JP2018045187A - Light flux division element and microscope device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light flux division element that can adjust a direction of dividing a light flux and an interval between the divided light fluxes without requiring for a mechanical work.SOLUTION: A light flux division element has: a first light flux division element 21 that has a liquid crystal layer in which a liquid crystal molecule oriented along a prescribed orientation direction is included, and divides linear polarization transmitting the liquid crystal layer into a first light flux and a second light flux in accordance with a voltage distribution to be applied to the liquid crystal layer, and causes the second light flux to be deflected at a first deflection angle along a set deflection direction with respect to the first light flux; a second light flux element 22 that has the liquid crystal layer in which the liquid crystal molecule oriented along the orientation direction is included, and in accordance with the voltage distribution to be applied to the liquid crystal layer, causes the second light flux transmitting the liquid crystal layer to be deflected at a second deflection angle with respect to the first light flux transmitting the liquid crystal layer; and a control unit 23 that controls the voltage distribution to be applied to the liquid crystal layer of the first light flux element 21 and the voltage distribution to be applied to the liquid crystal layer of the second light flux element 22 in accordance with the set deflection direction, the first deflection angle and the second deflection angle.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、光束を分割する光束分割素子、及びそのような光束分割素子を利用する顕微鏡装置に関する。   The present invention relates to a light beam splitting element that splits a light beam, and a microscope apparatus that uses such a light beam splitting element.

従来より、サンプルの互いに近接した位置を透過する二つの光束の干渉により、透明なサンプルの構造を視覚化できる微分干渉法、及び微分干渉法の原理に基づいた顕微鏡(以下、微分干渉顕微鏡と呼ぶ)が知られている(例えば、特許文献1及び2を参照)。   Conventionally, a differential interference method capable of visualizing the structure of a transparent sample by the interference of two light beams passing through positions close to each other of the sample, and a microscope based on the principle of differential interference method (hereinafter referred to as a differential interference microscope). ) Is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

微分干渉法及び微分干渉顕微鏡では、光源からの光束を二つの光束に分割するため、及び、サンプルを透過した二つの光束を一つに合わせるために、ノマルスキープリズムが用いられる。   In the differential interference method and differential interference microscope, a Nomarski prism is used to divide the light beam from the light source into two light beams and to match the two light beams transmitted through the sample into one.

特開平9−281401号公報JP-A-9-281401 特開2003−5080号公報JP 2003-5080 A

微分干渉法及び微分干渉顕微鏡では、二つの光束がサンプルを透過する際の光束間の距離(シア量と呼ばれる)に応じて、サンプルの像のコントラスト及び解像度が変化する。一般に、シア量が大きくなるほどコントラストは向上し、解像度は低下する。逆に、シア量が小さくなるほどコントラストは低下し、解像度は向上する。したがって、サンプルの種類及びサンプルの観察目的に応じて、適切なシア量は変化する。一方、使用するノマルスキープリズムに応じて、発生するシア量は決定される。そのため、例えば、観察対象となるサンプルが取り替えられる度に、微分干渉顕微鏡に取り付けられるノマルスキープリズムも、そのサンプルに応じた適切なシア量を生じさせることができるものに交換することが要求される。   In the differential interference method and the differential interference microscope, the contrast and resolution of the image of the sample change according to the distance between the two light beams when the two light beams pass through the sample (referred to as a shear amount). In general, the greater the shear amount, the better the contrast and the lower the resolution. Conversely, the smaller the shear amount, the lower the contrast and the higher the resolution. Therefore, the appropriate shear amount varies depending on the type of sample and the observation purpose of the sample. On the other hand, the amount of shear generated is determined according to the Nomarski prism used. Therefore, for example, every time a sample to be observed is replaced, the Nomarski prism attached to the differential interference microscope is required to be replaced with one that can generate an appropriate shear amount according to the sample.

また、サンプルに応じて、シア量を生じさせる方向、すなわち、サンプルを透過する際に二つの光束が並ぶ方向も異なる。すなわち、二つの光束の干渉により、サンプルの構造を視覚化するためには、それら二つの光束間にサンプルの構造に応じた位相差が生じる必要がある。そのため、例えば、サンプルの厚さまたは屈折率が変化する方向に沿って二つの光束が並ぶことが好ましい。そこで、従来では、二つの光束が並ぶ方向を適切に設定するために、サンプルを回転させる必要があった。しかし、サンプルを回転させると、その回転軸以外のところは、サンプルの回転により視野から外れてしまうことがある。このように、従来では、シア量及びシア量を生じさせる方向をサンプルに応じて適切に設定するためには、煩雑な機械的な作業が必要となる。   Further, depending on the sample, the direction in which the shear amount is generated, that is, the direction in which the two light beams are aligned when passing through the sample is also different. That is, in order to visualize the sample structure due to the interference of the two light beams, a phase difference corresponding to the sample structure needs to be generated between the two light beams. Therefore, for example, it is preferable that two light beams are arranged along the direction in which the thickness or refractive index of the sample changes. Therefore, conventionally, it has been necessary to rotate the sample in order to appropriately set the direction in which the two light beams are arranged. However, when the sample is rotated, portions other than the rotation axis may be out of the field of view due to the rotation of the sample. As described above, conventionally, in order to appropriately set the shear amount and the direction in which the shear amount is generated according to the sample, complicated mechanical work is required.

そこで、本発明は、機械的な作業を必要とせずに、光束を分割する方向及び分割された光束の間隔を調節可能な光束分割素子を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a light beam splitting element that can adjust the direction of splitting a light beam and the interval between the divided light beams without requiring mechanical work.

本発明の一つの側面によれば、光束分割素子が提供される。この光束分割素子は、所定の配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、その液晶層に印加される電圧分布に応じて、その液晶層を透過する直線偏光を第1の光束と第2の光束に分割するとともに、第1の光束に対して第2の光束を設定された偏向方向に沿って第1の偏向角で偏向させる第1の液晶素子と、その配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、その液晶層に印加される電圧分布に応じて、その液晶層を透過する第1の光束に対して、その液晶層を透過する第2の光束を第2の偏向角で偏向させる第2の液晶素子と、偏向方向、第1の偏向角及び第2の偏向角に応じて第1の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布及び第2の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布を制御する制御部とを有する。   According to one aspect of the present invention, a light beam splitting element is provided. This beam splitting element has a liquid crystal layer containing liquid crystal molecules aligned along a predetermined alignment direction, and generates linearly polarized light that passes through the liquid crystal layer according to a voltage distribution applied to the liquid crystal layer. A first liquid crystal element that divides the light beam into a first light beam and a second light beam and deflects the second light beam with respect to the first light beam at a first deflection angle along a set deflection direction; A liquid crystal layer including liquid crystal molecules aligned along a direction, and transmitting the liquid crystal layer with respect to a first light flux passing through the liquid crystal layer according to a voltage distribution applied to the liquid crystal layer A second liquid crystal element that deflects the second luminous flux to be deflected at the second deflection angle, and a voltage applied to the liquid crystal layer of the first liquid crystal element according to the deflection direction, the first deflection angle, and the second deflection angle A controller for controlling the distribution and the voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the second liquid crystal element.

またこの光束分割素子において、制御部は、第1の光束と第2の光束とが第2の液晶素子から所定の距離の位置にて交差するように、第1の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布と第2の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布とを制御することが好ましい。   In this light beam splitting element, the control unit applies the first light beam and the second light beam to the liquid crystal layer of the first liquid crystal element such that the first light beam and the second light beam intersect at a predetermined distance from the second liquid crystal element. It is preferable to control the voltage distribution to be applied and the voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the second liquid crystal element.

さらに、この光束分割素子において、第1の液晶素子は、液晶層を挟んで対向する第1の透明電極と第2の透明電極とを有し、第1の透明電極は、第1の方向に沿って配列される複数の部分電極を有し、その複数の部分電極のうちの互いに隣接する部分電極は抵抗子を介して接続され、第2の透明電極は、第1の方向と直交する第2の方向に沿って配列される複数の部分電極を有し、その複数の部分電極のうちの互いに隣接する部分電極は抵抗子を介して接続され、制御部は、第1の透明電極が有する複数の部分電極のうちの一端の部分電極と他端の部分電極間、及び、第2の透明電極が有する複数の部分電極のうちの一端の部分電極と他端の部分電極間に偏向方向及び第1の偏向角に応じた電圧を印加することが好ましい。   Furthermore, in this light beam splitting element, the first liquid crystal element has a first transparent electrode and a second transparent electrode facing each other with the liquid crystal layer interposed therebetween, and the first transparent electrode is in the first direction. A plurality of partial electrodes arranged along the same, adjacent partial electrodes of the plurality of partial electrodes are connected via a resistor, and the second transparent electrode is a first electrode orthogonal to the first direction. The plurality of partial electrodes arranged along the direction 2 are connected to each other through the resistors, and the control unit has the first transparent electrode. The deflection direction between the partial electrode at one end and the partial electrode at the other end of the plurality of partial electrodes, and between the partial electrode at one end and the partial electrode at the other end of the plurality of partial electrodes included in the second transparent electrode, and It is preferable to apply a voltage corresponding to the first deflection angle.

また、制御部は、第1の偏向角に対して第2の偏向角が逆向きとなり、かつ、第1の偏向角よりも第2の偏向角が大きくなるように、第1の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布と第2の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布とを制御することが好ましい。   In addition, the controller controls the first liquid crystal element so that the second deflection angle is opposite to the first deflection angle and the second deflection angle is larger than the first deflection angle. It is preferable to control the voltage distribution applied to the liquid crystal layer and the voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the second liquid crystal element.

さらに、制御部は、配向方向と平行な直線偏光の成分に対する屈折率が偏向方向に沿って変化するように、第1の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布と第2の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布とを制御することが好ましい。   Further, the control unit applies the voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the first liquid crystal element and the liquid crystal of the second liquid crystal element so that the refractive index for the linearly polarized light component parallel to the alignment direction changes along the deflection direction. It is preferable to control the voltage distribution applied to the layer.

本発明の他の側面によれば、顕微鏡装置が提供される。この顕微鏡装置は、直線偏光を発する光源と、直線偏光を設定された偏向方向に沿って並ぶ第1の光束と第2の光束とに分割し、かつ、設定されるシア量に応じて第1の光束に対して第2の光束を傾ける光束分割素子と、第1の光束と第2の光束とをそのシア量に応じた間隔でサンプルに向けるレンズと、サンプルを経た第1の光束及び第2の光束を合わせた一つの光束により、サンプルを撮像する撮像部とを有する。そして光束分割素子は、所定の配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、その液晶層に印加される電圧分布に応じて、液晶層を透過する直線偏光を第1の光束と第2の光束に分割するとともに、第1の光束に対して第2の光束を所定の偏向方向に沿ってシア量に応じた第1の偏向角で偏向させる第1の液晶素子と、所定の配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、その液晶層に印加される電圧分布に応じて、その液晶層を透過する第1の光束に対して、その液晶層を透過する第2の光束をシア量に応じた第2の偏向角で偏向させることで、第1の光束及び第2の光束をレンズの前側焦点位置で交差させる第2の液晶素子と、偏向方向、第1の偏向角及び第2の偏向角に応じて第1の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布及び第2の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布を制御する制御部とを有する。   According to another aspect of the present invention, a microscope apparatus is provided. This microscope apparatus divides a linearly polarized light into a first light beam and a second light beam arranged along a set deflection direction, and the first light beam according to a set shear amount. A light beam splitting element that tilts the second light beam with respect to the first light beam, a lens that directs the first light beam and the second light beam toward the sample at intervals according to the shear amount, the first light beam and the first light beam that have passed through the sample And an imaging unit that images the sample with one luminous flux obtained by combining the two luminous fluxes. The light beam splitting element includes a liquid crystal layer including liquid crystal molecules aligned along a predetermined alignment direction, and first linearly polarized light that passes through the liquid crystal layer according to a voltage distribution applied to the liquid crystal layer. A first liquid crystal element that divides the second luminous flux with respect to the first luminous flux and deflects the second luminous flux along the predetermined deflection direction at a first deflection angle corresponding to the shear amount. A liquid crystal layer including liquid crystal molecules aligned along a predetermined alignment direction, and the first light flux transmitted through the liquid crystal layer according to a voltage distribution applied to the liquid crystal layer A second liquid crystal element that crosses the first light beam and the second light beam at the front focal position of the lens by deflecting the second light beam transmitted through the liquid crystal layer at a second deflection angle corresponding to the shear amount; , The liquid crystal of the first liquid crystal element according to the deflection direction, the first deflection angle, and the second deflection angle And a control unit for controlling the voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the voltage distribution and a second liquid crystal element to be applied to.

本発明に係る光束分割素子は、機械的な作業を必要とせずに、光束を分割する方向及び分割された光束の間隔を調節できるという効果を奏する。   The light beam splitting element according to the present invention has an effect that the direction in which the light beam is split and the interval between the split light beams can be adjusted without requiring mechanical work.

本発明の一つの実施形態に係る光束分割素子を有する顕微鏡装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the microscope apparatus which has the light beam splitting element which concerns on one Embodiment of this invention. 光束分割素子の概略構成図である。It is a schematic block diagram of a light beam splitting element. (a)は、第1の液晶素子の概略正面図であり、(b)は、(a)の矢印A、A’で示される線における、第1の液晶素子の概略側面断面図である。(A) is a schematic front view of a 1st liquid crystal element, (b) is a schematic side sectional view of the 1st liquid crystal element in the line shown by arrow A, A 'of (a). 第1の液晶素子が有する各透明電極の配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of each transparent electrode which a 1st liquid crystal element has. 各透明電極の両端の部分電極間に印加される電圧と、一方の透明電極に印加される電圧と他方の透明電極に印加される電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the voltage applied between the partial electrodes of the both ends of each transparent electrode, the voltage applied to one transparent electrode, and the voltage applied to the other transparent electrode. (a)は、光束分割素子の各液晶素子及びコンデンサレンズの位置関係と、光軸に対する異常光線の傾き及びシア量との関係を説明する図であり、(b)は、コンデンサレンズの焦点距離と、各液晶素子による異常光線の偏向角及びシア量との関係を表すテーブルの一例を示す図である。(A) is a figure explaining the relationship between the positional relationship of each liquid crystal element of a light beam splitting element and a condenser lens, and the inclination and shear amount of an extraordinary ray with respect to the optical axis, and (b) is the focal length of the condenser lens. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a table representing a relationship between a deflection angle of an extraordinary ray by each liquid crystal element and a shear amount.

以下、図を参照しつつ、一つの実施形態による光束分割素子について説明する。この光束分割素子は、光軸に沿って並べられた二つの液晶素子を有する。そして、各液晶素子は、それぞれ、液晶層を挟んで対向する二つの透明電極の一方が第1の方向に沿って配列される複数の部分電極を有し、透明電極の他方が第1の方向と直交する第2の方向に沿って配列される複数の部分電極を有する。そしてこの光束分割素子は、各透明電極の両端の部分電極間に印加する電圧を調整することで与えられる、液晶層に印加される電圧分布に応じて、各液晶素子を透過する直線偏光を二つの光束に分割するとともに、その二つの光束が並ぶ偏向方向、及び、二つの光束間の角度を制御する。   Hereinafter, a light beam splitter according to one embodiment will be described with reference to the drawings. This light beam splitting element has two liquid crystal elements arranged along the optical axis. Each liquid crystal element has a plurality of partial electrodes in which one of two transparent electrodes facing each other across the liquid crystal layer is arranged along the first direction, and the other transparent electrode is in the first direction. And a plurality of partial electrodes arranged along a second direction orthogonal to the first direction. The light beam splitting element converts the linearly polarized light that passes through each liquid crystal element according to the voltage distribution applied to the liquid crystal layer, which is given by adjusting the voltage applied between the partial electrodes at both ends of each transparent electrode. The light beam is divided into two light beams, and the deflection direction in which the two light beams are arranged and the angle between the two light beams are controlled.

図1は、本発明の一つの実施形態に係る光束分割素子を有する顕微鏡装置の概略構成図である。図1に示されるように、顕微鏡装置100は、微分干渉顕微鏡であり、顕微鏡装置100が有する光学系の光軸に沿って順に、光源1と、本実施形態による光束分割素子2−1と、コンデンサレンズ3と、対物レンズ4と、本実施形態による光束分割素子2−2と、撮像部5とを有する。そしてコンデンサレンズ3と対物レンズ4の間にサンプル10が配置される。なお、顕微鏡装置100は、光路上に、球面収差用補償光学系など、各種の補償光学系を有していてもよい。さらに、顕微鏡装置100は、光源1と光束分割素子2−1の間に、光源1から発した光を平行光にするためのコリメート光学系などを有していてもよい。また、サンプル10により反射された光によりサンプル10を観察する場合には、光束分割素子2−2は省略されてもよい。また、コンデンサレンズ3の代わりに、対物レンズが配置される。そしてこの場合には、例えば、光束分割素子2−1光源1との間にビームスプリッタ(図示せず)が配置される。そしてサンプル10により反射された光は、対物レンズ及び光束分割素子2−1を透過した後、ビームスプリッタにより対物レンズの光軸方向と直交する方向に反射されて撮像部5に入射するように、撮像部5は配置される。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a microscope apparatus having a light beam splitting element according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the microscope apparatus 100 is a differential interference microscope, and in order along the optical axis of the optical system of the microscope apparatus 100, the light source 1, the light beam splitting element 2-1 according to the present embodiment, The condenser lens 3, the objective lens 4, the light beam splitting element 2-2 according to the present embodiment, and the imaging unit 5 are included. A sample 10 is disposed between the condenser lens 3 and the objective lens 4. Note that the microscope apparatus 100 may have various compensation optical systems such as a spherical aberration compensation optical system on the optical path. Further, the microscope apparatus 100 may include a collimating optical system for making the light emitted from the light source 1 parallel light between the light source 1 and the light beam splitting element 2-1. Further, when the sample 10 is observed with the light reflected by the sample 10, the light beam splitting element 2-2 may be omitted. Further, instead of the condenser lens 3, an objective lens is arranged. In this case, for example, a beam splitter (not shown) is disposed between the beam splitter 2-1 and the light source 1. Then, the light reflected by the sample 10 passes through the objective lens and the light beam splitting element 2-1, and then is reflected by the beam splitter in the direction orthogonal to the optical axis direction of the objective lens and enters the imaging unit 5. The imaging unit 5 is arranged.

光源1は、所定の偏光面を持つ直線偏光である照明光を出力する。そのために、光源1は、例えば、半導体レーザを有する。あるいは、光源1は、アルゴンイオンレーザといったガスレーザ、またはYAGレーザといった固体レーザを有していてもよい。あるいはまた、光源1は、例えば、水銀灯、キセノンアークランプまたは白熱電球といった、直線偏光でない光を発光する発光素子と、そのような発光素子から発した光のうちの所定の偏光面を持つ成分だけを透過させて直線偏光にする偏光板とを有してもよい。   The light source 1 outputs illumination light that is linearly polarized light having a predetermined polarization plane. For this purpose, the light source 1 includes, for example, a semiconductor laser. Alternatively, the light source 1 may have a gas laser such as an argon ion laser or a solid-state laser such as a YAG laser. Alternatively, the light source 1 includes, for example, a light-emitting element that emits light that is not linearly polarized light, such as a mercury lamp, a xenon arc lamp, or an incandescent light bulb, and a component having a predetermined polarization plane among light emitted from such a light-emitting element. And a polarizing plate that transmits the light to linearly polarized light.

さらに、光源1は、互いに異なる波長の光を出力する複数の発光素子を有していてもよい。この場合、光源1は、コントローラ(図示せず)からの制御信号に従って、何れか一つの発光素子に照明光を出力させる。   Furthermore, the light source 1 may include a plurality of light emitting elements that output light having different wavelengths. In this case, the light source 1 causes one of the light emitting elements to output illumination light in accordance with a control signal from a controller (not shown).

光束分割素子2−1は、光源1とコンデンサレンズ3との間に配置される。そして光束分割素子2−1は、光源1から出力された照明光を所定の偏向方向に沿って並ぶ二つの光束に分割し、その二つの光束をコンデンサレンズ3の前側焦点位置で交差させる。
なお、光束分割素子2−1の詳細については後述する。
The light beam splitting element 2-1 is disposed between the light source 1 and the condenser lens 3. The light beam splitting element 2-1 splits the illumination light output from the light source 1 into two light beams arranged along a predetermined deflection direction, and crosses the two light beams at the front focal position of the condenser lens 3.
Details of the light beam splitting element 2-1 will be described later.

コンデンサレンズ3は、光束分割素子2−1から出射した二つの光束のそれぞれをサンプル10上に集光する。上記のように、光束分割素子2−1から出射した二つの光束は、コンデンサレンズ3の前側焦点位置で交差するので、コンデンサレンズ3により、その二つの光束は互いに平行となってサンプル10に達する。また、コンデンサレンズ3の前側焦点位置でのその二つの光束間の角度が大きくなるほど、サンプル10を透過する際のその二つの光束間の距離(すなわち、シア量)は大きくなる。   The condenser lens 3 condenses each of the two light beams emitted from the light beam splitting element 2-1 on the sample 10. As described above, since the two light beams emitted from the light beam splitting element 2-1 intersect at the front focal position of the condenser lens 3, the two light beams reach the sample 10 in parallel with each other by the condenser lens 3. . Further, as the angle between the two light beams at the front focal position of the condenser lens 3 increases, the distance (that is, the shear amount) between the two light beams when passing through the sample 10 increases.

対物レンズ4は、コンデンサレンズ3から出射し、サンプル10を透過した二つの光束を集光する。その際、その二つの光束は、対物レンズ4を透過することにより、対物レンズ4の後側焦点位置にて、対物レンズ4のパワーに応じた角度で互いに交差する。   The objective lens 4 condenses two light beams that have been emitted from the condenser lens 3 and transmitted through the sample 10. At that time, the two light beams pass through the objective lens 4 and intersect each other at an angle corresponding to the power of the objective lens 4 at the rear focal position of the objective lens 4.

光束分割素子2−2は、対物レンズ4の後側焦点位置よりも対物レンズ4から離れた位置に配置され、対物レンズ4を出射した二つの光束を一つの光束にする。これにより、その二つの光束間に、サンプル10の構造に起因する干渉が生じる。   The beam splitting element 2-2 is disposed at a position farther from the objective lens 4 than the rear focal position of the objective lens 4, and converts the two beams emitted from the objective lens 4 into one beam. Thereby, interference resulting from the structure of the sample 10 occurs between the two light beams.

撮像部5は、例えば、複数のCCDまたはC-MOSなどの個体撮像素子がアレイ状に配列されたイメージセンサを有する。さらに、撮像部5は、イメージセンサ上にサンプル10の像を結像する結像光学系を有していてもよい。そして撮像部5は、対物レンズ4及び光束分割素子2−2を介して得られた光束において生じる干渉により得られるサンプル10の画像を生成し、その画像をコントローラへ出力する。   The imaging unit 5 includes, for example, an image sensor in which a plurality of individual imaging elements such as CCDs or C-MOSs are arranged in an array. Furthermore, the imaging unit 5 may have an imaging optical system that forms an image of the sample 10 on the image sensor. And the imaging part 5 produces | generates the image of the sample 10 obtained by the interference which arises in the light beam obtained through the objective lens 4 and the light beam splitting element 2-2, and outputs the image to a controller.

以下、本実施形態による、光束分割素子2−1、2−2の詳細について説明する。なお、光束分割素子2−1と光束分割素子2−2とは、同一の構成とすることができるので、以下では、光束分割素子2−1について説明する。   Hereinafter, details of the light beam splitting elements 2-1 and 2-2 according to the present embodiment will be described. Since the light beam splitting element 2-1 and the light beam splitting element 2-2 can have the same configuration, the light beam splitting element 2-1 will be described below.

図2は、光束分割素子2−1の概略構成図である。光束分割素子2−1は、第1の液晶素子21と、第2の液晶素子22と、制御回路23とを有する。第1の液晶素子21及び第2の液晶素子22は、顕微鏡装置100が有する光学系の光軸OAに沿って光源1側から順に配置される。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the light beam splitting element 2-1. The light beam splitting element 2-1 includes a first liquid crystal element 21, a second liquid crystal element 22, and a control circuit 23. The first liquid crystal element 21 and the second liquid crystal element 22 are sequentially arranged from the light source 1 side along the optical axis OA of the optical system included in the microscope apparatus 100.

光束分割素子2−1に入射した照明光は、制御回路23が第1の液晶素子21が有する液晶層に印加される電圧分布を制御することにより、液晶層内の液晶分子の配向方向と直交する偏光面を持つ光束(すなわち、常光線)と、その配向方向と平行な偏光面を持つ光束(すなわち、異常光線)とに分割される。常光線(第1の光束)は、光軸OAに平行な光束として第1の液晶素子21から出射する。一方、異常光線(第2の光束)は、制御回路23による第1の液晶素子21の液晶層に印加される電圧分布の制御に応じて、光軸OAに対して任意の偏向方向に、かつ、所定の偏向角度で第1の液晶素子21から出射する。   The illumination light incident on the light beam splitting element 2-1 is orthogonal to the alignment direction of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer by the control circuit 23 controlling the voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the first liquid crystal element 21. The light beam is split into a light beam having a polarization plane (that is, an ordinary ray) and a light beam having a polarization plane parallel to the orientation direction (that is, an extraordinary ray). An ordinary ray (first light beam) is emitted from the first liquid crystal element 21 as a light beam parallel to the optical axis OA. On the other hand, the extraordinary ray (second light flux) is transmitted in an arbitrary deflection direction with respect to the optical axis OA in accordance with the control of the voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the first liquid crystal element 21 by the control circuit 23. The light is emitted from the first liquid crystal element 21 at a predetermined deflection angle.

第1の液晶素子21から出射した常光線及び異常光線は第2の液晶素子22に入射する。そして制御回路23が第2の液晶素子22が有する液晶層に印加する電圧分布を制御することにより、異常光線の偏向角が調整される。その結果として、異常光線は、コンデンサレンズ3の前側焦点位置へ向かうように出射する。一方、常光線は、第2の液晶素子22を透過した後も、光軸OAに沿って直進する。そのため、常光線と異常光線とは、コンデンサレンズ3の前側焦点位置にて交差する。   The ordinary ray and the extraordinary ray emitted from the first liquid crystal element 21 are incident on the second liquid crystal element 22. The control circuit 23 controls the voltage distribution applied to the liquid crystal layer included in the second liquid crystal element 22, thereby adjusting the deflection angle of the extraordinary ray. As a result, the extraordinary ray is emitted so as to go to the front focal position of the condenser lens 3. On the other hand, the ordinary ray travels straight along the optical axis OA even after passing through the second liquid crystal element 22. Therefore, the ordinary ray and the extraordinary ray intersect at the front focal position of the condenser lens 3.

以下、光束分割素子2−1が有する各液晶素子の詳細について説明する。なお、第1の液晶素子21と第2の液晶素子22とは、同一の構成とすることができるので、以下では、第1の液晶素子21について説明する。   Hereinafter, details of each liquid crystal element included in the light beam splitting element 2-1 will be described. In addition, since the 1st liquid crystal element 21 and the 2nd liquid crystal element 22 can be set as the same structure, below, the 1st liquid crystal element 21 is demonstrated.

図3(a)は、第1の液晶素子21の概略正面図であり、図3(b)は、図3(a)の矢印A、A’で示される線における、第1の液晶素子21の概略側面断面図である。また図4は、第1の液晶素子21が有する各透明電極の配置を示す図である。   FIG. 3A is a schematic front view of the first liquid crystal element 21, and FIG. 3B is a diagram illustrating the first liquid crystal element 21 along the lines indicated by arrows A and A ′ in FIG. FIG. FIG. 4 is a diagram showing the arrangement of the transparent electrodes included in the first liquid crystal element 21.

第1の液晶素子21は、液晶層30と、光軸OAに沿って液晶層30を挟んで対向するように略平行に配置された二つの透明基板31、32を有する。また第1の液晶素子21は、透明基板31と液晶層30の間に配置された透明電極33と、液晶層30と透明基板32の間に配置された透明電極34とを有する。そして液晶層30に含まれる液晶分子37は、透明基板31及び32と、シール部材38との間に封入されている。また液晶層30は、第1の液晶素子21が透過する照明光のうちの異常光線に所定の偏向角を与えるのに十分な厚さ、例えば、10μm〜20μmを有する。   The first liquid crystal element 21 has two transparent substrates 31 and 32 arranged substantially parallel to the liquid crystal layer 30 so as to face each other across the liquid crystal layer 30 along the optical axis OA. The first liquid crystal element 21 includes a transparent electrode 33 disposed between the transparent substrate 31 and the liquid crystal layer 30, and a transparent electrode 34 disposed between the liquid crystal layer 30 and the transparent substrate 32. The liquid crystal molecules 37 contained in the liquid crystal layer 30 are sealed between the transparent substrates 31 and 32 and the seal member 38. The liquid crystal layer 30 has a thickness sufficient to give a predetermined deflection angle to the extraordinary ray of the illumination light transmitted by the first liquid crystal element 21, for example, 10 μm to 20 μm.

透明基板31、32は、例えば、ガラスまたは樹脂など、光源1が発する照明光に対して透明な材料により形成される。また透明電極33、34は、例えば、ITOと呼ばれる、酸化インジウムに酸化スズを添加した材料により形成される。さらに、透明電極33と液晶層30の間に配向膜35が配置される。また透明電極34と液晶層30の間に配向膜36が配置される。これら配向膜35、36は、液晶分子37を所定の方向に配向させる。   The transparent substrates 31 and 32 are formed of a material that is transparent to the illumination light emitted from the light source 1, such as glass or resin. In addition, the transparent electrodes 33 and 34 are formed of, for example, a material in which tin oxide is added to indium oxide called ITO. Further, an alignment film 35 is disposed between the transparent electrode 33 and the liquid crystal layer 30. An alignment film 36 is disposed between the transparent electrode 34 and the liquid crystal layer 30. These alignment films 35 and 36 align the liquid crystal molecules 37 in a predetermined direction.

液晶層30に封入された液晶分子37は、例えば、ホモジニアス配向される。そして液晶分子37の配向方向は、矢印311に示されるように、入射する照明光の偏光面312に対して0度(すなわち、平行)より大きく、かつ、90度(すなわち、直交)未満の所定の角度に設定される。これにより、液晶素子21は、照明光を常光線と異常光線とに分割することが可能となる。なお、常光線の強度と異常光線の強度が等しくなるように、液晶分子37の配向方向と入射する照明光の偏光面312とのなす角は、略45度に設定されることが好ましい。   The liquid crystal molecules 37 sealed in the liquid crystal layer 30 are, for example, homogeneously aligned. The alignment direction of the liquid crystal molecules 37 is greater than 0 degree (ie, parallel) and less than 90 degrees (ie, orthogonal) with respect to the polarization plane 312 of the incident illumination light, as indicated by an arrow 311. Is set to an angle of Thereby, the liquid crystal element 21 can divide the illumination light into an ordinary ray and an extraordinary ray. The angle formed by the alignment direction of the liquid crystal molecules 37 and the polarization plane 312 of the incident illumination light is preferably set to about 45 degrees so that the intensity of the ordinary light and the intensity of the extraordinary light are equal.

図4に示されるように、本実施形態では、透明電極33は、光軸OAに直交する面において第1の方向401に沿って等間隔で分割された複数の線状の部分電極33−1〜33−m(mは2以上の整数)を有する。そして複数の部分電極33−1〜33−mにより、液晶分子37が駆動されるアクティブ領域全体が覆われる。一方、透明電極34は、光軸OAに直交する面において第1の方向401と直交する第2の方向402に沿って等間隔で分割された複数の線状の部分電極34−1〜34−m(nは2以上の整数)を有する。なお、図4において、部分電極間のギャップは線で示されている。なお、第1の方向401及び第2の方向402は、液晶分子37の配向方向に対して独立に設定されてよい。また、第1の方向401及び第2の方向402は、第1の液晶素子21と第2の液晶素子22とで同じであってもよく、あるいは、異なっていてもよい。さらに、第1の方向401及び第2の方向402は、入射光の偏光面に対して独立に設定されてよい。   As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the transparent electrode 33 includes a plurality of linear partial electrodes 33-1 divided at equal intervals along the first direction 401 on a plane orthogonal to the optical axis OA. ~ 33-m (m is an integer of 2 or more). The plurality of partial electrodes 33-1 to 33-m cover the entire active region where the liquid crystal molecules 37 are driven. On the other hand, the transparent electrode 34 has a plurality of linear partial electrodes 34-1 to 34-34 divided at equal intervals along a second direction 402 orthogonal to the first direction 401 on a plane orthogonal to the optical axis OA. m (n is an integer of 2 or more). In FIG. 4, the gap between the partial electrodes is indicated by a line. Note that the first direction 401 and the second direction 402 may be set independently of the alignment direction of the liquid crystal molecules 37. Further, the first direction 401 and the second direction 402 may be the same in the first liquid crystal element 21 and the second liquid crystal element 22 or may be different. Further, the first direction 401 and the second direction 402 may be set independently with respect to the polarization plane of the incident light.

透明電極33において、隣接する二つの部分電極同士は、同一の電気抵抗を持つ電極(抵抗子)によって接続される。そして制御回路23により、部分電極33−1〜33−mのうちの一端の部分電極33−1と他端の部分電極33−mとの間に電圧が印加される。具体的に、各部分電極は、長さに応じた抵抗値を持つ高抵抗配線に対して等間隔で接続され、その高抵抗配線の両端間に、制御回路23から電圧が印加される。したがって、第1の方向に沿って、ステップ状に印加される電圧が変化する。同様に、透明電極34において、隣接する二つの部分電極同士は、同一の電気抵抗を持つ電極によって接続される。そして制御回路23により、部分電極34−1〜34−nのうちの一端の部分電極34−1と他端の部分電極34−nとの間に電圧が印加される。したがって、第2の方向に沿って、ステップ状に印加される電圧が変化する。   In the transparent electrode 33, two adjacent partial electrodes are connected by an electrode (resistor) having the same electrical resistance. The control circuit 23 applies a voltage between the partial electrode 33-1 at one end of the partial electrodes 33-1 to 33-m and the partial electrode 33-m at the other end. Specifically, each partial electrode is connected to a high resistance wiring having a resistance value corresponding to the length at equal intervals, and a voltage is applied from the control circuit 23 between both ends of the high resistance wiring. Therefore, the voltage applied in steps changes along the first direction. Similarly, in the transparent electrode 34, two adjacent partial electrodes are connected by electrodes having the same electrical resistance. The control circuit 23 applies a voltage between the partial electrode 34-1 at one end and the partial electrode 34-n at the other end of the partial electrodes 34-1 to 34-n. Therefore, the voltage applied stepwise changes along the second direction.

ここで、透明電極33と透明電極34との間、すなわち、液晶層30に電圧Vが印加されると、その電圧Vに応じて、電圧が印加された方向(すなわち、光軸OAに沿った方向)に対して液晶分子37の長軸方向が平行に近づくように傾く。このとき、液晶分子37が配向された方向と平行な偏光成分(すなわち、異常光線)に対する液晶分子の屈折率をnψ(V)とすると、no≦nψ(V)≦neとなる。ただし、noは液晶分子の配向方向に直交する偏光成分(すなわち、常光線)に対する屈折率であり、neは液晶分子の長軸方向に平行な偏光成分に対する屈折率である。 Here, when a voltage V is applied between the transparent electrode 33 and the transparent electrode 34, that is, the liquid crystal layer 30, the direction in which the voltage is applied (that is, along the optical axis OA) according to the voltage V. The major axis direction of the liquid crystal molecules 37 is inclined in parallel with the direction). At this time, the direction in which the liquid crystal molecules 37 are oriented parallel to the polarization component (i.e., the extraordinary ray) when the refractive index of the liquid crystal molecules n [psi and (V) for, and n o ≦ n ψ (V) ≦ n e . However, n o polarization component (i.e., ordinary ray) perpendicular to the alignment direction of liquid crystal molecules is the refractive index with respect to, n e is the refractive index for parallel polarization component in the longitudinal direction of the liquid crystal molecules.

したがって、上記のように透明電極33に電圧が印加されることで、液晶層30に印加される電圧が第1の方向に沿って変化するために、部分電極33−1と部分電極33−m間の電圧に応じて、異常光線に対する屈折率が第1の方向に沿って変化する。同様に、上記のように透明電極34に電圧が印加されることで、液晶層30に印加される電圧が第2の方向に沿って変化するため、部分電極34−1と部分電極34−n間の電圧に応じて、異常光線に対する屈折率が第2の方向に沿って変化する。したがって、制御回路23が、部分電極33−1と部分電極33−m間の電圧と、部分電極34−1と部分電極34−n間の電圧を調整することで、光軸OAに直交する面内の任意の方向に沿って、異常光線に対する液晶層30の屈折率を変化させることができる。その結果、異常光線は、液晶層30の屈折率の変化方向に沿って光軸OAから傾いて液晶層30内を伝搬する。すなわち、液晶層30の屈折率の変化方向が偏向方向となる。また、常光線に対して異常光線がなす角である偏向角は、液晶層30の屈折率の勾配の大きさに応じた角度となる。すなわち、第1の方向を基準とする異常光線の偏向方向A及び常光線に対する異常光線の偏向角Rと、電極33−1と部分電極33−m間の電圧ΔVU及び部分電極34−1と部分電極34−n間の電圧ΔVLとの間に、次式が成立する。

Figure 2018045187
ここで、φは第1の方向と液晶分子37の配向方向とがなす角を表す。したがって、ΔVU及びΔVLが適切に調節されることで、光軸OAに直交する面における、異常光線の偏向方向が所望の方向に設定され、かつ、常光線と異常光線間の偏向角が調整可能な範囲内で所望の角度に設定される。 Therefore, since the voltage applied to the liquid crystal layer 30 changes along the first direction by applying a voltage to the transparent electrode 33 as described above, the partial electrode 33-1 and the partial electrode 33-m Depending on the voltage between them, the refractive index for extraordinary rays changes along the first direction. Similarly, as the voltage is applied to the transparent electrode 34 as described above, the voltage applied to the liquid crystal layer 30 changes along the second direction, and thus the partial electrode 34-1 and the partial electrode 34-n. Depending on the voltage between them, the refractive index for extraordinary rays changes along the second direction. Therefore, the control circuit 23 adjusts the voltage between the partial electrode 33-1 and the partial electrode 33-m and the voltage between the partial electrode 34-1 and the partial electrode 34-n, so that the surface orthogonal to the optical axis OA. The refractive index of the liquid crystal layer 30 with respect to extraordinary rays can be changed along any direction. As a result, the extraordinary ray propagates in the liquid crystal layer 30 while being inclined from the optical axis OA along the direction of change in the refractive index of the liquid crystal layer 30. That is, the direction of change in the refractive index of the liquid crystal layer 30 is the deflection direction. Further, the deflection angle, which is the angle formed by the extraordinary ray with respect to the ordinary ray, is an angle corresponding to the magnitude of the refractive index gradient of the liquid crystal layer 30. That is, the extraordinary ray deflection direction A with respect to the first direction, the extraordinary ray deflection angle R with respect to the ordinary ray, the voltage ΔVU between the electrode 33-1 and the partial electrode 33-m, and the partial electrode 34-1 and the portion. The following equation holds between the voltage ΔVL between the electrodes 34-n.
Figure 2018045187
Here, φ represents an angle formed by the first direction and the alignment direction of the liquid crystal molecules 37. Therefore, by appropriately adjusting ΔVU and ΔVL, the deflection direction of extraordinary rays can be set to a desired direction on the plane orthogonal to the optical axis OA, and the deflection angle between ordinary rays and extraordinary rays can be adjusted. The desired angle is set within a certain range.

さらに、透明電極33及び透明電極34の一方に印加される電圧の最小値が、透明電極33及び透明電極34の他方に印加される電圧の最大値よりも高くなるように、各透明電極に印加される電圧が設定される。これにより、二つの透明電極間においてもある程度以上の電圧が印加されることとなり、液晶層30に含まれる液晶分子37を駆動することが可能となる。   Furthermore, the minimum value of the voltage applied to one of the transparent electrode 33 and the transparent electrode 34 is applied to each transparent electrode so that the maximum value of the voltage applied to the other of the transparent electrode 33 and the transparent electrode 34 is higher. Voltage to be set. As a result, a voltage of a certain level or more is applied between the two transparent electrodes, and the liquid crystal molecules 37 included in the liquid crystal layer 30 can be driven.

図5は、各透明電極の両端の部分電極間に印加される電圧と、一方の透明電極に印加される電圧と他方の透明電極に印加される電圧の関係を示す図である。図5に示されるように、この例では、透明電極33の部分電極33−1に印加される電圧VUminよりも、部分電極33−mに印加される電圧VUmaxの方が高いものとする。同様に、透明電極34の部分電極34−1に印加される電圧VLminよりも、部分電極34−nに印加される電圧VLmaxの方が高いものとする。さらに、電圧VLmaxよりも、電圧VUminの方が高く、その差(VUmin-VLmax)は、透明電極33と透明電極34間の電圧のオフセットLminよりも大きくなるように、各電圧は設定される。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the voltage applied between the partial electrodes at both ends of each transparent electrode, the voltage applied to one transparent electrode, and the voltage applied to the other transparent electrode. As shown in FIG. 5, in this example, it is assumed that the voltage VUmax applied to the partial electrode 33-m is higher than the voltage VUmin applied to the partial electrode 33-1 of the transparent electrode 33. Similarly, it is assumed that the voltage VLmax applied to the partial electrode 34-n is higher than the voltage VLmin applied to the partial electrode 34-1 of the transparent electrode 34. Furthermore, the voltage VUmin is higher than the voltage VLmax, and each voltage is set so that the difference (VUmin−VLmax) is larger than the voltage offset Lmin between the transparent electrode 33 and the transparent electrode 34.

また、図5に示されるグラフにおいて、横軸は電圧を表し、縦軸は異常光線に対する屈折率を表す。そして曲線500は、液晶層30に印加される電圧と異常光線に対する屈折率との関係を表す。   In the graph shown in FIG. 5, the horizontal axis represents voltage, and the vertical axis represents the refractive index with respect to extraordinary rays. A curve 500 represents the relationship between the voltage applied to the liquid crystal layer 30 and the refractive index with respect to extraordinary rays.

図5に示されるように、電圧の変化に対する、屈折率の変化が線形となる電圧の範囲Vrange内に電圧ΔVU及び電圧ΔVLが含まれるように、電圧ΔVU及び電圧ΔVLは調節される。すなわち、次式に示される条件が満たされる範囲で、電圧ΔVU及び電圧ΔVLは調節される。

Figure 2018045187
As shown in FIG. 5, the voltage ΔVU and the voltage ΔVL are adjusted so that the voltage ΔVU and the voltage ΔVL are included in the voltage range Vrange in which the refractive index change is linear with respect to the voltage change. That is, the voltage ΔVU and the voltage ΔVL are adjusted within a range in which the condition represented by the following expression is satisfied.
Figure 2018045187

さらに、Vrangeの中点をVcとすると、VUmin及びVLmaxは、以下の条件を満たすように設定されることが好ましい。

Figure 2018045187
ただし、αは正の定数であり、VUmin-VLmax+2α=Lminとなる。 Furthermore, if the midpoint of Vrange is Vc, VUmin and VLmax are preferably set so as to satisfy the following conditions.
Figure 2018045187
However, α is a positive constant, and VUmin−VLmax + 2α = Lmin.

制御回路23は、例えば、一つまたは複数のプロセッサと、不揮発性の半導体メモリ及び揮発性の半導体メモリと、第1の液晶素子21及び第2の液晶素子22を駆動するための駆動回路とを有する。そして制御回路23は、第1の液晶素子21及び第2の液晶素子22のそれぞれの液晶層に印加される電圧分布を制御することで、異常光線の偏光方向及び偏向角を可変に制御する。   The control circuit 23 includes, for example, one or a plurality of processors, a nonvolatile semiconductor memory and a volatile semiconductor memory, and a drive circuit for driving the first liquid crystal element 21 and the second liquid crystal element 22. Have. Then, the control circuit 23 variably controls the polarization direction and the deflection angle of the extraordinary ray by controlling the voltage distribution applied to the respective liquid crystal layers of the first liquid crystal element 21 and the second liquid crystal element 22.

本実施形態では、制御回路23は、サンプル10を常光線と異常光線とが透過する際に、光軸OAと直交する面において常光線と異常光線とが並ぶ方向と偏向方向とが一致し、かつ、常光線と異常光線間のシア量に応じた角度で異常光線が光束分割素子2−1を出射するように、第1の液晶素子21及び第2の液晶素子22のそれぞれの液晶層に印加する電圧分布を制御する。なお、シア量と、コンデンサレンズ3の前側焦点位置における、光軸OAと異常光線とがなす角(すなわち、常光線と異常光線とがなす角)とは、1対1に対応する。すなわち、シア量が大きくなるほど、コンデンサレンズ3の前側焦点位置における、常光線と異常光線とがなす角も大きくなる。   In the present embodiment, when the ordinary ray and the extraordinary ray pass through the sample 10, the control circuit 23 matches the direction in which the ordinary ray and the extraordinary ray are aligned on the plane orthogonal to the optical axis OA, and the deflection direction. In addition, each of the first liquid crystal element 21 and the second liquid crystal element 22 has a liquid crystal layer so that the extraordinary ray is emitted from the beam splitting element 2-1 at an angle corresponding to the shear amount between the ordinary ray and the extraordinary ray. Control the applied voltage distribution. Note that the amount of shear and the angle formed by the optical axis OA and the extraordinary ray at the front focal position of the condenser lens 3 correspond to each other one-to-one. That is, as the shear amount increases, the angle formed between the ordinary ray and the extraordinary ray at the front focal position of the condenser lens 3 also increases.

図6(a)は、光束分割素子2−1の各液晶素子及びコンデンサレンズ3の位置関係と、光軸OAに対する異常光線の傾き及びシア量との関係を説明する図である。また図6(b)は、コンデンサレンズ3の焦点距離と、各液晶素子による異常光線の偏向角及びシア量との関係を表すテーブルの一例を示す図である。   FIG. 6A is a diagram for explaining the relationship between the positional relationship between the liquid crystal elements of the light beam splitting element 2-1 and the condenser lens 3, and the inclination of the extraordinary ray with respect to the optical axis OA and the shear amount. FIG. 6B is a diagram showing an example of a table representing the relationship between the focal length of the condenser lens 3, the deflection angle of the extraordinary ray by each liquid crystal element, and the shear amount.

図6(a)に示されるように、異常光線601は、第1の偏向角である偏向角θ1を液晶素子21により与えられることにより、光軸OAに対して角度θ1をなして出射する。そして異常光線601は、液晶素子22により、液晶素子21から出射するときに対して逆側へ向けられる。その際、液晶素子22は、液晶素子21による偏向角θ1とは逆向きに、異常光線601に対して(θ1+θ2)の偏向角を与える。その結果、異常光線601は、第2の偏向角であるθ2にて光軸OA(すなわち、常光線)に対して傾くように液晶素子22を出射する。その後、異常光線601は、光軸OAに沿って距離y1だけ進んだ位置にある、コンデンサレンズ3の前側焦点位置で光軸OAと交差する。その後、異常光線601は、焦点距離fを持つコンデンサレンズ3により、光軸OAに対して平行化され、サンプル10に達する。   As shown in FIG. 6A, the extraordinary ray 601 is emitted at an angle θ1 with respect to the optical axis OA when the liquid crystal element 21 gives a deflection angle θ1 that is the first deflection angle. The extraordinary ray 601 is directed by the liquid crystal element 22 to the opposite side with respect to when it is emitted from the liquid crystal element 21. At that time, the liquid crystal element 22 gives a deflection angle of (θ1 + θ2) to the extraordinary ray 601 in the direction opposite to the deflection angle θ1 by the liquid crystal element 21. As a result, the extraordinary ray 601 exits the liquid crystal element 22 so as to be inclined with respect to the optical axis OA (that is, the ordinary ray) at θ 2 that is the second deflection angle. Thereafter, the extraordinary ray 601 intersects the optical axis OA at the front focal position of the condenser lens 3 at a position advanced by the distance y1 along the optical axis OA. Thereafter, the extraordinary ray 601 is collimated with respect to the optical axis OA by the condenser lens 3 having a focal length f and reaches the sample 10.

図6(b)に示されるように、テーブル600では、行ごとに、シア量に対する、各液晶素子により異常光線に与えられる偏向角などが示される。なお、テーブル600において、偏向角は、光軸OAに対する異常光線の波面の進行方向の傾きとして表される。テーブル600では、左から順に、第1の液晶素子21による異常光線の偏向角(すなわち、θ1)、第2の液晶素子22による異常光線の偏向角(すなわち、θ1+θ2)、第2の液晶素子22から出射する際の光軸OAに対する異常光線の傾き角θ2、コンデンサレンズ3の焦点距離f、シア量、第2の液晶素子22からコンデンサレンズ3の前側焦点位置までの距離y1が示される。テーブル600に示されるように、距離y1が一定であれば、シア量が大きいほど、各液晶素子が異常光線に与える偏向角が大きくなる。また、シア量が一定であれば、距離y1が大きくなるほど、各液晶素子が異常光線に与える偏向角が大きくなる。さらに、コンデンサレンズ3の前側焦点位置にて異常光線を光軸OAと交差させるために、第2の液晶素子22が異常光線に与える偏向角(θ1+θ2)は、第1の液晶素子21が異常光線に与える偏向角θ1よりも大きく、かつ、逆向きとなる。   As shown in FIG. 6B, the table 600 shows, for each row, the deflection angle given to the extraordinary ray by each liquid crystal element with respect to the shear amount. In the table 600, the deflection angle is represented as the inclination of the traveling direction of the wavefront of the extraordinary ray relative to the optical axis OA. In the table 600, in order from the left, the deflection angle of extraordinary rays by the first liquid crystal element 21 (ie, θ1), the deflection angle of extraordinary rays by the second liquid crystal element 22 (ie, θ1 + θ2), and the second liquid crystal. The extraordinary ray tilt angle θ2 with respect to the optical axis OA when emitted from the element 22, the focal length f of the condenser lens 3, the shear amount, and the distance y1 from the second liquid crystal element 22 to the front focal position of the condenser lens 3 are shown. . As shown in the table 600, if the distance y1 is constant, the deflection angle given to each extraordinary ray by each liquid crystal element increases as the shear amount increases. If the shear amount is constant, the deflection angle that each liquid crystal element gives to the extraordinary ray increases as the distance y1 increases. Further, the deflection angle (θ1 + θ2) given to the extraordinary ray by the second liquid crystal element 22 in order for the extraordinary ray to intersect the optical axis OA at the front focal position of the condenser lens 3 is determined by the first liquid crystal element 21. It is larger than the deflection angle θ1 given to the extraordinary ray and in the opposite direction.

制御回路23は、(1)式及び上記のテーブルに示された関係に従って、偏向方向とシア量に応じて各液晶素子の二つの透明電極の両端間に印加される電圧ΔVU、ΔVLを設定する。例えば、コンデンサレンズ3の焦点距離ごとに、偏向方向及びシア量と、各液晶素子の二つの透明電極の両端間に印加される電圧ΔVU、ΔVLとの関係を示す参照テーブルが、制御回路23が有する半導体メモリに予め保存される。そして制御回路23は、例えば、外部の機器(図示せず)から入力され、通信インターフェース(図示せず)を介して受け取ったコンデンサレンズ3の焦点距離に基づいてその焦点距離に対応する参照テーブルを選択し、選択した参照テーブルを参照することにより、外部の機器から入力され、通信インターフェース(図示せず)を介して受け取った偏向方向及びシア量に対応する各液晶素子の二つの透明電極の両端間に印加される電圧ΔVU、ΔVLを決定する。制御回路23は、決定した電圧ΔVU、ΔVLとなるように駆動回路を制御する。   The control circuit 23 sets the voltages ΔVU and ΔVL applied across the two transparent electrodes of each liquid crystal element according to the deflection direction and the shear amount in accordance with the relationship shown in the equation (1) and the above table. . For example, for each focal length of the condenser lens 3, a reference table showing a relationship between the deflection direction and the shear amount and the voltages ΔVU and ΔVL applied between the two transparent electrodes of each liquid crystal element is provided by the control circuit 23. It is stored in advance in a semiconductor memory. For example, the control circuit 23 receives a reference table corresponding to the focal length based on the focal length of the condenser lens 3 that is input from an external device (not shown) and received via a communication interface (not shown). By selecting and referring to the selected reference table, both ends of the two transparent electrodes of each liquid crystal element corresponding to the deflection direction and the shear amount input from an external device and received via a communication interface (not shown) The voltages ΔVU and ΔVL applied between them are determined. The control circuit 23 controls the drive circuit so that the determined voltages ΔVU and ΔVL are obtained.

さらに、制御回路23は、液晶層30に印加される電圧の大きさを調節することで、観察されるサンプル10の像の背景を明るくしたり、あるいは暗くすることができる。例えば、サンプル10に依存しない、常光線と異常光線との間の位相差が2kπ(ただし、kは整数)となる場合、背景部分では常光線と異常光線とが干渉により強調されるので、背景は明るくなる。逆に、サンプル10に依存しない、常光線と異常光線との間の位相差が(2k+1)πとなる場合、背景部分では常光線と異常光線とが干渉により弱められるので、背景は暗くなる。そして、液晶層30に印加される電圧、例えば、{(VUmin+VUmax)/2-(VLmax+VLmin)/2}を適宜調節することで、常光線と異常光線間の位相変調量は変化するので、制御回路23は、この電圧を調節することで、サンプル10の像の背景の明るさを調節できる。   Further, the control circuit 23 can make the background of the observed image of the sample 10 brighter or darker by adjusting the magnitude of the voltage applied to the liquid crystal layer 30. For example, when the phase difference between the ordinary ray and the extraordinary ray, which does not depend on the sample 10, is 2 kπ (where k is an integer), the ordinary ray and the extraordinary ray are emphasized by interference in the background portion. Becomes brighter. Conversely, when the phase difference between the ordinary ray and the extraordinary ray, which does not depend on the sample 10, is (2k + 1) π, the ordinary ray and the extraordinary ray are weakened by the interference in the background portion, so the background is dark. Become. Then, by appropriately adjusting a voltage applied to the liquid crystal layer 30, for example, {(VUmin + VUmax) / 2− (VLmax + VLmin) / 2}, the phase modulation amount between the ordinary ray and the extraordinary ray changes. Therefore, the control circuit 23 can adjust the brightness of the background of the image of the sample 10 by adjusting this voltage.

なお、駆動回路から各液晶素子が有する二つの透明電極に対して印加される駆動電圧は、例えば、パルス高さ変調(PHM)またはパルス幅変調(PWM)された交流電圧であってもよい。さらに、駆動回路は、各液晶素子が有する二つの透明電極に印加する電圧をオーバードライブによって駆動することで各液晶素子の応答を速めてもよい。   The drive voltage applied from the drive circuit to the two transparent electrodes of each liquid crystal element may be, for example, an AC voltage that has been subjected to pulse height modulation (PHM) or pulse width modulation (PWM). Further, the drive circuit may speed up the response of each liquid crystal element by driving the voltage applied to the two transparent electrodes of each liquid crystal element by overdrive.

なお、光束分割素子2−2については、サンプル10側に第2の液晶素子22が位置し、かつ、撮像部5側に第1の液晶素子21が位置するように、各液晶素子が配置されることで、制御回路23は、光束分割素子2−1の各液晶素子の液晶層に対する電圧分布の制御と同様の制御を行うことで、サンプル10を透過し、対物レンズ4により集光された常光線及び異常光線を一つの光束に合わせることができる。   Regarding the light beam splitting element 2-2, each liquid crystal element is arranged so that the second liquid crystal element 22 is positioned on the sample 10 side and the first liquid crystal element 21 is positioned on the imaging unit 5 side. Thus, the control circuit 23 transmits the sample 10 and is condensed by the objective lens 4 by performing the same control as the voltage distribution control for the liquid crystal layer of each liquid crystal element of the light beam splitting element 2-1. Ordinary rays and extraordinary rays can be combined into one light beam.

以上説明してきたように、本発明の一つの実施形態に係る光束分割素子は、光軸に沿って並べられた二つの液晶素子を有し、各液晶素子は、互いに直交する方向に沿って配列された複数の部分電極を有する二つの透明電極間に挟まれた液晶層を有する。そのため、この光束分割素子は、各液晶素子において、二つの透明電極のそれぞれの両端の部分電極間に印加する電圧を適切に調節することで、常光線に対する異常光線の偏向方向、及び、常光線に対する異常光線の偏向角を制御することができる。そのため、微分干渉顕微鏡装置において、この光束分割素子をノマルスキープリズムの代わりに用いることで、機械的な操作を行わずに、シア量またはサンプルを透過する際の二つの光束の並び方向を調節することが可能となる。   As described above, the light beam splitting element according to an embodiment of the present invention has two liquid crystal elements arranged along the optical axis, and each liquid crystal element is arranged along a direction orthogonal to each other. A liquid crystal layer sandwiched between two transparent electrodes having a plurality of partial electrodes. Therefore, this light beam splitting element adjusts the voltage applied between the partial electrodes at both ends of each of the two transparent electrodes in each liquid crystal element, so that the deflection direction of the extraordinary ray with respect to the ordinary ray and the ordinary ray It is possible to control the deflection angle of the extraordinary ray with respect to. For this reason, in the differential interference microscope apparatus, by using this light beam splitting element instead of the Nomarski prism, the shear amount or the alignment direction of the two light beams when passing through the sample can be adjusted without performing a mechanical operation. Is possible.

なお、変形例によれば、一つの制御回路23により、複数の光束分割素子が有する各液晶素子が駆動されてもよい。また、制御回路23は、顕微鏡装置100のコントローラと兼用されてもよい。   According to the modification, each control element 23 may drive each liquid crystal element included in the plurality of light beam splitting elements. The control circuit 23 may also be used as a controller of the microscope apparatus 100.

さらに他の変形例によれば、光束分割素子は、光軸に沿って並べて配置される、3個以上の液晶素子を有していてもよい。この場合も、各液晶素子は、上記の実施形態による液晶素子と同様の構成を有するものとすることができる。この場合には、光束分割素子は、偏向角の調整範囲をより広くすることができる。また、制御回路は、光束分割素子から出射する常光線と異常光線とが互いに平行となるように、光束分割素子の各液晶素子に印加する電圧を調整してもよい。   According to still another modification, the light beam splitting element may include three or more liquid crystal elements arranged side by side along the optical axis. Also in this case, each liquid crystal element can have the same configuration as the liquid crystal element according to the above embodiment. In this case, the light beam splitting element can make the adjustment range of the deflection angle wider. Further, the control circuit may adjust the voltage applied to each liquid crystal element of the light beam splitting element so that the ordinary light beam and the extraordinary light beam emitted from the light beam splitting device are parallel to each other.

さらに他の変形例によれば、光束分割素子が有する各液晶素子の二つの透明電極のうち、一方はマトリクス状に形成された複数の部分電極を有し、他方は一つの透明電極でアクティブ領域全体を覆うように形成されてもよい。この場合、制御回路が、各部分電極に対して独立に印加する電圧を制御できるよう、部分電極同士は互いに絶縁され、かつ、各部分電極と制御回路とが接続されてもよい。この場合も、制御回路は、上記の実施形態と同様に、第1の方向及び第2の方向のそれぞれについての電圧と、二つの透明電極間の電圧を決定すればよい。   According to still another modification, one of the two transparent electrodes of each liquid crystal element included in the light beam splitting element has a plurality of partial electrodes formed in a matrix, and the other is a single transparent electrode that is an active region. You may form so that the whole may be covered. In this case, the partial electrodes may be insulated from each other and the partial electrodes may be connected to the control circuit so that the control circuit can control the voltage applied to each partial electrode independently. Also in this case, the control circuit may determine the voltage in each of the first direction and the second direction and the voltage between the two transparent electrodes, as in the above embodiment.

また、上記の実施形態または変形例による光束分割素子は、顕微鏡以外の装置に利用されてもよい。   Moreover, the light beam splitting element according to the above-described embodiment or modification may be used in an apparatus other than a microscope.

以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。   As described above, those skilled in the art can make various modifications in accordance with the embodiment to be implemented within the scope of the present invention.

100 顕微鏡装置
1 光源
2−1、2−2 光束分割素子
3 コンデンサレンズ
4 対物レンズ
5 撮像部
10 サンプル
21 第1の液晶素子
22 第2の液晶素子
23 制御回路
30 液晶層
31、32 透明基板
33、34 透明電極
33−1〜33−m、34−1〜34−n 部分電極
35、36 配向膜
37 液晶分子
38 シール部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Microscope apparatus 1 Light source 2-1 and 2-2 Beam splitting element 3 Condenser lens 4 Objective lens 5 Imaging part 10 Sample 21 1st liquid crystal element 22 2nd liquid crystal element 23 Control circuit 30 Liquid crystal layer 31, 32 Transparent substrate 33 , 34 Transparent electrode 33-1 to 33-m, 34-1 to 34-n Partial electrode 35, 36 Alignment film 37 Liquid crystal molecule 38 Seal member

Claims (6)

所定の配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、当該液晶層に印加される電圧分布に応じて、当該液晶層を透過する直線偏光を第1の光束と第2の光束に分割するとともに、前記第1の光束に対して前記第2の光束を設定された偏向方向に沿って第1の偏向角で偏向させる第1の液晶素子と
前記配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、当該液晶層に印加される電圧分布に応じて、当該液晶層を透過する前記第1の光束に対して、当該液晶層を透過する前記第2の光束を第2の偏向角で偏向させる第2の液晶素子と、
前記偏向方向、前記第1の偏向角及び前記第2の偏向角に応じて前記第1の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布及び前記第2の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布を制御する制御部と、
を有する光束分割素子。
The liquid crystal layer includes liquid crystal molecules aligned along a predetermined alignment direction, and linearly polarized light transmitted through the liquid crystal layer is converted into a first light flux and a second light according to a voltage distribution applied to the liquid crystal layer. And a first liquid crystal element for deflecting the second light beam with respect to the first light beam at a first deflection angle along a set deflection direction, and aligning along the alignment direction The second liquid crystal layer includes the liquid crystal layer including the liquid crystal molecules, and transmits the second light beam transmitted through the liquid crystal layer with respect to the first light flux transmitted through the liquid crystal layer according to a voltage distribution applied to the liquid crystal layer. A second liquid crystal element that deflects the luminous flux at a second deflection angle;
Voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the first liquid crystal element and voltage applied to the liquid crystal layer of the second liquid crystal element according to the deflection direction, the first deflection angle, and the second deflection angle. A control unit for controlling the distribution;
A light beam splitting element.
前記制御部は、前記第1の光束と前記第2の光束とが前記第2の液晶素子から所定の距離の位置にて交差するように、前記第1の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布と前記第2の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布とを制御する、請求項1に記載の光束分割素子。   The control unit applies the first light flux and the second light flux to the liquid crystal layer of the first liquid crystal element such that the first light flux and the second light flux intersect at a predetermined distance from the second liquid crystal element. The light beam splitting element according to claim 1, wherein the light beam splitting element controls a voltage distribution and a voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the second liquid crystal element. 前記第1の液晶素子は、前記液晶層を挟んで対向する第1の透明電極と第2の透明電極とを有し、
前記第1の透明電極は、第1の方向に沿って配列される複数の部分電極を有し、当該複数の部分電極のうちの互いに隣接する部分電極は抵抗子を介して接続され、
前記第2の透明電極は、前記第1の方向と直交する第2の方向に沿って配列される複数の部分電極を有し、当該複数の部分電極のうちの互いに隣接する部分電極は抵抗子を介して接続され、
前記制御部は、前記第1の透明電極が有する複数の部分電極のうちの一端の部分電極と他端の部分電極間、及び、前記第2の透明電極が有する複数の部分電極のうちの一端の部分電極と他端の部分電極間に前記偏向方向及び前記第1の偏向角に応じた電圧を印加する、請求項1または2に記載の光束分割素子。
The first liquid crystal element has a first transparent electrode and a second transparent electrode facing each other with the liquid crystal layer interposed therebetween,
The first transparent electrode has a plurality of partial electrodes arranged along a first direction, and the adjacent partial electrodes of the plurality of partial electrodes are connected via a resistor,
The second transparent electrode has a plurality of partial electrodes arranged along a second direction orthogonal to the first direction, and the adjacent partial electrodes of the plurality of partial electrodes are resistors. Connected through
The control section includes one end of the plurality of partial electrodes included in the first transparent electrode and one end of the plurality of partial electrodes included in the second transparent electrode. The light beam splitting element according to claim 1, wherein a voltage corresponding to the deflection direction and the first deflection angle is applied between the partial electrode and the other partial electrode.
前記制御部は、前記第1の偏向角に対して前記第2の偏向角が逆向きとなり、かつ、前記第1の偏向角よりも前記第2の偏向角が大きくなるように、前記第1の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布と前記第2の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布とを制御する、請求項2に記載の光束分割素子。   The control unit is configured so that the second deflection angle is opposite to the first deflection angle, and the second deflection angle is larger than the first deflection angle. The light beam splitting element according to claim 2, wherein a voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the liquid crystal element and a voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the second liquid crystal element are controlled. 前記制御部は、前記配向方向と平行な前記直線偏光の成分に対する屈折率が前記偏向方向に沿って変化するように、前記第1の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布と前記第2の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布とを制御する、請求項4に記載の光束分割素子。   The control unit applies a voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the first liquid crystal element and the second distribution so that a refractive index with respect to the linearly polarized light component parallel to the alignment direction changes along the deflection direction. The light beam splitting element according to claim 4, wherein a voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the liquid crystal element is controlled. 直線偏光を発する光源と、
前記直線偏光を設定された偏向方向に沿って並ぶ第1の光束と第2の光束とに分割し、かつ、設定されるシア量に応じて第1の光束に対して第2の光束を傾ける光束分割素子と、
前記第1の光束と前記第2の光束とを前記シア量に応じた間隔でサンプルに向けるレンズと、
前記サンプルを経た前記第1の光束及び前記第2の光束を合わせた一つの光束により、前記サンプルを撮像する撮像部と、を有し、
前記光束分割素子は、
所定の配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、当該液晶層に印加される電圧分布に応じて、当該液晶層を透過する前記直線偏光を前記第1の光束と前記第2の光束に分割するとともに、前記第1の光束に対して前記第2の光束を前記偏向方向に沿って前記シア量に応じた第1の偏向角で偏向させる第1の液晶素子と
前記配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、当該液晶層に印加される電圧分布に応じて、当該液晶層を透過する前記第1の光束に対して、当該液晶層を透過する前記第2の光束を前記シア量に応じた第2の偏向角で偏向させることで、前記第1の光束及び前記第2の光束を前記レンズの前側焦点位置で交差させる第2の液晶素子と、
前記偏向方向、前記第1の偏向角及び前記第2の偏向角に応じて前記第1の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布及び前記第2の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布を制御する制御部と、
を有する顕微鏡装置。
A light source that emits linearly polarized light;
The linearly polarized light is divided into a first light beam and a second light beam arranged along a set deflection direction, and the second light beam is inclined with respect to the first light beam according to a set shear amount. A beam splitting element;
A lens that directs the first light flux and the second light flux toward the sample at intervals according to the shear amount;
An imaging unit that images the sample with one luminous flux that is a combination of the first luminous flux and the second luminous flux that have passed through the sample;
The beam splitting element is
The liquid crystal layer includes liquid crystal molecules aligned along a predetermined alignment direction, and the linearly polarized light transmitted through the liquid crystal layer is converted into the first light flux according to a voltage distribution applied to the liquid crystal layer. A first liquid crystal element that divides the second luminous flux into the second luminous flux and deflects the second luminous flux with respect to the first luminous flux along the deflection direction at a first deflection angle corresponding to the shear amount; The liquid crystal layer includes liquid crystal molecules that are aligned along the alignment direction, and the liquid crystal is applied to the first light flux that passes through the liquid crystal layer according to a voltage distribution applied to the liquid crystal layer. The second light beam transmitted through the layer is deflected at a second deflection angle corresponding to the shear amount, thereby causing the first light beam and the second light beam to intersect at the front focal position of the lens. Liquid crystal element,
Voltage distribution applied to the liquid crystal layer of the first liquid crystal element and voltage applied to the liquid crystal layer of the second liquid crystal element according to the deflection direction, the first deflection angle, and the second deflection angle. A control unit for controlling the distribution;
A microscope apparatus.
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