、画素ｊへのレーザ光の入射振幅Ａ_ｊ−ｉｎは、入射強度Ｉ_ｊ−ｉｎに対して、
Ｉ_ｊ−ｉｎ＝｜Ａ_ｊ−ｉｎ｜^２
の関係にある。また、複素振幅Ｕ_ｓにおいて、Ａ_ｓは振幅、φ_ｓは位相である。また、入射レーザ光が平面波の場合には、その入射位相φ_ｊ−ｉｎは無視することができる。

変調パターンの設計の具体的な構成については、変調パターンの画素ｊでの位相値の変更において、集光点ｓにおける集光状態を示す複素振幅の位相φ_ｓ、収差条件が考慮された伝搬関数φ_ｊｓ’、及び画素ｊでの変更前の位相値φ_ｊに基づいて解析的に求められた値によって、位相値を変更する構成を用いることができる。このように解析的に位相値を更新する方法としては、例えばＯＲＡ（Optimal Rotation Angle）法がある。

あるいは、変調パターンの画素ｊでの位相値の変更において、山登り法、焼きなまし法、または遺伝的アルゴリズムのいずれかの方法を用いて探索で求められた値によって、位相値を変更しても良い。ここで、遺伝的アルゴリズムでは、ある１画素を選んでその画素の値を変更する突然変異、また、２画素を選んでその画素の値を交換する交叉などの操作が行われるが、上記した変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目した設計方法は、このような操作を行う方法を含むものとする。なお、変調パターンの設計手法については、具体的には後述する。

レーザ光の伝搬経路上にある屈折率が異なる第１、第２伝搬媒質については、図２においては、集光点側の第２伝搬媒質が、集光点が内部に設定される照射対象物１５であり、光学系側の第１伝搬媒質が、空間光変調器２０と照射対象物１５との間（対物レンズ２５と対象物１５との間）にある雰囲気媒質である構成を例示している。この場合、雰囲気媒質については、空気などの他、水、オイル等を雰囲気媒質としても良い。

また、空間光変調器と集光点との間の伝搬経路上に３つ以上の媒質があっても良い。そのような構成としては、例えば、レーザ光が、雰囲気媒質とは屈折率が異なる媒体を通過し、その通過後にレーザ光を集光させる構成が考えられる。また、例えば、屈折率が異なる複数種類のガラス同士が張り合わされている構成、シリコンの上にガラスが張り合わされている構成、また、顕微鏡での生体試料や細胞内部の観察においてカバーガラスが伝搬経路上に存在する構成など、レーザ光の伝搬経路上の媒質については様々な構成が考えられる。また、複数の媒体に対して、同時にレーザ光の集光照射を行う構成も考えられる。このような場合においても、上記と同様に、収差条件の導出、及び変調パターンの設計を実行することが可能である。

また、図３に示した光変調制御装置３０においては、変調パターンを設計するための構成に加えて、空間光変調器２０を駆動制御して、設計部３４によって設計された変調パターンを空間光変調器２０に呈示する光変調器駆動制御部３５を設けている。このような構成は、図１に示したように、制御装置３０をレーザ光照射装置１Ａに組み込んだ形で用いる場合に有効である。また、このような駆動制御部３５については、光変調制御装置３０とは別装置として設けられる構成としても良い。

また、例えばレーザ光照射によってガラス媒体を加工して光集積回路を作製するような場合には、１回または複数回のレーザ光照射の後に新たな１枚または複数枚のＣＧＨの設計を行って、空間光変調器２０に呈示する変調パターンを切り換えても良い。あるいは、作製したい光集積回路の形状が決まっている場合には、レーザ加工に必要な複数の変調パターンをあらかじめ設計しておいても良い。

また、ＤＯＥを単独に用いる場合には、ＤＯＥは静的なパターンであるので、駆動装置は無くても良い。また、複数個のＤＯＥを用いて、動的にパターンの切り替えを行う場合には、駆動装置の代わりに切替装置が用いられる。

図１、図３に示したレーザ光照射装置１Ａ及び光変調制御装置３０において実行される光変調制御方法、及び変調パターンの設計方法について、その具体例とともにさらに説明する。図４は、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制御方法の一例を示すフローチャートである。

図４に示す制御方法では、まず、レーザ光源１０から供給されるレーザ光の照射対象物１５への照射条件についての情報を取得する（ステップＳ１０１）。具体的には、空間光変調器２０から集光点ｓへのレーザ光の伝搬経路について、伝搬経路上にある第１伝搬媒質（例えば雰囲気媒質）の第１屈折率ｎ_１と、第２伝搬媒質（例えば照射対象物）の第２屈折率ｎ_２とを取得する（Ｓ１０２）。また、ここでは、必要であれば、第１、第２伝搬媒質の屈折率以外の情報、例えば媒質の厚さ、形状、位置等についての情報も取得する。また、伝搬媒質以外にも、例えば対物レンズ２５のＮＡ、焦点距離ｆ等、収差条件の導出において必要な情報があれば、伝搬媒質の情報に加えて取得しておく。

また、レーザ光源１０から供給されるレーザ光の空間光変調器２０への入射パターンを取得する（Ｓ１０３）。このレーザ光の入射パターンは、空間光変調器２０の２次元配列された複数の画素での位置（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ）の画素ｊに対する入射レーザ光強度
Ｉ_ｉｎ（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ）＝Ｉ_ｊ−ｉｎ
による入射光強度分布として与えられる。あるいは、振幅Ａ_ｊ−ｉｎによる入射光振幅分布として、レーザ光の入射パターンを取得しても良い。また、必要な場合には、レーザ光の入射位相φ_ｊ−ｉｎについても取得する構成としても良い。

次に、照射対象物１５に対するレーザ光の集光条件を設定する（Ｓ１０４）。まず、空間光変調器２０で位相変調されたレーザ光を照射対象物１５に対して集光照射する単一または複数の集光点の個数ｓ_ｔを設定する（Ｓ１０５）。ここで、上記構成によるレーザ光照射装置１Ａでは、空間光変調器２０に呈示する変調パターンにより、必要に応じて複数の集光点を得ることが可能である。

また、対象物１５に対するｓ_ｔ個の集光点ｓ＝１〜ｓ_ｔのそれぞれについて、レーザ光の集光位置γ_ｓ＝（ｕ_ｓ，ｖ_ｓ，ｚ_ｓ）、及び所望の集光強度Ｉ_{ｓ−ｄｅｓ}を設定する（Ｓ１０６）。なお、各集光点へのレーザ光の集光強度については、強度の絶対値による設定に限らず、例えば強度の相対的な比率によって設定しても良い。

続いて、空間光変調器２０から集光点ｓへのレーザ光の伝搬において、屈折率が異なる第１、第２伝搬媒質によって生じる収差条件を導出する（Ｓ１０７）。そして、ステップＳ１０７で導出された収差条件を考慮し、ステップＳ１０１、Ｓ１０４で取得、設定されたレーザ光の照射条件、集光条件を参照して、空間光変調器２０の複数の画素に呈示する変調パターンとなるＣＧＨを設計する（Ｓ１０８）。

図４のフローチャートのステップＳ１０７において実行される収差条件の導出方法について、具体的に説明する。図１に示した構成において空間光変調器２０をミラーに置き換えると、レーザ光源１０から供給されたレーザ光に位相変調が施されないために、理想的には平行光が対物レンズ２５に入射し、対物レンズ２５によって球面波に変換される。レーザ光の伝搬経路（集光経路）に収差物体が存在しない場合には、対物レンズ２５からの光は、焦点距離ｆと等しい集光深さに１点で集光される。

一方、伝搬経路に屈折率が異なる第１、第２伝搬媒質が存在すると、屈折角の変化によって収差が発生し、対物レンズ２５からの光は１点には集光しない。これに対して、空間光変調器２０に呈示される変調パターンを適切に設計し、対物レンズ２５に伝搬される光の波面を変形することにより、設定された集光点ｓに対して収差の影響無く、レーザ光を集光させることができる。

所望の集光点にレーザ光を集光させるための波面の導出には、例えば、所望の集光位置からの逆光線追跡による導出方法を用いることができる。以下においては、平行平面基板の内部で光軸上にある集光点に、収差の影響無く集光するための波面の導出方法を例として説明する（特許文献２参照）。なお、波面の導出、及びそれによる収差条件（例えば、後述する収差条件を表す位相Φ_{ｊ−ＯＰＤ}）の導出については、逆光線追跡による方法以外にも、例えば最適化補正方法（非特許文献５）、近軸光線における収差の解析法（非特許文献７）など、具体的には様々な方法を用いることができる。

図５は、レーザ光の伝搬において生じる収差条件の導出について示す図である。まず、雰囲気媒質の屈折率ｎ_１と、照射対象物１５の屈折率ｎ_２とが等しい場合を考える。対象物１５の端面Ｐ上の位置に光が集光するときの対物レンズ２５の位置を基準とし、対物レンズ２５を距離ｄだけ対象物１５側へ移動させると、光は端面Ｐから距離ｄだけ離れた位置の点Ｏに集光する。理想的な平面波として入射する光は、対物レンズ２５にて変換された直後には球面波となり、その球面波における点Ｒからの光線は、図５に実線で示す光路をとって点Ｏに到達する。このとき、点Ｒから点Ｏまでの光路長はｆであり、どの光軸高さでも同じ光路長となる。

一方、屈折率ｎ_１、ｎ_２が異なる場合には、対物レンズ２５からの光は点Ｏには集光しない。そこで、対物レンズ２５の移動量は同じ距離ｄであるが、レーザ光の波面を空間光変調器２０で変調することにより、端面Ｐからｚ_ｓ離れた位置の点Ｏ’に集光するようにする。この場合、点Ｏ’からの光線は、対象物１５と雰囲気媒質との境界面上の点Ｑを経て点Ｒに到達することになり、Ｏ’ＱとＱＲとの合計が光路長となる。このような光路長（ＯＰＬ：Optical Path Length）を光軸高さｈ毎に導出する。

まず、図５に示すように、波面補正前の光線の対象物１５への入射角をθ、波面補正後の光線の対象物１５への入射角をθ_１、屈折角をθ_２とすると、光軸高さｈ_１、ｈ_２、ｈはそれぞれ下記の式（１）、（２）、（３）によって表される。

ここで、入射角θ_１と屈折角θ_２とは、スネルの法則によって一意に関係付けられる。また、関係式ｈ＝ｈ_１＋ｈ_２と、上記の式（１）〜（３）により、角度θ、θ_１、θ_２が一意的に関係付けられる。例えば、ある特定のθ_１またはθ_２が与えられた場合には、上記式（１）、（２）を関係式ｈ＝ｈ_１＋ｈ_２に代入し、式（３）を解くことで容易にθを決定することができる。

ただし、逆にある特定のθが与えられた場合に、θ_１及びθ_２を解析的に求めることは困難である。特定の角度θについて対応するθ_１、θ_２を求める際には、探索を行う。例えば、θ_１あるいはθ_２の値を徐々に変化させて、その都度θの値を求める。そして、θが所望の値となるθ_１、θ_２が得られるまで、θ_１あるいはθ_２を変化させることで、その探索及び角度の導出を行う。

上記したように、式（１）〜（３）により、所望のθに対応するθ_１、θ_２を求める。そして、入射角θ毎に、照射対象物１５によって生じる光の伝搬の光路長ＯＰＬを下記の式（４）によって求める。

なお、この式（４）中の「−ｆ−（ｎ_２−ｎ_１）×ｄ」は定数項であり、ＯＰＬの値が大きくなり過ぎるのを防ぐために付加した項である。

この式（４）は、入射角θ毎の光路長を示しているが、式（３）及び式（４）より、光軸高さｈ毎の光路長として、下記の式（５）のように表すこともできる。

これにより、光軸高さｈに対応するＯＰＬを求めることができる。

このＯＰＬの差、すなわち光路長差（ＯＰＤ：Optical PathDifference）を与える位相Φ_ＯＰＤを空間光変調器（ＳＬＭ）２０で与えることにより、対象物１５の内部における所望の位置にレーザ光を集光することができる。この位相Φ_ＯＰＤは、式（５）から

によって求めることができる。この位相Φ_ＯＰＤを、３次元多点照射のために距離ｄを固定した状態で、ｚ_ｓ毎に導出する。なお、光軸高さｈの範囲は、０〜ｈ_ｍａｘまでである。また、ｈ_ｍａｘは０〜ＮＡ×ｆまでの範囲であり、すなわち、対物レンズ２５の開口が光軸高さのｈ_ｍａｘの最大である。

また、上記した光軸高さｈと、ＳＬＭ２０の画素ｊの位置（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ）とは次のような関係がある。ＳＬＭ２０と対物レンズ２５とが、図１に示した光学系のように４ｆ光学系で結像されている場合には、対物レンズの瞳の波面がＳＬＭに伝搬される。このとき、４ｆ光学系のレンズ２１の焦点距離をｆ１、レンズ２２の焦点距離をｆ２とすると、横倍率ＭはＭ＝ｆ２／ｆ１となる。したがって、対物レンズの射出瞳からの光は、ＳＬＭ上において光軸高さがｈ＝０〜ｈ_ｍａｘ／Ｍとなる。

また、対物レンズ２５の射出瞳からの光の中心位置が、ＳＬＭ上で座標（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ）にあることがわかれば、下記の式（７）

によって、光軸高さｈと、ＳＬＭの画素座標（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ）とを変換することができる。これにより、座標（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ）の画素ｊ毎の収差条件となる位相Φ_{ｊ−ＯＰＤ}を求めることができる。

次に、図４のフローチャートのステップＳ１０８において実行される変調パターンの設計方法について、具体的に説明する。以下においては、ＳＬＭ２０に呈示される変調パターンの１画素での位相値の影響に着目した設計方法の例として、ＯＲＡ法を用いた設計方法について説明する（特許文献３、非特許文献１、２参照）。

ここで、一般に、ＳＬＭでの変調パターンとして用いられるＣＧＨの設計方法は、複数あり、例えば反復フーリエ法などが挙げられる。まず、反復フーリエ変換法は、ＳＬＭ面と回折面との２つの面を用意し、各面の間をフーリエ変換及び逆フーリエ変換にて伝搬させる。そして、伝搬ごとに各面の振幅情報を置き換え、最終的に位相分布を取得する方法である。

一方、別のＣＧＨ設計法としては、光線追跡法及び１画素の影響に着目した設計方法の２つが挙げられる。光線追跡法としては、レンズの重ね合わせ法（Ｓ法：Superposition of Lens）がある。この方法は、集光点からの波面の重なりが少ない場合には有効であるが、波面の重なりが増えると、ＳＬＭに入射するレーザ光強度のうちで集光点に伝搬する光の強度が著しく低下し、あるいは制御できなくなる場合がある。そのために、Ｓ法を改良した反復Ｓ法がある。

一方、ＣＧＨの１画素の影響に着目する設計法は、ＣＧＨの１画素を適宜選択し、１画素毎に位相値を変更してＣＧＨの設計を行っていく方法であり、１画素の位相の決定方法によって探索型の方法と解析型の方法とがある。

この設計法では、ＣＧＨのある１画素の位相値をパラメータとして変更し、フレネル回折等による波動伝搬関数を用いて変調レーザ光を伝搬させ、所望の集光点における集光状態を示す値（例えば振幅、強度、複素振幅の値）がどのように変化するかを調べる。そして、集光点での集光状態が所望の結果に近づくような位相値を採用する。このような操作を１画素ずつ、少なくとも光が入射する全ての画素で行う。

全ての画素で操作が終わった後に、解析型の方法では、全ての画素を位相変調した結果で、所望の位置の位相がどのように変化するか確認した後に、はじめの１画素目に戻って所望の位置の位相を用いて、１画素ずつ位相の変更を行う。また、探索型の方法では、確認は行わずにはじめの１画素目に戻る。探索型の方法としては、例えば、山登り法、焼きなまし法（ＳＡ：Simulated Annealing）、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ：GeneticAlgorithm）などがある（非特許文献３、４参照）。

以下に説明するＯＲＡ（Optimal Rotation Angle）法は、解析型の方法を用いた最適化アルゴリズムである。この方法では、変調パターンの各画素における位相値の変更、調整は、集光点ｓにおける集光状態を示す複素振幅の位相φ_ｓ、伝搬関数の位相φ_ｊｓ、及び画素ｊでの変更前の位相値φ_ｊに基づいて解析的に求められた値によって行われる。特に、本実施形態における設計方法では、伝搬関数として、φ_ｊｓに代えて、第１、第２伝搬媒質による収差条件が考慮された伝搬関数φ_ｊｓ’が用いられる。

図６は、図３に示した光変調制御装置３０において実行される変調パターンの設計方法の一例を示すフローチャートである。まず、空間光変調器２０を介して行われる照射対象物１５へのレーザ光の集光照射について、設定された集光条件の情報を取得する（ステップＳ２０１）。ここで取得される集光条件としては、集光点の個数ｓ_ｔ、各集光点ｓの集光位置γ_ｓ＝（ｕ_ｓ，ｖ_ｓ，ｚ_ｓ）、及び所望の集光強度Ｉ_{ｓ−ｄｅｓ}がある。

次に、ＳＬＭ２０に呈示する変調パターンとして用いられるＣＧＨの設計の初期条件となる位相パターンを作成する（Ｓ２０２）。この位相パターンは、例えば、ＣＧＨの画素ｊにおける位相値φ_ｊをランダム位相パターンとする方法によって作成される。この方法は、ＯＲＡによるＣＧＨ設計が最適化手法であるため、ランダム位相によって特定の極小解に陥ることを防ぐ目的で用いられる。なお、特定の極小解に陥る可能性を無視しても良い場合には、例えば均一な位相パターン等に設定しても良い。

続いて、集光点の個数が複数（ｓ_ｔ≧２）に設定されている場合、それらの集光点ｓ＝１〜ｓ_ｔ間の集光強度比を調整するためのパラメータであるウエイトｗ_ｓを、その初期条件としてｗ_ｓ＝１に設定する（Ｓ２０３）。なお、このウエイトｗ_ｓは、１×ｓ_ｔの配列となる。また、集光点が単一（ｓ_ｔ＝１）の場合には、ウエイトの設定は不要である。

ＣＧＨの位相パターンφ_ｊ、及びウエイトｗ_ｓの設定を終了したら、集光点ｓにおけるレーザ光の集光状態を示す複素振幅Ｕ_ｓを算出する（Ｓ２０４）。具体的には、光波伝搬を表す下記の式（８）

によって、複素振幅Ｕ_ｓ＝Ａ_ｓｅｘｐ（ｉφ_ｓ）を求める。ここで、Ａ_ｊ−ｉｎはＳＬＭ２０の画素ｊへのレーザ光の入射振幅であり、φ_ｊは画素ｊでの位相値である。また、φ_ｊ−ｉｎは画素ｊに入射するレーザ光の位相である。

また、式（８）において、φ_ｊｓ’は、第１、第２伝搬媒質（図５に示した例では雰囲気媒質、照射対象物１５）による収差条件が考慮された伝搬関数であり、

によって求められる。この式（９）において、Φ_{ｊ−ＯＰＤ}は、式（６）に示した画素ｊに対する収差条件の位相である。

このように、収差条件が考慮された伝搬関数φ_ｊｓ’を用いることにより、ｚ_ｓが異なるどの集光点においても、所望の結果を与えることが可能なＣＧＨを得ることができる。また、φ_ｊｓは、自由伝搬を仮定した場合の有限遠領域での伝搬関数である。この伝搬関数φ_ｊｓとしては、例えば下記の式（１０）

で与えられる波動伝搬関数の近似式であるフレネル回折を用いることができる。ここで、上記の式（１０）において、ｋは波数である。

なお、自由伝搬の伝搬関数φ_ｊｓとしては、例えば、上記したフレネル回折の近似式やフラウンホーファー回折の近似式、あるいはヘルムホルツ方程式の解など、様々な派生式を用いることができる。また、上記した式（８）、（９）において、収差条件の位相を、Φ_{ｊ−ＯＰＤ}＝０とすれば、伝搬関数はφ_ｊｓ’＝φ_ｊｓとなって、従来のＯＲＡ法で用いられている、収差が考慮されない複素振幅の算出式が得られる。

また、式（１０）の伝搬関数を用いてＯＲＡ法によるＣＧＨ設計を行うと、対物レンズの焦点距離ｆのレンズ効果も付加されたＣＧＨが設計される。ただし、通常、ＳＬＭでの画素サイズが大きいため、その対物レンズのレンズ効果を表現することができない。このため、実際には、焦点距離ｆではなく、焦点距離Ｌ（例えば、浜松ホトニクス製ＬＣＯＳ−ＳＬＭ Ｘ１０４６８であればＬ＝１ｍ程度）という値を用いている。

続いて、上記方法によるＣＧＨの設計において、所望の結果が得られているかどうかを判定する（Ｓ２０５）。この場合の判定方法としては、例えば、各集光点ｓで得られた集光強度Ｉ_ｓ＝｜Ａ_ｓ｜^２と、所望の強度Ｉ_{ｓ−ｄｅｓ}とを、下記の式（１１）

によって比較し、全ての集光点ｓにおいて、強度比が所定の値ε以下となっているかによって判定する方法を用いることができる。また、集光強度Ｉ_ｓではなく、振幅Ａ_ｓ、複素振幅Ｕ_ｓ等によって判定を行っても良い。

あるいは、図６のフローチャートにおいて、位相値の変更、及び複素振幅の算出等のループが規定の回数行われたかどうか、などの条件によって判定する方法を用いても良い。設定された集光条件に対し、設計されたＣＧＨが必要な条件を満たしていると判定された場合には、ＯＲＡによるＣＧＨの設計アルゴリズムを終了する。また、条件を満たしていない場合には、次のステップＳ２０６に進む。

設計終了に必要な条件を満たしていないと判定された場合、まず、集光点ｓ間の集光強度比を調整するためのウエイトｗ_ｓの値を下記の式（１２）

によって変更する（Ｓ２０６）。ここで、式（１２）においてウエイトｗ_ｓの更新に用いられているパラメータηは、ＯＲＡアルゴリズムが不安定になるのを防ぐために、通常、慣習的にη＝０．２５〜０．３５程度の値が用いられている。

次に、集光点ｓにおけるレーザ光の集光状態が所望の状態に近づくように、ＣＧＨの画素毎に位相値の変更操作を行う（Ｓ２０７）。解析型のＯＲＡ法では、集光状態を所望の状態に近づけるために画素ｊの位相値φ_ｊに加える位相の変化量Δφ_ｊを、式（８）で得られた複素振幅の位相φ_ｓ、収差条件Φ_{ｊ−ＯＰＤ}を考慮した伝搬関数の位相φ_ｊｓ’、及び更新前の位相値φ_ｊを用いて、下記の式（１３）

と判定とによって解析的に求める。ここで、



である。このように解析的に位相値φ_ｊを求める方法では、探索によって位相値を求める山登り法等の方法に比べて、演算に要する時間が短くなるという利点がある。

なお、位相の変化量Δφ_ｊの決定に用いられるΦ_ｊｓについては、通常のＯＲＡ法では、下記の式（１７）

が用いられるが、ここで説明する改良ＯＲＡ法では、上記した伝搬関数の変更に加えて、位相値の更新におけるこのΦ_ｊｓの算出においても、収差条件の位相Φ_{ｊ−ＯＰＤ}を加味した式（１６）を用いている。

上記のように、位相の変化量Δφ_ｊが求められたら、下記の式（１８）

によって、ＣＧＨのｊ番目の画素における位相値φ_ｊを変更、更新する。そして、位相値の変更操作が全ての画素で行われたかどうかを確認し（Ｓ２０８）、変更操作が終了していなければ、ｊ＝ｊ＋１として、次の画素について位相値の変更操作を実行する。一方、全ての画素について変更操作が終了していれば、ステップＳ２０４に戻って複素振幅Ｕ_ｓの算出、及びそれによる集光状態の評価を行う。このような操作を繰り返して実行することにより、設定された集光条件に対応する変調パターンのＣＧＨが作成される。

以上の方法によって設計されるＣＧＨには、上記したように、対物レンズの焦点距離ｆのレンズ効果が付与されている。したがって、焦点距離ｆの対物レンズを使用する場合には、ＯＲＡ法による設計結果として得られたＣＧＨの位相値φ_{ｊ−ｒｅｓ}に対し、

を行えば良い。ただし、

である。なお、ｆ_ｏｂｊの代わりに上述した焦点距離Ｌを用いた場合には、式（２０）についてもｆ_ｏｂｊからＬに変更する。

ここで、屈折率が異なる媒質が伝搬経路上に存在する場合の収差の補正では、従来、収差補正用のパターンを求めて、設計されたＣＧＨの変調パターンに補正パターンを足し合わせる方法が用いられている（例えば、非特許文献５参照）。この場合の補正パターンの導出方法としては、例えば最適化補正法、近軸近似を用いた解析法、逆光線追跡を用いた解析法がある。これらの手法から導出した収差条件の逆の位相が、収差補正用のパターンとなる。しかしながら、このようなパターンの足し合わせによる方法は、下記のように適切に機能しない場合がある。

すなわち、上記したＯＲＡ法などのＣＧＨの１画素の影響に着目する設計法では、１枚のＣＧＨによって、複数の集光点によるレーザ光の３次元多点照射を行うことができる。このようなＣＧＨに対して従来のように補正パターンを足し合わせた場合、ＣＧＨによって再生される全ての集光点において、同一の収差補正パターンの効果が与えられる。しかしながら、実際には、設定される複数の集光点は、光軸方向の位置（光軸深さ）が異なる場合がある。この場合、収差の影響は光軸深さによって異なることから、集光点毎に異なる収差補正パターンの効果を与える必要がある。すなわち、補正パターンをＣＧＨに足し合わせる方法では、単一の光軸深さでの収差補正しか加えることができず、光軸深さが異なる収差の補正が不充分になる恐れがある。

一方、非特許文献６には、反復フーリエ法を用いた設計法が開示されている。このような方法では、３次元多点照射のためには、ＣＧＨ設計に追加の処理を行う必要がある。通常の反復フーリエ法にて設計されたＣＧＨを再生するためには、ＳＬＭの後段にレンズが必要となる。これは、設計の段階では伝搬距離は無限遠であり、光軸深さ（光軸方向の集光位置）毎の制御ができないためである。

この方法では、光軸深さを変えるには、反復フーリエ法で設計されたＣＧＨにフレネルレンズパターンを別途加える必要がある。さらに、３次元多点照射を実現するためには、まず集光点が設定された集光面（回折面）毎に反復フーリエ法にてＣＧＨを求め、それぞれのＣＧＨに深さ方向を制御するフレネルレンズパターンの位相を加える。そして、その後、複数の集光面のＣＧＨを複素振幅の形で足し合わせて、位相のみを取り出し、この操作によって３次元多点照射のためのＣＧＨが設計される。

また、各集光面用のＣＧＨにフレネルレンズパターンを加える際に、伝搬経路上の媒体による影響を補正する収差補正パターンをも加えることで、集光面毎の球面収差補正が可能となる。しかしながら、このような方法では、複素振幅演算を行った後に、位相のみを取り出すために、振幅分布情報が欠落し、各集光点への振幅の分配が極めて難しいという問題がある。

これに対して、上記したＣＧＨの設計方法によれば、このような収差補正、及び各集光点への振幅の分配を好適に実現することができる。また、このような設計方法では、例えば、雰囲気媒質である空気（あるいは水、オイル等）と屈折率が異なる媒体が伝搬経路上に存在する影響の補正、３次元多点照射、及び複数の集光点の間での強度調整の３つを同時に実現するＣＧＨを設計することが可能である。

上記実施形態の光変調制御装置３０、及びレーザ光照射装置１Ａによる収差補正等の効果について、その具体例とともに説明する。図７〜図９は、それぞれ、レーザ光照射装置１Ａによるレーザ光の照射パターンの例（ＣＧＨの再生像の例）を示す図である。ここでは、レーザ光をスペイシャルフィルタによって広げ、空間光変調器２０であるＬＣＯＳ−ＳＬＭにて位相変調を行った光を、ｆ＝８００ｍｍのレンズで集光する。このとき、集光レンズから７００ｍｍ離れた位置にｆ＝２００ｍｍのシリンドリカルレンズが配置されている。この例では、シリンドリカルレンズが集光光学系に挿入された収差物体である。

収差物体についての補正を行わない変調パターンを用いた場合、図７に示すように、シリンドリカルレンズの収差の影響によってＣＧＨが正しく表示されない。一方、上記したＣＧＨの設計方法によって収差物体についての補正を行うと、図８に示すように、集光レンズからｚ_ｓ＝８５０ｍｍの位置で、収差が補正された像が観察される。

なお、シリンドリカルレンズについての収差補正は、上記した平行平面基板の場合とはＯＰＤの導出方法等が若干異なる。すなわち、平行平面基板の場合には、軸対称であるため、２次元の計算を用いることができる。一方、シリンドリカルレンズの場合、あるいは対象物に傾きが存在する場合などには、それに対応した適切なＯＰＤの導出方法を行うことが必要となる。

また、上記したＣＧＨの設計方法では、光軸深さを含む集光位置、屈折率、空間光変調器での画素ピッチなどの情報を正確に持っているため、所望の位置に対してレーザ光の集光照射、レーザ加工等を行うことができる。ここで、図９は、通常の反復フーリエ法で設計した「ＨＰＫ」パターンを再生するＣＧＨを、伝搬経路に対象物が存在しないときに再生させた結果を示している。一方、図８は、光軸上の（０，０，ｚ_ｓ）の位置に集光するようにＯＲＡ法で設計したＣＧＨと、「ＨＰＫ」パターンのＣＧＨとを足し合わせたものを再生、表示させた結果である。

図８、図９を比較すると、紙面横方向の再生位置が異なることがわかる。集光点の形状は良好となっているが、図８で変調パターンとして用いたＣＧＨは、シリンドリカルレンズによって屈折した横方向の回折についての補正がなされていない。これに対して、横方向の回折も改善するためには、次の２つの方法がある。

すなわち、第１の方法は、再生点の１点１点について、光軸方向に対して垂直な面の位置も含めて、それぞれＯＰＤを導出する方法である。この場合には、Φ_{ｊ−ＯＰＤ}に点ｓの位置情報が含まれるために、φ_ｊｓが全ての点ｓについて共通であり、Φ_{ｊ−ＯＰＤ}が点の位置ごとに異なる。

第２の方法は、光軸方向に対して垂直な面の位置は含めず、光軸深さによって異なるＯＰＤを導出する方法である。この場合には、Φ_{ｊ−ＯＰＤ}には点ｓの位置情報が含まれないため、φ_ｊｓが光軸方向に対して垂直な面の位置の調整を行う、つまり、φ_ｊｓが点の位置ごとに異なる。

なお、後者の方法を適用し、かつ、上述したように実際の焦点距離ｆではなく、焦点距離Ｌを用いる場合には、（ｕ_ｓ，ｖ_ｓ）を変更する必要がある。なお、ｆを用いた場合でもＬを用いた場合でも、最終的にはレンズ効果を除去するため、（ｕ_ｓ，ｖ_ｓ）の設計を正しく行っていれば問題はない。そこで、焦点距離Ｌを用いる場合には、変更後の（ｕ_ｓ’，ｖ_ｓ’）は、（ｕ_ｓ’，ｖ_ｓ’）＝（βｕ_ｓ，βｖ_ｓ）とする。なお、βはレンズの焦点距離を変更したことを補正するパラメータであり、光軸と（ｕ_ｓ，ｖ_ｓ）との距離が短い場合には、β＝Ｌ／ｆとなる。

これらの方法を用いてＣＧＨの設計を行う。そうすることにより、各集光点をそれぞれ所定の位置に再生することができる。

このように、収差量を正しく導出してＣＧＨを設計することは、レーザ光の照射位置精度に大きな影響を及ぼす。なお、媒体の屈折率がわからない場合のレーザ光照射などにおいては、まずレーザ光照射を行い、その集光位置（例えば加工位置）を確認してから、屈折率を変えてフィードバックを行う方法も考えられる。

図４のフローチャートのステップＳ１０８において実行される変調パターンの設計方法について、さらに説明する。図６のフローチャートでは、ＣＧＨの１画素の影響に着目した設計法の例として、解析型のＯＲＡ法を用いた設計方法を示した。これに対して、変調パターンの設計方法としては、上述したように、山登り法、焼きなまし法、遺伝的アルゴリズムなどの探索型の設計方法を用いることも可能である。

図１０は、図３に示した光変調制御装置３０において実行される変調パターンの設計方法の他の例を示すフローチャートである。このフローチャートでは、探索型の設計方法の例として、山登り法を用いた場合の設計方法を示している。この方法では、まず、ＯＲＡ法と同様に、ＳＬＭ２０を介して行われる照射対象物１５へのレーザ光の集光照射について、設定された集光条件の情報を取得する（ステップＳ３０１）。次に、ＳＬＭ２０に呈示するＣＧＨ設計の初期条件の位相パターンφ_ｊを、例えばランダム位相パターンとして作成する（Ｓ３０２）。

続いて、ＣＧＨの１画素の位相値φ_ｊの変更操作を行う（Ｓ３０３）。さらに、収差条件が考慮された伝搬関数φ_ｊｓ’を含む式（８）を用いて、集光点ｓにおけるレーザ光の集光状態を示す複素振幅Ｕ_ｓ＝Ａ_ｓｅｘｐ（ｉφ_ｓ）を算出する（Ｓ３０４）。複素振幅を算出したら、得られた集光状態について判定を行う（Ｓ３０５）。

ここでは、１画素の位相値φ_ｊの切換えにより、振幅Ａ_ｓ、強度Ｉ_ｓ＝｜Ａ_ｓ｜^２、または複素振幅Ｕ_ｓが所望の値に近づいていれば、そのときの位相値を採用する。山登り法では、例えば、ＣＧＨの１画素毎の位相値を０．１π（ｒａｄ）ずつ０π（ｒａｄ）から所定の位相値まで、例えば２π（ｒａｄ）まで切り換えて、切り換えたごとに式（８）を用いて、伝搬を行う。そして、集光点ｓの強度が最も増加する位相値を探索にて求める。

続いて、１画素の位相値φ_ｊの切換えを全ての条件で確認したかどうかを判定し（Ｓ３０６）、行っていなければステップＳ３０３に戻る。さらに、１画素の位相値の変更、及び集光状態の判定等の操作を全ての画素で行ったかどうかを判定し（Ｓ３０７）、行っていなければ画素番号をｊ＝ｊ＋１としてステップＳ３０３に戻り、次の画素について必要な操作を行う。

全ての画素について必要な操作を終了していれば、ＣＧＨの設計において、所望の結果が得られているかどうかを判定する（Ｓ３０８）。この場合の判定方法としては、ＯＲＡ法の場合と同様に、例えば、各集光点で得られた集光強度、振幅、複素振幅等の値が許容範囲内に収まっているかどうかによって判定する方法を用いることができる。あるいは、図１０のフローチャートにおいて、位相値の変更、及び集光状態の判定等のループが規定の回数行われたかどうか、などの条件によって判定する方法を用いても良い。必要な条件を満たしている場合には、ＣＧＨの設計アルゴリズムを終了する。条件を満たしていない場合には、ステップＳ３０３に戻って１画素目から探索を繰り返す。

ここで、上述した変調パターンの設計方法の例では、いずれも照射対象物１５を平行平面基板とした場合について説明したが、実際には、対象物１５などの光の伝搬経路上の媒体が光軸に対して角度αの傾きを持つ場合も考えられる。この傾きαが大きい場合には、球面収差に加えて非点収差が発生する。そのような場合には、対物レンズのＮＡ、焦点距離ｆ、雰囲気媒質の屈折率ｎ_１、照射対象物１５の屈折率ｎ_２、及びＳＬＭに対するレーザ光の入射光強度分布Ｉ_ｊ−ｉｎに加えて、対象物１５の傾きαを求める。

上記した設計例では、逆光線追跡を用いた解析手法で、２次元での収差条件の導出を行ったが、これは、球面収差が軸対称な収差のためである。これに対して、媒体の傾きαなどによって非点収差が発生して収差が軸対称ではなくなる等の場合には、それに対応した適切な方法で収差条件の導出を行い、得られた収差条件φ_ＯＰＤを用いてＣＧＨの設計を行えば良い。

また、集光点として任意の位置にレーザ光を集光させるため、レーザ光ビームが光軸とは異なる位置に集光する場合も考えられる。ビームの回折角が小さい場合は問題ないが、大きい場合には、球面収差に加えて非点収差が発生する。このような場合には、ビームの傾きβを求め、上記と同様にそれに対応した適切な方法で収差条件の導出を行い、得られた収差条件φ_ＯＰＤを用いてＣＧＨの設計を行えば良い。

各集光点ｓでのレーザ光の所望の集光強度Ｉ_{ｓ−ｄｅｓ}については、照射対象物１５等での材質の光の透過率を考慮し、照射深さに応じて強度Ｉ_{ｓ−ｄｅｓ}を調整、すなわち、照射深さｚ_ｓに応じて強度Ｉ_{ｓ−ｄｅｓ}を変えて、ＣＧＨの設計を行っても良い。

また、ＳＬＭは周期的な画素構造を有しているために、その複数の画素に表示するＣＧＨが空間周波数によって回折した光の強度が異なる。したがって、このような回折強度を考慮し、照射位置（ｕ_ｓ，ｖ_ｓ）、照射深さｚ_ｓに応じて強度Ｉ_{ｓ−ｄｅｓ}を変えて、ＣＧＨの設計を行っても良い。

また、上記のように強度Ｉ_{ｓ−ｄｅｓ}の調整を行っても、なお強度にバラツキが生じる場合も考えられる。このような場合には、レーザ光の照射結果、例えば照射部位において発生した屈折率変化量などの加工結果を観察し、その観察結果を参照してフィードバックによって強度Ｉ_{ｓ−ｄｅｓ}を変えて、ＣＧＨの設計を行っても良い。

また、レーザ光の集光照射によって、その集光点において照射対象物１５の加工を行う場合、上記ではガラスの内部加工による光集積回路の作製を例示したが、レーザ加工を行う場合の加工対象物１５の材質については、ガラス媒体に限らず、例えばシリコン内部やＳｉＣなど様々な材質を加工対象とすることが可能である。

また、上記実施形態では、主に照射対象物１５に対するレーザ光の集光照射による対象物１５の内部のレーザ加工を想定して説明しているが、上記した光変調制御装置、及び変調パターンの設計方法を用いたレーザ光照射装置は、レーザ加工装置以外にも、例えば細胞観察用のレーザスキャニング顕微鏡等のレーザ顕微鏡など、様々な装置に適用することが可能である。

図１１は、本発明による光変調制御装置を含むレーザ光照射装置の他の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１Ｂは、レーザ光源１０、可動ステージ１８、空間光変調器２０、駆動装置２８、及び光変調制御装置３０を含む図１に示した構成と同様の構成を有しているが、それらに加えて、検出部４０と、レンズ４１と、ダイクロイックミラー４２とをさらに備えている。

ダイクロイックミラー４２は、レーザ光照射光学系において、４ｆ光学系を構成しているレンズ２２と、対物レンズ２５との間に設けられている。また、ダイクロイックミラー４２で反射された照射対象物１５からの光は、レンズ４１を介して検出部４０に入射する構成となっている。

これにより、図１１のレーザ光照射装置１Ｂは、照射対象物である観察試料１５にレーザ光を照射し、検出部４０によって試料１５からの反射光、散乱光、あるいは蛍光等の観察を行うレーザスキャニング顕微鏡として構成されている。なお、試料１５に対するレーザスキャンについては、図１１では可動ステージ１８によって試料１５を移動させる構成としているが、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。

図１２は、図１１に示したレーザ光照射装置１Ｂにおける照射対象物（観察試料）１５へのレーザ光の集光照射の一例について示す図である。例えば、細胞を試料１５とする細胞観察等においては、図１２に示すように、観察位置によって細胞の形状が異なることも考えられる。このような場合には、それぞれの形状に応じた収差条件の位相φ_ＯＰＤを求める必要がある。

また、レーザスキャニング顕微鏡においては、レーザ光の収束過程だけでなく、観察時には発散過程でも屈折率ミスマッチングが発生する。この場合、発散過程を考慮して収差条件φ_ＯＰＤを導出してＣＧＨの設計を行い、さらに別のＳＬＭを用いて反射光、散乱光、蛍光等の補正を行うことも考えられる。これにより、例えばコンフォーカル顕微鏡などにおいて、試料観察の精度の向上が期待できる。

また、上記実施形態では、単一波長のレーザ光の位相変調についての実施形態を説明しているが、ＳＬＭに波長の異なる複数の光源からの複数のレーザ光成分を入射させ、ＳＬＭに波長の異なる複数の光成分を変調させる変調パターンを表示して、それぞれの位相を変調させてもよい。波長の異なる複数の光成分を同時に変調する変調パターンの設計方法については、例えば非特許文献８に記載がある。

上記実施形態の構成を用いて、複数波長の制御をする場合について具体的に説明する。集光条件情報を取得する際に、点ｓの集光位置と集光させる波長の情報とを取得する。そして、点ｓごとに収差条件φ_ＯＰＤを求め、波長と位置によって異なる伝搬関数φ_ｊｓを、φ_ｊｓ’に変換して用いればよい。

本発明による光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びレーザ光照射装置は、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、レーザ光源、及び空間光変調器を含む光学系の構成については、図１、図１１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、空間光変調器に呈示する変調パターン（ＣＧＨ）の設計についても、具体的には上記した例以外にも様々な方法を用いて良い。一般には、変調パターンの設計において、変調パターンの１画素での位相値の変更が集光点におけるレーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を変調パターンの全ての画素について行うことで変調パターンを設計するとともに、集光点での集光状態を評価する際に、空間光変調器の変調パターンでの画素ｊから集光点ｓへの光の伝搬について、自由伝搬の波動伝搬関数φ_ｊｓに収差条件を加えて変換した伝搬関数φ_ｊｓ’を用いていれば良い。

本発明は、集光点におけるレーザ光の集光状態を好適に制御することが可能な光変調制御方法、制御プログラム、制御装置、及びレーザ光照射装置として利用可能である。

１Ａ、１Ｂ…レーザ光照射装置、１０…レーザ光源、１１…ビームエキスパンダ、１２…反射ミラー、１３…反射ミラー、１５…照射対象物、１８…可動ステージ、２０…空間光変調器、２１…４ｆ光学系レンズ、２２…４ｆ光学系レンズ、２５…対物レンズ、２８…光変調器駆動装置、４０…検出部、４１…レンズ、４２…ダイクロイックミラー、
３０…光変調制御装置、３１…照射条件取得部、３２…集光条件設定部、３３…収差条件導出部、３４…変調パターン設計部、３５…光変調器駆動制御部、３７…入力装置、３８…表示装置。

Claims (20)

1. レーザ光を入力し、前記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用い、前記空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定された集光点への前記レーザ光の集光照射を制御する光変調制御方法であって、
   前記レーザ光の照射条件として、前記空間光変調器への前記レーザ光の入射パターン、前記空間光変調器から前記集光点への前記レーザ光の伝搬経路上にある第１伝搬媒質の第１屈折率ｎ_１、及び前記第１伝搬媒質よりも前記集光点側にある第２伝搬媒質の前記第１屈折率とは異なる第２屈折率ｎ_２を取得する照射条件取得ステップと、
   前記レーザ光の集光条件として、前記空間光変調器からの前記レーザ光を集光照射する前記集光点の個数ｓ_ｔ（ｓ_ｔは１以上の整数）、及びｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについての集光位置、集光強度を設定する集光条件設定ステップと、
   前記空間光変調器から前記集光点ｓへの前記レーザ光の伝搬において、互いに屈折率が異なる前記第１伝搬媒質、及び前記第２伝搬媒質によって生じる収差条件を導出する収差条件導出ステップと、
   前記収差条件導出ステップで導出された前記収差条件を考慮して、前記空間光変調器に呈示する前記変調パターンを設計する変調パターン設計ステップと
   を備え、
   前記変調パターン設計ステップは、前記空間光変調器において２次元配列された複数の画素を想定し、前記複数の画素に呈示する前記変調パターンの１画素での位相値の変更が前記集光点における前記レーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように前記位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を前記変調パターンの全ての画素について行うことで前記変調パターンを設計するとともに、
   前記集光点での前記集光状態を評価する際に、前記空間光変調器の前記変調パターンにおける画素ｊから前記集光点ｓへの光の伝搬について、伝搬媒質が均質な状態の自由伝搬の波動伝搬関数φ_ｊｓに前記収差条件を加えて変換した伝搬関数φ_ｊｓ’を用いることを特徴とする光変調制御方法。
2. 前記収差条件導出ステップは、前記画素ｊから前記集光点ｓへの光の伝搬についての前記収差条件として、その伝搬での光路長差を与える位相Φ_{ｊ−ＯＰＤ}を求め、
   前記変調パターン設計ステップは、変換式
   φ_ｊｓ’＝φ_ｊｓ＋Φ_{ｊ−ＯＰＤ}
   によって、前記収差条件が考慮された前記伝搬関数φ_ｊｓ’を求めることを特徴とする請求項１記載の光変調制御方法。
3. 前記変調パターン設計ステップは、前記空間光変調器の前記画素ｊへの前記レーザ光の入射振幅をＡ_ｊ−ｉｎ、位相をφ_ｊ−ｉｎ、前記画素ｊでの位相値をφ_ｊとして、下記式
   Ｕ_ｓ＝Ａ_ｓｅｘｐ（ｉφ_ｓ）
   ＝Σ_ｊＡ_ｊ−ｉｎｅｘｐ（ｉφ_ｊｓ’）ｅｘｐ（ｉ（φ_ｊ＋φ_ｊ−ｉｎ））
   によって、前記集光点ｓにおける前記集光状態を示す複素振幅Ｕ_ｓを求めることを特徴とする請求項１または２記載の光変調制御方法。
4. 前記変調パターン設計ステップは、前記変調パターンの前記画素ｊでの前記位相値の変更において、前記集光点ｓにおける前記集光状態を示す複素振幅の位相φ_ｓ、前記収差条件が考慮された前記伝搬関数φ_ｊｓ’、及び前記画素ｊでの変更前の位相値φ_ｊに基づいて解析的に求められた値によって、前記位相値を変更す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制御方法。
5. 前記変調パターン設計ステップは、前記変調パターンの前記画素ｊでの前記位相値の変更において、山登り法、焼きなまし法、または遺伝的アルゴリズムのいずれかの方法を用いて探索で求められた値によって、前記位相値を変更す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制御方法。
6. 前記第２伝搬媒質は、前記集光点が内部に設定される照射対象物であり、前記第１伝搬媒質は、前記空間光変調器と前記照射対象物との間にある雰囲気媒質であ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制御方法。
7. レーザ光を入力し、前記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用い、前記空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定された集光点への前記レーザ光の集光照射を制御する光変調制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   前記レーザ光の照射条件として、前記空間光変調器への前記レーザ光の入射パターン、前記空間光変調器から前記集光点への前記レーザ光の伝搬経路上にある第１伝搬媒質の第１屈折率ｎ_１、及び前記第１伝搬媒質よりも前記集光点側にある第２伝搬媒質の前記第１屈折率とは異なる第２屈折率ｎ_２を取得する照射条件取得処理と、
   前記レーザ光の集光条件として、前記空間光変調器からの前記レーザ光を集光照射する前記集光点の個数ｓ_ｔ（ｓ_ｔは１以上の整数）、及びｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについての集光位置、集光強度を設定する集光条件設定処理と、
   前記空間光変調器から前記集光点ｓへの前記レーザ光の伝搬において、互いに屈折率が異なる前記第１伝搬媒質、及び前記第２伝搬媒質によって生じる収差条件を導出する収差条件導出処理と、
   前記収差条件導出処理で導出された前記収差条件を考慮して、前記空間光変調器に呈示する前記変調パターンを設計する変調パターン設計処理と
   をコンピュータに実行させ、
   前記変調パターン設計処理は、前記空間光変調器において２次元配列された複数の画素を想定し、前記複数の画素に呈示する前記変調パターンの１画素での位相値の変更が前記集光点における前記レーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように前記位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を前記変調パターンの全ての画素について行うことで前記変調パターンを設計するとともに、
   前記集光点での前記集光状態を評価する際に、前記空間光変調器の前記変調パターンにおける画素ｊから前記集光点ｓへの光の伝搬について、伝搬媒質が均質な状態の自由伝搬の波動伝搬関数φ_ｊｓに前記収差条件を加えて変換した伝搬関数φ_ｊｓ’を用いることを特徴とする光変調制御プログラム。
8. 前記収差条件導出処理は、前記画素ｊから前記集光点ｓへの光の伝搬についての前記収差条件として、その伝搬での光路長差を与える位相Φ_{ｊ−ＯＰＤ}を求め、
   前記変調パターン設計処理は、変換式
   φ_ｊｓ’＝φ_ｊｓ＋Φ_{ｊ−ＯＰＤ}
   によって、前記収差条件が考慮された前記伝搬関数φ_ｊｓ’を求めることを特徴とする請求項７記載の光変調制御プログラム。
9. 前記変調パターン設計処理は、前記空間光変調器の前記画素ｊへの前記レーザ光の入射振幅をＡ_ｊ−ｉｎ、位相をφ_ｊ−ｉｎ、前記画素ｊでの位相値をφ_ｊとして、下記式
   Ｕ_ｓ＝Ａ_ｓｅｘｐ（ｉφ_ｓ）
   ＝Σ_ｊＡ_ｊ−ｉｎｅｘｐ（ｉφ_ｊｓ’）ｅｘｐ（ｉ（φ_ｊ＋φ_ｊ−ｉｎ））
   によって、前記集光点ｓにおける前記集光状態を示す複素振幅Ｕ_ｓを求めることを特徴とする請求項７または８記載の光変調制御プログラム。
10. 前記変調パターン設計処理は、前記変調パターンの前記画素ｊでの前記位相値の変更において、前記集光点ｓにおける前記集光状態を示す複素振幅の位相φ_ｓ、前記収差条件が考慮された前記伝搬関数φ_ｊｓ’、及び前記画素ｊでの変更前の位相値φ_ｊに基づいて解析的に求められた値によって、前記位相値を変更す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制御プログラム。
11. 前記変調パターン設計処理は、前記変調パターンの前記画素ｊでの前記位相値の変更において、山登り法、焼きなまし法、または遺伝的アルゴリズムのいずれかの方法を用いて探索で求められた値によって、前記位相値を変更す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制御プログラム。
12. 前記第２伝搬媒質は、前記集光点が内部に設定される照射対象物であり、前記第１伝搬媒質は、前記空間光変調器と前記照射対象物との間にある雰囲気媒質であ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制御プログラム。
13. レーザ光を入力し、前記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用い、前記空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定された集光点への前記レーザ光の集光照射を制御する光変調制御装置であって、
    前記レーザ光の照射条件として、前記空間光変調器への前記レーザ光の入射パターン、前記空間光変調器から前記集光点への前記レーザ光の伝搬経路上にある第１伝搬媒質の第１屈折率ｎ_１、及び前記第１伝搬媒質よりも前記集光点側にある第２伝搬媒質の前記第１屈折率とは異なる第２屈折率ｎ_２を取得する照射条件取得手段と、
    前記レーザ光の集光条件として、前記空間光変調器からの前記レーザ光を集光照射する前記集光点の個数ｓ_ｔ（ｓ_ｔは１以上の整数）、及びｓ_ｔ個の集光点ｓのそれぞれについての集光位置、集光強度を設定する集光条件設定手段と、
    前記空間光変調器から前記集光点ｓへの前記レーザ光の伝搬において、互いに屈折率が異なる前記第１伝搬媒質、及び前記第２伝搬媒質によって生じる収差条件を導出する収差条件導出手段と、
    前記収差条件導出手段で導出された前記収差条件を考慮して、前記空間光変調器に呈示する前記変調パターンを設計する変調パターン設計手段と
    を備え、
    前記変調パターン設計手段は、前記空間光変調器において２次元配列された複数の画素を想定し、前記複数の画素に呈示する前記変調パターンの１画素での位相値の変更が前記集光点における前記レーザ光の集光状態に与える影響に着目して、その集光状態が所望の状態に近づくように前記位相値を変更し、そのような位相値の変更操作を前記変調パターンの全ての画素について行うことで前記変調パターンを設計するとともに、
    前記集光点での前記集光状態を評価する際に、前記空間光変調器の前記変調パターンにおける画素ｊから前記集光点ｓへの光の伝搬について、伝搬媒質が均質な状態の自由伝搬の波動伝搬関数φ_ｊｓに前記収差条件を加えて変換した伝搬関数φ_ｊｓ’を用いることを特徴とする光変調制御装置。
14. 前記収差条件導出手段は、前記画素ｊから前記集光点ｓへの光の伝搬についての前記収差条件として、その伝搬での光路長差を与える位相Φ_{ｊ−ＯＰＤ}を求め、
    前記変調パターン設計手段は、変換式
    φ_ｊｓ’＝φ_ｊｓ＋Φ_{ｊ−ＯＰＤ}
    によって、前記収差条件が考慮された前記伝搬関数φ_ｊｓ’を求めることを特徴とする請求項１３記載の光変調制御装置。
15. 前記変調パターン設計手段は、前記空間光変調器の前記画素ｊへの前記レーザ光の入射振幅をＡ_ｊ−ｉｎ、位相をφ_ｊ−ｉｎ、前記画素ｊでの位相値をφ_ｊとして、下記式
    Ｕ_ｓ＝Ａ_ｓｅｘｐ（ｉφ_ｓ）
    ＝Σ_ｊＡ_ｊ−ｉｎｅｘｐ（ｉφ_ｊｓ’）ｅｘｐ（ｉ（φ_ｊ＋φ_ｊ−ｉｎ））
    によって、前記集光点ｓにおける前記集光状態を示す複素振幅Ｕ_ｓを求めることを特徴とする請求項１３または１４記載の光変調制御装置。
16. 前記変調パターン設計手段は、前記変調パターンの前記画素ｊでの前記位相値の変更において、前記集光点ｓにおける前記集光状態を示す複素振幅の位相φ_ｓ、前記収差条件が考慮された前記伝搬関数φ_ｊｓ’、及び前記画素ｊでの変更前の位相値φ_ｊに基づいて解析的に求められた値によって、前記位相値を変更す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制御装置。
17. 前記変調パターン設計手段は、前記変調パターンの前記画素ｊでの前記位相値の変更において、山登り法、焼きなまし法、または遺伝的アルゴリズムのいずれかの方法を用いて探索で求められた値によって、前記位相値を変更す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制御装置。
18. 前記第２伝搬媒質は、前記集光点が内部に設定される照射対象物であり、前記第１伝搬媒質は、前記空間光変調器と前記照射対象物との間にある雰囲気媒質であ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制御装置。
19. 前記空間光変調器を駆動制御して、前記変調パターン設計手段によって設計された前記変調パターンを前記空間光変調器に呈示する光変調器駆動制御手段を備えることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか一項記載の光変調制御装置。
20. レーザ光を供給するレーザ光源と、
    前記レーザ光を入力し、前記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と、
    前記空間光変調器に呈示する変調パターンによって、設定された集光点への前記レーザ光の集光照射を制御する請求項１３〜１９のいずれか一項記載の光変調制御装置と
    を備えることを特徴とするレーザ光照射装置。