JP6998396B2 - 反射型空間光変調器、光観察装置及び光照射装置 - Google Patents
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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(KTa1-xNbxO3)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、このような構成では、KTN層に対して金属電極から電荷が注入されると、KTN結晶内の電子の挙動により変調精度が安定しない虞がある。特に、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。
実施形態は、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を含み、電気光学結晶の裏面側に配置され、入力光を光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、光入出力部は、入力面上に形成された第1の電荷注入抑制層であって、非導電性の接着材料の硬化物中に誘電体材料を有することにより、第1電極から電気光学結晶への電荷の注入を抑制する第1の電荷注入抑制層を含み、光反射部は、裏面上に形成された第2の電荷注入抑制層であって、非導電性の接着材料の硬化物中に誘電体材料を有することにより、複数の第2電極から電気光学結晶への電荷の注入を抑制する第2の電荷注入抑制層を含む。
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、電気光学結晶の入力面上に非導電性の第1の電荷注入抑制層が形成されるとともに、電気光学結晶の裏面上に非導電性の第2の電荷注入抑制層が形成される。これにより、第1の電荷注入抑制層及び第2の電荷注入抑制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。特に、第2の電荷注入抑制層が形成されることによって、複数の第2電極ごとに入力された電気信号が広がり難く、電気信号同士が混ざり合うことが抑制される。したがって、変調精度を安定させることができる。
また、一形態において、光反射部は、第2の電荷注入抑制層における裏面とは反対側の面に形成され、複数の第2電極のそれぞれに対応する複数の第3電極と、複数の第2電極と複数の第2電極に対応する複数の第3電極とが互いに電気的に接続されるように配置された複数のバンプと、を更に備える。この構成では、電気光学結晶に電界を印加する場合、複数の第3電極に個別に電界を印加することができる。したがって、複数の電極に入力される電気信号が混ざり合うことを抑制し、変調精度をより安定させることができる。
また、一形態において、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、第2の電荷注入抑制層は、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、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。この構成では、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に一致している。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、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る。この構成では、電気光学結晶と画素領域との間に確実に第1領域を配置することができる。
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εxtl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dxtlとし、第1の電荷注入抑制層及び前記第2の電荷注入抑制層の厚さの合計をdad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Vsmax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Vxtlとの比となるVxtl/VsmaxをRsとしたときに、誘電体材料を含む第1の電荷注入抑制層及び前記第2の電荷注入抑制層の比誘電率εad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、KTa1-xNbxO3(0≦x≦1)結晶、K1-yLiyTa1-xNbxO3(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。
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。
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、KTa1-xNbxO3(0≦x≦1)結晶(以下、「KTN結晶」という)、K1-yLiyTa1-xNbxO3(0≦x≦1、0<y<1)結晶、PLZT結晶などであり、具体的には、BaTiO3、或いはK3Pb3(Zn2Nb7)O27、K(Ta0.65Nb0.35)P3、Pb3MgNb2O9、Pb3NiNb2O9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(第1の電荷注入抑制層)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(第2の電荷注入抑制層)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Vxtl、接着層109,119に印加される電圧をVad、電気光学結晶101の比誘電率をεxtl、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dxtl、接着層109,119の比誘電率をεad、接着層109,119の厚さの合計をdad、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εad及び厚さdad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εad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Vsmaxとする。また、Vxtlを電気光学結晶101に、Vad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、Vxtl<Vxtl+Vad≦Vsmaxが成立するので、VxtlとVsmaxとの電圧比であるVxtl/VsmaxをRsとすると、電圧比Rと電圧比Rs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。
Rs<R ・・・(3)
Rs<R ・・・(3)
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εad、接着層109,119の厚さdad、電気光学結晶101の比誘電率εxtl及び電気光学結晶101の厚さdxtl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。
この反射型空間光変調器100では、電気光学結晶101の入力面101a上に非導電性の接着層119が形成されるとともに、電気光学結晶101の裏面101b上に非導電性の接着層119が形成される。これにより、接着層109及び接着層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。特に、接着層109が形成されていることによって、複数の第2電極108aごとに入力された電気信号が広がり難く、電気信号同士が混ざり合うことが抑制される。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。
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(第1の電荷注入抑制層)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(第2の電荷注入抑制層)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。
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102と、光反射部307と、駆動回路110とを備えている。
光反射部307は、CMOS基板108、接着層109、複数の第3電極308、及び複数のバンプ309を含んでいる。CMOS基板108は、基板112に固定されている。複数の第3電極308は、電気光学結晶101の裏面101b側に配置される。本実施形態では、裏面101bに形成されている接着層109が複数の第2電極108aと同様に二次元に配置されている。この場合、接着層109は第1領域109aと同じ材料によって形成され得る。第3電極308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。第3電極308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。本実施形態では、複数の第2電極108aに対応して、平面視矩形に形成された複数の第3電極308が二次元に配置されている。複数の第2電極108aと複数の第3電極308とは、それぞれ互いに対面している。第3電極308は、接着層109における電気光学結晶101とは反対側の面上にマスクパターンを用いてアルミニウム等を蒸着することによって形成され得る。
複数のバンプ309は、第2電極108a及び第3電極308と同数形成されている。複数のバンプ309は、複数の第2電極108aと、これらの第2電極108aに対応する複数の第3電極とを一対一で電気的に接続する。バンプ309は、例えば金(Au)、ハンダ材等によって形成され得る。接着層109とCMOS基板108との間において、互いに隣り合うバンプ309間、及び、互いに隣り合う第3電極308間は、例えば空隙であってもよいし、絶縁物質などで満たされてもよい。
この構成では、電気光学結晶に電界を印加する場合、複数の第3電極に個別に電界を印加することができる。また、接着層109が二次元に配置されているので、隣の画素への影響を小さくすることができる。したがって、複数の電極に入力される電気信号が混ざり合うことを抑制し、変調精度をより安定させることができる。
[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。
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。
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4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 (15)
- 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、
前記光入出力部は、前記入力面上に形成された第1の電荷注入抑制層であって、非導電性の接着材料の硬化物中に誘電体材料を有することにより、前記第1電極から前記電気光学結晶への電荷の注入を抑制する前記第1の電荷注入抑制層を含み、
前記光反射部は、前記裏面上に形成された第2の電荷注入抑制層であって、非導電性の接着材料の硬化物中に誘電体材料を有することにより、前記複数の第2電極から前記電気光学結晶への電荷の注入を抑制する前記第2の電荷注入抑制層を含む、反射型空間光変調器。 - 前記光反射部は、
前記第2の電荷注入抑制層における前記裏面とは反対側の面に形成され、前記複数の第2電極のそれぞれに対応する複数の第3電極と、
前記複数の第2電極と前記複数の第2電極に対応する前記複数の第3電極とが互いに電気的に接続されるように配置された複数のバンプと、を更に備える、請求項1に記載の反射型空間光変調器。 - 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、
前記第2の電荷注入抑制層は、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、請求項1に記載の反射型空間光変調器。 - 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3に記載の反射型空間光変調器。
- 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3に記載の反射型空間光変調器。
- 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1~5のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器。
- 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1~7のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器。
- 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4電極を更に含む、請求項1に記載の反射型空間光変調器。
- 前記光反射部では、前記複数の第4電極によって前記入力光を反射する、請求項9に記載の反射型空間光変調器。
- 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1~9のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器。
- 前記電気光学結晶は、KTa1-xNbxO3(0≦x≦1、KTN)結晶、K1-yLiyTa1-xNbxO3(0≦x≦1、0<y<1、KLTN)結晶、又はPLZT結晶である、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。
- 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1~12のいずれか一項に記載の反射型空間光変調器。
- 前記入力光を出力する光源と、請求項1~13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。
- 前記入力光を出力する光源と、請求項1~13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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