CN102763020A - 显微镜装置、光拾取装置以及光照射装置 - Google Patents

显微镜装置、光拾取装置以及光照射装置 Download PDF

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Abstract

显微镜装置具有：光源，输出具有第1波长的直线偏振光；偏振光变换元件，具有液晶层，通过使直线偏振光透过该液晶层，将直线偏振光变换为径向偏振光；物镜，使径向偏振光聚光到物体面；聚光透镜，使由物体面反射了的光聚光；受光元件，接收由聚光透镜聚光了的光，输出与光的强度对应的信号；以及控制器，对偏振光变换元件具有的液晶层，施加与第1波长对应的电压。偏振光变换元件配置于物镜的光源侧的瞳面。

Description

显微镜装置、光拾取装置以及光照射装置
技术领域
本发明涉及使用了将直线偏振光变换为径向偏振光的偏振光变换元件的显微镜装置、光拾取装置以及光照射装置。
背景技术
以往，利用了通过作为照明光源使用激光器，并将从照明光源输出的激光照射到样品，而观测该样品的显微镜装置。在这样的显微镜装置中，为了进一步提高分辨能力，从照明光源照射并聚光到样品的光束点的直径越小越好。一般，光束点的最小直径由衍射极限规定，其最小直径与波长成比例。因此，从光源照射的光的波长越短，光束点的直径也越小。
但是，一般发出波长短的光的光源例如发出紫色或者紫外光的激光器相比于发出比其长的波长例如发出绿色或者红色光的光源更昂贵。另外，一般，在从紫色至紫外的整个波长范围内，随着波长变短，光学材料的透射率也降低。因此，针对紫色或者紫外光具有高的透射率的光学材料的种类受到限制。
因此，径向偏振光受到了关注。径向偏振光是以光轴为中心，直线偏振光的偏振面放射状地分布的偏振光。报告了通过用聚光透镜使径向偏振光聚焦，聚光到焦点面的光成为z偏振光（即，光的传播方向和电场方向相同的偏振光），能够使光聚光成比通过X或者Y偏振光的衍射极限产生的射束点径还小的点径。另外，还报告了通过使用径向偏振光，沿着光轴光束直径窄的范围变长，由此焦点深度也变深（例如，参照日本特开2008－39882号公报、Chin－Cherng Sun、Chin－Ku Liu、“Ultrasmall focusing spot with a long depth of focus basedon polarization and phase modulation”、OPTICS LETTERS、OpticalSociety of America、2003年、第28卷、第2号、p.99－101以及HAIFENG WANG等、“Creation of a needle of longitudinallypolarized light in vacuum using binary optics”、Nature photonics、2008年、第2卷、p.501－505）。
发明内容
为了生成这样的径向偏振光，使用例如在相对光轴方向正交的面中排列多个半波长板、并且以使各半波长板的光学轴的方向不同的方式粘贴的偏振光变换元件。另外，还提出了使用光子晶体，将直线偏振光变换为径向偏振光的偏振光变换元件。
但是，在半波长板以及光子晶体中，如果所入射的光的波长变化，则在正常光线与异常光线之间产生的相位差也变化。因此，在使用了半波长板或者光子晶体的偏振光变换元件中，如果入射到该偏振光变换元件的光线的波长与设计波长不同，则无法将入射光线变换为径向偏振光。
因此，本发明的目的在于，提供一种显微镜装置、光拾取装置以及光照射装置，即使使用具有在规定的波长区域中包含的任一波长的照明光，也具有比由衍射极限规定的分辨率高的分辨率。
根据本发明的一个侧面，提供一种显微镜装置。该显微镜装置具有：光源，输出具有第1波长的直线偏振光；偏振光变换元件，具有包含液晶分子的液晶层，该偏振光变换元件通过使直线偏振光透过该液晶层，将直线偏振光变换为径向偏振光；物镜，使径向偏振光聚光到物体面；聚光透镜，使来自物体面的光聚光；受光元件，接收由聚光透镜聚光了的光，输出与接收到的光的强度对应的信号；以及控制器，对偏振变换元件具有的液晶层施加与第1波长对应的电压。
偏振变换元件配置于物镜的光源侧，偏振变换元件具有沿着光轴配置的、使入射光的一部分的相位反转的相位反转元件和将直线偏振光变换为径向偏振光的偏振面旋转元件。偏振面旋转元件具有所述液晶层、和以夹着该液晶层相对置的方式配置的两个透明电极，液晶层具有沿着以偏振面旋转元件与光轴的第1交点为中心的圆周方向配置的多个区域，多个区域的各个中包含的液晶分子的取向方向相互不同，液晶层的多个区域的各个通过对两个第1透明电极之间施加与第1波长对应的电压，使直线偏振光中的透过了该区域的分量的偏振面，根据该区域中包含的所述液晶分子的取向方向，旋转为与以第1交点为中心的放射方向平行。由此，偏振面旋转元件将直线偏振光变换为径向偏振光。
另外，相位反转元件具有沿着以该相位反转元件与光轴的第2交点为中心的放射方向交替配置的第1环形带部分以及第2环形带部分，使入射到第1环形带部分的直线偏振光或者径向偏振光的相位相对入射到第2环形带部分的直线偏振光或者径向偏振光的相位反转。
优选多个区域的各个中包含的液晶分子的取向方向是与入射到偏振面旋转元件的直线偏振光的偏振面所成的角度为通过第1交点以及该区域的规定的直线与偏振面之间的角度的1/2的方向，通过对两个透明电极之间施加与第1波长对应的电压，偏振面旋转元件使所入射的直线偏振光中的透过了多个区域的各个的分量的偏振面旋转该直线偏振光的偏振面和取向方向所成的角的2倍的角度而与规定的线平行。
另外，优选多个区域的各个中的规定的线是通过第1交点、并且对该区域进行2等分的线。
进而，优选设定多个区域中的取向方向，以使得将多个区域中的与入射到偏振面旋转元件的直线偏振光的偏振面平行并且与通过光轴的面交叉的两个区域中的某一方设为第1区域，在将多个区域的总数设为N时针对第1区域按照顺时针或者逆时针的顺序第n个区域中的取向方向、与入射到第1区域的直线偏振光的偏振面所成的角度θ成为θ=360°×（n－1）/（2N）。其中，n是1至N中的某一个整数。
另外，优选相位反转元件具有：第2液晶层，包含液晶分子；以及两个第2透明电极，被配置成夹着第2液晶层相对置，两个第2透明电极中的一方是与第1环形带部分对应的多个环形带电极，通过对环形带电极与两个第2透明电极的另一方之间施加与第1波长对应的电压，相位反转元件使入射到第1环形带部分的直线偏振光或者径向偏振光的相位反转。
在该情况下，优选相位反转元件配置于偏振面旋转元件的入射侧，第2液晶层中包含的液晶分子沿着与入射到相位反转元件的直线偏振光的偏振面平行的方向取向。
或者，优选相位反转元件配置于偏振面旋转元件的出射侧，第2液晶层中包含的液晶分子被取向为以第2交点为中心的放射状。
另外，优选显微镜装置还具有第2光源，该第2光源输出具有与第1波长不同的第2波长的直线偏振光，并以使具有第2波长的直线偏振光通过偏振变换元件以及物镜而聚光于物体面的方式配置。在该情况下，优选控制器使第1光源以及第2光源中的某一方点亮，并且将与从该点亮中的光源输出的直线偏振光的波长对应的电压施加到两个第1透明电极之间以及两个第2透明电极之间。
根据本发明的另一侧面，提供一种光拾取装置。该光拾取装置具有：光源，输出具有规定的波长的直线偏振光；偏振变换元件，具有包含液晶分子的液晶层，该偏振变换元件将透过了该液晶层的直线偏振光变换为径向偏振光；物镜，使径向偏振光聚光到物体面；成像透镜，使由物体面反射了的光成像；受光元件，接收由成像透镜成像了的光，并输出与接收的光的强度对应的信号；驱动电路，对偏振变换元件具有的液晶层施加与规定的波长对应的电压；以及控制器，以使与接收的光的强度对应的信号成为最大的方式，调节驱动电路输出的电压。
偏振变换元件配置于物镜的光源侧的瞳面，具有沿着光轴配置的、使入射光的一部分的相位反转的相位反转元件和将直线偏振光变换为径向偏振光的偏振面旋转元件。偏振面旋转元件具有所述液晶层、和以夹着该液晶层而相对置的方式配置的两个第1透明电极，液晶层具有沿着以偏振面旋转元件与光轴的第1交点为中心的圆周方向配置的多个区域，多个区域的各个中包含的液晶分子的取向方向相互不同。液晶层的多个区域的各个通过对两个第1透明电极之间施加与规定的波长对应的电压，使直线偏振光中的透过了该区域的分量的偏振面，根据该区域中包含的液晶分子的取向方向，旋转成与以第1交点为中心的放射方向平行。由此，偏振面旋转元件将直线偏振光变换为径向偏振光。
另外，相位反转元件具有沿着以相位反转元件与光轴的第2交点为中心的放射方向交替配置的第1环形带部分以及第2环形带部分，使入射到第1环形带部分的直线偏振光或者径向偏振光的相位相对入射到第2环形带部分的直线偏振光或者径向偏振光的相位反转。
根据本发明的又一侧面，提供一种光照射装置。该光照射装置具有：光源，输出具有规定的波长的直线偏振光；偏振变换元件，具有包含液晶分子的液晶层，该偏振变换元件将透过了该液晶层的直线偏振光变换为径向偏振光；物镜，使径向偏振光聚光到物体面；以及驱动电路，对液晶层施加与从光源输出的直线偏振光的波长对应的电压。
偏振变换元件配置于物镜的光源侧的瞳面，具有沿着光轴配置的、使入射光的一部分的相位反转的相位反转元件和将直线偏振光变换为径向偏振光的偏振面旋转元件。偏振面旋转元件具有所述液晶层、和以夹着该液晶层而相对置的方式配置的两个第1透明电极，液晶层具有沿着以偏振面旋转元件与光轴的第1交点为中心的圆周方向配置的多个区域，多个区域的各个中包含的液晶分子的取向方向相互不同。液晶层的多个区域的各个通过对二个第1透明电极之间施加与规定的波长对应的电压，使直线偏振光中的透射了该区域的分量的偏振面，根据该区域中包含的液晶分子的取向方向，旋转成与以第1交点为中心的放射方向平行。由此，偏振面旋转元件将直线偏振光变换为径向偏振光。
另外，相位反转元件具有沿着以相位反转元件与光轴的第2交点为中心的放射方向交替配置的第1环形带部分以及第2环形带部分，使入射到第1环形带部分的直线偏振光或者径向偏振光的相位相对入射到第2环形带部分的直线偏振光或者径向偏振光的相位反转。
本发明涉及的显微镜装置、光拾取装置以及光照射装置起到如下这样的效果，即、通过调节对偏振变换元件具有的液晶施加的电压，即使使用具有在规定的波长区域中包含的某一波长的照明光，也具有比由衍射极限规定的分辨率高的分辨率。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式涉及的显微镜装置的概略结构图。
图2是本发明的一个实施方式涉及的显微镜装置中使用的偏振光变换元件的概略正面图。
图3（A）是关于以图2的XX′的箭头表示的线的、未施加电压时的偏振光变换元件的概略侧面剖面图，图3（B）是关于以图2的XX′的箭头表示的线的、施加了电压时的偏振光变换元件的概略侧面剖面图。
图4是相位反转元件的透明电极的概略正面图。
图5是示出偏振面旋转元件的液晶层的各区域中的液晶的取向方向、和透过了各区域的直线偏振光分量的偏振方向的图。
图6是示出从偏振光变换元件出射的径向偏振光的概略的图。
图7是示出偏振面旋转元件的液晶层具有取向方向相互不同的6个区域的情况下的、各区域中的液晶的取向方向、和透过了各区域的直线偏振光分量的偏振方向的图。
图8是示出对偏振面旋转元件具有的透明电极之间的液晶层施加的电压和由该液晶层而产生的正常光线和异常光线的光程差的一个例子的图。
图9（A）以及图9（B）分别是基于变形例的相位反转元件中设置的入射侧的透明电极的概略正面图。
图10（A）是第2实施方式涉及的偏振光变换元件的概略背面图，图10（B）是关于以图10（A）的YY′的箭头表示的线的、第2实施方式涉及的偏振光变换元件的概略侧面剖面图。
图11（A）是示出基于变形例的相位反转元件的一侧的透明电极的构造的概略正面图，图11（B）是示出基于变形例的相位反转元件的另一侧的透明电极的构造的概略背面图。
图12是基于其他实施方式的作为利用了偏振光变换元件的光照射装置的一个例子的光拾取装置的概略结构图。
（符号说明）
100：显微镜装置；101：光源；102：准直透镜；103：分束器；104、104’：偏振光变换元件；105：物镜；106：聚光透镜；107：屏蔽板；108：受光元件；109：可动载物台；110：致动器；111：控制器；2、2’：相位反转元件；3：偏振面旋转元件；20、30：液晶层；20a~20h、30a~30n：扇形区域；21、22、31、32：透明基板；23、24、33、34、23’、24’：透明电极；25、26、35、36：取向膜；27、37：液晶分子；28、38：密封材料；29、39：镜框；200：光拾取装置；201：光源；202：准直透镜；203：分束器；204：物镜；205：成像透镜；206：受光元件；207：偏振光变换元件；208：控制器；209：致动器；210：记录介质。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边说明基于一个实施方式的显微镜装置。该显微镜装置具有配置于物镜的入射瞳面的、将作为照明光的直线偏振光变换为径向偏振光的偏振光变换元件。由此，该显微镜装置通过在物镜的焦点面中产生z偏振效应，聚光来自照明光源的光，以使得具有比由衍射极限规定的点径小的点径。另外，偏振光变换元件具有用于控制照明光的偏振面的液晶层，通过调节对该液晶层施加的电压，该显微镜装置即使使用作为在规定的波长区域中包含的任意的波长的直线偏振光的照明光，也能够使照明光成为径向偏振光。
图1是本发明的一个实施方式涉及的显微镜装置的概略结构图。如图1所示，显微镜装置100具有光源101、准直透镜102、分束器103、偏振光变换元件104、物镜105、聚光透镜106、屏蔽板107、受光元件108、可动载物台109、致动器110以及控制器111。
受光元件108、屏蔽板107、聚光透镜106、分束器103以及物镜105沿着由聚光透镜106和物镜105规定的光轴OA配置成一列。另外，在分束器103的侧面，沿着与光轴OA正交的方向，光源101、准直透镜102、以及偏振光变换元件104被配置成一列。
从光源101放射的作为直线偏振光的照明光在通过了准直透镜102之后，透过偏振光变换元件104。然后，该照明光通过透过偏振光变换元件104而被变换为径向偏振光。之后，成为径向偏振光的照明光被分束器103反射，通过物镜105聚焦于在可动载物台109上配置的样品120的表面或者内部设定的成为观察对象的物体面。由物体面反射或散射、或者荧光发光了的光在再次通过物镜105之后，在分束器103中直线前进。之后，由物体面反射或散射、或者荧光发光了的光通过聚光透镜106聚光于受光元件108。另外，准直透镜102、物镜105以及聚光透镜106构成共焦点光学系统，当来自光源101的光在物体面中聚焦的情况下，来自该焦点的光在受光元件108中也被聚光。
另外，为了易于理解虽然未图示，但显微镜装置1也可以在光路上具有球面像差用补偿光学系统等各种补偿光学系统。
光源101输出作为直线偏振光的照明光。为此，光源101具有例如半导体激光器。或者，光源101也可以具有氩离子激光器这样的气体激光器、或者YAG激光器这样的固体激光器。在从光源101输出的照明光并非直线偏振光的情况下，也可以在光源101与准直透镜102之间，为了使照明光成为直线偏振光而配置检偏振器。
进而，光源101也可以具有输出在规定的波长区域、例如351nm~750nm的范围内包含的相互不同的波长的光的多个发光元件。在该情况下，光源101依照来自控制器111的控制信号，使某一个发光元件输出照明光。
准直透镜102被以光源101位于准直透镜102的前侧焦点的方式配置在光源101与分束器103之间。于是，准直透镜102使从光源101输出的照明光成为平行光。成为平行光的照明光入射到偏振光变换元件104。
偏振光变换元件104优选配置于物镜105的前侧瞳面。特别，在本实施方式中，偏振光变换元件104被配置于准直透镜102与分束器103之间以防止来自物体面的光透过偏振光变换元件104。另外，偏振光变换元件104具有液晶层，通过使透过了该液晶层的照明光的偏振方向发生变化，来将具有直线偏振光的照明光变换为径向偏振光。另外，偏振光变换元件104也可以配置于分束器103与物镜105之间从而使来自物体面的光也透过偏振光变换元件104。
另外，对于偏振光变换元件104的详细内容在后面进行叙述。
分束器103配置于物镜105与聚光透镜106之间。另外，分束器103使从准直透镜102入射的照明光朝向物镜105反射。另一方面，分束器103使沿着光轴OA入射的光直线前进。
物镜105使从偏振光变换元件104出射并被分束器103反射的径向偏振光聚焦于物体面。在该情况下，在焦点附近，由物镜105聚光的光成为z偏振光。因此，能够使焦点附近处的光的点径小于由衍射极限规定的点径。例如，本实施方式的点径成为由衍射极限规定的点径的约1.5~约1.7分之1。另外，也能够增大所聚光的光的焦点深度。
进而，将用于调节焦点位置的致动器110安装于物镜105。致动器110使物镜105沿着图中的箭头Z的方向、即与光轴OA平行的方向移动，从而照明光的焦点位置在光轴OA方向上移动。另外，致动器110与控制器111连接，根据来自控制器111的控制信号而使物镜105移动。
在物体面反射或者散射了的光再次透过物镜105而成为平行光。然后，该光透过分束器103而入射到聚光透镜106。然后，由受光元件108接收入射到聚光透镜106的光。
屏蔽板107在聚光透镜106和受光元件108之间，配置于聚光透镜106的焦点附近。另外，在屏蔽板107中，沿着光轴OA形成了针孔107a。由此，从物镜105的焦点位置附近反射或散射、或者荧光发光了的光作为平行光入射到聚光透镜106，通过聚光透镜106在针孔107a的附近聚焦，所以能够通过针孔107a到达受光元件108。另一方面，来自偏离物镜105的焦点位置的位置的光被屏蔽板107遮挡，而不到达受光元件108。因此，显微镜装置100能够得到对比度高的样品120的像。
受光元件108具有例如阵列状地排列的多个CCD或者C-MOS等半导体受光元件。另外，各半导体受光元件输出与受光的光的强度对应的电信号。另外，受光元件108对各半导体受光元件输出的电信号进行平均，将与该平均值相当的电信号，作为表示所受光的光的强度的光强度信号传送到控制器111。或者，受光元件108也可以具有光电倍增管。另外，在受光元件108中，光电倍增管受光而生成与多光的强度对应的电信号，将该电信号作为表示所受光的光的强度的光强度信号，传送到控制器111。
可动载物台109是用于载置样品120的载物台。另外，可动载物台109能够设为例如所谓XY载物台，能够在相对光轴OA正交的面内，在相互正交的2个方向上移动。另外，以下，为便于说明，将可动载物台109能够移动的一方向设为X轴、将与X轴正交的方向设为Y轴。另外，可动载物台109与控制器111可通信地连接。另外，可动载物台109具有未图示的致动器，依照从控制器111接收到的控制信号，在X轴方向或者Y轴方向上移动规定距离。
控制器111具有例如处理器、存储器、以及用于将控制器111与显微镜装置100的各部分连接的接口电路。另外，控制器111控制光源101、偏振光变换元件104、可动载物台109以及致动器110。另外，控制器111通过对光源101供给规定的电力，使光源101输出照明光。另外，在光源101具有多个发光元件的情况下，控制器111例如依照经由未图示的用户接口的用户操作，向光源101发送使多个发光元件中的某一个发光元件输出照明光的控制信号。
另外，控制器111向致动器110发送使物镜105沿着光轴OA移动规定距离的控制信号。致动器110如果从控制器111接收到该控制信号，则使物镜105移动按照该控制信号指示的距离。
控制器111根据从受光元件108接收到的光强度信号，生成在样品120的表面或者内部设定的物体面的图像。为此，控制器111通过向可动载物台109发送使可动载物台109向规定位置移动的控制信号，使可动载物台109在与光轴OA正交的面内移动。
然后，控制器111以使在物体面上二维状地等间隔地设定的多个测定点的各个位于照明光的点的方式，使可动载物台109移动的同时，从受光元件108接收各测定点处的光强度信号。然后，控制器111够得通过例如将各测定点的光强度信号作为一个像素的值而生成图像，从而能得到样品120的物体面中的二维图像。
另外，根据变形例，也可以代替为了取得图像而使样品120通过XY载物台那样的可动载物台移动，而是显微镜装置通过使用电流镜等而变更从光源101发出的激光束的朝向，用该束对样品进行扫描。
进而，控制器111具有未图示的驱动电路，通过调节经由该驱动电路对偏振光变换元件104施加的电压，来控制偏振光变换元件104以使得偏振光变换元件104能够将具有规定的波长的直线偏振光变换为径向偏振光。
为此，控制器111控制驱动电路，以使得对偏振光变换元件104的各液晶层施加与从光源101输出的光的波长对应的施加电压。
特别地，在光源101具有输出波长相互不同的光的多个发光元件的情况下，控制器111根据所发光的发光元件，调节对偏振光变换元件104具有的液晶层施加的电压。
另外，从驱动电路对偏振光变换元件104具有的液晶层施加的驱动电压也可以是例如被脉冲高度调制（PHM）或者被脉冲宽度调制（PWM）而得到的交流电压。
另外，从光源101输出的光的波长还有时例如根据发光元件的温度而变动。因此，控制器111也可以根据样品120的物体面中的图像，调节对偏振光变换元件104具有的液晶层施加的电压。例如，控制器111变更对偏振光变换元件104的液晶层施加的电压，而使可动载物台109二维地移动的同时，取得来自受光元件108的光强度信号，从而生成多个与所施加的电压对应的物体面中的样品120的图像。然后，控制器111将电压值和图像对应起来存储到内置的存储器。然后，控制器111决定图像最清晰的电压值，将该电压经由驱动电路施加到偏振光变换元件104的液晶层。
另外，为了决定最清晰的图像，控制器111例如对所得到的各图像进行频率变换而分别制作频率图像。然后，控制器111通过解析各频率图像，确定高频率分量变得最高的频率图像，将与所确定的频率图像对应的图像判定为最清晰的图像。
以下，说明偏振光变换元件104。
图2是偏振光变换元件104的概略正面图。另外，图3（A）以及图3（B）分别是图2所示的箭头X、X′表示的线下的偏振光变换元件104的概略侧面剖面图。其中，图3（A）示出对偏振光变换元件104未施加电压时的偏振光变换元件104中包含的液晶分子的状态，图3（B）示出对偏振光变换元件104施加了电压时的偏振光变换元件104中包含的液晶分子的状态。
如图2以及图3（A）所示，该偏振光变换元件104具有相位反转元件2、和沿着光轴OA而与相位反转元件2邻接地配置的偏振面旋转元件3。
另外，入射到偏振光变换元件104的照明光是直线偏振光，从相位反转元件2侧入射。然后，该直线偏振光通过透过相位反转元件2以及偏振面旋转元件3而被变换为径向偏振光，并从偏振面旋转元件3出射。
另外，为便于说明，设为入射到偏振光变换元件104的照明光的偏振面如图2的箭头A所示的那样，与图2表示的面正交并且处于纵方向的面。
相位反转元件2使所入射的直线偏振光中的以光轴OA为中心的至少一个环形带形状的部分的相位相对其他部分的相位反转。为此，相位反转元件2具有液晶层20、和沿着光轴OA在液晶层20的两侧大致平行地配置的透明基板21、22。另外，液晶层20中包含的液晶分子27被封入透明基板21以及22、与密封部件28之间。另外，相位反转元件2具有在透明基板21与液晶层20之间配置的透明电极23、和在液晶层20与透明基板22之间配置的透明电极24。另外，透明基板21、22由例如玻璃或者树脂等针对具有规定的波长区域中包含的波长的光的透明的材料形成。另外，透明电极23、24由例如被称为ITO的对氧化铟添加氧化锡而得到的材料形成。在透明电极23与液晶层20之间配置取向膜25。另外，在透明电极24与液晶层20之间配置取向膜26。这些取向膜25、26使液晶分子27向规定的方向取向。另外，在通过光取向等未使用取向膜的方法而使液晶分子27取向的情况下，也可以省略取向膜25、26。
进而，在各基板、各透明电极以及各取向膜的外周，配置镜框29，该镜框29保持各基板。
如图3（A）所示，封入液晶层20的液晶分子27成为例如均质（Homogeneous）取向，并且在与所入射的直线偏振光的偏振面大致平行的方向上取向。即，以使液晶分子27的长轴方向与图2所示的箭头A大致平行的方式，使液晶分子取向。
图4是配置于入射侧的相位反转元件2中设置的透明电极23的概略正面图。另一方面，透明电极24形成为覆盖液晶层20整体。另外，透明电极24也可以具有与图4所示的透明电极23的形状同样的形状，或者，也可以形成为透明电极24具有图4所示的电极形状，透明电极23覆盖液晶层20整体。
透明电极23具有以光轴OA和相位反转元件2的交点c0为中心的同心圆状的至少一个环形带形状的电极。在本实施方式中，透明电极23具有4个环形带形状电极23a~23d。由此，在液晶层20中，同心圆状地交替形成被环形带形状电极23a~23d中的某一个和透明电极24夹住的第1环形带形状部分、和仅在一侧存在透明电极24的第2环形带形状部分。另外，环形带形状电极23d的外周对应于图2所示的区域2a的外周。
如图3（B）所示的那样，如果通过控制器111对这些环形带形状电极23a~23d、和夹着液晶层20而相对置地配置的透明电极24之间施加了电压，则液晶分子倾斜以使得这些第1环形带形状部分20a中所包含的液晶分子的长轴方向从与光轴OA正交的方向接近与光轴OA平行的方向。另一方面，未被夹在透明电极之间的第2环形带形状部分20b所包含的液晶分子的长轴仍朝向与光轴OA正交的方向。
一般，针对与液晶分子的长轴方向平行的偏振光分量（即，异常光线）的折射率ne高于针对与液晶分子的短轴方向平行的偏振光分量（即，正常光线）的折射率no。此处，如果将对透明电极23与24之间施加了电压时的第1环形带形状部分20a中所包含的液晶分子的长轴方向、和施加了电压的方向即光轴OA的方向所成的角设为ψ，则透过液晶层20的光相对液晶分子27的长轴方向形成角ψ。此时，如果将针对与液晶分子27被取向的方向平行的偏振光分量的液晶分子的折射率设为nψ，则成为no≤nψ≤ne。因此，如果液晶层20中所包含的液晶分子27被均质取向，且液晶层20的厚度是d，则在液晶层20中通过在环形带形状电极23a~23d与透明电极24之间夹住的第1环形带部分20a的偏振光分量、和通过第2环形带部分20b的偏振光分量之间，产生光程差Δnd（=nψd－nod）。另外，在这两个偏振光分量之间产生的相位差Δ成为2πΔnd/λ。另外，λ是入射到液晶层20的光线的波长。
这样，通过控制器111调节对透明电极23与透明电极24之间施加的电压，相位反转元件2能够调制透过液晶层20的光的相位。因此，如果对透明电极23与透明电极24之间施加了与入射光的波长对应的规定的电压，则相位反转元件2能够使通过第1环形带部分20a的光的相位相对通过第2环形带部分20b的光的相位偏移π。
偏振面旋转元件3将在透过了相位反转元件2之后入射的直线偏振光变换为以光轴OA与偏振面旋转元件3的交点c1为中心的具有放射状的直线偏振光分布的径向偏振光。为此，偏振面旋转元件3具有液晶层30、和沿着光轴OA在液晶层30的两侧大致平行地配置的透明基板31、32。另外，也可以省略透明基板31和相位反转元件2的透明基板22中的某一方。在该情况下，例如在透明基板22的一面中形成液晶层20，在透明基板22的另一面中形成液晶层30。
另外，偏振面旋转元件3具有在透明基板31与液晶层30之间配置的透明电极33、和在液晶层30与透明基板32之间配置的透明电极34。另外，液晶层30中包含的液晶分子37被封入透明基板31以及32、与密封部件38之间。另外，透明基板31、32由例如玻璃或者树脂等针对具有在规定的波长区域中包含的波长的光的透明的材料形成。另外，透明电极33、34由例如ITO形成。进而，在透明电极33与液晶层30之间配置取向膜35。另外，在透明电极34与液晶层30之间配置取向膜36。这些取向膜35、36使液晶分子37向规定的方向取向。另外，在液晶分子37通过光取向等未使用取向膜的方法被取向的情况下，也可以省略取向膜35、36。
进而，在各基板、各透明电极以及各取向膜的外周配置镜框39，该镜框39保持各基板。另外，镜框29和镜框39也可以一体地形成。
封入液晶层30的液晶分子37例如被均质取向。另外，液晶层30包括以交点c1为中心而在与光轴OA正交的面内沿着圆周方向配置的多个扇形区域。而且，各扇形区域中包含的液晶分子37被取向为以使所入射的直线偏振光的偏振面与以光轴OA为中心的放射方向大致平行的方式使其偏振面旋转。
图5是示出液晶层30的各扇形区域中的液晶的取向方向、和透过了各扇形区域的直线偏振光的偏振方向的液晶层30的概略正面图。
在本实施方式中，液晶层30具有顺时针地配置且取向方向相互不同的8个扇形区域30a~30h，各扇形区域30a~30h的中心角被设定为相等。另外，在图5中，箭头40a~40h分别表示各扇形区域30a~30h中包含的液晶分子的取向方向。另外，箭头50a~50h分别表示从各扇形区域30a~30h出射的直线偏振光的偏振面。另外，箭头50a~50h中的、箭头的顶端朝向相反方向的两个箭头表示这些箭头所示的直线偏振光的相位相互偏移了π。
另外，将通过交点c1而对扇形区域进行2等分的直线称为该扇形区域的中心线。
各扇形区域30a~30h的取向方向被决定为例如透过了各扇形区域之后的直线偏振光分量的偏振面与该透过了的扇形区域的中心线平行。因此，将通过光轴OA与液晶层30的交点c1并与平行于所入射的直线偏振光的偏振面A的面交叉的扇形区域30a设为第1个区域，针对从扇形区域30a起绕顺时针或者逆时针的顺序第n个扇形区域，依照下式设定由该扇形区域的取向方向、和通过扇形区域30a的偏振光分量的偏振面A所成的角θ。
θ=360°×（n－1）/（2N）（n=1，2，...，N）（1）
其中，N是扇形区域的总数，在本实施方式中N=8。
例如，在n=1的扇形区域30a中，成为θ=0。即，在扇形区域30a中，液晶分子的取向方向被设定为与所入射的直线偏振光的偏振面A大致平行，以使得所入射的直线偏振光的偏振面不旋转而使直线偏振光透过。
另外，在将第n个扇形区域设为以扇形区域30a为第1个区域而顺时针地第n个区域时，设定各扇形区域30b~30h的取向方向，以使得由各扇形区域30b~30h的取向方向和通过扇形区域30a的偏振光分量的偏振面A所成的角以顺时针为正分别成为22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°。
或者，在将第n个扇形区域设为从扇形区域30a起逆时针地第n个区域时，设定各扇形区域30b~30h的取向方向，以使得由各扇形区域30b~30h的取向方向和通过扇形区域30a的偏振光分量的偏振面A所成的角以顺时针为正分别成为－157.5°、－135°、－112.5°、－90°、－67.5°、－45°、－22.5°。
透明电极33、34被配置成夹着液晶层30整体而相对置。另外，通过控制器111对透明电极33与34之间施加规定的电压，以使得液晶层30的扇形区域30a~30h针对规定的波长区域中包含的波长作为半波长板发挥功能。
此处，如果对透明电极33与34之间施加了电压，则液晶分子根据该电压向相对施加了电压的方向平行的方向倾斜。如果将由液晶分子的长轴方向、和施加了电压的方向所成的角设为ψ，则透过液晶层30的光相对长轴方向形成角ψ。此时，如上所述，如果将针对与液晶分子被取向的方向平行的偏振光分量的液晶分子的折射率设为nψ，则成为no≤nψ≤ne。其中，no是针对与液晶分子的长轴方向正交的偏振光分量的折射率，ne是针对与液晶分子的长轴方向平行的偏振光分量的折射率。
因此，如果液晶层30中包含的液晶分子被均质取向，液晶层30的厚度是d，则在与液晶分子的取向方向平行的偏振光分量和与液晶分子的取向方向正交的偏振光分量之间，产生光程差Δnd（=nψd－nod）。因此，通过调节对透明电极33与34之间施加的电压，能够调节与液晶分子的取向方向平行的偏振光分量、和与液晶分子的取向方向正交的偏振光分量的光程差。因此，通过控制器111调节对透明电极33与34之间施加的电压，扇形区域30a~30h针对从光源101输出的直线偏振光具有的波长分别作为半波长板发挥功能。
在各扇形区域30a~30h作为半波长板发挥功能的情况下，如果具有相对液晶分子37的取向方向形成角度θ的偏振面的直线偏振光透过这些扇形区域，则该偏振面以相对所透过的扇形区域的取向方向形成角度－θ的方式旋转。即，偏振面以取向方向为中心而旋转角度2θ。
在图5所示的例子中，各扇形区域30a~30h中的液晶分子的取向方向被设定为使相对入射到扇形区域30a的直线偏振光的偏振面A的角度成为各扇形区域的中心线和入射到液晶层30的扇形区域30a的直线偏振光的偏振面A之间的角度的1/2。因此，如果以从交点c1沿着入射直线偏振光的偏振面A朝向上方的方向为基准，并将顺时针方向设为正，则透过了各扇形区域30a~30h的直线偏振光分量的偏振面的角度分别成为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。这样，从偏振面旋转元件3出射的光线以光轴OA为中心而具有放射状的直线偏振光分量。
图6是示出从偏振光变换元件104出射的径向偏振光61的概略的图。在图6中，各箭头61a~61h分别表示直线偏振光分量。另外，各箭头中的箭头的顶端朝向相反方向的两个箭头表示这些箭头所示的直线偏振光的相位相互偏移了π。进而，环形带形状的区域62a~62d分别表示透过了相位反转元件2的第1环形带部分的偏振光分量。另外，环形带形状的区域62e~62g分别表示透过了相位反转元件2的第2环形带部分的偏振光分量。
如图6所示，该径向偏振光61具有针对光轴OA放射状地具有偏振面的8种直线偏振光分量61a~61h。另外，各直线偏振光分量61a~61h沿着放射方向，与透过了在相位反转元件2的透明电极23、24之间夹住的第1环形带部分的分量62a~62d、和透过了未被透明电极夹住的第2环形带部分的分量62e~62g对应地被分区为7个，在邻接的分区之间相位偏移π。
另外，透过了各扇形区域30a~30h的偏振光分量的偏振面分布为以交点c1为中心的放射状即可，该偏振面也可以不与所透过的扇形区域的中心线平行。设定各扇形区域30a~30h的取向方向被设定为使透过了各扇形区域30a~30h的偏振光的偏振面与通过该扇形区域以及交点c1的规定的直线平行即可。例如，也可以设定各扇形区域30a~30h的取向方向以使得由各扇形区域30a~30h的取向方向、和入射到扇形区域30a的直线偏振光的偏振面A所成的角成为将通过上述式（1）求出的值加上规定的偏置值而得到的值。在该情况下，为了对各扇形区域30a~30h的中心线和偏振面A所成的角加上该偏置值的2倍而得到的角度（即，透过了扇形区域的偏振光分量的偏振面和入射到扇形区域30a的直线偏振光的偏振面所成的角）不超过与邻接的扇形区域的边界和偏振面A所成的角度，将规定的偏置值设定为例如±5°。
另外，偏振面旋转元件3的液晶层30具有的、取向方向不同的区域的数量不限于8个。液晶层30具有的取向方向不同的区域的数量只要是为了得到通过径向偏振光起到的效果而必要的数量即可。例如，液晶层30也可以具有4、5、6或者16个取向方向相互不同的区域。
图7是示出液晶层30包括6个扇形区域30i~30n时的各扇型区域中的液晶的取向方向、和透过了各区域的直线偏振光的偏振方向的概略正面图。另外，在该变形例中，透明电极33、34也配置成夹着液晶层30整体而相对置。
在该变形例中，箭头40i~40n分别表示各扇形区域30i~30n中包含的液晶分子的取向方向。另外，箭头50i~50n分别表示从各扇形区域30i~30n出射的直线偏振光的偏振面。另外，箭头50i~50n中的箭头顶端朝向相反方向的两个箭头表示这些箭头所示的直线偏振光的相位相互偏移了π。
在各扇形区域30i~30n中的、位于光轴OA与液晶层30的交点c1的上方的扇形区域30i中，所入射的直线偏振光的偏振面A、和扇形区域30i的中心线一致。因此，将扇形区域30i设为第1个区域。此时，在顺时针方向上第n个扇形区域的取向方向被设定为例如该取向方向和偏振面A所成的角成为依照上述式（1）计算的角度。
在该情况下，各扇形区域30i~30n的取向方向和通过扇形区域30a的偏振光分量的偏振面A所成的角以顺时针为正分别成为0°、30°、60°、90°、120°、150°。
在该情况下，还对夹着扇形区域30i~30n的透明电极33、34之间施加与入射光的波长对应的电压以使得液晶层30针对透过了各扇形区域30i~30n的直线偏振光作为半波长板发挥功能。
由此，如果以从交点c1沿着入射直线偏振光的偏振面朝向上方的方向为基准，并将顺时针方向设为正，则透过了各扇形区域30i~30n的直线偏振光分量的偏振面的角度分别成为0°、60°、120°、180°、240°、300°。这样，从偏振面旋转元件3出射的光线以光轴OA为中心而具有放射状的直线偏振光分量。
如上所述，设定为使相位反转元件2为了使入射光的一部分的相位反转而使一部分的液晶分子27的长轴方向向光轴OA方向倾斜的角度、和偏振面旋转元件3为了将直线偏振光变换为径向偏振光而通过对透明电极33与34之间施加的电压使液晶分子37的长轴方向向光轴OA方向倾斜的角度相等。因此，控制器111能够分别使用适合的驱动电压，来驱动液晶层20以及液晶层30。
图8是示出对透明电极33、34之间的液晶层30施加的电压和由液晶层30产生的正常光线和异常光线的光程差的一个例子的图。
在图8中，横轴表示对液晶层30施加的电压，纵轴表示光程差。曲线801针对具有波长450nm的光，表示施加电压与光程差的关系。曲线802针对具有波长550nm的光，表示施加电压与光程差的关系。曲线803针对具有波长780nm的光，表示施加电压与光程差的关系。
例如，为了针对具有波长450nm的光使液晶层30作为半波长板发挥功能，对透明电极33、34之间，施加产生对450nm的整数倍加上225nm而得到的光程差的电压即可。因此，如果参照曲线801，则对透明电极33、34之间，施加与光程差1125nm相当的约1.4Vrms的电压即可。
另外，为了针对例如具有波长550nm的光使液晶层30作为半波长板发挥功能，对透明电极33、34之间，施加产生对550nm的整数倍加上275nm而得到的光程差的电压即可。因此，如果参照曲线802，则对透明电极33、34之间，施加与光程差1375nm相当的约1Vrms的电压即可。
进而，为了针对例如具有波长780nm的光使液晶层30作为半波长板发挥功能，对透明电极33、34之间，施加产生对780nm的整数倍加上390nm而得到的光程差的电压即可。因此，如果参照曲线803，则对透明电极33、34之间，施加与光程差1170nm相当的约1.1Vrms的电压即可。
如以上说明，本发明的一个实施方式涉及的显微镜装置使径向偏振光聚焦于样品，所以能够通过z偏振效果使该焦点附近处的点径小于由衍射极限规定的点径。因此，该显微镜装置能够针对与样品的表面平行的方向，具有比由衍射极限规定的分辨率高的分辨率。另外，该显微镜装置能够增大样品附近处的焦点深度，所以易于针对样品的深度方向对焦于期望的位置。
进而，嵌入显微镜装置的偏振光变换元件能够环形带形状地，使形成径向偏振光的各直线偏振光的一部分的相位相对其他部分的相位反转，所以通过使该径向偏振光聚光，能够高效地产生z偏振效果。
进而，嵌入显微镜装置的偏振光变换元件通过液晶层控制所入射的光的偏振面，所以通过控制器调节对液晶层施加的电压，即使在光源输出具有规定的波长区域内的某一波长的作为直线偏振光的照明光的情况下，偏振光变换元件也能够使照明光成为径向偏振光。因此，该显微镜装置即使使用具有规定的波长域内的某一波长的照明光，也能够具有比由衍射极限规定的分辨率高的分辨率。
另外，本发明不限于上述实施方式。例如，也可以针对相位反转元件2的液晶层20，使第2环形带部分中包含的液晶分子27在与光轴OA平行的方向上取向。在该情况下，能够设为液晶层20和液晶层30的厚度相同，液晶层20中包含的液晶分子的光学特性以及电气特性、和液晶层30中包含的液晶分子的光学特性以及电气特性相同。在这样使液晶分子27取向了的情况下，针对规定的波长液晶层20、30的规定的区域成为半波长板的电压相同，所以控制器111能够使用具有相同波形以及振幅的驱动电压，来驱动液晶层20以及液晶层30。
另外，在使对液晶层20施加的电压与对液晶层30施加的电压相同的情况下，也可以以使在第1环形带部分中使液晶分子27的长轴方向与入射到相位反转元件2的直线偏振光的偏振面平行，使在第2环形带形状部分中使液晶分子27的短轴方向与入射到相位反转元件2的直线偏振光的偏振面平行的方式使液晶分子27取向。
另外，根据另一变形例，为了不在透过相位反转元件2的第1环形带形状部分的光与透过第2环形带形状部分的光之间产生透明电极所致的光程差，也可以针对第2环形带形状部分，在液晶层20的两侧形成透明电极。
图9（A）以及图9（B）分别是基于该变形例的在相位反转元件2的入射侧设置的透明电极23的概略正面图。另外，透明电极24与上述实施方式同样地，形成于基板整个面以覆盖液晶层20整体。另外，透明电极24也可以具有与图9（A）或者图9（B）所示的透明电极23的形状同样的形状，或者，也可以形成为透明电极24具有图9（A）或者图9（B）所示的电极形状，透明电极23覆盖液晶层20整体。
透明电极23具有以光轴OA与相位反转元件2的交点c0为中心的、圆状的电极23a、和同心圆状的至少一个环形带形状的电极。在该变形例中，透明电极23在圆状的电极23a的周围，具有5个环形带形状电极23b~23f。另外，各电极之间的间隙越小越好。另外，环形带形状电极23f的外周对应于图2所示的区域2a的外周。
在图9（A）所示的例子中，从各环形带电极分别引出布线，且该布线与驱动电路连接以使得能够独立地控制各环形带电极。另外，在图9（B）所示的例子中，从圆状的电极23a起依次分别用同一布线电气地连接偶数顺序的环形带形状电极彼此、以及奇数顺序的环形带形状电极彼此，且与偶数顺序的环形带形状电极连接的布线以及与奇数顺序的环形带形状电极连接的布线分别和驱动电路连接。由此，偶数顺序的各环形带形状电极能够通过同一电位驱动。同样地，奇数顺序的各环形带形状电极也能够通过同一电位驱动。另外，在图9（B）中，也可以不电气地控制奇数顺序的环形带形状电极群和偶数顺序的环形带形状电极群中的一方的电极群。在该情况下，通过对另一方的电极群与透明电极24之间施加电压，能够通过在该另一方的电极群与透明电极24之间夹住的液晶层，使光的相位反转。另外，环形带形状电极也具有厚度，所以通过了环形带形状电极的光的相位相对未透过环形带形状电极的光的相位发生偏移。因此，如图9（A）以及图9（B）所示，通过配置不仅是用于电压控制的环形带形状电极，而且还配置不需要电压控制的环形带形状电极，从而相位反转元件2在对液晶层20未施加电压的情况下能够使透过相位反转元件2的光束的大致整体成为同相位。
进而，优选将不需要电气地控制的偶数顺序、或者奇数顺序的环形带形状电极群的电位设定为和与该环形带形状电极群相对的一侧的透明基板中设置的透明电极24相同的基准电位、或者作为液晶层20内的液晶分子不动作的电位的最大值的阈值电位。阈值电位一般是约1V~2V的有效电压。通过这样设定不需要电气地控制的环形带形状电极群的电位，相位反转元件2能够将液晶层20的电位控制为一定，所以能够防止由于静电等噪声而液晶层20的液晶误动作。另外，通过将不需要电气地控制的环形带形状电极群的电位设为阈值电位，还能够抑制液晶层20的热波动。
进而，也可以针对偏振光变换元件104，切换相位反转元件的位置、和偏振面旋转元件的位置。
图10（A）是切换了相位反转元件的位置和偏振面旋转元件的位置的偏振光变换元件104’的概略背面图。图10（B）是图10（A）所示的箭头Y、Y′表示的线下的偏振光变换元件104’的概略侧面剖面图。在图10（A）以及图10（B）中，针对该偏振光变换元件104’的各构成要素，附加了与图2以及图3所示的第1实施方式涉及的偏振光变换元件104的对应的结构要素同样的参照编号。
该偏振光变换元件104’具有：偏振面旋转元件3；以及相位反转元件2’，沿着光轴OA而与偏振面旋转元件3邻接地配置，使径向偏振光中包含的、以光轴OA为中心而放射状地分布的各直线偏振光分量的一部分的相位反转。
其中，偏振面旋转元件3的结构与上述实施方式的偏振面旋转元件3的结构相同。入射到偏振光变换元件104’的光是直线偏振光，从偏振面旋转元件3侧入射。然后，该直线偏振光通过偏振面旋转元件3变换为径向偏振光之后，入射到相位反转元件2’。相位反转元件2’使所入射的径向偏振光中包含的各直线偏振光分量的一部分的相位反转。
此处，如图10（A）以及图10（B）所示，相位反转元件2’具有液晶层20、和沿着光轴OA而在液晶层20的两侧配置的透明基板21、22。另外，液晶层20中包含的液晶分子27被封入透明基板21以及22、与密封部件28之间。另外，相位反转元件2’具有在透明基板21与液晶层20之间配置的透明电极23、和在液晶层20与透明基板22之间配置的透明电极24。进而，在透明电极23与液晶层20之间配置取向膜25。另外，在透明电极24与液晶层20之间配置取向膜26。这些取向膜25、26使液晶分子27在规定的方向上取向。
进而，在各基板、各透明电极以及各取向膜的外周配置镜框29，该镜框29保持各基板。
图10（A）示出封入液晶层20的液晶分子的取向方向。封入液晶层20的液晶分子例如被均质取向。另外，液晶层20具有以光轴OA与液晶层20的交点c0为中心而在圆周方向上配置的多个扇形区域20a~20h。
箭头21a~21h表示各扇形区域中包含的液晶分子的取向方向。如箭头21a~21h所示，封入各扇形区域20a~20h的液晶分子取向为以使其长轴方向朝向以交点c0为中心的放射方向。因此，从偏振面旋转元件3出射的光的偏振面即使透过各扇形区域20a~20h也不旋转。
优选分别设定为各扇形区域20a~20h与图5所示的偏振面旋转元件3的液晶层30的各扇形区域30a~30h在光轴OA方向上投影的位置相等。在该情况下，透过扇形区域30a且相对交点c1具有放射状的偏振光分量的直线偏振光透过扇形区域20a。同样地，透过了扇形区域30b~30h的直线偏振光分别透过扇形区域20b~20h。
另外，透明电极23具有以交点c0为中心的同心圆状地配置的至少1个环形带形状的电极。例如，透明电极23具有与图4、图9（A）或者图9（B）所示的透明电极同样的构造。另一方面，透明电极24配置成覆盖液晶层20整体。另外，对透明电极23、24之间施加规定的电压以使得透过被透明电极夹住的第1环形带部分20a的光的相位与透过未被透明电极夹住的第2环形带部分20b的光的相位偏移π。
由此，在透过了相位反转元件2’的径向偏振光中，该径向偏振光中包含的各直线偏振光分量中的、透过了第1环形带部分的分量的相位相对透过了第2环形带部分的分量的相位反转。因此，该偏振光变换元件也能够将所入射的直线偏振光变换为具有图6所示那样的偏振面的分布和相位分布的径向偏振光。
另外，在偏振光变换元件104’中，相位反转元件2’的液晶分子被以光轴与相位反转元件2’的交点为中心的放射状取向，所以无需使入射到偏振光变换元件的直线偏振光的偏振面与相位反转元件2’的液晶分子的取向方向对齐。另外，即使所入射的直线偏振光的偏振面、和成为偏振面旋转元件3的基准的扇形区域（例如，图5中的区域30a）的中心线偏移，偏振面旋转元件3也能够将所入射的直线偏振光变换为径向偏振光。因此，该偏振光变换元件能够简化嵌入光学系时的对准调节。
另外，也可以在使对液晶层20施加的电压与对液晶层30施加的电压相同的情况下，以使在第1环形带部分中使液晶分子27的长轴方向朝向以交点c0为中心的放射方向，并且，以在第2环形带形状部分中使液晶分子27的长轴方向朝向以交点c0为中心的圆周方向的方式，使液晶分子27取向。
另外，在上述基于实施方式的显微镜装置中，控制器111也可以为了提高样品120的深度方向、即沿着光轴OA的方向的分辨能力，而使对偏振光变换元件104或者104’的各液晶层20以及30施加的驱动电压设为不将偏振光变换元件104或者104’入射的直线偏振光变换为径向偏振光的电压。例如，控制器111在提高样品120的深度方向的分辨能力的情况下，调节对液晶层20施加的驱动电压以使得在液晶层20的各区域中使针对正常光线的光路长与针对异常光线的光路长之差成为从光源101输出的光的波长的整数倍。另外，控制器111调节对液晶层30施加的驱动电压，以使得透过液晶层30的第1环形带部分的光的光路长与透过第2环形带部分的光的光路长之差成为从光源101输出的光的波长的整数倍。在该情况下，与样品120的表面平行的方向、即与光轴OA正交的方向的分辨能力成为由衍射极限规定的分辨能力。
另一方面，在使与样品120的表面平行的方向、即与光轴OA正交的方向的分辨能力高于由衍射极限规定的分辨能力的情况下，如上所述，控制器111对偏振光变换元件104或者104’的各液晶层20以及30施加驱动电压，以使得能够将偏振光变换元件104或者104’入射的直线偏振光变换为径向偏振光。但是，在该情况下，相比于直线偏振光被聚光到样品120的物体面时，被聚光到样品120的物体面的光的点径小的范围在深度方向上变长。因此，径向偏振光被聚光到样品120的物体面时的深度方向的分辨能力相比于直线偏振光被聚光到样品120的物体面时的深度方向的分辨能力降低。
这样，基于上述实施方式的显微镜装置通过调节对偏振光变换元件的各液晶层施加的驱动电压，能够使径向偏振光向样品聚光而提高与样品的表面平行的方向的分辨能力、或者使非径向偏振光向样品聚光而提高深度方向的分辨能力。
进而，该显微镜装置为了切换上述那样的向样品聚光的光，仅变更针对各液晶层的驱动电压，所以与使用例如利用光子晶体那样的无法调节偏振面的旋转量的元件来制作出的偏振光变换元件的情况不同，无需使显微镜装置的一部分或者全部机械地移动。因此，该显微镜装置能够防止在该光的切换时焦点位置偏移。
另外，显微镜装置具有的光学系统也可以并非共焦点光学系统。在该情况下，从基于上述实施方式的显微镜装置省略屏蔽板，受光元件配置于聚光透镜的焦点面。
或者，根据其他实施方式，显微镜装置也可以与照明光学系统独立地具有观测光学系统。在该情况下，例如照明光学系统配置于样品的一面侧，具有光源、准直透镜、偏振光变换元件和物镜。另外，与上述实施方式同样地，从光源的输出的作为直线偏振光的照明光在通过准直透镜成为平行光之后，通过偏振光变换元件而变换为径向偏振光。然后，成为径向偏振光的照明光通过物镜被聚光到在物镜的焦点附近配置的样品的表面或者内部设定的物体面上。另外，在该情况下，偏振光变换元件也配置于物镜的入射瞳面。由此，照明光学系统能够在物镜的焦点面附近产生z偏振效果，所以照明光以在物体面上具有比由衍射极限规定的点径小的点径的方式被聚光。
另一方面，观测光学系统配置于样品的另一面侧，具有物镜和聚光透镜。另外，观测光学系统将由照明光学系统照明的样品的像聚光到受光元件。
进而，嵌入显微镜装置的物镜也可以是可更换的。在该情况下，根据物镜，光瞳径有时不同。因此，优选偏振光变换元件的相位反转元件无论物镜的光瞳径如何，都使透过了相位反转元件的光束形成以光轴为中心的同心圆状的规定数的环形带形状部分，在邻接的环形带形状部分彼此中使相位反转，以使得即使使用不同的光瞳径的物镜，也能得到同样的超分辨效果。另外，规定数是2以上的整数，例如是3以上8以下的整数。
另外，基于上述实施方式的偏振面旋转元件在其构造上，还能够原样地应用于光瞳径不同的各种物镜。
图11（A）是示出基于解决这样的课题的变形例的相位反转元件的光的入射侧的透明电极23’的构造的概略正面图，图11（B）是示出基于变形例的相位反转元件的光的出射侧的透明电极24’的构造的概略背面图。另外，在图11（A）以及图11（B）中，为了易于理解透明电极23’的尺寸和透明电极24’的尺寸不同，示出相位反转元件的液晶层内的密封部件的内侧边界281。透明电极以外的相位反转元件的构造能够设为与基于上述实施方式中的任意一个的相位反转元件的构造相同。因此，此处，仅说明透明电极。
在该变形例中，透明电极23’具有以光轴OA与相位反转元件的交点c0为中心的、同心圆状的7个环形带形状的电极231a~231g。另外，通过各环形带电极，覆盖以交点c0为中心的半径r1（即，从交点c0至透明电极23’的最外周的环形带电极231g的外缘为止的距离）的圆形区域的大致整体。该半径r1被设定为与在例如使用了具有相对较大的光瞳径的物镜的情况下透过相位反转元件的光束的半径大致相等。
同样地，透明电极24’也具有以交点c0为中心的同心圆状的7个环形带形状的电极241a~241g。另外，通过各环形带电极，覆盖以交点c0为中心的半径r2（即，从交点c0至透明电极24’的最外周的环形带电极241g的外缘为止的距离）的圆形区域的大致整体。该半径r2被设定为与在例如使用了具有相对较小的光瞳径的物镜的情况下透过相位反转元件的光束的半径大致相等。即，半径r2被设定为比半径r1小的值。
另外，对于透明电极23’、24’中的任意一个，邻接的两个环形带电极彼此是隔开比那些环形带电极的宽度窄的间隔而配置的，且相互绝缘。
在使用光瞳径相对大的物镜的情况下，进行对透明电极24’具有的所有环形带电极通电成为等电位，另一方面，对于透明电极23’，按隔1个环形带电极来进行通电。例如，对环形带电极231a、231c、231e以及231g进行通电，对环形带电极231b、231d以及231f不进行通电。通过适合地调节透明电极23’中的通电的环形带电极与透明电极24’之间的电压，使透过在该电极之间夹住的液晶层的光线的相位相对透过在透明电极23’中的未通电的环形带电极与透明电极24’之间夹住的液晶层的光线的相位偏移π。
另外，在使用光瞳径相对小的物镜的情况下，对透明电极23’具有的所有环形带电极通电为等电位，另一方面，对于透明电极24’，按隔1个环形带电极进行通电。例如，对环形带电极241a、241c、241e以及241g进行通电，对环形带电极241b、241d以及241f不进行通电。通过适合地调节透明电极24’中的通电的环形带电极与透明电极23’之间的电压，使透过在该电极之间夹住的液晶层的光线的相位相对透过在透明电极24’中的未通电的环形带电极与透明电极23’之间夹住的液晶层的光线的相位偏移π。
此处，透明电极23’具有的环形带电极的数量和透明电极24’具有的环形带电极的数量相等，两个透明电极的半径不同。因此，基于该变形例的相位反转元件，在使用光瞳径不同的两个物镜中的任意一个的情况下，都能够在光束中形成相同数量的在邻接的部分彼此中相位反转的以光轴为中心的同心圆状的环形带形状部分。
另外，各透明电极具有的环形带电极的数量也可以相互不同。例如，透明电极24’也可以在环形带电极241g的外侧还具有1个以上的环形带电极以使得透明电极23’的半径与透明电极24’的半径相等。
根据相位反转元件的又一变形例，也可以具有以如下方式设置的同心圆状的多个环形带电极，即相位反转元件的液晶层的一方中设置的透明电极如图3（A）所示的透明电极24那样，配置成覆盖液晶层整体，液晶层的另一方中设置的透明电极如图11（A）所示的透明电极23’那样，设置成覆盖液晶层的大致整体。但是，在该变形例中，优选将各环形带电极的宽度设定为比透明电极23’的环形带电极的宽度窄、例如透明电极23’的环形带电极的宽度的大致1/10~大致1/2。在该情况下，将邻接的多个环形带电极作为一个组，沿着以与光轴的交点为中心的放射方向，交替配置通电的环形带电极的组和不通电的环形带电极的组。由此，在光束中，形成在邻接的部分彼此中相位反转了的环形带形状部分。然后，通过根据物镜的光瞳径适合地选择所通电的环形带电极的组，无论该光瞳径如何，都形成规定数的环形带形状部分。
另外，上述偏振光变换元件不限于显微镜，能够嵌入各种光照射装置而利用。例如，偏振光变换元件能够嵌入作为光照射装置的一个例子的光拾取装置。
图12是具有偏振光变换元件的光拾取装置的概略结构图。如图12所示，光拾取装置200具有光源201、准直透镜202、分束器203、物镜204、成像透镜205、受光元件206、偏振光变换元件207、控制器208、以及致动器209。
光源201、准直透镜202、偏振光变换元件207、分束器203以及物镜204沿着光轴OA配置成一列。另外，准直透镜202、偏振光变换元件207、分束器203以及物镜204使从光源201放射的光聚焦于记录介质210上。另一方面，在分束器203的侧面，在与光轴OA正交的方向上配置成像透镜205以及受光元件206。另外，由记录介质210反射或者散射了的光在通过物镜204之后，被分束器203反射，通过成像透镜205而在受光元件206上成像。另外，虽然为了易于理解而未图示，但光拾取装置200也可以在光路上具有球面像差用补偿光学系统等各种补偿光学系统。
光源201具有例如半导体激光器，输出直线偏振光。
准直透镜202配置成光源201位于其前侧焦点，使从光源201输出的直线偏振光成为平行光。
偏振光变换元件207是基于上述实施方式或者其变形例中的任意一个的偏振光变换元件，配置于物镜204的前侧瞳面。在本实施方式中，偏振光变换元件207配置于准直透镜202与分束器203之间。另外，偏振光变换元件207将在透过了准直透镜202之后入射到偏振光变换元件207的直线偏振光变换为径向偏振光。偏振光变换元件207优选配置成例如将直线偏振光变换为径向偏振光的偏振面旋转元件具有的液晶层的各区域中的不使直线偏振光的偏振面旋转的区域（例如，图5所示的扇形区域30a）所包含的液晶分子的取向方向与入射到偏振光变换元件207的直线偏振光的偏振面大致一致，其他区域的液晶分子的取向方向与所入射的直线偏振光的偏振面之间的角成为使偏振面旋转的角度的1/2。
物镜204使从偏振光变换元件207出射的径向偏振光聚焦于记录介质210上。在该情况下，在焦点附近，由物镜204聚光的光成为z偏振光。因此，能够使焦点附近处的光的点径小于由衍射极限规定的点径。例如，基于本实施方式的点径成为由衍射极限规定的点径的约1.5~约1.7分之1。另外，该光拾取装置200还能够增大所聚光的光的焦点深度。
进而，在物镜204中，安装了跟踪用的致动器209。通过致动器209使物镜204在图中的箭头Z的方向上移动，从而由物镜204聚光的光束准确地追踪记录介质210的轨道。另外，致动器209与控制器208连接，根据来自控制器208的控制信号而使物镜204移动。
通过记录介质210的轨道面上记录的信息（凹坑），对由记录介质210反射或者散射了的光进行振幅调制。该光再次透过物镜204而成为平行光。然后，该光被分束器203反射，而入射到成像透镜205。然后，成像透镜205使所入射的光在受光元件206上成像。
受光元件206具有例如阵列状地排列的多个CCD或者C－MOS等半导体受光元件。另外，各半导体受光元件输出与受光的光的强度对应的电信号。然后，受光元件206对各半导体受光元件输出的电信号进行平均，将与其平均值相当的电信号作为表示所受光的光的强度的光强度信号，传送到控制器208。
控制器208从由受光元件206接收到的光强度信号中读出记录信息。另外，控制器208控制偏振光变换元件207以及致动器209。为此，控制器208与偏振光变换元件207具有的驱动电路连接。另外，控制器208与受光元件206连接，从受光元件206接收光强度信号。然后，控制器208调节对偏振光变换元件207的各液晶层施加的电压，以使得偏振光变换元件207能够将从光源201输出的直线偏振光变换为径向偏振光。具体而言，控制器208通过变更向偏振光变换元件207具有的驱动电路输出的电压调整信号，一边调节对偏振光变换元件207的各液晶层施加的电压，一边取得光强度信号，将电压值和光强度信号值对应起来而存储到内置的存储器。然后，控制器208根据存储器中存储的光强度信号以及电压值，决定光强度信号成为最大值的电压值，将与该电压对应的电压调整信号发送到偏振光变换元件207的驱动电路。然后，偏振光变换元件207的驱动电路对各液晶层施加与从控制器208接收到的电压调整信号对应的驱动电压。
如以上说明的那样，使用了偏振光变换元件的光拾取装置使径向偏振光聚焦于记录介质，所以能够通过z偏振效果使其焦点附近处的点径小于由衍射极限规定的点径。因此，该光拾取装置能够具有比由衍射极限规定的分辨率高的分辨率。因此，该光拾取装置能够读取具有比由衍射极限规定的分辨率所决定的存储密度高的存储密度的记录介质中记录的信息。另外，该光拾取装置能够增大记录介质附近处的焦点深度，所以能够抑制由于记录介质与光拾取装置之间的距离变动而导致的读取差错的发生。
拾取装置也可以具有输出波长相互不同的光的多个光源。例如，光拾取装置200也可以还具有与光源201独立的第2光源（未图示）、和使从各光源输出的光朝向偏振光变换元件207的第2分束器（未图示）。在该情况下，例如在准直透镜202与分束器203之间配置第2分束器，并在该第2分束器的侧面，配置第2光源以使得不仅从光源201输出的光聚光到记录介质210，而且从第2光源输出的光也在被第2分束器反射之后，经由分束器203、偏振光变换元件207以及物镜204聚光到记录介质210。
控制器208使光源或者第2光源中的某一方输出，并且如图8中说明的那样，将与正在输出光的光源对应的电压调整信号发送到偏振光变换元件207的驱动电路，从而能够使偏振光变换元件207将来自该光源的光变换为径向偏振光。由此，光拾取装置能够使从多个光源中的某个输出的光都以具有比由衍射极限规定的点径小的点径的方式在记录介质210上聚光。
另外，偏振光变换元件207也可以以使由记录介质210反射或者散射了的光透过的方式，配置于分束器203与物镜204之间。
另外，使用了偏振光变换元件的光照射装置也可以是激光手术刀、激光加工机这样的使用光而对对象物进行加工的光加工装置。在该情况下，偏振光变换元件与上述光拾取装置同样地，配置于输出直线偏振光的光源与使光聚光的物镜之间、特别是物镜的光源侧的瞳面。由此，在物镜的焦点附近，被聚光的光成为z偏振光。因此，使用了偏振光变换元件的光加工装置能够使可加工的最小尺寸小于衍射极限。
进而，使用了偏振光变换元件的光照射装置也可以是干涉计这样的使用光来测定形状的装置。在该情况下，偏振光变换元件也配置于输出直线偏振光的光源与使光聚光的物镜之间、特别是物镜的光源侧的瞳面。
如以上说明，本领域技术人员能够在本发明的范围内，与实施方式对应地进行各种变更。

Claims (10)

1.一种显微镜装置，其特征在于，具有：
第1光源，输出具有第1波长的直线偏振光；
偏振光变换元件，具有包含液晶分子的液晶层，所述偏振光变换元件通过使所述直线偏振光透过该液晶层，将所述直线偏振光变换为径向偏振光；
物镜，使所述径向偏振光聚光到物体面；
聚光透镜，使来自所述物体面的光聚光；
受光元件，接收由所述聚光透镜聚光了的光，输出与该光的强度对应的信号；以及
控制器，对所述偏振光变换元件具有的所述液晶层施加与所述第1波长对应的电压，
所述偏振光变换元件配置于所述物镜的所述光源侧，所述偏振光变换元件具有沿着光轴配置的、使入射光的一部分的相位反转的相位反转元件和将所述直线偏振光变换为径向偏振光的偏振面旋转元件，
所述偏振面旋转元件具有所述液晶层、和被配置成夹着该液晶层而相对置的两个第1透明电极，
所述液晶层具有沿着以所述偏振面旋转元件与所述光轴的第1交点为中心的圆周方向配置的多个区域，所述多个区域的各个中包含的所述液晶分子的取向方向相互不同，
所述液晶层的所述多个区域的各个通过对所述两个第1透明电极之间施加与所述第1波长对应的电压，使所述直线偏振光中的透过了该区域的分量的偏振面，根据该区域所包含的所述液晶分子的取向方向，旋转成与以所述第1交点为中心的放射方向平行，
所述相位反转元件具有沿着以该相位反转元件与所述光轴的第2交点为中心的放射方向交替配置的第1环形带部分以及第2环形带部分，所述相位反转元件使入射到所述第1环形带部分的所述直线偏振光或者所述径向偏振光的相位相对入射到所述第2环形带部分的所述直线偏振光或者所述径向偏振光的相位反转。
2.根据权利要求1所述的显微镜装置，其特征在于，
所述多个区域的各个中包含的所述液晶分子的取向方向是与入射到所述偏振面旋转元件的直线偏振光的偏振面所成的角度为通过所述第1交点以及该区域的规定的直线与所述偏振面之间的角度的1/2的方向，
通过对所述两个透明电极之间施加与所述第1波长对应的电压，从而所述偏振面旋转元件使所述直线偏振光中的透过了所述多个区域的各个的分量的偏振面旋转由所述直线偏振光的偏振面和所述取向方向所成的角的2倍的角度而与所述规定的线平行。
3.根据权利要求2所述的显微镜装置，其特征在于，
所述多个区域的各个中的所述规定的线是通过所述第1交点、并且对该区域进行2等分的线。
4.根据权利要求1所述的显微镜装置，其特征在于，
设定所述多个区域的各个中的所述取向方向，以使得将所述多个区域中的与所述直线偏振光的偏振面平行并且与通过所述光轴的面交叉的两个区域中的某一方设为第1区域，在将所述多个区域的总数设为N时针对该第1区域按照顺时针或者逆时针的顺序第n个区域中的所述取向方向、与入射到所述第1区域的所述直线偏振光的偏振面所成的角度θ为θ=360°×（n－1）/（2N），
此处n是1至N中的某一个整数。
5.根据权利要求1~4中的任意一项所述的显微镜装置，其特征在于，
所述相位反转元件具有：
第2液晶层，包含液晶分子；以及
两个第2透明电极，被配置成夹着该第2液晶层相对置，
所述两个第2透明电极中的一方是与所述第1环形带部分对应的多个环形带电极，通过对该环形带电极与所述两个第2透明电极的另一方之间施加与所述第1波长对应的电压，从而使入射到所述第1环形带部分的所述直线偏振光或者所述径向偏振光的相位反转。
6.根据权利要求5所述的显微镜装置，其特征在于，
所述相位反转元件配置于所述偏振面旋转元件的入射侧，
所述第2液晶层中包含的液晶分子沿着与入射到所述相位反转元件的直线偏振光的偏振面平行的方向取向。
7.根据权利要求5所述的显微镜装置，其特征在于，
所述相位反转元件配置于所述偏振面旋转元件的出射侧，
所述第2液晶层中包含的液晶分子被取向为以所述第2交点为中心的放射状。
8.根据权利要求5~7中的任意一项所述的显微镜装置，其特征在于，
还具有第2光源，该第2光源输出具有与所述第1波长不同的第2波长的直线偏振光，并且该第2光源被配置成使具有该第2波长的直线偏振光通过所述偏振光变换元件以及所述物镜而聚光于所述物体面，
所述控制器使所述第1光源以及所述第2光源中的某一方点亮，并且将与从该点亮中的光源输出的直线偏振光的波长对应的电压施加到所述两个第1透明电极之间以及所述两个第2透明电极之间。
9.一种光拾取装置，其特征在于，具有：
光源，输出具有规定的波长的直线偏振光；
偏振光变换元件，具有包含液晶分子的液晶层，所述偏振光变换元件将透过了该液晶层的所述直线偏振光变换为径向偏振光；
物镜，使所述径向偏振光聚光到物体面；
成像透镜，使由所述物体面反射了的光成像；
受光元件，接收由所述成像透镜成像了的光，并输出与该光的强度对应的信号；
驱动电路，对所述偏振光变换元件具有的所述液晶层施加与所述规定的波长对应的电压；以及
控制器，调节所述驱动电路输出的电压，以使得所述信号成为最大，
所述偏振光变换元件配置于所述物镜的所述光源侧的瞳面，该偏振光变换元件具有沿着光轴配置的、使入射光的一部分的相位反转的相位反转元件和将所述直线偏振光变换为径向偏振光的偏振面旋转元件，
所述偏振面旋转元件具有所述液晶层、和被配置成夹着该液晶层而相对置的两个第1透明电极，
所述液晶层具有沿着以所述偏振面旋转元件与所述光轴的第1交点为中心的圆周方向配置的多个区域，所述多个区域的各个中包含的所述液晶分子的取向方向相互不同，
所述液晶层的所述多个区域的各个通过对所述两个第1透明电极之间施加与所述规定的波长对应的电压，从而使所述直线偏振光中的透过了该区域的分量的偏振面，根据该区域中包含的所述液晶分子的取向方向，旋转成与以所述第1交点为中心的放射方向平行，
所述相位反转元件具有沿着以该相位反转元件与所述光轴的第2交点为中心的放射方向交替配置的第1环形带部分以及第2环形带部分，所述相位反转元件使入射到所述第1环形带部分的所述直线偏振光或者所述径向偏振光的相位相对入射到所述第2环形带部分的所述直线偏振光或者所述径向偏振光的相位反转。
10.一种光照射装置，其特征在于，具有：
光源，输出具有规定的波长的直线偏振光；
偏振光变换元件，具有包含液晶分子的液晶层，所述偏振光变换元件将透过了该液晶层的所述直线偏振光变换为径向偏振光；
物镜，使所述径向偏振光聚光到物体面；以及
驱动电路，对所述液晶层施加与所述规定的波长对应的电压，
所述偏振光变换元件配置于所述物镜的所述光源侧的瞳面，所述偏振光变换元件具有沿着光轴配置的、使入射光的一部分的相位反转的相位反转元件和将所述直线偏振光变换为径向偏振光的偏振面旋转元件，
所述偏振面旋转元件具有所述液晶层、和被配置成夹着该液晶层而相对置的两个第1透明电极，
所述液晶层具有沿着以所述偏振面旋转元件与所述光轴的第1交点为中心的圆周方向配置的多个区域，所述多个区域的各个中包含的所述液晶分子的取向方向相互不同，
所述液晶层的所述多个区域的各个通过对所述两个第1透明电极之间施加与所述规定的波长对应的电压，从而使所述直线偏振光中的透过了该区域的分量的偏振面，根据该区域中包含的所述液晶分子的取向方向，旋转成与以所述第1交点为中心的放射方向平行，
所述相位反转元件具有沿着以该相位反转元件与所述光轴的第2交点为中心的放射方向交替配置的第1环形带部分以及第2环形带部分，所述相位反转元件使入射到所述第1环形带部分的所述直线偏振光或者所述径向偏振光的相位相对入射到所述第2环形带部分的所述直线偏振光或者所述径向偏振光的相位反转。
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