特開 2024-44421 光変調装置および空間光変調器の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024044421

(43)【公開日】2024-04-02

(54)【発明の名称】光変調装置および空間光変調器の制御方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/133 20060101AFI20240326BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20240326BHJP

【ＦＩ】

G02F1/133 580

G02F1/13 505

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022149927

(22)【出願日】2022-09-21

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構、戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）事業「光・量子を活用したＳｏｃｉｅｔｙ５．０実現化技術」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【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】伊藤 晴康

【テーマコード（参考）】

2H088

2H193

【Ｆターム（参考）】

2H088EA47

2H088EA68

2H088HA06

2H088HA14

2H088HA15

2H088HA20

2H088HA21

2H088HA24

2H088HA28

2H193ZA02

2H193ZF17

2H193ZG22

2H193ZH18

2H193ZH34

2H193ZH69

2H193ZH72

(57)【要約】

【課題】目標とする位相変調量からの実際の位相変調量のずれを低減することができる光変調装置を提供する。
【解決手段】光変調装置１Ａは、光源３と、制御部７と、空間光変調器１０とを備える。光源３は、設定強度に応じた強度を有するレーザ光Ｌａを出力する。空間光変調器１０は、複数の画素電極と、液晶層と、駆動部と、冷却部と、を有する。液晶層は、各画素電極により形成される電界の大きさに応じてレーザ光Ｌａの位相を変調する。駆動部は、複数の画素電極に電圧を印加する。冷却部は、液晶層の温度が設定温度に近づくように液晶層を冷却する。制御部７は、レーザ光Ｌａの設定強度に基づいて冷却部の設定温度を決定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

設定強度に応じた強度を有する光を出力する光源と、
一次元または二次元に配列された複数の画素電極、各画素電極により形成される電界の大きさに応じて前記光の位相を変調する液晶層、複数の画素電極に電圧を印加する駆動部、前記液晶層の温度が設定温度に近づくように前記液晶層を冷却する冷却部、を有する空間光変調器と、
前記冷却部の前記設定温度を決定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記設定強度に基づいて前記設定温度を決定する、光変調装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記設定強度と前記設定温度との関係を示すデータテーブルを予め保持し、該データテーブルを用いて前記設定温度を決定する、請求項１に記載の光変調装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記設定強度と前記設定温度との関係を示す計算式を予め保持し、該計算式を用いて前記設定温度を決定する、請求項１に記載の光変調装置。

【請求項4】

前記設定温度は前記設定強度に比例する、請求項１～３のいずれか１項に記載の光変調装置。

【請求項5】

設定強度に応じた強度を有する光を出力する光源と、
一次元または二次元に配列された複数の画素電極、各画素電極により形成される電界の大きさに応じて前記光の位相を変調する液晶層、複数の画素電極に電圧を印加する駆動部、前記液晶層の温度が設定温度に近づくように前記液晶層を冷却する冷却部、を有する空間光変調器と、
前記複数の画素電極に印加される電圧の大きさを決定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記液晶層の各画素の位相を所定の位相に設定する際に、前記設定強度が大きいほど、前記所定の位相に対応する前記電圧が大きくなるように、前記電圧の大きさを決定する、光変調装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記電圧の大きさと複数の階調値それぞれとの関係を示すルックアップテーブルにおいて使用される全階調数と前記設定強度との相関を示す相関データを有し、
前記制御部は、前記相関データを用いて、前記ルックアップテーブルにおいて使用される全階調数を前記設定強度に基づいて決定する、請求項５に記載の光変調装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記液晶層による位相変調量と前記ルックアップテーブルの各階調値との対応を示す参照データを有するとともに、前記位相変調量を示す入力値を前記光変調装置の外部から入力し、前記参照データを用いて前記入力値を前記階調値に変換する、請求項６に記載の光変調装置。

【請求項8】

前記制御部は、前記電圧の大きさと複数の階調値それぞれとの関係を示すとともに全階調数が互いに異なる複数のルックアップテーブルのうち使用されるルックアップテーブルを、全階調数と前記設定強度との相関を示す相関データを用いて、前記設定強度に基づいて決定する、請求項５に記載の光変調装置。

【請求項9】

前記制御部は、前記液晶層による位相変調量と前記複数のルックアップテーブルの各階調値との対応をそれぞれ示す複数の参照データを有するとともに、前記位相変調量を示す入力値を前記光変調装置の外部から入力し、前記複数の参照データのうち前記使用されるルックアップテーブルに対応する前記参照データを用いて前記入力値を前記階調値に変換する、請求項８に記載の光変調装置。

【請求項10】

一次元または二次元に配列された複数の画素電極、各画素電極により形成される電界の大きさに応じて光の位相を変調する液晶層、前記複数の画素電極に電圧を印加する駆動部、前記液晶層の温度が設定温度に近づくように前記液晶層を冷却する冷却部、を有する空間光変調器を制御する方法であって、
前記冷却部の前記設定温度を決定する決定ステップと、
設定強度に応じた強度を有する光を前記液晶層に入力させる光入力ステップと、
を含み、
前記決定ステップでは、前記設定強度に基づいて前記設定温度を決定する、空間光変調器の制御方法。

【請求項11】

一次元または二次元に配列された複数の画素電極、各画素電極により形成される電界の大きさに応じて光の位相を変調する液晶層、前記複数の画素電極に電圧を印加する駆動部、前記液晶層の温度が設定温度に近づくように前記液晶層を冷却する冷却部、を有する空間光変調器を制御する方法であって、
各画素電極に印加される電圧の大きさを決定する決定ステップと、
設定強度に応じた強度を有する光を前記液晶層に入力させる光入力ステップと、
を含み、
前記決定ステップでは、前記液晶層の各画素の位相を所定の位相に設定する際に、前記設定強度が大きいほど、前記所定の位相に対応する前記電圧が大きくなるように、前記電圧の大きさを決定する、空間光変調器の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光変調装置および空間光変調器の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、空間光変調装置および空間光変調方法を開示する。その空間光変調装置は、一次元もしくは二次元に配列された複数の画素毎に入射光の位相を変調する。その空間光変調装置は、液晶層と、温度センサと、複数の画素電極と、電圧生成部と、を備える。液晶層は、印加電界の大きさに応じて入射光の位相を変調する。温度センサは、液晶層の温度に応じた信号である温度信号を生成する。画素電極は、画素毎に設けられ、印加電界を発生させる電圧を液晶層に印加する。電圧生成部は、複数の画素電極に電圧を提供する。電圧生成部は、記憶手段を有する。記憶手段は、液晶層の基準温度に対する温度変化量と、液晶層における位相変調量の変動量との相関を表す関数に含まれる一又は複数の係数を予め記憶する。電圧生成部は、温度センサから提供された温度信号に示された温度と、前記一又は複数の係数とを使用して、電圧の大きさを補正するための演算を行う。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１６８３９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来、空間光変調器（Spatial light modulator；ＳＬＭ）によって光の位相を変調する技術が知られている。液晶型の空間光変調器は、液晶層と、液晶層に沿って設けられた複数の画素電極とを備えている。画素電極に電圧が印加されると、その電圧の大きさに応じて液晶分子が回転し、液晶の複屈折率が変化する。この液晶層に光が入射すると、液晶層の内部において光の位相が変化し、該入射光に対して位相差を有する光が外部へ出射される。印加電圧の大きさと、電圧印加の前後における出射光の位相差、すなわち位相変調量との関係を表したものが、空間光変調器の位相変調特性である。位相変調特性において、位相変調量と印加電圧との関係は非線形である。そのような非線形の関係を容易に変換する為、位相変調量を表す階調値と印加電圧との対応関係を示すルックアップテーブル（Look Up Table；ＬＵＴ）が使用される。

【0005】

液晶層の温度が変化すると、位相変調量と印加電圧との関係が変動する。すなわち、或る一定の電圧を印加した場合であっても、その時の液晶層の温度によって、位相変調量が異なる。特許文献１に開示された空間光変調装置および空間光変調方法では、液晶層の基準温度に対する温度変化量と、液晶層における位相変調量の変動量との相関に基づき、温度センサにより検出された液晶層の温度を用いて印加電圧の大きさを補正する。

【0006】

しかしながら、多くの場合、温度センサは、例えば空間光変調器の光入射面とは反対側の裏面上といった、液晶層から離れた位置に配置される。したがって、液晶層と温度センサとの間に基板等の様々な構成要素が介在することとなり、温度センサにより検出される温度が液晶層の温度から乖離する。特に、液晶層に入射する光の強度が大きくなると、その光のエネルギーによって液晶層の温度が大きく上昇し、液晶層と温度センサとの間の温度の乖離が大きくなる。液晶層と温度センサとの間の温度の乖離が大きいと、温度センサにより検出された温度を用いても印加電圧の大きさを正しく補正することが困難になる。その結果、実際の位相変調量が、目標とする位相変調量からずれる。そのような現象は、空間光変調器が使用される用途によっては深刻な問題を生じる。例えば、レーザ加工において、レーザ光源から出力されるレーザ光を、空間光変調器を介して被加工物に照射する場合、位相変調量のずれは加工精度に大きな影響を及ぼす。また、顕微鏡または検眼鏡等に空間光変調器を使用する場合、その使用温度によっては有用な観察像が得られないおそれがある。

【0007】

本開示は、目標とする位相変調量からの実際の位相変調量のずれを低減することができる光変調装置および空間光変調器の制御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】

【0008】

［１］本開示の一実施形態による第１の光変調装置は、光源と、空間光変調器と、制御部と、を備える。光源は、設定強度に応じた強度を有する光を出力する。空間光変調器は、複数の画素電極と、液晶層と、駆動部と、冷却部と、を有する。複数の画素電極は、一次元または二次元に配列されている。液晶層は、各画素電極により形成される電界の大きさに応じて光の位相を変調する。駆動部は、複数の画素電極に電圧を印加する。冷却部は、液晶層の温度が設定温度に近づくように液晶層を冷却する。制御部は、冷却部の設定温度を決定する。制御部は、設定強度に基づいて設定温度を決定する。

【0009】

［２］本開示の一実施形態による空間光変調器の第１の制御方法は、空間光変調器を制御する方法である。空間光変調器は、複数の画素電極と、液晶層と、駆動部と、冷却部と、を有する。複数の画素電極は、一次元または二次元に配列されている。液晶層は、各画素電極により形成される電界の大きさに応じて光の位相を変調する。駆動部は、複数の画素電極に電圧を印加する。冷却部は、液晶層の温度が設定温度に近づくように液晶層を冷却する。第１の制御方法は、冷却部の設定温度を決定する決定ステップと、設定強度に応じた強度を有する光を液晶層に入力させる光入力ステップと、を含む。決定ステップでは、設定強度に基づいて設定温度を決定する。

【0010】

前述したように、液晶層に入射する光の強度が大きくなると、その光のエネルギーによって液晶層の温度が大きく上昇し、液晶層と温度センサとの間の温度の乖離が大きくなる。そこで、第１の光変調装置および第１の制御方法では、制御部が（または決定ステップにおいて）、液晶層の温度を所定温度に近づける際に、液晶層に入力される光の設定強度が大きいほど、冷却部の設定温度が所定温度よりも低くなるように、光の設定強度に基づいて冷却部の設定温度を決定する。これにより、液晶層に入射する光の強度の大小にかかわらず液晶層の温度を一定に近づけることができるので、印加電圧の大きさを正しく設定することが可能になり、実際の位相変調量を、目標とする位相変調量に精度良く近づけることができる。よって、第１の光変調装置および第１の制御方法によれば、目標とする位相変調量からの実際の位相変調量のずれを低減することができる。なお、第１の光変調装置および第１の制御方法においては、設定温度ではなく、例えば所定温度に基づいて、位相変調量と印加電圧の大きさとの関係が設定される。

【0011】

［３］上記［１］の第１の光変調装置において、制御部は、設定強度と設定温度との関係を示すデータテーブルを予め保持し、該データテーブルを用いて設定温度を決定してもよい。［４］或いは、上記［１］の第１の光変調装置において、制御部は、設定強度と設定温度との関係を示す計算式を予め保持し、該計算式を用いて設定温度を決定してもよい。これらのうち何れかの場合、制御部は、設定強度に応じて設定温度を決定することを容易にできる。同様に、［５］上記［２］の第１の制御方法の決定ステップでは、設定強度と設定温度との関係を示すデータテーブルを用いて設定温度を決定してもよい。［６］或いは、上記［２］の第１の制御方法の決定ステップでは、設定強度と設定温度との関係を示す計算式を用いて設定温度を決定してもよい。これらのうち何れかの場合、決定ステップにおいて、設定強度に応じて設定温度を決定することを容易にできる。

【0012】

［７］上記［１］、［３］及び［４］のうちいずれかの第１の光変調装置において、設定温度は設定強度に比例してもよい。［８］同様に、上記［２］、［５］及び［６］のうちいずれかの第１の制御方法において、設定温度は設定強度に比例してもよい。本発明者の知見によれば、温度センサにより検出される温度に対して、液晶層の温度は、液晶層に入力される光の強度に比例して乖離する。冷却部の設定温度が光の設定強度に比例するように決定されることによって、液晶層に入射する光の強度の大小にかかわらず液晶層の温度をより一定に近づけることが可能になり、実際の位相変調量を、目標とする位相変調量に更に精度良く近づけることができる。よって、目標とする位相変調量からの実際の位相変調量のずれを更に低減することができる。

【0013】

［９］本開示の一実施形態による第２の光変調装置は、光源と、空間光変調器と、制御部と、を備える。光源は、設定強度に応じた強度を有する光を出力する。空間光変調器は、複数の画素電極と、液晶層と、駆動部と、冷却部と、を有する。複数の画素電極は、一次元または二次元に配列されている。液晶層は、各画素電極により形成される電界の大きさに応じて光の位相を変調する。駆動部は、複数の画素電極に電圧を印加する。冷却部は、液晶層の温度が設定温度に近づくように液晶層を冷却する。制御部は、複数の画素電極に印加される電圧の大きさを決定する。制御部は、液晶層の各画素の位相を所定の位相に設定する際に、設定強度が大きいほど、所定の位相に対応する電圧が大きくなるように、電圧の大きさを決定する。

【0014】

［１０］本開示の一実施形態による空間光変調器の第２の制御方法は、空間光変調器を制御する方法である。空間光変調器は、複数の画素電極と、液晶層と、駆動部と、冷却部と、を有する。複数の画素電極は、一次元または二次元に配列されている。液晶層は、各画素電極により形成される電界の大きさに応じて光の位相を変調する。駆動部は、複数の画素電極に電圧を印加する。冷却部は、液晶層の温度が設定温度に近づくように液晶層を冷却する。第２の制御方法は、各画素電極に印加される電圧の大きさを決定する決定ステップと、設定強度に応じた強度を有する光を液晶層に入力させる光入力ステップと、を含む。決定ステップでは、液晶層の各画素の位相を所定の位相に設定する際に、設定強度が大きいほど、所定の位相に対応する電圧が大きくなるように、電圧の大きさを決定する。

【0015】

前述したように、液晶層に入射する光の強度が大きくなると、その光のエネルギーによって液晶層の温度が大きく上昇し、液晶層と温度センサとの間の温度の乖離が大きくなる。また、液晶の屈折率は温度が高くなるほど小さくなるので、或る大きさの電圧が印加された場合における液晶層による位相変調量は、液晶層の温度が高くなるほど（すなわち、液晶層に入力される光の強度が大きくなるほど）小さくなる。そこで、第２の光変調装置および第２の制御方法では、制御部が（または決定ステップにおいて）、液晶層の各画素の位相を所定の位相に設定する際に、液晶層に入力される光の設定強度が大きいほど、所定の位相に対応する電圧が大きくなるように、電圧の大きさを決定する。これにより、液晶層に入射する光の強度の変動に伴い液晶層の温度が変動したとしても、実際の位相変調量を、目標とする位相変調量に精度良く近づけることができる。よって、第２の光変調装置および第２の制御方法によれば、目標とする位相変調量からの実際の位相変調量のずれを低減することができる。

【0016】

［１１］上記［９］の第２の光変調装置において、制御部は、電圧の大きさと複数の階調値それぞれとの関係を示すルックアップテーブルにおいて使用される全階調数と設定強度との相関を示す相関データを有してもよい。制御部は、相関データを用いて、ルックアップテーブルにおいて使用される全階調数を設定強度に基づいて決定してもよい。この場合、制御部は、設定強度に応じて電圧の大きさを決定することを容易にできる。［１２］同様に、上記［１０］の第２の制御方法の決定ステップでは、電圧の大きさと複数の階調値それぞれとの関係を示すルックアップテーブルにおいて使用される全階調数と設定強度との相関を示す相関データを有してもよい。決定ステップでは、相関データを用いて、ルックアップテーブルにおいて使用される全階調数を設定強度に基づいて決定してもよい。この場合、決定ステップにおいて、設定強度に応じて電圧の大きさを決定することを容易にできる。

【0017】

［１３］上記［１１］の第２の光変調装置において、制御部は、液晶層による位相変調量とルックアップテーブルの各階調値との対応を示す参照データを有するとともに、位相変調量を示す入力値を光変調装置の外部から入力し、参照データを用いて入力値を階調値に変換してもよい。この場合、第２の光変調装置を使用する者が位相変調量を自在に設定することができる。［１４］同様に、上記［１２］の第２の制御方法の決定ステップでは、位相変調量を示す入力値を光変調装置の外部から入力し、液晶層による位相変調量とルックアップテーブルの各階調値との対応を示す参照データを用いて入力値を階調値に変換してもよい。この場合、第２の制御方法を使用する者が位相変調量を自在に設定することができる。

【0018】

［１５］上記［９］の第２の光変調装置において、制御部は、電圧の大きさと複数の階調値それぞれとの関係を示すとともに全階調数が互いに異なる複数のルックアップテーブルのうち使用されるルックアップテーブルを、全階調数と設定強度との相関を示す相関データを用いて、設定強度に基づいて決定してもよい。この場合、制御部は、設定強度に応じて電圧の大きさを決定することを容易にできる。［１６］同様に、上記［１０］の第２の制御方法の決定ステップでは、電圧の大きさと複数の階調値それぞれとの関係を示すとともに全階調数が互いに異なる複数のルックアップテーブルのうち使用されるルックアップテーブルを、全階調数と設定強度との相関を示す相関データを用いて、設定強度に基づいて決定してもよい。この場合、決定ステップにおいて、設定強度に応じて電圧の大きさを決定することを容易にできる。

【0019】

［１７］上記［１５］の第２の光変調装置において、制御部は、液晶層による位相変調量と複数のルックアップテーブルそれぞれの各階調値との対応を示す複数の参照データを有するとともに、位相変調量を示す入力値を光変調装置の外部から入力し、複数の参照データのうち前記使用されるルックアップテーブルに対応する参照データを用いて入力値を階調値に変換してもよい。この場合、第２の光変調装置を使用する者が位相変調量を自在に設定することができる。［１８］同様に、上記［１６］の第２の制御方法の決定ステップでは、位相変調量を示す入力値を光変調装置の外部から入力し、液晶層による位相変調量と複数のルックアップテーブルそれぞれの各階調値との対応を示す複数の参照データのうち前記使用されるルックアップテーブルに対応する参照データを用いて、入力値を階調値に変換してもよい。この場合、第２の制御方法を使用する者が位相変調量を自在に設定することができる。

【発明の効果】

【0020】

本開示によれば、目標とする位相変調量からの実際の位相変調量のずれを低減することができる光変調装置および空間光変調器の制御方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、本開示の第１実施形態に係る光変調装置の構成を概略的に示す図である。

【図2】図２は、光変調素子の断面構造を模式的に示す図である。

【図3】図３は、光入出射面の法線方向から複数の画素電極を見た図である。

【図4】図４は、空間光変調器を収容する容器の外観を示す斜視図である。

【図5】図５は、空間光変調器の構成を示す斜視図である。

【図6】図６は、ルックアップテーブルの例を示す図である。

【図7】図７は、光変調素子の位相変調量と画素電極への印加電圧との関係を調べるための試験装置の構成を概略的に示す図である。

【図8】図８は、位相変化量に対応する階調値と、パワーメータにおいて測定される光強度との関係の例を示すグラフである。

【図9】図９は、光変調素子に入力される階調値と位相変調量との関係を計測した結果を示すグラフである。

【図10】図１０は、階調値と位相変調量との関係を表したグラフである。

【図11】図１１は、液晶層の温度を２０℃及び２５℃に制御したときの階調値と位相変化量との関係を示すグラフである。

【図12】図１２は、冷却部の設定温度を２０℃及び２５℃とした場合の、試験光の光強度と光変調素子の最大位相変調量との関係の一例を示すグラフである。

【図13】図１３は、位相変調量を一定とすることができる、レーザ光の設定強度と冷却部の設定温度との関係の例を示すグラフである。

【図14】図１４は、第１実施形態による空間光変調器の制御方法を示すフローチャートである。

【図15】図１５は、階調値と位相変調量との関係の一例を示すグラフである。

【図16】図１６は、相関データの一例を示すグラフである。

【図17】図１７の（ａ）及び（ｂ）は、参照データの例を示す図である。

【図18】図１８は、第２実施形態による空間光変調器の制御方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、添付図面を参照しながら本開示による光変調装置および空間光変調器の制御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。
［第１実施形態］

【0023】

図１は、本開示の第１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１に示されるように、本実施形態の光変調装置１Ａは、光源３と、ミラー４と、結像光学系５と、集光レンズ６と、制御部７（制御部）と、空間光変調器１０と、を備える。本実施形態の光変調装置１Ａは、例えば、レーザ加工において、光源３から出力されるレーザ光Ｌａを、空間光変調器１０を介して被加工物である対象物Ｂに照射する。或いは、本実施形態の光変調装置１Ａは、例えば、蛍光顕微鏡などの顕微鏡において、光源３から出力されるレーザ光Ｌａを、空間光変調器１０を介して被観察物である対象物Ｂに照射する。

【0024】

光源３は、レーザ光Ｌａを出力する。光源３は、例えば、単一波長且つ直線偏光のレーザ光Ｌａを出力するように構成されている。また、光源３は、例えば、ピコ秒オーダまたはフェムト秒オーダといった極めて小さい時間幅を有するパルス波形を有するレーザ光Ｌａを繰り返し出力するように構成されている。レーザ光Ｌａの波長は例えば１０３０ｎｍである。レーザ光Ｌａのパルス幅は例えば１０ピコ秒である。レーザ光Ｌａのパルス繰返し周波数は例えば１ＭＨｚである。光源３は、レーザ光Ｌａの強度を変更できるように構成されており、光変調装置１Ａの外部または制御部７から設定強度を示す信号を入力し、その設定強度に応じた強度を有するレーザ光Ｌａを出力する。ここでいう強度とは、各パルスのピーク強度である。または、ここでいう強度とは、或る期間内の光強度の時間平均値であってもよい。

【0025】

ミラー４は、空間光変調器１０の光入出射面１１ａと対向して配置されている。ミラー４は、例えばプリズム型であり、２つの平坦な反射面４１，４２を有する。反射面４１は、光源３と空間光変調器１０の光入出射面１１ａとの間の光路上に配置され、光源３と光入出射面１１ａとを光学的に結合する。光源３から出力されたレーザ光Ｌａは、反射面４１によって反射されて光入出射面１１ａに達する。光入出射面１１ａへのレーザ光Ｌａの入射方向は、光入出射面１１ａの法線方向に対して傾斜している。反射面４２は、光入出射面１１ａと結像光学系５との間の光路上に配置され、光入出射面１１ａと結像光学系５とを光学的に結合する。光入出射面１１ａから出力された変調後のレーザ光Ｌｂは、反射面４２によって反射されて結像光学系５に達する。光入出射面１１ａからのレーザ光Ｌｂの出射方向は、光入出射面１１ａの法線方向に対してレーザ光Ｌａとは逆側に傾斜している。一例では、光源３と反射面４１との間の光軸のうち反射面４１寄りの部分は、反射面４２と結像光学系５との間の光軸のうち反射面４２寄りの部分と同一直線上に位置する。

【0026】

結像光学系５は、空間光変調器１０の光入出射面１１ａと集光レンズ６とを光学的に結合する。結像光学系５は、例えば一対のレンズ５１，５２を含んで構成されている。レンズ５１，５２は、反射面４２と集光レンズ６との間の光軸上に並んで配置されている。レンズ５１，５２は、例えば両側テレセントリック光学系を構成する。

【0027】

集光レンズ（対物レンズ）６は、空間光変調器１０の光入出射面１１ａから出力された変調後のレーザ光Ｌｂを、対象物Ｂに向けて集光する。集光レンズ６は、結像光学系５及び反射面４２を介して光入出射面１１ａと光学的に結合されている。

【0028】

空間光変調器１０は、光変調素子１１と、温度調整部１６と、外部制御基板１７（制御部）と、を有する。光変調素子１１は、一次元または二次元に配列された複数の画素を有し、光入出射面１１ａに入力されたレーザ光Ｌａの位相を画素毎に変調して、変調後のレーザ光Ｌｂを生成する。本実施形態の光変調素子１１は反射型の構成を有するが、光変調素子１１は透過型の構成を有してもよい。

【0029】

図２は、光変調素子１１の断面構造を模式的に示す図である。図２に示されるように、光変調素子１１は、ガラス基板１１２、透明導電膜１１３、複数の画素電極１１４、液晶層１１５、透明層（位相シフト層）１１６、誘電体多層膜（反射層）１１７、遮光層１１８、及び駆動回路層１１９（制御部）を有する。なお、透明層１１６は設けられなくてもよい。

【0030】

ガラス基板１１２は、表面１１２ａ及び裏面１１２ｂを有する。ガラス基板１１２の表面１１２ａは、光変調素子１１の光入出射面１１ａを構成する。ガラス基板１１２は、光入出射面１１ａ（表面１１２ａ）から入射したレーザ光Ｌａを、光変調素子１１の内部へ透過する。透明導電膜１１３は、ガラス基板１１２の裏面１１２ｂ上に設けられており、レーザ光Ｌａを透過する導電性材料（例えばＩＴＯ）を主に含んで構成されている。

【0031】

複数の画素電極１１４は、図３（光入出射面１１ａの法線方向から複数の画素電極１１４を見た図）に示されるように、一次元または二次元に配列されて光変調素子１１の複数の画素を構成する。各画素電極１１４は、例えばアルミニウムといった金属材料からなり、それらの表面は、平坦且つ滑らかに加工されている。複数の画素電極１１４は、駆動回路層１１９に設けられたアクティブ・マトリクス回路（駆動部）によって駆動される。アクティブ・マトリクス回路は、複数の画素電極１１４とシリコン基板１１０との間に設けられ、各画素に要求される位相変調量に応じた大きさの電圧を各画素電極１１４へ印加する。アクティブ・マトリクス回路は、例えばＸ軸方向に並んだ各画素列に電圧を印加する第１のドライバ回路と、Ｙ軸方向に並んだ各画素列に電圧を印加する第２のドライバ回路とを有しており、双方のドライバ回路によって指定された画素の画素電極１１４に電圧が印加される。

【0032】

液晶層１１５は、透明導電膜１１３と画素電極１１４との間に配置されており、各画素電極１１４によって形成される電界の大きさに応じてレーザ光Ｌａの位相を変調する。すなわち、アクティブ・マトリクス回路によって或る画素電極１１４に電圧が印加されると、透明導電膜１１３と画素電極１１４との間に電界が形成される。この電界は、誘電体多層膜１１７及び液晶層１１５のそれぞれに対し、各々の厚さに応じた割合で印加される。そして、液晶層１１５に印加された電界の大きさに応じて液晶分子の配列方向が変化する。レーザ光Ｌａがガラス基板１１２及び透明導電膜１１３を透過して液晶層１１５に入射すると、このレーザ光Ｌａは液晶層１１５を通過する間に液晶分子によって位相変調され、誘電体多層膜１１７によって反射された後、再び液晶層１１５により位相変調されてからレーザ光Ｌｂとして取り出される。

【0033】

なお、本実施形態において、液晶層１１５は配向膜１１５ａ，１１５ｂを含んで構成されている。配向膜１１５ａ，１１５ｂは、液晶層１１５の両端面に形成されており、液晶分子群を一定方向に配列させる。配向膜１１５ａ，１１５ｂは、例えばポリイミドといった高分子材料からなり、液晶層１１５との接触面にラビング処理等が施されたものが適用される。

【0034】

透明層１１６は、液晶層１１５の界面において、ガラス基板１１２側から入射したレーザ光Ｌａ、および誘電体多層膜１１７により反射されたレーザ光Ｌａのピーク同士が互いに重畳しないように位相をシフトさせる。透明層１１６の光学膜厚は、入射光の波長以上に設定される。或いは、透明層１１６の光学膜厚は、入射光のパルス幅をτ、光の速さをｃとして（τ×ｃ）／３０以上に設定される。透明層１１６の構成材料には、例えばＳｉＯ_２及び／またはＮｂ_２Ｏ_５が主に含まれる。なお、前述した通り、透明層１１６は設けられなくてもよい。

【0035】

誘電体多層膜１１７は、液晶層１１５と遮光層１１８との間（透明層１１６が設けられる場合には、透明層１１６と遮光層１１８との間）に設けられている。誘電体多層膜１１７は、レーザ光Ｌａを例えば９９％超といった高反射率で反射する。誘電体多層膜１１７の構成材料としては、例えばＳｉＯ_２とＴｉＯ_２とが交互に積層されたものが挙げられるが、特にこれに限定されるものではなく、ＴｉＯ_２に代えてＨｆＯ_２を採用したり、ＳｉＯ_２に代えてＭｇＦ_２を採用したりするなど適宜変更してもよい。

【0036】

遮光層１１８は、誘電体多層膜１１７と画素電極１１４との間に配置されており、複数の画素電極１１４の表面上に直接形成されている。遮光層１１８は、光漏れの発生を抑制する。

【0037】

図４は、空間光変調器１０を収容する容器２０の外観を示す斜視図である。図４に示される容器２０は、筐体２１と、放熱器（ヒートシンク）２２と、ファン２３とを有する。筐体２１は、略直方体状または略立方体状の中空容器であり、例えば金属製である。筐体２１は、或る方向Ｄ１に並ぶ一対の側面２１ａ，２１ｂのそれぞれに、光学窓２１ｃを有する（図には側面２１ａの光学窓２１ｃのみ示す）。側面２１ａの光学窓２１ｃは、側面２１ｂの光学窓２１ｃと方向Ｄ１において対向している。筐体２１は、方向Ｄ１と交差する方向Ｄ２に並ぶ一対の側面２１ｄ，２１ｅを有する。放熱器２２及びファン２３は、側面２１ｄ，２１ｅのうち一方の側面２１ｄに取り付けられている。放熱器２２は、複数の突起を外面に有し、側面２１ｄに形成された矩形状の開口２１ｆに挿通された状態で固定されている。ファン２３は、放熱器２２の外面を覆うように配置され、側面２１ｄに固定されている。ファン２３は、放熱器２２の外面に風を送って放熱器２２を冷却する。

【0038】

図５は、空間光変調器１０の構成を示す斜視図である。空間光変調器１０は、上述したミラー４とともに、容器２０に収容されている。図５に示される空間光変調器１０は、光変調素子１１と、基板１２と、金属ブロック１３と、温度センサ１４と、冷却部１５と、を有する。

【0039】

基板１２は、第１面１２ａ及び第２面１２ｂを有する。第１面１２ａは、ミラー４と対向している。第２面１２ｂは、第１面１２ａと反対を向いており、放熱器２２と対向している。光変調素子１１は、光入出射面１１ａ（図２を参照）がミラー４と対向するように、基板１２の第１面１２ａ上に実装されている。

【0040】

基板１２には、略矩形状の開口１２ｃが形成されている。第１面１２ａ及び第２面１２ｂの法線方向から見て、開口１２ｃは光変調素子１１と重なる。開口１２ｃからは、光変調素子１１の裏面（光入出射面１１ａとは反対側の面）１１ｂが露出している。金属ブロック１３は、開口１２ｃに配置され、光変調素子１１の裏面１１ｂと熱的に結合されるか又は接している。金属ブロック１３は例えば銅ブロックである。

【0041】

温度センサ１４及び冷却部１５は、図１に示された温度調整部１６を構成する。温度センサ１４は、光変調素子１１が有する液晶層１１５（図２を参照）の周辺温度を検出する。温度センサ１４は、例えばサーミスタであり、液晶層１１５の周辺温度に応じて抵抗値を変化させる。図示例では、温度センサ１４は金属ブロック１３の内部に配置されているが、温度センサ１４は、光変調素子１１の近傍に配置されればよく、金属ブロック１３の外部（例えば基板１２上など）に配置されてもよい。なお、本開示においては、液晶層１１５の温度とは、液晶層１１５の実際の温度だけに限らず、液晶層１１５の周辺温度も含む。

【0042】

冷却部１５は、光変調素子１１との間に金属ブロック１３を挟む位置に配置されている。冷却部１５は、例えばペルチェ素子を含む。ペルチェ素子の吸熱面は、金属ブロック１３と熱的に結合されるか又は接している。ペルチェ素子の放熱面は、放熱器２２の内面（複数の突起が設けられた外面とは反対の面）と熱的に結合されるか又は接している。冷却部１５は、光変調素子１１（特に液晶層１１５）を冷却する。冷却部１５は、例えば基板１２上に設けられた制御ドライバ回路によって制御され、温度センサ１４により検出される温度が設定温度に近づくように、金属ブロック１３を通じて液晶層１１５を冷却する。これにより、液晶層１１５の実際の温度も設定温度に近づく。

【0043】

光源３（図１を参照）から出力されたレーザ光Ｌａは、筐体２１の側面２１ｂの光学窓２１ｃを通過して、ミラー４の反射面４１に達する。レーザ光Ｌａは、反射面４１によって反射され、光変調素子１１の光入出射面１１ａに入射する。光変調素子１１は、レーザ光Ｌａの位相を画素毎に変調する。光変調素子１１から出力された変調後のレーザ光Ｌｂは、ミラー４の反射面４２によって反射され、筐体２１の側面２１ａの光学窓２１ｃを通過して、筐体２１の外部（図１に示される結像光学系５）へ出力される。

【0044】

再び図１を参照して、本実施形態の制御部７について説明する。制御部７は、物理的には、プロセッサ（ＣＰＵ）、ＲＯＭ及びＲＡＭ等の主記憶装置、キーボード、マウス及びタッチスクリーン等の入力デバイス、ディスプレイ（タッチスクリーン含む）等の出力デバイス、ハードディスク等の補助記憶装置などを含む、通常のコンピュータとして構成され得る。制御部７は、光源３、光変調素子１１及び温度調整部１６と電気的に接続されている。制御部７は、外部制御基板１７を介して、レーザ光Ｌａの設定強度に関する情報Ａ１を光源３に提供するか、または、レーザ光Ｌａの設定強度に関する情報Ａ１を光源３から受け取る。加えて、制御部７は、外部制御基板１７を介して、光変調素子１１の複数の画素それぞれにおいて目標とされる位相変調量を示す階調値に関する情報Ａ２を光変調素子１１に提供する。加えて、制御部７は、外部制御基板１７を介して、冷却部１５の設定温度に関する情報Ａ３を温度調整部１６の制御ドライバ回路に提供する。

【0045】

一般的に、光変調素子１１の各画素の位相変調量は、各画素電極１１４に印加される電圧の大きさに対して非線形の関係を有する。そのため、外部制御基板１７は、制御部７から入力される階調値を電圧の大きさに変換するためのルックアップテーブルを有し、このルックアップテーブルを用いて当該階調値をアナログ電圧値に変換し、駆動回路層１１９に入力する。図６は、ルックアップテーブルの例を示す図である。階調値は、全階調数がＮ（０からＮ－１）のデジタル信号であり、本実施形態ではＮ＝２５６である。０からＮ－１までの全Ｎ階調の画素入力値が０から２πまでの１周期分の位相変調量を示す。図６には参考のため位相変調量も示されているが、駆動回路層１１９は位相変調量に関する情報を有していない。駆動回路層１１９は、各画素について入力されたアナログ電圧値に基づいて各画素の画素電極１１４に電圧を印加する。後述するように、液晶層１１５の屈折率は温度が高くなるほど小さくなるので、或る大きさの電圧が印加された場合における液晶層１１５による位相変調量は、液晶層１１５の温度が高くなるほど小さくなる。したがって、外部制御基板１７は、液晶層１１５の温度毎に異なるルックアップテーブルを有する。なお、駆動回路層１１９が、ルックアップテーブルを有してもよい。この場合、駆動回路層１１９は、ルックアップテーブルを用いて、制御部７から入力される階調値をアナログ電圧値に変換する。そして、駆動回路層１１９は、変換されたアナログ電圧値に基づいて、各画素の画素電極１１４に電圧を印加する。または、制御部７が、ルックアップテーブルを有してもよい。この場合、制御部７は、ルックアップテーブルを用いて、階調値をアナログ電圧値に変換する。そして、駆動回路層１１９は、制御部７から入力されるアナログ電圧値に基づいて、各画素の画素電極１１４に電圧を印加する。

【0046】

図７は、光変調素子１１の位相変調量と画素電極１１４への印加電圧との関係を調べるための試験装置２の構成を概略的に示す図である。試験装置２は、レーザ光源３１と、１／２波長板３２と、偏光ビームスプリッタ３３と、光吸収体３４と、ビームエキスパンダ３５と、誘電体ミラー３６ａと、誘電体ミラー３６ｂと、ホモジナイザ３７と、偏光ビームスプリッタ３８と、光吸収体３９と、アパーチャ４０と、パワーメータ４３とを備える。

【0047】

レーザ光源３１は、レーザ光Ｌａを模擬する試験光Ｌｃを出力する。試験光Ｌｃは、１／２波長板３２を通過したのちに偏光ビームスプリッタ３３に入射する。試験光Ｌｃの偏光方向が１／２波長板３２において調整され、試験光Ｌｃのうち所定の偏光方向を有する成分のみが偏光ビームスプリッタ３３を通過する。試験光Ｌｃのうち該成分を除く他の成分は、偏光ビームスプリッタ３３によって反射され、光吸収体３４に吸収される。１／２波長板３２及び偏光ビームスプリッタ３３によって、試験光Ｌｃの偏光方向は、光変調素子１１の液晶層１１５における液晶の配向方向に対して４５°回転する。

【0048】

ビームエキスパンダ３５は、光変調素子１１の変調面の大きさ（例えば１６ｍｍ×１２．８ｍｍ）に試験光Ｌｃのビーム径を適合させるために、試験光Ｌｃのビーム径を拡大する。拡大前の試験光Ｌｃのビーム径は例えば７ｍｍである。拡大後の試験光Ｌｃのビーム径は、光変調素子１１の変調面の大きさが例えば１６ｍｍ×１２．８ｍｍである場合、例えば１１ｍｍである。ビームエキスパンダ３５は、例えば凹レンズと凸レンズとの組み合わせによって構成され得る。ビーム径拡大後の試験光Ｌｃは、誘電体ミラー３６ａ及び３６ｂによってホモジナイザ３７に導かれる。試験光Ｌｃは、ホモジナイザ３７によって、特定形状（例えば円形）の領域内に、均一な光強度分布を有するものとなる。

【0049】

容器２０に収容されたミラー４は、ホモジナイザ３７と偏光ビームスプリッタ３８との間の光軸上に配置される。ホモジナイザ３７から出力された試験光Ｌｃは、ミラー４によって反射され、光変調素子１１に入力される。このとき、光変調素子１１により与えられる位相変調量に応じて、変調後の試験光Ｌｄの偏光方向が回転する。光変調素子１１から出力された変調後の試験光Ｌｄは、ミラー４によって反射され、偏光ビームスプリッタ３８に達する。試験光Ｌｃのうち所定の偏光方向成分が偏光ビームスプリッタ３８を通過し、その後にアパーチャ４０を通過して、パワーメータ４３に入力される。アパーチャ４０の開口径は例えば６ｍｍである。試験光Ｌｃのうち所定の偏光成分を除く他の成分は、偏光ビームスプリッタ３８によって反射され、光吸収体３９に吸収される。パワーメータ４３は、アパーチャ４０を通過した試験光Ｌｃの光強度を計測する。この試験装置２では、光変調素子１１により与えられる位相変調量に応じて、偏光ビームスプリッタ３８及びアパーチャ４０を通過し得る試験光Ｌｃの偏光成分の光量が変化するので、光変調素子１１における位相変化量がパワーメータ４３における強度変化量として観測される。

【0050】

図８は、位相変化量に対応する階調値と、パワーメータ４３において測定される光強度との関係の例を示すグラフである。パワーメータ４３において測定される光強度Ｉは、下記の数式（１）によって表される。なお、θは位相変調量であり、Ｉ_ｎは定数である。

【数1】

【0051】

図９は、パルス幅が１０ピコ秒、波長が１０３０ｎｍ、繰返し周波数が１ＭＨｚである試験光Ｌｃを用いて、光変調素子１１に入力される階調値と位相変調量との関係を計測した結果を示すグラフである。横軸は階調値を表し、縦軸は位相変調量（ｒａｄ）を表す。図９に示されるように、階調値と位相変調量とはほぼ線形の関係を有する。図１０は、横軸を位相変調量（ｒａｄ）とし、縦軸を階調値として、上記の階調値と位相変調量との関係を表したグラフである。この図１０に示されるグラフを多項式で近似することによって、目標とする位相変調量を得るための階調値を求めることができる。例えば、図１０に示されるグラフを１次関数で近似すると下記の数式（２）が得られる。

【数2】

数式（２）より、例えば２π（ｒａｄ）の位相変調量を得るための階調値として、２×１１７＝２３４が求められる。

【0052】

ここで、液晶層１１５の温度は、環境温度の変化もしくはレーザ光Ｌａの照射に伴って変動する。液晶層１１５の屈折率は液晶層１１５の温度が高くなるほど小さくなるので、或る大きさの電圧が印加された場合における液晶層１１５による位相変調量は、液晶層１１５の温度が高くなるほど小さくなる。図１１は、一例として、液晶層１１５の温度を２０℃及び２５℃に制御したときの階調値と位相変化量との関係を示すグラフである。図１１に示されるように、液晶層１１５の温度が高いほど、或る階調値に対する位相変化量が小さくなる。そこで、冷却部１５が液晶層１１５の温度を設定温度に近づけることにより、液晶層１１５の温度を一定とする。これにより、位相変調量を精度良く制御することができる。

【0053】

しかしながら、本実施形態の温度センサ１４は、金属ブロック１３の内部に配置されている。このように、多くの場合、温度センサ１４は、液晶層１１５から離れた位置に配置される。したがって、液晶層１１５と温度センサ１４との間にシリコン基板１１０、誘電体多層膜１１７、及び駆動回路層１１９といった様々な構成要素が介在することとなり、温度センサ１４により検出される温度が液晶層１１５の温度から乖離する。特に、液晶層１１５に入射するレーザ光Ｌａの強度が大きくなると、レーザ光Ｌａのエネルギーによって液晶層１１５の温度が大きく上昇し、液晶層１１５と温度センサ１４との間の温度の乖離が大きくなる。液晶層１１５と温度センサ１４との間の温度の乖離が大きいと、温度センサ１４により検出された液晶層１１５の温度を用いても印加電圧の大きさを正しく設定することが困難になる。その結果、実際の位相変調量が、目標とする位相変調量からずれることとなる。

【0054】

そこで、本実施形態の制御部７は、レーザ光Ｌａの設定強度に基づいて、冷却部１５の設定温度を決定する。すなわち、制御部７は、液晶層１１５の温度を所定温度に近づける際に、レーザ光Ｌａの設定強度が大きいほど冷却部１５の設定温度が該所定温度よりも低くなるように、レーザ光Ｌａの設定強度に基づいて冷却部１５の設定温度を決定する。言い換えると、制御部７は、液晶層１１５の温度を所定温度に近づける際に、冷却部１５の設定温度が該所定温度よりも低くなるように、且つ、冷却部１５の設定温度と該所定温度との差が、レーザ光Ｌａの設定強度が大きいほど大きくなるように、レーザ光Ｌａの設定強度に基づいて冷却部１５の設定温度を決定する。なお、ルックアップテーブルは、冷却部１５の設定温度ではなく、例えば室温などの所定温度（若しくは、レーザ光Ｌａの設定強度がゼロであると仮定したときの冷却部１５の設定温度）における位相変調量と印加電圧の大きさとの関係を示す。

【0055】

具体的には、制御部７は、レーザ光Ｌａの設定強度と冷却部１５の設定温度との関係を示すデータテーブルを予め保持しており、既知であるレーザ光Ｌａの設定強度に基づいて該データテーブルを参照することにより、冷却部１５の設定温度を決定する。或いは、制御部７は、レーザ光Ｌａの設定強度と冷却部１５の設定温度との関係を示す計算式（例えば後述する数式（３））を予め保持しており、既知であるレーザ光Ｌａの設定強度を該計算式に適用することにより、冷却部１５の設定温度を決定する。なお、計算式を保持するとは、計算式に含まれる係数を保持することを意味する。

【0056】

図１２は、冷却部１５の設定温度を２０℃及び２５℃とした場合の、試験光Ｌｃの光強度と光変調素子１１の最大位相変調量との関係の一例を示すグラフである。図１２において、横軸は試験光Ｌｃの光強度（Ｗ）を表し、縦軸は最大位相変調量（πｒａｄ）を表す。図中のプロットＰ１は、冷却部１５の設定温度を２０℃とした場合の最大位相変調量の実測値を示し、Ｑ１はその近似直線である。図中のプロットＰ２は、冷却部１５の設定温度を２５℃とした場合の最大位相変調量の実測値を示し、Ｑ２はその近似直線である。なお、図中には、冷却部１５の設定温度を２３℃とした場合の近似直線Ｑ３も併せて示されている。

【0057】

図１２から明らかなように、冷却部１５の設定温度が同一である条件下では、試験光Ｌｃの光強度が大きくなるほど、光変調素子１１の最大位相変調量は小さくなる。そして、試験光Ｌｃの光強度と、光変調素子１１の最大位相変調量とは、ほぼ線形の関係を有する。また、試験光Ｌｃの光強度が同一である条件下では、冷却部１５の設定温度が大きいほど、最大位相変調量は小さくなる。例えば、この例において、設定温度が２５℃であり試験光Ｌｃの光強度が１０Ｗであるときの最大位相変調量は２．１０５π（ｒａｄ）である。設定温度が２５℃であり試験光Ｌｃの光強度が７５Ｗであるときの最大位相変調量は２．０６６π（ｒａｄ）である。設定温度が２０℃であり試験光Ｌｃの光強度が１０Ｗであるときの最大位相変調量は２．１９３π（ｒａｄ）である。設定温度が２０℃であり試験光Ｌｃの光強度が７５Ｗであるときの最大位相変調量は２．１６７π（ｒａｄ）である。このことから、レーザ光Ｌａの光強度が変動する場合であっても、冷却部１５の設定温度を制御することにより、光変調素子１１の最大位相変調量を補正することが可能であることがわかる。すなわち、各温度に対応する近似直線Ｑ１～Ｑ３の隙間を補完し、レーザ光Ｌａの設定強度の変更に対応して冷却部１５の設定温度を変更することによって、レーザ光Ｌａの設定強度を変えた場合でも位相変調量を安定させることができる。

【0058】

図１３は、位相変調量を一定とすることができる、レーザ光Ｌａの設定強度と冷却部１５の設定温度との関係の例を示すグラフである。同図において、横軸はレーザ光Ｌａの設定強度（Ｗ）を表し、縦軸は冷却部１５の設定温度（℃）を表す。図中のプロットＰ４は、位相変調量を一定としたときの設定強度に対する設定温度の値の実測値を示す。図中のＱ４はその近似直線である。近似直線Ｑ４は、例えば下記の数式（３）により得られる。なお、Ｔは冷却部１５の設定温度（℃）であり、Ｉはレーザ光Ｌａの設定強度（Ｗ）である。

【数3】

数式（３）から明らかなように、冷却部１５の設定温度はレーザ光Ｌａの設定強度に比例する。数式（３）より、例えばレーザ光Ｌａの設定強度が１０Ｗであるときには冷却部１５の設定温度を２４．５℃とし、レーザ光Ｌａの設定強度が７５Ｗであるときには冷却部１５の設定温度を２３℃とすることによって、それぞれの位相変調量がほぼ等しくなる。

【0059】

なお、レーザ光Ｌａの設定強度に対する液晶層１１５の温度の上昇度合いはレーザ光Ｌａの条件（パルス幅、波長、及び繰り返し周波数等）により異なる。よって、レーザ光Ｌａの設定強度に対する位相変調量の変動の度合いもまた、レーザ光Ｌａの態様により異なる。従って、レーザ光Ｌａの設定強度と冷却部１５の設定温度との関係を示すデータテーブル、またはレーザ光Ｌａの設定強度と冷却部１５の設定温度との関係を示す計算式は、レーザ光Ｌａの条件の組み合わせの数に応じて複数用意されてもよい。

【0060】

図１４は、本実施形態による空間光変調器１０の制御方法を示すフローチャートである。まず、制御部７は、液晶層１１５の温度を所定温度に近づける際に、レーザ光Ｌａの設定強度が大きいほど設定温度が所定温度よりも低くなるように、レーザ光Ｌａの設定強度に基づいて冷却部１５の設定温度を決定する（決定ステップＳ１１）。このとき、制御部７は、レーザ光Ｌａの設定強度と冷却部１５の設定温度との関係を示すデータテーブルを参照しつつ、既知であるレーザ光Ｌａの設定強度に基づいて、冷却部１５の設定温度を決定する。或いは、制御部７は、既知であるレーザ光Ｌａの設定強度を、レーザ光Ｌａの設定強度と冷却部１５の設定温度との関係を示す計算式に適用することにより、冷却部１５の設定温度を決定する。

【0061】

続いて、上記の設定強度に応じた強度を有するレーザ光Ｌａが、光変調素子１１の液晶層１１５に入力される（光入力ステップＳ１２）。レーザ光Ｌａは液晶層１１５において画素毎に位相変調され、変調後のレーザ光Ｌｂが光変調素子１１から出力される。

【0062】

以上に説明した、本実施形態による光変調装置１Ａ、及び本実施形態による空間光変調器１０の制御方法によって得られる効果をまとめると次のとおりである。本実施形態の光変調装置１Ａ、および本実施形態による空間光変調器１０の制御方法では、制御部７が（または決定ステップＳ１１において）、液晶層１１５の温度を所定温度に近づける際に、液晶層１１５に入力されるレーザ光Ｌａの設定強度が大きいほど、冷却部１５の設定温度が所定温度よりも低くなるように、レーザ光Ｌａの設定強度に基づいて冷却部１５の設定温度を決定する。これにより、液晶層１１５に入射するレーザ光Ｌａの強度の大小にかかわらず液晶層１１５の温度を一定に近づけることができるので、共通のルックアップテーブルを用いても、印加電圧の大きさを正しく設定することが可能になり、実際の位相変調量を、目標とする位相変調量に精度良く近づけることができる。よって、本実施形態の光変調装置１Ａ、および本実施形態による空間光変調器１０の制御方法によれば、目標とする位相変調量からの実際の位相変調量のずれを低減することができる。また、後述する第２実施形態と異なり、レーザ光Ｌａの強度の大小にかかわらず、位相変調量と階調値との対応を示す参照データ（図１７を参照）を共通して用いることができる。

【0063】

本実施形態のように、制御部７は、レーザ光Ｌａの設定強度と冷却部１５の設定温度との関係を示すデータテーブルを予め保持し、該データテーブルを用いて設定温度を決定してもよい。或いは、制御部７は、レーザ光Ｌａの設定強度と冷却部１５の設定温度との関係を示す計算式を予め保持し、該計算式を用いて設定温度を決定してもよい。これらのうち何れかの場合、制御部７は、レーザ光Ｌａの設定強度に応じて冷却部１５の設定温度を決定することを容易にできる。同様に、決定ステップＳ１１において、レーザ光Ｌａの設定強度と冷却部１５の設定温度との関係を示すデータテーブルを用いて冷却部１５の設定温度を決定してもよい。或いは、決定ステップＳ１１において、レーザ光Ｌａの設定強度と冷却部１５の設定温度との関係を示す計算式を用いて冷却部１５の設定温度を決定してもよい。これらのうち何れかの場合、決定ステップＳ１１において、レーザ光Ｌａの設定強度に応じて冷却部１５の設定温度を決定することを容易にできる。なお、制御部７の機能を外部制御基板１７或いは光変調素子１１の駆動回路層１１９に持たせてもよい。

【0064】

本実施形態のように、冷却部１５の設定温度はレーザ光Ｌａの設定強度に比例してもよい。本発明者の知見によれば、温度センサ１４により検出される温度に対して、液晶層１１５の温度は、液晶層１１５に入力されるレーザ光Ｌａの強度に比例して乖離する。冷却部１５の設定温度がレーザ光Ｌａの設定強度に比例するように決定されることによって、液晶層１１５に入射するレーザ光Ｌａの強度の大小にかかわらず液晶層１１５の温度をより一定に近づけることが可能になり、実際の位相変調量を、目標とする位相変調量に更に精度良く近づけることができる。よって、目標とする位相変調量からの実際の位相変調量のずれを更に低減することができる。
［第２実施形態］

【0065】

続いて、本開示の第２実施形態について説明する。本実施形態では、制御部７が、冷却部１５の設定温度を決定する代わりに、複数の画素電極１１４に印加される電圧の大きさを決定する。すなわち、制御部７は、液晶層１１５の各画素の位相を所定の位相に設定する際に、レーザ光Ｌａの設定強度が大きいほど、所定の位相に対応する電圧が大きくなるように、複数の画素電極１１４に印加される電圧の大きさを決定する。

【0066】

図１５は、階調値と位相変調量との関係の一例を示すグラフである。横軸は階調値を表し、縦軸は位相変調量（πｒａｄ）を表す。同図には、レーザ光Ｌａの光強度が１０Ｗであるときの関係を示す近似直線Ｑ５と、レーザ光Ｌａの光強度が１００Ｗであるときの関係を示す近似直線Ｑ６とが示されている。図１５から明らかなように、階調値が同じである場合、レーザ光Ｌａの光強度が大きくなるに従って位相変調量は小さくなる。これは、第１実施形態において説明したように、レーザ光Ｌａの光強度が大きいほど液晶層１１５の温度が冷却部１５の設定温度から乖離して上昇し、その分だけ液晶層１１５の屈折率が小さくなることに因る。そこで、本実施形態では、レーザ光Ｌａの設定強度が大きいほど、所定の位相に対応する印加電圧を大きくして、レーザ光Ｌａの設定強度の変動にかかわらず位相変調量を一定に保つ。

【0067】

具体的には、制御部７は、外部制御基板１７が保持する、画素電極１１４への印加電圧の大きさと複数の階調値それぞれとの関係を示すルックアップテーブル（例えば図６を参照）において使用される全階調数と、レーザ光Ｌａの設定強度との相関を示す相関データを予め保持する。図１６は、そのような相関データの一例を示すグラフである。同図において、横軸はレーザ光Ｌａの光強度を表し、縦軸は全階調数を表す。図中において、プロットＰ７は、位相変調量を一定としたときの、レーザ光Ｌａの設定強度に対する階調値の実測値を示す。図中のＱ７はその近似直線である。図１６に示されるように、位相変調量を一定とした場合、レーザ光Ｌａの設定強度と階調値とは、ほぼ線形の関係を有する。制御部７は、このような相関データを用いて、外部制御基板１７が保持するルックアップテーブルにおいて使用される全階調数を、レーザ光Ｌａの設定強度に基づいて決定する。

【0068】

また、制御部７は、液晶層１１５による位相変調量とルックアップテーブルの各階調値との対応を示す参照データを有する。図１７の（ａ）及び（ｂ）は、そのような参照データの例を示す図である。図１７の（ａ）に示される参照データは、全階調数が２４５である場合における、位相変調量０（ｒａｄ）～２．１π（ｒａｄ）の各値と階調値０～２４４の各値との対応関係を示す。図１７の（ｂ）に示される参照データは、全階調数が２５１である場合における、位相変調量０（ｒａｄ）～２．１π（ｒａｄ）の各値と階調値０～２５０の各値との対応関係を示す。制御部７は、図１６に示される相関データを参照して、レーザ光Ｌａの設定強度が７０Ｗである場合には全階調数を２４５とし、図１７の（ａ）に示される参照データを使用する。また、制御部７は、図１６に示される相関データを参照して、レーザ光Ｌａの設定強度が１４０Ｗである場合には全階調数を２５１とし、図１７の（ｂ）に示される参照データを使用する。

【0069】

本実施形態の制御部７は、目標とする位相変調量を示す入力値を、光変調装置１Ａの外部から入力する。制御部７は、図１７に示された参照データを用いて、その入力値を階調値に変換する。制御部７は、変換した階調値を光変調素子１１に提供する。光変調素子１１は、ルックアップテーブルを利用して、その階調値に応じた印加電圧を決定し、該印加電圧を画素電極１１４に印加する。

【0070】

図１８は、本実施形態による空間光変調器１０の制御方法を示すフローチャートである。まず、制御部７は、液晶層１１５の各画素の位相を所定の位相に設定する際に、レーザ光Ｌａの設定強度が大きいほど、所定の位相に対応する電圧が大きくなるように、各画素電極１１４に印加される電圧の大きさを決定する（決定ステップＳ２１）。このとき、制御部７は、印加電圧の大きさと複数の階調値それぞれとの関係を示すルックアップテーブル（例えば図６を参照）において使用される全階調数と、レーザ光Ｌａの設定強度との相関を示す相関データ（例えば図１６を参照）を用いて、ルックアップテーブルにおいて使用される全階調数を、レーザ光Ｌａの設定強度に基づいて決定する。更に、制御部７は、液晶層１１５による位相変調量とルックアップテーブルの各階調値との対応を示す参照データ（例えば図１７を参照）を有するとともに、位相変調量を示す入力値を光変調装置１Ａの外部から入力し、参照データを用いて入力値を階調値に変換する。

【0071】

続いて、上記の設定強度に応じた強度を有するレーザ光Ｌａが、光変調素子１１の液晶層１１５に入力される（光入力ステップＳ２２）。レーザ光Ｌａは液晶層１１５において画素毎に位相変調され、変調後のレーザ光Ｌｂが光変調素子１１から出力される。

【0072】

以上に説明した、本実施形態による光変調装置１Ａ、及び本実施形態による空間光変調器１０の制御方法によって得られる効果をまとめると次のとおりである。前述したように、液晶層１１５に入射するレーザ光Ｌａの強度が大きくなると、レーザ光Ｌａのエネルギーによって液晶層１１５の温度が大きく上昇し、液晶層１１５と温度センサ１４との間の温度の乖離が大きくなる。また、液晶の屈折率は温度が高くなるほど小さくなるので、或る大きさの電圧が印加された場合における液晶層１１５による位相変調量は、液晶層１１５の温度が高くなるほど（すなわち、液晶層１１５に入力されるレーザ光Ｌａの強度が大きくなるほど）小さくなる。そこで、本実施形態の光変調装置１Ａ、および本実施形態による空間光変調器１０の制御方法では、制御部７が（または決定ステップＳ２１において）、液晶層１１５の各画素の位相を所定の位相に設定する際に、レーザ光Ｌａの設定強度が大きいほど、所定の位相に対応する電圧が大きくなるように、各画素電極１１４に印加される電圧の大きさを決定する。これにより、レーザ光Ｌａの強度の変動に伴い液晶層１１５の温度が変動したとしても、実際の位相変調量を、目標とする位相変調量に精度良く近づけることができる。よって、本実施形態による光変調装置１Ａ、及び本実施形態による空間光変調器１０の制御方法によれば、目標とする位相変調量からの実際の位相変調量のずれを低減することができる。

【0073】

本実施形態のように、制御部７は（または決定ステップＳ２１において）、各画素電極１１４に印加される電圧の大きさと複数の階調値それぞれとの関係を示すルックアップテーブルにおいて使用される全階調数と、レーザ光Ｌａの設定強度との相関を示す相関データを用いて、ルックアップテーブルにおいて使用される全階調数を、レーザ光Ｌａの設定強度に基づいて決定してもよい。この場合、制御部７は（または決定ステップＳ２１において）、レーザ光Ｌａの設定強度に応じて印加電圧の大きさを決定することを容易にできる。

【0074】

本実施形態のように、制御部７は（または決定ステップＳ２１において）、位相変調量を示す入力値を光変調装置１Ａの外部から入力し、液晶層１１５による位相変調量とルックアップテーブルの各階調値との対応を示す参照データを用いて、入力値を階調値に変換してもよい。この場合、光変調装置１Ａ（またはこの制御方法）を使用する者が、位相変調量を自在に設定することができる。なお、本実施形態においても、制御部７の機能を外部制御基板１７或いは光変調素子１１の駆動回路層１１９に持たせてもよい。
［変形例］

【0075】

上述した第２実施形態では、制御部７が、ルックアップテーブルにおいて使用される全階調数とレーザ光Ｌａの設定強度との相関を示す相関データを用いて、全階調数をレーザ光Ｌａの設定強度に基づいて決定している。これに対し、本変形例では、制御部７が、全階調数が互いに異なる複数のルックアップテーブルを保持する。なお、制御部７が、全階調数とレーザ光Ｌａの設定強度との相関を示す相関データを有する点は、第２実施形態と同じである。本変形例の制御部７は、相関データを用いて、複数のルックアップテーブルのうち使用されるルックアップテーブルを、レーザ光Ｌａの設定強度に基づいて決定し、該ルックアップテーブルを外部制御基板１７に提供する。そして、制御部７は、第２実施形態と同様に、位相変調量を示す入力値を光変調装置１Ａの外部から入力する。制御部７は、液晶層１１５による位相変調量と複数のルックアップテーブルそれぞれの各階調値との対応を示す複数の参照データを保持し、複数の参照データのうち、使用されるルックアップテーブルに対応する参照データを用いて、入力値を階調値に変換する。

【0076】

本変形例のように、制御部７は（または決定ステップＳ２１において）、全階調数が互いに異なる複数のルックアップテーブルのうち使用されるルックアップテーブルを、全階調数とレーザ光Ｌａの設定強度との相関を示す相関データを用いて、レーザ光Ｌａの設定強度に基づいて決定してもよい。この場合、制御部７は（または決定ステップＳ２１において）、レーザ光Ｌａの設定強度に応じて印加電圧の大きさを決定することを容易にできる。

【0077】

本変形例のように、制御部７は（または決定ステップＳ２１において）、位相変調量を示す入力値を光変調装置１Ａの外部から入力し、液晶層１１５による位相変調量と複数のルックアップテーブルそれぞれの各階調値との対応を示す複数の参照データのうち、使用されるルックアップテーブルに対応する参照データを用いて、入力値を階調値に変換してもよい。この場合、光変調装置１Ａ（またはこの制御方法）を使用する者が、位相変調量を自在に設定することができる。なお、本変形例においても、制御部７の機能を外部制御基板１７或いは光変調素子１１の駆動回路層１１９に持たせてもよい。

【0078】

本発明による光変調装置および空間光変調器の制御方法は、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、光変調装置の制御部は、第１実施形態に係る制御部７の機能と、第２実施形態に係る制御部７の機能とを共に備えてもよい。すなわち、制御部は、レーザ光Ｌａの設定強度が大きいほど冷却部１５の設定温度を低くすることと、レーザ光Ｌａの設定強度が大きいほど所定の位相に対応する印加電圧を大きくすることとを、同時に行ってもよい。

【0079】

また、上述した第１実施形態において、制御部７は、レーザ光Ｌａの設定強度と冷却部１５の設定温度との関係を示すデータテーブルまたは計算式を用いて冷却部１５の設定温度を決定しているが、冷却部１５の設定温度を決定する方式はこれに限られない。また、上述した第１実施形態において、冷却部１５の設定温度はレーザ光Ｌａの設定強度に比例しているが、冷却部１５の設定温度とレーザ光Ｌａの設定強度との関係は比例関係に限られない。

【0080】

また、上述した各実施形態では、冷却部としてペルチェ素子を例示しているが、冷却部は他の構成（例えば水冷板による水冷方式など）を有してもよい。

【符号の説明】

【0081】

１Ａ…光変調装置、２…試験装置、３…光源、４…ミラー、５…結像光学系、６…集光レンズ、７…制御部、１０…空間光変調器、１１…光変調素子、１１ａ…光入出射面、１１ｂ…裏面、１２…基板、１２ａ…第１面、１２ｂ…第２面、１２ｃ…開口、１３…金属ブロック、１４…温度センサ、１５…冷却部、１６…温度調整部、１７…外部制御基板、２０…容器、２１…筐体、２１ａ，２１ｂ，２１ｄ，２１ｅ…側面、２１ｃ…光学窓、２１ｆ…開口、２２…放熱器、２３…ファン、３１…レーザ光源、３２…１／２波長板、３３，３８…偏光ビームスプリッタ、３４，３９…光吸収体、３５…ビームエキスパンダ、３６ａ，３６ｂ…誘電体ミラー、３７…ホモジナイザ、４０…アパーチャ、４１，４２…反射面、４３…パワーメータ、５１，５２…レンズ、１１０…シリコン基板、１１２…ガラス基板、１１２ａ…表面、１１２ｂ…裏面、１１３…透明導電膜、１１４…画素電極、１１５…液晶層、１１５ａ，１１５ｂ…配向膜、１１６…透明層、１１７…誘電体多層膜、１１８…遮光層、１１９…駆動回路層、Ｂ…対象物、Ｄ１，Ｄ２…方向、Ｌａ，Ｌｂ…レーザ光、Ｌｃ，Ｌｄ…試験光、Ｑ１～Ｑ６…近似直線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】