JP6014538B2 - 光学モジュール、光観察装置、及び光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学モジュール、光観察装置、及び光照射装置に関するものである。

非特許文献１には、２個の位相変調型の空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）を用いたレンズレス光相関器が記載されている。この文献に記載された光相関器は、レーザ光を出力するＨｅ−Ｎｅレーザ光源と、該レーザ光を変調する第１の反射型ＳＬＭと、第１の反射型ＳＬＭに対して平行に配置され、第１の反射型ＳＬＭから出力された光を更に変調する第２の反射型ＳＬＭと、第２の反射型ＳＬＭから出力された光を撮像するＣＣＤカメラとを備えている。

Xu Zeng, Takashi Inoue, Norihiro Fukuchi, and Jian Bai, "Parallellensless optical correlator based on two phase-only spatial light modulators", OPTICSEXPRESS, Volume 19, Number 13, pp.12594-12604, 20 June 2011

近年、ＳＬＭを用いて光の強度分布や位相分布を任意に変調し、レーザ加工、観察対象物の照明、レンズレス光相関器等に使用する技術が研究されている。このような技術において、例えば非特許文献１に記載されているように、２個以上のＳＬＭが光学的に直列に配置される場合がある。例えば、一つのＳＬＭに凸レンズ状の位相分布を表示し、別のＳＬＭに凹レンズ状の位相分布を表示すると、平行光の光径を任意に拡大・縮小するビームエキスパンダを構成することができる。或いは、２つのＳＬＭそれぞれに凸レンズ状の位相分布を表示すると、ズームレンズを構成することができる。

一般的に、ＳＬＭには透過型と反射型とが存在する。上述したように２個のＳＬＭを光学的に直列に配置する場合、透過型ＳＬＭを用いることによって構成が簡素になり、光学系全体を小型化することができる。しかしながら、透過型ＳＬＭは、反射型ＳＬＭと比較して光損失が大きく、ＳＬＭの数が多いほど、変調後の光の強度が低下するという問題がある。

一方、反射型ＳＬＭを光学的に直列に配置する場合、従来の方式では、変調面の法線に対して傾斜した方向から変調面に光が入射するように、複数の反射型ＳＬＭの相対位置および相対角度が調整される（例えば非特許文献１を参照）。このような配置では、複数の反射型ＳＬＭを含む光学系全体の構成が複雑となり、小型化が困難となる。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、複数のＳＬＭが光学的に直列に配置される光学モジュール、光観察装置、及び光照射装置において、光学系全体の小型化を可能とすることを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による第１の光学モジュールは、ｓ偏光成分を反射してｐ偏光成分を透過する光分岐面を有し、ｐ偏光成分を含む入射光を光分岐面に受ける偏光ビームスプリッタと、光分岐面を透過した入射光の偏光面を回転させる非相反性の光学活性を有する第１の偏光素子と、第１の偏光素子を通過した入射光を変調して第１の変調光を生成するとともに、第１の変調光を第１の偏光素子へ反射する第１の反射型空間光変調器と、第１の偏光素子を再び通過し、光分岐面において反射された第１の変調光の偏光面を回転させる非相反性の光学活性を有する第２の偏光素子と、第２の偏光素子を通過した第１の変調光を変調して第２の変調光を生成するとともに、第２の変調光を第２の偏光素子へ反射する第２の反射型空間光変調器と、を備え、第２の変調光は、第２の偏光素子を再び通過した後、光分岐面を透過して出力されることを特徴とする。

また、本発明による第２の光学モジュールは、ｓ偏光成分を反射してｐ偏光成分を透過する光分岐面を有し、ｓ偏光成分を含む入射光を光分岐面に受ける偏光ビームスプリッタと、光分岐面において反射された入射光の偏光面を回転させる非相反性の光学活性を有する第１の偏光素子と、第１の偏光素子を通過した入射光を変調して第１の変調光を生成するとともに、第１の変調光を第１の偏光素子へ反射する第１の反射型空間光変調器と、第１の偏光素子を再び通過し、光分岐面を透過した第１の変調光の偏光面を回転させる非相反性の光学活性を有する第２の偏光素子と、第２の偏光素子を通過した第１の変調光を変調して第２の変調光を生成するとともに、第２の変調光を第２の偏光素子へ反射する第２の反射型空間光変調器と、を備え、第２の変調光は、第２の偏光素子を再び通過した後、光分岐面において反射されて出力されることを特徴とする。

これらの光学モジュールでは、一つの偏光ビームスプリッタの周囲に第１及び第２の反射型ＳＬＭが配置されている。そして、第１の反射型ＳＬＭへの入射光は偏光ビームスプリッタから入射し、変調後の光（第１の変調光）は偏光ビームスプリッタに向けて反射される。同様に、第２の反射型ＳＬＭへの入射光は偏光ビームスプリッタから入射し、変調後の光（第２の変調光）は偏光ビームスプリッタに向けて反射される。このような構成により、第１及び第２の反射型ＳＬＭの各変調面の法線方向に沿って入射光を入射させ且つ変調光を反射させることができるので、法線に対して傾斜した方向から入射光を入射させる構成（例えば非特許文献１を参照）と比較して、光学系全体の構成を簡素にでき、小型化が可能となる。

また、偏光ビームスプリッタに代えて通常のビームスプリッタ（ハーフミラー等）を用いる方式も考えられる。しかし、例えば反射型ＳＬＭが平行配向ネマティック液晶を用いたものである場合、振動方向が液晶の配向方向と平行である直線偏光成分しか変調されないため、通常のビームスプリッタを用いて変調面の法線方向から光を入射させると、光利用効率（入射光強度と変調光強度との比）が極めて小さく（例えば２５％未満に）なってしまう。これに対し、上記の光学モジュールによれば、偏光ビームスプリッタと第１及び第２の偏光素子とを組み合わせることによって、光利用効率を高く維持しつつ、変調面の法線方向から光を好適に入射させることができる。

また、第１及び第２の光学モジュールは、偏光ビームスプリッタが、入射光を受ける光入射面と、第２の変調光を出力する光出射面と、第１の偏光素子と光学的に結合された第１の面と、第２の偏光素子と光学的に結合された第２の面とを有することを特徴としてもよい。そして、この場合、第１の光学モジュールでは、光入射面と第１の面とが第１の方向に並んで配置され、光出射面と第２の面とが、第１の方向と交差する第２の方向に並んで配置されていることが好ましい。また、第２の光学モジュールでは、光入射面と光出射面とが第１の方向に並んで配置されており、第１の面と第２の面とが第２の方向に並んで配置されていることが好ましい。

また、第１の光学モジュールでは、光入射面と光学的に結合された第３の偏光素子が、入射光がｐ偏光成分を含むように入射光の偏光面を回転させてもよい。また、第２の光学モジュールでは、光入射面と光学的に結合された第３の偏光素子が、入射光がｓ偏光成分を含むように入射光の偏光面を回転させてもよい。

また、第１及び第２の光学モジュールは、偏光ビームスプリッタと第１の反射型空間光変調器との間、もしくは偏光ビームスプリッタと第２の反射型空間光変調器との間のうちいずれか一方に配置された２分の１波長板を更に備えることを特徴としてもよい。

また、本発明による光観察装置は、上記いずれかの光学モジュールと、観察対象物が載置される載置台と、観察対象物からの光を入射光として偏光ビームスプリッタに導く第１の導光光学系と、偏光ビームスプリッタから出射された第２の変調光を導光する第２の導光光学系と、第２の導光光学系によって導かれた第２の変調光を撮像する撮像装置とを備えることを特徴とする。

また、本発明による光照射装置は、上記いずれかの光学モジュールと、照射対象物が載置される載置台と、偏光ビームスプリッタに入射する入射光を出力する光源と、偏光ビームスプリッタから出射された第２の変調光を照射対象物に導く導光光学系とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数のＳＬＭが光学的に直列に配置される光学モジュール、光観察装置、及び光照射装置において、光学系全体の小型化を可能にできる。

本発明の第１実施形態に係る光学モジュールの構成を示す図である。 比較のため、第１実施形態の光学モジュールの光路を直線状に展開したときの等価光路を示す図である。 第１実施形態の一変形例として、光学モジュールの構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光学モジュールの構成を示す図である。 第２実施形態の一変形例として、光学モジュールの構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る光学モジュールの構成を示す図である。 光観察装置の構成例を示す図である。 光照射装置の構成例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による光学モジュールの実施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の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光学モジュール１Ａの構成を示す図である。なお、理解の容易のため、図１にはＸＹＺ直交座標系が併せて示されている。また、図１では、理解の容易のため、光Ｌ２の光軸と光Ｌ３の光軸とが離れているが、実際には光Ｌ２の光軸と光Ｌ３の光軸とは一部で重なっている。光Ｌ２及び光Ｌ３についても同様である。図１に示されるように、この光学モジュール１Ａは、偏光ビームスプリッタ１０と、第１の偏光素子２０と、第１の反射型ＳＬＭ３０と、第２の偏光素子４０と、第２の反射型ＳＬＭ５０とを備えている。

偏光ビームスプリッタ１０は、光分岐面１１を有する光学部品である。光分岐面１１は、第１の方向（本実施形態ではＸ軸方向）、及び第１の方向と交差する第２の方向（本実施形態ではＹ軸方向）の双方に対して傾斜しており、その傾斜角は例えば４５°である。光分岐面１１は、これらの方向から入射した光のｓ偏光成分を反射し、ｐ偏光成分を透過する。光分岐面１１は、光学モジュール１Ａの外部からＸ軸方向に沿って入射された入射光Ｌ１を受ける。この入射光Ｌ１は、ｐ偏光成分を含む光であって、好ましくはｐ偏光成分のみから成る直線偏光状態の光である。

また、ＸＹ平面に沿った偏光ビームスプリッタ１０の断面形状は矩形状を呈している。そして、偏光ビームスプリッタ１０は、この断面に現れる光入射面１２、光出射面１３、第１の面１４および第２の面１５を有している。光入射面１２は、Ｘ軸方向と交差する平面に沿っており、入射光Ｌ１を受ける。光出射面１３は、Ｙ軸方向と交差する平面に沿っており、変調光Ｌ３を出力する。第１の面１４はＸ軸方向と交差する平面に沿っており、光入射面１２及び第１の面１４はＸ軸方向に並んで配置されている。第２の面１５はＹ軸方向と交差する平面に沿っており、光出射面１３及び第２の面１５はＹ軸方向に並んで配置されている。これら４つの面のうち、光入射面１２および光出射面１３は光分岐面１１の一方の面側に配置されており、第１の面１４および第２の面１５は光分岐面１１の他方の面側に配置されている。

第１の偏光素子２０は、偏光ビームスプリッタ１０の第１の面１４と光学的に結合されている。換言すれば、第１の偏光素子２０は、偏光ビームスプリッタ１０の光分岐面１１に対してＸ軸方向に並んで配置されている。第１の偏光素子２０は、光分岐面１１を透過した入射光Ｌ１の偏光面を回転させるための非相反性の光学活性を有する。ここで、非相反性の光学活性とは、順方向に進む光の回転の向きと、逆方向に進む光の回転の向きとが互いに等しい非相反的な偏光特性を意味する。例えば、或る方向から第１の偏光素子２０を通過した光の偏光面が所定の向きに４５°回転する場合、逆方向から第１の偏光素子２０を通過した光の偏光面は、上記の所定の向きに更に４５°回転する。この場合、第１の偏光素子２０を光が往復すると、その光の偏光面は９０°回転することとなる。第１の偏光素子２０は、一例ではファラデーローテータによって好適に構成される。

なお、光学結晶から成る２分の１波長板も通過光の偏光面を回転させるものであるが、２分の１波長板では順方向に進む光の回転の向きと逆方向に進む光の回転の向きとが互いに逆である相反性の光学活性を有するため、光が往復すると、その光の偏光面は元に戻ってしまう。したがって、２分の１波長板は、非相反性の光学活性を有しておらず、第１の偏光素子２０としては用いられない。

第１の反射型ＳＬＭ３０は、第１の偏光素子２０を通過した入射光Ｌ１を変調して第１の変調光Ｌ２を生成するとともに、第１の変調光Ｌ２を第１の偏光素子２０へ反射する。第１の反射型ＳＬＭ３０としては、位相変調型、強度変調（振幅変調）型、或いは偏光変調型といった種々のＳＬＭが適用される。第１の反射型ＳＬＭ３０は、一次元又は二次元に配列された複数の領域（画素）を含む変調面３１を有する。第１の反射型ＳＬＭ３０は、その複数の領域毎に入射光Ｌ１の位相、強度等を変調することにより、第１の変調光Ｌ２を生成する。一例では、第１の反射型ＳＬＭ３０は、平行配向ネマティック液晶を有するＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型のＳＬＭである。第１の反射型ＳＬＭ３０は、電気アドレス型の液晶素子に限られず、例えば光アドレス型の液晶素子や、可変鏡型の光変調器であってもよい。

第２の偏光素子４０は、偏光ビームスプリッタ１０の第２の面１５と光学的に結合されている。換言すれば、第２の偏光素子４０は、偏光ビームスプリッタ１０の光分岐面１１に対してＹ軸方向に並んで配置されている。第２の面１５からは、第１の反射型ＳＬＭ３０から出射されたのち第１の偏光素子２０を再び通過し、光分岐面１１においてＹ軸方向に反射された第１の変調光Ｌ２が出射される。第２の偏光素子４０は、第２の面１５から出射される第１の変調光Ｌ２の偏光面を回転させるための非相反性の光学活性を有する。なお、非相反性の光学活性の定義は前述した第１の偏光素子２０と同様である。第２の偏光素子４０は、一例ではファラデーローテータによって好適に構成される。

第２の反射型ＳＬＭ５０は、第２の偏光素子４０を通過した第１の変調光Ｌ２を変調して第２の変調光Ｌ３を生成するとともに、第２の変調光Ｌ３を第２の偏光素子４０へ反射する。第２の反射型ＳＬＭ５０としては、第１の反射型ＳＬＭ３０と同様に、位相変調型、強度変調（振幅変調）型、或いは偏光変調型といった種々のＳＬＭが適用される。第２の反射型ＳＬＭ５０は、一次元又は二次元に配列された複数の領域（画素）を含む変調面５１を有する。第２の反射型ＳＬＭ５０は、その複数の領域毎に第１の変調光Ｌ２の位相、強度等を変調することにより、第２の変調光Ｌ３を生成する。一例では、第２の反射型ＳＬＭ５０は、平行配向ネマティック液晶を有するＬＣＯＳ型のＳＬＭである。第２の反射型ＳＬＭ５０は、電気アドレス型の液晶素子に限られず、例えば光アドレス型の液晶素子や、可変鏡型の光変調器であってもよい。

なお、反射型ＳＬＭ３０，５０がＬＣＯＳ型のＳＬＭである場合、振動方向が液晶の配向方向と平行である直線偏光成分しか変調されないため、偏光素子２０，４０による回転後の偏光面の角度に合わせて反射型ＳＬＭ３０，５０を配置するとよい。

以上の構成を備える光学モジュール１Ａの動作について、図１を参照しつつ説明する。Ｘ軸方向に沿って偏光ビームスプリッタ１０の光入射面１２に入射した入射光Ｌ１は、光分岐面１１を透過し、第１の面１４から出射される。次に、入射光Ｌ１は第１の偏光素子２０を通過する。このとき、入射光Ｌ１の偏光面は、第１の偏光素子２０によってｐ偏光面から所定の向きに例えば４５°回転する。その後、入射光Ｌ１は、第１の反射型ＳＬＭ３０によって変調されて第１の変調光Ｌ２と成り、同時に第１の偏光素子２０に向けて反射される。第１の変調光Ｌ２は、第１の偏光素子２０を再び通過する。このとき、第１の変調光Ｌ２の偏光面は、第１の偏光素子２０によって上記所定の向きに例えば４５°回転する。その結果、第１の変調光Ｌ２はｓ偏光成分を主に含む（或いは、ｓ偏光成分のみから成る）こととなる。これにより、第１の変調光Ｌ２は、光分岐面１１において反射され、第２の面１５から出射される。

続いて、第１の変調光Ｌ２は第２の偏光素子４０を通過する。このとき、第１の変調光Ｌ２の偏光面は、第２の偏光素子４０によってｓ偏光面から所定の向きに例えば４５°回転する。その後、第１の変調光Ｌ２は、第２の反射型ＳＬＭ５０によって変調されて第２の変調光Ｌ３と成り、同時に第２の偏光素子４０に向けて反射される。第２の変調光Ｌ３は、第２の偏光素子４０を再び通過する。このとき、第２の変調光Ｌ３の偏光面は、第２の偏光素子４０によって上記所定の向きに例えば４５°回転する。その結果、第２の変調光Ｌ３はｐ偏光成分を主に含む（或いは、ｐ偏光成分のみから成る）こととなる。これにより、第２の変調光Ｌ３は、光分岐面１１を透過し、光出射面１３から光学モジュール１Ａの外部へ出力される。

以上に説明した本実施形態の光学モジュール１Ａによって得られる効果について説明する。光学モジュール１Ａでは、一つの偏光ビームスプリッタ１０の周囲に２つの反射型ＳＬＭ３０，５０が配置されている。そして、第１の反射型ＳＬＭ３０への入射光（入射光Ｌ１）は偏光ビームスプリッタ１０から入射し、変調後の光（第１の変調光Ｌ２）は偏光ビームスプリッタ１０に向けて反射される。同様に、第２の反射型ＳＬＭ５０への入射光（第１の変調光Ｌ２）は偏光ビームスプリッタ１０から入射し、変調後の光（第２の変調光Ｌ３）は偏光ビームスプリッタ１０に向けて反射される。このような構成により、反射型ＳＬＭ３０，５０の各変調面３１，５１の法線方向に沿って光を入射及び反射させることができるので、光軸の調整が容易であり、ＳＬＭへの入射効率、およびＳＬＭからの出射効率を高めることができる。したがって、この光学モジュール１Ａによれば、光利用効率を高めることができる。また、入射光Ｌ１の光軸と出射光（第２の変調光Ｌ３）の光軸とが斜めではなく直角であるため、他の光学系との接続を容易にすることができ、また収差の発生を低減することができる。更に、一部の光路において光を往復させるので、光学系全体の構成を簡素にでき、小型化が可能となる。なお、図２は、比較のため、光学モジュール１Ａの光路を直線状に展開したときの等価光路を示す図である。図２に示された構成と比較して、本実施形態の光学モジュール１Ａが小型に構成されていることがわかる。

また、本実施形態とは異なる方式として、偏光ビームスプリッタ１０に代えて通常のビームスプリッタ（ハーフミラー等）を用いる方式も考えられる。しかし、例えば反射型ＳＬＭ３０，５０が平行配向ネマティック液晶を用いたものである場合、振動方向が液晶の配向方向と平行である直線偏光成分しか変調されないため、通常のビームスプリッタを用いて変調面の法線方向から光を入射させると、光利用効率が極めて小さく（例えば２５％未満に）なってしまう。これに対し、本実施形態の光学モジュール１Ａによれば、偏光ビームスプリッタ１０と第１及び第２の偏光素子２０，４０とを組み合わせることによって、光利用効率を高く維持しつつ、変調面３１，５１の法線方向から入射光Ｌ１及び第１の変調光Ｌ２を好適に入射させることができる。

（第１の変形例）
図３は、上記実施形態の一変形例として、光学モジュール１Ｂの構成を示す図である。この光学モジュール１Ｂは、図１に示された光学モジュール１Ａの構成に加えて、第３の偏光素子６０を更に備えている。第３の偏光素子６０は、偏光ビームスプリッタ１０の光入射面１２と光学的に結合されており、入射光Ｌ１がｐ偏光成分を含むように、入射光Ｌ１の偏光面を回転させる。なお、第３の偏光素子６０としては、第１及び第２の偏光素子２０，４０と同様に、非相反性の光学活性を有する偏光素子として、例えばファラデーローテータを適用することができる。本変形例によれば、入射光Ｌ１の偏光面を調整して、光分岐面１１を好適に透過させることができる。

また、図３に示される光学モジュール１Ｂは、上記実施形態の光学モジュール１Ａの構成に加えて、相反性の光学活性を有する偏光素子である１／２波長板１６を更に備えている。本変形例では、１／２波長板１６は偏光ビームスプリッタ１０と第１の反射型ＳＬＭ３０との間の光路上に配置されており、図には偏光ビームスプリッタ１０と第１の偏光素子２０との間の光路上に配置された例が示されている。

この例において、偏光ビームスプリッタ１０の光分岐面１１を透過した入射光Ｌ１は、１／２波長板１６を通過する。このとき、入射光Ｌ１の偏光面は、１／２波長板１６によってｐ偏光面から或る回転方向に９０°回転する。その後、入射光Ｌ１は、第１の偏光素子２０と第１の反射型ＳＬＭ３０との間を往復して第１の変調光Ｌ２となり、１／２波長板１６を再び通過する。このとき、第１の変調光Ｌ２の偏光面は、１／２波長板１６によって上記とは逆の向きに９０°回転する。その結果、偏光ビームスプリッタ１０に入射するときの第１の変調光Ｌ２の偏光面は、ｓ偏光成分を主に含む（或いは、ｓ偏光成分のみから成る）こととなる。これにより、第１の変調光Ｌ２は、光分岐面１１において反射され、第２の面１５から出射される。

本変形例では、第１の反射型ＳＬＭ３０に入射する際の入射光Ｌ１の偏光面を９０°回転させている。これにより、第１の反射型ＳＬＭ３０に入射する直前の入射光Ｌ１の偏光面の角度を任意に制御することができる。したがって、例えば第１及び第２の反射型ＳＬＭ３０，５０が液晶型ＳＬＭである場合に、第１の反射型ＳＬＭ３０の液晶の配向方向を任意に設定することができる。これにより、例えば第１の反射型ＳＬＭ３０の液晶の配向方向と第２の反射型ＳＬＭ５０の液晶の配向方向とを揃える（互いに平行にする）ことが可能となり、第１及び第２の反射型ＳＬＭ３０，５０のそれぞれに入力される変調データを共通化することが可能になる。

なお、１／２波長板１６は、第１の偏光素子２０と第１の反射型ＳＬＭ３０との間の光路上に配置されてもよく、或いは、偏光ビームスプリッタ１０と第２の反射型ＳＬＭ５０との間（偏光ビームスプリッタ１０と第２の偏光素子４０との間、もしくは第２の偏光素子４０と第２の反射型ＳＬＭ５０との間）の光路上に配置されてもよい。１／２波長板１６が偏光ビームスプリッタ１０と第２の反射型ＳＬＭ５０との間の光路上に配置される場合、第２の反射型ＳＬＭ５０に入射する直前の第１の変調光Ｌ２の偏光面の角度を任意に制御することができ、上述した効果を同様に奏することができる。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る光学モジュール１Ｃの構成を示す図である。なお、理解の容易のため、図４にはＸＹＺ直交座標系が併せて示されている。また、図４では、理解の容易のため、光Ｌ４の光軸と光Ｌ５の光軸とが離れているが、実際には光Ｌ４の光軸と光Ｌ５の光軸とは一部で重なっている。光Ｌ５及び光Ｌ６についても同様である。図４に示されるように、この光学モジュール１Ｃは、偏光ビームスプリッタ７０と、第１の偏光素子２２と、第１の反射型ＳＬＭ３２と、第２の偏光素子４２と、第２の反射型ＳＬＭ５２とを備えている。

偏光ビームスプリッタ７０は、光分岐面７１を有する光学部品である。光分岐面７１は、第１の方向（本実施形態ではＸ軸方向）、及び第１の方向と交差する第２の方向（本実施形態ではＹ軸方向）の双方に対して傾斜しており、その傾斜角は例えば４５°である。光分岐面７１は、これらの方向から入射した光のｓ偏光成分を反射し、ｐ偏光成分を透過する。光分岐面７１は、光学モジュール１Ｃの外部からＸ軸方向に沿って入射された入射光Ｌ４を受ける。この入射光Ｌ４は、ｓ偏光成分を含む光であって、好ましくはｓ偏光成分のみから成る直線偏光状態の光である。

本実施形態の偏光ビームスプリッタ７０としては、第１実施形態の偏光ビームスプリッタ１０と同じものが使用され得るが、偏光ビームスプリッタ１０とは光分岐面の向きが異なっている。具体的には、ＸＹ平面に沿った偏光ビームスプリッタ７０の断面形状は矩形状を呈しており、偏光ビームスプリッタ７０は、この断面に現れる光入射面７２、光出射面７３、第１の面７４および第２の面７５を有している。光入射面７２は、Ｘ軸方向と交差する平面に沿っており、入射光Ｌ４を受ける。光出射面７３はＸ軸方向と交差する平面に沿っており、光入射面７２及び光出射面７３はＸ軸方向に並んで配置されている。第１の面７４は、Ｙ軸方向と交差する平面に沿っている。第２の面７５はＹ軸方向と交差する平面に沿っており、第１の面７４及び第２の面７５はＹ軸方向に並んで配置されている。これら４つの面のうち、光入射面７２および第１の面７４は光分岐面７１の一方の面側に配置されており、光出射面７３および第２の面７５は光分岐面７１の他方の面側に配置されている。

第１の偏光素子２２は、偏光ビームスプリッタ７０の第１の面７４と光学的に結合されている。換言すれば、第１の偏光素子２２は、偏光ビームスプリッタ７０の光分岐面７１に対してＹ軸方向に並んで配置されている。第１の偏光素子２２は、光分岐面７１を透過した入射光Ｌ４の偏光面を回転させるための非相反性の光学活性を有する。なお、非相反性の光学活性の定義は、第１実施形態の第１の偏光素子２０と同様である。第１の偏光素子２２は、一例ではファラデーローテータによって好適に構成される。

第１の反射型ＳＬＭ３２は、第１の偏光素子２２を通過した入射光Ｌ４を変調して第１の変調光Ｌ５を生成するとともに、第１の変調光Ｌ５を第１の偏光素子２２へ反射する。第１の反射型ＳＬＭ３２としては、位相変調型、強度変調（振幅変調）型、或いは偏光変調型といった種々のＳＬＭが適用される。第１の反射型ＳＬＭ３２は、一次元又は二次元に配列された複数の領域（画素）を含む変調面３３を有する。第１の反射型ＳＬＭ３２は、その複数の領域毎に入射光Ｌ４の位相、強度等を変調することにより、第１の変調光Ｌ５を生成する。一例では、第１の反射型ＳＬＭ３２は、平行配向ネマティック液晶を有するＬＣＯＳ型のＳＬＭである。第１の反射型ＳＬＭ３２は、電気アドレス型の液晶素子に限られず、例えば光アドレス型の液晶素子や、可変鏡型の光変調器であってもよい。

第２の偏光素子４２は、偏光ビームスプリッタ７０の第２の面７５と光学的に結合されている。換言すれば、第２の偏光素子４２は、第１の偏光素子２２との間に偏光ビームスプリッタ７０の光分岐面７１が位置するように、光分岐面７１に対してＹ軸方向に並んで配置されている。第２の面７５からは、第１の反射型ＳＬＭ３２から出射されたのち第１の偏光素子２２を再び通過し、光分岐面７１を透過した第１の変調光Ｌ５が出射される。第２の偏光素子４２は、第２の面７５から出射される第１の変調光Ｌ５の偏光面を回転させるための非相反性の光学活性を有する。なお、非相反性の光学活性の定義は第１実施形態の第１の偏光素子２０と同様である。第２の偏光素子４２は、一例ではファラデーローテータによって好適に構成される。

第２の反射型ＳＬＭ５２は、第２の偏光素子４２を通過した第１の変調光Ｌ５を変調して第２の変調光Ｌ６を生成するとともに、第２の変調光Ｌ６を第２の偏光素子４２へ反射する。第２の反射型ＳＬＭ５２としては、第１の反射型ＳＬＭ３２と同様に、位相変調型、強度変調（振幅変調）型、或いは偏光変調型といった種々のＳＬＭが適用される。第２の反射型ＳＬＭ５２は、一次元又は二次元に配列された複数の領域（画素）を含む変調面５３を有する。第２の反射型ＳＬＭ５２は、その複数の領域毎に第１の変調光Ｌ５の位相、強度等を変調することにより、第２の変調光Ｌ６を生成する。一例では、第２の反射型ＳＬＭ５２は、平行配向ネマティック液晶を有するＬＣＯＳ型のＳＬＭである。なお、第２の反射型ＳＬＭ５２は、電気アドレス型の液晶素子に限られず、例えば光アドレス型の液晶素子や、可変鏡型の光変調器であってもよい。

以上の構成を備える光学モジュール１Ｃの動作について、図４を参照しつつ説明する。Ｘ軸方向に沿って偏光ビームスプリッタ７０の光入射面７２に入射した入射光Ｌ４は、光分岐面７１においてＹ軸方向へ反射され、第１の面７４から出射される。次に、入射光Ｌ４は第１の偏光素子２２を通過する。このとき、入射光Ｌ４の偏光面は、第１の偏光素子２２によってｓ偏光面から所定の向きに例えば４５°回転する。その後、入射光Ｌ４は、第１の反射型ＳＬＭ３２によって変調されて第１の変調光Ｌ５と成り、同時に第１の偏光素子２２に向けて反射される。第１の変調光Ｌ５は、第１の偏光素子２２を再び通過する。このとき、第１の変調光Ｌ５の偏光面は、第１の偏光素子２２によって上記所定の向きに例えば４５°回転する。その結果、第１の変調光Ｌ５はｐ偏光成分を主に含む（或いは、ｐ偏光成分のみから成る）こととなる。これにより、第１の変調光Ｌ５は、光分岐面７１を透過し、第２の面７５から出射される。

続いて、第１の変調光Ｌ５は第２の偏光素子４２を通過する。このとき、第１の変調光Ｌ５の偏光面は、第２の偏光素子４２によってｐ偏光面から所定の向きに例えば４５°回転する。その後、第１の変調光Ｌ５は、第２の反射型ＳＬＭ５２によって変調されて第２の変調光Ｌ６と成り、同時に第２の偏光素子４２に向けて反射される。第２の変調光Ｌ６は、第２の偏光素子４２を再び通過する。このとき、第２の変調光Ｌ６の偏光面は、第２の偏光素子４２によって上記所定の向きに例えば４５°回転する。その結果、第２の変調光Ｌ６はｓ偏光成分を主に含む（或いは、ｓ偏光成分のみから成る）こととなる。これにより、第２の変調光Ｌ６は、光分岐面７１においてＸ軸方向へ反射され、光出射面７３から光学モジュール１Ｃの外部へ出力される。

以上に説明した本実施形態の光学モジュール１Ｃによれば、前述した第１実施形態の光学モジュール１Ａと同様の効果が得られる。すなわち、光学モジュール１Ｃでは、一つの偏光ビームスプリッタ７０の周囲に２つの反射型ＳＬＭ３２，５２が配置されている。そして、第１の反射型ＳＬＭ３２への入射光（入射光Ｌ４）は偏光ビームスプリッタ７０から入射し、変調後の光（第１の変調光Ｌ５）は偏光ビームスプリッタ７０に向けて反射される。同様に、第２の反射型ＳＬＭ５２への入射光（第１の変調光Ｌ５）は偏光ビームスプリッタ７０から入射し、変調後の光（第２の変調光Ｌ６）は偏光ビームスプリッタ７０に向けて反射される。このような構成により、反射型ＳＬＭ３２，５２の各変調面３３，５３の法線方向に沿って光を入射及び反射させることができるので、光軸の調整が容易であり、ＳＬＭへの入射効率、およびＳＬＭからの出射効率を高めることができ、光利用効率を高めることができる。また、入射光Ｌ４の光軸と出射光（第２の変調光Ｌ６）の光軸とが斜めではなく直角であるため、他の光学系との接続を容易にすることができ、また収差の発生を低減することができる。更に、一部の光路において光を往復させるので、光学系全体の構成を簡素にでき、小型化が可能となる。

また、本実施形態においても、ハーフミラー等の通常のビームスプリッタではなく偏光ビームスプリッタ７０と第１及び第２の偏光素子２２，４２とを組み合わせた構成を備えることによって、光利用効率を高く維持しつつ、変調面３３，５３の法線方向から入射光Ｌ４及び第１の変調光Ｌ５を好適に入射させることができる。

（第２の変形例）
図５は、上記実施形態の一変形例として、光学モジュール１Ｄの構成を示す図である。この光学モジュール１Ｄは、図４に示された光学モジュール１Ｃの構成に加えて、第３の偏光素子６２を更に備えている。第３の偏光素子６２は、偏光ビームスプリッタ７０の光入射面７２と光学的に結合されており、入射光Ｌ４がｓ偏光成分を含むように、入射光Ｌ４の偏光面を回転させる。なお、第３の偏光素子６２としては、第１及び第２の偏光素子２２，４２と同様に、非相反性の光学活性を有する偏光素子として、例えばファラデーローテータを適用することができる。本変形例によれば、入射光Ｌ４の偏光面を調整して、光分岐面７１において好適に反射させることができる。

また、図５に示される光学モジュール１Ｄは、上記実施形態の光学モジュール１Ｃの構成に加えて、相反性の光学活性を有する偏光素子である１／２波長板７６を更に備えている。本変形例では、１／２波長板７６は偏光ビームスプリッタ７０と第１の反射型ＳＬＭ３２との間の光路上に配置されており、図には偏光ビームスプリッタ７０と第１の偏光素子２２との間の光路上に配置された例が示されている。

この例において、偏光ビームスプリッタ７０の光分岐面７１を反射した入射光Ｌ４は、１／２波長板７６を通過する。このとき、入射光Ｌ４の偏光面は、１／２波長板７６によってｓ偏光面から或る回転方向に９０°回転する。その後、入射光Ｌ４は、第１の偏光素子２２と第１の反射型ＳＬＭ３２との間を往復して第１の変調光Ｌ５となり、１／２波長板７６を再び通過する。このとき、第１の変調光Ｌ５の偏光面は、１／２波長板７６によって上記とは逆の向きに９０°回転する。その結果、偏光ビームスプリッタ７０に入射するときの第１の変調光Ｌ５の偏光面は、ｐ偏光成分を主に含む（或いは、ｐ偏光成分のみから成る）こととなる。これにより、第１の変調光Ｌ５は、光分岐面７１を透過し、第２の面７５から出射される。

本変形例では、第１の反射型ＳＬＭ３２に入射する際の入射光Ｌ４の偏光面を９０°回転させている。これにより、第１の反射型ＳＬＭ３２に入射する直前の入射光Ｌ４の偏光面の角度を任意に制御することができる。したがって、例えば第１及び第２の反射型ＳＬＭ３２，５２が液晶型ＳＬＭである場合に、第１の反射型ＳＬＭ３２の液晶の配向方向を任意に設定することができる。これにより、例えば第１の反射型ＳＬＭ３２の液晶の配向方向と第２の反射型ＳＬＭ５２の液晶の配向方向とを揃える（互いに平行にする）ことが可能となり、第１及び第２の反射型ＳＬＭ３２，５２のそれぞれに入力される変調データを共通化することが可能になる。

なお、１／２波長板７６は、第１の偏光素子２２と第１の反射型ＳＬＭ３２との間の光路上に配置されてもよく、或いは、偏光ビームスプリッタ７０と第２の反射型ＳＬＭ５２との間（偏光ビームスプリッタ７０と第２の偏光素子４２との間、もしくは第２の偏光素子４２と第２の反射型ＳＬＭ５２との間）の光路上に配置されてもよい。１／２波長板７６が偏光ビームスプリッタ７０と第２の反射型ＳＬＭ５２との間の光路上に配置される場合、第２の反射型ＳＬＭ５２に入射する直前の第１の変調光Ｌ５の偏光面の角度を任意に制御することができ、上述した効果を同様に奏することができる。

（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る光学モジュール１Ｅの構成を示す図である。図６に示されるように、この光学モジュール１Ｅは、図１に示された光学モジュール１Ａを２つ組み合わせて構成されている。すなわち、一方の光学モジュール１Ａの光出射面１３と、他方の光学モジュール１Ａの光入射面１２とが光学的に結合されており、一方の光学モジュール１Ａから出力された第２の変調光Ｌ３が、他方の光学モジュール１Ａへ入射光Ｌ１として入力される。

本実施形態のように、光学モジュールは、前述した各実施形態および各変形例の光学モジュール１Ａ〜１Ｄが多段に組み合わされて構成されてもよい。その場合、同一の構成を備える光学モジュール同士を組み合わせてもよく、互いに異なる構成を備える光学モジュール同士を組み合わせてもよい。これにより、３個以上のＳＬＭを光学的に直列に配置することが可能となる。

本発明による光学モジュールは、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態および各変形例では、偏光ビームスプリッタとして断面矩形状（キューブ型）のものを例示したが、本発明では、例えばプレート型といった様々な形状の偏光ビームスプリッタを適用することができる。

また、上述した各実施形態および各変形例では、偏光ビームスプリッタへの入射光の光軸に対して出射光（第２の変調光）の光軸が９０°若しくは０°を成しているが、これらの光軸がその他の角度を成すようにＳＬＭや偏光素子を配置してもよい。

また、上述した各実施形態および各変形例では、上記のように断面矩形状（キューブ型）の偏光ビームスプリッタを用いているが、キューブ型の偏光ビームスプリッタの光分岐面はプレート型のものと比較して平面度が低く、光分岐面に形状歪みが存在し、反射光に波面収差を加えることがある。また、ＳＬＭの変調面も同様に、歪みによって変調光に波面収差を生じせしめる場合がある。これらのように、本発明の光学モジュールにおいて収差を発生させる要因がある場合、その収差を予め求めておき、この収差を除去し得るような位相変調パターンを各ＳＬＭの所望の位相変調パターンに加えるとよい。これにより、収差に影響され難い変調動作を実現することができる。

また、上述した各実施形態および各変形例において、光学モジュールの用途によっては、ＳＬＭと偏光ビームスプリッタとの間隔調整を要する場合がある。そのような場合、光軸方向における偏光ビームスプリッタとの間隔を可変にする移動手段をＳＬＭに設けることが望ましい。

また、上述した各実施形態および各変形例の光学モジュールの用途としては、観察対象物からの光を撮像する光観察装置が挙げられる。図７は、光観察装置２Ａの構成例を示す図である。この光観察装置２Ａは、上述した各実施形態および各変形例の光学モジュール（図には第１実施形態の光学モジュール１Ａを例示）、観察対象物８４が載置される載置台８７、観察対象物８４からの光を入射光Ｌ１（またはＬ４）として偏光ビームスプリッタ１０（または７０）に導く第１の導光光学系８５、偏光ビームスプリッタ１０（または７０）から出射された第２の変調光Ｌ３（またはＬ６）を導光する第２の導光光学系８６、第２の導光光学系８６によって導かれた第２の変調光Ｌ３（またはＬ６）を撮像する撮像装置８８を備えている。第１の導光光学系８５は、例えば、対物レンズなどから構成される。また、第２の導光光学系８６は、例えば、結像レンズやリレーレンズといった光学素子によって構成される。さらに、撮像装置８８は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子によって構成される。あるいは、第２の導光光学系８６がビームスキャナとリレーレンズ、結像レンズで構成され、撮像装置８８がピンホールと単一光検出器で構成されていても良い。

また、上述した各実施形態および各変形例の光学モジュールの別の用途としては、照射対象物に光を照射する光照射装置が挙げられる。図８は、光照射装置２Ｂの構成例を示す図である。この光照射装置２Ｂは、上述した各実施形態および各変形例の光学モジュール（図には第１実施形態の光学モジュール１Ａを例示）、照射対象物９４を載置する載置台９７、偏光ビームスプリッタ１０（または７０）に入射する入射光Ｌ１（またはＬ４）を出力する光源９３、偏光ビームスプリッタ１０（または７０）から出射された第２の変調光Ｌ３（またはＬ６）を照射対象物９４に導く導光光学系９５を備える。光源９３としては、半導体レーザ素子などのレーザ光源やＬＥＤやＳＬＤ、ランプ系の光源などが挙げられる。また、導光光学系９５としては、対物レンズなどが挙げられる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…光学モジュール、１０，７０…偏光ビームスプリッタ、１１，７１…光分岐面、１２，７２…光入射面、１３，７３…光出射面、１４，７４…第１の面、１５，７５…第２の面、１６，７６…１／２波長板、２０，２２…第１の偏光素子、３０，３２…第１の反射型ＳＬＭ、３１，３３…変調面、４０，４２…第２の偏光素子、５０，５２…第２の反射型ＳＬＭ、５１，５３…変調面、６０，６２…第３の偏光素子、Ｌ１，Ｌ４…入射光、Ｌ２，Ｌ５…第１の変調光、Ｌ３，Ｌ６…第２の変調光。

Claims (11)

1. ｓ偏光成分を反射してｐ偏光成分を透過する光分岐面を有し、ｐ偏光成分を含む入射光を前記光分岐面に受ける偏光ビームスプリッタと、
   前記光分岐面を透過した前記入射光の偏光面を回転させる非相反性の光学活性を有する第１の偏光素子と、
   前記第１の偏光素子を通過した前記入射光を変調して第１の変調光を生成するとともに、前記第１の変調光を前記第１の偏光素子へ反射する第１の反射型空間光変調器と、
   前記第１の偏光素子を再び通過し、前記光分岐面において反射された前記第１の変調光の偏光面を回転させる非相反性の光学活性を有する第２の偏光素子と、
   前記第２の偏光素子を通過した前記第１の変調光を変調して第２の変調光を生成するとともに、前記第２の変調光を前記第２の偏光素子へ反射する第２の反射型空間光変調器と、を備え、
   前記第２の変調光は、前記第２の偏光素子を再び通過した後、前記光分岐面を透過して出力されることを特徴とする、光学モジュール。
2. 前記偏光ビームスプリッタが、
   前記入射光を受ける光入射面と、
   前記第２の変調光を出力する光出射面と、
   前記第１の偏光素子と光学的に結合された第１の面と、
   前記第２の偏光素子と光学的に結合された第２の面と
   を有することを特徴とする、請求項１に記載の光学モジュール。
3. 前記光入射面と前記第１の面とが第１の方向に並んで配置されており、
   前記光出射面と前記第２の面とが、前記第１の方向と交差する第２の方向に並んで配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の光学モジュール。
4. 前記光入射面と光学的に結合された第３の偏光素子を更に備え、
   前記第３の偏光素子は、前記入射光がｐ偏光成分を含むように前記入射光の偏光面を回転させることを特徴とする、請求項２または３に記載の光学モジュール。
5. ｓ偏光成分を反射してｐ偏光成分を透過する光分岐面を有し、ｓ偏光成分を含む入射光を前記光分岐面に受ける偏光ビームスプリッタと、
   前記光分岐面において反射された前記入射光の偏光面を回転させる非相反性の光学活性を有する第１の偏光素子と、
   前記第１の偏光素子を通過した前記入射光を変調して第１の変調光を生成するとともに、前記第１の変調光を前記第１の偏光素子へ反射する第１の反射型空間光変調器と、
   前記第１の偏光素子を再び通過し、前記光分岐面を透過した前記第１の変調光の偏光面を回転させる非相反性の光学活性を有する第２の偏光素子と、
   前記第２の偏光素子を通過した前記第１の変調光を変調して第２の変調光を生成するとともに、前記第２の変調光を前記第２の偏光素子へ反射する第２の反射型空間光変調器と、を備え、
   前記第２の変調光は、前記第２の偏光素子を再び通過した後、前記光分岐面において反射されて出力されることを特徴とする、光学モジュール。
6. 前記偏光ビームスプリッタが、
   前記入射光を受ける光入射面と、
   前記第２の変調光を出力する光出射面と、
   前記第１の偏光素子と光学的に結合された第１の面と、
   前記第２の偏光素子と光学的に結合された第２の面と
   を有することを特徴とする、請求項５に記載の光学モジュール。
7. 前記光入射面と前記光出射面とが第１の方向に並んで配置されており、
   前記第１の面と前記第２の面とが、前記第１の方向と交差する第２の方向に並んで配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の光学モジュール。
8. 前記光入射面と光学的に結合された第３の偏光素子を更に備え、
   前記第３の偏光素子は、前記入射光がｓ偏光成分を含むように前記入射光の偏光面を回転させることを特徴とする、請求項６または７に記載の光学モジュール。
9. 前記偏光ビームスプリッタと前記第１の反射型空間光変調器との間、もしくは前記偏光ビームスプリッタと前記第２の反射型空間光変調器との間のうちいずれか一方に配置された２分の１波長板を更に備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学モジュール。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載された光学モジュールと、
    観察対象物が載置される載置台と、
    前記観察対象物からの光を前記入射光として前記偏光ビームスプリッタに導く第１の導光光学系と、
    前記偏光ビームスプリッタから出射された前記第２の変調光を導光する第２の導光光学系と、
    前記第２の導光光学系によって導かれた前記第２の変調光を撮像する撮像装置と
    を備えることを特徴とする、光観察装置。
11. 請求項１〜９のいずれか一項に記載された光学モジュールと、
    照射対象物が載置される載置台と、
    前記偏光ビームスプリッタに入射する前記入射光を出力する光源と、
    前記偏光ビームスプリッタから出射された前記第２の変調光を前記照射対象物に導く導光光学系と
    を備えることを特徴とする、光照射装置。

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