JP2011002698A - 位相変調装置、及び位相変調装置を使った観察システム - Google Patents

Abstract

【課題】 任意の形状の位相分布に位相変調する位相変調装置を提供する。
【解決装置】 入射光束（ＬＬ）を位相変調する位相変調装置（１００）である。そして、その位相変調装置（１００）は入射光束（ＬＬ）を第１光束（ＬＬ１）と第２光束（ＬＬ２）とに分割する分割部（ＨＭ）と、分割部（ＨＭ）から第１距離（Ｄ）離れた位置に第１光束の光軸上に配置され、第１光束の少なくとも一部の光束を反射させて空間変調する第１空間変調部（１１）と、分割部（ＨＭ）から第１距離（Ｄ）とは異なる第２距離（Ｄ＋ｘ）離れた位置に第２光束の光軸上に配置され、第２光束の少なくとも一部の光束を反射させて空間変調する第２空間変調部（１２）と、第１空間変調部（１１）で空間変調された第１光束と第２空間変調部（１２）で空間変調された第２光束とを同一光軸に重ね合わせた射出光束（ＳＬ）を射出する合成部（ＤＶ）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、任意の形状の位相分布に位相変調する位相変調装置、及びその位相変調装置を使用する観察装置に関するものである。

位相板などの位相変調装置は、顕微鏡などの観察装置で広く使用されている。例えば透明な物体は光の位相を変化させるだけなので、そのままではコントラストが低く識別が難しい。そこで、特許文献１などに開示されるように、透明物体の位相変化を識別可能なコントラストに変換する位相差顕微鏡が提案されている。位相差顕微鏡はこのような透明物体の観察に適しているが、観察倍率を変更したり観察光の波長を変化させたりすると、位相板を交換しなくてはならず作業が大変であった。また、複数の位相板を用意しなければならずコストもかかっていた。

このため特許文献１は、全ての倍率で十分な解像力や像コントラストを得ることができるように、最適な位相膜の膜幅などを提案している。
また、特許文献２に開示される位相差顕微鏡は、複数の位相板を用意しなければならないが、位相板と遮光体とを組み合わせたフィルタ部材を使用して作成が容易で安価でありながら高いコントラストを得ている。

特開平１１−８４２６０号公報 特開２００８−１８５７１９号公報

特許文献１に開示される位相板は、汎用的であるが高い解像力や像コントラストを得ることができない。特許文献２に開示される位相板は作成が容易で安価ではあるが、多くの位相板を用意しなければならないことは従前と同様であり、また位相板の管理も大変である。

本発明は、任意の形状の位相分布に位相変調する位相変調装置を提供する。またこの位相変調装置を使用した観察装置を提供する。

第１の観点の位相変調装置は、入射光束を位相変調する位相変調装置である。そして、その位相変調装置は入射光束を第１光束と第２光束とに分割する分割部と、分割部から第１距離離れた位置に第１光束の光軸上に配置され、第１光束の少なくとも一部の光束を反射させて空間変調する第１空間変調部と、分割部から第１距離とは異なる第２距離離れた位置に第２光束の光軸上に配置され、第２光束の少なくとも一部の光束を反射させて空間変調する第２空間変調部と、第１空間変調部で空間変調された第１光束と第２空間変調部で空間変調された第２光束とを同一光軸に重ね合わせた射出光束を射出する合成部と、を備える。

第２の観点の観察システムは、第１の観点の位相変調装置と、位相変調装置で空間変調された射出光束を使う観察装置と、を備える。

本発明の位相変調装置は、任意の形状の位相分布を形成することができるため、位相板を複数用意する必要がない。また本発明の位相変調装置は、位相差もλ／４とかλ／２とに任意に変更できるという利点がある。

第１の実施形態の第１位相変調装置１００の概念断面図である。 （ａ）は、空間変調部であるＤＭＤ１０の斜視図である。 （ｂ）は、空間変調部であるＤＭＤ１０の拡大平面図である。 第１位相変調装置１００の動作を説明するための図である。 （ａ）は、第２位相変調装置１１０で使われるＧＬＶ素子４０の部分斜視図である。 （ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図で、可動リボン４４にバイアスをかけない状態である。 （ｃ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図で、可動リボン４４にバイアスをかけた凹凸状態である。 （ａ）は、第３位相変調装置１２０の概念断面図である。 （ｂ）は、第１エレクトロクロミック素子２１を示した図である。 （ｃ）は、第２エレクトロクロミック素子２２を示した図である。 （ｄ）は、合成光ＳＬを示した断面図である。 第４位相変調装置１３０の概念断面図である。 第５位相変調装置１４０の概念断面図である。 （ａ）は、第１ＤＭＤ１１のマイクロミラーＭＭの図である。 （ｂ）は、第２ＤＭＤ１２のマイクロミラーＭＭの図である。 （ｃ）は、第３ＤＭＤ１３のマイクロミラーＭＭの図である。 （ｄ）は、第１反射光束ＲＬ１、第２反射光束ＲＬ２及び第３反射光束ＲＬ３を合成した合成光束ＳＬの断面図である。 第１位相変調装置１００を用いた観察システムＯＳの側面図である。 観察システムＯＳの光学系を示した図である。

（第１の実施形態）
＜＜位相変調装置１００の構成＞＞
図１は、第１位相変調装置１００の概念断面図である。第１位相変調装置１００は、分割合成部である第１ハーフミラーＨＭ１、第１空間変調部である第１ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）１１および第２空間変調部である第２ＤＭＤ１２を有している。

分割合成部は例えば２つの光束を合成して１つの光束に合成する機能と１つの光束を２つの光に分割する機能を有すればよいため、本実施形態では第１ハーフミラーＨＭ１が用いられる。第１ＤＭＤ１１および第２ＤＭＤ１２は、複数のマイクロミラーを二次元平面に配列した素子である。なお、第１ＤＭＤ１１および第２ＤＭＤ１２は同じ構成であるため、特に区別しないときにはＤＭＤ１０として説明する。ＤＭＤ１０については図２を参照しながら説明する。

第１ＤＭＤ１１は後述する第１光束ＬＬ１にほぼ垂直になるように固定板５９に取り付けられており、固定板５９は第１位相変調装置１００の筐体などに固定されている。また、第１ＤＭＤ１１の固定位置は、第１ハーフミラーＨＭ１から距離Ｄ離れた位置である。第２ＤＭＤ１２は後述する第２光束ＬＬ２にほぼ垂直になるように移動板５７に取り付けられている。移動板５７は移動ステージ５５上で移動可能に構成されている。移動ステージ５５には駆動機構５３と駆動モータ５１とが設けられている。駆動モータ５１の駆動によって、駆動機構５３を介して移動板５７が移動する。また、第２ＤＭＤ１２の固定位置は、第１ハーフミラーＨＭ１からおよそ距離Ｄだけ離れた位置である。図１では、第１ＤＭＤ１１が固定板５９に固定されているが、第２ＤＭＤ１２のように移動する構成でもよい。

第２ＤＭＤ１２の移動量ｘは、数百μｍもあれば十分である。第１ＤＭＤ１１が第１ハーフミラーＨＭ１から距離Ｄだけ離れた位置であり第２ＤＭＤ１２も第１ハーフミラーＨＭ１から距離Ｄだけ離れた位置であるため、第２ＤＭＤ１２は最低±λ／２の距離を移動できればよい。例えば後述するレーザ光束ＬＬの波長λが５００ｎｍであれば、第２ＤＭＤ１２の移動量は５００ｎｍ以上の移動量があればよい。

第１位相変調装置１００は制御部９０を有している。制御部９０は、第１ＤＭＤ１１および第２ＤＭＤ１２に設けられた複数のマイクロミラーを制御して光束を空間変調する。また、制御部９０は駆動モータ５１の駆動量を制御する。

以下、空間変調部であるＤＭＤ１０について、図２を参照しながら説明する。
図２は、空間変調部であるＤＭＤ１０を説明するための図である。図２（ａ）は空間変調部であるＤＭＤ１０の斜視図であり、図２（ｂ）は空間変調部であるＤＭＤ１０の拡大平面図である。

図２（ａ）に示されたように、空間変調部であるＤＭＤ１０は複数の辺長の１５μｍ〜２５μｍの四角形のマイクロミラーＭＭをＸＹ平面に格子状に配列した素子である。ＤＭＤ１０は例えば約５０万個から約１５０万個のマイクロミラーＭＭが配置される。また、ＤＭＤ１０はマイクロミラーＭＭ（例えばＭＭ（ｉ、ｊ））を前後に±１２度程度傾けることで、入射光の反射方向を変化することができる。すなわち、図１の第１ＤＭＤ１１にほぼ垂直に入射する第１光束ＬＬ１と、第２ＤＭＤ１２にほぼ垂直に入射する第２光束ＬＬ２との反射光を調整することができる。

ＤＭＤ１０は、図２（ｂ）に示されたようにＸＹ平面において、Ｘ軸及びＹ軸方向にマイクロミラーＭＭがｎ個ずつ設けられている。なお、マイクロミラーＭＭの−Ｘ側を第１列とし、マイクロミラーＭＭの−Ｙ側を第１行とする。したがって、ＤＭＤ１０において四隅のマイクロミラーＭＭは、時計方向に沿ってそれぞれにＭＭ（１、１）、ＭＭ（１、ｎ）、ＭＭ（ｎ、ｎ）及びＭＭ（ｎ、１）である。その他の任意のマイクロミラーＭＭは、ＭＭ（ｉ、ｊ）で示される。

例えば図２（ｂ）において、斜線部分のマイクロミラーＭＭは反射している状態を示し、白い部分のマイクロミラーＭＭは反射していない状態を示している。したがって、ＤＭＤ１０は円環状の領域を反射している。

＜＜第１位相変調装置１００の動作＞＞
第１位相変調装置１００の動作について、図３を参照しながら説明する。図３は、第１位相変調装置１００の動作を説明するための図である。第１位相変調装置１００の周囲にパルスレーザ光源ＬＡと第２ハーフミラーＨＭ２とが配置されている。
なお、図３では、説明を簡単にするため、第１ＤＭＤ１１及び第２ＤＭＤ１２が３×３＝９枚のマイクロミラーＭＭで描かれている。また、パルスレーザ光源ＬＡから第１ＤＭＤ１１及び第２ＤＭＤ１２までのレーザ光ＬＬとして一点鎖線で示し、第１ＤＭＤ１１及び第２ＤＭＤ１２からの反射光をレーザ光ＳＬとして二点鎖線で示す。レーザ光ＬＬとレーザ光ＳＬとの光軸は一致しているが説明のためずらして描いてある。

まず、パルスレーザ光源ＬＡから波長λ、例えば５００ｎｍのレーザ光束ＬＬが照射される。レーザ光ＬＬは、第２ハーフミラーＨＭ２を透過して第１ハーフミラーＨＭ１に向かう。

第１ハーフミラーＨＭ１に向かったレーザ光ＬＬは、第１ハーフミラーＨＭ１で第１光束ＬＬ１と第２光束ＬＬ２とに分割される。第１ハーフミラーＨＭ１を透過した第１光束ＬＬ１は第１ＤＭＤ１１に対してほぼ垂直に入射し、第１ハーフミラーＨＭ１で反射された第２光束ＬＬ２は第２ＤＭＤ１２に対してほぼ垂直に入射する。ここでハーフミラーＨＭから第１ＤＭＤ１１までの距離とハーフミラーＨＭから第２ＤＭＤ１２までの距離との差ｘが、λ／４、すなわち１２５ｎｍ離れている。

第１ＤＭＤ１１は、制御部９０により所定のマイクロミラーＭＭが制御されて、第１光束ＬＬ１を空間変調する。第１ＤＭＤ１１は矢印ＡＲ１に示されたように、例えば網目部分のマイクロミラーＭＭが第１光束ＬＬ１を反射している。また、白い部分のマイクロミラーＭＭは第１光束ＬＬ１を反射しない。したがって、第１ＤＭＤ１１で反射された第１光束ＬＬ１は、十字状の領域が反射された第１反射光束ＲＬ１となる。第１ＤＭＤ１１で反射された第１反射光束ＲＬ１は、十字状に空間変調されて再び第１ハーフミラーＨＭ１に入射する。

また、第２ＤＭＤ１２は第２光束ＬＬ２を空間変調する。第２ＤＭＤ１２は矢印ＡＲ２に示されたように、斜線部分のマイクロミラーＭＭが第２光束ＬＬ２を反射している。また、白い部分のマイクロミラーＭＭは第２光束ＬＬ２を反射しない。したがって、第２ＤＭＤ１２で反射された第２光束ＬＬ２は、四隅の領域が反射された第２反射光束ＲＬ２となる。第２ＤＭＤ１２で反射された第２反射光束ＲＬ２は、四隅が反射されて再び第１ハーフミラーＨＭ１に入射する。

その後、第１ハーフミラーＨＭ１は空間変調された第１反射光束ＲＬ１と第２反射光束ＲＬ２とを光軸を一致させて重ね合わせ、合成光束ＳＬを射出する。合成光束ＳＬは矢印ＡＲ３に示されるように断面が四角い光束である。この合成光束ＳＬはさらに第２ハーフミラーＨＭ２へ向かい、第２ハーフミラーＨＭ２でパルスレーザ光源ＬＡとは異なる方向へ進む。

ここで、第１ハーフミラーＨＭ１から第１ＤＭＤ１１までの距離と第１ハーフミラーＨＭ１から第２ＤＭＤ１２までの距離との差ｘがλ／４である。このため第１ハーフミラーＨＭ１から第１ＤＭＤ１１までの往復距離と第１ハーフミラーＨＭ１から第２ＤＭＤ１２までの往復距離とは、２ｘすなわちλ／２の差がある。つまり、矢印ＡＲ３で示される合成光束ＳＬは、網目部分（色の濃い部分）に示された十字状の第１反射光束ＲＬ１と斜線部分（色の薄い部分）で示された四隅の第２反射光束ＲＬ２とは、λ／２の位相差が生じている。

したがって、第１位相変調装置１００は、十字状の領域と四隅とがλ／２の位相差を有する光束を形成することができる。制御部９０は、第１ＤＭＤ１１及び第２ＤＭＤ１２の各マイクロミラーＭＭを制御し、また第２ＤＭＤ１２の光軸方向の位置も制御することができる。すなわち、第１位相変調装置１００は、任意の形状の位相分布を形成することができるとともに、位相差も任意に変更できる。

（第２の実施形態）
＜＜位相変調装置の構成＞＞
第２の実施形態の位相変調装置について、図４を参照しながら説明する。図４は第２の実施形態の位相変調装置に用いられるＧＬＶ（Grating Light Valve）素子４０を説明するための図である。図４（ａ）は、ＧＬＶ素子４０の部分斜視図である。図４（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図で、可動リボン４４にバイアスをかけない平ら状態である。図４（ｃ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図で、可動リボン４４にバイアスをかけた凹凸状態である。

＜＜位相変調装置の構成＞＞
第１位相変調装置１００において空間変調部として反射現像を利用したＤＭＤ１０が用いられているが、第２位相変調装置はＤＭＤ１０の替わりに回折現像を利用したＧＬＶ素子４０が用いられる。この差異点のみが第１の実施形態で説明された位相変調装置１００と異なっているため、以下ＧＬＶ素子４０について説明し、他の部分に対して説明を省略する。

ＧＬＶ素子４０は、図４（ａ）に示されたように複数の固定リボン４３と複数の可動リボン４４とより構成されている。図４（ａ）では８本の固定リボン４３及び可動リボン４４のみ書かれているが、実際にＧＬＶ素子４０は合計６４８０本の固定リボン４３及び可動リボン４４が交互に配置されている。また、固定リボン４３及び可動リボン４４の下面にはそれらに接続された共通電極４５が設けられている。

また、図４（ｂ）に示されたように、ＧＬＶ素子４０は可動リボン４４にバイアスをかけないで固定リボン４３と同じ平面に位置し平らを形成されてもよい。したがって、第１光束ＬＬ１又は第２光束ＬＬ２が垂直にＧＬＶ素子４０に入射する場合においては、平ら状態になっている固定リボン４３及び可動リボン４４により第１光束ＬＬ１又は第２光束ＬＬ２がそのまま逆方向に向かって反射される。このときの光束が第１反射光束ＲＬ１又は第２反射光束ＲＬ２である。

さらに、図４（ｃ）に示されたように、ＧＬＶ素子４０は可動リボン４４にバイアスをかけると、静電気吸引作用で湾曲され、固定リボン４３と可動リボン４４とが凹凸状態となることで、回折格子が形成される。したがって、第１光束ＬＬ１又は第２光束ＬＬ２が垂直にＧＬＶ素子４０に入射する場合において、固定リボン４３及び可動リボン４４の表面に入射された第１光束ＬＬ１又は第２光束ＬＬ２（実践矢印で示す）はそのまま逆方向に向かって反射される。このときの光束が第１反射光束ＲＬ１又は第２反射光束ＲＬ２である。一方、固定リボン４３及び可動リボン４４の間に入射された光束（中空矢印で示す）は、光の回折現像により第１反射光束ＲＬ１又は第２反射光束ＲＬ２と異なる方向に反射される回折光ＤＬとなる。

（第３の実施形態）
第３位相変調装置１２０について、図５を参照しながら説明する。図５は位相変調装置１２０を説明するための図である。図５（ａ）は位相変調装置１２０の概念断面図である。図５（ｂ）は第１エレクトロクロミック素子２１を示した断面図である。図５（ｃ）は、第２エレクトロクロミック素子２２を示した図である。図５（ｄ）は、合成光束ＳＬを示した断面図である。

＜＜第３位相変調装置１２０の構成＞＞
第１位相変調装置１００において空間変調部としてＤＭＤ１０が用いられている。しかし、第３の実施形態の第３位相変調装置１２０はＤＭＤ１０の替わりにエレクトロクロミック素子２０及び反射鏡２７が用いられる。また、レーザ光源ＬＢは直線偏光、例えばＰ偏光のレーザ光束を照射する。レーザ光源ＬＢと第３位相変調装置１２０との間に、偏光ビームスプリッタＰＲ及びλ／４板２９が配置されている。第１位相変調装置１００と同じ部材には同じ符号を付し説明を割愛する。

偏光ビームスプリッタＰＲはＰ偏光のレーザ光束を透過し、Ｓ偏光を反射する。またＰ偏光のレーザ光束はλ／４板２９を２度通過することでＳ偏光に偏光の軸を９０度回転させることができる。

エレクトロクロミック素子２０はエレクトロクロミック材と電極とを有している。エレクトロクロミック材は、電圧をかけることで、光の透過率を調整できる特性を持つ材料である。第３の実施形態では、エレクトロクロミック特性を示す有機／金属ハイブリッドポリマーが用いられる。この有機／金属ハイブリッドポリマーは、金属イオンと有機分子とが数珠つなぎになった材料である。

エレクトロクロミック素子２０を構成するエレクトロクロミック材はそれに印加された電圧の符号と強度とを任意かつ独立に変化することができ、エレクトロクロミック材の透過率はそれに印加される電圧の符号（プラスマイナス）も含めた変化に基づいて変化する。

＜＜第３位相変調装置１２０の動作＞＞
以下、第３位相変調装置１２０の動作について説明する。

まず、パルスレーザ光源ＬＡから波長λ、例えば５００ｎｍのＰ偏光のレーザ光束ＰＬが照射される。Ｐ偏光のレーザ光ＰＬは、偏光ビームスプリッタＰＲを透過してλ／４板２９に入射する。λ／４板２９はＰ偏光のレーザ光ＰＬを偏光の軸を４５度回転させ円偏光にする。円偏光のレーザ光ＰＬは、第１ハーフミラーＨＭ１に向かう。

第１ハーフミラーＨＭ１に向かったレーザ光ＰＬは、第１ハーフミラーＨＭ１で第１光束ＰＬ１と第２光束ＬＬ２とに分割される。第１ハーフミラーＨＭ１を透過した第１光束ＰＬ１は第１エレクトロクロミック素子２１に対してほぼ垂直に入射し、第１ハーフミラーＨＭ１で反射された第２光束ＰＬ２は第２エレクトロクロミック素子２２に対してほぼ垂直に入射する。ここで第１ハーフミラーＨＭ１から第１エレクトロクロミック素子２１までの距離と第１ハーフミラーＨＭ１から第２エレクトロクロミック素子２２までの距離との差ｘが、λ／４、すなわち１２５ｎｍ離れている。

また、制御部９０により所定のエレクトロクロミック材が制御されて、第１エレクトロクロミック素子２１は第１光束ＰＬ１を空間変調する。空間変調された第１光束ＰＬ１は、反射鏡２７で反射され第１反射光束ＲＬ１となる。第１エレクトロクロミック素子２１及び反射鏡２７は図５（ｂ）に示されたように、例えば網目部分の領域が第１光束ＰＬ１を反射している。また、第１エレクトロクロミック素子２１及び反射鏡２７は白い部分の領域の第１光束ＰＬ１を反射しない。したがって、第１エレクトロクロミック素子２１及び反射鏡２７で反射された第１光束ＰＬ１は、十字状の領域が反射された第１反射光束ＲＬ１となる。第１反射光束ＲＬ１は、十字状に空間変調されて再び第１ハーフミラーＨＭ１に入射する。

第２エレクトロクロミック素子２２は第２光束ＰＬ２を空間変調する。第２エレクトロクロミック素子２２は図５（ｃ）に示されたように、斜線部分の領域が第２光束ＰＬ２を反射している。また、第２エレクトロクロミック素子２２及び反射鏡２７は白い部分の領域の第２光束ＰＬ２を反射しない。したがって、第２エレクトロクロミック素子２２及び反射鏡２７で反射された第２光束ＰＬ２は、四隅の領域が反射された第２反射光束ＲＬ２となる。第２反射光束ＲＬ２は、四隅が反射されて再び第１ハーフミラーＨＭ１に入射する。

その後、第１ハーフミラーＨＭ１は、空間変調された第１反射光束ＲＬ１と第２反射光束ＲＬ２とを光軸を合わせて重ね合わせ、図５（ｄ）に示された合成光束ＳＬを射出する。合成光束ＳＬはさらにλ／４板２９に向かう。λ／４板２９は、円偏光のレーザ光ＰＬを４５度回転させＳ偏光にする。Ｓ偏光の合成光束ＳＬはさらに偏光ビームスプリッタＰＲへ向かい、偏光ビームスプリッタＰＲはＰ偏光の合成光束ＳＬを反射させる。

ここで、第１ハーフミラーＨＭ１から第１エレクトロクロミック素子２１までの距離と第１ハーフミラーＨＭ１から第２エレクトロクロミック素子２２までの距離との差ｘがλ／４である。すなわち矢印ＡＲ３で示される合成光束ＳＬは、網目部分（色の濃い部分）に示された十字状の第１反射光束ＲＬ１と斜線部分（色の薄い部分）で示された四隅の第２反射光束ＲＬ２とは、λ／２の位相差が生じている。

したがって、第３位相変調装置１２０は、十字状の領域と四隅とがλ／２の位相差を有する光束を形成することができる。制御部９０は、第１エレクトロクロミック素子２１及び第２エレクトロクロミック素子２２を制御し、また第２エレクトロクロミック素子２２の光軸方向の位置も制御することができる。すなわち、第３位相変調装置１２０は、任意の形状の位相分布を形成することができるとともに、位相差も任意に変更できる。また、第１の実施形態の第２ハーフミラーＨＭ２に代えて、偏光光、偏光ビームスプリッタＰＲ及びλ／４板２９を使用することで、レーザ光束の利用をより効率にしている。

（第４の実施形態）
第４の実施形態の位相変調装置１３０について、図６を参照しながら説明する。図６は、位相変調装置１３０の概念断面図である。

＜＜第４位相変調装置１３０の構成＞＞
第４の実施形態の第４位相変調装置１３０は、第１位相変調装置１００のＤＭＤ１０の替わりに液晶素子アレイ３０及び反射鏡２７が用いられる。また、パルスレーザ光源ＬＡの替わりにＰ偏光及びＳ偏光の両方を照射するレーザ光源ＬＣが用いられる。第１ハーフミラーＨＭ１の替わりに偏光ビームプリズムＰＢＳが設けられている。第２ハーフミラーＨＭ２の周囲には偏光板３８が設けられている。これらの差異点が第１位相変調装置１００と異なり、他の部分は同じである。同じ部材には同じ符号を付しており説明を省略する。

液晶素子アレイ３０は、液晶素子アレイ３０を構成する各単位液晶素子（アレイとなって配列されている個々の素子）に印加する電圧を調整することにより、各単位液晶素子のリターデーションを調節する。これによって、液晶素子アレイ３０を通過し反射鏡２７で反射して、Ｐ偏光又はＳ偏光のレーザ光束の反射の領域を変えることができる。

第４の実施形態において偏光ビームプリズムＰＢＳは、入射した光をその偏光成分により分離させる光学素子である。例えば所定の偏光光（Ｐ偏光）を通過させ、別の偏光光（Ｓ偏光）を反射する光学素子である。

＜＜第４位相変調装置１３０の動作＞＞
以下、第４位相変調装置１３０の動作について説明する。

まず、レーザ光源ＬＣからＰ偏光とＳ偏光とを含んだ偏光光束ＰＬが照射される。偏光光ＰＬは、第２ハーフミラーＨＭ２を透過して偏光ビームプリズムＰＢＳに向かう。

偏光ビームームプリズムＰＢＳに向かった偏光光ＰＬは、偏光ビームプリズムＰＢＳの偏光面Ｓ１でＰ偏光ＰＬ１とＳ偏光ＰＬ２とに分割される。偏光ビームプリズムＰＢＳを透過したＰ偏光ＰＬ１は第１液晶素子アレイ３１に対してほぼ垂直に入射し、偏光ビームプリズムＰＢＳの偏光面Ｓ１で反射されたＳ偏光ＰＬ２は第２液晶素子アレイ３２に対してほぼ垂直に入射する。ここで、偏光ビームプリズムＰＢＳから第１液晶素子アレイ３１までの距離と偏光ビームプリズムＰＢＳから第２液晶素子アレイ３２までの距離との差ｘが、λ／４、すなわち１２５ｎｍ離れている。

また、制御部９０により所定の液晶素子が制御されて、第１液晶素子アレイ３１はＰ偏光ＰＬ１を空間変調する。空間変調されたＰ偏光ＰＬ１は、反射鏡２７で反射され第１反射光束ＲＬ１となる。第１反射光束ＲＬ１は、第１ハーフミラーＨＭ１に入射する。

第２液晶素子アレイ３２はＳ偏光ＰＬを空間変調する。第２液晶素子アレイ３２及び反射鏡２７で反射された第２光束ＰＬ２は、第１ハーフミラーＨＭ１に入射する。

その後、偏光ビームプリズムＰＢＳに入射したＰ偏光は偏光ビームプリズムＰＢＳの偏光面Ｓ１を透過し再び第２ハーフミラーＨＭ２に向かう。また、偏光ビームプリズムＰＢＳに入射した第２反射光束ＲＬ２は偏光ビームプリズムＰＢＳの偏光面Ｓ１に反射され第２ハーフミラーＨＭ２に向かう。したがって、第２ハーフミラーＨＭ２に向かう第１反射光束ＲＬ１と第２反射光束ＲＬ２とは偏光ビームプリズムＰＢＳにより合成光束ＳＬに合成される。合成光束ＳＬは、さらに第２ハーフミラーＨＭ２でパルスレーザ光源ＬＡとは異なる方向へ進む。ここで、偏光板３８がＰ偏光とＳ偏光とを含む合成光束ＳＬを、同じ偏光にする。このようにしてビームプリズムＰＢＳで合成された合成光束ＳＬは偏光の軸が同一になる。

ここで、偏光ビームプリズムＰＢＳから第１液晶素子アレイ３１までの往復距離と偏光ビームプリズムＰＢＳから第２液晶素子アレイ３２までの往復距離とは、２ｘすなわちλ／２の差がある。すなわち、合成光束ＳＬは、第１液晶素子アレイ３１で反射された第１反射光束ＲＬ１と第２液晶素子アレイ３２で反射された第２反射光束ＲＬ２とが、λ／２の位相差を生じている。

したがって、制御部９０は、第１液晶素子アレイ３１及び第２液晶素子アレイ３２を制御し、また第２液晶素子アレイ３２の光軸方向の位置も制御することができる。すなわち、第４位相変調装置１３０は、任意の形状の位相分布を形成することができるとともに、位相差も任意に変更できる。また、第１の実施形態の第１ハーフミラーＨＭ１に代えて、偏光光、偏光ビームプリズムＰＢＳ及びλ／４板２９を使用することで、レーザ光束の利用をより効率にしている。

（第５の実施形態）
第５実施形態の第５位相変調装置１４０について、図７及び図８を参照しながら説明する。図７は、第５位相変調装置１４０の概念断面図である。図８（ａ）は、第１反射光束ＲＬ１の断面図である。図８（ｂ）は、第２反射光束ＲＬ２の断面図である。図８（ｃ）は、第３反射光束ＲＬ３の断面図である。図８（ｄ）は、第１反射光束ＲＬ１、第２反射光束ＲＬ２及び第３反射光束ＲＬ３を合成した合成光束ＳＬの断面図である。

＜＜第５位相変調装置１４０の構成＞＞
第５実施形態の第５位相変調装置１４０は、第３ハーフミラーＨＭ３及び第３空間変調部である第３ＤＭＤ１３が付属されている点が異なっている。なお、第３ハーフミラーＨＭ３は第１の実施形態の第１ハーフミラーＨＭ１と同じ構成である。第３ＤＭＤ１３は第１の実施形態の第２ＤＭＤ１２と同じ構成である。また、駆動モータ５１、駆動機構５３移動ステージ５５及び移動板５７は、第１実施形態と同じである。第２ＤＭＤ１２の駆動モータなどには接尾にＡを付し、第３ＤＭＤ１３の駆動モータなどには接尾にＢを付けて区別する。その他第１形態と同じ部材には同じ符号を付す。

第５実施形態において、第３ハーフミラーＨＭ３は第２ハーフミラーＨＭ２と第１ハーフミラーＨＭ１との間に設けられている。また、第３ＤＭＤ１３は第３ハーフミラーＨＭ３の反射光の光軸にほぼ垂直に配置されている。また、第１ハーフミラーＨＭ１と第３ハーフミラーＨＭ３の間の距離がＨである場合、第３ＤＭＤ１３は、第３ハーフミラーＨＭ３から距離Ｄ＋Ｈ＋λ／８だけ離れた位置に配置される。

＜＜第５位相変調装置１４０の動作＞＞
まず、パルスレーザ光源ＬＡから波長λ、例えば５００ｎｍのレーザ光束ＬＬが照射される。レーザ光ＬＬは、第２ハーフミラーＨＭ２を透過して第３ハーフミラーＨＭ３に向かう。

第３ハーフミラーＨＭ３に向かったレーザ光ＬＬは、第３ハーフミラーＨＭ３で第１光束ＬＬ１（及び第２光束ＬＬ２）と第３光束ＬＬ３とに分割される。第３ハーフミラーＨＭ３を透過した第１光束ＬＬ１及び第２光束ＬＬ２は第１ハーフミラーＨＭ１に入射する。一方、第３ハーフミラーＨＭ３で反射された第３光束ＬＬ３は第３ＤＭＤ１３に対してほぼ垂直に入射する。

第１ハーフミラーＨＭ１に入射された第１光束ＬＬ１及び第２光束ＬＬ２は、第１ハーフミラーＨＭ１により分割される。第１ハーフミラーＨＭ１を透過した第１光束ＬＬ１は第１ＤＭＤ１１に対してほぼ垂直に入射し、第１ハーフミラーＨＭ１で反射された第２光束ＬＬ２は第２ＤＭＤ１２に対してほぼ垂直に入射する。

ここで、第３ハーフミラーＨＭ３から第１ＤＭＤ１１までの距離と第３ハーフミラーＨＭ３から第２ＤＭＤ１２までの距離との差ｘが、λ／４、すなわち１２５ｎｍ離れている。また、第３ハーフミラーＨＭ３から第１ＤＭＤ１１までの距離と第３ハーフミラーＨＭ３から第３ＤＭＤ１３までの距離との差ｘが、λ／８、すなわち６２．５ｎｍ離れている。

第１ＤＭＤ１１は、制御部９０により所定のマイクロミラーＭＭが制御されて、第１光束ＬＬ１を空間変調する。第１ＤＭＤ１１は図８（ａ）に示されたように、例えば網目部分のマイクロミラーＭＭが第１光束ＬＬ１を反射している。また、白い部分のマイクロミラーＭＭは第１光束ＬＬ１を反射しない。第１ＤＭＤ１１で反射された第１光束ＬＬ１は、４辺の中央領域が反射された第１反射光束ＲＬ１となる。第１ＤＭＤ１１で反射された第１反射光束ＲＬ１は、空間変調されて再び第１ハーフミラーＨＭ１に入射し、次に第３ハーフミラーＨＭ３に入射する。

また、第２ＤＭＤ１２は第２光束ＬＬ２を空間変調する。第２ＤＭＤ１２は図８（ｂ）に示されたように、斜線部分のマイクロミラーＭＭが第２光束ＬＬ２を反射している。また、白い部分のマイクロミラーＭＭは第２光束ＬＬ２を反射しない。したがって、第２ＤＭＤ１２で反射された第２光束ＬＬ２は、四隅の領域が反射された第２反射光束ＲＬ２となる。第２ＤＭＤ１２で反射された第２反射光束ＲＬ２は、再び第１ハーフミラーＨＭ１に入射し、次に第３ハーフミラーＨＭ３に入射する。

また、第３ＤＭＤ１３は第３光束ＬＬ３を空間変調する。第３ＤＭＤ１３は図８（ｃ）に示されたように、中央の色の濃い部分のマイクロミラーＭＭが第３光束ＬＬ３を反射している。また、白い部分のマイクロミラーＭＭは第３光束ＬＬ３を反射しない。したがって、第３ＤＭＤ１３で反射された第３光束ＬＬ３は、中央のみの領域が反射された第３反射光束ＲＬ３となる。第３ＤＭＤ１３で反射された第３反射光束ＲＬ３は、再び第３ハーフミラーＨＭ３に入射する。

その後、第３ハーフミラーＨＭ３は空間変調された第１反射光束ＲＬ１、第２反射光束ＲＬ２、および第３反射光束ＲＬ３を光軸を一致させて重ね合わせ、合成光束ＳＬを射出する。合成光束ＳＬは図８（ｄ）に示されるように断面が四角い光束である。この合成光束ＳＬはさらに第２ハーフミラーＨＭ２へ向かい、第２ハーフミラーＨＭ２でパルスレーザ光源ＬＡとは異なる方向へ進む。

ここで、第３ハーフミラーＨＭ３から第１ＤＭＤ１１までの往復距離と第３ハーフミラーＨＭ３から第２ＤＭＤ１２までの往復距離とは、２ｘすなわちλ／２の差がある。第３ハーフミラーＨＭ３から第１ＤＭＤ１１までの往復距離と第３ハーフミラーＨＭ３から第３ＤＭＤ１３までの往復距離とは、２ｘすなわちλ／４の差がある。つまり、図８（ｄ）で示される合成光束ＳＬは、中央の一番色の濃い部分、網目部分（次に色の濃い部分）に示された４辺の中央領域と斜線部分（色の薄い部分）で示された四隅領域とは、それぞれがλ／４の位相差が生じている。

その後、合成光束ＳＬはさらに第２ハーフミラーＨＭ２へ向かい、第２ハーフミラーＨＭ２でパルスレーザ光源ＬＡとは異なる方向へ進む。
第５位相変調装置１４０は、任意の形状の位相分布を形成することができるとともに、３つの位相差も任意に変更できる。特に実施形態として示さないが、第２実施形態から第４実施形態までの構成と入れ替えてもよい。

＜観察システムＯＳの構成＞
観察システムＯＳは、第１位相変調装置１００から第５位相変調装置１４０のいずれかを用いている。図９は、第１位相変調装置１００を用いた観察システムＯＳの側面図である。

図９に示されたように、観察システムＯＳは内部にパルスレーザ光源ＬＡを有するランプハウス７１と、内部に後述するコンデンサレンズ８２を収納したコンデンサ筒７２とからなる照明光学系７０を有している。また、ランプハウス７１とコンデンサ筒７２との間においてコンデンサレンズ８２の焦点位置の近傍に光軸に対して直交する方向のスライド可能にスライダ８０が設けられている。また、その照明光学系７０は、Ｌ形の照明支柱７３の上端部側に支持されている。照明支柱７３の下端部側は観察物体（標本）８３を載置する標本載置台７４の後端部に固定され、標本載置台７４は顕微鏡本体７５に固定されている。

顕微鏡本体７５には、接眼レンズ７６を有する鏡筒７７が垂直線に対して所定角度傾斜した状態で固定されている。また、顕微鏡本体７５にはレボルバ７８がピント合わせのための上下動かつ対物レンズ交換のための回転が可能なように支持され、レボルバ７８には倍率の異なる例えば１０ｘ，２０ｘ，４０ｘの複数の対物レンズ７９が取り付けられている。

また、レボルバ７８及び対物レンズ７９の下方には第１位相変調装置１００が内蔵されている。第１位相変調装置１００は、照明光学系７０により照射さられた観察物体（標本）８３の像に位相差を生じさせることで、観察物体（標本）８３をよりはっきり観察することができる。

＜観察システムＯＳの光学系＞
以下、観察システムＯＳの光学系について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、観察システムＯＳの光学系を示した図である。

まず、ランプハウス７１に内蔵されたパルスレーザ光源ＬＡからの光束は、スライダ８０の中央部に配置されたリングスリット８１に入射する。リングスリット８１を通過した光束は、コンデンサ筒７２に収納されたコンデンサレンズ８２に入射し、コンデンサレンズ８２により平行光となる。コンデンサレンズ８２により平行光となった光束は、標本載置台７４に載置されている観察物体（標本）８３に照射する。そして、観察物体（標本）８３を透過した光束は、レボルバ７８に設けられた対物レンズ７９に入射し、対物レンズ７９を通過してまず第２ハーフミラーＨＭ２に導かれる。

第２ハーフミラーＨＭ２に反射された光束は、第１位相変調装置１００に入射する。第１ハーフミラーＨＭ１を通過した光束は、第１ＤＭＤ１１に入射して第１ＤＭＤ１１のマイクロミラーＭＭに集光される。一方、第１ハーフミラーＨＭ１で反射された光束は第２ＤＭＤ１２に入射して第２ＤＭＤ１２のマイクロミラーＭＭに集光される。

第１ＤＭＤ１１及び第２ＤＭＤ１２は、それぞれの光束を空間変調する。そして第１ＤＭＤ１１と第２ＤＭＤ１２との位相差が調整される。観察物体８３に応じて又はパルスレーザ光源ＬＡの波長に応じて、第１ＤＭＤ１１及び第２ＤＭＤ１２は、任意の形状の位相分布を形成し、また位相差も任意に変更できる。

第１ＤＭＤ１１により空間変調された光束は、第１ハーフミラーＨＭ１及び第２ハーフミラーＨＭ２を順次に通過する。また、第２ＤＭＤ１２により空間変調された光束は、第１ハーフミラーＨＭ１に反射され第２ハーフミラーＨＭ２を透過する。そして、位相変調装置１００により位相変調された光束は鏡筒７７を通過して接眼レンズ７６に入射する。

以上、第１の実施例から第５の実施例まで最適な実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、その技術的範囲内において実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。

１０ … ＤＭＤ
１１ … 第１ＤＭＤ、 １２ … 第２ＤＭＤ、 １３ … 第３ＤＭＤ
２０ … エレクトロクロミック素子
２１ … 第１エレクトロクロミック素子、 ２２ … 第２エレクトロクロミック素子
３０ … 液晶素子アレイ
３１ … 第１液晶素子アレイ、 ３２ … 第２液晶素子アレイ
４０ … ＧＬＶ素子
４１ … 第１ＧＬＶ素子、 ４２ … 第２ＧＬＶ素子
４３ … 固定リボン、 ４４ … 可動リボン
４５ … 共通電極
５１、５１Ａ、５１Ｂ … 駆動モータ
５３、５３Ａ、５３Ｂ … 駆動機構
５５、５５Ａ、５５Ｂ … 移動ステージ
５７、５７Ａ、５７Ｂ … 移動板
５９、５９Ａ、５９Ｂ … 固定板
６７、６９ … 反射鏡
７０ … 照明光学系
７１ … ランプハウス
７２ … コンデンサ筒
７３ … 照明支柱
７４ … 標本載置台
７５ … 顕微鏡本体
７６ … 接眼レンズ
７７ … 鏡筒
７８ … レボルバ
７９ … 対物レンズ
８０ … スライダ
８１ … リングスリット
８２ … コンデンサレンズ
８３ … 観察物体（標本）
９０ … 制御部
１００ … 第１位相変調装置、 １１０ … 第２位相変調装置
１２０ … 第３位相変調装置、 １３０ … 第４位相変調装置
１４０ … 第５位相変調装置
ＨＭ … ハーフミラー
ＨＭ１ … 第１ハーフミラー、 ＨＭ２ … 第２ハーフミラー
ＬＡ … パルスレーザ光源
ＬＬ … レーザ光束
ＬＬ１ … 第１光束、 ＬＬ２ … 第２光束、 ＬＬ３ … 第３光束
ＭＭ … マイクロミラー
ＯＳ … 観察システム
ＰＢＳ … 偏光ビームプリズム
ＰＬ１ … Ｐ偏光、 ＰＬ２ … Ｓ偏光
ＲＬ１ … 第１反射光束、 ＲＬ２ … 第２反射光束、 ＲＬ３ … 第２反射光束
ＳＬ … 合成光束

Claims (10)

1. 入射光束を位相変調する位相変調装置であって、
   前記入射光束を第１光束と第２光束とに分割する分割部と、
   前記分割部から第１距離離れた位置に前記第１光束の光軸上に配置され、前記第１光束の少なくとも一部の光束を反射させて空間変調する第１空間変調部と、
   前記分割部から前記第１距離とは異なる第２距離離れた位置に前記第２光束の光軸上に配置され、前記第２光束の少なくとも一部の光束を反射させて空間変調する第２空間変調部と、
   前記第１空間変調部で空間変調された第１光束と前記第２空間変調部で空間変調された第２光束とを同一光軸に重ね合わせた射出光束を射出する合成部と、
   を備える位相変調装置。
2. 前記第１空間変調部及び第２空間変調部の空間変調を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記第１空間変調部が空間変調した領域と前記第２空間変調部が空間変調した領域とが重なり合わないように制御する請求項１に記載の位相変調装置。
3. 前記第１空間変調部を前記第１光束の光軸方向に移動させ又は前記第２空間変調部を前記第２光束の光軸方向に移動させる移動部を備える請求項１又は請求項２に記載の位相変調装置。
4. 前記移動部は、前記第１空間変調部又は前記第２空間変調部を前記入射光束の波長以下の距離だけ移動させる請求項３に記載の位相変調装置。
5. 前記分割部と合成部とは一体物である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の位相変調装置。
6. 前記一体物は、偏光ビームスプリッタ又はハーフミラーを含む請求項５に記載の位相変調装置。
7. 前記第１空間変調部及び第２空間変調部は、可動式のマイクロミラーを駆動して光束を反射させるデバイスを含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の位相変調装置。
8. 前記第１空間変調部及び第２空間変調部は、回折現象を利用して前記光束を反射させるデバイスを含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の位相変調装置。
9. 前記第１空間変調部及び第２空間変調部は、液晶又はエレクトロクロミック素子及び反射ミラーを組み合わせたデバイスを含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の位相変調装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載された位相変調装置と、
    前記位相変調装置で空間変調された前記射出光束を使う観察装置と、
    を備える観察システム。