JP5039583B2 - 観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、観察装置，レーザ加工装置および光ピンセット装置に関するものである。

特許文献１に開示されたレーザ加工装置が知られている。この文献に開示されたレーザ加工装置は、位相変調型の空間光変調器にホログラムを呈示し、この空間光変調器によりレーザ光を位相変調し、その位相変調後のレーザ光を結像レンズにより加工面に集光して、その加工面を加工する。

また、この文献に開示されたレーザ加工装置は、より高い精度でのレーザ加工を実現するために、上記レーザ光とは別の照明光を加工面に照射し、その照明光の照射に伴って加工面で発生した光（反射光、散乱光）を受光して、その加工面を観察している。この装置は、この観察により、加工面上の加工予定部位とレーザ光との間で位置合わせを高精度に行うこと可能としている。この観察−位置合わせ機能を実現するために特許文献１のレーザ加工装置は、レーザ光と照明光とを合分波するためのダイクロイックミラーを、空間光変調器と結像レンズとの間の光路上に備えている。
特開２００６−１１３１８５号公報 Reicherter, M., Liesener, J.,Haist, T., Tiziani, H.J., "Advantages of holographic optical tweezers", Proceedings of SPIE,5143, pp.76-83 (2003).

上記の特許文献１に開示されたレーザ加工装置では、ダイクロイックミラーを空間光変調器と結像レンズとの間の光路上に配置した構成である為、空間光変調器と結像レンズとの間の距離が長くなる。この為、空間光変調器により位相変調されて回折されたレーザ光が結像レンズに達するときには、そのレーザ光の拡がりが結像レンズの有効範囲から外れて、レーザ光の利用効率が低下するだけでなく、加工面において所望のレーザ光の集光パターンが得られない場合がある。

空間光変調器と結像レンズとの間の距離が長い場合に、上記問題を回避するために、空間光変調器と結像レンズとの間にリレーレンズ系を挿入することが考えられる。すなわち、空間的な制御解像度や耐光性の観点から空間光変調器に入力される際のレーザ光のビーム径を大きくする一方で、結像レンズの入射瞳の大きさに合わせてレーザ光のビーム径を小さくするために、空間光変調器により位相変調されて出力されたレーザ光のビーム径をリレーレンズ系により小さくする。

リレーレンズ系は、例えば２つのレンズを組み合わせた４ｆ光学系により構成され得る。この４ｆ光学系を構成する前段のレンズの焦点距離をｆ_１とし、後段のレンズの焦点距離をｆ_２とすると、４ｆ光学系による光ビーム径の変換の倍率Ｍは「Ｍ＝ｆ_２／ｆ_１」なる式で表される。４ｆ光学系は収差を小さく抑えることができるという特徴を有している。

このように空間光変調器と結像レンズとの間に４ｆ光学系等のリレーレンズ系を挿入することで、空間光変調器と結像レンズとの間の距離を長くすることができる。更に４ｆ光学系を構成する前段のレンズと後段のレンズとの間にダイクロイックミラーを挿入することで、レーザ光と照明光とを合分波することが可能となり、上記特許文献１に記載の観察機能を実現することができると思われる。

しかしながら、このような構成とした場合、空間光変調器と４ｆ光学系の前段レンズとの間の距離、及び、４ｆ光学系の前段レンズと照明光用レンズとの間の距離を、前段のレンズの焦点距離と等しくする必要がある。また、照明用光源からダイクロイックミラーへ向う照明光の光路と、ダイクロイックミラーからカメラ等の観察部へ向う光路とを、途中で分岐するためのハーフミラーが必要となる。このような構成の場合、結果的に前述の結像関係を充足する為には、空間光変調器とハーフミラーとの間の距離、及び、ハーフミラーと照明用レンズとの間の距離を等しくする必要がある。

また、観察機能の実現の為には、非特許文献１ではリレーレンズ系と結像レンズとの間にハーフミラーを配置している。この場合、観察用光学系はリレーレンズ系の前段のレンズの影響を受けないため、前述の問題は発生しないが、リレーレンズ系の後段のレンズの焦点距離を長くする必要が生じる。後段のレンズの焦点距離を長くした場合、前記「Ｍ＝ｆ_２／ｆ_１」式に基づいて、同じ倍率を実現するには、前段のレンズの焦点距離も長くなり、その結果、光学系全体が大きくなってしまうという問題がある。

これらのように、リレーレンズ系，ダイクロイックミラー，ハーフミラー，照明用光源，観察部，レンズ等を含む各光学部品の配置に関して撮像の為の多くの制約が存在し、その配置上の制約により装置の小型化が困難となる。

一方、特許文献１に開示されたレーザ加工装置において、空間光変調器と結像レンズとの間の距離を長くせず、観察機能を実現するためには、観察光学系を空間光変調器と結像レンズとの間の光路上に配置するのではなく、空間光変調器の前段に配置することが考えられる。このようなアイディアに基づいて発明者らは実験を行ったところ、次のような問題が発生することが判った。

図５は、加工用レーザ光と照明光とを空間光変調器の前段で合分波する観察装置において観察部により観察される対象物の像を示す図である。この構成では、加工用レーザ光を発生する光源から出力されて空間光変調器に入力される光のうち、空間光変調器において位相変調されなかった光（０次光）は、対象物で反射された後に逆の経路を辿って空間光変調器において再度位相変調される。図５に示されるように、ハーフミラーが空間光変調器より前段に設けられた構成により観察される像は、上記０次光が空間光変調器５１により位相変調されて、虚像が観察部３１により観察されてしまい、鮮明でコントラストがよい像が得られない。

なお、以上のような問題点は、レーザ光により加工面を加工するとともに照明光により加工面を観察するレーザ加工装置だけでなく、レーザ光の集束時の圧力により対象物を捕捉するとともに照明光により対象物を観察する光ピンセット装置においても存在し、また、一般に、第１の光により対象物に対して何らかの操作をするとともに第２の光により対象物を観察する観察装置においても存在する。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、安定して所望の動作をすることが可能で小型化可能な観察装置，レーザ加工装置および光ピンセット装置を提供することを目的とする。

第１の発明に係る観察装置は、(1) 第１の方位の直線偏光のコヒーレントな第１の光を出力する第１の光源部と、(2)第１の方位の直線偏光の光を選択的に位相変調する複数の画素が２次元配列されており、第１の光源部から出力される第１の光を入力し、複数の画素それぞれにおいて第１の光の位相を変調するホログラムを呈示して、その位相変調後の第１の光を出力する位相変調型の空間光変調器と、(3)空間光変調器から出力される第１の光を入力して、その第１の光を結像させる結像光学系と、(4) 空間光変調器と結像光学系との間に設けられたリレーレンズ系と、(5)第１の方位に対して直交する第２の方位の直線偏光の第２の光を出力する第２の光源部と、(6) 第１の光源部から出力される第１の光と第２の光源部から出力される第２の光とを入力して、これら第１および第２の光を合波して空間光変調器へ出力する光合波部と、(7)空間光変調器とリレーレンズ系との間の光路上に設けられ、空間光変調器から出力される光をリレーレンズ系へ透過させるとともに、第２の光源部から出力される第２の光が結像光学系により対象物に照射されて生じる光のうち結像光学系およびリレーレンズ系を経た光を入力して所定方向へ出力する光分岐部と、(8)光分岐部から所定方向へ出力される第２の光を入力して、その入力光に基づいて対象物を観察する観察部と、を備えることを特徴とする。

この第１の発明に係る観察装置では、第１の光源部から出力される第１の方位の直線偏光のコヒーレントな第１の光は、偏光依存性を有する空間光変調器に呈示されたホログラムより画素毎に位相変調され、リレーレンズ系を経て、結像光学系により結像される。一方、第２の光源部から出力される第２の方位の直線偏光の第２の光は、第１の光源部から出力される第１方位の直線偏光の第１の光と光合波部により合波されて、空間光変調器に入力される。しかし、この第２の光は、空間光変調器により位相変調されることなくリレーレンズ系および結像光学系を経て対象物に照射される。そして、この第２の光が対象物に照射されて生じる光のうち結像光学系およびリレーレンズ系を経た光は、光分岐部により所定方向へ出力されて、空間光変調器を経ることなく、観察部に入力されて、この入力光に基づいて対象物が観察される。

第２の発明に係る観察装置は、(1) 第１の方位の直線偏光のコヒーレントな第１の光を出力する第１の光源部と、(2)第１の方位の直線偏光の光を選択的に位相変調する複数の画素が２次元配列されており、第１の光源部から出力される第１の光を入力し、複数の画素それぞれにおいて第１の光の位相を変調するホログラムを呈示して、その位相変調後の第１の光を出力する位相変調型の空間光変調器と、(3)空間光変調器から出力される第１の光を入力して、その第１の光を結像させる結像光学系と、(4) 空間光変調器と結像光学系との間に設けられたリレーレンズ系と、(5)第２の光を出力する第２の光源部と、(6) 第１の光源部から出力される第１の光と第２の光源部から出力される第２の光とを入力して、これら第１および第２の光を合波して空間光変調器へ出力する光合波部と、(7)空間光変調器とリレーレンズ系との間の光路上に設けられ、空間光変調器から出力される光をリレーレンズ系へ透過させるとともに、第２の光源部から出力される第２の光が結像光学系により対象物に照射されて生じる光のうち結像光学系およびリレーレンズ系を経た光を入力して所定方向へ出力する光分岐部と、(8)光分岐部から所定方向へ出力される第２の光を入力して、その入力光のうち第１の方位に対して直交する第２の方位の直線偏光の光を選択的に出力する偏光選択部と、(9) 偏光選択部から出力される光を入力して、その入力光に基づいて対象物を観察する観察部と、を備えることを特徴とする。

この第２の発明に係る観察装置では、第１の光源部から出力される第１の方位の直線偏光のコヒーレントな第１の光は、偏光依存性を有する空間光変調器に呈示されたホログラムより画素毎に位相変調され、リレーレンズ系を経て、結像光学系により結像される。一方、第２の光源部から出力される第２の光は、第１の光源部から出力される第１方位の直線偏光の第１の光と光合波部により合波されて、空間光変調器に入力される。空間光変調器に入力された第２の光は、第１方位の直線偏光成分については空間光変調器において位相変調されて出力され、第２方位の直線偏光成分については空間光変調器において位相変調されることなく出力されて、リレーレンズ系および結像光学系を経て対象物に照射される。そして、この第２の光が対象物に照射されて生じる光のうち結像光学系およびリレーレンズ系を経た光は、光分岐部により所定方向へ出力されて、空間光変調器を経ることなく、波長選択部に入力される。波長選択部に入力された第２の光のうち第２の方位の直線偏光の光は、波長選択部において選択的に出力されて観察部に入力され、この入力光に基づいて対象物が観察される。

第１または第２の発明に係る観察装置では、第２の光源部が、インコヒーレントな光を出力する光源を含むのが好適である。第２の光源部が、白色光を出力する光源を含むのが好適である。また、第２の光源部が、コヒーレントな光を出力する光源と、この光源から出力される光を散乱させる散乱板と、を含むのが好適である。この場合、第２の光源部が、光源から出力される光が結像光学系を経た後の集光深さを調整する集光深さ調整部を更に含むのが好適である。なお、第１の発明に係る観察装置では、光源から出力される光のうち第２の方位の直線偏光の光を第２の光として選択的に出力する偏光選択部が設けられる。

本発明に係るレーザ加工装置は、上記の第１または第２の発明に係る観察装置を備え、第１の光源部から出力される第１の光を、空間光変調器および結像光学系を経て対象物に集光させることで、その対象物を加工することを特徴とする。

本発明に係る光ピンセット装置は、上記の第１または第２の発明に係る観察装置を備え、第１の光源部から出力される第１の光を、空間光変調器および結像光学系を経て対象物に集束させ、その集束時の光の圧力によって、その集束位置にある対象物を捕捉することを特徴とする。

本発明によれば、対象物を虚像が観察されることなく、鮮明で、かつコントラストよく観察することができるため、安定して所望の動作をすることが可能であり、装置の小型化が可能である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

先ず、本発明に係る観察装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る観察装置１Ａの構成図である。この図に示される観察装置１Ａは、光源１１、光源２１、偏光選択部２２、観察部３１、ダイクロイックミラー４１、ハーフミラー４２、プリズム４３、空間光変調器５１、駆動部５２、制御部５３、レンズ６１〜６５を備える。

光源１１は、第１の方位の直線偏光のコヒーレントな第１の光を出力する第１の光源を構成していて、具体的にはレーザ光源を含む。光源２１および偏光選択部２２は、第１の方位に対して直交する第２の方位の直線偏光の第２の光を出力する第２の光源を構成している。光源２１は、インコヒーレントな光を出力してもよいし、白色光を出力してもよい。光源２１として例えばハロゲンランプが用いられる。偏光選択部２２は、光源２１から出力されてレンズ６４を経たランダム偏光の光を入力して、その入力光のうち第２の方位の直線偏光の光を第２の光として選択的にハーフミラー４１へ出力する。偏光選択部２２としては偏光板や偏光ビームスプリッタが用いられる。

ダイクロイックミラー４１は、光源１１から出力されて到達する第１の光をプリズム４３の第１反射面４３ａへ透過させるとともに、偏光選択部２２から出力されて到達する第２の光をプリズム４３の第１反射面４３ａへ反射させる。すなわち、ダイクロイックミラー４１は、光源１１から出力される第１の光と、光源２１から偏光選択部２２を経て出力される第２の光とを入力して、これら第１および第２の光を合波して空間光変調器４３へ出力する光合波部を構成している。

プリズム４３は、第１反射面４３ａおよび第２反射面４３ｂを有する。第１反射面４３ａは、ダイクロイックミラー４１から到達した光を空間光変調器５１へ反射させ、また、空間光変調器５１から到達した光をダイクロイックミラー４１へ反射させる。第２反射面４３ｂは、空間光変調器５１から到達した光をハーフミラー４２へ反射させ、また、ハーフミラー４２から到達した光を空間光変調器５１へ反射させる。

空間光変調器５１は、位相変調型のものであって、第１の方位の直線偏光の光を選択的に位相変調する複数の画素が２次元配列されており、光源１１から出力されプリズム４３の第１反射面４３ａで反射されて到達する第１の光を入力し、複数の画素それぞれにおいて第１の光の位相を変調するホログラムを呈示して、その位相変調後の第１の光をプリズム４３の第２反射面４３ｂへ出力する。

この空間光変調器５１に呈示される位相ホログラムは、数値計算により求められたホログラム（ＣＧＨ: Computer Generated Hologram）であるのが好ましい。また、この空間光変調器５１は、反射型のものであってもよいし、透過型のものであってもよい。透過型の空間光変調器を用いる場合には、プリズム４３は不要である。図１では、反射型の空間光変調器５１が示されている。反射型の空間光変調器５１として例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型が好適に用いられる。

駆動部５２は、空間光変調器５１の２次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調量を設定するものであり、その画素毎の位相変調量設定のための信号を空間光変調器５１に与える。駆動部５２は、空間光変調器５１の２次元配列された複数の画素それぞれにおける位相変調量を設定することで、空間光変調器５１にホログラムを呈示させる。

制御部５３は、例えばコンピュータで構成され、駆動部５２の動作を制御することで、駆動部５２から空間光変調器５１へホログラムを書き込ませる。このとき、制御部５３は、空間光変調器５１から出力された第１の光を結像レンズ６１により対象物９１において所定の集光パターンで集光させるホログラムを空間光変調器５１に呈示させる。

ハーフミラー４２は、プリズム４３の第２反射面４３ｂから到達した光をレンズ６３へ透過させるとともに、レンズ６３から到達した光をレンズ６５へ反射させる。レンズ６２およびレンズ６３は、ハーフミラー４２と結像レンズ６１との間に挿入されたリレーレンズ系としての４ｆ光学系を構成している。このリレーレンズ系は、ハーフミラー４２から到達した光のビーム径を縮小して、その光を結像レンズ６１の入射瞳に入射させる。

結像レンズ６１は、空間光変調器５１から出力されプリズム４３の第２反射面４３ｂで反射されてハーフミラー４２およびリレーレンズ系を経た第１の光を入力して、その第１の光をフーリエ変換して対象物９１において結像させる結像光学系を構成している。また、結像レンズ６１は、対象物９１で生じる光を入力して、その光をハーフミラー４２へ出力する。結像レンズ６１として無限焦点対物レンズが好適に用いられる。

すなわち、ハーフミラー４２は、空間光変調器５１とリレーレンズ系との間の光路上に設けられ、空間光変調器５１から出力される光をリレーレンズ系へ透過させるとともに、光源２１から出力される第２の光が結像レンズ６１により対象物９１に照射されて生じる光のうち結像レンズ６１およびリレーレンズ系を経た光を入力して所定方向へ出力する光分岐部を構成している。観察部３１は、ハーフミラー４２からレンズ６５を経て到達した光を入力して、この入力光に基づいて対象物９１を観察する。

本実施形態に係る観察装置１Ａは以下のように動作する。制御部５３により制御された駆動部５２により、空間光変調器５１の複数の画素それぞれにおける位相変調量が設定されて、これにより、空間光変調器５１に位相ホログラムが呈示される。光源１１から出力される第１の方位の直線偏光のコヒーレントな第１の光は、ダイクロイックミラー４１で透過され、プリズム４３の第１反射面４３ａで反射され、空間光変調器５１に入力されて、この空間光変調器５１において画素毎に位相変調されて出力される。空間光変調器５１において位相変調されて出力された第１の光は、プリズム４３の第２反射面４３ｂで反射され、ハーフミラー４２で透過され、レンズ６２およびレンズ６３からなるリレーレンズ系を経て結像レンズ６１に入力され、この結像レンズ６１によりフーリエ変換されて対象物９１において結像される。

一方、光源２１からレンズ６４および偏光選択部２２を経て出力される第２の方位の直線偏光の第２の光は、ダイクロイックミラー４１で反射され、プリズム４３の第１反射面４３ａで反射され、空間光変調器５１に入力される。ここで、空間光変調器５１は、偏光依存性を有していて、第１の方位の直線偏光の光に対しては選択的に位相変調することができるが、第１の方位に直交する第２の方位の直線偏光の光に対しては位相変調することができない。したがって、空間光変調器５１に入力された第２の光は、空間光変調器５１において位相変調されることなく出力される。空間光変調器５１から出力された第２の光は、プリズム４３の第２反射面４３ｂで反射され、ハーフミラー４２で透過され、レンズ６２およびレンズ６３からなるリレーレンズ系を経て結像レンズ６１に入力され、この結像レンズ６１を経て対象物９１に照射される。

結像レンズ６１により第２の光が対象物９１に照射されて生じる光（反射光、散乱光）は、結像レンズ６１およびリレーレンズ系を経て、ハーフミラー４２で反射され、レンズ６５を経て、観察部３１に入力される。そして、観察部３１では、この入力光に基づいて対象物９１が観察される。

当初、発明者らは、本実施形態に係る観察装置１Ａにおいて、光源２１から出力される観察のための第２の光の偏光選択部を介さず、観察用の光が、空間光変調器５１より前段に設けられたダイクロイックミラー４１により、光源１１から出力される第１の光と合波されて、空間光変調器５１に入力され、結像レンズ６１により第２の光が対象物９１に照射されて生じる光（反射光、散乱光）は、結像レンズ６１，リレーレンズ系，ハーフミラー４２およびレンズ６５を経て、観察部３１に入力されるような構成、即ち第１実施形態に係る観察装置１Ａにおいて偏光選択部２２を除いた構成とすることにより、結像レンズ６１から観察部３１に到るまでの各光学部品の配置に関して撮像の為の制約が緩和されて、装置の小型化が可能となり、安定して所望の動作が可能になると考えていた。

そこで、第１実施形態に係る観察装置１Ａにおいて偏光選択部２２を除いた構成において観察部３１により観察される対象物９１の像を実験により確認した。図３は、第１実施形態に係る観察装置１Ａにおいて偏光選択部２２を除いた構成において観察部３１により観察される対象物９１の像である。図３に示されるように、第１実施形態に係る観察装置１Ａにおいて偏光選択部２２を除いた構成では、光源２１から出力される観察のための第２の光をランダム偏光のまま空間光変調器５１に入力させているため、この第２の光も空間光変調器５１により位相変調されてしまい、位相変調された第２の光が観察部３１に反射されるため、観察部３１により観察される対象物９１の像はコントラストを低下させたと考えた。

そこで、更に検討を加え、本実施形態に係る観察装置１Ａは、偏光依存性を有する空間光変調器５１を用いて、第１の光については空間光変調器５１が位相変調することができる第１の方位の直線偏光として空間光変調器５１に入力させる。このことから、第１の光は、空間光変調器５１において画素毎に位相変調され、結像レンズ６１によりフーリエ変換されて対象物９１において結像される。

その一方で、第２の光については空間光変調器５１が位相変調することができない第２の方位の直線偏光として空間光変調器５１に入力させる。このことから、第２の光は、空間光変調器５１において位相変調されることなく、結像レンズ６１を経て対象物９１に照射される。また、結像レンズ６１により第２の光が対象物９１に照射されて生じる光（反射光、散乱光）も、空間光変調器５１において位相変調されることなく、観察部３１に到達する。したがって、本実施形態に係る観察装置１Ａは、第２の光を受光した観察部３１により対象物９１をコントラストよく観察することができ、第１の光により対象物９１に対して所望の操作をすることができる。

図２は、第１実施形態に係る観察装置１Ａにおいて観察部３１により観察される対象物９１の像である。前述のように第１実施形態に係る観察装置１Ａにおいて偏光選択部２２を除いた構成において観察部３１により観察される対象物９１の像は、この第２の光も空間光変調器５１により位相変調されるので、観察部３１により観察される対象物９１の像はコントラストが悪い。これに対して、図２に示されるように、第２の光を第２の方位の直線偏光として空間光変調器５１に入力させる本実施形態では、この第２の光は空間光変調器５１により位相変調されないので、観察部３１により観察される対象物９１の像はコントラストがよい。

図４は、第１実施形態に係る観察装置１Ａにおいて観察部３１により観察される対象物９１の像を示す図である。ハーフミラー４２が空間光変調器４３より後段に設けられた構成の本実施形態では、図４に示されるように、虚像が観察部３１により観察されることが抑制される。

（第２実施形態）

次に、本発明に係る観察装置の第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態に係る観察装置１Ｂの構成図である。図１に示された第１実施形態に係る観察装置１Ａの構成と比較すると、この図６に示される第２実施形態に係る観察装置１Ｂは、光源２１と偏光選択部２２との間にフィルタ２３を更に備える点で相違する。

フィルタ２３は、光源２１から出力される光のうち特定波長域の光を選択的に透過させる。このフィルタ２３は、カラーフィルタであってもよいし、干渉フィルタであってもよい。偏光選択部２２は、このフィルタ２３から出力される特定波長域のランダム偏光の光を入力して、その入力光のうち第２の方位の直線偏光の光を第２の光として選択的にハーフミラー４１へ出力する。この第２実施形態に係る観察装置１Ｂも、第１実施形態の場合と同様の作用・効果を奏することができる。

また、一般に、偏光選択部２２として用いられる偏光板や偏光ビームスプリッタの偏光分離特性は波長依存性を有している。したがって、第２実施形態では、特定波長域の光が偏光選択部２２に入力されることで、偏光選択部２２から出力される第２の光において、第１の方位の直線偏光成分の割合を小さくすることができる。ひいては、第２の光を受光した観察部３１により対象物９１を更にコントラストよく観察することができる。

（第３実施形態）

次に、本発明に係る観察装置の第３実施形態について説明する。図７は、第３実施形態に係る観察装置１Ｃの構成図である。図１に示された第１実施形態に係る観察装置１Ａの構成と比較すると、この図７に示される第３実施形態に係る観察装置１Ｃは、光源２１と偏光選択部２２との間に散乱板２４を更に備える点で相違し、また、光源２１がコヒーレントな光を出力する点で相違する。

この第３実施形態では、光源２１は、コヒーレントな光を出力するものであり、好適にはレーザ光源である。散乱板２４は、この光源２１から出力される光を散乱させる。偏光選択部２２は、この散乱板２４により散乱されて出力される光を入力して、その入力光のうち第２の方位の直線偏光の光を第２の光として選択的にハーフミラー４１へ出力する。この第３実施形態に係る観察装置１Ｃも、第１実施形態の場合と同様の作用・効果を奏することができる。

また、本実施形態では、レンズ６４，６５は、光源２１から出力される光が結像レンズ６１を経た後の集光深さを調整する集光深さ調整部を構成している。このような構成とすることにより、第２の光がコヒーレントな光である場合に、その第２の光を対象物８１の広範囲に照射することができる。

（第４実施形態）

次に、本発明に係る観察装置の第４実施形態について説明する。図８は、第４実施形態に係る観察装置１Ｄの構成図である。また、図９は、第４実施形態に係る観察装置１Ｄに含まれるコモンパス干渉計３２の構成図である。図１に示された第１実施形態に係る観察装置１Ａの構成と比較すると、この図８に示される第４実施形態に係る観察装置１Ｄは、光源２１に替えて光源２１Ａおよび光源２１Ｂを備える点、レンズ６４に替えてレンズ６４Ａ，６４Ｂを備える点、偏光選択部２２に替えて偏光選択部２２Ａ，２２Ｂを備える点、ダイクロイックミラー４１に替えてダイクロイックミラー４１Ａ，４１Ｂを備える点、レンズ６６〜６９を更に備える点、フィルタ２５を更に備える点、ならびに、コモンパス干渉計３２を更に備える点、で相違する。

この観察装置１Ｄでは、制御部５３により制御された駆動部５２により、空間光変調器５１の複数の画素それぞれにおける位相変調量が設定されて、これにより、空間光変調器５１に位相ホログラムが呈示される。光源１１から出力される第１の方位の直線偏光のコヒーレントな第１の光は、ダイクロイックミラー４１Ａ，４１Ｂで透過され、プリズム４３の第１反射面４３ａで反射され、空間光変調器５１に入力されて、この空間光変調器５１において画素毎に位相変調されて出力される。空間光変調器５１において位相変調されて出力された第１の光は、プリズム４３の第２反射面４３ｂで反射され、ハーフミラー４２で透過され、レンズ６２およびレンズ６３を含んで構成されるリレーレンズ系を経て、結像レンズ６１によりフーリエ変換されて対象物９１において結像される。

光源２１Ａからレンズ６４Ａおよび偏光選択部２２Ａを経て出力される第２の方位の直線偏光の第２の光は、ダイクロイックミラー４１Ａで反射され、ダイクロイックミラー４１Ｂで透過され、プリズム４３の第１反射面４３ａで反射され、空間光変調器５１に入力される。ここで、空間光変調器５１は、偏光依存性を有していて、第１の方位の直線偏光の光に対しては選択的に位相変調することができるが、第１の方位に直交する第２の方位の直線偏光の光に対しては位相変調することができない。したがって、空間光変調器５１に入力された第２の光は、空間光変調器５１において位相変調されることなく出力される。空間光変調器５１から出力された第２の光は、プリズム４３の第２反射面４３ｂで反射され、ハーフミラー４２で透過され、リレーレンズ系および結像レンズ６１を経て対象物９１に照射される。

光源２１Ａから出力されて結像レンズ６１により第２の光が対象物９１に照射されて生じる光（反射光、散乱光）は、結像レンズ６１，リレーレンズ系、ハーフミラー４２およびレンズ６５を経て、観察部３１に入力される。そして、観察部３１では、この入力光に基づいて対象物９１が観察される。

また、光源２１Ｂからレンズ６４Ｂおよび偏光選択部２２Ｂを経て出力される第２の方位の直線偏光の第２の光は、ダイクロイックミラー４１Ｂで反射され、プリズム４３の第１反射面４３ａで反射され、空間光変調器５１に入力される。空間光変調器５１に入力された第２の光は、空間光変調器５１において位相変調されることなく出力される。空間光変調器５１から出力された第２の光は、プリズム４３の第２反射面４３ｂで反射され、ハーフミラー４２で透過され、リレーレンズ系および結像レンズ６１を経て対象物９１に照射される。光源２１Ｂから出力されて結像レンズ６１により第２の光が対象物９１に照射されて透過した光は、無限焦点対物レンズ６６，リレーレンズ６７，リレーレンズ６８、レンズ６９およびフィルタ２５を経て、コモンパス干渉計３２に入力される。

コモンパス干渉計３２は、図９に示されるように、グレーティング３２１、マスク３２２、レンズ３２３、レンズ３２４およびイメージセンサ３２５を含む、一般にコモンパス干渉計は振動に強い。

コモンパス干渉計３２に到達した第２の光は、グレーティング３２１により互いに異なる回折次数の複数の回折光に分岐され、そのうちの或る次数の回折光と他の或る次数の回折光とがマスク３２２のピンホールを通過する。そして、マスク３２２のピンホールを通過した２つの回折光は、レンズ３２３およびレンズ３２４を経てイメージセンサ３２５の撮像面上で干渉して、その干渉パターンがイメージセンサ３２５により撮像される。

例えば、この観察装置において移動する細胞などを対象物９１として、第１の光により細胞を光トラップして該細胞をコモンパス干渉計３２により観察できる。また、細胞を第１の光により刺激するとともにその結果の測定（または検査）も同時に行うことができる。

（第５実施形態）

次に、本発明に係る観察装置の第５実施形態について説明する。図１０は、第５実施形態に係る観察装置１Ｅの構成図である。図１に示された第１実施形態に係る観察装置１Ａの構成と比較すると、この図１０に示される第５実施形態に係る観察装置１Ｅは、偏光選択部２２の挿入位置の点で相違する。すなわち、第１実施形態では光源２１とダイクロイックミラー４１との間に偏光選択部２２が挿入されていたのに対して、この第５実施形態ではハーフミラー４２と観察部３１との間に偏光選択部２２が挿入されている。

本実施形態に係る観察装置１Ｅは以下のように動作する。制御部５３により制御された駆動部５２により、空間光変調器５１の複数の画素それぞれにおける位相変調量が設定されて、これにより、空間光変調器５１に位相ホログラムが呈示される。光源１１から出力される第１の方位の直線偏光のコヒーレントな第１の光は、ダイクロイックミラー４１で透過され、プリズム４３の第１反射面４３ａで反射され、空間光変調器５１に入力されて、この空間光変調器５１において画素毎に位相変調されて出力される。空間光変調器５１において位相変調されて出力された第１の光は、プリズム４３の第２反射面４３ｂで反射され、ハーフミラー４２で透過され、レンズ６２およびレンズ６３からなるリレーレンズ系を経て結像レンズ６１に入力され、この結像レンズ６１によりフーリエ変換されて対象物９１において結像される。

一方、光源２１からレンズ６４から出力される第２の光は、ダイクロイックミラー４１で反射され、プリズム４３の第１反射面４３ａで反射され、空間光変調器５１に入力される。ここで、空間光変調器５１は、偏光依存性を有していて、第１の方位の直線偏光の光に対しては選択的に位相変調することができるが、第１の方位に直交する第２の方位の直線偏光の光に対しては位相変調することができない。したがって、空間光変調器５１に入力された第２の光は、第１方位の直線偏光成分については空間光変調器５１において位相変調されて出力され、第２方位の直線偏光成分については空間光変調器５１において位相変調されることなく出力される。空間光変調器５１から出力された第２の光は、プリズム４３の第２反射面４３ｂで反射され、ハーフミラー４２で透過され、レンズ６２およびレンズ６３からなるリレーレンズ系を経て結像レンズ６１に入力され、この結像レンズ６１を経て対象物９１に照射される。

結像レンズ６１により第２の光が対象物９１に照射されて生じる光（反射光、散乱光）は、結像レンズ６１およびリレーレンズ系を経て、ハーフミラー４２で反射されて、偏光選択部２２に入力される。ハーフミラー４２で反射されて偏光選択部２２に入力された光のうち第２の方位の直線偏光の光は、偏光選択部２２で選択的に透過され、レンズ６５を経て、観察部３１に入力される。そして、観察部３１では、この入力光に基づいて対象物９１が観察される。

以上のように、本実施形態に係る観察装置１Ｅでは、光源２１から出力される観察のための第２の光は、空間光変調器５１より前段に設けられたダイクロイックミラー４１により、光源１１から出力される第１の光と合波されて、空間光変調器５１に入力される。また、結像レンズ６１により第２の光が対象物９１に照射されて生じる光（反射光、散乱光）は、結像レンズ６１，リレーレンズ系，ハーフミラー４２，偏光選択部２２およびレンズ６５を経て、観察部３１に入力される。このような構成としたことにより、結像レンズ６１から観察部３１に到るまでの各光学部品の配置に関して撮像の為の制約が緩和されて、装置の小型化が可能となる。

また、本実施形態に係る観察装置１Ｅは、偏光依存性を有する空間光変調器５１を用いて、第１の光については空間光変調器５１が位相変調することができる第１の方位の直線偏光として空間光変調器５１に入力させる。このことから、第１の光は、空間光変調器５１において画素毎に位相変調され、結像レンズ６１によりフーリエ変換されて対象物９１において結像される。

その一方で、第２の光については空間光変調器５１により位相変調されない第２の方位の直線偏光を偏光選択部２２で透過させて観察部３１に入力させる。このことから、本実施形態に係る観察装置１Ｅは、第２の光を受光した観察部３１により対象物９１をコントラストよく観察することができ、第１の光により対象物９１に対して所望の操作をすることができる。

また、本実施形態に係る観察装置１Ｅは、第１実施形態において図２〜図５を用いて説明した効果と同様の効果を奏することができる。

なお、以上に説明した本実施形態と同様に、第２および第３の各実施形態（図６，図７）において光源２１とダイクロイックミラー４１との間に偏光選択部２２が挿入されていたのに対して、ハーフミラー４２と観察部３１との間に偏光選択部が挿入されていてもよい。また、第４の実施形態（図８）において光源２１Ａ，２１Ｂとダイクロイックミラー４１Ａ，４１Ｂとの間に偏光選択部２２Ａ，２２Ｂが挿入されていたのに対して、ハーフミラー４２と観察部３１との間に偏光選択部が挿入され、且つ、対物レンズ６６とコモンパス干渉計３２との間に偏光選択部が挿入されていてもよい。

（第６実施形態）

次に、本発明に係るレーザ加工装置の実施形態について説明する。図１１は、本実施形態に係るレーザ加工装置２の構成図である。この図１１に示されるレーザ加工装置２は、図１に示された第１実施形態に係る観察装置１の構成と同様の構成を有し、第１の光により加工対象物９２を加工するとともに第２の光により加工対象物９２を観察する。

このレーザ加工装置２では、加工対象物９２において複数の位置に第１の光が同時に集光されるような位相ホログラムが空間光変調器５１に呈示されるのが好適である。或いは、加工対象物９１において列毎に１または複数の位置に第１の光が同時に集光されるとともに行方向に走査するような複数の位相ホログラムが順次に空間光変調器５１に呈示されてもよい。加工に用いられる第１の光を出力する光源１１として好適には、Ｎｄ:ＹＡＧレーザ光源などのピコ秒オーダー又はナノ秒オーダーのパルスレーザ光源であるのが好ましい。但し、結像光学系を真空にするような工夫を施すことで、エアブレイクダウンを防ぐような対策が講じてあればフェムト秒レーザであっても構わない。なお、レーザ加工装置は、第２〜第５の実施形態に係る観察装置と同様の構成であってもよい。

（第７実施形態）

次に、本発明に係る光ピンセット装置の実施形態について説明する。図１２は、本実施形態に係る光ピンセット装置３の構成図である。この図１２に示される光ピンセット装置３は、図１に示された第１実施形態に係る観察装置１の構成と同様の構成を有し、第１の光の集束時の圧力により捕捉対象物９３を捕捉するとともに第２の光により捕捉対象物９３を観察する。

この光ピンセット装置３でも、捕捉対象物９３において複数の位置に第１の光が同時に集束されるような位相ホログラムが空間光変調器５１に呈示されるのが好適である。捕捉に用いられる第１の光を出力する光源１１は、例えば細胞を捕捉する場合、その細胞を傷付けないようなレーザ光を出力するものであるのが好ましい。なお、光ピンセット装置は、第２〜第５の実施形態に係る観察装置と同様の構成であってもよい。

第１実施形態に係る観察装置１Ａの構成図である。 第１実施形態に係る観察装置１Ａにおいて観察部３１により観察される対象物９１の像である。 第１実施形態に係る観察装置１Ａにおいて偏光選択部２２を除いた構成の比較例において観察部３１により観察される対象物９１の像である。 第１実施形態に係る観察装置１Ａにおいて観察部３１により観察される対象物９１の像を示す図である。 第１実施形態に係る観察装置１Ａにおいてハーフミラー４２が空間光変調器４３より前段に設けられた構成の比較例において観察部３１により観察される対象物９１の像を示す図である。 第２実施形態に係る観察装置１Ｂの構成図である。 第３実施形態に係る観察装置１Ｃの構成図である。 第４実施形態に係る観察装置１Ｄの構成図である。 第４実施形態に係る観察装置１Ｄに含まれるコモンパス干渉計３２の構成図である。 第５実施形態に係る観察装置１Ｅの構成図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置２の構成図である。 本実施形態に係る光ピンセット装置３の構成図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｅ…観察装置、２…レーザ加工装置、３…光ピンセット装置、１１…光源、２１，２１Ａ，２１Ｂ…光源、２２，２２Ａ，２２Ｂ…偏光選択部、２３…フィルタ、２４…散乱板、２５…フィルタ、３１…観察部、３２…コモンパス干渉計、４１…ダイクロイックミラー、４２…ハーフミラー、４３…プリズム、５１…空間光変調器、５２…駆動部、５３…制御部、６１…結像レンズ、６２〜６５…レンズ、６６…対物レンズ、６７〜６９…レンズ。

Claims (8)

1. 第１の方位の直線偏光のコヒーレントな第１の光を出力する第１の光源部と、
   第１の方位の直線偏光の光を選択的に位相変調する複数の画素が２次元配列されており、前記第１の光源部から出力される第１の光を入力し、前記複数の画素それぞれにおいて第１の光の位相を変調するホログラムを呈示して、その位相変調後の第１の光を出力する位相変調型の空間光変調器と、
   前記空間光変調器から出力される第１の光を入力して、その第１の光を結像させる結像光学系と、
   前記空間光変調器と前記結像光学系との間に設けられたリレーレンズ系と、
   第１の方位に対して直交する第２の方位の直線偏光の第２の光を出力する第２の光源部と、
   前記第１の光源部から出力される第１の光と前記第２の光源部から出力される第２の光とを入力して、これら第１および第２の光を合波して前記空間光変調器へ出力する光合波部と、
   前記空間光変調器と前記リレーレンズ系との間の光路上に設けられ、前記空間光変調器から出力される光を前記リレーレンズ系へ透過させるとともに、前記第２の光源部から出力される第２の光が前記結像光学系により対象物に照射されて生じる光のうち前記結像光学系および前記リレーレンズ系を経た光を入力して所定方向へ出力する光分岐部と、
   前記光分岐部から前記所定方向へ出力される第２の光を入力して、その入力光に基づいて前記対象物を観察する観察部と、
   を備えることを特徴とする観察装置。
2. 第１の方位の直線偏光のコヒーレントな第１の光を出力する第１の光源部と、
   第１の方位の直線偏光の光を選択的に位相変調する複数の画素が２次元配列されており、前記第１の光源部から出力される第１の光を入力し、前記複数の画素それぞれにおいて第１の光の位相を変調するホログラムを呈示して、その位相変調後の第１の光を出力する位相変調型の空間光変調器と、
   前記空間光変調器から出力される第１の光を入力して、その第１の光を結像させる結像光学系と、
   前記空間光変調器と前記結像光学系との間に設けられたリレーレンズ系と、
   第２の光を出力する第２の光源部と、
   前記第１の光源部から出力される第１の光と前記第２の光源部から出力される第２の光とを入力して、これら第１および第２の光を合波して前記空間光変調器へ出力する光合波部と、
   前記空間光変調器と前記リレーレンズ系との間の光路上に設けられ、前記空間光変調器から出力される光を前記リレーレンズ系へ透過させるとともに、前記第２の光源部から出力される第２の光が前記結像光学系により対象物に照射されて生じる光のうち前記結像光学系および前記リレーレンズ系を経た光を入力して所定方向へ出力する光分岐部と、
   前記光分岐部から前記所定方向へ出力される第２の光を入力して、その入力光のうち第１の方位に対して直交する第２の方位の直線偏光の光を選択的に出力する偏光選択部と、
   前記偏光選択部から出力される光を入力して、その入力光に基づいて前記対象物を観察する観察部と、
   を備えることを特徴とする観察装置。
3. 前記第２の光源部が、インコヒーレントな光を出力する光源を含む、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の観察装置。
4. 前記第２の光源部が、白色光を出力する光源を含む、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の観察装置。
5. 前記第２の光源部が、
   コヒーレントな光を出力する光源と、
   この光源から出力される光を散乱させる散乱板と、
   を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の観察装置。
6. 前記第２の光源部が、前記光源から出力される光が前記結像光学系を経た後の集光深さを調整する集光深さ調整部を更に含む、ことを特徴とする請求項５に記載の観察装置。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の観察装置を備え、
   前記第１の光源部から出力される第１の光を、前記空間光変調器および前記結像光学系を経て対象物に集光させることで、その対象物を加工する、
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
8. 請求項１〜６の何れか１項に記載の観察装置を備え、
   前記第１の光源部から出力される第１の光を、前記空間光変調器および前記結像光学系を経て対象物に集束させ、その集束時の光の圧力によって、その集束位置にある対象物を捕捉する、
   ことを特徴とする光ピンセット装置。