JP6817623B2 - Polarization control device and polarization control method - Google Patents
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Description
本発明は、広がりを有して入射する入射光を光軸交差面の各部位毎に制御された偏光状態に変換して出射する偏光制御装置および偏光制御方法に関する。 The present invention relates to a polarization control device and a polarization control method that convert incident light that is incident with a spread into a polarized state controlled for each part of an optical axis intersection and emit it.
光のビーム横断面にビーム中心に対して放射状の偏光分布をもつラジアル偏光ビーム、および同心円状の偏光分布をもつアジマス偏光ビームの２種類の偏光ビームが実用化されている。一般に、光のビーム横断面に種々の偏光状態が分布する偏光ビーム（ベクトルビームと呼ばれる）は、通常の一様偏光のビームにはない種々の機能を有し、レーザ加工やレーザ顕微鏡に適用される。このような偏光ビームを集光させると、より小さい焦点の形成、集光軸に沿った光電場の形成（Ｚ偏光）等、通常の偏光ビームでは実現できない種々の機能を有する光を焦点位置に形成できる。このような偏光ビームは、分光分析、光ピンセット、レーザ加工などに応用されている。近年ではさらに複雑な位相分布と偏光分布の生成により、収差補正や偏光計測などへの応用が行われている。 Two types of polarized beams have been put into practical use: a radial polarized beam having a polarization distribution radial to the center of the beam in the cross section of the light beam, and an azimuth polarized beam having a concentric polarization distribution. In general, a polarized beam (called a vector beam) in which various polarized states are distributed in the cross section of a beam of light has various functions not found in a normal uniformly polarized beam, and is applied to laser machining and a laser microscope. To. When such a polarized beam is focused, light having various functions that cannot be realized by a normal polarized beam, such as formation of a smaller focal point and formation of a photoelectric field along the focused axis (Z-polarized light), is placed at the focal position. Can be formed. Such polarized beams are applied to spectroscopic analysis, optical tweezers, laser machining, and the like. In recent years, by generating more complicated phase distributions and polarization distributions, applications such as aberration correction and polarization measurement have been made.
ビームを集光して形成した焦点の特性は、集光前のビーム横断面内の位相と偏光分布の影響を受ける。フォーカスエンジニアリングは、集光前のビームの位相分布や偏光分布を制御し調整することにより、様々な付加機能を生み出す技術である。この技術に関連して、透明基板間に液晶を封入し、放射状に８分割した液晶を制御用の電極を備えて形成した、ラジアル偏光生成用の偏光面回転素子を有する偏光制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。 The characteristics of the focal point formed by condensing the beam are affected by the phase and polarization distribution in the cross section of the beam before condensing. Focus engineering is a technology that creates various additional functions by controlling and adjusting the phase distribution and polarization distribution of the beam before focusing. In connection with this technique, a polarization control device having a polarizing surface rotating element for generating radial polarization, in which a liquid crystal is enclosed between transparent substrates and a liquid crystal divided into eight radially is formed by providing a control electrode, is known. (See, for example, Patent Document 1).
また、ビーム横断面内の位相や偏光分布を制御し調整するため、放射状に８分割した電極を有する２枚の液晶素子と１枚のλ／４板を順に積重ねて形成した偏光制御装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この装置は、１枚目の液晶素子で位相を調整し、２枚目の液晶素子と最後のλ／４板とで、各電極に対応する部位を透過する光の偏光面を個別に回転させる。この装置は、各部位ごとに偏光面の回転を自在に制御することができ、ラジアル偏光、アジマス偏光、直線偏光などの偏光パターンをビーム横断面内に生成可能とされている。 Further, in order to control and adjust the phase and the polarization distribution in the cross section of the beam, a polarization control device formed by sequentially stacking two liquid crystal elements having electrodes radially divided into eight and one λ / 4 plate is known. (See, for example, Non-Patent Document 1). In this device, the phase is adjusted by the first liquid crystal element, and the polarization plane of the light transmitted through the portion corresponding to each electrode is individually rotated by the second liquid crystal element and the last λ / 4 plate. .. This device can freely control the rotation of the polarization plane for each part, and can generate polarization patterns such as radial polarization, azimuth polarization, and linear polarization in the cross section of the beam.
しかしながら、上述した特許文献１や非特許文献１に示されるような偏光制御装置は、いずれも、直線偏光を直線偏光のまま回転させてラジアル偏光やアジマス偏光とするものであり、光軸交差面内に任意の偏光状態の光を分布させることができない。近年のフォーカスエンジニアリングにおいて、有用な位相分布と偏光分布が理論的に予測される一方で、それらを実現する光学素子としての偏光制御装置の開発や光学機器への実装は、あまり進んでいない。既設の光学機器に実装可能な現状の光学素子は、理論計算が要求する複雑な位相分布や偏光分布をほとんど実現することができず、逆にこれらの分布を実現できる偏光制御装置は、高価であり、また小型化の余地がなく、組込用途に適していない。 However, in each of the polarization control devices as shown in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 described above, linearly polarized light is rotated as linearly polarized light to obtain radial polarized light or azimuth polarized light, and the optical axis intersecting surface. It is not possible to distribute light in an arbitrary polarized state within. In recent focus engineering, useful phase distributions and polarization distributions are theoretically predicted, but the development of polarization control devices as optical elements to realize them and their implementation in optical instruments have not progressed much. The current optical elements that can be mounted on existing optical equipment can hardly realize the complicated phase distribution and polarization distribution required by theoretical calculation, and conversely, the polarization control device that can realize these distributions is expensive. Yes, there is no room for miniaturization, and it is not suitable for embedded applications.
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、ビーム断面内に任意の偏光分布を生成できる低コストかつ小型の偏光制御装置および偏光制御方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a low-cost and compact polarization control device and a polarization control method capable of generating an arbitrary polarization distribution in a beam cross section with a simple configuration. ..
上記課題を達成するために、本発明の偏光制御装置は、光軸に沿って入射する入射光を、その光軸交差面の各部位ごとに偏光状態を制御された出射光に変換して出射する偏光制御装置において、光軸に沿って配置された３つ以上の光学素子を備え、光学素子のうちの特定の３つの光学素子であって入射側から１番目、２番目、３番目の光学素子の各々は、その光軸交差面において複数の制御領域に分割され、特定の３つの光学素子の各々の各制御領域は、他の光学素子の各制御領域と光軸に沿って互いに対応するように配置され、特定の３つの光学素子は、ホモジニアス配向の液晶光学素子であり、１番目と３番目の光学素子の配向方向が一致し、２番目の光学素子の配向方向が１番目と３番目の光学素子の配向方向に対して４５°傾いて、配置されていることを特徴とする。
また、本発明の他の偏光制御装置は、光軸に沿って入射する入射光を、その光軸交差面の各部位ごとに偏光状態を制御された出射光に変換して出射する偏光制御装置において、光軸に沿って配置された３つ以上の光学素子を備え、光学素子のうちの特定の３つの光学素子であって入射側から１番目、２番目、３番目の光学素子の各々は、その光軸交差面において複数の制御領域に分割され、特定の３つの光学素子の各々の各制御領域は、他の光学素子の各制御領域と光軸に沿って互いに対応するように配置され、１番目の光学素子は、入射光に対し、制御領域ごとに所定の位相遅れを与え、２番目の光学素子は、入射光の偏光状態を、制御領域ごとに直線偏光から楕円偏光に変換し、３番目の光学素子は、入射光の偏光状態を、制御領域ごとに楕円偏光から他の偏光状態に変換して楕円率と偏光方向が任意に制御された出射光を出射させることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the polarization control device of the present invention converts the incident light incident along the optical axis into the emitted light whose polarization state is controlled for each part of the optical axis intersection surface and emits the light. The polarization control device is provided with three or more optical elements arranged along the optical axis, and is the first, second, and third optical elements from the incident side, which are specific three optical elements among the optical elements. each element is divided into a plurality of control areas in its optical axis intersecting surface, each control region of each of the three specific optical element correspond to each other along the control region and the optical axis of the other optical elements The three specific optical elements are homogeneously oriented liquid crystal optical elements, and the orientation directions of the first and third optical elements are the same, and the orientation directions of the second optical element are the first and third. It is characterized in that it is arranged at an angle of 45 ° with respect to the orientation direction of the second optical element .
Further, the other polarization control device of the present invention is a polarization control device that converts the incident light incident along the optical axis into the emitted light whose polarization state is controlled for each part of the optical axis intersection surface and emits the light. In the above, three or more optical elements arranged along the optical axis are provided, and each of the three specific optical elements among the optical elements, the first, second, and third optical elements from the incident side, is , The optical axis intersection is divided into a plurality of control regions, and each control region of each of the three specific optical elements is arranged so as to correspond to each control region of the other optical element along the optical axis. The first optical element gives a predetermined phase delay to the incident light for each control region, and the second optical element converts the polarization state of the incident light from linearly polarized light to elliptically polarized light for each control region. The third optical element is characterized in that the polarization state of the incident light is converted from elliptically polarized light to another polarization state for each control region to emit emitted light whose ellipticity and polarization direction are arbitrarily controlled. To do.
本発明の偏光制御方法は、光軸に沿って入射する入射光を、その光軸交差面の各部位ごとに偏光状態を制御された出射光に変換して出射する偏光制御装置を用いて、入射光を光軸交差面の各部位ごとに制御された偏光状態に変換して出射する偏光制御方法において、偏光制御装置は光学素子を光軸に沿って３つ備え、光学素子の各々は、その光軸交差面において複数の制御領域に分割され、光学素子の各々の各制御領域は、他の光学素子の各制御領域と光軸に沿って互いに対応するように配置され、光の入射側から１番目の光学素子に、直線偏光したレーザ光を入射させ、レーザ光が３つの光学素子の制御領域を順次通過する際に、１番目の光学素子においては、レーザ光に対し、制御領域ごとに所定の位相遅れを与え、光の入射側から２番目の光学素子においては、レーザ光の偏光状態を、制御領域ごとに直線偏光から楕円偏光に変換し、光の入射側から３番目の光学素子においては、レーザ光の偏光状態を、制御領域ごとに楕円偏光から他の偏光状態に変換し、３番目の光学素子の制御領域のそれぞれにおいて楕円率と偏光方向が任意に制御された出射光を得ることを特徴とする。 The polarization control method of the present invention uses a polarization control device that converts incident light incident along the optical axis into emitted light whose polarization state is controlled for each part of the optical axis intersection, and emits the light . In a polarization control method in which incident light is converted into a controlled polarization state for each part of an optical axis intersection and emitted, the polarization control device includes three optical elements along the optical axis, and each of the optical elements has three optical elements. It is divided into a plurality of control regions at the intersection of the optical axes, and each control region of the optical element is arranged so as to correspond to each control region of the other optical element along the optical axis, and the incident side of the light. When linearly polarized laser light is incident on the first optical element and the laser light sequentially passes through the control regions of the three optical elements, in the first optical element, for each control region with respect to the laser light. In the second optical element from the incident side of the light, the polarization state of the laser light is converted from linear polarization to elliptically polarized light for each control region, and the third optical element from the incident side of the light is given a predetermined phase delay. In the element, the polarization state of the laser beam is converted from elliptically polarized light to another polarization state for each control region, and the elephant ratio and the polarization direction are arbitrarily controlled in each of the control regions of the third optical element. It is characterized by obtaining.
本発明の偏光制御装置および偏光制御方法によれば、ビーム断面内に任意の偏光分布を生成することができる。 According to the polarization control device and the polarization control method of the present invention, an arbitrary polarization distribution can be generated in the beam cross section.
（偏光制御装置）
以下、本発明の実施形態に係る偏光制御装置および偏光制御方法について、図面を参照して説明する。図１は、右手直交座標系ｘｙｚのｘ軸方向に直線偏光して光軸ｚ方向に進むビームを、ラジアル偏光ビームに変換して出射する偏光制御装置１を示す。偏光制御装置１は、３つの液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３（総称して、液晶光学素子ＬＣ）を光軸ｚに沿って順番に備えている。液晶光学素子ＬＣの各々は、ホモジニアス配向の液晶素子であり、液晶の配向方向αとこれに直交する方向βの２方向における実効屈折率Ｎα、Ｎβを、互いに異なる値となるように制御することができる（図２を参照して後述）。
(Polarization control device)
Hereinafter, the polarization control device and the polarization control method according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a polarization control device 1 that converts a beam linearly polarized in the x-axis direction of the right-handed Cartesian coordinate system xyz and travels in the optical axis z direction into a radial polarized beam and emits it. The polarization control device 1 includes three liquid crystal optical elements LC1, LC2, LC3 (collectively, liquid crystal optical elements LC) in order along the optical axis z. Each of the liquid crystal optical elements LC is a liquid crystal element having a homogeneous orientation, and controls the effective refractive indexes N α and N β in two directions, the orientation direction α of the liquid crystal and the direction β orthogonal to the orientation direction α, so as to have different values. (See below in FIG. 2).
光の入射側から１番目と３番目の液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ３は、配向方向αがｘ軸方向となるように配置されている。言い換えると、入射光は、その直線偏光の方向が配向方向αに一致するように入射される。２番目の液晶光学素子ＬＣ２は、その配向方向αが液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ３の配向方向αに対して角度θ傾くように、配置されている。角度θは、本実施形態ではθ＝４５°である。 The first and third liquid crystal optical elements LC1 and LC3 from the incident side of the light are arranged so that the orientation direction α is the x-axis direction. In other words, the incident light is incident so that the direction of its linear polarization coincides with the orientation direction α. The second liquid crystal optical element LC2 is arranged so that its orientation direction α is inclined by an angle θ with respect to the orientation direction α of the liquid crystal optical elements LC1 and LC3. The angle θ is θ = 45 ° in this embodiment.
液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３の各々は、放射状に８分割した制御領域Ｊを有している。制御領域Ｊの各々は、それぞれ独立に、入射する光の位相および偏光状態を制御できる。液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３の各々の各制御領域Ｊは、光軸ｚに沿って互いに対応するように、配置されている。すなわち、ある液晶光学素子ＬＣのある制御領域Ｊを光軸に沿って平行移動させると、他の液晶光学素子ＬＣの制御領域Ｊに重なるように、各制御領域Ｊが形成され、かつ、各液晶光学素子ＬＣが配置されている。このような制御領域Ｊの各々は、入射する光の位相や偏光状態を、ジョーンズ行列に従って、他の位相や偏光状態に変換することができる(図３参照)。 Each of the liquid crystal optical elements LC1, LC2, and LC3 has a control region J radially divided into eight. Each of the control regions J can independently control the phase and polarization state of the incident light. Each control region J of the liquid crystal optical elements LC1, LC2, and LC3 is arranged so as to correspond to each other along the optical axis z. That is, when a control region J of a certain liquid crystal optical element LC is moved in parallel along the optical axis, each control region J is formed so as to overlap the control region J of another liquid crystal optical element LC, and each liquid crystal. The optical element LC is arranged. Each of such control regions J can convert the phase and polarization state of the incident light into other phases and polarization states according to the Jones matrix (see FIG. 3).
従って、偏光制御装置１に入射する光は、液晶光学素子ＬＣの各々における光軸交差面の各部位に位置する制御領域Ｊによって、個々に、位相および偏光状態が制御される。偏光制御装置１は、入射光の光軸交差面ｚ＝ｚｉｎにおいて全ての電界ベクトルＥｉｎがｘ軸方向を向いた直線偏光が入射されると、出射光のある光軸交差面ｚ＝ｚｏｕｔにおいて電界ベクトルＥｏｕｔが半径方向を向いたラジアル偏光ビームを生成する。このような位相および偏光状態の変換のため、入射光には、液晶光学素子ＬＣ１の各制御領域Ｊにおいて個々に所定の位相差（位相遅れ）ξが与えられる。 Therefore, the phase and the polarization state of the light incident on the polarization control device 1 are individually controlled by the control regions J located at each portion of the optical axis intersection surface in each of the liquid crystal optical elements LC. In the polarization control device 1, when linearly polarized light with all electric field vectors E in oriented in the x-axis direction is incident on the optical axis intersection surface z = z in of the incident light, the optical axis intersection surface z = z with emitted light is incident. At out , the electric field vector E out produces a radial polarized beam oriented in the radial direction. Due to such conversion of the phase and the polarized state, the incident light is individually provided with a predetermined phase difference (phase delay) ξ in each control region J of the liquid crystal optical element LC1.
次の液晶光学素子ＬＣ２では、偏光方向ｘと配向方向αとの間の回転角度θの存在と、各制御領域Ｊにおいて個々に付与される所定の位相差（位相遅れ）ηによって、各制御領域Ｊごとに直線偏光から楕円偏光に変換される。最後の液晶光学素子ＬＣ３では、各制御領域Ｊにおいて個々に付与される所定の位相差（位相遅れ）ζによって、各制御領域Ｊごとに楕円偏光から他の所定の偏光状態に変換される。このような各制御領域Ｊごとに実行される位相と偏光状態の変換については、図３、図４を参照して詳述する。 In the next liquid crystal optical element LC2, each control region is determined by the existence of a rotation angle θ between the polarization direction x and the orientation direction α and a predetermined phase difference (phase delay) η individually given in each control region J. It is converted from linearly polarized light to elliptically polarized light for each J. In the final liquid crystal optical element LC3, the elliptically polarized light is converted into another predetermined polarized state in each control region J by a predetermined phase difference (phase delay) ζ individually applied in each control region J. The conversion of the phase and the polarization state executed for each control region J will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4.
図２は、ホモジニアス配向の液晶光学素子ＬＣの構造例と動作原理を示す。図２（ａ）に示すように、液晶光学素子ＬＣは、２枚の透明基板２１の内部に液晶を封止して形成されている。透明基板２１の内面には、制御領域Ｊを規定する形状を有する互いに絶縁された複数の透明電極２２が、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）膜によって、形成されている。また、透明基板２１の内面には、透明電極２２の全体を覆うように塗布された透明の配向膜２３が形成されている。配向膜２３の表面には、ラビング処理によって、配向用の細かい溝が一方向に形成され、異方性が付与されている。その溝の方向、すなわち異方性の方向が、配向方向αとなる。配向方向αは、両側の配向膜２３，２３の全面において同じである。液晶の分子Ｍは、細長い形状を有している。透明基板２１，２１間に封止された液晶は、透明電極２２，２２間に電圧が印加されていない状態では、分子Ｍが長手方向を配向方向αに向けて一様に整列した状態、すなわちホモジニアス配向の状態にある。 FIG. 2 shows a structural example and an operating principle of the liquid crystal optical element LC having a homogeneous orientation. As shown in FIG. 2A, the liquid crystal optical element LC is formed by sealing a liquid crystal inside two transparent substrates 21. On the inner surface of the transparent substrate 21, a plurality of transparent electrodes 22 insulated from each other having a shape defining the control region J are formed by, for example, an ITO (indium tin oxide) film. Further, on the inner surface of the transparent substrate 21, a transparent alignment film 23 coated so as to cover the entire transparent electrode 22 is formed. On the surface of the alignment film 23, fine grooves for alignment are formed in one direction by a rubbing treatment, and anisotropy is imparted. The direction of the groove, that is, the direction of anisotropy is the orientation direction α. The orientation direction α is the same on the entire surfaces of the alignment films 23 and 23 on both sides. The liquid crystal molecule M has an elongated shape. In the liquid crystal sealed between the transparent substrates 21 and 21, when no voltage is applied between the transparent electrodes 22 and 22, the molecules M are uniformly aligned in the longitudinal direction toward the orientation direction α, that is, It is in a homogenous orientation.
液晶光学素子ＬＣにおいて、３つの方向α，γ，βが定義される。これらは、上述の配向方向α、透明基板２１に直交する光軸方向γ（光軸ｚに対応）、および方向α，γの両方に直交する方向βである。配向方向αは低速軸、方向βは高速軸と呼ばれる。これは、液晶光学素子ＬＣが複屈折率の物質と見做されることによる。液晶分子Ｍは、細長い形状を有することから、誘電異方性と屈折率異方性とを有し、分子長軸方向の屈折率ｎｅが分子長軸に直交する方向の屈折率ｎｏよりも大きい（ｎｏ＜ｎｅ）。 In the liquid crystal optical element LC, three directions α, γ, and β are defined. These are the above-mentioned orientation direction α, the optical axis direction γ (corresponding to the optical axis z) orthogonal to the transparent substrate 21, and the direction β orthogonal to both the directions α and γ. The orientation direction α is called the low speed axis, and the direction β is called the high speed axis. This is because the liquid crystal optical element LC is regarded as a substance having a birefringence index. Liquid crystal molecules M, since it has an elongated shape, and a dielectric anisotropy and refractive index anisotropy, than the refractive index n o of the direction in which the refractive index n e of the molecular long axis direction is perpendicular to the molecular long axis Is also large (no < ne ).
図２（ｂ）に示すように、対向する透明電極２２，２２間に電圧を印加すると、液晶分子Ｍが誘電異方性を有することにより、液晶分子Ｍが電界方向（方向γ）に傾く。なお、配向膜２３近傍の液晶分子は、配向方向αに留める束縛力を受けており、傾かない。配向方向α（低速軸方向）の平均屈折率すなわち実効屈折率Ｎαは、電界強度の増加と共に液晶分子Ｍの傾きが０°から９０°に近づくことにより、ｎｅから減少してｎｏに近づく。方向β（高速軸方向）の実効屈折率Ｎβは、液晶分子の傾きにかかわらずｎｏのままである。そこで、液晶光学素子ＬＣは、可変複屈折率構造体と見做され、波数をｋ、液晶層厚をｗとすると、位相差を０からｋ（ｎｅ−ｎｏ）ｗに近づける位相変調が可能な素子として用いることができる。液晶光学素子ＬＣは、配向方向αを低速軸とし、その複屈折量を電圧によって制御できるアクティブな波長板となる。 As shown in FIG. 2B, when a voltage is applied between the opposing transparent electrodes 22 and 22, the liquid crystal molecules M have dielectric anisotropy, so that the liquid crystal molecules M are tilted in the electric field direction (direction γ). The liquid crystal molecules in the vicinity of the alignment film 23 are subject to a binding force that keeps them in the orientation direction α and do not tilt. The average refractive index i.e. the effective refractive index N alpha orientation direction alpha (slow axis direction), by the inclination of the liquid crystal molecules M approaches 0 ° and 90 ° with increasing field strength, reduced from n e to n o Get closer. The effective refractive index N beta in the direction beta (fast axis direction) remains n o regardless inclination of the liquid crystal molecules. Therefore, the liquid crystal optical element LC is regarded as a variable birefringence structure, the wave number k, when the liquid crystal layer thickness and w, phase modulation to approximate the phase difference from 0 to k (n e -n o) w is It can be used as a possible element. The liquid crystal optical element LC is an active wave plate in which the orientation direction α is a low-speed axis and the amount of birefringence thereof can be controlled by a voltage.
次に、偏光制御装置１の動作を、各制御領域Ｊにおける位相と偏光状態の変換に注目して、ジョーンズの発明による計算方法、すなわちジョーンズ法を用いて説明する。ジョーンズ法では、偏光をベクトル（ジョーンズベクトル）で記述し、光学素子を行列（ジョーンズ行列）で記述する。光学素子に入射した入射光が光学素子を通過して出射光となるとき、出射光の偏光が、光学素子の行列と入射光のベクトルの積として求められる。つまり、入射する光の位相や偏光状態は、ジョーンズ行列に従って、他の位相状態や偏光状態に変換される。 Next, the operation of the polarization control device 1 will be described using the calculation method according to Jones' invention, that is, the Jones method, focusing on the conversion of the phase and the polarization state in each control region J. In the Jones method, polarized light is described by a vector (Jones vector), and optical elements are described by a matrix (Jones matrix). When the incident light incident on the optical element passes through the optical element and becomes the emitted light, the polarization of the emitted light is obtained as the product of the matrix of the optical element and the vector of the incident light. That is, the phase and polarization state of the incident light are converted into other phase states and polarization states according to the Jones matrix.
ジョーンズ法の対象となる光は完全偏光に限られ、光学素子は線形光学素子に限られる。偏光制御装置１では、各制御領域Ｊが個別の光学素子として区別される。光軸ｚ方向に沿って配列された３つで１組の一連の制御領域Ｊについて、ジョーンズ法が適用される。他の一連の制御領域Ｊについて、それぞれジョーンズ法が適用される。偏光制御装置１では、ジョーンズ法が適用される一連の制御領域Ｊが、全部で８組である。 The light subject to the Jones Law is limited to fully polarized light, and the optical element is limited to a linear optical element. In the polarization control device 1, each control region J is distinguished as an individual optical element. The Jones method is applied to a series of three control regions J arranged along the z direction of the optical axis. The Jones Law is applied to each of the other series of control areas J. In the polarization control device 1, a series of control regions J to which the Jones method is applied are a total of eight sets.
図３（ａ）（ｂ）は、偏光制御装置１における光軸ｚに沿ったある１組の制御領域について、ジョーンズ法の行列とベクトルを示している。行列Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ、液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３の各々から互いに対応する個別の「光学素子」として１つづつ選択された制御領域Ｊを表す。ベクトルａ，ｂ，ｃ，ｄは、それぞれ、液晶光学素子ＬＣ１への入射光ａ、液晶光学素子ＬＣ１から出射して液晶光学素子ＬＣ２に入射する光ｂ、液晶光学素子ＬＣ２から出射して液晶光学素子ＬＣ３へ入射する光ｃ、液晶光学素子ＬＣ３からの出射光ｄを表す。 3 (a) and 3 (b) show a matrix and a vector of the Jones method for a set of control regions along the optical axis z in the polarization control device 1. The matrices A, B, and C each represent a control region J selected one by one from each of the liquid crystal optical elements LC1, LC2, and LC3 as individual "optical elements" corresponding to each other. The vectors a, b, c, and d are the incident light a on the liquid crystal optical element LC1, the light b emitted from the liquid crystal optical element LC1 and incident on the liquid crystal optical element LC2, and the liquid crystal optical emitted from the liquid crystal optical element LC2, respectively. It represents the light c incident on the element LC3 and the light d emitted from the liquid crystal optical element LC3.
ジョーンズ行列Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ下式（１）（２）（３）で表される。行列Ａは、液晶光学素子ＬＣ１の１つの制御領域Ｊを表現する。行列Ａは、ｘ軸方向すなわち配向方向α（電圧によって屈折率を制御できる可制御軸方向）の光電場にξの位相遅れを与える位相差板として機能する。なお、ジョーンズベクトルは、光のｘ方向の電界と、ｙ方向の電界に対応する量を、それぞれｘ成分、ｙ成分とするベクトルである。 The Jones matrices A, B, and C are represented by the following equations (1), (2), and (3), respectively. The matrix A represents one control region J of the liquid crystal optical element LC1. The matrix A functions as a retardation plate that gives a phase delay of ξ to the photoelectric field in the x-axis direction, that is, the orientation direction α (controllable axial direction in which the refractive index can be controlled by a voltage). The Jones vector is a vector in which the amounts corresponding to the electric field in the x direction and the electric field in the y direction of light are the x component and the y component, respectively.
行列Ｂは、液晶光学素子ＬＣ２の１つの制御領域Ｊを表現する。行列Ｂは、配向方向α（可制御軸）がｘ軸から角度θ傾いた位相差板であり、可制御軸方向の光電場に位相差ηを与える。行列Ｂは、位相差板としての行列Ｍと、位相差板Ｍを角度θ傾ける回転行列Ｒ（θ）とを用いて、Ｂ＝Ｒ（−θ）ＭＲ（θ）と表される。行列Ｂは、直線偏光を楕円偏光に変換する。 The matrix B represents one control region J of the liquid crystal optical element LC2. The matrix B is a retardation plate in which the orientation direction α (controllable axis) is tilted by an angle θ from the x-axis, and gives a retardation η to the photoelectric field in the controllable axis direction. The matrix B is expressed as B = R (−θ) MR (θ) by using the matrix M as the retardation plate and the rotation matrix R (θ) that tilts the retardation plate M by an angle θ. Matrix B converts linearly polarized light into elliptically polarized light.
行列Ｃは、液晶光学素子ＬＣ３の１つの制御領域Ｊを表現する。行列Ｃは、行列Ａと同様であり、位相差ζを与えて、楕円偏光を、他の偏光状態に変換する。 The matrix C represents one control region J of the liquid crystal optical element LC3. The matrix C is the same as the matrix A, and gives a phase difference ζ to convert the elliptically polarized light into another polarized state.
ジョーンズベクトルａ，ｂは、それぞれ下式（４）（５）で表される。液晶光学素子ＬＣ１への入射光ａは、各制御領域Ｊに共通であり、ｘ方向（配向方向α）の直線偏光である。ベクトルｂは、液晶光学素子ＬＣ２のある制御領域Ｊへの入射光ｂであり、液晶光学素子ＬＣ１からの出射光であり、ｂ＝Ａａである。ベクトルｂは、位相がξ遅れたｘ軸方向の直線偏光（水平偏光）である。 The Jones vectors a and b are represented by the following equations (4) and (5), respectively. The incident light a on the liquid crystal optical element LC1 is common to each control region J and is linearly polarized light in the x direction (orientation direction α). The vector b is the incident light b to the control region J of the liquid crystal optical element LC2, the emitted light from the liquid crystal optical element LC1, and b = Aa. The vector b is linearly polarized light (horizontally polarized light) in the x-axis direction whose phase is delayed by ξ.
ジョーンズベクトルｃ，ｄは、それぞれ下式（６）（７）で表される。 The Jones vectors c and d are represented by the following equations (6) and (7), respectively.
液晶光学素子ＬＣ２の回転角度が、θ＝４５°の場合、ベクトルｃ，ｄはそれぞれ下式（８）（９）で表される。 When the rotation angle of the liquid crystal optical element LC2 is θ = 45 °, the vectors c and d are represented by the following equations (8) and (9), respectively.
図４を参照して、θ＝４５°の場合の上式（８）のベクトルｃ、すなわち液晶光学素子ＬＣ２からの出射光ｃについて説明する。ベクトルｃの水平成分と垂直成分、すなわちｘ成分（１＋ｅ−ｉη）とｙ成分（１−ｅ−ｉη）が、位相空間上に示されている。位相差ηが増加すればするほど、ｘ成分およびｙ成分ともに位相が遅れ、各成分を表示するベクトルの長さが変化する。ｘ成分とｙ成分の位相差は常にπ／２である（２つの成分ベクトルが互いに直交している）。その結果、位相差ηが、０，π／２，π，３π／２，２πと変化するに従い、出射光ｃが直線偏光（水平方向）→（楕円偏光（ＣＷ））→円偏光（ＣＷ）→（楕円偏光（ＣＷ））→直線偏光（垂直方向）→（楕円偏光（ＣＣＷ））→円偏光（ＣＣＷ）→（楕円偏光（ＣＣＷ））→直線偏光（水平方向）の順に変化する。 With reference to FIG. 4, the vector c of the above equation (8) when θ = 45 °, that is, the light emitted from the liquid crystal optical element LC2 will be described. The horizontal and vertical components of the vector c, that is, the x component (1 + e −iη ) and the y component (1-e −iη ) are shown in the topological space. As the phase difference η increases, the phases of both the x component and the y component are delayed, and the length of the vector displaying each component changes. The phase difference between the x and y components is always π / 2 (the two component vectors are orthogonal to each other). As a result, as the phase difference η changes to 0, π / 2, π, 3π / 2, 2π, the emitted light c is linearly polarized (horizontally) → (elliptical polarization (CW)) → circularly polarized light (CW). → (Elliptical polarization (CW)) → Linear polarization (vertical direction) → (Elliptical polarization (CCW)) → Circular polarization (CCW) → (Elliptical polarization (CCW)) → Linear polarization (horizontal direction).
次に、θ＝４５°の場合の上式（９）のベクトルｄ、すなわち液晶光学素子ＬＣ３からの出射光ｄについて説明する。位相差ζの変化に伴い、ｘ成分とｙ成分の位相が変わる。すなわち、入射光cを一般に楕円偏光とすると，位相差ζが、０，π／４，π／２，３π／４，πと変化するに従い、出射光ｄが楕円偏光（dと同じ回転方向）→直線偏光（-η／２方向）→楕円偏光（逆回転）→直線偏光（η／２方向）→楕円偏光（dと同じ回転方向）と変化する。楕円偏光の長軸方向は、位相差ζに応じて随時変わる。楕円偏光の消光比すなわち楕円率の逆数は、最高で∞（直線偏光）、最低で１／ｔａｎ（η／２）となる。 Next, the vector d of the above equation (9) when θ = 45 °, that is, the light emitted from the liquid crystal optical element LC3 will be described. As the phase difference ζ changes, the phases of the x component and the y component change. That is, assuming that the incident light c is generally elliptically polarized, the emitted light d is elliptically polarized (the same rotation direction as d) as the phase difference ζ changes to 0, π / 4, π / 2, 3π / 4, π. → Linear polarization (-η / 2 directions) → Elliptical polarization (reverse rotation) → Linear polarization (η / 2 directions) → Elliptical polarization (same rotation direction as d). The major axis direction of elliptically polarized light changes at any time according to the phase difference ζ. The reciprocal of the extinction ratio of elliptically polarized light, that is, the reciprocal of the elliptical coefficient, is ∞ (linearly polarized light) at the maximum and 1 / tan (η / 2) at the minimum.
なお、従来の偏光制御装置は、位相差ζを制御できる液晶光学素子ＬＣ３を用いるものではなく、位相差ζが常にπ／２に固定された波長板を用いているので、得られる出射光ｄは、直線偏光のままである。 Note that the conventional polarization control device does not use the liquid crystal optical element LC3 capable of controlling the phase difference ζ, but uses a wave plate in which the phase difference ζ is always fixed at π / 2, so that the emitted light d can be obtained. Remains linearly polarized.
（偏光制御方法）
次に、図５を参照して偏光制御方法を説明する。この偏光制御方法は、図１に示した偏光制御装置を用いて、直線偏光の入射光を光軸交差面の各部位ごとに制御された偏光状態に変換して出射する方法である。
(Polarization control method)
Next, the polarization control method will be described with reference to FIG. This polarization control method is a method in which the incident light of linearly polarized light is converted into a controlled polarization state for each part of the optical axis intersection and emitted by using the polarization control device shown in FIG.
位相と偏光状態とを変換できる複数の制御領域Ｊｊ，ｊ＝１〜ｎを有する３つの液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３を、光軸ｚに沿って、この順番で配置する（Ｓ１）。この実施形態では、ｎ＝８である。 Three liquid crystal optical elements LC1, LC2, LC3 having a plurality of control regions J j , j = 1 to n capable of converting the phase and the polarization state are arranged in this order along the optical axis z (S1). In this embodiment, n = 8.
光の入射側から１番目の液晶光学素子ＬＣ１の各制御領域Ｊ１ ｊ，ｊ＝１〜ｎを、それぞれ、入射する光に所定の位相差ξｊ，ｊ＝１〜ｎを発生させるように設定する（Ｓ２）。 Each control region J 1 j , j = 1 to n of the liquid crystal optical element LC1 first from the incident side of the light is caused to generate a predetermined phase difference ξ j , j = 1 to n in the incident light, respectively. Set (S2).
直線偏光を所定の楕円偏光に変換するため、光の入射側から２番目の液晶光学素子ＬＣ２を角度θ回転して配置し、各制御領域Ｊ２ ｊ，ｊ＝１〜ｎを、入射する光に所定の位相差ηｊ，ｊ＝１〜ｎを発生させるように設定する（Ｓ３）。この実施形態では、θ＝４５°である。 In order to convert linearly polarized light into predetermined elliptically polarized light, the second liquid crystal optical element LC2 from the incident side of the light is arranged by rotating the angle θ, and the incident light in each control region J 2 j , j = 1 to n. Is set to generate a predetermined phase difference η j , j = 1 to n (S3). In this embodiment, θ = 45 °.
楕円偏光を所定の他の偏光状態にするため、光の入射側から３番目の液晶光学素子ＬＣ３の各制御領域Ｊ３ ｊ，ｊ＝１〜ｎを、入射する光に所定の位相差ζｊ，ｊ＝１〜ｎを発生させるにように設定する（Ｓ４）。 To the elliptically polarized light in a predetermined other polarization state, each control region J 3 j from the light incident side third liquid crystal optical element LC3, j = 1 to n, and the predetermined the incident optical phase difference zeta j , J = 1 to n are set to be generated (S4).
光の入射側から１番目の液晶光学素子ＬＣ１に、直線偏光したレーザ光Ｒ（入射光）を入射させる（Ｓ５）。 The linearly polarized laser light R (incident light) is incident on the first liquid crystal optical element LC1 from the incident side of the light (S5).
液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３間の対応する制御領域Ｊ１ ｊ，Ｊ２ ｊ，Ｊ３ ｊ，ｊ＝１〜ｎによって、入射する光の偏光状態を、順次、直線偏光→楕円偏光→他の状態へと変換する（Ｓ６）。 Depending on the corresponding control regions J 1 j , J 2 j , J 3 j , j = 1 to n between the liquid crystal optical elements LC1, LC2, LC3, the polarization state of the incident light is sequentially changed from linearly polarized light to elliptically polarized light to others. Is converted to the state of (S6).
光の入射側から３番目の液晶光学素子ＬＣ３から、光軸交差面ｚ＝ｚoutの各部位である制御領域Ｊ３ ｊ，ｊ＝１〜ｎごとに、偏光状態を変換するため楕円率と偏光方向が任意に制御された光（出射光）を出射する（Ｓ７）。 From the third liquid crystal optical element LC3 from the light incident side, the control areas J 3 j is the site of the optical axis intersecting surface z = z out, for each j = 1 to n, and ellipticity for converting the polarization state Light (emission light) whose polarization direction is arbitrarily controlled is emitted (S7).
本実施形態の装置と方法によれば、液晶光学素子ＬＣ１は位相を、液晶光学素子ＬＣ２，ＬＣ３は偏光を、ジョーンズ法に従って制御するので、ビーム断面内に任意の偏光分布を生成することができる。すなわち、本実施形態によれば、ジョーンズ法で記述できる全ての位相・偏光状態をエンコードでき、その結果、任意の楕円率、任意の長軸方向をもった楕円偏光、直線偏光をビーム断面内に任意の分布で生成することができる。 According to the apparatus and method of the present embodiment, since the liquid crystal optical element LC1 controls the phase and the liquid crystal optical elements LC2 and LC3 control the polarization according to the Jones method, an arbitrary polarization distribution can be generated in the beam cross section. .. That is, according to the present embodiment, all phase / polarization states that can be described by the Jones method can be encoded, and as a result, an arbitrary ellipticity, an elliptical polarization having an arbitrary major axis direction, and a linear polarization can be obtained in the beam cross section. It can be generated with any distribution.
また、ホモジニアス配向の液晶光学素子ＬＣは、液晶ディスプレイの製造技術として完成された技術を用いて容易に製造することができ、例えば、３枚の液晶光学素子ＬＣを重ねて３ｍｍ以下の厚みに形成することができる。従って、低コストかつ小型の偏光制御装置を実現でき、既存の光学機器に対し容易に着脱することができる。また、小型化が容易なことにより、例えば、顕微鏡の集光レンズの入射瞳位置に収まる程小型の装置とすることができ、既設の光学機器の僅かな隙間に実装することができる。 Further, the homogeneously oriented liquid crystal optical element LC can be easily manufactured by using a technique completed as a manufacturing technique for a liquid crystal display. For example, three liquid crystal optical element LCs are stacked to form a thickness of 3 mm or less. can do. Therefore, a low-cost and compact polarization control device can be realized, and it can be easily attached to and detached from an existing optical device. Further, because of the ease of miniaturization, for example, the device can be made small enough to fit in the entrance pupil position of the condenser lens of the microscope, and can be mounted in a small gap of an existing optical device.
制御領域への分割、すなわち、透明電極のセグメント分割は、放射状８分割に限られず、必要とされる偏光分布の形状および複雑さに応じて、同心円方向、放射方向等、適切に設定して配置することができる。放射状８分割では、擬似的なラジアル偏光、およびアジマス偏光を生成する用途に適しているが、原理的に液晶ディスプレイと同程度に微細化する余地があり、必要に応じてほぼ任意の分布を形成することができる。 The division into the control region, that is, the segmentation of the transparent electrode is not limited to the radial eight divisions, and the concentric direction, the radial direction, etc. are appropriately set and arranged according to the shape and complexity of the required polarization distribution. can do. Radial 8-division is suitable for applications that generate pseudo-radial polarized light and azimuth polarized light, but in principle there is room for miniaturization to the same extent as a liquid crystal display, and an almost arbitrary distribution can be formed as needed. can do.
（実施例）
図６乃至図９を参照して、偏光制御装置１および偏光制御方法の実施例として、計算結果を説明する。図６は、偏光制御装置１からの出射光の光軸交差面における各制御領域に対応する各部位に生成可能な偏光状態を光電場の軌跡で示す。図中の実線は右回り（ＣＷ）円偏光、破線は左回り（ＣＣＷ）円偏光を示す。
(Example)
The calculation results will be described as examples of the polarization control device 1 and the polarization control method with reference to FIGS. 6 to 9. FIG. 6 shows a polarization state that can be generated in each portion corresponding to each control region on the optical axis intersection of the light emitted from the polarization control device 1 by a trajectory of a photoelectric field. The solid line in the figure indicates clockwise (CW) circularly polarized light, and the broken line indicates counterclockwise (CCW) circularly polarized light.
ここで、位相差η，ζを制御して任意の楕円方位角Φと楕円率Ａ＝ｔａｎχを有する偏光を実現できることを説明する。結果だけを示すと、楕円方位角Φと楕円率Ａ＝ｔａｎχは、下式（１０）（１１）で表される。楕円方位角Φと楕円率Ａの関係は、下式（１２）で表される。また、下式（１３）は、楕円率Ａであるために、Ｂの値が一定であること、という制限を表す。 Here, it will be described that polarized light having an arbitrary elliptical azimuth angle Φ and ellipticity A = tanχ can be realized by controlling the phase differences η and ζ. Showing only the results, the elliptical azimuth Φ and the ellipticity A = tanχ are expressed by the following equations (10) and (11). The relationship between the elliptical azimuth Φ and the ellipticity A is expressed by the following equation (12). Further, the following equation (13) expresses the limitation that the value of B is constant because the ellipticity is A.
上式（１２）（１３）から位相差ηと楕円方位角Φの取り得る範囲を検証することにより、図６に示すように、位相差η，ζの値を制御して、いかなる楕円率でも自由に制御できることが分かる。この偏光制御装置１および偏光制御方法によれば、液晶光学素子ＬＣ２において位相差ηを０°から３６０°まで変化させ、液晶光学素子ＬＣ３において位相差ζを０°から１８０°まで変化させることにより、任意の完全偏光を実現することができる。 By verifying the possible ranges of the phase difference η and the elliptical azimuth Φ from the above equations (12) and (13), as shown in FIG. 6, the values of the phase difference η and ζ can be controlled to control any ellipticity. You can see that it can be controlled freely. According to the polarization control device 1 and the polarization control method, the phase difference η is changed from 0 ° to 360 ° in the liquid crystal optical element LC2, and the phase difference ζ is changed from 0 ° to 180 ° in the liquid crystal optical element LC3. , Any perfect polarization can be achieved.
このような任意の完全偏光（すなわち、無偏光ではなく、ランダム偏光でもなく、ジョーンズ法に従って変換可能な偏光）が、出射光の光軸交差面における各制御領域に対応する各部位において実現される。そこで、各液晶光学素子ＬＣの各制御領域Ｊｉ ｊ，ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜８における、位相差ξｊ，ηｊ，ζｊを個別に制御することにより、入射光である直線偏光から、光軸交差面の各部位ごとに制御され所望の偏光状態に変換された出射光を生成することができる。従来の偏光制御装置は、位相差ηを０°から３６０°まで変化させるものの、位相差ζをζ＝９０°に固定したものである。これは、Φ＝η／２，ｔａｎχ＝０の場合に対応し、直線偏光を回転させることしか実現できていない。 Any such fully polarized light (ie, not unpolarized, not randomly polarized, and convertible according to the Jones Law) is realized at each site corresponding to each control region at the optical axis intersection of the emitted light. .. Therefore, each control region J i j of each liquid crystal optical element LC, i = 1 to 3, in j = 1 to 8, phase difference xi] j, eta j, by individually controlling the zeta j, is the incident light From linearly polarized light, it is possible to generate emitted light that is controlled for each part of the optical axis intersection surface and converted into a desired polarized state. In the conventional polarization control device, the phase difference η is changed from 0 ° to 360 °, but the phase difference ζ is fixed at ζ = 90 °. This corresponds to the case of Φ = η / 2, tanχ = 0, and can only be realized by rotating the linearly polarized light.
図６に示されるように、楕円率のみを変化させる場合は、位相差ζ＝０°、位相差η＝０°〜３６０°とすることで実現できる。この場合、液晶光学素子ＬＣ２の位相差ηのみで制御されているのは偶然であり、一般には、液晶光学素子ＬＣ２，ＬＣ３の位相差η，ζの両方を制御する必要がある。 As shown in FIG. 6, when only the ellipticity is changed, it can be realized by setting the phase difference ζ = 0 ° and the phase difference η = 0 ° to 360 °. In this case, it is a coincidence that the phase difference η of the liquid crystal optical element LC2 is controlled only, and it is generally necessary to control both the phase difference η and ζ of the liquid crystal optical elements LC2 and LC3.
図７、図８は、それぞれ、楕円方位角Φと消光比Ｒｅｘの関係における位相差ηの関与の様子と、位相差ζの関与の様子とを示す。位相差η，ζをそれぞれ１２ビットの分解能で制御すると、組み合わせ数は、２の２４乗個（２＾２４個）となり、それぞれ異なった偏光状態が得られる。偏光状態は、楕円方位角Φと消光比Ｒｅｘ（楕円率の逆数、Ｒｅｘ＝１／ｔａｎχ）の組み合わせで決まる。図７、図８に示される図形は、２＾２４個の点をプロットした同じ点描画である。図７、図８は、それぞれ位相差η，ζの値を重ねて濃淡表示した点が異なる。 7 and 8, respectively, showing the manner of engagement of the phase difference η in relation elliptical azimuth Φ and extinction ratio R ex, and how the involvement of the phase difference zeta. When the phase differences η and ζ are controlled with a resolution of 12 bits each, the number of combinations is 2 to the 24th power (2 ^ 24), and different polarized states can be obtained. Polarization state, (the reciprocal of the ellipticity, R ex = 1 / tanχ) and elliptical azimuth Φ extinction ratio R ex determined by a combination of. The figures shown in FIGS. 7 and 8 are the same pointillism in which 2 ^ 24 points are plotted. 7 and 8 are different in that the values of the phase differences η and ζ are superimposed and displayed in shades, respectively.
図７，図８から分かるように、円偏光から直線偏光に近づくとき、消光比１０〜１００からいきなり無限大に近い消光比（直線偏光）に飛んでいる。これは、１２ビットの分解能の限界を示し、ビット数を上げると、より高い消光比を達成できる。偏光の用途によっては、この消光比の値（１０なのか１００なのか１０００なのか）如何で結果が変わることがある。 As can be seen from FIGS. 7 and 8, when approaching linearly polarized light from circularly polarized light, the extinction ratio suddenly jumps from 10 to 100 to an extinction ratio (linearly polarized light) close to infinity. This indicates a 12-bit resolution limit, and higher bit extinction ratios can be achieved by increasing the number of bits. Depending on the use of polarized light, the result may change depending on the value of this extinction ratio (10, 100, 1000).
図９は、上述の図７と同様の点描画を８ビットの分解能で作成し、消光比Ｒｅｘが２，５，１０の値となる点またはその値に近い値を持つ点を選択して、大きな点でプロットしたものである。つまり、消光比を一定にして偏光の楕円方位角Φを回転させようとするときに、辿るべきプロット点を示す。この図により、離散化の影響（離散化による量子化ノイズの発生）を見ることができる。特に楕円偏光の消光比が高い場合に、離散化の影響が顕著である。例えば、楕円方位角Φによっては、適したプロット点がない場合に、なるべく消光比が近い点を選択するというルールで選択すると、消光比が高くなるほど精確に消光比を保ったまま楕円方位角Φを回転させることが難しくなる。この場合、必要に応じて位相差η，ζの分解能を挙げればよく、位相差η，ζの分解能は、液晶光学素子ＬＣの制御領域Ｊに印加する電圧の分解能を制御することにより、容易に制御することができる。 Figure 9 is to select a point having a value close to 7 to create a resolution of 8 bits drawing similar respects to the extinction ratio R ex is a point or a value and the value of 2, 5, 10 of the above , It is a plot with large dots. That is, the plot points to be followed when trying to rotate the elliptical azimuth Φ of polarized light with the extinction ratio constant are shown. From this figure, the effect of discretization (generation of quantization noise due to discretization) can be seen. Especially when the extinction ratio of elliptically polarized light is high, the effect of discretization is remarkable. For example, depending on the elliptical azimuth Φ, if there is no suitable plot point and the point is selected with the rule that the extinction ratio is as close as possible, the higher the extinction ratio, the more accurately the elliptical azimuth Φ is maintained. It becomes difficult to rotate. In this case, the resolutions of the phase differences η and ζ may be raised as needed, and the resolutions of the phase differences η and ζ can be easily obtained by controlling the resolution of the voltage applied to the control region J of the liquid crystal optical element LC. Can be controlled.
（他の実施形態）
図１０（ａ）は、出射光の偏光状態をアジマス偏光とした場合の偏光制御装置および偏光制御方法の実施形態を示す。また、図１０（ｂ）は、出射光の光軸交差面の各部位ごとに任意の楕円偏光を分布させる偏光状態とした場合の偏光制御装置および偏光制御方法の実施形態を示す。これらの出射光は、位相差ξ，η，ζを各制御領域ごとに制御することにより生成される。
(Other embodiments)
FIG. 10A shows an embodiment of a polarization control device and a polarization control method when the polarization state of the emitted light is azimuth polarization. Further, FIG. 10B shows an embodiment of a polarization control device and a polarization control method in a polarization state in which an arbitrary elliptically polarized light is distributed for each portion of the optical axis intersection surface of the emitted light. These emitted lights are generated by controlling the phase differences ξ, η, and ζ for each control region.
図１１の液晶光学素子ＬＣは、光軸を中心とする放射状に、かつ、円環状に形成された制御領域Ｊを備えている。このような液晶光学素子ＬＣを用いると、放射状に８分割されたセクタ状の制御領域を備える液晶光学素子を用いる場合よりも、より細かく制御した偏光状態分布の出射光が得られる。 The liquid crystal optical element LC of FIG. 11 includes a control region J formed radially and annularly around the optical axis. When such a liquid crystal optical element LC is used, emitted light having a polarized state distribution that is finely controlled can be obtained as compared with the case where a liquid crystal optical element having sector-shaped control regions divided into eight radially is used.
図１２（ａ）の液晶光学素子ＬＣは、同じ素子構造を有する制御領域Ｊをアレイ状に配置して構成されている。この液晶光学素子ＬＣは、例えば、図１２（ｂ）に示すように、隣接する複数の制御領域Ｊをまとめて、放射状に８分割されたセクタ状の合成制御領域ΣＪとすることができる。また、この液晶光学素子ＬＣは、上述した図１１の円環断片状の制御領域Ｊや、他の任意形状の制御領域を容易に形成することができる。 The liquid crystal optical element LC of FIG. 12A is configured by arranging control regions J having the same element structure in an array. As shown in FIG. 12B, for example, the liquid crystal optical element LC can combine a plurality of adjacent control regions J into a sector-shaped composite control region ΣJ radially divided into eight. Further, the liquid crystal optical element LC can easily form the ring-shaped fragmentary control region J of FIG. 11 and other arbitrary-shaped control regions.
（偏光制御方法の他の実施形態）
図１３は、より一般的な、偏光制御方法の実施形態を示す。この実施形態は、３以上の任意数の光学素子を用いるものである。まず、複数個（例えばｍ個、ただし３≦ｍ）の光学素子Ｌｉを、光軸に沿って配置する（＃１）。複数の光学素子Ｌの各々は、入射光の位相と偏光状態をジョーンズ法に基づいて変換する複数個（例えばｎ個）の制御領域Ｊｉ ｊを有している。
(Other Embodiments of Polarization Control Method)
FIG. 13 shows a more general embodiment of the polarization control method. In this embodiment, an arbitrary number of optical elements of 3 or more are used. First, a plurality of (for example, m, but 3 ≦ m) optical elements Li are arranged along the optical axis (# 1). Each of the plurality of optical elements L has a plurality of (for example, n) control regions J i j that convert the phase and polarization state of the incident light based on the Jones method.
次に、各光学素子Ｌｉ，ｉ＝１〜ｍについて実行する光学素子ループ（ＬＰ１，ＥＬＰ１）において、各制御領域数Ｊｉ ｊ，ｊ＝１〜ｎについて制御領域設定ループ（ＬＰ２，ＥＬＰ２）を実行する。制御領域設定ループ（ＬＰ２，ＥＬＰ２）では、光学素子Ｌｉの回転位置と、制御領域Ｊｉ ｊによる位相制御量とを、所定のジョーンズ行列Ａｉ ｊ，ｊ＝１〜ｎに対応させて設定する（＃２）。 Then, each optical element L i, in the optical element loop that executes the i = 1~m (LP1, ELP1) , each control area number J i j, j = 1~n the control region setting loop (LP2, ELP2) To execute. In the control region setting loop (LP2, ELP2), and the rotational position of the optical element L i, and a phase control amount of the control region J i j, given Jones matrix A i j, so as to correspond to the j = 1 to n set (# 2).
各ループ（ＬＰ１，ＥＬＰ１），（ＬＰ２，ＥＬＰ２）が完了すると、最初（ｉ＝１）の光学素子Ｌ１に、直線偏光したレーザ光Ｒを入射させ、各制御領域Ｊ１ ｊ，ｊ＝１〜ｎによる偏光状態の変換を行う（＃３）。すなわち、各制御領域Ｊ１ ｊは、入射光ｒ１ ｊを、ジョーンズ行列Ａ１ ｊに従って変換し、出射光ｒ２ ｊ＝Ａ１ ｊ・ｒ１ ｉ を生成して出射する（ｊ＝１〜ｎ）。 When each loop (LP1, ELP1), (LP2, ELP2) is completed, a linearly polarized laser beam R is incident on the first (i = 1) optical element L 1 , and each control region J 1 j , j = 1 The polarization state is converted by ~ n (# 3). That is, each control region J 1 j transforms the incident light r 1 j according to the Jones matrix A 1 j , and the emitted light r 2 j = A 1 j · r 1 i. Is generated and emitted (j = 1 to n).
次に、隣接する光学素子Ｌｉ ，Ｌｉ＋１ 間の、互いに対応する制御領域Ｊｉ ｊ ，Ｊｉ＋１ ｊ ，ｊ＝１〜ｎによって、入射する光の位相と偏光状態を線形変換する（＃４）。すなわち、光学素子Ｌｉ において、出射光ｒｉ＋１ ｊ＝Ａｉ ｊ・ｒｉ ｉを生成する（ｉ＝２〜ｍ，ｊ＝１〜ｎ）。 Next, the control regions J i j corresponding to each other between the adjacent optical elements Li and Li + 1. , J i + 1 j , J = 1 to n linearly transform the phase and polarization state of the incident light (# 4). That is, in the optical element L i, to produce an emitted light r i + 1 j = A i j · r i i (i = 2~m, j = 1~n).
最後（ｉ＝ｍ）の光学素子Ｌｍから、光軸交差面ｚ＝ｚｍの各部位ｚｍ ｊごとに、偏光状態を制御された、すなわち楕円率と偏光方向が任意に制御された、光ｒｍ＋１ ｊ，ｊ＝１〜ｎ（出射光）を、出射する（＃５）。 From the last (i = m) optical element L m , the polarization state was controlled for each part z m j of the optical axis intersection surface z = z m , that is, the ellipticity and the polarization direction were arbitrarily controlled. Light rm + 1 j , j = 1 to n (emitted light) is emitted (# 5).
（偏光制御装置の使用例）
図１４、図１５、図１６は、偏光制御装置１の使用例を示す。図１４に示すように、偏光制御装置１は、試料９を観測する透過型の顕微鏡の対物レンズ９０の直前に、着脱式に挿入して用いることができる。偏光制御装置１には、不図示の制御用装置が接続される。レーザ光Ｒは、偏光制御装置１と対物レンズ９０を通して集光され、上方から試料９に照射される。試料９から発せられる物体光は、試料９の下方に配置した検出器９１によって記録され、また、モニタによって観察される。
(Example of using polarization control device)
14, 15, and 16 show a usage example of the polarization control device 1. As shown in FIG. 14, the polarization control device 1 can be detachably inserted immediately before the objective lens 90 of the transmission type microscope for observing the sample 9. A control device (not shown) is connected to the polarization control device 1. The laser beam R is focused through the polarization control device 1 and the objective lens 90, and is applied to the sample 9 from above. The object light emitted from the sample 9 is recorded by the detector 91 arranged below the sample 9 and observed by the monitor.
図１５に示すように、偏光制御装置１は、例えば、ラジアル偏光を出力することができる。ラジアル偏光は、対物レンズ９０によって集光されることにより、集光点に向かう各光束の電界Ｅｒが互いに重ね合わされ、集光点において、光軸方向の電界Ｅｚとして合成される。このように集光した光はＺ偏光と呼ばれる。電界Ｅｚの回りにリング状に磁界Ｈが存在する。 As shown in FIG. 15, the polarization control device 1 can output radial polarized light, for example. The radial polarized light is focused by the objective lens 90, so that the electric fields Er of each luminous flux toward the focusing point are superposed on each other, and are synthesized as an electric field Ez in the optical axis direction at the focusing point. The light focused in this way is called Z-polarized light. A magnetic field H exists in a ring shape around the electric field Ez.
図１６に示すように、Ｚ偏光は、試料９中の分子９ｍの立体的な配向を調べるプローブとして効果的に用いられる。例えば、試料９への入射光Ｒｉｎと、試料９から放射される物体光Ｒｏｕｔとを比較することにより、分子９ｍの光軸方向の配向成分の情報を得ることができる。 As shown in FIG. 16, Z-polarized light is effectively used as a probe for examining the steric orientation of a molecule 9 m in sample 9. For example, by comparing the incident light Rin on the sample 9 with the object light Rout emitted from the sample 9, information on the orientation component in the optical axis direction of the molecule 9 m can be obtained.
（偏光制御装置の応用例）
図１７（ａ）に示すように、偏光制御装置１からの出射光が対物レンズ９０を通過し光学的異方性を有する媒体９９を通過した後に、観察目的の試料９に照射される場合、試料９中の分子９ｍに所定のＺ偏光を照射することができない。これは、所定の偏光における電界Ｅｒが、媒体９９からの影響を受けた電界Ｅｘに変質してしまうことによる。
(Application example of polarization control device)
As shown in FIG. 17A, when the light emitted from the polarization control device 1 passes through the objective lens 90, passes through the medium 99 having optical anisotropy, and then irradiates the sample 9 for observation. The molecule 9 m in the sample 9 cannot be irradiated with the predetermined Z-polarized light. This is because the electric field Er at a predetermined polarization is transformed into the electric field Ex influenced by the medium 99.
図１７（ｂ）に示すように、例えば、媒体９９が、複屈折層９ａ、液晶層９ｂ、複屈折層９ｃなどで構成されている場合、媒体９９への入射光Ｒｉｎの入射方向ごとに媒体９９からの擾乱を受けてしまう。収束光中の各光束は全て進行方向が異なるので、例えば、液晶層９ｂにおける液晶分子Ｍが一様に配向していると、液晶分子Ｍによる屈折率異方性の影響を受けることになる。 As shown in FIG. 17B, for example, when the medium 99 is composed of the birefringent layer 9a, the liquid crystal layer 9b, the birefringent layer 9c, or the like, the medium is a medium for each direction of incident light Rin on the medium 99. It receives the disturbance from 99. Since each luminous flux in the converged light has a different traveling direction, for example, if the liquid crystal molecules M in the liquid crystal layer 9b are uniformly oriented, the refractive index anisotropy due to the liquid crystal molecules M will be affected.
図１８に示すように、偏光制御装置１は、媒体９９による擾乱を補償して、電界Ｅｚを有するＺ偏光を試料９の位置に生成できる。これは、偏光制御装置１が、出射光の光軸交差面の各部位ごとに偏光状態Ｐｓを制御した出射光を生成できることによる。偏光制御装置１は、この特性を活かして、いわば天体観測における補償光学の手順で、媒体９９による擾乱を相殺するように各制御領域を制御して擾乱の補償を実現できる。 As shown in FIG. 18, the polarization control device 1 can compensate for the disturbance caused by the medium 99 and generate Z polarized light having an electric field Ez at the position of the sample 9. This is because the polarization control device 1 can generate the emitted light in which the polarization state Ps is controlled for each part of the optical axis intersection surface of the emitted light. Utilizing this characteristic, the polarization control device 1 can realize the compensation of the disturbance by controlling each control region so as to cancel the disturbance caused by the medium 99 by the procedure of adaptive optics in the astronomical observation.
例えば、偏光制御装置１から目的の試料９上の照射点に至るまでの光路上に介在する媒体９９の情報を取得し、偏光制御装置１からの出射光を、光路上の屈折率による影響を相殺するように制御した偏光状態Ｐｓにして生成すればよい。媒体９９の情報は、例えば複屈折率分布である。媒体９９の影響を相殺するための情報は、媒体９９のみを透過した偏光を測定することによって得てもよい。 For example, the information of the medium 99 interposed in the optical path from the polarization control device 1 to the irradiation point on the target sample 9 is acquired, and the light emitted from the polarization control device 1 is affected by the refractive index on the optical path. It may be generated in the polarized state Ps controlled so as to cancel each other. The information of the medium 99 is, for example, a birefringence distribution. Information for canceling the influence of the medium 99 may be obtained by measuring the polarization transmitted only through the medium 99.
このように、偏光を使用する場所において所定の偏光を存在させるために、補償するための処理を事前に行う方法は、出射光を収束させる場合に限らず、任意の場面で適用することができる。すなわち、出射光が、光学的異方性を有する媒体を通過した後に用いられる場合、制御領域Ｊに対し、媒体による偏光状態の変化を相殺する補正の制御を加えることができる。 As described above, the method of performing the processing for compensating in advance in order to make the predetermined polarized light exist in the place where the polarized light is used can be applied not only in the case of converging the emitted light but also in any situation. .. That is, when the emitted light is used after passing through a medium having optical anisotropy, it is possible to add correction control for canceling the change in the polarization state due to the medium to the control region J.
上述のように、対物レンズへの入射偏光であるラジアル偏光に、予め偏光、位相分布に補正を加えた位相、偏光分布を補正パターンとして生成することによって、焦点において所定の偏光制御を行うことができる。補正パターンの自由度は無限であり、あらゆる偏光状態を生成できなければならない。本偏光制御装置１によれば、補正パターンの自由度に対応することができる。顕微観察を例にして、補正パターンを生成して適用する技術を説明したが、この技術は、光路上に偏光、位相を乱す物質が介在しうる全ての応用技術に適用することができる。 As described above, it is possible to perform predetermined polarization control at the focal point by generating the radial polarized light, which is the incident polarized light on the objective lens, the polarized light, the phase obtained by correcting the phase distribution in advance, and the polarized light distribution as a correction pattern. it can. The degree of freedom of the correction pattern is infinite and it must be possible to generate any polarization state. According to the present polarization control device 1, it is possible to correspond to the degree of freedom of the correction pattern. The technique of generating and applying a correction pattern has been described by taking microscopic observation as an example, but this technique can be applied to all applied techniques in which a substance that disturbs polarization and phase can intervene in the optical path.
（偏光制御システム）
図１９は、偏光制御システム１００を示す。偏光制御システム１００は、偏光制御装置１と、制御部１１と、入出力部１２と、データベース１３とを備えている。
(Polarization control system)
FIG. 19 shows a polarization control system 100. The polarization control system 100 includes a polarization control device 1, a control unit 11, an input / output unit 12, and a database 13.
偏光制御装置１は、偏光素子、すなわち入射する光の位相と偏光状態を操作した光を出射する素子である、３個以上のｍ個の光学素子Ｌ１，Ｌ２，・・，Ｌｍをケース１０に収納して構成されている。各光学素子Ｌｉは、それぞれ制御領域Ｊｉ １，Ｊｉ ２，・・，Ｊｉ ｎを有している。各光学素子Ｌｉは、光軸となる所定の軸、例えばケース１０の中心軸回りに、互いに相対的な所定の回転角度を有するようにケース１０内に配置されている。この回転位置が固定された状態で、各光学素子Ｌｉ，ｉ＝１〜ｍに属する任意の一連の制御領域、例えば１番目の各制御領域Ｊｉ １，ｉ＝１〜ｍは、ケース１０の中心軸方向に沿って直線的に配置されている。他の各制御領域Ｊｉ ｊ，ｉ＝１〜ｍ，ｊ≠１についても同様である。 The polarization control device 1 has three or more m optical elements L1, L2, ..., Lm in the case 10, which are polarization elements, that is, elements that emit light by manipulating the phase and polarization state of the incident light. It is configured to be stored. Each optical element L i are each controlled area J i 1, J i 2, ··, and a J i n. Each optical element Li is arranged in the case 10 so as to have a predetermined rotation angle relative to each other around a predetermined axis serving as an optical axis, for example, around the central axis of the case 10. In a state where the rotational position is fixed, the optical element L i, any series of control areas belonging to i = 1 to m, for example, first the control region J i 1, i = 1 to m, the case 10 It is arranged linearly along the central axis direction of. The same applies to each of the other control areas J i j , i = 1 to m, and j ≠ 1.
各光学素子Ｌｉは、例えば液晶光学素子であり、各制御領域Ｊｉ ｊを電気的に制御するためのフレキシブルケーブル１０ａとコネクタ１０ｂとを介して、制御部１１に接続されている。 Each optical element L i is, for example, a liquid crystal optical element, each control region J i j via the flexible cable 10a and a connector 10b for electrically controlled, is connected to the control unit 11.
制御部１１は、一般的な、ＣＰＵ、ＯＳ、メモリ、画像処理アクセラレータ等を備えた、小型のコンピュータである。メモリには、偏光制御装置１を制御するために必要なソフトウエアが記憶されている。入出力部１２は、ユーザが偏光制御装置１と制御部１１を操作するために必要な、ディスプレイ、マウス、補助記録装置などの一般的な機器を備えている。 The control unit 11 is a small computer provided with a general CPU, OS, memory, image processing accelerator, and the like. Software necessary for controlling the polarization control device 1 is stored in the memory. The input / output unit 12 includes general equipment such as a display, a mouse, and an auxiliary recording device necessary for the user to operate the polarization control device 1 and the control unit 11.
データベース１３には、所定の偏光状態の出射光が得られるように各制御領域Ｊｉ ｊを制御するため必要な制御用データ、媒体の影響を補償するために必要なデータ、偏光制御装置１を較正するために必要なデータなどが保存されている。 The database 13, the necessary control data for controlling each control region J i j as output light in a predetermined polarization state is obtained, the data required to compensate for the influence of the medium, a polarization control device 1 The data required for calibration is stored.
（偏光制御装置の他の使用例）
図２０は、偏光制御装置１の他の使用例を示す。この偏光制御装置１は、試料９を観測する反射型の顕微鏡に用いられている。この顕微鏡は、対物レンズ９０、ハーフミラーＨＭ、集光レンズ９２、遮光板９３、検出器９１を備えている。ハーフミラーＨＭは、試料９を照明するレーザ光Ｒの光路上であって対物レンズ９０の手前に配置され、対物レンズ９０を通って逆行してくる試料９からの反射光を、集光レンズ９２と遮光板９３を通して検出器９１に送る。
(Other use examples of polarization control device)
FIG. 20 shows another usage example of the polarization control device 1. This polarization control device 1 is used in a reflection type microscope for observing a sample 9. This microscope includes an objective lens 90, a half mirror HM, a condenser lens 92, a shading plate 93, and a detector 91. The half mirror HM is arranged in front of the objective lens 90 on the optical path of the laser beam R that illuminates the sample 9, and the reflected light from the sample 9 that travels backward through the objective lens 90 is collected by the condenser lens 92. Is sent to the detector 91 through the shading plate 93.
偏光制御装置１は、レーザ光Ｒの光路上であってハーフミラーＨＭの手前に、着脱式に挿入配置されている。偏光制御装置１は、液晶光学素子ＬＣを用いるものであり、不図示の制御用装置が接続される。 The polarization control device 1 is detachably inserted and arranged on the optical path of the laser beam R and in front of the half mirror HM. The polarization control device 1 uses a liquid crystal optical element LC, and a control device (not shown) is connected to the polarization control device 1.
次に、図２１を参照して、偏光制御装置１の特性と他の使用例を説明する。図２１（ａ）において、レーザ光Ｒの光路上に、ハーフミラーＨＭ、直線偏光を透過する偏光素子Ｌ０、偏光制御装置１、対物レンズ９０が配置されている。対物レンズ９０の焦点位置には、試料９が配置されている。ここで、試料９の表面は、偏光に変化を与えない反射面が想定されている。レーザ光Ｒは、ハーフミラーＨＭと偏光素子Ｌ０を透過して、偏光制御装置１の液晶光学素子ＬＣ１の配向方向に沿った直線偏光ａ１とされる。直線偏光ａ１は、偏光制御装置１の制御状態に基づいて、任意の偏光状態に制御された偏光ａ２なる。偏光ａ２は、対物レンズ９０を通って試料９で反射され、対物レンズ９０を逆行した状態で、偏光ａ２と同じ偏光状態の偏光ｂ２となる。偏光ｂ２は、偏光制御装置１を逆行すると、偏光制御装置１における光の伝搬方向に対する対称性の結果、直線偏光ａ１と同じ偏光状態の偏光ｂ１となる。偏光ｂ１は、ハーフミラーＨＭに反射されて反射光Ｒｒとなり、検出器等によって検出される。 Next, the characteristics of the polarization control device 1 and other usage examples will be described with reference to FIG. In FIG. 21A, a half mirror HM, a polarizing element L0 that transmits linearly polarized light, a polarization control device 1, and an objective lens 90 are arranged on the optical path of the laser beam R. The sample 9 is arranged at the focal position of the objective lens 90. Here, the surface of the sample 9 is assumed to be a reflective surface that does not change the polarization. The laser beam R passes through the half mirror HM and the polarizing element L0, and is linearly polarized a1 along the orientation direction of the liquid crystal optical element LC1 of the polarization control device 1. The linearly polarized light a1 becomes polarized light a2 controlled to an arbitrary polarized state based on the controlled state of the polarized light control device 1. The polarized light a2 is reflected by the sample 9 through the objective lens 90, and in a state where the objective lens 90 is reversed, it becomes the polarized light b2 in the same polarized state as the polarized light a2. When the polarization control device 1 is reversed, the polarization b2 becomes the polarization b1 in the same polarization state as the linearly polarized light a1 as a result of the symmetry with respect to the light propagation direction in the polarization control device 1. The polarized light b1 is reflected by the half mirror HM to become reflected light Rr, which is detected by a detector or the like.
図２１（ｂ）は、試料９が入射光の偏光状態に作用する物性を有する場合を示す。偏光ａ２は、偏光制御装置１によって、例えば、直線偏光ａ１を回転した光である。試料９によって反射されて対物レンズ９０を逆行した状態の偏光ｂ２は、試料９の影響を受けて、偏光ａ２とは異なる偏光状態になる。この偏光ｂ２は、偏光制御装置１を逆行しても、もとの直線偏光ａ１と同じ偏光状態にはならない。偏光ｂ１は、反射光Ｒｒとなり、検出器等によって検出される。反射光Ｒｒの偏光状態を調べることにより、試料９の光物性の情報を得ることができる。 FIG. 21B shows a case where the sample 9 has physical characteristics that affect the polarization state of the incident light. The polarized light a2 is, for example, light obtained by rotating the linearly polarized light a1 by the polarization control device 1. The polarized light b2 in a state of being reflected by the sample 9 and reversing the objective lens 90 is affected by the sample 9 and becomes a polarized state different from the polarized light a2. The polarized light b2 does not become the same polarized state as the original linearly polarized light a1 even if the polarization control device 1 is reversed. The polarized light b1 becomes reflected light Rr and is detected by a detector or the like. Information on the optical properties of the sample 9 can be obtained by examining the polarization state of the reflected light Rr.
上述の図２１（ｂ）における偏光制御装置１は、試料９からの戻り光に対してパッシブに動作する受動素子として機能している。すなわち、偏光制御装置１は、アクティブに動作して所望の光を生成する能動素子として用いることの他に、受動素子として用いることができる。このような機能を有する偏光制御装置１は、特定の偏光分布の光のみを検出する検出装置として用いることができる。この機能は、例えば、偏光制御装置１そのものの、組み立て時の位置調整や、適宜に行う較正手順の中で、効果的に用いることができる。 The polarization control device 1 in FIG. 21B described above functions as a passive element that operates passively with respect to the return light from the sample 9. That is, the polarization control device 1 can be used as a passive element in addition to being used as an active element that actively operates to generate desired light. The polarization control device 1 having such a function can be used as a detection device that detects only light having a specific polarization distribution. This function can be effectively used, for example, in the position adjustment of the polarization control device 1 itself at the time of assembly and the calibration procedure performed as appropriate.
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。液晶光学素子ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３を用いる場合、それぞれの液晶光学素子ＬＣは、各１枚で構成することに限られず、複数枚の液晶光学素子を重ねて構成してもよい。例えば液晶光学素子ＬＣ２の場合、位相差ηを２つの液晶光学素子によって分担して、最終的にη＝η１＋η２の位相差を発生させるようにしてもよい。 The present invention is not limited to the above configuration and can be modified in various ways. For example, the configurations of the above-described embodiments can be combined with each other. When the liquid crystal optical elements LC1, LC2, and LC3 are used, each liquid crystal optical element LC is not limited to being composed of one each, and a plurality of liquid crystal optical elements may be stacked. For example, in the case of the liquid crystal optical element LC2, the phase difference η may be shared by the two liquid crystal optical elements so that the phase difference of η = η1 + η2 is finally generated.
また、光学素子は、液晶光学素子に限られず、電気的に複屈折率を制御できる材料によって、それぞれ制御領域を形成して偏光制御装置を構成することができる。各光学素子による位相の制御や偏光状態制御の動作範囲が狭い場合、多数枚の光学素子を重ねて、偏光制御装置を構成すればよい。本願において、光軸の用語は、光学系において系全体を通過する光束の代表となる仮想的な光線を指す、一般的な意味で用いられている。 Further, the optical element is not limited to the liquid crystal optical element, and the polarization control device can be configured by forming a control region with a material capable of electrically controlling the birefringence. When the operating range of phase control and polarization state control by each optical element is narrow, a large number of optical elements may be stacked to form a polarization control device. In the present application, the term optical axis is used in a general sense to refer to a virtual light beam representing a luminous flux passing through the entire system in an optical system.
上述した偏光制御装置は、従来技術では不可能だった以下の特性を同時に満たす。すなわち、（１）既設装置に組み込み可能な小型、かつ低コストな装置であること、（２）機械的動作が必要ない電子制御の装置であること、（３）ジョーンズ法で記述できる全ての位相・偏光状態を液晶ディスプレイと同じ精細さでエンコードできること。 The polarization control device described above simultaneously satisfies the following characteristics that were not possible with the prior art. That is, (1) it is a small and low-cost device that can be incorporated into an existing device, (2) it is an electronically controlled device that does not require mechanical operation, and (3) all phases that can be described by the Jones method. -The polarization state can be encoded with the same fineness as a liquid crystal display.
このような特性を有することから、本発明に係る技術は、光学顕微鏡とその関連機器、レーザ加工用機器に適用できる。また、光ビーム内での偏光分布をラジアル偏光やアジマス偏光だけでなく任意かつ動的に制御できるので、それぞれの用途に用いた場合に新たな機能を実現できる可能性がある。 Since it has such characteristics, the technique according to the present invention can be applied to an optical microscope, its related equipment, and a laser processing equipment. Further, since the polarization distribution in the light beam can be controlled arbitrarily and dynamically as well as radial polarization and azimuth polarization, there is a possibility that a new function can be realized when used for each application.
１ 偏光制御装置
９９ 媒体
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｍ ジョーンズ行列
Ａｉ ｊ ジョーンズ行列
Ｊ，Ｊｉ ｊ 制御領域
ＬＣ，ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３ 液晶光学素子
Ｌｉ 光学素子（偏光素子）
Ｐｓ 偏光状態
Ｒ レーザ光
ｚ 光軸
ｚ＝ｚｉｎ 光軸交差面（入射側）
ｚ＝ｚｏｕｔ 光軸交差面（出射側）
α 配向方向、配向軸
θ 配向軸の回転角
ξ，η，ζ 位相差（位相遅れ）
1 polarization controller 99 medium A, B, C, M Jones matrix A i j Jones matrix J, J i j control region LC, LC1, LC2, LC3 liquid crystal optical element Li optical element (polarization element)
Ps Polarized state R Laser light z Optical axis z = z in Optical axis intersection (incident side)
z = z out Optical axis intersection (exit side)
α Orientation direction, orientation axis θ Orientation axis rotation angle ξ, η, ζ Phase difference (phase delay)
Claims (9)
前記光軸に沿って配置された３つ以上の光学素子を備え、
前記光学素子のうちの特定の３つの光学素子であって入射側から１番目、２番目、３番目の光学素子の各々は、その光軸交差面において複数の制御領域に分割され、前記特定の３つの光学素子の各々の各制御領域は、他の光学素子の各制御領域と光軸に沿って互いに対応するように配置され、
前記特定の３つの光学素子は、ホモジニアス配向の液晶光学素子であり、
前記１番目と３番目の光学素子の配向方向が一致し、前記２番目の光学素子の配向方向が前記１番目と３番目の光学素子の配向方向に対して４５°傾いて、配置されていることを特徴とする偏光制御装置。 In a polarization control device that converts incident light incident along the optical axis into emitted light whose polarization state is controlled for each part of the optical axis intersection surface and emits the light.
It comprises three or more optical elements arranged along the optical axis.
Specific first from a by incident side three optical elements among the optical elements, the second, each of the third optical element is divided into a plurality of control areas in its optical axis intersecting surface, of the specific Each control region of each of the three optics is arranged so as to correspond to each control region of the other optical element along the optical axis.
The three specific optical elements are homogenically oriented liquid crystal optical elements.
The orientation directions of the first and third optical elements are the same, and the orientation directions of the second optical element are inclined by 45 ° with respect to the orientation directions of the first and third optical elements. A polarization control device characterized by the fact that.
前記光軸に沿って配置された３つ以上の光学素子を備え、 It comprises three or more optical elements arranged along the optical axis.
前記光学素子のうちの特定の３つの光学素子であって入射側から１番目、２番目、３番目の光学素子の各々は、その光軸交差面において複数の制御領域に分割され、前記特定の３つの光学素子の各々の各制御領域は、他の光学素子の各制御領域と光軸に沿って互いに対応するように配置され、 Each of the three specific optical elements among the optical elements, the first, second, and third optical elements from the incident side, is divided into a plurality of control regions at the intersection of the optical axes, and the specific optical elements. Each control region of each of the three optics is arranged so as to correspond to each control region of the other optical element along the optical axis.
前記１番目の光学素子は、入射光に対し、前記制御領域ごとに所定の位相遅れを与え、 The first optical element imparts a predetermined phase delay to the incident light for each of the control regions.
前記２番目の光学素子は、入射光の偏光状態を、前記制御領域ごとに直線偏光から楕円偏光に変換し、 The second optical element converts the polarization state of the incident light from linearly polarized light to elliptically polarized light for each control region.
前記３番目の光学素子は、入射光の偏光状態を、前記制御領域ごとに楕円偏光から他の偏光状態に変換して楕円率と偏光方向が任意に制御された出射光を出射させることを特徴とする偏光制御装置。 The third optical element is characterized in that the polarization state of incident light is converted from elliptically polarized light to another polarization state for each control region to emit emitted light whose ellipticity and polarization direction are arbitrarily controlled. Polarization control device.
前記偏光制御装置は光学素子を光軸に沿って３つ備え、
前記光学素子の各々は、その光軸交差面において複数の制御領域に分割され、前記光学素子の各々の各制御領域は、他の光学素子の各制御領域と光軸に沿って互いに対応するように配置され、
光の入射側から１番目の前記光学素子に、直線偏光したレーザ光を入射させ、前記レーザ光が前記３つの光学素子の前記制御領域を順次通過する際に、
前記１番目の光学素子においては、前記レーザ光に対し、前記制御領域ごとに所定の位相遅れを与え、
前記光の入射側から２番目の光学素子においては、前記レーザ光の偏光状態を、前記制御領域ごとに直線偏光から楕円偏光に変換し、
前記光の入射側から３番目の光学素子においては、前記レーザ光の偏光状態を、前記制御領域ごとに楕円偏光から他の偏光状態に変換し、
前記３番目の光学素子の前記制御領域のそれぞれにおいて楕円率と偏光方向が任意に制御された出射光を得ることを特徴とする偏光制御方法。 Using a polarization control device that converts the incident light incident along the optical axis into the emitted light whose polarization state is controlled for each part of the optical axis intersection, the incident light is converted to the emitted light of the optical axis intersection. In the polarization control method that converts the polarization state into a controlled polarization state for each part and emits it.
The polarization control device includes three optical elements along the optical axis.
Each of the optical elements is divided into a plurality of control regions at the intersection of the optical axes, and each control region of the optical element corresponds to each control region of another optical element along the optical axis. Placed in
When a linearly polarized laser beam is incident on the first optical element from the incident side of the light and the laser beam sequentially passes through the control region of the three optical elements.
In the first optical element, a predetermined phase delay is given to the laser beam for each control region.
In the second optical element from the incident side of the light, the polarization state of the laser light is converted from linearly polarized light to elliptically polarized light for each control region.
In the third optical element from the incident side of the light, the polarization state of the laser light is converted from elliptically polarized light to another polarization state for each control region.
A polarization control method comprising obtaining emitted light in which the ellipticity and the polarization direction are arbitrarily controlled in each of the control regions of the third optical element.
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