CN105009002B - 光束分割元件 - Google Patents

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Abstract

一种光束分割元件，具有：相位调制元件，其使入射的光的具有相互正交的偏振面的第一偏振分量和第二偏振分量之间产生相位差；和至少一个双折射透镜，其将透过相位调制元件的光分割为具有第一偏振分量的第一光束和具有第二偏振分量的第二光束，并且，使第一光束以及第二光束沿着同一光轴出射，且将第一光束以及第二光束中的至少一方作为会聚光束。相位调制元件具有液晶层和夹着液晶层相对配置的两个透明电极，所述液晶层的液晶分子的长轴方向被取向为朝向第一偏振方向，相位调制元件使第一偏振分量和第二偏振分量之间产生与施加于两个透明电极间的电压相对应的相位差。

Description

光束分割元件
技术领域
本发明涉及对光束进行分割的光束分割元件。
背景技术
近年来，提出了如下方法：将非相干光照射到样品上，利用空间光调制元件将由样品反射或者散射的光分割成光轴相同的平行光束和会聚光束，利用检测器对这两个光束产生的干涉条纹进行检测，由此来生成同轴全息图(例如，参照专利文献1以及非专利文献1)。在先技术文献
专利文献1：美国专利申请公开第2008/0204833号
非专利文献1：Joseph Rosen and Gary Brooker,“Fresnel incoherentcorrelation holography(FINCH):a review of research”,Adv.Opt.Techn.,2012年,Vol.1,pp.151-169
发明内容
发明所要解决的问题
在上述的方法中，为了使空间光调制元件作为菲涅尔带片发挥功能，例如将配置成矩阵状的多个透明电极设在空间光调制元件上。因此，在空间光调制元件内形成因透明电极而不一样的构造，因此，由于该构造，产生与干涉条纹的形成所利用的会聚光束不同的衍射，其结果是，光的利用效率下降。另外，当空间光调制元件为具有封入有被平行取向(ホモジニアス取向)的液晶分子的液晶层的液晶元件的情况下，空间光调制元件虽然能够调制具有与液晶分子的取向方向平行的偏振面的光的相位，但无法调制具有与液晶分子的取向方向垂直的偏振面的光的相位，因此，会聚光束仅包含具有一方的偏振面的光。因此，会产生如下问题：在会聚光束和平行光束的光斑尺寸相等的位置，对比度良好，但光学系统变长。另外，空间光调制元件需要发挥作为衍射透镜的功能和对光束施加规定相位调制量的功能，因此，由于无法增强衍射透镜的光焦度，所以导致光学系统的全长变长。
因此，本发明的目的在于提供一种提高干涉条纹的对比度、且能够缩短光学系统的全长的光束分割元件。
用于解决课题的手段
根据本发明的一个側面，提供一种光束分割元件。该光束分割元件具有：相位调制元件，其使入射的光的具有沿着第一方向的偏振面的第一偏振分量和具有沿着与所述第一方向正交的第二方向的偏振面的第二偏振分量之间产生相位差；和至少一个双折射透镜，其将所述光分割为具有所述第一偏振分量的第一光束和具有所述第二偏振分量的第二光束，并且，使第一光束以及第二光束沿着同一光轴出射，且将第一光束以及第二光束中的至少一方作为会聚光束。
而且，相位调制元件具有液晶层和夹着所述液晶层相对配置的两个透明电极，所述液晶层封入有液晶分子，且该液晶分子的长轴方向被取向为朝向所述第一方向，所述相位调制元件根据施加于两个透明电极间的电压，偏移第一偏振分量的相位，使第一偏振分量和第二偏振分量之间产生相位差。
该光束分割元件优选为，在至少一个双折射透镜的后方还具有偏振片，所述偏振片使第一光束以及第二光束各自中的、沿着将第一方向和第二方向所形成的角二等分的方向的偏振分量透过。
又，在该光束分割元件中，优选为，至少一个双折射透镜沿着光轴具有第一双折射透镜和第二双折射透镜。而且，第一双折射透镜沿着光轴具有：对于第一偏振分量具有第一折射率，且对于第二偏振分量具有第二折射率的双折射层；以及具有第二折射率的透明材质层，在双折射层和透明材质层之间形成有对于第一偏振分量具有光焦度的透镜面。另一方面，第二双折射透镜沿着光轴具有：对于第一偏振分量具有第三折射率，且对于第二偏振分量具有第四折射率的双折射层；以及具有第三折射率的透明材质层，在双折射层和透明材质层之间形成有对于第二偏振分量具有光焦度的透镜面。
进一步地，在该光束分割元件中，优选为，第一双折射透镜还具有夹着双折射层相对形成的两个透明电极，双折射层是封入有液晶分子、且该液晶分子的长轴方向被取向为与第一偏振分量平行的液晶层，第一折射率根据施加于两个透明电极间的电压而变化，由此使对于第一偏振分量的光焦度变化。
进一步地，在该光束分割元件中，优选为，至少一个双折射透镜沿着光轴具有：对于第一偏振分量具有第一折射率，且对于第二偏振分量具有第二折射率的双折射层；以及具有第三折射率的透明材质层，在双折射层和透明材质层之间，形成有对于第一偏振分量具有第一光焦度、且对于第二偏振分量具有第二光焦度的透镜面。
发明效果
本发明所涉及的光束分割元件起到提高干涉条纹的对比度、且能够缩短光学系统的全长的效果。
附图说明
图1是具有本发明的第一实施方式所涉及的光束分割元件的全息图生成装置的概略结构图。
图2A是从样品侧观察到相位调制元件的概略主视图。
图2B是沿着图2A的箭头A、A’所示的线的相位调制元件的概略侧面截面图。
图3是双折射透镜的概略侧面截面图。
图4A是变形例的液晶双折射透镜的概略主视图。
图4B是变形例的液晶双折射透镜的概略侧面图。
图5是沿着图4A的箭头B、B’所示的线的液晶双折射透镜的概略侧面截面图。
图6是具有本发明的第二实施方式所涉及的光束分割元件的全息图生成装置的概略结构图。
图7A是表示以全息图模式使用具有本发明的实施方式或者变形例所涉及的光束分割元件的全息图生成装置的情况的图。
图7B是表示以对焦模式使用具有本发明的实施方式或者变形例所涉及的光束分割元件的全息图生成装置的情况的图。
图8A是表示以全息图模式使用包含具有块体透镜(バルクレンズ)的光束分割元件的全息图生成装置的情况的图。
图8B是表示以对焦模式使用包含具有块体透镜的光束分割元的全息图生成装置的情况的图。
图9是表示在包含具有块体透镜的光束分割元件的全息图生成装置中，入射的光的波长不同时的光束的变化的图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明一个实施方式的光束分割元件。该光束分割元件使用相位调制元件而在来自被照明的样品的反射光、散射光或者荧光的彼此正交的两个偏振分量之间产生所期望的相位差。而且，该光束分割元件利用配置在相位调制元件的后方的两个双折射透镜而将透过相位调制元件的光分割成各自沿着同一光轴的偏振分量的两个会聚光束。并且，该光束分割元件通过将这两个会聚光束聚光在检测器上而在检测器上形成干涉条纹。
图1是具有本发明的第一实施方式所涉及的光束分割元件的全息图生成装置的概略结构图。如图1所示，全息图生成装置1具有光源2、准直仪3、光束分割元件4、检测器5、以及控制器6。
光源2具有将非相干光或者相干光作为照明光进行放射的发光元件。为此，光源2例如具有水银灯来作为发出非相干光的发光元件。或者，光源2也可以具有氙弧灯或者白炽灯来作为发出非相干光的发光元件。另外，光源2也可以具有仅使从发光元件放射出的非相干光中的特定颜色的光通过的滤色器。而且，光源2也可以具有可透过的颜色不同的多个滤色器、以及对这些滤色器中的、配置在从发光元件放射的非相干光的光路上的滤色器进行切换用的滤色器的保持机构。
或者，另外，光源2也可以具有半导体激光器、气体激光器或者固体激光器等各种激光器光源中的任一个来作为发出相干光的光源。
或者，光源2也可以具有放射波长彼此不同的光的多个发光元件。在该情况下，光源2例如按照来自控制器6的控制信号而使照明光放射到任一个发光元件。
从光源2放射出的光由样品10反射或者散射、或者激发被荧光染色的样品10的荧光物质，在该反射、散热光、或者荧光通过准直仪3而被平行光化之后，透过光束分割元件4，由此被分割成沿着光轴OA的两个会聚光束。并且，这两个会聚光束在检测器5的检测面附件被聚光在光轴OA上，在检测面上产生干涉条纹。
检测器5例如具有配置成阵列状的多个CCD或者C-MOS等固体摄像元件，每当进行一次拍摄时，输出与各固体摄像元件所接受的光的强度对应的电信号，由此，生成在检测器5的检测面上形成的干涉条纹的图像。并且，检测器5将该干涉条纹的图像向控制器6输出。
控制器6例如具有处理器、存储器、以及将控制器6与全息图生成装置1的各部分连接用的接口电路。并且，控制器6通过对光源2供给规定电力而使照明光放射到光源2。另外，在光源2具有多个发光元件的情况下，控制器6例如按照用户经由未图示的用户界面的操作而将使照明光输出到多个发光元件中的任一发光元件的控制信号发送到光源2。
另外，控制器6具有未图示的驱动电路，经由该驱动电路来控制施加于光束分割元件4所具有的相位调制元件的电压，由此来控制从光束分割元件4输出的两个光束之间的相位差。此外，关于相位差的控制，在后文中叙述。
此外，从驱动电路施加于相位调制元件的驱动电压例如也可以是进行了脉冲高度调制(PHM)或者脉冲宽度调制(PWM)后的交流电压。
而且，控制器6根据从检测器5接收的、会聚光束之间的相位差不同的多个干涉条纹的图像来生成样品10的同轴全息图。控制器6控制例如由相位调制元件产生的相位差，并取得相位差为0°时的干涉条纹的图像、相位差为120°时的干涉条纹得图像、以及相位差为240°时的干涉条纹得图像，根据这三个图像来生成同轴全息图。此外，对于用于根据多个干涉条纹的图像来获得同轴全息图的图像运算的详细情况，例如被上述的非专利文献1所公开。
以下，对本发明的第一实施方式的光束分割元件4进行说明。
光束分割元件4具有相位调制元件11、双折射透镜12-1、12-2、以及偏振片13。
相位调制元件11使入射的光中的沿着规定方向的偏振分量的相位对于沿着与该规定方向正交的方向的偏振分量的相位错开与从控制器6施加的电压相对应的相位调制量。在本实施方式中，相位调制元件11是具有封入有被平行取向的液晶分子的液晶层的液晶元件。
图2A是从样品6侧观察到相位调制元件11的概略主视图，图2B是沿着图2A的箭头A、A’所示的线的相位调制元件11的概略侧面截面图。
相位调制元件11具有液晶层20、以及沿着光轴OA而大致平行地配置在液晶层20的两侧的透明基板21、22。另外，相位调制元件11具有配置在透明基板21与液晶层20之间的透明电极23、以及配置在液晶层20与透明基板22之间的透明电极24。并且，包含于液晶层20的液晶分子25被封入在透明基板21以及22与密封部件26之间。另外，液晶层20的厚度例如形成为在彼此正交的两个偏振分量之间施加0°～360°间的任意相位差所需的足够的厚度，例如形成为10μm。
透明基板21、22例如由玻璃或者树脂等相对于光源2所发出的照明光而透明的材料形成。另外，透明电极23、24例如由被称为IT0的、在氧化铟中添加有氧化锡的材料形成。此外，透明电极23、24形成为分别将驱动液晶分子25的活性区域整体覆盖。而且，在透明电极23与液晶层20之间配置取向膜(未图示)。另外，在透明电极24与液晶层20之间配置取向膜(未图示)。这些取向膜使液晶分子25被取向为规定方向。
而且，也可以在各基板、各透明电极以及各取向膜的外周配置用于保持各基板的镜框(未图示)。
封入液晶层20的液晶分子25例如被平行取向。并且液晶分子25被取向成，使其长轴方向朝向与光轴OA正交的面内的特定的方向，例如朝向箭头201所示的方向。
在此，在透明电极23与24之间施加电压时，液晶分子25根据该电压而朝向与施加电压的方向平行的方向倾斜。若将液晶分子25的长轴方向与施加电压的方向所成角设为ψ，则透过液晶层20的光与长轴方向呈角ψ。此时，若将液晶分子的相对于与液晶分子25被取向的方向平行的偏振分量的折射率设为nψ，则no≦nψ≦ne。其中，no为相对于与液晶分子的长轴方向正交的偏振分量的折射率，ne为相对于与液晶分子的长轴方向平行的偏振分量的折射率。
因此，设液晶层20所含的液晶分子25被平行取向，液晶层20的厚度为d的话，在平行于液晶分子25的取向方向的偏振分量与正交于液晶分子25的取向方向的偏振分量之间产生光路长差Δnd(＝nψd-nod)。因此，通过调节施加在透明电极23与24之间的液晶层20的电压，光束分割元件4能够在平行于液晶分子25的取向方向的偏振分量与正交于液晶分子25的取向方向的偏振分量之间提供2πΔnd/λ的相位差。另外，λ表示透过液晶层20的光的波长。
另外，在以下，为了便于说明，设液晶分子25的取向方向为x方向、与液晶分子25的取向方向正交的方向为y方向。
例如，控制器6存储表示x方向的偏振分量与y方向的偏振分量间的相位差与电压的关系的参照表，并通过参照该参照表而对应所期望的相位差来决定施加在液晶层20的电压即可。
另外，在光源2具有发出波长不同的光的多个发光元件或具有透过的波长不同的多个滤色器的情况下，控制器6能够根据从光源2向样品10照射的光的波长，来调整施加在透明电极23与24之间的液晶层20的电压，从而使x方向的偏振分量与y方向的偏振分量之间产生所期望的相位差。
在该情况下，控制器6也可以对各波长存储表示x方向的偏振分量与y方向的偏振分量间的相位差与电压的关系的参照表。在该情况下，控制器6能够通过参照与波长对应的参照表，从而对应所期望的相位差来适当地决定施加在液晶层20的电压。
同样，控制器6也可以分别对相位调制元件11的多个温度而存储表示x方向的偏振分量与y方向的偏振分量间的相位差与电压的关系的参照表。在该情况下，控制器6例如能够通过参照与最接近配置于相位调制元件11附近的温度计(未图示)所测温度的测定值的温度对应的参照表，从而对应所期望的相位差来适当地决定施加在液晶层20的电压。
透过相位调制元件11的光射入到双折射透镜12-1、12-2。
双折射透镜12-1为如下透镜：对于具有与x方向平行的偏振面的偏振分量、即通过相位调制元件11进行相位调制的偏振分量而具有正光焦度，另一方面，对于具有与y方向平行的偏振面的偏振分量而不具有任何的光焦度。相反，双折射透镜12-2为如下透镜：对于具有与x方向平行的偏振面的偏振分量而不具有光焦度，另一方面，对于具有与y方向平行的偏振面的偏振分量而具有正光焦度。因此，透过相位调制元件11的光中的具有与x方向平行的偏振面的偏振分量通过双折射透镜12-1成为会聚光束，另一方面，具有与y方向平行的偏振面的偏振分量通过双折射透镜12-2成为会聚光束。这样一来，透过相位调制元件11的光通过双折射透镜12-1与12-2被分割为两个会聚光束。
图3是在通过光轴OA且与x方向平行的面中的双折射透镜12-1的概要侧截面图。
双折射透镜12-1具有：大致平行地配置的两个透明基板31、32、夹持于该透明基板31、32之间且形成于透明基板31的与透明基板32相对侧的面的透明材质层33及形成于透明材质层33与透明基板32之间的液晶层34。
如后所述，透明材质层33以使能够在与液晶层34的边界面形成透镜面的方式，例如由紫外线硬化的透明树脂形成。
另一方面，液晶层34为根据透过液晶层34的光的偏振面而折射率不同的双折射层的一例。液晶分子35通过以包围液晶层34的方式设置的密封部件36而被封入液晶层34内，且防止液晶分子35漏出到液晶层34的外部。另外，也可以在透明基板32侧设置透明材质层，在透明基板31侧设置液晶层。
在透明材质层33与液晶层34的边界面形成以光轴OA为中心且对于透明材质层33呈凸形的菲涅尔透镜面37。形成于菲涅尔透镜面37的各台阶间的连续面例如形成为球面。
另外，在透明材质层33的菲涅尔透镜面37与透明基板32的液晶层34侧的表面分别设置用于使液晶分子35取向为特定的方向的取向膜(未图示)。
在本实施方式中，液晶分子35以其长轴方向与x方向平行的方式被平行取向。即，双折射透镜12-1的液晶分子35的取向方向与相位调制元件11的液晶分子25的取向方向相同。并且使对于与液晶分子35的长轴方向正交的方向(即y方向)的偏振分量的折射率与透明材质层33的折射率相等的方式选择液晶分子35以及透明材质层33的材质。由此，菲涅尔透镜面37对于具有y方向的偏振面的偏振分量而不具有任何光焦度。另一方面，相对于沿液晶分子35的长轴方向的偏振分量的折射率比相对于沿正交于长轴方向的方向的偏振分量的折射率高，因此菲涅尔透镜面37对于具有x方向的偏振面的偏振分量而具有正光焦度。因此，具有x方向的偏振面的偏振分量通过菲涅尔透镜面37成为会聚光束，另一方面，具有y方向的偏振面的偏振分量即使透过菲涅尔透镜面37也仍然为平行光束。
双折射透镜12-2也具有与双折射透镜12-1相同的结构。但是，在双折射透镜12-2中，封入液晶层的液晶分子以使其长轴方向为与y方向平行的方式被平行取向。因此，与双折射透镜12-1相反，通过双折射透镜12-2内的菲涅尔透镜面，具有y方向的偏振面的偏振分量成为会聚光束，另一方面，对于具有x方向的偏振面的偏振分量，双折射透镜12-2作为平行平板发挥功能。因此，透过相位调制元件11的光被分割为被双折射透镜12-1会聚且具有与x方向平行的偏振面的光束B1及被双折射透镜12-2会聚且具有与y方向平行的偏振面的光束B2。另外，光束B1、B2均沿光轴OA前进，在检测器5的检测面的附近聚光于光轴OA上。
另外，也可以交换双折射透镜12-1与双折射透镜12-2的顺序。
根据变形例，在各双折射透镜中，也可以以使透明材质层的折射率与液晶层对于与液晶分子的长轴方向平行的偏振分量的折射率相等的方式选择透明材质层的材质以及液晶分子的材质。在该情况下，透明材质层的折射率的一方比液晶层对于与液晶分子的长轴方向正交的偏振分量的折射率高，因此双折射透镜具有正光焦度，因此菲涅尔透镜面相对于液晶层形成为凸形。
另外，根据其他的变形例，各双折射透镜也可以具有由单轴的双折射结晶形成的双折射层来代替液晶层。在该情况下，以一方的双折射透镜的双折射结晶的快轴为x方向、另一方的双折射透镜的双折射结晶的快轴为y方向的方式来配置双折射结晶即可。另外，在该变形例中，以使双折射结晶的相对于寻常光线的折射率与透明材质层的折射率相等的方式选择双折射结晶的材质以及透明材质层的材质，菲涅尔透镜面相对于透明材质层形成为凸形。或者，也可以以使双折射结晶的相对于异常光线的折射率与透明材质层的折射率相等的方式选择双折射结晶的材质以及透明材质层的材质，菲涅尔透镜面相对于透明材质层形成为凸形。
会聚光束B1、B2分别射入偏振片13。
偏振片13仅使将由x方向和y方向所成的角二等分的方向、即，相对于x方向具有45°的偏振面的偏振分量透过。因此，会聚光束B1、B2中的任一个都通过透过偏振片13而相对于x方向具有45°的偏振面，所以相互干涉。又，因为偏振片13的透过轴朝向将由x方向与y方向所成的角二等分的方向，所以在来自样品的光大致没有偏振的情况下，透过偏振片13的会聚光束B1的强度与会聚光束B2的强度也大致相等。因此，由于检测器5的检测面上的、会聚光束B1的强度与会聚光束B2的强度大致相等，所以能够得到对比度良好的干涉条纹。
此外，为了进一步减少会聚光束B1的强度与会聚光束B2的强度之差，优选为配置检测器5，以使检测器5的检测面上的会聚光束B1的光斑尺寸与会聚光束B2的光斑尺寸大致相等。
如以上说明的那样，涉及本发明的一实施方式的光束分割元件让相互正交的2个偏振分量中的任一光束都通过能够具有较强光焦度的菲涅尔透镜而成为会聚光束，所以能够缩短从样品至检测器的光学系统的全长。又，因为该光束分割元件的相位调制元件在光束所透过的整个区域采用一样的透明电极来对光束进行相位调制，所以不会产生因透明电极的结构而引起的衍射。因此，该光束分割元件能够提高光的利用效率。而且，因为该光束分割元件可以使2条光束的强度大致相等，所以能够提高干涉条纹的对比度。
此外，根据变形例，上述实施方式中的双折射透镜也可以置换为具有以光轴为中心的多个轮带状的透明电极的液晶双折射透镜。
图4A是该变形例的液晶双折射透镜的概略主视图，图4B是变形例的液晶双折射透镜的概略侧面图。又，图5是图4A的箭头B、B’所示的线中的、液晶双折射透镜的概略侧面截面图。
在该变形例中，包含有2个液晶双折射透镜41、42。在液晶双折射透镜41中，让液晶分子被平行取向，以使封入在液晶层内的液晶分子的长轴方向与x轴方向平行；而在液晶双折射透镜42中，让液晶分子被平行取向，以使封入在液晶层内的液晶分子的长轴方向与y轴方向平行。关于除此以外的结构，2个液晶双折射透镜是相同的。因此，下面，对液晶双折射透镜41进行说明。
液晶双折射透镜41具有大致平行地配置的2个透明基板43、44和配置在该透明基板43、44之间的液晶层45。并且液晶层45所包含的液晶分子46通过设置成包围液晶层45的密封构件47，可以防止向液晶层45的外部漏出。
而且，透明基板43的液晶层45侧的表面设有形成为以光轴OA为中心的同心圆状的多个轮带状透明电极48-1～48-n。此外，相邻的2个轮带状透明电极仅分开规定的间隔而配置且相互绝缘。在图4A中，为了简便起见，轮带状透明电极之间的间隙用1根线来表示。又，在图5中，虽然为了简便起见只示出了3个轮带状透明电极，但也可以如图4A所示，设有更多个数的轮带状透明电极。另一方面，在透明基板44的液晶层45侧的表面设有透明电极49。轮带状透明电极48-1～48-n及透明电极49分别形成为覆盖作为对液晶分子46进行驱动的区域的整个活性区域。又，轮带状透明电极48-1～48-n及透明电极49分别与控制器6连接。
又，轮带状透明电极48-1～48-n的液晶层45侧的表面及透明电极49的液晶层45侧的表面分别设有用于使液晶分子46在特定的方向上取向的取向膜(未图示)。
在该变形例中，控制器6通过使每个轮带状透明电极48-1～48-n与透明电极49之间施加的电压不同，能够对于每个轮带状透明电极48-1～48-n，使夹在该轮带状透明电极与透明电极49之间的液晶分子46和光轴OA所成的角度不同。作为其结果，能够对于每个轮带状透明电极48-1～48-n，让该轮带状透明电极与透明电极49之间的液晶层的、相对于与x轴方向平行的偏振分量的折射率不同。例如，控制器6在各轮带状透明电极48-1～48-n与透明电极49之间施加电压，以使越是远离光轴OA，则液晶层46的相对于与x轴方向平行的偏振分量的折射率就越低。由此，液晶双折射透镜41就能够对于与x轴方向平行的偏振分量起到具有正的光焦度的GRIN透镜的作用，能够将与x轴方向平行的偏振分量作为会聚光。
同样地，控制器6对于液晶双折射透镜42，也通过在各轮带状透明电极与透明电极之间施加电压，以使越是远离光轴OA，液晶层的相对于与y轴方向平行的偏振分量的折射率则越低，能够使液晶双折射透镜42起到作为相对于与y轴方向平行的偏振分量具有正的光焦度的GRIN透镜的作用。
因此，即使在此变形例中，2个液晶双折射透镜41、42也可以将入射的光束按偏振分量分割成2个会聚光束。
又，根据其他的变形例，光束分割元件也可以只有一个双折射透镜。在这种情况下，具有一方的偏振分量的光束保持为平行光束从光束分割元件出射。因此，在检测器5的检测面上，将形成与由非专利文献1示出的装置所生成的干涉条纹相同的干涉条纹。
接着，对第2实施方式的光束分割元件进行说明。将第2实施方式的光束分割元件与第1实施方式的光束分割元件进行比较，双折射透镜为一个，以及双折射透镜的透明材质层的折射率与液晶层的折射率的关系是不同的。因此，下面对双折射透镜进行说明。
图6是具有涉及本发明的第2实施方式的光束分割元件的全息图生成装置的概略结构图。如图6所示，全息图生成装置1具有：光源2、准直仪3、光束分割元件4、检测器5、以及控制器6。此外，在图6中，对全息图生成装置1的各部分附上了与图1所示的对应的构成要素的参照编号相同的参照编号。又，光束分割元件4具有的双折射透镜12的结构除了透明材质层的折射率与液晶层的折射率的关系以外，可以是与第1实施方式的光束分割元件4具有的双折射透镜12-1为相同的。因此，关于双折射透镜12的说明请参见图3。
在本实施方式中，在双折射透镜12上，液晶分子35被平行取向，以使封入在液晶层34的液晶分子35的长轴方向与x方向或y方向平行。
又，在该实施方式中，选择透明材质层33的材质及液晶分子的材质，以使透明材质层33的折射率比起液晶层34的相对于与封入于液晶层34的液晶分子35的长轴方向正交的方向的偏振分量的折射率更低。因为液晶层34的相对于与液晶分子35的长轴方向平行的方向的偏振分量的折射率比起液晶层34的相对于与该长轴方向正交的方向的偏振分量的折射率要高，所以形成于透明材质层33与液晶层34的境界面上且相对于透明材质层33呈凸状的菲涅尔透镜面对于x方向的偏振分量及y方向的偏振分量中的任一个都具有正的光焦度。并且，因为相对于x方向的偏振分量的透明材质层33的折射率与液晶层34的折射率之差不同于相对于y方向的偏振分量的透明材质层33的折射率与液晶层34的折射率之差，所以相对于x方向的偏振分量的菲涅尔透镜面的光焦度不同于相对于y方向的偏振分量的菲涅尔透镜面的光焦度。因此，与第1实施方式同样地，透过双折射透镜12的光束被分割成具有x方向的偏振分量的会聚光束B1和具有y方向的偏振分量的会聚光束B2。
此外，也可以选择透明材质层33的材质及液晶分子的材质，以使透明材质层33的折射率比起液晶层34的相对于沿封入于液晶层34的液晶分子35的长轴方向的偏振分量的折射率更高。在这种情况下，菲涅尔透镜面形成为相对于液晶层34呈凸状。
在该实施方式中，因为双折射透镜的数量可以是一个，所以来自样品的光透过的元件的数量将减少，作为其结果，因表面反射而产生的光的损失被抑制。因此，该实施方式的光束分割元件可以进一步提高光的利用效率。
根据变形例，上述各实施方式中的双折射透镜也可以有夹着液晶层相对的2个透明电极。例如，如图3中虚线所示，透明材质层33的菲涅尔透镜面37的表面设有透明电极38，透明基板32的液晶层侧的表面设有其他的透明电极39。并且控制器6通过根据光源2所发射的光的波长对加在双折射透镜的液晶层上的电压进行调节，从而可以与波长无关地将液晶层的折射率与透明材质层的折射率之差保持一定，作为其结果，可以将菲涅尔透镜面的光焦度保持为一定。因此，根据该变形例，能够与光源2所发射的光的波长无关地将各会聚光束聚光的位置保持为一定。
又，具有基于上述的各实施方式或者其变形例的光束分割元件的全息图生成装置以放大原始样品的方式来制作全息图，所以也可以作为全息显微镜来利用。
进一步地，具有基于上述的各实施方式或者其变形例的光束分割元件的全息图生成装置能够对如上述那样生成样品的全息图的全息图模式和使样品的像在检测器上成像以生成样品的图像的聚焦模式进行切换。
图7A是示出以全息图模式使用具有本发明的实施方式或者变形例所涉及的光束分割元件的全息图生成装置的情况的图。另一方面，图7B是示出以聚焦模式使用具有本发明的实施方式或者变形例所涉及的光束分割元件的全息图生成装置的情况的图。另外，在图7A以及图7B中，对于全息图生成装置的各部分，标注与图1所示的全息图生成装置的相对应的各部分相同的参考符号。又，为了简单化，在图7A以及图7B中，省略了控制器以及光源。
然而，在图7A以及图7B所示的全息图生成装置1中，光束分割元件4所具有的双折射透镜12’-1、12’-2为了能够调节透镜的光焦度而分别在图1所示的双折射透镜12-1、12-2中添加了以图3的虚线表示的、夹着液晶层而相对的两个透明电极。另外，也可以取代双折射透镜12’-1、12’-2，采用图4A、图4B以及图5所示的液晶双折射透镜41、42。
与图1同样地，在射入光束分割元件4的光之中，与x方向平行的偏振分量通过双折射透镜12’-1而变成会聚光束B1。另一方面，与和x方向正交的方向平行的偏振分量通过双折射透镜12’-2而变成会聚光束B2。因此，在双折射透镜12’-1、12’-2中，液晶层的折射率根据施加于夹着液晶层的两个透明电极间的电压而发生变化，所以通过调节其电压，双折射透镜12’-1、12’-2的光焦度发生变化。
在此，如图7A所示，在以全息图模式使用全息图生成装置1的情况下，调节在双折射透镜12’-1的夹着液晶层的两个透明电极间施加的电压、以及在双折射透镜12’-2的夹着液晶层的两个透明电极间施加的电压，以使得检测器5的检测面上的会聚光束B1的光斑尺寸与会聚光束B2的光斑尺寸基本相等。
另一方，如图7B所示，在以聚焦模式使用全息图生成装置1的情况下，调节在双折射透镜12’-1的夹着液晶层的两个透明电极间施加的电压，以使得会聚光束B1聚光于检测器5的检测面，即会聚光束B1的光斑尺寸在检测器5的检测面上为最小。同样地，调节在双折射透镜12’-2的夹着液晶层的两个透明电极间施加的电压，以使得会聚光束B2聚光于检测器5的检测面，即会聚光束B2的光斑尺寸在检测器5的检测面上为最小。
这样，具有基于上述的各实施方式或者其变形例的光束分割元件的全息图生成装置能够通过仅调节施加于光束分割元件所具有的双折射透镜的液晶层的电压，来切换全息图模式和聚焦模式。因此，可以不用为了切换全息图模式和聚焦模式而机械地移动全息图生成装置所具有的各部分。因此，可以使得全息图生成装置的结构简单化，且能够防止由于全息图模式和聚焦模式间的切换而产生各部的校准偏差。
进一步地，根据其他的变形例，光束分割元件可以具有双折射透镜和块体透镜。
图8A是示出以全息图模式使用包含具有块体透镜的光束分割元件的全息图生成装置的情况的图。另一方，图8B是以聚焦模式使用包含具有块体透镜的光束分割元件的全息图生成装置的情况的图。另外，在图8A以及图8B中，对于全息图生成装置的各部分，标注与图1所示的全息图生成装置的相对应的各部分相同的参考符号。又，为了简单化，在图8A以及图8B中，省略了控制器以及光源。
在该变形例中，具有正的光焦度的块体透镜14被配置在双折射透镜12”-2和偏振板13之间。另外，块体透镜14也可以配置在偏振板13和检测器5之间。
又，在图8A以及图8B所示的全息图生成装置1中，光束分割元件4所具有的双折射透镜12”-1、12”-2为了能够调节透镜的光焦度而分别在图1所示的双折射透镜12-1、12-2中添加了以图3的虚线表示的、夹着液晶层而相对的两个透明电极。
又，在该变形例中，液晶层内的液晶分子被垂直取向为相对于光轴大致平行，以使得在夹着液晶层的两个透明电极间没有施加电压时，双折射透镜12”-1、12”-2不具有光焦度，通过施加电压，对于与液晶分子的长轴方向平行的偏振分量，双折射透镜12”-1、12”-2具有光焦度。而且，通过在夹着液晶层的两个透明电极间施加电压，液晶分子的长轴方向接近与和光轴正交的面相平行的方向，作为其结果，对于与液晶分子的长轴方向平行的偏振分量的液晶层的折射率增加，双折射透镜12”-1、12”-2具有光焦度。
包含于双折射透镜12”-1的液晶层中的液晶分子的材质以及透明材质层的材质被选择为，在夹着液晶层的两个透明电极间没有施加电压的情况下，双折射透镜12”-1对于与x方向平行的偏振分量以及与y方向平行的偏振分量中的任一个都不具有光焦度。同样地，包含于双折射透镜12”-2的液晶层34中的液晶分子的材质以及透明材质层33的材质被选择为，在夹着液晶层34的两个透明电极间没有施加电压的情况下，双折射透镜12”-2对于与x方向平行的偏振分量以及与y方向平行的偏振分量中的任一个都不具有光焦度。因此，关于各个双折射透镜12”-1以及12”-2，在夹着液晶层的两个透明电极间不施加电压的情况下，透过光束分割元件4的光束不被分割。
而且，如图8B所示，块体透镜14的光焦度被设定为，关于各个双折射透镜12”-1以及12”-2，在夹着液晶层的两个透明电极间不施加电压时，透过光束分割元件4的光束B在检测器5的检测面上聚光。
因此，在以聚焦模式使用全息图生成装置1的情况下，关于各个双折射透镜12”-1以及12”-2，可以不在夹着液晶层的两个透明电极间施加电压。
进一步地，在该变形例中，双折射透镜12”-2中设定有形成在透明材质层33和液晶层34的边界的菲涅尔透镜面37，以使得通过调节施加于夹着液晶层34的两个透明电极间的电压而具有负的光焦度。例如，与上述的实施方式同样地，在为了通过调节夹着液晶层34的两个透明电极间的电压，使对于与y方向平行的偏振分量的液晶层34的折射率比透明材质层33的折射率高而选择包含于液晶层34的液晶分子的材质以及透明材质层33的材质的情况下，菲涅尔透镜面37形成为相对于液晶层34为凸形。
因此，如图8A所示，在以全息图模式使用全息图生成装置1的情况下，通过对双折射透镜12”-1所具有的夹着液晶层的两个透明电极间施加电压，双折射透镜12”-1对于具有与x方向平行的偏振面的成分具有正的光焦度。因此，具有与x方向平行的偏振面的光束B1在检测器5的检测面的前方(即，靠近光束分割元件4一侧)聚光。相反，通过在双折射透镜12”-2所具有的夹着液晶层的两个透明电极间施加电压，双折射透镜12”-2对于具有与y方向平行的偏振面的成分具有负的光焦度。因此，具有与y方向平行的偏振面的光束B2在检测器5的检测面的后方聚光。因此，只要调节在双折射透镜12”-1所具有的夹着液晶层的两个透明电极间施加的电压、以及在双折射透镜12”-2所具有的夹着液晶层的两个透明电极间施加的电压，以使得在检测器5的检测面上的光束B1的光斑尺寸和光束B2的光斑尺寸大致相等即可。
根据该变形例，由于能够使块体透镜具有用于使透过光束分割元件的光会聚的光焦度的一部分，所以可以减小双折射透镜的光焦度。又，在该变形例中，在以聚焦模式使用全息图生成装置的情况下，可以不对双折射透镜的液晶层施加电压，所以可以减轻全息图生成装置的电力消耗量。
另外，被封入双折射透镜12”-1、12”-2的液晶层内的液晶分子可以被取向为液晶分子的长轴相对于与光轴正交的面大致平行。在该情况下，即使不在夹着液晶层的两个透明电极间施加电压，双折射透镜12”-1、12”-2也具有光焦度。因此，在以全息图模式使用全息图生成装置的情况下，控制器可以不对夹着双折射透镜12”-1、12”-2的液晶层的两个透明电极间施加电压。
另一方面，通过在夹着液晶层的两个透明电极间施加电压，液晶分子的长轴方向就向与光轴平行的方向倾斜，因此，被施加的电压越高，液晶层相对于与液晶分子的长轴方向平行的偏振分量的折射率就越低。因此，在以聚焦模式使用全息图生成装置的情况下，只要使控制器在夹着双折射透镜12”-1、12”-2的液晶层的两个透明电极间施加电压，直到双折射透镜12”-1、12”-2不具有光焦度为止。
另外，在以全息图模式使用全息图生成装置的情况下，双折射透镜12”-1具有负的光焦度，另一方面，也可以形成各双折透镜的菲涅尔透镜面，以使得双折射透镜12”-2具有正的光焦度。又，在该变形例中，也可以使用图4A、图4B以及图5所示的液晶双折射透镜41、42，代替双折射透镜12”-1、12”-2。
又，液晶层根据透射的光的波长而发生折射率的变化。因此，双折射透镜12”-1以及12”-2的光焦度也根据入射到这些透镜的光的波长而变化。例如，入射的光的波长越短，液晶层的折射率就越大，因此，双折射透镜12”-1以及12”-2的光焦度也变大。因此，平行于x方向的偏振分量的光束B1的焦点位置以及平行于y方向的偏振分量的光束B2的焦点位置也根据入射到这些透镜的光的波长而变化。但是，在该变形例中，双折射透镜12”-1对于平行于x方向的偏振分量具有正的光焦度，另一方面，双折射透镜12”-2对于平行于y方向的偏振分量具有负的光焦度。因此，入射到光束分割元件4的光的波长变短的话，则光束B1的焦点位置就向前方移动，且光束B2的焦点位置向后方移动。因此，光束B1的光斑尺寸和光束B2的光斑尺寸变得大致相等的位置不因波长而变化，变为大致一定。
例如，在图9中，在入射到光束分割元件4的光的波长为λ1的情况下，光束B1以及B2为实线所示出的光束。在这种情况下，入射到光束分割元件4的光的波长为比λ1短的λ2的情况下，光束B1以及B2成为虚线所示出的光束。
这样，配置检测器5，使检测器5的检测面与波长无关地位于光束B1的光斑尺寸和光束B2的光斑尺寸变为相等的位置的话，检测器5的检测面上的光束B1以及光束B2的光斑尺寸仅根据波长而一起变大或一起变小，两个光束的光斑尺寸不受波长影响地大致相等。因此，即使不根据波长调节施加于各双折射透镜的液晶层的电压，全息图生成装置也能与来自光源的光的波长无关地生成适当的全息图。
同样地，在液晶层的折射率根据双折射透镜周围的温度变化的情况下，虽然光束B1、B2的聚光位置发生变化，但是光束B1、以及光束B2在检测器5的检测面的光斑尺寸大致相等。因此，在这种情况下，该全系图生成装置也能不调节施加于各双折射透镜的液晶层的电压地生成适当的全息图。
另外，即使不调节施加于双折射透镜的液晶层的电压，也能得到该效果，因此在不以聚焦模式使用全息图生成装置的情况下，双折射透镜12”-1、12”-2也可以不具有夹着液晶层的透明电极。但是，在该情况下，选择形成各双折射透镜的透镜材质层的材质以及液晶分子的材质，以使得即使不对液晶层施加电压，双折射透镜12”-1、12”-2也分别具有正的光焦度、负的光焦度。
又，将各双折射透镜的菲涅尔透镜面形成为开诺全息图，能够使菲涅尔透镜面作为衍射透镜发挥作用。在这种情况下，为了在聚焦模式和全息图模式之间切换全息图生成装置，即使各双折射透镜具有夹着液晶层的两个透明电极，也难以通过根据入射的光的波长调节施加于液晶层的电压，与波长无关地将光束B1以及B2的焦点位置保持为一定。另一方面，即使入射的光的波长变化，图8A以及图8B中示出的全息图生成装置也能够不调节施加于各双折射透镜的液晶层的电压地、使在检测器5的检测面上的光束B1的光斑尺寸和光束B2的光斑尺寸大致相等。因此，图8A以及图8B中示出的全息图生成装置在将各双折射透镜的菲涅尔透镜面作为衍射透镜发挥作用的情况下也适用。
如上所述，本领域的技术人员能够在本发明的范围内，与所实施的形态相符地进行各种各样的变更。
符号说明
1 全息图生成装置
2 光源
3 准直仪
4 光束分割元件
5 检测器
6 控制器
11 相位调制元件
12、12-1、12-2 双折射透镜
12’-1、12’-2 双折射透镜
12”-1、12”-2 双折射透镜
13 偏振片
41、42 液晶双折射透镜。

Claims (4)

1.一种光束分割元件，其特征在于，具有：
相位调制元件，其使入射的光的具有沿着第一方向的偏振面的第一偏振分量和具有沿着与所述第一方向正交的第二方向的偏振面的第二偏振分量之间产生相位差；
至少一个双折射透镜，其将所述光分割为具有所述第一偏振分量的第一光束和具有所述第二偏振分量的第二光束，并且，使所述第一光束以及所述第二光束沿着同一光轴出射，且将所述第一光束以及所述第二光束中的至少一方作为会聚光束；以及
偏振片，其被配置在所述至少一个双折射透镜的后方，具有沿着将所述第一方向和所述第二方向所形成的角二等分的方向的透过轴，使所述第一光束以及所述第二光束各自中的、与所述透过轴平行的偏振分量透过，并且使与所述透过轴正交的偏振分量不透过，
所述相位调制元件具有液晶层和夹着所述液晶层相对配置的两个透明电极，所述液晶层封入有液晶分子，且该液晶分子的长轴方向被取向为朝向所述第一方向，
所述相位调制元件根据施加于所述两个透明电极间的电压，偏移所述第一偏振分量的相位，使所述第一偏振分量和第二偏振分量之间产生相位差。
2.如权利要求1所记载的光束分割元件，其特征在于，
所述至少一个双折射透镜沿着所述光轴具有第一双折射透镜和第二双折射透镜，
所述第一双折射透镜沿着所述光轴具有：对于所述第一偏振分量具有第一折射率，且对于所述第二偏振分量具有第二折射率的双折射层；以及具有所述第二折射率的透明材质层，在所述双折射层和所述透明材质层之间形成有对于所述第一偏振分量具有光焦度的透镜面，
所述第二双折射透镜沿着所述光轴具有：对于所述第一偏振分量具有第三折射率，且对于所述第二偏振分量具有第四折射率的双折射层；以及具有所述第三折射率的透明材质层，在所述双折射层和所述透明材质层之间形成有对于所述第二偏振分量具有光焦度的透镜面。
3.如权利要求2所记载的光束分割元件，其特征在于，
所述第一双折射透镜还具有夹着所述双折射层相对形成的两个透明电极，
所述双折射层是封入有液晶分子、且该液晶分子的长轴方向被取向为与所述第一偏振分量平行的液晶层，
所述第一折射率根据施加于所述两个透明电极间的电压而变化，由此使对于所述第一偏振分量的光焦度变化。
4.如权利要求1所记载的光束分割元件，其特征在于，
所述至少一个双折射透镜沿着所述光轴具有：对于所述第一偏振分量具有第一折射率，且对于所述第二偏振分量具有第二折射率的双折射层；以及具有第三折射率的透明材质层，在所述双折射层和所述透明材质层之间，形成有对于所述第一偏振分量具有第一光焦度、且对于所述第二偏振分量具有第二光焦度的透镜面。
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