JP6551891B2 - 光分配装置 - Google Patents

Description

本発明は、光分配装置に関する。

非特許文献１には、ミラーを搭載可能なフリップマウントが開示されている。ミラーを搭載したフリップマウント、すなわち、フリップミラーを用いることで、ミラーを光路中に挿脱することができる。このようにすることで、光源からの光を異なる２つの光学装置に利用することが可能となる。例えば、光源を２つの光学顕微鏡で共用することができる。あるいは、１つの光源からの光を光学顕微鏡の透過照明、及び落射照明の２つの用途に用いることができる。

https://www.thorlabs.co.jp/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3962インターネット ２０１７年１０月３１日検索 https://www.thorlabs.co.jp/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=816インターネット ２０１７年１０月３１日検索

フリップミラーが光路を切替えることで、それぞれに用途に光が供給される。例えば、図１５に示すように、フリップミラーがミラー５１を光路に挿入した場合、入射光Ｌ５１がミラー５１に入射する。ミラー５１は入射光Ｌ５１をミラー５２の方向に反射する。よって、ミラー５２で反射した出射光Ｌ５３を第１の用途に用いることができる。一方、図１６に示すように、フリップミラーがミラー５１を光路中から取り除くことで、入射光Ｌ５１が直進する。よって、出射光Ｌ５２を第２の用途に用いることができる。

しかしながら、非特許文献１のフリップマウントは、１００μｒａｄ以上のビーム安定性が必要となる用途には推奨されていない。フリップミラーが繰り返し動作した場合、光の入射位置がずれてしまうおそれがある。高精度の位置決めが要求される光学顕微鏡には適していない。また、フリップミラーを用いた構成では、２つの用途に対して、同時に光を供給することができない。

また、偏光ビームスプリッタと１／２波長板を組み合わせることで、光を分配することができる。例えば、図１７のように、１／２波長板２０１と偏光ビームスプリッタ２０２と１／２波長板２０３とを組み合わせた光学系が考えられる。なお、図１７において、各光路に示された両方向矢印は、レーザ光の偏光方向を示している。

入射光となるレーザ光Ｌ２０は、１／２波長板２０１に入射する。１／２波長板２０１を通過したレーザ光Ｌ２１は、ＰＢＳ２０２に入射する。なお、１／２波長板２０１は、その中心軸周りに回転可能に設けられている。１／２波長板２０１の回転角度に応じて、レーザ光Ｌ２１の偏光状態が変化する。

よって、レーザ光Ｌ２１の一部は、ＰＢＳ２０２を通過し、残りは、ＰＢＳ２０２で１／２波長板２０３の方向に反射される。ＰＢＳ２０２を通過したｐ偏光のレーザ光Ｌ２２は、第１の用途に利用される。ＰＢＳ２０２で反射したｓ偏光のレーザ光Ｌ２３は、１／２波長板２０３を透過する。１／２波長板２０３を透過したレーザ光Ｌ２３は、ミラー２０４に入射する。ミラー２０４で反射したレーザ光Ｌ２３は、第２の用途に利用される。また、１／２波長板２０３の角度を調整することで、レーザ光Ｌ２３の偏光方向を、ｐ偏光とすることができる。

図１７に示す構成では、１／２波長板２０１の回転角度により、光の分配比率を調整することができる。また、可動部分に反射部材がないため、光の位置精度を高くすることができる。しかしながら、分配比を１００％にすることができない。

また、ＰＢＳ２０２では、図１８に示すように、誘電体多層膜２１２が反射面となっている。誘電体多層膜２１２は、屈折による分散無しで、ｓ偏光とｐ偏光とを分離できる。しかしながら、誘電体多層膜２１２はレーザ耐力が低い。よって、高エネルギーのレーザ光を長時間照射すると、誘電体多層膜２１２が損傷するおそれがある。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、適切に光を分配することができる光分配装置を提供することを目的とするものである。

本実施形態の一態様にかかる光分配装置は、入射光の偏光状態を変化させることが可能な光学素子と、前記光学素子からの入射光が入射する第１のグランテーラープリズムと、を備え、前記第１のグランテーラープリズムは、第１の結晶素子と、ギャップを隔てて前記第１の結晶素子に対向して配置された第２の結晶素子と、を備え、前記第１の結晶素子は、前記光学素子からの入射光が入射する入射面となる第１の面と、前記ギャップに面した面である第２の面と、前記第２の面で全反射した反射光が出射する出射面となり、かつ、前記反射光の光軸と直交する平面である第３の面とを備え、前記第２の結晶素子は、前記ギャップに面した第４の面と、前記第４の面から入射した透過光が出射する出射面となる第５の面と、を備えている。

上記の光分配装置は、前記第３の面から出射した第１の出射光が入射する第２のグランテーラープリズムをさらに備えていてもよい。

上記の光分配装置は、前記第３の面から出射した第１の出射光の光路に挿脱可能に配置された第１のシャッタと、前記第５の面から出射した第２の出射光の光路に挿脱可能に配置された第２のシャッタと、をさらに備えたていてもよい。

上記の光分配装置は、前記第１のグランテーラープリズム、及び前記光学素子を移動させる可動手段と、前記可動手段によって移動するミラーと、をさらに備え、前記可動手段が、前記入射光が、前記ミラー、前記光学素子、及び前記第１のグランテーラープリズムのいずれにも入射しない第１の状態と、前記入射光が、前記光学素子、及び前記第１のグランテーラープリズムに入射せずに、前記ミラーに入射する第２の状態と、前記入射光が、前記ミラーに入射せずに、前記光学素子、及び前記第１のグランテーラープリズムに入射する第３の状態と、を切替え可能であってもよい。

上記の光分配装置において、前記可動手段が、前記第２の面に沿って、前記ミラー、前記第１のグランテーラープリズム、及び光学素子を移動させるようにしてもよい。

上記の光分配装置において、前記ミラーの反射面が前記可動手段の移動方向に沿って設けられていてもよい。

上記の光分配装置は、第１のプリズム素子と、前記第１のプリズム素子とギャップを隔てて配置された第２のプリズム素子と、前記第１のプリズム素子、及び前記第２のプリズム素子の少なくとも一方を移動させることで、入射光の入射位置における前記ギャップの間隔を変更するアクチュエータと、を備え、前記第１のプリズム素子は、入射光が入射する第１の面と、前記ギャップに面した平面であって、前記第１の面から入射した入射光が全反射する第２の面と、前記第２の面で全反射した反射光が出射する出射面となる第３の面と、を備え、前記第２のプリズム素子は、前記ギャップに面した第４の面と、前記第４の面から入射した透過光が出射する出射面となる第５の面と、を備えている。

上記の光分配装置において、前記第２の面と前記第４の面とが非平行になっており、前記アクチュエータが前記第１のプリズム素子及び前記第２のプリズム素子を前記第２の面に沿って移動させるようにしてもよい。

上記の光分配装置において、前記アクチュエータが、前記第２のプリズム素子を前記第１のプリズム素子に近接離間させるようにしてもよい。

本発明によれば、適切に光を分配することができる光分配装置を提供することができる。

実施の形態１にかかる光分配装置の全体構成を示す図である。 第１のグランテーラープリズムの構成を示す図である。 一般的なグランテーラープリズムの構成を示す図である。 同時使用状態における光分配装置を示す斜視図である。 同時使用状態における光分配装置を示す上面図である。 第１の使用状態における光分配装置を示す斜視図である。 第１の使用状態における光分配装置を示す上面図である。 第２の使用状態における光分配装置を示す斜視図である。 第２の使用状態における光分配装置を示す上面図である。 方解石の屈折率と臨界角を示す表である。 実施の形態２にかかる光分配装置の基本的な概念を説明するための図である。 実施の形態２にかかる光分配装置の基本的な概念を説明するための図である。 実施の形態２にかかる光分配装置の全体構成を示す図である。 実施の形態２にかかる光分配装置の好適な実施例を示す図である。 フリップミラーを用いて光路を切替える構成を示す図である。 フリップミラーを用いて光路を切替える構成を示す図である。 偏光ビームスプリッタと１／２波長板を用いて光路を切替える構成を示す図である。 偏光ビームスプリッタの構成を示す図である。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる光分配装置１００の全体構成を模式的に示す斜視図である。光分配装置１００は入射光Ｌ１を２つの出射光Ｌ２、及び出射光Ｌ４に分配するための光学系を備えている。具体的には、光分配装置１００は、１／２波長板１と、シャッタ２と、ミラー３と、シャッタ４と、第１のグランテーラープリズム１０と、第２のグランテーラープリズム２０と、ミラー５と、集光レンズ６と、光検出器７と、を備えている。

なお、本実施の形態では、光分配装置１００によって分配された２つの光が、第１の光学装置と第２の光学装置に使用される例について説明する。ここで、第１の光学装置に利用される用途を第１の用途とし、第２の光学装置に利用される用途を第２の用途とする。第１の光学装置、及び第２の光学装置は、例えば、光学顕微鏡等である。

光分配装置１００には、レーザ光源（図示せず）からの入射光Ｌ１が供給される。入射光Ｌ１は、所定の方向に偏光した直線偏光となっている。また、入射光Ｌ１は平行光束となっている。入射光Ｌ１は、例えば、チタンサファイアレーザ等のレーザ光である。また、入射光Ｌ１は、フェムト秒レーザ光などのパルスレーザであってもよい。もちろん、入射光Ｌ１は、連続発振のＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーザ光であってもよい。光分配装置１００に供給される光はレーザ光に限られるものではない。すなわち、レーザ光源以外の光源からの光を光分配装置１００に供給してもよい。

入射光Ｌ１は、１／２波長板１に入射する。１／２波長板１は、回転可能に設けられている。１／２波長板１の回転軸は、１／２波長板１の表面と直交する中心軸と一致している。１／２波長板１の回転角度に応じて、入射光Ｌ１の偏光方向が変化する。すなわち、入射光Ｌ１は、１／２波長板１の回転角度に応じた偏光方向を有する直線偏光となる。

１／２波長板１を透過した入射光Ｌ１は、第１のグランテーラープリズム１０に入射する。第１のグランテーラープリズム１０は、異常光を透過し、常光を反射する。第１のグランテーラープリズム１０は、入射光Ｌ１の偏光方向に応じた割合で、入射光Ｌ１を分岐する。１／２波長板１の回転角度を調整することにより、Ｌ１の偏光比が変化するため、光の分配割合を制御することができる。

このように、第１のグランテーラープリズム１０は、光の偏光状態に応じて、光を分岐するビームスプリッタとなる。第１のグランテーラープリズム１０の構成については後述する。第１のグランテーラープリズム１０を透過した光を透過側の出射光Ｌ２とする。一方、第１のグランテーラープリズム１０で反射した光を反射側の出射光Ｌ３とする。

シャッタ２は、フリップマウント等に搭載された可動シャッタである。シャッタ２は、出射光Ｌ２の光路に、挿脱可能に配置されている。出射光Ｌ２を利用する場合は、シャッタ２は、出射光Ｌ２の光路から取り除かれる。これにより、出射光Ｌ２が第１の光学装置に供給される。出射光Ｌ２を利用しない場合は、シャッタ２は、出射光Ｌ２の光路に挿入される。これにより、出射光Ｌ２を遮光することができる。なお、出射光Ｌ２を完全に遮光する必要がない場合、シャッタ２を省略することができる。

第１のグランテーラープリズム１０からの出射光Ｌ３は、第２のグランテーラープリズム２０に入射する。厳密には、反射側の出射光Ｌ３には常光だけではなく、一部の異常光も含まれる。したがって、反射側の出射光Ｌ３の消光比は、透過側の出射光Ｌ２の消光比よりも低くなる。このため、本実施の形態では、反射側の出射光Ｌ３の光路中に、第２のグランテーラープリズム２０を配置している。反射側の出射光Ｌ３は、第２のグランテーラープリズム２０に入射する。第２のグランテーラープリズム２０は、反射側の出射光Ｌの消光比を高くするために配置されている。すなわち、反射側の出射光Ｌ３が第２のグランテーラープリズム２０の異常光となるように、結晶方位が調整されている。これにより、出射光Ｌ３の異常光成分のみが、第２のグランテーラープリズム２０を通過する。よって、不要な偏光成分を除去することができ、消光比を高くすることができる。

第２のグランテーラープリズム２０を透過した出射光Ｌ４は、ミラー３で反射する。ミラー３は、出射光Ｌ４をシャッタ４の方向に反射する。シャッタ４は、フリップマウント等に搭載された可動シャッタである。シャッタ４は、出射光Ｌ４の光路中に、挿脱可能に配置されている。出射光Ｌ４を利用する場合は、シャッタ４は、出射光Ｌ４の光路から取り除かれる。これにより、出射光Ｌ４が第２の光学顕微鏡に供給される。出射光Ｌ４を利用しない場合は、シャッタ４は、出射光Ｌ４の光路に挿入される。これにより、出射光Ｌ４を遮光することができる。なお、出射光Ｌ４を完全に遮光する必要がない場合、シャッタ４を省略することができる

なお、シャッタ４を配置する位置は、ミラー３の後段に限られるものではない。例えば、第１のグランテーラープリズム１０と第２のグランテーラープリズム２０との間に、シャッタ４が配置されていてもよい。あるいは、ミラー３と第２のグランテーラープリズム２０との間にシャッタ４が配置されていてもよい。

出射光Ｌ２と出射光Ｌ４とを同時に利用する場合、シャッタ２とシャッタ４とが光路中から取り除かれる。さらに、出射光Ｌ２と出射光Ｌ４との割合を変更する場合、１／２波長板１の回転角度を制御する。これにより、第１のグランテーラープリズム１０に入射する直線偏光の方向が変わるため、第１のグランテーラープリズム１０における透過光と反射光との割合を変更することができる。したがって、第１の用途と第２の用途とに供給する光を任意の割合とすることができる。

さらに、光分配装置１００がシャッタ２、及びシャッタ４を備えているため、使用しない出射光を遮断することができる。よって、出射光Ｌ２、Ｌ４が１つの試料に対する透過照明と落射照明の用途に用いられる場合、試料に入射する迷光を低減することができる。

次に、グランテーラープリズムの構成について、図２、及び図３を用いて説明する。図２は、第１のグランテーラープリズム１０の構成を示す図である。図３は、一般的なグランテーラープリズム３１０の構成を示す図である。なお、図３に示すグランテーラープリズム３１０は、第２のグランテーラープリズム２０として用いられていてもよい。

第１のグランテーラープリズム１０は、第１の結晶素子１１と第２の結晶素子１２とを備えている。第１の結晶素子１１と第２の結晶素子１２との間には、ギャップ１８が設けられている。すなわち、第２の結晶素子１２はギャップ１８を隔てて、第１の結晶素子１１に対向配置されている。ギャップ１８はほぼ一定の間隔を有するエアギャップである。第１の結晶素子１１と第２の結晶素子１２とは図示しないホルダによって保持されている。また、入射光Ｌ１、出射光Ｌ２、及び出射光Ｌ３が通過するための窓がホルダに形成されている。

第１の結晶素子１１は、例えば、方解石等の複屈折素子である。第１の結晶素子１１の結晶方位は、図２の破線矢印に示すように、紙面内における上下方向となっている。図２では、第１の結晶素子１１は、紙面と平行な上面及び底面を有する三角柱状になっている。第１の結晶素子１１は、第１の面Ｓ１と、第２の面Ｓ２と、第３の面Ｓ３とを備えている。同様に、第２の結晶素子１２は、紙面と平行な上面及び底面を有する三角柱状になっている。第２の結晶素子１２は、第４の面Ｓ５と、第５の面Ｓ５と、第６の面Ｓ６とを備えている。第１の面Ｓ１〜第６の面Ｓ６は平面となっている。

第１の面Ｓ１は、１／２波長板１からの入射光Ｌ１が入射する入射面となる。第１の面Ｓ１は、入射光Ｌ１の光軸と直交する平面となっている。第１の面Ｓ１から第１の結晶素子１１内に入射した入射光Ｌ１を入射光Ｌ１ａとする。入射光Ｌ１ａは、第１の結晶素子１１内を伝搬する。

第２の面Ｓ２は、ギャップ１８に面した平面となる。すなわち、第２の面Ｓ２は、ギャップ１８と第１の結晶素子１１との界面となっている。第２の面Ｓ２は、入射光Ｌ１ａの光軸に対して傾いている。第１の結晶素子１１は、エア（空気）よりも屈折率の高い材料により形成されている。第２の面Ｓ２に対する入射光Ｌ１ａの入射角θ１は、常光に対する臨界角よりも大きくなっており、異常光に対する臨界角よりも小さくなっている。よって、第２の面Ｓ２において、常光成分が全反射し、異常光成分が透過する。

入射光Ｌ１ａの常光成分は、第２の面Ｓ２で全反射して、反射光Ｌ１ｂとなる。図２に示すθ１とθ２は第２の面Ｓ２において、常光線の全反射角よりわずかに大きく、異常光線の全反射角より小さい。反射光Ｌ１ｂは、入射光Ｌ１ａと異なる角度の光軸となって、第１の結晶素子１１内を伝搬する。そして、反射光Ｌ１ｂは、第３の面Ｓ３に入射する。反射光Ｌ１ｂは、第３の面Ｓ３から第１の結晶素子１１の外側に出射する。

第３の面Ｓ３と第１の面Ｓ１との成す角度は鈍角になっている。第２の面Ｓ２と第１の面Ｓ１との成す角度は鋭角になっている。第３の面Ｓ３は、反射光Ｌ１ｂの光軸と直交する平面となっている。光軸上の反射光Ｌ１ｂは、第３の面Ｓ３において屈折せずに、第１の結晶素子１１の外側に出射する。第３の面Ｓ３は、反射光Ｌ１ｂが出射する出射面となる。第３の面Ｓ３から第１の結晶素子１１の外側に出射した光が出射光Ｌ３となる。反射光Ｌ１ｂの光軸と出射光Ｌ３の光軸とが平行になっている。

一方、入射光Ｌ１ａの異常光成分は、第２の面Ｓ２を透過して、透過光Ｌ１ｃとなる。透過光Ｌ１ｃはギャップ１８を通過して、第４の面Ｓ４に入射する。第４の面Ｓ４は、ギャップ１８に面した平面である。第４の面Ｓ４は、第２の面Ｓ２と平行になっている。そして、透過光Ｌ１ｃは、第４の面Ｓ４から第２の結晶素子１２内に入射する。透過光Ｌ１ｃの光軸は、入射光Ｌ１ａの光軸と平行となっている。第２の結晶素子１２内を伝搬した透過光Ｌ１ｃは、第５の面Ｓ５に入射する。透過光Ｌ１ｃは、第５の面Ｓ５から、第２の結晶素子１２の外側に出射する。第２の結晶素子１２の外側に出射した透過光Ｌ１ｃが出射光Ｌ２となる。

図３に示す一般的なグランテーラープリズム３１０について、図２の第１のグランテーラープリズム１０と対比して説明する．グランテーラープリズム３１０は、第１の結晶素子３１１、及び第２の結晶素子３１２を備えている。第１の結晶素子３１１は、第１の面Ｓ３０１、第２の面Ｓ３０２、及び第３の面Ｓ３０３を備えている。第２の結晶素子３１２は、第４の面Ｓ３０４、第５の面Ｓ３０５、及び第６の面Ｓ３０６を備えている。第１の結晶素子３１１と第２の結晶素子３１２との間には、ギャップ３１８が配置されている。

第２の結晶素子３１２の第４の面Ｓ３０４、第５の面Ｓ３０５、及び第６の面Ｓ３０６は、それぞれ第２の結晶素子１２の第４の面Ｓ４、第５の面Ｓ５、及び第６の面Ｓ６と同様の構成となっている。第１の結晶素子３１１の第１の面Ｓ３０１、及び第２の面Ｓ３０２は、第１の結晶素子１１の第１の面Ｓ１、第５の面Ｓ５、及び第６の面Ｓ６と同様の構成となっている。

第１の結晶素子３１１の第３の面Ｓ３０３の角度が、第１の結晶素子１１の第３の面Ｓ３の角度と異なっている。具体的には、第１の結晶素子３１１の第１の面Ｓ３０１と第３の面Ｓ３０３との成す角度が直角となっている。第２の面Ｓ３０２で全反射した反射光Ｌ１ｂは、第３の面Ｓ３０３に入射する。反射光Ｌ１ｂの光軸は第３の面Ｓ３０３に対して直交していないため、第３の面Ｓ３０３で光が屈折する（図３の破線の丸Ａ）。すなわち、反射光Ｌ１ｂの光軸と出射光Ｌ３の光軸とが異なる方向となっている。第３の面Ｓ３０３で光が屈折する場合、出射光Ｌ３に波長分散が生じる。したがって、波長に応じて出射光Ｌ３の入射位置がずれてしまう。特に、ブロードな波長のレーザ、例えば、フェムト秒レーザ光を入射光Ｌ１とした場合、屈折角に波長分散が生じてしまう。

本実施の形態では、第１のグランテーラープリズム１０を用いているため、透過側の出射光Ｌ２の消光比を高くすることができる。さらに、反射面として誘電体多層膜を用いていないため、レーザ耐力が高い。よって、高パワーのレーザ光を入射光Ｌ１として用いることが可能となる。また、第３の面Ｓ３において、反射側の出射光Ｌ３が屈折しないため、屈折による色分散が生じない。したがって、光分配装置は、フェムト秒レーザ光などの短パルスレーザ光の分配に好適である。第１のグランテーラープリズム１０を用いることで、適切に入射光Ｌ１を２つの出射光Ｌ２、Ｌ３に分配することができる。

なお、上記の説明では、出射光Ｌ２、及び出射光Ｌ４が異なる光学装置に使用される例について説明したが、出射光Ｌ２、及び出射光Ｌ４が同じ光学装置の異なる用途に使用されてもよい。例えば、出射光Ｌ２を光学顕微鏡の透過照明光として、出射光Ｌ４を落射照明光として供給することが可能である。光分配装置１００が分配した２つの出射光が試料を上側から照明する落射照明光と、試料を下側から照明する透過照明光との２つの用途に使用される。試料を上側から照明する落射照明が第１の用途となり、試料を下側から照明する透過照明が第２の用途となる。

図１の説明に戻る。図１に示すように、光分配装置１００は、パルスタイミングを検出するために、ミラー５、集光レンズ６，及び光検出器７を備えている。上記のように、１／２波長板１は、入射光Ｌ１の光軸に対して、わずかに傾いている。例えば、１／２波長板１の表面と入射光Ｌ１の光軸との成す角は、１°〜２°程度とすることができる。したがって、１／２波長板１の表面で反射した光（以下、検出光Ｌ５とする）は、ミラー５に入射する。よって、検出光Ｌ５の光軸は、入射光Ｌ１の光軸から傾いている。ミラー５は、入射光Ｌ１を遮らない位置に配置された小型ミラーである。

ミラー５で反射した検出光Ｌ５は、集光レンズ６で集光される。集光レンズ６は、検出光Ｌ５を光検出器７の受光面に集光する。光検出器７は、高速フォトダイオードなどであり、検出光Ｌ５を検出する。よって，光検出器７からの検出信号により、入射光Ｌ１のパルスタイミングを検出することができる。なお、パルスタイミングを検出する必要がない場合、ミラー５、集光レンズ６、光検出器７を省略することもできる。

本実施の形態では、１／２波長板１が入射光Ｌ１の光軸に対して傾いている。そして、入射光Ｌ１が入射しない位置にミラー５が配置されている。したがって、分配強度に影響を与えることなく、また影響を受けることもなく、パルスタイミングを検出することができる。

なお、入射光Ｌ１の光軸を１／２波長板１の中心軸からずらしてもよい。この場合、１／２波長板１を回転させると、１／２波長板１における入射光Ｌ１の入射位置が変化する。これにより、レーザ光による１／２波長板１の損傷が集中することを避けられる。

図２に示す構成の第１のグランテーラープリズム１０を用いて、入射光Ｌ１を出射光Ｌ２と出射光Ｌ３に分岐する。これにより、１／２波長板１の角度を回転させることで、分配比率を変えることができる。また、反射側の出射光Ｌ３が、第３の面Ｓ３の界面において屈折しない。よって、波長分散を抑制することができ、高品質の光ビームを第２の光学顕微鏡に供給することができる。また、機械的な動作部分がシャッタ２、４と１／２波長板１のみであり、１／２波長板１は透過使用であるから平行度を高く保てば、位置精度の低下を防ぐことができる。さらに、反射面に誘電体多層膜が設けられていないため、高パワーの入射光Ｌ１を分配することが可能となる。このように、第１のグランテーラープリズム１０を用いることで、適切に光を分配することができる。

第１のグランテーラープリズム１０の反射側の消光比は、通常、透過側の消光比よりも低くなっている。第１のグランテーラープリズム１０の反射側の出射光Ｌ３の光路中に、第２のグランテーラープリズム２０を配置することで、反射側の出射光Ｌ４の消光比を高くすることができる。よって、所望の偏光成分のみの照明光で試料を照明することができる。

１つの光源からの入射光を任意の分配割合で２つの用途に用いることができる。例えば、高価な高出力レーザ光源を２つの用途に共用することが可能である。例えば、２台の光学顕微鏡で照明光源を共用したい場合、光分配装置１００により光を２つの出射光に分配することができる。よって、それぞれの用途において、適切な光量で試料を照明することができる。もちろん、

光分配装置１００の動作例について図４〜図９を用いて説明する。図４、図６、図８は、光分配装置１００の構成を示す斜視図であり、図５、図７、図９は、光分配装置１００の構成を示す上面図である。図５、図７、図９では、シャッタ２、４が省略されている。

なお、図４〜図９に示す光分配装置１００では、図１の構成に加えて、ミラー９が追加されている。さらに、図４、図６、図８に示すように、光分配装置１００は、各光学素子を移動させるための可動ステージ３０を備えている。具体的には、可動ステージ３０には、１／２波長板１、第１のグランテーラープリズム１０、第２のグランテーラープリズム２０、ミラー５、集光レンズ６、光検出器７、及びミラー９が固定されている。よって、可動ステージ３０は、１／２波長板１、第１のグランテーラープリズム１０、第２のグランテーラープリズム２０、ミラー５、集光レンズ６、光検出器７、及びミラー９を水平に移動させる。

図４、及び図５は、レーザ光を第１の用途と第２の用途とに同時に使用する状態（以下、同時使用状態、又は第３の使用状態とする）を示している。図６、及び図７は、第１の用途のみに使用する状態（以下、第１の使用状態とする）を示している。図８、及び図９は、レーザ光を第２の用途のみに使用する状態（以下、第２の使用状態とする）を示している。可動ステージ３０は、第１の使用状態と、第２の使用状態と、同時使用状態とを切替えるよう、第１のグランテーラープリズム１０等を移動させる。

同時使用状態では、図４、図５に示すように、入射光Ｌ１は、１／２波長板１に入射する。そして、図１、図２で示したように、第１のグランテーラープリズム１０によって、入射光Ｌ１が２つの出射光Ｌ２，Ｌ４に分配される。よって、出射光Ｌ２を第１の用途に、出射光Ｌ４を第２の用途に用いることができる。

可動ステージ３０は、第１のグランテーラープリズム１０のギャップ１８の方向に沿って移動する。すなわち、可動ステージ３０は、第２の面Ｓ２と平行な方向に直進移動する。なお、可動ステージ３０によって、ミラー３は移動しない。

同時使用状態から第１の使用状態に切替える場合、可動ステージ３０が第１のグランテーラープリズム１０、及び第２のグランテーラープリズム２０等を移動させる。これにより、第１のグランテーラープリズム１０等が移動して、図６、及び図７に示すように、入射光Ｌ１が第１のグランテーラープリズム１０に入射しないようになる。

具体的には、図６、及び図７に示すように、入射光Ｌ１が第１のグランテーラープリズム１０と第２のグランテーラープリズム２０との間を通る。よって、入射光Ｌ１が、第１のグランテーラープリズム１０、及び第２のグランテーラープリズム２０を通過せずに、光分配装置１００から出射する（出射光Ｌ７）。よって、１／２波長板１、第１のグランテーラープリズム１０、第２のグランテーラープリズム２０による光の損失を避けることができる。よって、入射光Ｌ１の１００％を第１の用途に用いることができる。

第２の使用状態とする場合、可動ステージ３０が移動方向にさらに移動する。可動ステージ３０が第１のグランテーラープリズム１０、及び第２のグランテーラープリズム２０等を移動させると、図８、及び図９に示すようになる。第２の使用状態では、入射光Ｌ１が第１のグランテーラープリズム１０と第２のグランテーラープリズム２０との間を通って、ミラー９に入射する。すなわち、ミラー９が入射光Ｌ１の光路中に配置されるように可動ステージ３０が各素子を移動させる。ミラー９の反射面は、第２の面Ｓ２と平行になっている。すなわち、ミラー９の反射面は、可動ステージ３０の移動方向と平行になっている。ミラー９は、入射光Ｌ１をミラー３の方向に反射する。ミラー９で反射した入射光Ｌ１はミラー３で反射され、出射光Ｌ６となる。

ミラー９で反射した出射光Ｌ６は、ミラー３に入射する。ミラー３で反射した出射光Ｌ６が第２の用途に使用される。よって、入射光Ｌ１が、第１のグランテーラープリズム１０、及び第２のグランテーラープリズム２０を通過せずに、光分配装置１００から出射する。よって、１／２波長板１、第１のグランテーラープリズム１０、第２のグランテーラープリズム２０による光の損失を避けることができる。よって、入射光Ｌ１の１００％を第２の用途に用いることができる。

一方、図１に示す構成では、出射光Ｌ２又は出射光Ｌ４のみを用いる場合であっても、第１のグランテーラープリズム１０を透過又は反射した光を用いている。１／２波長板１、及第１のグランテーラープリズム１０を通過した場合、光の損失が生じてしまう。例えば、無コーティング状態の方解石は、コーティングを施した方解石よりもレーザ耐性が高いが、無コーティング状態の方解石でのレーザ損失は１０％となってしまう（非特許文献２）。このように、第１のグランテーラープリズム１０、及び第２のグランテーラープリズム２０等を移動する可動ステージを可動手段として用いることで、損失なく光を利用することが可能となる。

また、図４、及び図５に示す出射光Ｌ２と、図６、及び図７に示す出射光Ｌ７とは実質的に同じ位置を伝搬する。これにより、光学系の調整を経ずに、第１の使用状態と同時使用状態とを切替えることができる。よって、光学系の調整時間を短縮することができ、利便性を向上することができる。さらに、第１の使用状態では、１００％を利用することができる。よって、光の利用効率を高くすることができ、高い光量での使用が可能となる。

同様に、図４、及び図５に示す出射光Ｌ２と、図８、及び図９に示す出射光Ｌ６は実質的に同じ位置を伝搬する。これにより、光学系の調整を経ずに、第２の使用状態と同時使用状態とを切替えることができる。よって、光学系の調整時間を短縮することができ、利便性を向上することができる。さらに、第２の使用状態では、１００％を利用することができる。よって、光の利用効率を高くすることができ、高い光量での使用が可能となる。

さらに、可動ステージ３０が、第１のグランテーラープリズム１０を第２の面Ｓ２の方向に沿って移動させている。このため、可動ステージ３０の位置精度が低い場合であっても、適切に光を利用することができる。すなわち、第１のグランテーラープリズム１０の停止位置が移動方向に多少ずれていたとしても、同時使用状態における出射光Ｌ２、出射光Ｌ４の光路に影響はない。また、可動ステージ３０がミラー９の反射面に沿って移動する。ミラー９の停止移動方向に多少ずれていたとしても、第２の使用状態における出射光Ｌ６の光路に影響はない。

図１０に第１の結晶素子１１と第２の結晶素子１２として使用される方解石（カルサイト）の屈折率と臨界角を示す。図１０では、常光の屈折率ｎ（ｏ）とその臨界角θｃｒｉｔｉｃａｌ（ｏ）、異常光の屈折率ｎ（ｅ）とその臨界角θｃｒｉｔｉｃａｌ（ｅ）が示されている。また、図１０は、波長７００ｎｍ〜１３００ｎｍにおけるデータを示している。図２のθ１＝３８°程度に設計しておけば、７００ｎｍ〜１３００ｎｍの波長全体に対して、光分配装置１００を用いることができる。よって、広帯域の光分配装置１００を実現することができる。

なお、上記の説明では、入射光Ｌ１として直線偏光を用いているため、第１のグランテーラープリズム１０の前段に１／２波長板１が配置されているが、第１のグランテーラープリズム１０の前段に配置される光学素子は、１／２波長板１に限られるものではない。すなわち、第１のグランテーラープリズム１０の前段に配置される光学素子は、入射光Ｌ１の偏光状態を変えることができるものであればよい。例えば、第１のグランテーラープリズム１０の前段に回転可能に設けられた偏光子を配置してもよい。この場合、光源から光学素子に入射する光を無偏光（ランダム偏光）とする。偏光子を回転させることで、所望の方向を偏光方向する直線偏光を第１のグランテーラープリズム１０に入射させることができる。偏光子の回転角度により、分配割合を調整することができる。

実施の形態２．
以下、本実施の形態２と実施の形態１との相違点を中心に説明する。本実施の形態では、エバネッセント波の結合に応じて、分配割合を変更している。本実施の形態にかかる光分配装置の基本的な概念について、図１１、及び図１２を用い説明する。図１１、図１２は、分配割合を変えるための基本的な概念を説明するための図である。具体的には、図１１は、反射側の出射光Ｌ３を利用する場合の構成を示し、図１２は、透過側の出射光Ｌ２を利用する場合の構成を示している。

光分配装置１１０は第１のプリズム素子１１１と第２のプリズム素子１１２とを備えている。第１のプリズム素子１１１、及び第２のプリズム素子１１２は、光学的異方性の無い媒体で形成されている。例えば、第１のプリズム素子１１１、及び第２のプリズム素子１１２は、溶融石英によって形成されている。なお、本実施の形態にかかる光分配装置１１０では、偏光に基づいて光を分配していないため、実施の形態１で示した１／２波長板１は不要である。

第１のプリズム素子１１１は、第１の面Ｓ１０１と、第２の面Ｓ１０２と、第３面Ｓ１０３とを備えている。第２のプリズム素子１１２は、第４の面Ｓ１０４と第５の面Ｓ１０５と第６の面Ｓ１０６とを備えている。第１の面Ｓ１０１は、入射光Ｌ１の入射面となる。第２の面Ｓ１０２は、ギャップ１１８に面した平面となる。第３の面Ｓ１０３は、出射光Ｌ３が出射する出射面となる。

第４の面Ｓ１０４は、ギャップ１１８に面した平面となる。第４の面Ｓ１０４は、第２の面Ｓ１０２を透過した透過光Ｌ１ｃが入射する入射面となる。第５の面Ｓ１０５は出射光Ｌ２が出射する出射面となる。第１の面Ｓ１０１〜第６の面Ｓ１０６は、図３の第１の面Ｓ３０１〜Ｓ３０６とほぼ同様の構成となっている。

第１のプリズム素子１１１と第２のプリズム素子１１２との間にはギャップ１１８が存在している。すなわち、第２の面Ｓ１０２と第４の面Ｓ１０４とはギャップ１１８を隔てて対向配置されている。なお、図１１、図１２ではギャップ１１８の幅が異なっている。具体的には、図１２では、ギャップ１１８の間隔が入射光Ｌ１の波長λよりも大きくなっている。図１１ではギャップ１１８の間隔が（λ／１００）よりも小さくなっている。

エバネッセント波は、全反射をしている第２の面Ｓ１０２の外側、すなわち屈折率の小さい媒質（ここでは空気）中に、光がしみ出し、境界面に沿って伝わる。第２の面Ｓ１０２の外側に光の波長程度の間隔を置いて屈折率の高い媒質（第２のプリズム素子１１２）を置くことで、エバネッセント波を介して光は透過し、境界面（第２の面Ｓ１０２）での反射は全反射でなくなる。ここで、屈折率の小さい媒質の間隔（つまり、ギャップ１１８の間隔）を調整することで、第２の面Ｓ１０２で全反射する反射光と、第２の面Ｓ１０２を透過する透過光の割合を変更することができる。

図１１に示すように、ギャップ１１８の間隔を波長λよりも大きくすると、入射光Ｌ１ａが面Ｓ１０２で全反射する。よって、入射光Ｌ１ａのほぼ全てが全反射して、反射光Ｌ１ｂとなる。図１２に示すように、ギャップ１１８の間隔を（λ／１００）よりも小さくと、入射光Ｌ１ａが全反射せずに第２の面Ｓ１０２を透過する。よって、入射光Ｌ１ａのほぼ全てが透過光Ｌ１ｃとなる。ギャップ１１８の幅を高精度で制御することにより、透過光と反射光との割合を変更することができる。

例えば、図１３に示すように、第２のプリズム素子１１２にアクチュエータ１２０を取り付ける。アクチュエータ１２０は、例えば、圧電素子などであり、第２のプリズム素子１１２を移動させる。アクチュエータ１２０は、第２のプリズム素子１１２を第１のプリズム素子１１１に近接離間させている。これにより、ギャップ１１８の間隔が変化する。

アクチュエータ１２０が、第２のプリズム素子１１２に近づけるように第１のプリズム素子１１１を移動する。これにより、ギャップ１１８が小さくなり、透過光Ｌ１ｃの割合が高くなっていく。また、アクチュエータ１２０が、第２のプリズム素子１１２から遠ざけるように第１のプリズム素子１１１を移動する。これにより、ギャップ１１８が大きくなり、反射光Ｌ１ｂの割合が高くなっていく。アクチュエータ１２０がギャップ１１８の間隔を変えることで、出射光Ｌ２と出射光Ｌ３との分配割合を調整することができる。

また、アクチュエータ１２０が第２のプリズム素子１１２のみを移動させている。すなわち、第１のプリズム素子１１１が固定されている。よって、反射側の出射光Ｌ３の光軸を変えずに、分配割合を変化させることが可能となる。アクチュエータ１２０が第２のプリズム素子１１２のみを移動させることで、反射側の出射光Ｌ３の光軸を一定にすることができる。また、方解石のような複屈折素子を用いていないため、部品コストを抑制することができる。

もちろん、アクチュエータ１２０が第２のプリズム素子１１２の代わりに、第１のプリズム素子１１１を移動させてもよい。アクチュエータ１２０は、第１のプリズム素子１１１、及び第２のプリズム素子１１２の両方を移動させてもよい。アクチュエータ１２０は、入射光Ｌ１ａの入射位置におけるギャップの間隔を変更するように、第１のプリズム素子１１１、及び第２のプリズム素子１１２の少なくとも一方を移動させるものであればよい。

さらに、本実施の形態では、図１４に示す構成を用いることができる。図１４に示す構成はギャップ１１８の間隔を精度よく調整することができる。

図１４に示す構成では、ギャップ１１８の間隔が一定となっていない。すなわち、第２の面Ｓ１０２と第４の面Ｓ１０４とが平行になっていない。具体的には、ギャップ１１８の一端から他端に向かうにつれて、ギャップ１１８の間隔が徐々に広くなっていく。図１４中の左下側の端でギャップ１１８が最も狭くなっており、右上側の端でギャップ１１８が最も広くなっている。よって、第２の面Ｓ１０２の位置に応じて、ギャップ１１８の間隔が変わる。

アクチュエータ１２０が第２の面Ｓ１０２に沿って、光分配装置１００を移動させる。このようにすることで、第２の面Ｓ１０２における入射光Ｌ１ａの位置が異なっていくアクチュエータ１２０が第２の面Ｓ１０２に沿って、光分配装置１００を移動させる。

このようにすることで、第２の面Ｓ１０２における入射光Ｌ１ａの入射位置が変化する。アクチュエータ１２０は、第２の面Ｓ１０２における入射光Ｌ１ａの入射位置を移動する。このようにすることで、第２の面Ｓ１０２では、入射光Ｌ１ａの入射位置におけるギャップ１１８の間隔が変化する。

この構成によれば、エバネッセント波の結合割合を変えることができるため、光の分配割合を変更することができる。さらに、第２の面Ｓ２と第４の面Ｓ４とを非平行とするとともに、アクチュエータ１２０が第２の面Ｓ２に沿って、第１のプリズム素子１１１と第２のプリズム素子１１２とを移動している。精度の低いアクチュエータ１２０を用いた場合でも、高い精度でギャップ１１８の間隔を調整することが可能となる。

例えば、第１のプリズム素子１１１と第２のプリズム素子１１２とのサイズが２０ｍｍ程度であり、ギャップの１１８の間隔の差が３００ｎｍであるとする。この場合、第１のプリズム素子１１１及び第２のプリズム素子１１２の移動距離２０ｍｍに対して、ギャップ１１８の間隔が３００ｎｍ調整することができる。よって、図１３に示したように、第１のプリズム素子１１１と第２のプリズム素子１１２の一方を近づけたり、遠ざけたりするアクチュエータ１２０よりも位置調整を容易に行うことができる。また、図１４に示す構成では第１のプリズム素子１１１と第２のプリズム素子１１２をホルダなどで固定できるため、光路調整が容易になる。

なお、実施の形態２と実施の形態１とを組み合わせることが可能である。例えば、第３の面Ｓ１０３が反射光Ｌ１ｂと直交するような平面となっていてもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１ １／２波長板
２ シャッタ
３ ミラー
４ シャッタ
５ ミラー
６ 集光レンズ
７ 光検出器
１０ 第１のグランテーラープリズム
１１ 第１の結晶素子
１２ 第２の結晶素子
Ｓ１ 第１の面
Ｓ２ 第２の面
Ｓ３ 第３の面
Ｓ４ 第４の面
Ｓ５ 第５の面
Ｓ６ 第６の面
１８ ギャップ
２０ 第２のグランテーラープリズム
Ｌ１ 入射光
Ｌ２ 出射光
Ｌ３ 出射光
Ｌ４ 出射光
Ｌ５ 検出光
１００ 光分配装置
１１０ 光分配装置
１１１ 第１のプリズム素子
１１２ 第２のプリズム素子

Claims (6)

1. 入射光の偏光状態を変化させることが可能な光学素子と、
   前記光学素子からの入射光が入射する第１のグランテーラープリズムと、を備え、
   前記第１のグランテーラープリズムは、
   第１の結晶素子と、
   ギャップを隔てて前記第１の結晶素子に対向して配置された第２の結晶素子と、を備え、
   前記第１の結晶素子は、
   前記光学素子からの入射光が入射する入射面となる第１の面と、
   前記ギャップに面した面である第２の面と、
   前記第２の面で全反射した反射光が出射する出射面となり、かつ、前記反射光の光軸と直交する平面である第３の面とを備え、
   前記第２の結晶素子は、
   前記ギャップに面した第４の面と、
   前記第４の面から入射した透過光が出射する出射面となる第５の面と、を備えた光分配装置。
2. 前記第３の面から出射した第１の出射光が入射する第２のグランテーラープリズムをさらに備えた請求項１に記載の光分配装置。
3. 前記第３の面から出射した第１の出射光の光路に挿脱可能に配置された第１のシャッタと、
   前記第５の面から出射した第２の出射光の光路に挿脱可能に配置された第２のシャッタと、をさらに備えた請求項１、又は２に記載の光分配装置。
4. 前記第１のグランテーラープリズム、及び前記光学素子を移動させる可動手段と、
   前記可動手段によって移動するミラーと、をさらに備え、
   前記可動手段が、
   前記入射光が、前記ミラー、前記光学素子、及び前記第１のグランテーラープリズムのいずれにも入射しない第１の状態と、
   前記入射光が、前記光学素子、及び前記第１のグランテーラープリズムに入射せずに、前記ミラーに入射する第２の状態と、
   前記入射光が、前記ミラーに入射せずに、前記光学素子、及び前記第１のグランテーラープリズムに入射する第３の状態と、を切替え可能である請求項１〜３のいずれか１項に記載の光分配装置。
5. 前記可動手段が、前記第２の面に沿って、前記ミラー、前記第１のグランテーラープリズム、及び光学素子を移動させる請求項４に記載の光分配装置。
6. 前記ミラーの反射面が前記可動手段の移動方向に沿って設けられている請求項５に記載の光分配装置。

Images