JP6998395B2 - 反射型空間光変調器、光観察装置及び光照射装置 - Google Patents

Description

本開示は、反射型空間光変調器、光観察装置及び光照射装置に関する。

例えば特許文献１及び特許文献２には、電気光学素子が開示されている。この電気光学素子は、基板と、基板に積層される強誘電体のＫＴＮ（ＫＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３）層と、ＫＴＮ層の前面に配置される透明電極と、ＫＴＮ層の後面に配置される金属電極を含んでいる。ＫＴＮは、温度によって４つの結晶構造をとり、ペロブスカイト型の結晶構造であるときに電気光学素子として利用される。このようなＫＴＮ層は、金属電極上に形成されたシード層の上に形成されている。

特開２０１４－８９３４０号公報 特開２０１４－８９３４１号公報

特許文献１及び特許文献２では、シード層に導電性物質を添加することによって、シード層に導電性を付与することが記載されている。この場合、金属電極とＫＴＮ層とが電気的に接続されるので、ＫＴＮ層に電界を印加することができる。しかしながら、例えば、電気光学素子の金属電極がアレイ状に複数形成されている場合に、シード層に導電性を付与してしまうと、複数の金属電極に入力される電気信号が混ざり合い、変調精度が安定しない虞がある。また、ＫＴＮ層に対して確実に電界を印加できるように、ＫＴＮ層から金属電極が脱落しないことが求められる。

実施形態は、安定して光変調を行うことができる反射型空間光変調器、光照射装置及び光観察装置を提供することを目的とする。

一形態の反射型空間光変調器は、入力光を変調し、変調された変調光を出力する反射型空間光変調器であって、入力光が入力される入力面と、入力面に対向する裏面とを有し、比誘電率が１０００以上であるペロブスカイト型の電気光学結晶と、電気光学結晶の入力面に配置され、入力光を透過する第１電極を有する光入出力部と、複数の第２電極が配置された基板、及び、基板を裏面に固定する接着層を含み、電気光学結晶の裏面に配置され、入力光を入出力部に向けて反射する光反射部と、第１電極と複数の第２電極との間に電界を印加する駆動回路と、を備え、基板は、複数の第２電極が配置されている画素領域と、画素領域を囲む周辺領域とを含み、接着層は、画素領域に対面する第１領域と、第１領域を囲む第２領域とを有し、接着層は、非導電性の接着材料の硬化物中に誘電体材料を有しており、第２領域における誘電体材料の含有率は、第１領域における誘電体材料の含有率よりも小さい。

また、一形態の光観察装置は、入力光を出力する光源と、上記の反射型空間光変調器と、空間光変調器から出力された変調光を対象物に照射する光学系と、対象物から出力された光を検出する光検出器と、を有する。

また、一形態の光照射装置は、入力光を出力する光源と、上記の反射型空間光変調器と、空間光変調器から出力された変調光を対象物に照射する光学系と、を有する。

このような反射型空間光変調器、光照射装置及び光観察装置によれば、入力光は光入出力部を透過して電気光学結晶の入力面に入力される。この入力光は、電気光学結晶の裏面に配置された光反射部によって反射されて、光入出力部から出力され得る。この際、光入出力部に設けられた第１電極と、基板に設けられた複数の第２電極との間に電気信号が入力される。これによって、比誘電率の高い電気光学結晶に電界が印加され、入力光が変調され得る。この反射型空間光変調器では、複数の第２電極が、非導電性の接着材料と誘電体材料とを含む接着層によって裏面に固定されている。接着層が非導電性であるため、複数の第２電極ごとに入力された電気信号は接着層を広がり難い。よって、複数の電極に入力される電気信号が混ざり合うことが抑制される。また、接着層から電気光学結晶に電荷が注入されることが抑制される。したがって、変調精度を安定させることができる。また、接着層では、第２領域における誘電体材料の含有率が第１領域における誘電体材料の含有率よりも小さくなっている。そのため、第２領域は第１領域よりも大きな接着力によって基板を電気光学結晶の裏面に固定することができる。これにより、基板が電気光学結晶から脱落することが抑制される。

また、一形態において、第１領域と第２領域との境界は、入力光の入力方向から見て、画素領域と周辺領域との境界よりも外縁側に位置していてよい。この構成では、平面視における第１領域の面積を画素領域の面積よりも大きくすることができる。

また、一形態において、第１領域と第２領域との境界は、入力光の入力方向から見て、画素領域と周辺領域との境界に一致していてよい。この構成では、電気光学結晶と基板とをより強固に接合することができる。

また、光入出力部は、第１電極を入力面に固定する他の接着層を含み、他の接着層は、画素領域に対面し、非導電性の接着材料の硬化物中に誘電体材料を有する第１領域と、当該第１領域を囲む第２領域とを有し、他の接着層の第２領域における誘電体材料の含有率は、他の接着層の第１領域における誘電体材料の含有率よりも小さくてもよい。この構成では、第１電極から電気光学結晶に対して電荷が注入されることが抑制される。また、第２領域が形成されているので、第１電極と電気光学結晶とを強固に固定することができる。

また、一形態において、光入出力部は、入力光が入力される第１の面と、第１の面の反対側の面である第２の面とを有する透明基板を更に備えてもよく、第１電極は、透明基板の第２の面に配置されてもよい。このような空間光変調器では、電気光学結晶の光軸方向の厚さを薄く形成した場合でも、透明基板によって電気光学結晶を外部の衝撃等から保護することができる。

また、一形態において、電気光学結晶の比誘電率をε_ｘｔｌとし、電気光学結晶における入力面から裏面までの厚さをｄ_ｘｔｌとし、接着層の厚さをｄ_ａｄとし、駆動回路によって生じる印加電圧の最大電圧であるＶ_ｓｍａｘと、入力光を２πラジアンだけ位相変調あるいはリタディーション変調するために電気光学結晶に印加される電圧であるＶ_ｘｔｌとの比となるＶ_ｘｔｌ／Ｖ_ｓｍａｘをＲ_ｓとしたときに、誘電体材料を含む接着層の比誘電率ε_ａｄは、式１で示され得る。この場合、電気光学結晶に対して、入力光を２πラジアンだけ位相変調あるいはリタディーション変調させるに十分な電圧を印加することができる。

また、一形態において、第１電極は、入力面の全面に形成されていてもよい。例えば、第１電極が複数の第２電極に対応して複数設けられる場合には、第１電極と第２電極との位置合わせが困難である。上記構成では、第１電極と第２電極との位置合わせを行う必要がない。

また、一形態において、光反射部は、複数の第２電極に対向するように、電気光学結晶の裏面に配置された複数の第３電極を更に含んでもよい。この構成によれば、複数の第３電極により、電気力線として伝達される電気信号の広がりを防ぐことができる。

また、一形態において、光反射部では、複数の第３電極によって入力光を反射してもよい。さらに、一形態において、光反射部では、複数の第２電極によって入力光を反射してもよい。これらの構成によれば、第２電極側に別途反射層等を設ける必要がない。

また、一形態において、電気光学結晶は、ＫＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶、Ｋ_１-ｙＬｉ_ｙＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）結晶、又はＰＬＺＴ結晶であってもよい。この構成によれば、比誘電率の高い電気光学結晶を容易に実現することができる。

また、一形態において、電気光学結晶の温度を制御する温度制御素子をさらに備えてもよい。この構成によれば、電気光学結晶の温度を一定の保持することによって、変調精度を更に安定させることができる。

実施形態による反射型空間光変調器、光照射装置及び光観察装置によれば、複数の電極に入力される電気信号が混ざり合うことを抑制し、変調精度を安定させることができる。

一実施形態に係る光観察装置の構成を示すブロック図である。 図１の光観察装置に用いられる空間光変調器を示す断面図である。 リタディーション変調において結晶軸と光の進行方向、電界の関係を示す図である。 図２の空間光変調器の電極を説明するための図である。 図２におけるＶ－Ｖ線に沿った断面図である。 他の実施形態に係る空間光変調器を示す断面図である。 図６におけるＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿った断面図である。 さらに他の実施形態に係る空間光変調器を示す断面図である。 さらに他の実施形態に係る空間光変調器を示す断面図である。 さらに他の実施形態に係る空間光変調器を示す断面図である。 一実施形態に係る光照射装置の構成を示すブロック図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。便宜上、実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。

［第１実施形態］
図１は、一実施形態に係る光観察装置の構成を示すブロック図である。光観察装置１Ａは、例えば、観察の対象物を撮像するための蛍光顕微鏡である。光観察装置１Ａは、試料（対象物）Ｓの表面に入力光Ｌ１を照射し、それに伴って試料Ｓから出力される蛍光又は反射光等の検出光Ｌ３を撮像することで、試料Ｓの画像を取得する。

観察対象物となる試料Ｓは、例えば、蛍光色素、蛍光タンパク等の蛍光物質を含む細胞、生体等のサンプルである。また、試料Ｓは、半導体デバイス又はフィルム等のサンプルであってもよい。試料Ｓは、所定の波長域の光（励起光又は照明光）が照射された場合に、例えば蛍光等の検出光Ｌ３を発する。試料Ｓは、例えば、少なくとも入力光Ｌ１及び検出光Ｌ３に対する透過性を有するホルダ内に収容されている。このホルダは、例えばステージ上に保持されている。

図１に示されるように、光観察装置１Ａは、光源１０と、コリメータレンズ１１と、偏光素子１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、空間光変調器１００と、第１の光学系１４と、ビームスプリッタ１５と、対物レンズ１６と、第２の光学系１７と、光検出器１８と、制御部１９と、を備えている。

光源１０は、試料Ｓを励起させる波長を含む入力光Ｌ１を出力する。光源１０は、例えば、コヒーレント光又はインコヒーレント光を出射する。コヒーレント光源としては、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）といったレーザ光源等が挙げられる。インコヒーレント光源としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）又はランプ系光源等が挙げられる。

コリメータレンズ１１は、光源１０から出力された入力光Ｌ１を平行化し、平行化された入力光Ｌ１を出力する。偏光素子１２は、入力光Ｌ１を偏光成分に応じて選択的に透過する。例えば、偏光素子１２は、入力光Ｌ１のＳ波光を透過する。偏光ビームスプリッタ１３は、偏光素子１２を透過した入力光Ｌ１を空間光変調器１００へ向けて反射する。空間光変調器１００は、光源１０から出力された入力光Ｌ１の位相変調あるいはリタディーション変調する空間光変調器である。空間光変調器１００は、コリメータレンズ１１から入力された入力光Ｌ１を変調し、変調された変調光Ｌ２を偏光ビームスプリッタ１３に向けて出力する。このとき、空間光変調器１００は、入力光Ｌ１の偏光面を９０度回転させて出力する。そのため、空間光変調器１００から出力された変調光Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ１３を透過し、第１の光学系１４に導光される。本実施形態における空間光変調器１００は、反射型に構成されている。空間光変調器１００は、制御部１９のコントローラ２１に電気的に接続されており、空間光変調ユニットを構成している。空間光変調器１００は、制御部１９のコントローラ２１によりその駆動が制御される。空間光変調器１００の詳細については、後述する。空間光変調器１００により、１）照射スポットの位置を限定でき、あるいは２）照射スポットの位置を移動でき、３）複数の照射スポットを同時に形成でき、４）照射光の位相を制御できる。

第１の光学系１４は、空間光変調器１００と対物レンズ１６とを光学的に結合している。これにより、空間光変調器１００から出力された変調光Ｌ２は、対物レンズ１６に導光される。例えば、第１の光学系１４は、レンズであり、空間光変調器１００からの変調光Ｌ２を対物レンズ１６の瞳で集光させる。

ビームスプリッタ１５は、変調光Ｌ２と検出光Ｌ３とを分離するための光学素子である。ビームスプリッタ１５は、例えば、励起波長の変調光Ｌ２を透過し、蛍光波長の検出光Ｌ３を反射する。また、ビームスプリッタ１５は、偏光ビームスプリッタであってもよいし、ダイクロイックミラーでもよい。なお、ビームスプリッタ１５の前後の光学系（例えば、第１の光学系１４及び第２の光学系１７）、又は適用する顕微鏡の種類によっては、ビームスプリッタ１５は、変調光Ｌ２を反射し、蛍光波長の検出光Ｌ３を透過してもよい。

対物レンズ１６は、空間光変調器１００で変調された変調光Ｌ２を集光して試料Ｓに照射するとともに、それに伴って試料Ｓから発せられる検出光Ｌ３を導光する。対物レンズ１６は、例えばピエゾアクチュエータ、ステッピングモータ等の駆動素子により、光軸に沿って移動可能に構成されている。これにより、変調光Ｌ２の集光位置、及び検出光Ｌ３の検出のための焦点位置が調整可能となっている。

第２の光学系１７は、対物レンズ１６と光検出器１８とを光学的に結合している。これにより、対物レンズ１６から導光された検出光Ｌ３が光検出器１８で結像される。第２の光学系１７は、対物レンズ１６からの検出光Ｌ３を光検出器１８の受光面で結像させるレンズ１７ａを有している。

光検出器１８は、対物レンズ１６により導光されて受光面で結像された検出光Ｌ３を撮像する。光検出器１８は、例えば、ＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサ等のエリアイメージセンサである。

制御部１９は、プロセッサなどの制御回路及び画像処理回路、メモリ等を含むコンピュータ２０と、プロセッサなどの制御回路、メモリ等を含み、空間光変調器１００及びコンピュータ２０に電気的に接続されたコントローラ２１とを含む。コンピュータ２０は、例えば、パーソナルコンピュータ、スマートデバイス、マイクロコンピュータ、或いはクラウドサーバ等である。コンピュータ２０は、プロセッサにより、対物レンズ１６、光検出器１８等の動作を制御し、各種の制御を実行する。また、コントローラ２１は、空間光変調器１００における位相変調量あるいはリタディーション変調量を制御する。

次に、空間光変調器１００の詳細について説明する。図２は、空間光変調器を示す断面図である。空間光変調器１００は、入力光Ｌ１を変調し、変調された変調光Ｌ２を出力する反射型空間光変調器であり、図２に示すように、電気光学結晶１０１と、光入出力部１０２と、光反射部１０７と、駆動回路１１０とを備えている。本実施形態における電気光学結晶１０１の光軸方向の厚さは、例えば５０μｍ以下であってよい。

電気光学結晶１０１は、入力光Ｌ１が入力される入力面１０１ａと、入力面１０１ａに対向する裏面１０１ｂとを有する板状をなしている。電気光学結晶１０１は、ペロブスカイト型の結晶構造を備えており、ポッケルス効果、カー効果等の電気光学効果を屈折率変化に利用している。ペロブスカイト型の結晶構造である電気光学結晶１０１は、立方晶系の点群ｍ３ｍに属し、その比誘電率が１０００以上を有する等方性結晶である。電気光学結晶１０１の比誘電率は、例えば１０００～２００００程度の値をとり得る。このような電気光学結晶１０１としては、例えば、ＫＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）結晶（以下、「ＫＴＮ結晶」という）、Ｋ_１-ｙＬｉ_ｙＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）結晶、ＰＬＺＴ結晶などであり、具体的には、ＢａＴｉＯ_３、或いはＫ_３Ｐｂ_３（Ｚｎ_２Ｎｂ_７）Ｏ_２７、Ｋ（Ｔａ_０．６５Ｎｂ_０．３５）Ｐ_３、Ｐｂ_３ＭｇＮｂ_２Ｏ_９、Ｐｂ_３ＮｉＮｂ_２Ｏ_９などが挙げられる。本実施形態の空間光変調器１００では、電気光学結晶１０１としてＫＴＮ結晶が用いられる。ＫＴＮ結晶は、立方晶系のｍ３ｍ点群であるため、ポッケルス効果はなく、カー効果によって変調を行う。そのため、電気光学結晶１０１の結晶軸に平行もしくは垂直に光を入力し、同方向に電界を印加すると位相変調を行うことができる。また、任意の結晶軸を中心に他の２軸を０°、９０°以外の任意の角度に回転させれば、リタディーション変調を行うことができる。図３の（ａ）は、リタディーション変調において結晶軸と光の進行方向、電界の関係を示す斜視図であり、図３の（ｂ）は各軸を平面的に示した図である。図３に示す例は、角度４５°に結晶を回転させる場合である。軸Ｘ１を中心にして、軸Ｘ２，Ｘ３を４５°回転させ、新たな軸Ｘ１’，Ｘ２’，Ｘ３’とした場合、光をこの新規軸に平行又は垂直に入力することによって、リタディーション変調を行うことができる。図３では、結晶１１０４の印加方向１１０２に電界を印加している。入力光Ｌ１の伝播方向１１０１は、電界の印加方向１１０２と平行となる。この場合、入力光Ｌ１の変調に用いられるカー係数は、ｇ１１、ｇ１２及びｇ４４となる。

ＫＴＮ結晶の比誘電率は、温度の影響を受けやすく、例えば、－５℃付近において比誘電率が２００００程度と最も大きく、常温である２０℃近辺において比誘電率が５０００程度まで下がる。そこで、電気光学結晶１０１は、例えばペルチェ素子のような温度制御素子Ｐによって－５℃付近に温度制御されている。

光入出力部１０２は、第１電極１０３、透明基板１０４、透明電極１０５、接着層１０６及び接着層（他の接着層）１１９を有している。第１電極１０３は、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａ側に配置される。第１電極１０３は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）によって形成される透明電極であり、入力光Ｌ１を透過する。本実施形態では、第１電極１０３は、入力面１０１ａ側の全面に形成されている。入力光Ｌ１は、第１電極１０３を透過して電気光学結晶１０１内に入力される。

透明基板１０４は、例えばガラス、石英、プラスティック等の材料によって、平板状に形成されている。透明基板１０４は、入力光Ｌ１が入力される第１の面１０４ａと、第１の面１０４ａの反対側の面であり、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａに対向する第２の面１０４ｂとを有する。透明電極１０５は、透明基板１０４の第２の面１０４ｂの全面に形成された電極であり、入力光Ｌ１を透過する。透明電極１０５は、例えば、透明基板１０４の第２の面１０４ｂにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。

接着層１０６は、電気光学結晶１０１に形成された第１電極１０３と、透明基板１０４に形成された透明電極１０５とを互いに接着している。接着層１０６は、例えばエポキシ系接着剤によって形成されており、入力光Ｌ１を透過する。接着層１０６内には、例えば金属球のような導電部材１０６ａが配置されている。導電部材１０６ａは、第１電極１０３と透明電極１０５との両方に接触しており、第１電極１０３と透明電極１０５とを電気的に互いに接続する。例えば、導電部材１０６ａは、平面視において接着層１０６の四隅に配置されている。

接着層１１９は、第１電極１０３と入力面１０１ａとの間に配置され、第１電極１０３と電気光学結晶１０１とを接合する。本実施形態の接着層１１９は、その中央を形成する第１領域１１９ａと第１領域１１９ａの外周を囲む第２領域１１９ｂとを有している。第１領域１１９ａは、非導電性の接着材料の硬化物中に誘電体材料の微粒子を有しており、導電材料を含まない。なお、非導電性とは、導電性を有さない性質に限らず、絶縁性が高い性質あるいは電気抵抗率が高い性質を含む。すなわち、第１領域１１９ａは、絶縁性が高く（電気抵抗率が高く）、理想的には導電性を有さない。

接着材料は、例えばエポキシ系接着剤のような光学的に無色透明な樹脂によって形成され得る。誘電体材料は、例えば、電気光学結晶１０１と同程度の１００～３００００程度の比誘電率を有し得る。誘電体材料は、入力光Ｌ１の波長以下の粒子径を有する紛体であってよく、例えば、５０ｎｍ～３０００ｎｍ程度の粒子径を有し得る。誘電体材料の粒子径を小さくすることによって、光の散乱を抑制することができる。光の散乱を考慮した場合、誘導体材料の粒子径は、１０００ｎｍ以下であってよく、さらに、１００ｎｍ以下であってよい。誘電体材料は、電気光学結晶１０１の紛体であってもよい。接着材料と誘電体材料との混合物に占める誘電体材料の割合は、一例として、５０％程度であってよい。第１領域１１９ａは、例えば平面視において矩形をなしている。

第２領域１１９ｂは、非導電性の接着材料によって構成されている。すなわち、第２領域１１９ｂは、第１領域１１９ａとは異なり、電気光学結晶１０１の粉体のような誘電体材料を含まない。接着材料は、例えばエポキシ系接着剤のような光学的に無色透明な樹脂によって形成され得る。なお、第２領域１１９ｂは、第１領域のように誘電体材料を含んでいてもよい。その場合、接着材料と誘電体材料との混合物に占める誘電体材料の割合は、第１領域１１９ａにおける割合よりも小さい。第１領域１１９ａは、例えば平面視において矩形枠状をなしている。

第１領域１１９ａは、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａ、又は、第１電極１０３に対して接着材料と誘電体材料との混合物を塗布することによって形成され得る。また、第２領域１１９ｂは、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａ、又は、第１電極１０３に対して接着材料を塗布することによって形成され得る。

光反射部１０７は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂ側に配置され、変調光Ｌ２を入出力部に向けて反射する。この光反射部１０７は、ＣＭＯＳ基板（基板）１０８と接着層１０９とを含んでいる。ＣＭＯＳ基板１０８は、接着層１１１を介して例えばガラエポ（ガラス繊維シートを芯材としたエポキシ樹脂）基板のような有機基板、セラミック基板等の基板１１２に固定されている。ＣＭＯＳ基板１０８は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂに対向する複数の画素電極である第２電極１０８ａを含む。第２電極１０８ａは、電気光学結晶１０１内を伝播する入力光Ｌ１を光入出力部１０２に向けて反射し得る。例えば、第２電極１０８ａは、アルミニウムなどの金属等の材料によって形成されている。図４に示すように、本実施形態における光反射部１０７では、平面視矩形に形成された複数の第２電極１０８ａが二次元に整列して配置されている。第２電極１０８ａの横方向の長さＷ１と縦方向の長さＷ２とは、例えば同じ長さに形成され得る。互いに隣り合う第２電極１０８ａ同士は、間隔Ｓ１，Ｓ２を空けて配置されている。なお、図２、図４は、空間光変調器１００を模式的に示すものであり、説明の簡単のために、第２電極１０８ａが４×４で配置されている例を示している。なお、ＣＭＯＳ基板１０８は、第１電極１０３と第２電極１０８ａとの間に電界を印加する駆動回路として機能してもよい。

複数の第２電極１０８ａには、それぞれに対応する駆動用のスイッチ１０８ｂが設けられている。これらのスイッチ１０８ｂによって、各第２電極１０８ａに対して任意の電圧を制御することができる。

接着層１０９は、ＣＭＯＳ基板１０８を裏面１０１ｂに固定する。本実施形態の接着層１０９は、その中央を形成する第１領域１０９ａと第１領域１０９ａの外周を囲む第２領域１０９ｂとを有している。接着層１０９の構成は、上述した接着層１１９と同様であり、第１領域１０９ａは第１領域１１９ａと同様の構成を有し、第２領域１０９ｂは第２領域１１９ｂと同様の構成を有する。

第１領域１０９ａは、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂ、又は、ＣＭＯＳ基板１０８に対して接着材料と誘電体材料との混合物を塗布することによって形成され得る。また、第２領域１０９ｂは、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂ、又は、ＣＭＯＳ基板１０８に対して接着材料を塗布することによって形成され得る。

駆動回路１１０は、第１電極１０３に対して電気的に接続されるとともに、ＣＭＯＳ基板１０８に接続されることによって複数の第２電極１０８ａのそれぞれに電気的に接続される。本実施形態では、透明基板１０４の第２の面１０４ｂ側の平面視における大きさが、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａよりも大きく形成されている。そのため、透明基板１０４に電気光学結晶１０１が支持されている状態では、透明基板１０４に形成された透明電極１０５の一部が外部に露出した露出部１０５ａとなる。駆動回路１１０は、この露出部１０５ａとＣＭＯＳ基板１０８とに電気的に接続されている。すなわち、駆動回路１１０は、透明電極１０５及び導電部材１０６ａを介して第１電極１０３に電気的に接続されることによって、第１電極１０３と第２電極１０８ａとの間に電界を印加することができる。

駆動回路１１０は、制御部１９によって制御されている。駆動回路１１０は、第１電極１０３と第２電極１０８ａとの間に電気信号を入力する。これにより、第１電極１０３と第２電極１０８ａとの間に配置された電気光学結晶１０１及び接着層１０９，１１９に電界が印加される。この場合、駆動回路１１０によって印加される電圧は、電気光学結晶１０１と接着層１０９，１１９とに分配されることになる。したがって、第１電極１０３と第２電極１０８ａとの間に印加される電圧と電気光学結晶１０１に印加される電圧との電圧比Ｒは、電気光学結晶１０１に印加される電圧をＶ_ｘｔｌ、接着層１０９，１１９に印加される電圧をＶ_ａｄ、電気光学結晶１０１の比誘電率をε_ｘｔｌ、電気光学結晶１０１における入力面１０１ａから裏面１０１ｂまでの厚さをｄ_ｘｔｌ、接着層１０９，１１９の比誘電率をε_ａｄ、接着層１０９，１１９の厚さの合計をｄ_ａｄ、としたとき、以下の式（２）で表される。なお、説明の簡単のために、接着層１０９と接着層１１９とは同じ比誘電率を有する材料によって形成されていることとする。

このように、電気光学結晶１０１に印加される電圧は、接着層１０９，１１９の比誘電率ε_ａｄ及び厚さｄ_ａｄに依存する。本実施形態における空間光変調器１００は、例えば、入力光Ｌ１を１波長変調した変調光Ｌ２を出力する変調性能を有する。この場合、接着層１０９，１１９の比誘電率ε_ａｄは、以下のように求められる。まず、駆動回路１１０によってＣＭＯＳ基板１０８に印加される電圧は、ＣＭＯＳ回路の降伏を避けるために、上限が決まっている。そこで、駆動回路１１０によって生じる印加電圧の最大電圧をＶ_ｓｍａｘとする。また、Ｖ_ｘｔｌを電気光学結晶１０１に、Ｖ_ａｄを接着層１０９，１１９にそれぞれ加えたとき、１波長変調された変調光Ｌ２が出力するものとする。このとき、Ｖ_ｘｔｌ＜Ｖ_ｘｔｌ＋Ｖ_ａｄ≦Ｖ_ｓｍａｘが成立するので、Ｖ_ｘｔｌとＶ_ｓｍａｘとの電圧比であるＶ_ｘｔｌ／Ｖ_ｓｍａｘをＲ_ｓとすると、電圧比Ｒと電圧比Ｒ_ｓとは、以下の式（３）の関係を満たす必要がある。この場合、電気光学結晶１０１に対して、入力光Ｌ１を２πラジアンだけ位相変調させるに十分な電圧を印加することができる。
Ｒ_ｓ＜Ｒ ・・・（３）

そして、式（２）と式（３）とから、接着層１０９，１１９の比誘電率ε_ａｄと厚さｄ_ａｄとは以下の式（４）を満たすことになる。

この式（４）から、接着層１０９，１１９の比誘電率が求まる。すなわち、式（４）を接着層１０９，１１９の比誘電率についての式に変形すると、以下の式（１）が導出される。

接着層１０９，１１９の比誘電率が式（１）を満たすことによって、電気光学結晶に対して、入力光Ｌ１を１波長変調させるに十分な電界を印加することができる。

また、接着層１０９，１１９の比誘電率ε_ａｄ、接着層１０９，１１９の厚さｄ_ａｄ、電気光学結晶１０１の比誘電率ε_ｘｔｌ及び電気光学結晶１０１の厚さｄ_ｘｔｌを用いて以下の式（５）に示されるパラメータｍを定義する場合、パラメータｍは、ｍ＞０．３を満たすことが好ましい。また、パラメータｍは、ｍ＞３を満たすことがより好ましい。

続いて、接着層１０９及び接着層１１９とＣＭＯＳ基板１０８との関係について説明する。なお、本実施形態では、接着層１０９と接着層１１９とは、同様の構成をなしているので、ここでは代表して接着層１０９について説明する。図５は、図２におけるＶ－Ｖ線に沿った断面図である。図５に示すように、ＣＭＯＳ基板１０８は、画素領域１０８ｃと、画素領域１０８ｃを囲む周辺領域１０８ｄとを含む。画素領域１０８ｃは、複数の第２電極１０８ａ（図２，図４参照）が配置されている領域であり、一例として矩形状をなしている。周辺領域１０８ｄは、矩形枠状をなしている。接着層１０９の第１領域１０９ａは、画素領域１０８ｃに対面しており、平面視において矩形状をなしている。接着層１０９の第２領域１０９ｂは、第１領域１０９ａを囲んでおり、平面視において矩形枠状をなしている。第１領域１０９ａと第２領域１０９ｂとの境界は、平面視において画素領域１０８ｃと周辺領域１０８ｄとの境界よりも外縁側に位置している。すなわち、入力光Ｌ１の入力方向から見た場合、第１領域１０９ａは画素領域１０８ｃよりも大きい矩形状をなしている。第２領域１０９ｂは、周辺領域１０８ｄと電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂとの間に配置されている。

以上説明した空間光変調器１００によれば、入力光Ｌ１は光入出力部１０２の第１電極１０３を透過して電気光学結晶１０１の入力面１０１ａに入力される。この入力光Ｌ１は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂに配置された光反射部１０７によって反射されて、光入出力部１０２から出力され得る。この際、光入出力部１０２に設けられた第１電極１０３と、ＣＭＯＳ基板１０８に設けられた複数の第２電極１０８ａとの間に電気信号が入力される。これによって、比誘電率の高い電気光学結晶１０１に電界が印加され、入力光Ｌ１が変調され得る。

この空間光変調器１００では、複数の第２電極１０８ａが、非導電性の接着材料と誘電体材料とを含む接着層１０９によって裏面１０１ｂに固定されている。接着層１０９が非導電性であるため、複数の第２電極１０８ａごとに入力された電気信号は接着層１０９を広がり難い。そのため、複数の第２電極１０８ａに入力される電気信号が混ざり合うことが抑制される。また、接着層１０９から電気光学結晶１０１に電荷が注入されることが抑制される。同様に接着層１１９から電気光学結晶１０１に電荷が注入されることが抑制される。したがって、変調精度を安定させることができる。

本実施形態の構成では、接着層１０９，１１９の比誘電率が高い程、電気光学結晶１０１に電圧を印加しやすい。そのため、接着層１０９，１１９における誘電体材料の含有率は高いことが望ましい。しかし、誘電体材料の含有率が高くなると、接着層における接着力が低下してしまう。本実施形態では、第２領域１０９ｂ，１１９ｂにおける誘電体材料の含有率が第１領域１０９ａ，１１９ａにおける誘電体材料の含有率よりも小さくなっている。そのため、第２領域１０９ｂ，１１９ｂは第１領域１０９ａ，１１９ａよりも大きな接着力によってＣＭＯＳ基板１０８及び第１電極１０３を電気光学結晶１０１に固定することができる。

第１領域１０９ａと第２領域１０９ｂとの境界は、入力光の入力方向から見て、画素領域１０８ｃと周辺領域１０８ｄとの境界よりも外縁側に位置している。平面視における第１領域１０９ａの面積を画素領域１０８ｃの面積よりも大きくすることができる。そのため、画素領域１０８ｃと第１領域１０９ａとの位置合わせを容易に行うことができる。

第１電極１０３は、入力面１０１ａの全面に形成されている。例えば、第１電極１０３が複数の第２電極１０８ａに対応して複数設けられる場合には、第１電極１０３と第２電極１０８ａとの位置合わせが困難である。上記構成では、第１電極１０３と第２電極１０８ａとの位置合わせを行う必要がない。

光反射部１０７では、複数の第２電極１０８ａによって入力光Ｌ１を反射するので、第２電極１０８ａ側に別途反射層等を設ける必要がない。

また、電気光学結晶１０１の温度を制御する温度制御素子Ｐを備えているので、電気光学結晶１０１の温度を一定の保持することができる。これにより、変調精度を更に安定させることができる。なお、温度制御素子Ｐによる温度制御は、電気光学結晶１０１のみならず、ＣＭＯＳ基板１０８など空間光変調器１００の全体を対象としてもよい。

また、空間光変調器１００では、電気光学結晶１０１の光軸方向の厚さを薄く形成することによって、位相変調あるいはリタディーション変調をより良好に行うことができる。このように電気光学結晶１０１が薄く形成された場合には、電気光学結晶１０１が外部からの衝撃等によって損傷する虞がある。本実施形態では、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａ側が透明基板１０４に支持されることによって、外部の衝撃等から電気光学結晶１０１を保護している。

［第２実施形態］
続いて、本実施形態に係る空間光変調器２００について説明する。主として第１実施形態と相違する点について説明し、同一の要素や部材については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

図６は、本実施形態に係る空間光変調器２００を示す断面図である。図６に示すように、反射型の空間光変調器２００は、電気光学結晶１０１と、光入出力部２０２と、光反射部２０７と、駆動回路１１０とを備えている。

光入出力部２０２は、第１電極１０３、透明基板１０４、透明電極１０５、接着層１０６及び接着層２１９を有している。接着層２１９は、第１電極１０３と入力面１０１ａとの間に配置され、第１電極１０３と電気光学結晶１０１とを接合する。本実施形態の接着層２１９は、その中央を形成する第１領域２１９ａと第１領域２１９ａの外周を囲む第２領域２１９ｂとを有している。第１領域２１９ａは、第１領域１１９ａと同様の組成を有する材料によって形成され得る。また、第２領域２１９ｂは、第２領域１１９ｂと同様の組成を有する材料によって形成され得る。

光反射部２０７は、ＣＭＯＳ基板１０８と接着層２０９とを有している。接着層２０９は、その中央を形成する第１領域２０９ａと第１領域２０９ａの外周を囲む第２領域２０９ｂとを有している。接着層２０９の構成は、上述した接着層２１９と同様であり、第１領域２０９ａは第１領域２１９ａと同様の構成を有し、第２領域２０９ｂは第２領域２１９ｂと同様の構成を有する。

続いて、接着層２０９及び接着層２１９とＣＭＯＳ基板１０８との関係について説明する。なお、接着層２０９と接着層２１９とは、同様の構成をなしているので、ここでは代表して接着層２０９について説明する。図７は、図６におけるＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿った断面図である。図７に示すように、接着層２０９の第１領域２０９ａは、画素領域１０８ｃに対面しており、平面視において矩形状をなしている。接着層２０９の第２領域２０９ｂは、第１領域２０９ａを囲んでおり、平面視において矩形枠状をなしている。第１領域２０９ａと第２領域２０９ｂとの境界は、平面視において画素領域１０８ｃと周辺領域１０８ｄとの境界に一致している。すなわち、図７のように、入力光Ｌ１の入力方向から見た場合、第１領域２０９ａは画素領域１０８ｃに重なっている。そのため、図７において、画素領域１０８ｃを示す隠れ線は、第１領域２０９ａと第２領域２０９ｂとの境界に重複しており、描かれていない。第２領域２０９ｂは、周辺領域１０８ｄと電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂとの間に配置されている。

本実施形態では、平面視における第２領域１０９ｂの面積を大きくすることができるので、電気光学結晶１０１とＣＭＯＳ基板１０８とをより強固に接合することができる。また、電気光学結晶１０１と第１電極１０３とをより強固に接合することができる。

［第３実施形態］
続いて、本実施形態に係る空間光変調器３００について説明する。主として第１実施形態と相違する点について説明し、同一の要素や部材については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

図８は、本実施形態に係る空間光変調器３００を示す断面図である。図８に示すように、反射型の空間光変調器３００は、電気光学結晶１０１と、光入出力部３０２と、光反射部１０７と、駆動回路１１０とを備えている。光反射部１０７を構成するＣＭＯＳ基板１０８は、基板１１２に固定されている。

光入出力部３０２は、第１電極１０３、透明基板１０４、透明電極１０５及び接着層１０６を有している。第１電極１０３は、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａに対して、接着層１１９を介することなく、直接接合されている。一例として、第１電極１０３は、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。

本実施形態においても、光反射部１０７の接着層１０９における第１領域１０９ａによって、複数の第２電極１０８ａに入力される電気信号が混ざり合うことが抑制される。また、接着層１０９から電気光学結晶１０１に電荷が注入されることが抑制される。したがって、変調精度を安定させることができる。また、第２領域１０９ｂは、ＣＭＯＳ基板１０８を電気光学結晶１０１に固定することができる。

［第４実施形態］
続いて、本実施形態に係る空間光変調器４００について説明する。主として第１実施形態と相違する点について説明し、同一の要素や部材については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

図９は、本実施形態に係る空間光変調器４００を示す断面図である。図９に示すように、反射型の空間光変調器４００は、電気光学結晶１０１と、光入出力部４０２と、光反射部１０７と、駆動回路１１０とを備えている。光反射部１０７を構成するＣＭＯＳ基板１０８は、基板１１２に固定されている。

光入出力部４０２は第１電極１０３及び接着層１１９によって構成されている。すなわち、光入出力部４０２は、透明基板１０４、透明電極１０５及び接着層１０６を有していない。本実施形態では、駆動回路１１０は、第１電極１０３とＣＭＯＳ基板１０８とに接続されている。一例として、第１電極１０３は、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａに接合された硬化した接着層１１９に対して、ＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。本構成においては、接着層１１９は、電気光学結晶１０１と第１電極１０３との接着のためではなく、主として第１電極１０３からの電荷が電気光学結晶１０１に注入されることを抑制するために配置されている。そのため、図示例の接着層１１９は、第１領域１１９ａ及び第２領域１１９ｂを備えているが、例えば、第２領域１１９ｂの組成を第１領域１１９ａの組成と同様にしてもよい。

［第５実施形態］
続いて、本実施形態に係る空間光変調器５００について説明する。主として第１実施形態と相違する点について説明し、同一の要素や部材については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

図１０は、本実施形態に係る空間光変調器５００を示す断面図である。図１０に示すように、反射型の空間光変調器５００は、電気光学結晶１０１と、光入出力部２０２と、光反射部５０７と、駆動回路１１０とを備えている。

光反射部５０７は、ＣＭＯＳ基板１０８、接着層１０９及び補助電極（第３電極）５０９を含んでいる。ＣＭＯＳ基板１０８は、基板１１２に固定されている。補助電極５０９は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂに複数配置されている。補助電極５０９は、電気光学結晶１０１内を伝播する入力光Ｌ１を光入出力部１０２に向けて反射するミラーとしての機能を有する。補助電極５０９は、例えば金属電極であり、アルミニウム等によって形成することができる。補助電極５０９は、ＣＭＯＳ基板１０８に形成された第２電極１０８ａと同様に二次元に配置されている。すなわち、補助電極５０９と第２電極１０８ａとは、一対一で対応しており、互いに対向している。

複数の第２電極１０８ａに対向するように、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂ側には、複数の補助電極５０９が形成されている。補助電極５０９は、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａ側の第１電極１０３と第２電極１０８ａとが形成する静電界中に位置する。そのため、第１電極１０３と補助電極５０９との間及び補助電極５０９と第２電極１０８ａとの間には、静電誘導によって静電界が発生する。すなわち、補助電極５０９は、電気力線として伝達される電気信号の広がりを防ぐ電界レンズとしての機能を有する。これにより、接着層１０９及び電気光学結晶１０１において、駆動回路１１０から入力された電気信号（すなわち電気力線）の広がりを大幅に抑えることができる。したがって、入力される電気信号が混ざり合うことをさらに抑制することができ、より高い分解能で変調精度を安定させることができる。

以上、実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態では、空間光変調器を備えた光観察装置１Ａを例示したが、これに限定されない。例えば、空間光変調器１００は、光照射装置１Ｂに搭載されてもよい。図１１は、光照射装置の構成を示すブロック図である。光照射装置１Ｂは、光源１０と、コリメータレンズ１１と、偏光素子１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、空間光変調器１００と、第１の光学系１４と、コンピュータ２０及びコントローラ２１を含む制御部１９と、を有する。この構成では、空間光変調器１００から出力された変調光Ｌ２は、第１の光学系１４によって試料Ｓに照射される。空間光変調器１００により、１）照射スポットの位置を限定でき、あるいは２）照射スポットの位置を移動でき、３）複数の照射スポットを同時に形成でき、４）照射光の位相を制御できる。

また、第５実施形態において、金属によって形成される補助電極５０９が入力光Ｌ１を反射する構成を示したが、これに限定されない。例えば、補助電極５０９は、透明電極でもよく、例えば、ＩＴＯ等の透明膜によって形成されてもよい。この場合、入力光Ｌ１は、補助電極を透過して第２電極１０８ａによって反射され得る。

また、上記の各実施形態は、特に矛盾や問題がない限り、互いの構成を流用することができる。第３実施形態～第５実施形態において示された接着層１０９及び接着層１１９では、第１領域と第２領域との境界が画素領域１０８ｃと周辺領域１０８ｄとの境界よりも外縁側に位置している。例えば、接着層１０９及び接着層１１９は、第１領域と第２領域との境界が画素領域１０８ｃと周辺領域１０８ｄとの境界に一致した構成を有してもよい。

また、第１領域の全面に第１領域１０９ａが形成される例を示したが、これに限定されず、例えば、第１領域１０９ａは、第２電極１０８ａに対応して二次元に配置されてもよい。

１Ａ…光観察装置、１Ｂ…光照射装置、１００…空間光変調器（反射型空間光変調器）、１０１…電気光学結晶、１０１ａ…入力面、１０１ｂ…裏面、１０２…光入出力部、１０３…第１電極、１０７…光反射部、１０８…ＣＭＯＳ基板（基板）、１０８ａ…第２電極、１０９…接着層、１１０…駆動回路、５０９…補助電極（第３電極）、Ｌ１…入力光、Ｌ２…変調光。

Claims (14)

1. 入力光を変調し、変調された変調光を出力する反射型空間光変調器であって、
   前記入力光が入力される入力面と、前記入力面に対向する裏面とを有し、比誘電率が１０００以上であるペロブスカイト型の電気光学結晶と、
   前記電気光学結晶の前記入力面に配置され、前記入力光を透過する第１電極を有する光入出力部と、
   複数の第２電極が配置された基板、及び、前記基板を前記裏面に固定する接着層を含み、前記電気光学結晶の前記裏面に配置され、前記入力光を前記光入出力部に向けて反射する光反射部と、
   前記第１電極と前記複数の第２電極との間に電界を印加する駆動回路と、を備え、
   前記基板は、前記複数の第２電極が配置されている画素領域と、前記画素領域を囲む周辺領域とを含み、
   前記接着層は、前記画素領域に対面する第１領域と、前記第１領域を囲む第２領域とを有し、
   前記接着層は、非導電性の接着材料の硬化物中に誘電体材料を有しており、
   前記第２領域における前記誘電体材料の含有率は、前記第１領域における前記誘電体材料の含有率よりも小さい、反射型空間光変調器。
2. 前記第１領域と前記第２領域との境界は、前記入力光の入力方向から見て、前記画素領域と前記周辺領域との境界よりも外縁側に位置している、請求項１に記載の反射型空間光変調器。
3. 前記第１領域と前記第２領域との境界は、前記入力光の入力方向から見て、前記画素領域と前記周辺領域との境界に一致している、請求項１に記載の反射型空間光変調器。
4. 前記光入出力部は、前記第１電極を前記入力面に固定する他の接着層を含み、
   前記他の接着層は、前記画素領域に対面し、非導電性の接着材料の硬化物中に誘電体材料を有する第１領域と、当該第１領域を囲む第２領域とを有し、
   前記他の接着層の前記第２領域における前記誘電体材料の含有率は、前記他の接着層の前記第１領域における前記誘電体材料の含有率よりも小さい、請求項１～３のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器。
5. 前記光入出力部は、前記入力光が入力される第１の面と、前記第１の面の反対側の面である第２の面を有する透明基板を更に備え、前記第１電極は、前記透明基板の前記第２の面に配置される、請求項１～４のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器。
6. 前記電気光学結晶の比誘電率をε_ｘｔｌとし、
   前記電気光学結晶における前記入力面から前記裏面までの厚さをｄ_ｘｔｌとし、
   前記接着層の厚さをｄ_ａｄとし、
   前記駆動回路によって生じる印加電圧の最大電圧であるＶ_ｓｍａｘと、入力光の位相が２πラジアンだけ変調された前記変調光を出力するために前記電気光学結晶に印加される電圧であるＶ_ｘｔｌとの比となるＶ_ｘｔｌ／Ｖ_ｓｍａｘをＲ_ｓとしたときに、
   前記誘電体材料を含む前記接着層の比誘電率ε_ａｄは、式（１）で示される、請求項１～５のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器。
   

   
7. 前記第１電極は、前記入力面の全面に形成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器。
8. 前記光反射部は、前記複数の第２電極に対向するように、前記電気光学結晶の前記裏面に配置された複数の第３電極を更に含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器。
9. 前記光反射部では、前記複数の第３電極によって前記入力光を反射する、請求項８に記載の反射型空間光変調器。
10. 前記光反射部では、前記複数の第２電極によって前記入力光を反射する、請求項１～８のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器。
11. 前記電気光学結晶は、ＫＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１、ＫＴＮ）結晶、Ｋ_１-ｙＬｉ_ｙＴａ_１-ｘＮｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１、ＫＬＴＮ）結晶、又はＰＬＺＴ結晶である、請求項１～１０のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器。
12. 前記電気光学結晶の温度を制御する温度制御素子をさらに備える、請求項１～１１のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器。
13. 前記入力光を出力する光源と、請求項１～１２のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器と、前記反射型空間光変調器から出力された変調光を対象物に照射する光学系と、前記対象物から出力された光を検出する光検出器と、を有する、光観察装置。
14. 前記入力光を出力する光源と、請求項１～１２のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器と、前記反射型空間光変調器から出力された変調光を対象物に照射する光学系と、を有する、光照射装置。
    
    

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