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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6596527
(24)【登録日】2019年10月4日
(45)【発行日】2019年10月23日
(54)【発明の名称】空間光変調器、光変調装置、及び空間光変調器の駆動方法
(51)【国際特許分類】
G02F 1/01 20060101AFI20191010BHJP
G02F 1/13 20060101ALI20191010BHJP
【ＦＩ】
G02F1/01 D
G02F1/13 505
【請求項の数】15
【全頁数】23
(21)【出願番号】特願2018-43311(P2018-43311)
(22)【出願日】2018年3月9日
(65)【公開番号】特開2019-159024(P2019-159024A)
(43)【公開日】2019年9月19日
【審査請求日】2019年4月23日
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000236436
【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140442
【弁理士】
【氏名又は名称】柴山 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100174399
【弁理士】
【氏名又は名称】寺澤 正太郎
(72)【発明者】
【氏名】酒井 寛人
(72)【発明者】
【氏名】宅見 宗則
(72)【発明者】
【氏名】田中 博
【審査官】
山本 貴一
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１４−０９５８６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−０３１３６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００７／１１６９３５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２０１３−０３７２１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１８／００３１９４４（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０２Ｆ １／０１，１／１３
Ｇ０２Ｂ ２６／０２−２６／０８
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の画素を有し、周期的に時間変化する駆動信号の振幅に応じて入射光の位相若しくは強度を画素毎に変調する変調部と、
前記駆動信号を前記変調部に提供する駆動回路と、を備え、
前記駆動回路は、前記複数の画素のうち第１の画素群に提供する前記駆動信号の位相と、前記複数の画素のうち第２の画素群に提供する前記駆動信号の位相とを互いに反転させるように制御し、
前記第１の画素群の少なくとも一部、及び前記第２の画素群の少なくとも一部は、前記入射光の照射領域内にある、空間光変調器。
前記駆動信号を前記変調部に提供する駆動回路と、を備え、
前記駆動回路は、前記複数の画素のうち第１の画素群に提供する前記駆動信号の位相と、前記複数の画素のうち第２の画素群に提供する前記駆動信号の位相とを互いに反転させるように制御し、
前記第１の画素群の少なくとも一部、及び前記第２の画素群の少なくとも一部は、前記入射光の照射領域内にある、空間光変調器。
【請求項2】
前記変調部は液晶層を含む、請求項１に記載の空間光変調器。
【請求項3】
前記駆動回路は、前記入射光の照射領域における前記第１の画素群の面積と前記第２の画素群の面積とが互いに等しくなるように制御する、請求項１または２に記載の空間光変調器。
【請求項4】
前記駆動回路は、前記第１の画素群と前記第２の画素群との境界線を可変制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の空間光変調器。
【請求項5】
請求項４に記載の空間光変調器と、
変調後の光の強度を検出する光検出器と、を備え、
前記駆動回路は、前記光検出器から提供される光強度の周期的な変動に基づいて、該変動が最小値に近づくように、前記第１の画素群と前記第２の画素群との境界線の位置を定める、光変調装置。
変調後の光の強度を検出する光検出器と、を備え、
前記駆動回路は、前記光検出器から提供される光強度の周期的な変動に基づいて、該変動が最小値に近づくように、前記第１の画素群と前記第２の画素群との境界線の位置を定める、光変調装置。
【請求項6】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の空間光変調器と、
前記入射光を前記変調部に提供する光源と、
前記変調部から出力された変調後の光を集光する集光光学系と、を備える、光変調装置。
前記入射光を前記変調部に提供する光源と、
前記変調部から出力された変調後の光を集光する集光光学系と、を備える、光変調装置。
【請求項7】
前記光源から出力された光を前記変調部へ導く導光光学系を更に備え、
前記導光光学系は、前記変調部における光の入射位置を可変とする、請求項６に記載の光変調装置。
前記導光光学系は、前記変調部における光の入射位置を可変とする、請求項６に記載の光変調装置。
【請求項8】
変調後の光の強度を検出する光検出器と、
前記導光光学系を制御する導光光学系制御部と、を更に備え、
前記導光光学系制御部は、前記光検出器から提供される光強度の周期的な変動に基づいて、該変動が最小値に近づくように、前記変調部における光の入射位置を定める、請求項７に記載の光変調装置。
前記導光光学系を制御する導光光学系制御部と、を更に備え、
前記導光光学系制御部は、前記光検出器から提供される光強度の周期的な変動に基づいて、該変動が最小値に近づくように、前記変調部における光の入射位置を定める、請求項７に記載の光変調装置。
【請求項9】
複数の画素を有し、周期的に時間変化する駆動信号の振幅に応じて入射光の位相若しくは強度を画素毎に変調する変調部を備える空間光変調器を駆動する方法であって、
前記複数の画素のうち第１の画素群に提供する前記駆動信号の位相と、前記複数の画素のうち第２の画素群に提供する前記駆動信号の位相とを互いに反転させ、
前記第１の画素群の少なくとも一部、及び前記第２の画素群の少なくとも一部は、前記入射光の照射領域内にある、空間光変調器の駆動方法。
前記複数の画素のうち第１の画素群に提供する前記駆動信号の位相と、前記複数の画素のうち第２の画素群に提供する前記駆動信号の位相とを互いに反転させ、
前記第１の画素群の少なくとも一部、及び前記第２の画素群の少なくとも一部は、前記入射光の照射領域内にある、空間光変調器の駆動方法。
【請求項10】
前記変調部は液晶層を含む、請求項９に記載の空間光変調器の駆動方法。
【請求項11】
前記入射光の照射領域における前記第１の画素群の面積と前記第２の画素群の面積とが互いに等しい、請求項９または１０に記載の空間光変調器の駆動方法。
【請求項12】
前記第１の画素群と前記第２の画素群との境界線を可変とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の空間光変調器の駆動方法。
【請求項13】
変調後の光の強度を検出し、該光強度の周期的な変動に基づいて、該変動が最小値に近づくように、前記第１の画素群と前記第２の画素群との境界線の位置を定める、請求項１２に記載の空間光変調器の駆動方法。
【請求項14】
光を前記変調部へ導く導光光学系を設け、前記導光光学系により前記変調部における光の入射位置を可変とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の空間光変調器の駆動方法。
【請求項15】
変調後の光の強度を検出し、該光強度の周期的な変動に基づいて、該変動が最小値に近づくように、前記変調部における光の入射位置を定める、請求項１４に記載の空間光変調器の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、空間光変調器、光変調装置、及び空間光変調器の駆動方法に関する。
【背景技術】
【0002】
非特許文献１〜３には、空間光変調器を用いた光学装置が記載されている。そして、これらの文献には、空間光変調器から出力される変調光の強度に周期的な揺らぎが生じることが記載されており、その揺らぎを抑制する方法として、別の光変調素子を用いる方法、若しくは液晶の温度を低下させて液晶の粘性を増す方法が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】M. McGovern et al., “Single beam atom sorting machine”, Laser Physics,Letter. Vol. 9, No. 1, pp. 78-84 (2012)
【非特許文献2】Hyosub Kim et al., “In situ single-atom array synthesis usingdynamic holographic optical tweezers”, Nature Communications, DOI: 10.1038 /ncomms13317 (2016)
【非特許文献3】Rainer J. Beck et al., “Compensation for time fluctuations of phase modulationin a liquid-crystal-on-silicon display by process synchronization in lasermaterials processing”, Applied Optics, Vol. 50, No. 18, 20 June 2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年、空間光変調器は、例えば微小物体を操作する光トラップ技術、光走査顕微鏡、レーザ加工といった様々な分野において利用されている。多くの場合、空間光変調器は、各画素に提供される電圧信号によって駆動される。この電圧信号には、周期的な時間変化が与えられることがある。例えば、液晶型の空間光変調器に対しては、液晶の相状態を長く保つために、周期的に時間変化する電圧信号（交流電圧）が提供される。しかしながら、このような電圧信号に起因して、空間光変調器から出力される変調後の光にゆらぎ（電圧信号の変化周期と同期した変動）が生じる。変調後の光にゆらぎが生じると、例えば光トラップ技術の場合にはトラップされた微小物体が微かに振動する。また、光走査顕微鏡においては得られる像の明るさが周期的に変動し、レーザ加工においては加工対象に照射される光の強度が周期的に変動してしまう。従って、変調後の光に生じるゆらぎを低減することが望まれる。
【0005】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、変調後の光に生じるゆらぎを低減することができる空間光変調器、光変調装置、及び空間光変調器の駆動方法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】
【0006】
上述した課題を解決するために、本発明の一実施形態による空間光変調器は、複数の画素を有し、周期的に時間変化する駆動信号の振幅に応じて入射光の位相若しくは強度を画素毎に変調する変調部と、駆動信号を変調部に提供する駆動回路と、を備える。駆動回路は、複数の画素のうち第１の画素群に提供する駆動信号の位相と、複数の画素のうち第２の画素群に提供する駆動信号の位相とを互いに反転させるように制御する。第１の画素群の少なくとも一部、及び第２の画素群の少なくとも一部は、入射光の照射領域内にある。
【0007】
本発明の一実施形態による空間光変調器の駆動方法は、複数の画素を有し、周期的に時間変化する駆動信号の振幅に応じて入射光の位相若しくは強度を画素毎に変調する変調部を備える空間光変調器を駆動する方法であって、複数の画素のうち第１の画素群に提供する駆動信号の位相と、複数の画素のうち第２の画素群に提供する駆動信号の位相とを互いに反転させ、第１の画素群の少なくとも一部、及び第２の画素群の少なくとも一部は、入射光の照射領域内にある。
【0008】
これらの空間光変調器及び駆動方法においては、複数の画素のうち第１の画素群に提供する駆動信号の位相と、複数の画素のうち第２の画素群に提供する駆動信号の位相とが互いに反転するので、変調部から出力される変調後の光が集光される際、第１の画素群からの光のゆらぎと第２の画素群からの光のゆらぎとが互いに打ち消し合う。これにより、変調後の光に生じるゆらぎを低減することができる。なお、各画素の位相は駆動信号の振幅に応じて定まるので、駆動信号の位相の反転にかかわらず所望の位相パターンが得られる。
【0009】
上記の空間光変調器及び駆動方法において、変調部は液晶層を含んでもよい。前述したように、変調部が液晶層を含む場合、液晶の相状態を長く保つために駆動信号を周期的に時間変化させることが望ましい。従って、上記の空間光変調器及び駆動方法が適している。
【0010】
上記の空間光変調器において、駆動回路は、入射光の照射領域における第１の画素群の面積と第２の画素群の面積とが互いに等しくなるように制御してもよい。同様に、上記の駆動方法において、入射光の照射領域における第１の画素群の面積と第２の画素群の面積とは互いに等しくてもよい。これにより、第１の画素群からの光のゆらぎの大きさと第２の画素群からの光のゆらぎの大きさとがほぼ等しくなり、これらがより効果的に打ち消し合うので、変調後の光のゆらぎを更に低減することができる。
【0011】
上記の空間光変調器において、駆動回路は、第１の画素群と第２の画素群との境界線を可変としてもよい。同様に、上記の駆動方法では、第１の画素群と第２の画素群との境界線を可変としてもよい。これにより、入射光の照射領域の位置に応じて境界線を移動させ、第１の画素群からの光のゆらぎの大きさと、第２の画素群からの光のゆらぎの大きさとを互いに近づけることができる。従って、これらのゆらぎをより効果的に打ち消し合わせて、変調後の光のゆらぎを更に低減することができる。
【0012】
本発明の一実施形態による光変調装置は、上記の空間光変調器と、変調後の光の強度を検出する光検出器と、を備える。駆動回路は、光検出器から提供される光強度の周期的な変動に基づいて、該変動が最小値に近づくように、第１の画素群と第２の画素群との境界線の位置を定める。同様に、上記の駆動方法において、変調後の光の強度を検出し、該光強度の周期的な変動に基づいて、該変動が最小値に近づくように、第１の画素群と第２の画素群との境界線の位置を定めてもよい。これにより、入射光の照射領域の位置に応じて境界線を自動的に移動させ、第１の画素群からの光のゆらぎの大きさと、第２の画素群からの光のゆらぎの大きさとを容易に近づけることができる。
【0013】
本発明の一実施形態による光変調装置は、上記の空間光変調器と、入射光を変調部に提供する光源と、変調部から出力された変調後の光を集光する集光光学系と、を備える。これにより、変調後の光に生じるゆらぎを低減可能な光変調装置を提供できる。
【0014】
この光変調装置は、光源から出力された光を変調部へ導く導光光学系を更に備えてもよい。そして、導光光学系は、変調部における光の入射位置を可変としてもよい。同様に、上記の駆動方法において、光を変調部へ導く導光光学系を設け、導光光学系により変調部における光の入射位置を可変としてもよい。これにより、入射光の照射範囲における第１及び第２の画素群の面積割合が互いに近づくように光の入射位置を移動させ、第１の画素群からの光のゆらぎの大きさと、第２の画素群からの光のゆらぎの大きさとを互いに近づけることができる。従って、これらのゆらぎをより効果的に打ち消し合わせて、変調後の光のゆらぎを更に低減することができる。この場合、光変調装置は、変調後の光の強度を検出する光検出器と、導光光学系を制御する導光光学系制御部と、を更に備え、導光光学系制御部は、光検出器から提供される光強度の周期的な変動に基づいて、該変動が最小値に近づくように、変調部における光の入射位置を定めてもよい。同様に、上記の駆動方法において、変調後の光の強度を検出し、該光強度の周期的な変動に基づいて、該変動が最小値に近づくように、変調部における光の入射位置を定めてもよい。これにより、入射光の照射範囲における第１及び第２の画素群の面積割合に応じて光の入射位置を自動的に移動させ、第１の画素群からの光のゆらぎの大きさと、第２の画素群からの光のゆらぎの大きさとを容易に近づけることができる。
【発明の効果】
【0015】
本発明による空間光変調器、光変調装置、及び空間光変調器の駆動方法によれば、変調後の光に生じるゆらぎを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】一実施形態に係る光変調装置１Ａの構成を概略的に示す図である。
【図2】ＳＬＭ４Ａの一例としてＬＣＯＳ型のＳＬＭを概略的に示す断面図であって、変調部４０Ａに入射する光Ｌ１の中心軸線ＡＸ２に沿った断面を示している。
【図3】（ａ）駆動信号Ｖ１（ｔ）の時間波形の一例を概念的に示すグラフである。（ｂ）駆動信号Ｖ２（ｔ）の時間波形の一例を概念的に示すグラフである。
【図4】変調部４０Ａの正面図であって、画素群４０１，４０２の輪郭を示している。
【図5】（ａ）駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相が一致する場合の集光点Ｏ２における位相変調量の変化の一例を示す。（ｂ）駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を相互に反転した場合の集光点Ｏ２における位相変調量の変化の一例を示す。
【図6】（ａ），（ｂ）駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相が一致する場合の集光点Ｏ２における位相変調量の変化の一例を示す。
【図7】（ａ），（ｂ）駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を相互に反転した場合の集光点Ｏ２における位相変調量の変化の一例を示す。
【図8】照射領域Ｑ内における画素群４０１，４０２の面積比がゆらぎの抑制にどの程度影響するかを確認するために、照射領域Ｑの中心Ｐと境界線Ｂ１との距離を変化させつつゆらぎの大きさを計測した結果を示すグラフである。
【図9】ＳＬＭ４Ａ及び集光光学系６によって形成された４点のビームスポットＬＵ，ＬＤ，ＲＵ，及びＲＤを示す図である。
【図10】（ａ）駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相が互いに一致する場合のビームスポットＬＵ，ＬＤ，ＲＵ，及びＲＤそれぞれの光強度Ｉ＿Ｌｕ，Ｉ＿Ｌｄ，Ｉ＿Ｒｕ，及びＩ＿Ｒｄを示すグラフである。（ｂ）（ａ）の部分Ａ１を拡大して示すグラフである。
【図11】（ａ）駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を互いに反転した場合の光強度Ｉ＿Ｌｕ，Ｉ＿Ｌｄ，Ｉ＿Ｒｕ，及びＩ＿Ｒｄを示すグラフである。（ｂ）（ａ）の部分Ａ２を拡大して示すグラフである。
【図13】画素群４０１，４０２における各位相パターンが互いに異なる場合を示す図である。
【図18】光Ｌ２の光強度の損失を評価した結果を示す図である。（ａ）は位相パターンを示し、（ｂ）は（ａ）の位相パターンによって形成される４点のビームスポットを示し、（ｃ）はそのうち１つのビームスポットを拡大して示す。
【図19】光Ｌ２の光強度の損失を評価した結果を示す図である。（ａ）は位相パターンを示し、（ｂ）は（ａ）の位相パターンによって形成される４点のビームスポットを示し、（ｃ）はそのうち１つのビームスポットを拡大して示す。
【図20】境界線Ｂ１と交差する別の境界線Ｂ２を設け、変調部４０Ａを４つの画素群４０３〜４０６に分割した場合を示す図である。
【図21】或る方向を長手方向とする複数の画素群４０７と、該方向を長手方向とする複数の画素群４０８とが、該方向と交差する方向に交互に並んだ場合を示す図である。
【図22】第２変形例に係る光変調装置１Ｂの構成を示す図である。
【図23】第３変形例に係る光変調装置１Ｃの構成を示す図である。
【図24】第４変形例に係る光変調装置１Ｄの構成を示す図である。
【図25】第５変形例に係る光変調装置１Ｅの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、添付図面を参照しながら本発明による空間光変調器、光変調装置、及び空間光変調器の駆動方法の実施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。
【0018】
図１は、一実施形態に係る光変調装置１Ａの構成を概略的に示す図である。光変調装置１Ａは、例えば光トラップ装置、レーザ加工装置、または顕微鏡装置などに組み込まれる。この光変調装置１Ａは、光源２、導光光学系３、空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）４、及び集光光学系６を備えている。ＳＬＭ４Ａは、変調部４０Ａ及び駆動回路４１を有する。
【0019】
光源２は、コヒーレントな光Ｌ１をＳＬＭ４Ａの変調部４０Ａに提供するための光源であって、例えば半導体レーザ素子等のレーザ光源や、ＳＬＤ（Super Luminescence Diode）等のインコヒーレント光源等によって構成される。光源２から出力される光Ｌ１は平行光である。図中の破線ＡＸ１は、光源２から出力される光Ｌ１の中心軸線、すなわち進行方向と直交する断面における強度分布の中心を進行方向に結んだ線を表す。該強度分布は例えばガウス分布である。光Ｌ１は、空間を伝搬して導光光学系３に達する。
【0020】
導光光学系３は、光源２から出力された光Ｌ１をＳＬＭ４Ａの変調部４０Ａへ導く。具体的には、光源２と光学的に結合されており、光源２から出力された光Ｌ１を受ける。導光光学系３は、テレセントリック光学系であって、一対のレンズ３ａ，３ｂを少なくとも有する。レンズ３ａ，３ｂは、光Ｌ１の中心軸線ＡＸ１に沿った方向に並んで配置されている。レンズ３ａは、光Ｌ１の光路上において光源２とレンズ３ｂとの間に位置する。レンズ３ａ，３ｂの光軸は、中心軸線ＡＸ１に沿っており、好適には中心軸線ＡＸ１と略平行である。レンズ３ａ，３ｂの光軸は互いに一致している。レンズ３ａとレンズ３ｂとの距離は、レンズ３ａの焦点距離とレンズ３ｂの焦点距離との和に等しい。従って、レンズ３ａとレンズ３ｂとの間において光Ｌ１は一旦収束したのち発散し、レンズ３ｂから再び平行光として出力される。なお、レンズ３ａ，３ｂの焦点距離を互いに異ならせることによって、レンズ３ｂから出力される光Ｌ１のビーム径を、レンズ３ａに入力される光Ｌ１のビーム径と異ならせてもよい。なお、図に示すように、レンズ３ｂの焦点距離をレンズ３ａの焦点距離よりも長くすることによって、レンズ３ｂから出力される光Ｌ１のビーム径が、レンズ３ａに入力される光Ｌ１のビーム径よりも大きくなるように、導光光学系３をビームエキスパンダとして機能させてもよい。
【0021】
このような導光光学系３においては、レンズ３ａ，３ｂが光軸と交差する方向（図中の矢印Ｄ１）に沿って移動可能に構成され、レンズ３ａ，３ｂの光軸と中心軸線ＡＸ１との距離が変更可能とされている。レンズ３ａ，３ｂの光軸が中心軸線ＡＸ１に対して中心軸線ＡＸ１と交差する方向に或る距離だけずれると、レンズ３ｂから出力される光Ｌ１の中心軸線ＡＸ２は、中心軸線ＡＸ１に対して平行な状態を維持しつつ、該方向に同じ距離だけシフトする。すなわち、導光光学系３は、光Ｌ１の中心軸線をシフトさせる機能も有する。これにより、変調部４０Ａに対する光Ｌ１の入射角を維持しながら、光Ｌ１の入射位置を可変にできる。
【0022】
変調部４０Ａは、導光光学系３と光学的に結合されており、導光光学系３から出力された平行光である光Ｌ１を受ける。変調部４０Ａは、光Ｌ１の光路上に設けられ、位相パターンを表示する。変調部４０Ａは、複数の画素４０ａを有し、駆動信号（本実施形態では駆動電圧）の大きさに応じて入射光Ｌ１の位相を画素４０ａ毎に変調する。駆動回路４１は、変調部４０Ａに所望の位相パターンを表示させるための駆動電圧を画素４０ａ毎に生成する。所望の位相パターンは、図示しないコンピュータによって演算され、駆動回路４１に送られる。駆動回路４１は、コンピュータから位相パターンに関する信号を受けて、この信号に基づく駆動電圧を変調部４０Ａの複数の画素４０ａに与える。
【0023】
本実施形態のＳＬＭ４Ａは液晶型であり、例えば、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ（Liquid Crystal On Silicon Spatial Light Modulator）或いはＬＣＤ（LiquidCrystal Display）である。なお、図１には反射型のＳＬＭ４Ａが示されているが、ＳＬＭ４Ａは透過型であってもよい。
【0024】
図２は、ＳＬＭ４Ａの一例としてＬＣＯＳ型のＳＬＭを概略的に示す断面図であって、変調部４０Ａに入射する光Ｌ１の中心軸線ＡＸ２に沿った断面を示している。このＳＬＭ４Ａは、変調部４０Ａ及び駆動回路４１に加えて、シリコン基板４２及び透明基板４９を有する。変調部４０Ａは、複数の画素電極４３、液晶層４４、透明電極４５、配向膜４６ａ及び４６ｂ、誘電体ミラー４７、並びにスペーサ４８を含む。
【0025】
透明基板４９は、光Ｌ１を透過する材料からなり、シリコン基板４２の主面に沿って配置される。複数の画素電極４３は、シリコン基板４２の主面上において二次元格子状に配列され、変調部４０Ａの各画素４０ａを構成する。透明電極４５は、複数の画素電極４３と対向する透明基板４９の面上に配置される。液晶層４４は、複数の画素電極４３と透明電極４５との間に配置される。液晶層４４は、例えばネマチック液晶といった液晶からなり、多数の液晶分子４４ａを含む。配向膜４６ａは液晶層４４と透明電極４５との間に配置され、配向膜４６ｂは液晶層４４と複数の画素電極４３との間に配置される。誘電体ミラー４７は配向膜４６ｂと複数の画素電極４３との間に配置される。誘電体ミラー４７は、透明基板４９から入射して液晶層４４を透過した光Ｌ１を反射して、再び透明基板４９から出射させる。
【0026】
駆動回路４１は、複数の画素電極４３と透明電極４５との間に印加される駆動電圧を制御する画素電極回路（アクティブマトリクス駆動回路）である。駆動回路４１から何れかの画素電極４３に駆動電圧が印加されると、該画素電極４３と透明電極４５との間に生じた電界の大きさに応じて、該画素電極４３上に位置する液晶分子４４ａの向きが変化し、その結果、液晶層４４の当該部分の屈折率が変化する。したがって、液晶層４４の当該部分を透過する光Ｌ１の光路長が変化し、ひいては、当該部分を透過する光Ｌ１の位相が変化する。光Ｌ１は、位相変調の後、光Ｌ２として透明基板４９から変調部４０Ａの外部へ出射する。複数の画素電極４３に様々な大きさの駆動電圧が印加されることによって、位相変調量の空間的な分布を電気的に書き込むことができ、必要に応じて様々な波面形状を光Ｌ２において実現することができる。
【0027】
再び図１を参照する。集光光学系６は、ＳＬＭ４Ａの変調部４０Ａと光学的に結合されており、変調部４０Ａから出力された変調後の光Ｌ２を受ける。変調部４０Ａから出力される光Ｌ２は平行光であり、集光光学系６は、この光Ｌ２を任意の位置に集光する。集光光学系６は、例えば集光レンズ６１によって好適に構成される。集光レンズ６１による集光点Ｏ２と集光レンズ６１との距離は、集光レンズ６１の焦点距離と等しい。あお、図１では集光点Ｏ２は光Ｌ２の中心軸線ＡＸ２上に位置しているが、集光点Ｏ２は中心軸線ＡＸ２から離れた位置にあってもよい。また、集光点Ｏ２は単一の位置に限らず、複数の位置に形成されてもよい。
【0028】
ここで、本実施形態によるＳＬＭ４Ａの駆動方法について説明する。駆動回路４１は、変調部４０Ａの複数の画素４０ａのうち画素群４０１（第１の画素群）に駆動信号Ｖ１（ｔ）を提供し、画素群４０２（第２の画素群）に駆動信号Ｖ２（ｔ）を提供する。図３の（ａ）は、駆動信号Ｖ１（ｔ）の時間波形の一例を概念的に示すグラフである。図３の（ｂ）は、駆動信号Ｖ２（ｔ）の時間波形の一例を概念的に示すグラフである。これらの図に示されるように、駆動回路４１は、周期的に時間変化する駆動信号Ｖ１（ｔ）またはＶ２（ｔ）を各画素４０ａに提供する。駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）は矩形波であり、基準電位より大きい電圧Ｖａと、基準電位より小さい電圧Ｖｂとの間で変動する。一例では、電圧Ｖａ＝−Ｖｂである。但し、Ｖａ，Ｖｂの値は画素毎に独立して設定される。駆動信号の振幅（Ｖａ−Ｖｂ）は、各画素４０ａにおける変調位相の大きさに対応する。すなわち、振幅（Ｖａ−Ｖｂ）が小さいほど位相変調量が小さくなり、振幅（Ｖａ−Ｖｂ）が大きいほど位相変調量が大きくなる。駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の周波数は互いに等しく、例えば１２０Ｈｚ〜２４００Ｈｚの範囲内であり、一実施例では４８０Ｈｚ（周期約２ｍｓ）である。このように、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）を周期的に時間変化させることによって、液晶層４４を構成する液晶を常に微動させ、液相から固相への相転移を防いで相状態を長く維持することができる。その結果、ＳＬＭ４Ａの寿命を伸ばすことができる。
【0029】
また、図３の（ａ）及び（ｂ）を対比すると、駆動信号Ｖ１（ｔ）の位相と、駆動信号Ｖ２（ｔ）の位相とが互いに反転している。言い換えると、駆動信号Ｖ１（ｔ）と駆動信号Ｖ２（ｔ）とは、１８０°の位相差を有する。すなわち、駆動信号Ｖ１（ｔ）の電圧Ｖｂから電圧Ｖａへの立ち上がりと、駆動信号Ｖ２（ｔ）の電圧Ｖａから電圧Ｖｂへの立ち下がりとが同期しており、駆動信号Ｖ１（ｔ）の電圧Ｖａから電圧Ｖｂへの立ち下がりと、駆動信号Ｖ２（ｔ）の電圧Ｖｂから電圧Ｖａへの立ち上がりとが同期している。従って、いずれのタイミングで見ても、駆動信号Ｖ１（ｔ）の電圧がＶａであるときには駆動信号Ｖ２（ｔ）の電圧がＶｂであり、駆動信号Ｖ１（ｔ）の電圧がＶｂであるときには駆動信号Ｖ２（ｔ）の電圧がＶａである。また、Ｖａ＝−Ｖｂの場合、いずれのタイミングで見ても、駆動信号Ｖ１（ｔ）と駆動信号Ｖ２（ｔ）とは基準電位を挟んで互いに反転している。
【0030】
図４は、変調部４０Ａの正面図であって、画素群４０１，４０２の輪郭を示している。変調部４０Ａにおいて画素群４０１，４０２は相補的な画素領域であり、変調部４０Ａの複数の画素は、画素群４０１及び４０２の何れかに属する。図４に示される例では、画素群４０１，４０２はそれぞれ四角形状であり、直線状の境界線Ｂ１を挟んで変調部４０Ａを２つの領域に分割している。好ましくは、光Ｌ１の照射領域Ｑ内における画素群４０１，４０２の各面積は互いに等しくされる。そのために、境界線Ｂ１が照射領域Ｑの中心Ｐを通るように（言い換えると、照射領域Ｑの中心Ｐが境界線Ｂ１上に位置するように）、光Ｌ１の中心軸線ＡＸ２の位置が導光光学系３によって調整される。この調整は、作業者により手動で行われてもよく、或いはアクチュエータにより自動的に行われてもよい。また、境界線Ｂ１が直線状ではない場合、照射領域Ｑ内における画素群４０１，４０２の各面積を互いに等しくするために、照射領域Ｑの中心Ｐは境界線Ｂ１から離れてもよい。なお、一つの画素４０ａ当たりの面積が変調部４０Ａ全体で均等である場合、画素群の面積は、当該画素群に含まれる画素の個数と同義である。
【0031】
以上に説明した、本実施形態による光変調装置１Ａ及びＳＬＭ４Ａ、並びにＳＬＭ４Ａの駆動方法によって得られる効果について、従来の課題と共に説明する。近年、ＳＬＭは、例えば微小物体を操作する光トラップ技術、光走査顕微鏡、レーザ加工といった様々な分野において利用されている。これらの分野においては、ＳＬＭからの出力光の安定した制御が重要である。本実施形態のように、ＳＬＭが電圧信号によって駆動される場合、この電圧信号には周期的な時間変化が与えられることがある。その場合、電圧信号の時間変化に起因して、各画素の変調量に時間的なゆらぎ（電圧信号の変化周期と同期した変動）が生じ、ひいてはＳＬＭから出力される変調後の光の強度に時間的なゆらぎが生じる。本発明者の知見によれば、時間変化の周波数が小さいほど、そのゆらぎは大きくなる。近年のＳＬＭにおいては画素数が益々増加しているが、１画素あたりの電荷蓄積時間を確保するために各撮像フレームのリフレッシュレートは画素数の増加とともに長くなる。リフレッシュレートは電圧信号の時間変化の周期と関係し、１フレームの位相パターンをＳＬＭに書き込むためには通常１／２ｆ（ｆ：電圧信号の周波数）の時間を要する。故に、電圧信号の周波数が小さくなり、結果として上記のゆらぎが大きくなる。
【0032】
変調後の光にゆらぎが生じると、例えば光トラップ技術の場合にはトラップされた微小物体が微かに振動する。また、光走査顕微鏡においては得られる像の明るさが周期的に変動し、レーザ加工においては加工対象に照射される光の強度が周期的に変動してしまう。従って、変調後の光に生じるゆらぎを低減することが望まれる。
【0033】
変調後の光のゆらぎの大きさは、ＳＬＭの変調部の電圧特性に依存する。故に、画素単位で観察すると、ゆらぎの大きさは画素毎に異なる。しかしながら、ゆらぎの周期は全ての画素において一致する。従って、集光光学系を用いて複数の画素からの光のゆらぎを積算した場合であっても、ゆらぎの周期は変わらない。本発明者は、或る画素領域全体のゆらぎの時間位相に対して、別の画素領域全体のゆらぎの時間位相を半周期ずらすことにより、互いに打ち消しあうことができると考えた。
【0034】
すなわち本実施形態では、複数の画素４０ａのうち画素群４０１を構成する各画素４０ａに提供する駆動信号Ｖ１（ｔ）の位相と、複数の画素４０ａのうち画素群４０２を構成する各画素４０ａに提供する駆動信号Ｖ２（ｔ）の位相とを互いに反転させている。このような構成によれば、変調部４０Ａから出力される変調後の光Ｌ２が集光点Ｏ２において集光される際に、画素群４０１からの光Ｌ２のゆらぎと画素群４０２からの光Ｌ２のゆらぎとが互いに打ち消し合う。これにより、変調後の光Ｌ２に生じるゆらぎを低減できるので、集光点Ｏ２における光Ｌ２の場（位相並びに、振幅若しくは光強度）を安定化させることができる。なお、各画素４０ａの位相は駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の振幅（Ｖａ−Ｖｂ）に応じて定まるので、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相の反転にかかわらず、変調部４０Ａにおいては所望の位相パターンが得られる。なお、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相が互いに反転しているか否かは、各画素４０ａに提供される駆動電圧の時間波形をプロービングし、オシロスコープ等を用いて観察することによって容易に判別できる。
【0035】
本実施形態によるこのような作用効果を以下に詳細に説明する。まず、ゆらぎの大きさについて定式化を行う。ゆらぎの大きさは、液晶の粘性と駆動電圧の周波数とに主に依存し、駆動電圧の振幅Ｖ、駆動電圧の振幅の関数Ａ（Ｖ）、駆動電圧の周波数ｆ、及び時間ｔを用いてＡ（Ｖ）ｓｉｎ（２πｆｔ）
と表すことができる。なお、液晶の粘性のため、駆動電圧の周波数を徐々に大きくすると、液晶は駆動電圧の変化に徐々に追随できなくなる。従って、関数Ａ（Ｖ）は、周波数ｆが大きくなるほど小さくなる。
【0036】
ＳＬＭによる位相変調量は、所望の位相パターンに基づく位相変調量Ｐｈｓ（Ｖ）を上記のゆらぎに加算することで求められる。すなわち、位相変調量は、Ｐｈｓ（Ｖ）＋Ａ（Ｖ）ｓｉｎ（２πｆｔ）
となる。
【0037】
ＳＬＭには画素毎に独立した駆動電圧が入力されるので、各画素の番号をｋ、画素数をＮとして、上記の位相変調量を全画素について積算する（下記の数式（１））。なお、この積算は、光学的にはＳＬＭからの変調後の光を集光することと同義である。【数1】
更に、Ｎ／２個の画素のみ駆動電圧の位相を反転させると、上記の数式（１）は下記の数式（２）に書き換えられる。このとき、位相変調量Ｐｈｓ（Ｖ）は駆動電圧の振幅Ｖのみに依存するので不変である。
【数2】
数式（２）の第２項及び第３項は、ｓｉｎ（θ＋π）＝−ｓｉｎθ（θ：任意の角度）なる関係を用いて以下の数式（３）のように書き換えられる。
【数3】
数式（３）の第２項及び第３項は互いに相殺するので、最終的に、位相変調量の積算結果は下記となり、ゆらぎは完全にキャンセルされる。
【数4】
以上の説明から明らかなように、画素群４０１に提供する駆動信号Ｖ１（ｔ）の位相と、画素群４０２に提供する駆動信号Ｖ２（ｔ）の位相とを互いに反転させることによって、変調後の光Ｌ２に生じるゆらぎを低減することができる。なお、以上の説明から、画素群４０１の画素数と画素群４０２の画素数とが互いに等しい場合にゆらぎを最も低減することができるが、これらが互いに異なる場合であっても、或る程度のゆらぎを低減することができる。
【0038】
また、実際には、画素群４０１，４０２の画素数が互いに等しい場合であっても、表示される位相値が画素４０ａ毎に異なるため、完全にゆらぎを相殺することはできない。しかしながら、本発明者の知見によれば、画素数が多いほど、画素群４０１における位相値の平均と、画素群４０２における位相値の平均とが互いに近づく。従って、実用上、十分にゆらぎを低減することが可能である。
【0039】
図５は、本実施形態の効果を示すグラフであって、１波長分の位相変調量の時間波形の計測結果を示す。図５の（ａ）は、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相が一致する場合の集光点Ｏ２における位相変調量の変化の一例を示す。図５の（ｂ）は、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を相互に反転した場合の集光点Ｏ２における位相変調量の変化の一例を示す。なお、これらの図において、縦軸は位相変調量を光Ｌ２の波長λによって規格化した値（単位：λ）を示し、横軸は時間（単位：秒）を示す。図５の（ａ）に示されるように、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相が一致する場合には、位相変調量が目標値（規格化値１．０）の周辺で周期的に変動し、大きなゆらぎが生じている。なお、この変動周期は駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の時間変化の周期と一致する。これに対し、図５の（ｂ）を参照すると、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を相互に反転した場合には、ゆらぎが小さく抑制されていることがわかる。なお、図５の（ｂ）においてもゆらぎが完全に解消されないのは、上述したように画素４０ａ毎の位相値のばらつきに因ると考えられる。しかしながら、ゆらぎの大きさを、図５の（ａ）と比較しておよそ２０％〜２５％にまで抑制できている。
【0040】
また、図６及び図７は、本実施形態の効果を示す別のグラフである。図６の（ａ）及び（ｂ）は、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相が一致する場合の集光点Ｏ２における位相変調量の変化の一例を示す。図７の（ａ）及び（ｂ）は、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を相互に反転した場合の集光点Ｏ２における位相変調量の変化の一例を示しており、それぞれ図６の（ａ）及び（ｂ）に対応している。なお、これらの図において、縦軸は光強度（位相変調量をθとしたときに三角関数ｓｉｎθで表現される値）を示し、横軸は時間（単位：秒）を示す。図６の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相が一致する場合には、光Ｌ２の振幅が目標値の周辺で周期的に変動し、大きなゆらぎが生じている。これに対し、図７の（ａ）及び（ｂ）を参照すると、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を相互に反転した場合には、ゆらぎが小さく抑制されることがわかる。
【0041】
本発明者は、照射領域Ｑ内における画素群４０１，４０２の面積比がゆらぎの抑制にどの程度影響するかを確認するために、照射領域Ｑの中心Ｐと境界線Ｂ１との距離を変化させつつゆらぎの大きさを計測した。図８は、その結果を示すグラフである。図８において、グラフＧ１１は、中心Ｐが境界線Ｂ１上に位置する場合を示す。グラフＧ１２，Ｇ１３は、境界線Ｂ１に直交する方向に０．５ｍｍだけ中心Ｐを移動させた場合を示す。但し、グラフＧ１２，Ｇ１３の移動の向きは互いに逆である。グラフＧ１４は、グラフＧ１２と同じ向きに１．０ｍｍだけ中心Ｐを移動させた場合を示す。なお、グラフＧ１５は、参考のため駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を互いに反転させない場合の計測結果を示す。図８において縦軸は位相変調量（単位：λ）を表し、横軸は時間（単位：秒）を表す。
【0042】
図８から明らかなように、グラフＧ１１〜Ｇ１４とグラフＧ１５とを比較すると、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を互いに反転させることによって位相変調量のゆらぎが顕著に低減されていることがわかる。また、グラフＧ１２とグラフＧ１３とを比較すると、ゆらぎの時間波形の位相が互いに反転していることがわかる。このことから、境界線Ｂ１のどちら側に照射領域Ｑがずれているのかを、ゆらぎの位相に基づいて判定することができる。また、グラフＧ１１〜１４を相互に比較すると、照射領域Ｑの中心Ｐが境界線Ｂ１に近づくほど（すなわち画素群４０１，４０２の面積比が１：１に近づくほど）、ゆらぎが効果的に抑制されることがわかる。従って、ゆらぎの大きさを計測し、これが最小となるように照射領域Ｑを移動させることによって、画素群４０１，４０２の面積比を１：１に精度良く近づけることができる。
【0043】
図９は、本実施形態の効果を確認するために、ＳＬＭ４Ａ及び集光光学系６によって形成された４点のビームスポットＬＵ，ＬＤ，ＲＵ，及びＲＤを示す図である。同図では、光強度が色の濃淡で示されており、光強度が大きいほど淡く、光強度が小さいほど濃く示されている。図１０の（ａ）は、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相が互いに一致する場合のビームスポットＬＵ，ＬＤ，ＲＵ，及びＲＤそれぞれの光強度Ｉ＿Ｌｕ，Ｉ＿Ｌｄ，Ｉ＿Ｒｕ，及びＩ＿Ｒｄを示すグラフである。図１０の（ｂ）は、図１０の（ａ）の部分Ａ１を拡大して示すグラフである。また、図１１の（ａ）は、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を互いに反転した場合の光強度Ｉ＿Ｌｕ，Ｉ＿Ｌｄ，Ｉ＿Ｒｕ，及びＩ＿Ｒｄを示すグラフである。図１１の（ｂ）は、図１１の（ａ）の部分Ａ２を拡大して示すグラフである。なお、図１０及び図１１の（ｂ）において、グラフＧ２１は光強度Ｉ＿Ｌｕを示し、グラフＧ２２は光強度Ｉ＿Ｌｄを示し、グラフＧ２３は光強度Ｉ＿Ｒｕを示し、グラフＧ２４は光強度Ｉ＿Ｒｄを示す。また、図１０及び図１１において、縦軸は４点の光強度の平均値で規格化した光強度の大きさを表し、横軸は時間（単位：ミリ秒）を表す。
【0044】
図１０の（ｂ）に示されるように、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相が互いに一致する場合には、ゆらぎの大きさ（変動の振幅）は光強度（規格化値１）の約２％であった。これに対し、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を互いに反転した場合には、ゆらぎの大きさは光強度の約０．５％であった。このように、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を互いに反転させることによって、ゆらぎの大きさを約１／４に低減することができた。また、４点の光強度Ｉ＿Ｌｕ，Ｉ＿Ｌｄ，Ｉ＿Ｒｕ，及びＩ＿Ｒｄは互いにほぼ等しい位相でもってゆらいでおり、その周波数は駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の周波数と一致した。
【0045】
なお、この例のように光軸から離れた位置に集光点を形成する場合、Ｎ次回折光（Ｎは１次以上の整数）が該集光点の形成に寄与するが、その回折光強度の増減は、光軸上を進む０次の回折光強度に影響する。すなわち、集光点の光強度が増したときには０次回折光の強度が減少し、集光点の光強度が減じたときには０次回折光の強度が増大する。従って、本実施形態によれば、０次回折光及びＮ次回折光の双方のゆらぎを低減することができる。
【0046】
ここで、本発明者は、画素群４０１により表示される位相パターンと、画素群４０２により表示される位相パターンとの相違とゆらぎの大きさとの関係について確認した。図１２は、図９に示された４点のビームスポットＬＵ，ＬＤ，ＲＵ，及びＲＤを形成するための位相パターンを示す図であって、色の濃淡により位相値を表している。図１２に示される位相パターンのように、各画素群４０１，４０２における各位相パターンが互いにほぼ同一（或いは対称）である場合には、各画素群４０１，４０２において生じるゆらぎの大きさも同等となり、これらのゆらぎが効果的に打ち消し合う。これに対し、例えば図１３に示されるように、画素群４０１，４０２における各位相パターンが互いに異なる（同一ではなく、対称でもない）場合も考えられる。
【0047】
図１４及び図１５は、図１３に示された位相パターンを回転させることにより、画素群４０１，４０２のそれぞれに含まれる位相パターンを変化させた様子を示している。図１４の（ａ）では、画素群４０１，４０２のそれぞれに含まれる各位相パターンを、境界線Ｂ１に関して線対称としている。図１４の（ｂ）、図１５の（ａ）及び（ｂ）では、位相パターンの回転角度を徐々に増し、画素群４０１，４０２のそれぞれに含まれる各位相パターンの非対称の程度を次第に大きくしている。
【0048】
図１６は、図１４の（ａ）及び（ｂ）、並びに図１５の（ａ）及び（ｂ）に示されたそれぞれの場合における位相変調量のゆらぎの大きさを示すグラフである。図１６において、グラフＧ３１は図１４の（ａ）の場合を示し、グラフＧ３２は図１４の（ｂ）の場合を示し、グラフＧ３３は図１５の（ａ）の場合を示し、グラフＧ３４は図１５の（ｂ）の場合を示す。また、縦軸は位相変調量（規格化値）を表し、横軸は時間を表す。図１６のグラフＧ３１〜Ｇ３４を比較すると、画素群４０１，４０２のそれぞれに含まれる各位相パターンの非対称の程度にかかわらず、ゆらぎの大きさは互いに同等であることがわかる。この結果から、本実施形態によれば、画素群４０１，４０２に含まれる各位相パターンが互いに異なっていても、変調後の光に生じるゆらぎを効果的に低減できることが理解される。
【0049】
図１７の（ａ）は、図１５の（ｂ）における画素群４０１の位相変調量のヒストグラムを示す。また、図１７の（ｂ）は、図１５の（ｂ）における画素群４０２の位相変調量のヒストグラムを示す。図１７の（ａ），（ｂ）を比較すると、いずれにおいても０（ｒａｄ）から２π（ｒａｄ）までほぼ一様に位相が分布していることがわかる。従って、図１７の（ａ），（ｂ）に示されるヒストグラムそれぞれの平均値は、いずれもπ（ｒａｄ）となる。位相変調量のゆらぎの大きさは位相値に比例するので、画素群４０１，４０２における位相変調量のゆらぎの大きさは互いに同程度であるといえる。このことからも、本実施形態によれば、画素群４０１，４０２に含まれる各位相パターンが互いに異なっていても、変調後の光に生じるゆらぎを効果的に低減できることが容易に理解される。
【0050】
なお、本実施形態においては、画素群４０１，４０２の境界線Ｂ１において位相が常に不連続となるので、その位相差に起因する回折損失が光Ｌ２の光強度の損失として現れる。図１８及び図１９は、位相差をπとしたときに光Ｌ２の光強度の損失をシミュレーションによって評価した結果を示す図である。図１８及び図１９の（ａ）は位相パターンを示し、（ｂ）は（ａ）の位相パターンによって形成される４点のビームスポットを示し、（ｃ）はそのうち１つのビームスポットを拡大して示す。図１８は駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相が互いに一致する場合を示し、図１９は駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を互いに反転させた場合を示す。この評価において、図１８の（ｃ）に示されるビームスポットの光強度を１．０としたとき、図１９の（ｃ）に示されるビームスポットの光強度は０．９３であった。すなわち、境界線Ｂ１における回折損失に起因して、光強度が７％低下している。ただし、図１０、図１１で実験的に評価した４点の平均光強度は０．５％程度の低下であったため、駆動信号Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）の位相を互いに反転させることによる光強度の損失は、極めて小さいといえる。
【0051】
本実施形態のように、変調部４０Ａは液晶層４４を含んでもよい。変調部４０Ａが液晶層４４を含む場合、液晶の相状態を長く保つために駆動信号を周期的に時間変化させることが望ましく、上述したゆらぎが生じ易い。従って、本実施形態の構成が適している。
【0052】
また、本実施形態のように、入射光Ｌ１の照射領域における画素群４０１の面積と画素群４０２の面積とは互いに等しくてもよい。これにより、第１の画素群からの光のゆらぎの大きさと第２の画素群からの光のゆらぎの大きさとがほぼ等しくなり、これらがより効果的に打ち消し合うので、変調後の光のゆらぎを更に低減することができる。
【0053】
また、本実施形態のように、光変調装置１Ａは、光源２から出力された光Ｌ１を変調部４０Ａへ導く導光光学系３を備えてもよい。そして、導光光学系３は、変調部４０Ａにおける光Ｌ１の入射位置を可変としてもよい。これにより、光Ｌ１の照射範囲における画素群４０１，４０２の面積割合が互いに近づくように光Ｌ１の入射位置を移動させ、画素群４０１からの光Ｌ２のゆらぎの大きさと、画素群４０２からの光Ｌ２のゆらぎの大きさとを互いに近づけることができる。従って、これらのゆらぎをより効果的に打ち消し合わせて、変調後の光Ｌ２のゆらぎを更に低減することができる。
【0054】
（第１変形例）上記実施形態では変調部４０Ａを２つの画素群４０１，４０２に分割しているが、画素群の分割態様はこれに限られない。例えば、図２０に示されるように、境界線Ｂ１と交差する別の境界線Ｂ２を設け、変調部４０Ａを４つの画素群４０３〜４０６に分割してもよい。そして、画素群４０３，４０５（共に第１の画素群）に提供する駆動信号Ｖ１（ｔ）の位相と、画素群４０４，４０６（共に第２の画素群）に提供する駆動信号Ｖ２（ｔ）の位相とを互いに反転させてもよい。このような形態であっても、変調後の光Ｌ２に生じるゆらぎを効果的に低減することができる。なお、好適には、照射領域Ｑ内における画素群４０３，４０５の面積の和と、画素群４０４，４０６の面積の和とが互いに等しくなるように、境界線Ｂ１，Ｂ２と照射領域Ｑの中心Ｐとの相対位置関係が設定されるとよい。
【0055】
或いは、図２１に示されるように、或る方向を長手方向とする複数の画素群４０７と、該方向を長手方向とする複数の画素群４０８とが、該方向と交差する方向に交互に並んでもよい。このような形態であっても、変調後の光Ｌ２に生じるゆらぎを効果的に低減することができる。また、この場合、照射領域Ｑの中心Ｐと境界線Ｂ３との相対位置によらず、画素群４０７の面積の総和と、画素群４０８の面積の総和との比を１：１に近づけることができる。従って、変調部４０Ａに対する光Ｌ１の入射位置の調整を不要にできる。但し、境界線Ｂ３の長さの総和が、図４の境界線Ｂ１の長さ、及び図２０の境界線Ｂ１，Ｂ２の長さの和と比較して長くなるので、光強度の損失の観点からは図４若しくは図２０の分割形態の方が好ましい。
【0056】
（第２変形例）図２２は、上記実施形態の第２変形例に係る光変調装置１Ｂの構成を示す図である。本変形例の光変調装置１Ｂは、上記実施形態のＳＬＭ４Ａ（図２を参照）に代えて、ＳＬＭ４Ｂを備えている。ＳＬＭ４Ｂは、透過型の変調部４０Ｂと、駆動回路４１とを有する。変調部４０Ｂは、上記実施形態と同様の光源及び導光光学系と光学的に結合されており、導光光学系から出力された平行光である光Ｌ１を裏面に受ける。変調部４０Ｂは、光Ｌ１の光路上に設けられ、位相パターンを表示する。変調部４０Ｂは、複数の画素４０ａを有し、駆動信号の大きさに応じて入射光Ｌ１の位相を画素４０ａ毎に変調する。駆動回路４１は、変調部４０Ｂに所望の位相パターンを表示させるための駆動電圧を画素４０ａ毎に生成する。変調後の光Ｌ２は、変調部４０Ｂの表（おもて）面から出力され、集光光学系６に達する。集光光学系６は、光Ｌ２を任意の位置に集光する。
【0057】
駆動回路４１は、変調部４０Ｂの複数の画素４０ａのうち画素群４０１（第１の画素群）に駆動信号Ｖ１（ｔ）を提供し、画素群４０２（第２の画素群）に駆動信号Ｖ２（ｔ）を提供する。駆動信号Ｖ１（ｔ）及びＶ２（ｔ）の信号波形は、上記実施形態と同様である（図３を参照）。すなわち、本変形例においても、駆動信号Ｖ１（ｔ）の位相と、駆動信号Ｖ２（ｔ）の位相とは互いに反転している。
【0058】
本実施形態のように、ＳＬＭは透過型であってもよい。このような場合であっても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
【0059】
（第３変形例）図２３は、上記実施形態の第３変形例に係る光変調装置１Ｃの構成を示す図である。本変形例では、駆動回路４１が、画素群４０１と画素群４０２との境界線Ｂ１を可変とする。すなわち、駆動回路４１は、駆動信号Ｖ１（ｔ）を提供する画素４０ａと、駆動信号Ｖ２（ｔ）を提供する画素４０ａとを自在に変更することができる。従って、導光光学系３を用いて光Ｌ１の中心軸線ＡＸ１を移動しなくても、光Ｌ１の照射領域の位置に応じて境界線Ｂ１を移動させることにより、変調部４０Ａに対する光Ｌ１の入射位置（すなわち照射領域の中心Ｐの位置）を境界線Ｂ１に近づけ、画素群４０１，４０２の面積比を１：１に近づけることができる。故に、本変形例においても、画素群４０１からの光Ｌ２のゆらぎの大きさと、画素群４０２からの光Ｌ２のゆらぎの大きさとを互いに近づけることができるので、これらのゆらぎをより効果的に打ち消し合わせて、変調後の光Ｌ２のゆらぎを更に低減することができる。また、上記実施形態と比較して、導光光学系３の構成を簡易にすることができる。
【0060】
（第４変形例）図２４は、上記実施形態の第４変形例に係る光変調装置１Ｄの構成を示す図である。光変調装置１Ｄは、上記実施形態の光変調装置１Ａの構成に加えて、ビームスプリッタ７、光検出器８、及び導光光学系制御部９を更に備える。ビームスプリッタ７の表（おもて）面は、ＳＬＭ４Ａの光出射面と光学的に結合され、ＳＬＭ４Ａから出力された光Ｌ２を受け、この光Ｌ２の一部を反射して光Ｌ３とし、残部を透過して光Ｌ４とする。光Ｌ３は、集光光学系６によって任意の位置に集光される。一方、光Ｌ４は、ビームスプリッタ７の裏面と光学的に結合された光検出器８に入射する。光検出器８は、変調後の光Ｌ２の強度を検出するために、光Ｌ４の光強度に応じた電気信号Ｓ１を生成する。光検出器８は、導光光学系制御部９と電気的に接続されており、導光光学系制御部９に電気信号Ｓ１を提供する。光検出器８は、例えば単一の受光部を有するフォトダイオードといった半導体受光素子を含んで構成される。光Ｌ４は、レンズによって集光されてもよく、集光されなくてもよい。導光光学系制御部９は、アクチュエータを含んで構成され、導光光学系３を方向Ｄ１に沿って移動させることができる。導光光学系制御部９は、光検出器８からの電気信号Ｓ１によって得られる光Ｌ４の光強度の周期的な変動（ゆらぎ）の大きさに基づいて、該変動が最小値に近づくように導光光学系３の位置を制御することにより、変調部４０Ａに対する光Ｌ１の入射位置（すなわち照射領域の中心Ｐの位置）を定める。
【0061】
本変形例の光変調装置１Ｄのように、変調後の光Ｌ２の強度を検出する光検出器８と、導光光学系３を制御する導光光学系制御部９とが設けられてもよい。そして、導光光学系制御部９は、光検出器８から提供される光強度の周期的な変動に基づいて、変調部４０Ａにおける光Ｌ１の入射位置を定めてもよい。これにより、光Ｌ１の照射範囲における画素群４０１，４０２の面積割合に応じて光Ｌ１の入射位置を自動的に移動させ、画素群４０１からの光Ｌ２のゆらぎの大きさと、画素群４０２からの光Ｌ２のゆらぎの大きさとを容易に近づけることができる。
【0062】
（第５変形例）図２５は、上記実施形態の第５変形例に係る光変調装置１Ｅの構成を示す図である。光変調装置１Ｅは、上記第３変形例の光変調装置１Ｃの構成に加えて、ビームスプリッタ７及び光検出器８を更に備える。ビームスプリッタ７及び光検出器８の構成及び機能は、上述した第４変形例と同様である。また、光変調装置１ＥのＳＬＭ４Ｅは、上記実施形態の駆動回路４１に代えて、駆動回路４１Ｂを有する。駆動回路４１Ｂは、光検出器８と電気的に接続されており、光Ｌ４の光強度に応じた電気信号Ｓ１を受ける。駆動回路４１Ｂは、光検出器８からの電気信号Ｓ１によって得られる光Ｌ４の光強度の周期的な変動（ゆらぎ）の大きさに基づいて、該変動が最小値に近づくように、画素群４０１と画素群４０２との境界線Ｂ１の位置を定める。これにより、光Ｌ１の照射範囲における画素群４０１，４０２の面積割合に応じて境界線Ｂ１を自動的に移動させ、画素群４０１からの光Ｌ２のゆらぎの大きさと、画素群４０２からの光Ｌ２のゆらぎの大きさとを容易に近づけることができる。
【0063】
本発明による空間光変調器、光変調装置、及び空間光変調器の駆動方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、上記実施形態及び各変形例ではＳＬＭは入射光の位相を変調しているが、ＳＬＭは入射光の強度を変調してもよい。また、上記実施形態及び各変形例では液晶型のＳＬＭが用いられているが、ＳＬＭは液晶型以外のもの（例えばメンブレンミラー型や多重量子井戸型等）であってもよい。どのようなタイプのＳＬＭであっても、周期的に時間変化する駆動信号によってＳＬＭを駆動する場合には、変調媒体が有する電気特性が変調後の光にゆらぎとなって現れる。従って、本発明が好適に適用され得る。
【符号の説明】
【0064】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…光変調装置、２…光源、３…導光光学系、３ａ，３ｂ…レンズ、６…集光光学系、７…ビームスプリッタ、８…光検出器、９…導光光学系制御部、４０Ａ，４０Ｂ…変調部、４０ａ…画素、４１，４１Ｂ…駆動回路、４２…シリコン基板、４３…画素電極、４４…液晶層、４４ａ…液晶分子、４５…透明電極、４６ａ，４６ｂ…配向膜、４７…誘電体ミラー、４８…スペーサ、４９…透明基板、６１…集光レンズ、４０１〜４０８…画素群、ＡＸ１，ＡＸ２…中心軸線、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…境界線、Ｄ１…方向、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…光、ＬＵ，ＬＤ，ＲＵ，ＲＤ…ビームスポット、Ｏ２…集光点、Ｐ…中心、Ｑ…照射領域、Ｓ１…電気信号、Ｖ１（ｔ），Ｖ２（ｔ）…駆動信号。