JPWO2012124634A1 - 光変調素子及び光変調素子を備えた顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

光変調素子は、第１の方向に沿って配向された液晶分子が含まれる第１の液晶層と、第１の液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第１の透明電極とを有し、第１の液晶層を透過する光源から発した所定の波長を持つ直線偏光の位相を、その二つの第１の透明電極の間に所定の波長に応じた電圧を印加することにより制御する第１の液晶素子と、第１の液晶素子よりも光源側に配置され、第１の液晶素子が第１の方向あるいは第１の方向と直交する方向に沿った透過軸を持つ偏光板と、第１の液晶素子及び偏光板を支持し、かつ第１の液晶素子の光軸を回転軸として、第１の液晶素子及び偏光板を一体として回転させる回転機構とを有する。

Description

本発明は、液晶を用いてその液晶を透過する光の位相を制御する光変調素子及びそのような光変調素子を備えた顕微鏡装置に関する。

従来より、レーザ顕微鏡、光ピックアップ装置、レーザ加工機など、光を対象物に照射することにより、その対象物の形状などの情報を検出したり、その対象物に何らかの変化を生じさせる装置が利用されている。このような装置では、より解像度を高くするために、光源から照射され、対象物に集光されるビームスポットの径が小さいほど望ましい。一般に、ビームスポットの最小径は、回折限界によって規定され、その最小径は波長に比例する。そのため、光源から照射される光の波長が短いほど、ビームスポットの径も小さくできる。

しかし、波長が短い光を発する光源、例えば、紫色または紫外光を発するレーザは、それよりも長い波長、例えば、緑色または赤色光を発する光源よりも一般に高価である。また、一般に、紫色から紫外にわたる波長範囲では、波長が短くなるにつれて光学材料の透過率も低下する。そのため、紫色または紫外光に対して高い透過率を持つ光学材料の種類は限られてくる。

そこで、ラジアル偏光が注目されている。ラジアル偏光は、光軸を中心として、直線偏光の偏光面が放射状に分布する偏光である。ラジアル偏光を対物レンズにより焦点を結ばせることにより、焦点面に集光された光がｚ偏光（すなわち、光の伝播方向と電界方向が同じとなる偏光）となり、XまたはY偏光の回折限界によるビームスポット径よりも小さいスポット径に光を集光させることが可能であること、すなわち、超解像の効果が得られることが報告されている。また、光源からの直線偏光をラジアル偏光に変換する光変調素子を組み込んだ顕微鏡が提案されている（例えば、特開２０１０−１９６３０号公報及び特開２０１０−１５８７７号公報を参照）。

また、液晶を用いた光変調素子を光学系内に配置して、光学系で生じる波面収差をキャンセルさせる位相分布をその光変調素子を通る光束に与えることで、波面収差を補償する技術も提案されている（例えば、特開２００５−２０２３２３号公報を参照）。

光変調素子は、その入射面に直交する所定の方向に沿って直線偏光の偏光面が入射したときに、その直線偏光をラジアル偏光に変換できるように設計されることがある。そのため、上記のような超解像の効果を得るために、光照射装置に光変調素子を組み込む際、光源から発せられた直線偏光の偏光面が光変調素子の入射面において予め定められた方向を向くように、光変調素子のアライメントを調節することが求められる。

また光学系で生じた波面収差を液晶を用いた光変調素子で補正する場合においても、光変調素子が有する液晶分子の配向方向に対して直線偏光の偏光面が所定の方向を向いていなければ、光変調素子を透過した光束に与える位相分布が設計通りの位相分布にならなず、波面収差を適切に補正することができない。そこでこの場合でも、光変調素子が有する液晶分子の配向方向に対して直線偏光の偏光面が所定の方向を向くように、光変調素子は正確にアライメントされていることが求められる。

そこで、本発明は、入射する直線偏光の偏光面と液晶分子の配向方向とを一致させることが可能な光変調素子を提供することを目的とする。

本発明の一つの側面によれば、光変調素子が提供される。この光変調素子は、第１の方向に沿って配向された液晶分子が含まれる第１の液晶層と、第１の液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第１の透明電極とを有し、第１の液晶層を透過する光源から発した所定の波長を持つ直線偏光の位相を、その二つの第１の透明電極の間に所定の波長に応じた電圧を印加することにより制御する第１の液晶素子と、第１の液晶素子よりも光源側に配置され、第１の液晶素子が第１の方向あるいは第１の方向と直交する方向に沿った透過軸を持つ偏光板と、第１の液晶素子及び偏光板を支持し、かつ第１の液晶素子の光軸を回転軸として、第１の液晶素子及び偏光板を一体として回転させる回転機構とを有する。

この光変調素子において、偏光板は、回転機構に対して着脱自在に支持されることが好ましい。

またこの光変調素子において、回転機構は、第１の液晶素子よりも光源側に、光軸に対して直交する面に沿って、偏光板を第１の液晶素子に入射する直線偏光の光束と重ならない第１の位置からその光束全体が偏光板を通る第２の位置までの範囲内で移動可能に保持するガイドレールを有することが好ましい。

さらにこの光変調素子において、第１の液晶素子の二つの第１の透明電極のうちの一方は、光軸を中心とする同心円状の複数の輪帯のうちの少なくとも一つの第１の輪帯に対応した輪帯電極であり、第１の液晶素子は、輪帯電極と二つの第１の透明電極の他方との間に所定の波長に応じた電圧が印加されることにより、第１の輪帯を透過する直線偏光の位相を複数の輪帯のうちの第１の輪帯と異なる第２の輪帯を透過する直線偏光の位相に対して反転させることが好ましい。

またこの光変調素子は、第１の液晶素子から出射した直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光面回転素子をさらに有することが好ましい。この場合において、回転機構は、第１の液晶素子、偏光面回転素子及び偏光板を支持し、かつ光軸を回転軸として、第１の液晶素子、偏光面回転素子及び偏光板を一体として回転させることが好ましい。

またこの光変調素子は、光源と対物レンズとを有する顕微鏡装置に対して、光変調素子が光源から発した直線偏光をラジアル偏光に変換し、そのラジアル偏光が対物レンズによって対象物上に集光されるように、光源と対物レンズの間に光変調素子を取り付ける取り付け部をさらに有することが好ましい。

この場合において、偏光面回転素子は、液晶分子が含まれる第２の液晶層と、第２の液晶層を挟んで対向するように配置された第２の二つの透明電極とを有し、第２の液晶層は、光軸を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、複数の領域のそれぞれに含まれる液晶分子の配向方向は互いに異なり、第２の液晶層の複数の領域のそれぞれは、第２の二つの透明電極間に所定の波長に応じた電圧が印加されることにより、直線偏光のうちのその領域を透過した成分の偏光面を、その領域に含まれる液晶分子の配向方向に応じて光軸を中心とする放射方向に平行となるように回転させることが好ましい。

またこの光変調素子において、第１の液晶素子の二つの第１の透明電極のうちの一方は、光軸を中心とする同心円状の複数の輪帯のそれぞれに対応して配置された複数の輪帯電極であり、第１の液晶素子は、複数の輪帯電極のそれぞれごとに、その輪帯電極と二つの第１の透明電極の他方との間に印加される電圧を調節することにより、複数の輪帯ごとにその輪帯を透過する直線偏光の位相変調量を制御することが好ましい。

さらに、光変調素子は、光源と対物レンズとを有する光学系内に配置され、かつ、光変調素子は、光学系にて生じる波面収差の位相分布を打ち消すように複数の輪帯のそれぞれを透過する直線偏光の位相変調量を生じさせるように、複数の輪帯電極のそれぞれごとに、その輪帯電極と二つの第１の透明電極の他方との間に印加される電圧を調節する駆動装置をさらに有することが好ましい。

またこの光変調素子は、光軸に沿って偏光板と第１の液晶素子との間に配置され、第１の方向に沿って配向された液晶分子が含まれる第２の液晶層と、第２の液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第２の透明電極とを有し、二つの第２の透明電極の間に所定の波長に応じた電圧を印加することにより、第２の液晶層を透過する直線偏光の位相を制御する第２の液晶素子をさらに有することが好ましい。この場合において、回転機構は、第１の液晶素子、第２の液晶素子及び偏光板を支持し、かつ光軸を回転軸として、第１の液晶素子、第２の液晶素子及び偏光板を一体として回転させることが好ましい。

なお、この光変調素子において、二つの第２の透明電極のうちの少なくとも一方の電極パターンが二つの第１の透明電極の何れの電極のパターンとも異なることが好ましい。

本発明の他の形態によれば、顕微鏡装置が提供される。この顕微鏡装置は、所定の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、直線偏光の位相を制御する光変調素子と、光変調素子を透過した光束を試料の所定のスポットに集光する対物レンズと、所定のスポットからの光を受光する受光素子とを有する。そして光変調素子は、第１の方向に沿って配向された液晶分子が含まれる第１の液晶層と、第１の液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第１の透明電極とを有し、二つの第１の透明電極の間に所定の波長に応じた電圧を印加することにより、第１の液晶層を透過する直線偏光の位相を制御する液晶素子と、その液晶素子よりも光源側に配置され、液晶素子が第１の方向あるいは第１の方向と直交する方向に沿った透過軸を持つ偏光板と、液晶素子及び偏光板を支持し、かつ液晶素子の光軸を回転軸として、液晶素子及び偏光板を一体として回転させる回転機構とを有する。

本発明に係る光変調素子は、入射する直線偏光の偏光面と液晶分子の配向方向とを一致させることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態に係る光変調素子を備えたレーザー顕微鏡の概略構成図である。 図２（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光変調素子を偏光面回転素子側から見た概略背面図であり、図２（Ｂ）は、第１の実施形態に係る光変調素子の概略側面図である。 図３（Ａ）は、光変調素子が有する回動支持部材の概略背面図であり、図３（Ｂ）は、光変調素子の透視側面図であり、図３（Ｃ）は、図２（Ａ）の矢印XX'の方向から見た点線における光変調素子の概略側面断面図である。 図４は、光変調素子の概略正面図である。 図５（Ａ）は、図４のYY'の矢印の方向から見た点線における、電圧が印加されていないときの光変調素子の概略側面断面図であり、図５（Ｂ）は、図４のYY'の矢印の方向から見た点線における、電圧が印加されたときの光変調素子の概略側面断面図である。 図６（Ａ）は、位相反転素子の透明電極の一例の概略正面図であり、図６（Ｂ）は、位相反転素子の透明電極の他の一例の概略正面図である。 図７は、偏光面回転素子の液晶層の各領域における液晶の配向方向と、各領域を透過した直線偏光成分の偏光方向を示す図である。 図８は、本発明の第１の実施形態に係る光変調素子から出射したラジアル偏光の概略を示す図である。 図９は、偏光面回転素子の液晶層が互いに配向方向の異なる６個の領域を有する場合における、各領域における液晶の配向方向と、各領域を透過した直線偏光成分の偏光方向を示す図である。 図１０は、偏光面回転素子が有する透明電極間の液晶層に印加される電圧とその液晶層により生じる常光線と異常光線の光路長差の一例を示す図である。 図１１（Ａ）は、偏光板が位相反転素子に入射する光束内に挿入されたときの偏光板及びガイドレールの概略斜視図であり、図１１（Ｂ）は、偏光板が位相反転素子に入射する光束外へ退避されたときの偏光板及びガイドレールの概略斜視図であり、図１１（Ｃ）は、偏光板の概略斜視図である。 図１２は、偏光板の透過軸と、位相反転素子の液晶分子の配向方向の関係を示す模式図である。 図１３は、第２の実施形態による光変調素子の概略側面断面図である。 図１４は、第２の実施形態による光変調素子が有する位相変調素子が有する二つの透明電極のうちの一方の構造の一例を示す概略正面図である。 図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、それぞれ、円状電極及び輪帯電極をｎ個有する位相変調素子において、電圧が印加される電極の一例を示す図である。 図１６（Ａ）は、対物レンズを含む光学系により生じる波面収差を補正するために、位相変調素子の各輪帯電極と対向する透明電極との間に印加される電圧の分布の一例を示す図であり、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）に示された電圧の分布に応じて位相変調素子７が生じる位相変調量の分布の一例を示す図である。 第２の実施形態の変形例による光変調素子の概略側面断面図である。 位相変調素子が有する二つの透明電極のうちの一方の構造の他の一例を示す概略正面図である。

以下、図を参照しつつ、様々な実施形態による光変調素子について説明する。この光変調素子は、入射する直線偏光の位相または偏光面を制御する液晶素子を有する。さらにこの光変調素子は、液晶素子を直線偏光の偏光面に対して回転させる回転機構を有し、かつ、液晶素子内の液晶分子の配向方向に対する直線偏光の実際の偏光面の方向のずれを、液晶素子を透過した光の強度で調べられるようにすることで、光源から発した直線偏光の偏光方向と液晶素子内の液晶分子の配向方向とを一致させることを可能とする。

図１は、本発明の実施形態に係る光変調素子を備えたレーザー顕微鏡の概略構成図である。レーザ顕微鏡１００において、直線偏光を出力するコヒーレント光源であるレーザー光源１０１から出射した光束は、コリメート光学系１０２により平行光とされ、ビームスプリッタ１０６を透過する。そしてその平行光は、光変調素子１０３を透過し、対物レンズ１０４により試料１０５上に集光される。試料１０５により反射または散乱した光束、あるいは試料より発生した蛍光等、試料１０５の情報を含んだ光束は、光路を逆にたどり、ビームスプリッター１０６で反射され、第２の光学系であるコンフォーカル光学系１０７で再び共焦点ピンホール１０８上に集光される。そしてその光束中に含まれる、試料の焦点位置以外からの光束がカットされ、その焦点位置からの光束のみが、フォトダイオードまたは光電子増倍管を有する検出器１０９で検出される。そして検出器１０９は、検出した光の光量に応じた電気信号をコントローラ１１０へ出力する。

コントローラ１１０は、例えば、プロセッサと、メモリと、コントローラ１１０をレーザ顕微鏡１００の各部と接続するためのインターフェース回路とを有する。そしてコントローラ１１０は、レーザ光源１０１及び光変調素子１０３を制御する。そしてコントローラ１１０は、レーザ光源１０１に対して所定の電力を供給することにより、レーザ光源１０１に照明光を出力させる。またレーザ光源１０１が複数の発光素子を有する場合、コントローラ１１０は、例えば、図示しないユーザインターフェースを介したユーザの操作に従って、複数の発光素子のうちの何れか一つの発光素子に照明光を出力させる制御信号をレーザ光源１０１へ送信する。

さらにコントローラ１１０は、駆動回路１１１を有し、その駆動回路１１１を介して光変調素子１０３を制御する。すなわち、コントローラ１１０は、レーザ光源１０１から出力される光の波長に応じた印加電圧が光変調素子１０３が有する各液晶層に印加されるように、駆動回路１１１を制御する。これにより、光変調素子１０３は、所定の波長を持つ直線偏光の位相及び偏光面を制御できる。

特に、レーザ光源１０１が、互いに波長の異なる光を出力する複数の発光素子を有している場合、コントローラ１１０は、発光させる発光素子に応じて、光変調素子１０３が有する液晶層に印加される電圧を調節する。
なお、駆動回路１１１から光変調素子１０３が有する液晶層に対して印加される駆動電圧は、例えば、パルス高さ変調（ＰＨＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧であってもよい。

ここで、試料１０５の表面に平行な方向の解像度を高くするためには、試料１０５上に集光された光束のスポットサイズは極力小さいことが好ましい。一方、試料１０５上に集光された光束をｚ偏光とすることで、試料１０５上に集光された光束のスポットサイズを回折限界よりも小さくするとともに、焦点深度を深くできる。そして、対物レンズ１０４を透過する光束をラジアル偏光とすることで、試料１０５上で光束をｚ偏光にすることができる。
そこで、本発明の第１の実施形態では、光変調素子１０３は、対物レンズ１０４を透過する光束をラジアル偏光にするよう構成される。

図２（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光変調素子を対物レンズ側から見た概略背面図であり、図２（Ｂ）は、光変調素子の概略側面図である。また図３（Ａ）は、光変調素子が有する回動支持部材の概略背面図であり、図３（Ｂ）は、光変調素子の透視側面図であり、図３（Ｃ）は、図２（Ａ）の矢印XX'の方向から見た点線における光変調素子の概略側面断面図である。光変調素子１０３は、位相反転素子２と、偏光面回転素子３と、偏光板４と、回動支持部材５と、筺体６とを有する。このうち、位相反転素子２及び偏光面回転素子３は、それぞれ、液晶素子である。

光変調素子１０３は、位相反転素子２側から直線偏光が入射し、その直線偏光が位相反転素子２、偏光面回転素子３の順番に透過するように配置される。したがって、図１に示されたレーザ顕微鏡１００では、光変調素子１０３は、光源１０１側に位相反転素子２が位置し、一方、対物レンズ１０４側に偏光面回転素子３が位置するように配置される。

位相反転素子２側（図３（Ｃ）における左側）から直線偏光が入射すると、光変調素子１０３は、その直線偏光をラジアル偏光に変換する。そして光変調素子１０３は、ラジアル偏光を偏光面回転素子３側（図３（Ｃ）における右側）から出射させる。また偏光板４は、位相反転素子２よりも光が入射する側に配置され、光変調素子１０３に入射する直線偏光の偏光面に対する、光変調素子１０３について予め定められた偏光面の入射方向のずれを確認するために用いられる。
なお、位相反転素子２、偏光面回転素子３及び偏光板４の詳細については後述する。

回動支持部材５及び筺体６は、位相反転素子２、偏光面回転素子３及び偏光板４を、それらの素子の光軸を回転軸として一体的に回転させることが可能な回転機構の一例である。
回動支持部材５は、例えば、金属あるいは樹脂により形成され、略円筒形状を有する。そして回動支持部材５は、その内部に位相反転素子２及び偏光面回転素子３を保持する。位相反転素子２及び偏光面回転素子３は、それぞれ、位相反転素子２の光軸と偏光面回転素子３の光軸が一致するとともに、それら素子の光軸が回動支持部材５の中心線と略一致するように、回動支持部材５に保持される。以下では、位相反転素子２及び偏光面回転素子３の一致した光軸を光軸ＯＡと呼ぶ。そして位相反転素子２及び偏光面回転素子３は、例えば、位相反転素子２及び偏光面回転素子３の外周が回動支持部材５の内壁と接着剤を用いて接着されることにより固定される。あるいは、位相反転素子２及び偏光面回転素子３は、他の固定方法、例えば、ネジなどの固定用部材を用いて回動支持部材５に固定されてもよい。
また回動支持部材５の外周には、光軸ＯＡと直交する面と略平行に、回動支持部材５を筺体６と係合させるためのフランジ５１が形成されている。さらに、回動支持部材５の位相反転素子２側の端部には、偏光板４を保持するためのガイドレール５２が設けられている。

筺体６は、例えば、金属あるいは樹脂により形成され、回動支持部材５の外径と略等しい内径を持つ円筒状の部材であり、筺体６の内部に回動支持部材５が挿入される。筺体６の内周には、光軸ＯＡと直交する面に沿って形成され、かつ光軸ＯＡ方向に沿ってフランジ５１の幅よりも広い溝６１が形成されている。そしてこの溝６１と回動支持部材５のフランジ５１とが係合している。これにより、筺体６は、回動支持部材５を光軸ＯＡを回転軸として回動可能に支持する。なお、回動支持部材５を筺体６内に配置可能とするために、例えば、筺体６は、円筒の長手方向に沿って分割される二つの部材により構成されてもよい。そしてその二つの部材を、回動支持部材５を挟み込むように配置した後に、例えば、その二つの部材の接合面が接着剤により固定される。あるいは、筺体６を構成するその二つの部材は、他の様々な公知の方向によって固定されてもよい。

さらに、筺体６の側壁には貫通孔６２が形成され、その貫通孔６２には固定部材６３が挿入されている。固定部材６３の外周及び貫通孔６２の内周には、それぞれネジ溝（図示せず）が形成されており、固定部材６３は、貫通孔６２に螺合している。そして固定部材６３を、例えば時計回りに回転させると、固定部材６３は筺体６の内部へ向かって移動し、固定部材６３の先端が回動支持部材５を押圧する。これにより、回動支持部材５は固定される。一方、固定部材６３を例えば反時計回りに回転させると、固定部材６３は筺体６の外側へ向かって移動し、その結果として固定部材６３の先端は回動支持部材５から離れる。固定部材６３の先端が回動支持部材５と接触しなくなると、回動支持部材５は、光軸ＯＡを回転軸として自由に回転できるようになる。
また筺体６は、光変調素子１０３をレーザ顕微鏡１００に取り付けるための取り付け部を有する。例えば、筺体６は、そのような取り付け部として、筺体６の外周にネジ孔６４を有する。あるいは、筺体６は、光照射装置が有する光変調素子の取り付け機構に取り付けることができる他の機構あるいは構造を取り付け部として有してもよい。
さらに、筺体６の側面には、位相反転素子２及び偏光面回転素子３が有する電極に電圧を印加するための配線を通す孔が形成されていてもよい。

以下、位相反転素子２及び偏光面回転素子３の詳細について説明する。
位相反転素子２は、入射した直線偏光のうち、光軸ＯＡを中心とする少なくとも一つの輪帯状の部分の位相を他の部分の位相に対して反転させる。また偏光面回転素子３は、位相反転素子２から出射した光をラジアル偏光に変換する。本実施形態では、位相反転素子２及び偏光面回転素子３は、それぞれ、液晶素子として構成される。

図４は、直線偏光が入射する側から見た位相反転素子２の概略正面図である。また図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、それぞれ、図４に示された矢印YY'の方向から見た点線における位相反転素子２及び偏光面回転素子３の概略側面断面図である。このうち、図５（Ａ）は、位相反転素子２及び偏光面回転素子３に電圧が印加されていないときの位相反転素子２及び偏光面回転素子３に含まれる液晶分子の状態を表す。また図５（Ｂ）は、位相反転素子２及び偏光面回転素子３に電圧が印加されたときの位相反転素子２及び偏光面回転素子３に含まれる液晶分子の状態を表す。

説明の便宜上、直線偏光の偏光面に対して、位相反転素子２及び偏光面回転素子３の向きが最適となるように合わせられた状態では、位相反転素子２に入射する直線偏光の偏光面は、図４の矢印Ａに示されるように、図４が表された面に直交し、かつ縦方向の面にあるものとする。

位相反転素子２は、入射した直線偏光のうち、図４に示された領域２ａ内に含まれる、光軸ＯＡを中心とする少なくとも一つの輪帯状の部分の位相を他の部分の位相に対して反転させる。そのために、位相反転素子２は、液晶層２０と、光軸ＯＡに沿って液晶層２０の両側に略平行に配置された透明基板２１、２２を有する。そして液晶層２０に含まれる液晶分子２７は、透明基板２１及び２２と、シール部材２８との間に封入されている。また位相反転素子２は、透明基板２１と液晶層２０の間に配置された透明電極２３と、液晶層２０と透明基板２２の間に配置された透明電極２４とを有する。なお、透明基板２１、２２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、所定の波長域に含まれる波長を持つ光に対して透明な材料により形成される。また透明電極２３、２４は、例えば、ＩＴＯと呼ばれる、酸化インジウムに酸化スズを添加した材料により形成される。透明電極２３と液晶層２０の間に配向膜２５が配置される。また透明電極２４と液晶層２０の間に配向膜２６が配置される。これら配向膜２５、２６は、液晶分子２７を所定の方向に配向させる。なお、液晶分子２７が、基板側に構造物を形成して液晶分子２７を配向させる構造配向など、配向膜を用いない方法によって配向される場合、配向膜２５、２６は省略されてもよい。
さらに、各基板、各透明電極及び各配向膜の外周には鏡枠２９が配置され、この鏡枠２９が、各基板を保持している。

図５（Ａ）に示されるように、液晶層２０に封入された液晶分子２７は、例えば、ホモジニアス配向となり、かつ、入射する直線偏光の偏光面と略平行な方向に配向されている。すなわち、液晶分子２７の長軸方向が、図４に示された矢印Ａと略平行に、液晶分子が配向される。

図６（Ａ）は、入射側に配置される位相反転素子２に設けられた透明電極２３の一例の概略正面図であり、図６（Ｂ）は、透明電極２３の他の一例の概略正面図である。一方、透明電極２４は、液晶層２０全体を覆うように形成される。なお、透明電極２４も、図６（Ａ）または図６（Ｂ）に示された透明電極２３の形状と同様の形状を有してもよく、あるいは、透明電極２４が図６（Ａ）または図６（Ｂ）に示された電極形状を有し、透明電極２３が液晶層２０全体を覆うように形成されてもよい。
透明電極２３は、光軸ＯＡと位相反転素子２の交点ｃ₀を中心とする、同心円状の少なくとも一つの輪帯状の電極を有する。本実施形態では、透明電極２３は、円状の電極２３ａと、同心円状の少なくとも一つの輪帯状の電極とを有する。この例では、透明電極２３は、円状の電極２３ａの周囲に、５個の輪帯状電極２３ｂ〜２３ｆを有する。なお、輪帯状電極２３ｄの外周が、図４に示された領域２ａの外周に対応する。

図６（Ａ）に示した例では、各輪帯電極は独立に制御可能なように、各輪帯電極から配線がそれぞれ引き出されており、その配線が駆動回路１１１と接続されている。また図６（Ｂ）に示した例では、円状の電極２３ａから順に偶数番目の輪帯状電極同士、及び奇数番目の輪帯状電極同士がそれぞれ同一の配線で電気的に接続され、偶数番目の輪帯状電極と接続された配線及び奇数番目の輪帯状電極と接続された配線がそれぞれ駆動回路１１１と接続される。これにより、偶数番目の各輪帯状電極は同一の電位で駆動可能となっている。同様に、奇数番目の各輪帯状電極も同一の電位で駆動可能となっている。また図６（Ｂ）では、奇数番目の輪帯状電極群と偶数番目の輪帯状電極群のうち、一方の電極群は電気的に制御されなくてもよい。この場合、他方の電極群と透明電極２４との間に電圧を印加することで、その他方の電極群と透明電極２４との間に挟まれた液晶層により、光の位相を反転可能である。なお、輪帯状電極も厚さがあるので、輪帯状電極を通った光の位相は、輪帯状電極を透過しない光の位相に対してずれる。そこで、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示されるように、電圧制御に利用される輪帯状電極だけでなく、電圧制御が不要な輪帯状電極も配置することで、位相反転素子２は、液晶層２０に電圧が印加されない場合に位相反転素子２を透過する光束のほぼ全体を同位相にすることができる。

さらに、電気的に制御する必要がない偶数番目、あるいは奇数番目の輪帯状電極群の電位を、その輪帯状電極群と対向する側の透明基板に設けられた透明電極２４と同一の基準電位、あるいは液晶層２０内の液晶分子が動作しない電位の最大値である閾値電位に設定することが好ましい。閾値電位は、一般には実効電圧で約1V〜2Vである。このように電気的に制御する必要がない輪帯状電極群の電位を設定することで、位相反転素子２は、液晶層２０の電位を一定に制御できるので、静電気等のノイズにより液晶層２０の液晶が誤動作することを防止できる。また電気的に制御する必要がない輪帯状電極群の電位を閾値電位とすることで、液晶層２０の熱揺らぎも抑制できる。

図６（Ｂ）に示されるように、中心の円状電極２３ａ及び中心から偶数番目の輪帯状電極２３ｃ、２３ｅと、液晶層２０を挟んで対向して配置された透明電極２４との間に、駆動回路１１１によって電圧が印加されると、液晶層２０のうち、それら電圧が印加された電極間に相当する第１の輪帯状部分２０ａに含まれる液晶分子の長軸方向が、光軸ＯＡに直交する方向から光軸ＯＡに平行な方向に近づくように液晶分子が傾く。一方、中心から奇数番目の輪帯状電極２３ｂ、２３ｄ、２３ｆと透明電極２４との間には電圧が印加されなければ、それらの電極で挟まれた第２の輪帯状部分２０ｂに含まれる液晶分子は、その長軸が光軸ＯＡに直交する方向を向いたままとなる。

一般に、液晶分子の長軸方向に平行な偏光成分（すなわち、異常光線）に対する屈折率n_eは、液晶分子の短軸方向に平行な偏光成分（すなわち、常光線）に対する屈折率n_oよりも高い。ここで、透明電極２３と２４との間に電圧が印加されたときの、第１の輪帯状部分２０ａに含まれる液晶分子の長軸方向と、電圧が印加された方向、すなわち光軸ＯＡの方向とがなす角をψとすれば、液晶層２０を透過する光は、液晶分子２７の長軸方向に対して角ψをなす。このとき、液晶分子２７が配向された方向と平行な偏光成分に対する液晶分子の屈折率をn_ψとすると、n_o≦n_ψ≦n_eとなる。そのため、液晶層２０に含まれる液晶分子２７がホモジニアス配向されており、液晶層２０の厚さがdであると、液晶層２０のうち、第１の輪帯部分２０ａを通る偏光成分と、第２の輪帯部分２０ｂを通る偏光成分との間に、光路長差Δnd（=n_ψd- n_od）が生じる。そしてそれら二つの偏光成分間に生じる位相差Δは、2πΔnd/λとなる。なお、λは、液晶層２０に入射する光線の波長である。

このように、透明電極２３と透明電極２４との間に印加する電圧を調節することにより、位相反転素子２は、液晶層２０を透過する光の位相を変調することができる。従って、透明電極２３と透明電極２４との間に入射光の波長に応じた所定の電圧が印加されると、位相反転素子２は、第１の輪帯部分２０ａを通る光の位相を、第２の輪帯部分２０ｂを通る光の位相に対してπだけずらすことができる。

偏光面回転素子３は、位相反転素子２を透過した後に入射した直線偏光を、光軸ＯＡを中心とした、放射状の直線偏光分布を持つラジアル偏光に変換する。そのために、偏光面回転素子３は、液晶層３０と、光軸ＯＡに沿って液晶層３０の両側に略平行に配置された透明基板３１、３２を有する。なお、透明基板３１と位相反転素子２の透明基板２２のうちの何れか一方が省略されてもよい。この場合、例えば、透明基板２２の一方の面に液晶層２０が形成され、透明基板２２の他方の面に液晶層３０が形成される。

また偏光面回転素子３は、透明基板３１と液晶層３０の間に配置された透明電極３３と、液晶層３０と透明基板３２の間に配置された透明電極３４とを有する。そして液晶層３０に含まれる液晶分子３７は、透明基板３１及び３２と、シール部材３８との間に封入されている。なお、透明基板３１、３２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、所定の波長域に含まれる波長を持つ光に対して透明な材料により形成される。また透明電極３３、３４は、例えば、ＩＴＯにより形成される。さらに、透明電極３３と液晶層３０の間に配向膜３５が配置される。また透明電極３４と液晶層３０の間に配向膜３６が配置される。これら配向膜３５、３６は、液晶分子３７を所定の方向に配向させる。なお、液晶分子３７が、構造配向など、配向膜を用いない方法によって配向される場合、配向膜３５、３６は省略されてもよい。
さらに、各基板、各透明電極及び各配向膜の外周には鏡枠３９が配置され、この鏡枠３９が、各基板を保持している。なお、鏡枠２９と鏡枠３９とは、一体的に形成されてもよい。

液晶層３０に封入された液晶分子は、例えば、ホモジニアス配向される。また液晶層３０は、光軸ＯＡと液晶層３０の交点ｃ1を中心として、光軸ＯＡに直交する面内で円周方向に沿って配置された複数の扇形領域を含む。そして各扇形領域に含まれる液晶分子３７は、入射する直線偏光の偏光面が、光軸ＯＡを中心とした放射方向に略平行となるようにその偏光面を回転させるように配向される。

図７は、液晶層３０の各扇形領域における液晶の配向方向と、各扇形領域を透過した直線偏光の偏光方向を示す液晶層３０の概略正面図である。
本実施形態では、液晶層３０は、時計回りに配置され、互いに配向方向が異なる８個の扇形領域３０ａ〜３０ｈを有し、各扇形領域３０ａ〜３０ｈの中心角は等しくなるように設定される。また図７において、矢印４０ａ〜４０ｈは、それぞれ、各扇形領域３０ａ〜３０ｈに含まれる液晶分子の配向方向を表す。また、矢印５０ａ〜５０ｈは、それぞれ、各扇形領域３０ａ〜３０ｈから出射する直線偏光の偏光面を表す。なお、矢印５０ａ〜５０ｈのうち、矢印の先端が反対方向を向いている二つの矢印は、それら矢印で表される直線偏光の位相が互いにπだけずれていることを表す。
なお、光軸ＯＡと液晶層３０との交点ｃ1を通って扇形領域を２等分する直線を、その扇形領域の中心線と呼ぶ。

各扇形領域３０ａ〜３０ｈの配向方向は、例えば、各扇形領域を透過した後の直線偏光成分の偏光面が、その透過した扇形領域の中心線と平行となるように決定される。そこで、交点ｃ1を通り、入射する直線偏光の偏光面Ａに平行な面と交差する扇形領域３０ａを１番目の領域とし、扇形領域３０ａから時計回りまたは反時計回りに第ｎ番目の扇形領域について、その扇形領域の配向方向と、扇形領域３０ａを通る偏光成分の偏光面Ａとがなす角θは次式に従って設定される。
θ＝360°×（n-1）/（2N） （n=1,2,...,N） （１）
ただし、Ｎは扇形領域の総数であり、本実施形態ではＮ＝８である。

例えば、ｎ＝１である扇形領域３０ａでは、θ＝０となる。すなわち、扇形領域３０ａでは、入射する直線偏光の偏光面が回転することなく直線偏光が透過するように、液晶分子の配向方向は、入射する直線偏光の偏光面Ａと略平行に設定される。

また、第ｎ番目の扇形領域を、扇形領域３０ａを１番目の領域として時計回りにｎ番目の領域としたとき、各扇形領域３０ｂ〜３０ｈの配向方向と扇形領域３０ａを通る偏光成分の偏光面Ａとがなす角は、それぞれ、時計回りを正として、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°となるように、各扇形領域３０ｂ〜３０ｈの配向方向は設定される。
あるいは、第ｎ番目の扇形領域を、扇形領域３０ａから反時計回りにｎ番目の領域としたとき、各扇形領域３０ｂ〜３０ｈの配向方向と扇形領域３０ａを通る偏光成分の偏光面Ａとがなす角は、それぞれ、時計回りを正として、-157.5°、-135°、-112.5°、-90°、-67.5°、-45°、-22.5°となるように、各扇形領域３０ｂ〜３０ｈの配向方向は設定される。

透明電極３３、３４は、液晶層３０全体を挟んで対向するように配置される。そして透明電極３３と３４との間に、所定の波長域に含まれる波長に対して液晶層３０の扇形領域３０ａ〜３０ｈが半波長板として機能するように、駆動回路１１１によって所定の電圧が印加される。
ここで、透明電極３３と３４との間に電圧が印加されると、液晶分子がその電圧に応じて電圧が印加された方向に対して平行になる方向に傾く。液晶分子の長軸方向と、電圧が印加された方向とがなす角をψとすれば、液晶層３０を透過する光は、長軸方向に対して角ψをなす。このとき、上記のように、液晶分子が配向された方向と平行な偏光成分に対する液晶分子の屈折率をn_ψとすると、n_o≦n_ψ≦n_eとなる。ただし、n_oは液晶分子の長軸方向に直交する偏光成分に対する屈折率であり、n_eは液晶分子の長軸方向に平行な偏光成分に対する屈折率である。

そのため、液晶層３０に含まれる液晶分子がホモジニアス配向されており、液晶層３０の厚さがdであると、液晶分子の配向方向に平行な偏光成分と液晶分子の配向方向に直交する偏光成分との間に、光路長差Δnd（=n_ψd-n_od）が生じる。したがって、透明電極３３と３４との間に印加する電圧を調節することにより、液晶分子の配向方向に平行な偏光成分と、液晶分子の配向方向に直交する偏光成分との光路長差を調節できる。そのため、透明電極３３と３４との間に印加する電圧を調節することにより、所望の波長に対して扇形領域３０ａ〜３０ｈが、それぞれ半波長板として機能する。

各扇形領域３０ａ〜３０ｈが半波長板として機能する場合、液晶分子３７の配向方向に対して角度θをなす偏光面を有する直線偏光がそれら扇形領域を透過すると、その偏光面は、透過した扇形領域の配向方向に対して角度−θをなすように回転する。すなわち、偏光面は、配向方向を中心として、角度２θだけ回転する。

図７に示した例では、各扇形領域３０ａ〜３０ｈにおける液晶分子の配向方向は、扇形領域３０ａに入射する直線偏光の偏光面Ａに対する角度が、各扇形領域の中心線と液晶層３０の扇形領域３０ａに入射する直線偏光の偏光面Ａとの角度の1/2となるように設定されている。そのため、交点ｃ1から入射直線偏光の偏光面Ａに沿って上方を向く方向を基準とし、時計回り方向を正とすると、各扇形領域３０ａ〜３０ｈを透過した直線偏光成分の偏光面の角度は、それぞれ、0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°となる。このように、偏光面回転素子３から出射する光線は、光軸ＯＡを中心として放射状の直線偏光成分を持つ。

図８は、光変調素子１０３から出射するラジアル偏光６１の概略を示す図である。図８において、各矢印６１ａ〜６１ｈは、それぞれ、直線偏光成分を表す。また、各矢印のうち、矢印の先端が反対方向を向いている二つの矢印は、それら矢印で表される直線偏光の位相が互いにπだけずれていることを表す。さらに、輪帯状の領域６２ａ〜６２ｃは、それぞれ、位相反転素子２の第１の輪帯部分を透過した偏光成分を表す。また輪帯状の領域６２ｄ〜６２ｆは、それぞれ、位相反転素子２の第２の輪帯部分を透過した偏光成分を表す。なお、輪帯状領域６２ｆの外周は、図４に示された領域２ａの外周に対応する。
図８に示されるように、このラジアル偏光６１は、光軸ＯＡに対して放射状に偏光面を持つ８種類の直線偏光成分６１ａ〜６１ｈを有する。そして各直線偏光成分６１ａ〜６１ｈは、放射方向に沿って、第１の輪帯部分を透過した成分６２ａ〜６２ｃと、第２の輪帯部分を透過した成分６２ｄ〜６２ｆに対応して６つに区分され、隣接する区分間で位相がπずれる。

なお、各扇形領域３０ａ〜３０ｈを透過した偏光成分の偏光面は、交点ｃ₁を中心とした放射状に分布すればよく、その偏光面は、透過した扇形領域の中心線と平行でなくてもよい。各扇形領域３０ａ〜３０ｈの配向方向は、各扇形領域３０ａ〜３０ｈを透過した偏光の偏光面が当該扇形領域及び交点ｃ1を通る所定の直線と平行となるように設定されればよい。例えば、各扇形領域３０ａ〜３０ｈの配向方向と、扇形領域３０ａに入射した直線偏光の偏光面Ａとのなす角が、上記の（１）式で求められる値に所定のオフセット値を加えた値となるように、各扇形領域３０ａ〜３０ｈの配向方向が設定されてもよい。この場合、所定のオフセット値は、各扇形領域３０ａ〜３０ｈの中心線と偏光面Ａとのなす角にそのオフセット値の２倍を加算した角度（すなわち、扇形領域を透過した偏光成分の偏光面と扇形領域３０ａに入射する直線偏光の偏光面とがなす角）が、隣接する扇形領域との境界が偏光面Ａとなす角度を超えないように、例えば、±5°に設定される。

また、偏光面回転素子３の液晶層３０が有する、配向方向の異なる領域の数は、８個に限られない。液晶層３０が有する配向方向が異なる領域の数は、ラジアル偏光による効果が得られるために必要な数であればよい。例えば、液晶層３０は、４、５、６あるいは１６個の互いに配向方向が異なる領域を有していてもよい。

図９は、液晶層３０が６個の扇形領域３０ｉ〜３０ｎを含むときの各扇型領域における液晶の配向方向と、各領域を透過した直線偏光の偏光方向を示す概略正面図である。なお、この変形例においても、透明電極３３、３４は、液晶層３０全体を挟んで対向するように配置される。
この変形例において、矢印４０ｉ〜４０ｎは、それぞれ、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎに含まれる液晶分子の配向方向を表す。また、矢印５０ｉ〜５０ｎは、それぞれ、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎから出射する直線偏光の偏光面を表す。なお、矢印５０ｉ〜５０ｎのうち、矢印の先端が反対方向を向いている二つの矢印は、それら矢印で表される直線偏光の位相が互いにπだけずれていることを表す。

各扇形領域３０ｉ〜３０ｎのうち、光軸ＯＡと液晶層３０の交点ｃ1の上方に位置する扇形領域３０ｉでは、入射する直線偏光の偏光面Ａと、扇形領域３０ｉの中心線とが一致する。そのため、扇形領域３０ｉを１番目の領域とする。このとき、時計回り方向にｎ番目の扇形領域の配向方向は、例えば、その配向方向と偏光面Ａとがなす角が上記の（１）式に従って算出される角度となるように設定される。
この場合、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎの配向方向と扇形領域３０ａを通る偏光成分の偏光面Ａとがなす角は、それぞれ、時計回りを正として、0°、30°、60°、90°、120°、150°となる。

この場合も、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎを透過した直線偏光に対して液晶層３０が半波長板として機能するように、扇形領域３０ｉ〜３０ｎを挟む透明電極３３、３４間には入射光の波長に応じた電圧が印加される。
これにより、交点ｃ1から入射直線偏光の偏光面に沿って上方を向く方向を基準とし、時計回り方向を正とすると、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎを透過した直線偏光成分の偏光面の角度は、それぞれ、0°、60°、120°、180°、240°、300°となる。このように、偏光面回転素子３から出射する光線は、光軸ＯＡを中心として放射状の直線偏光成分を持つ。

図１０は、透明電極３３、３４間の液晶層３０に印加される電圧と液晶層３０により生じる常光線と異常光線の光路長差の一例を示す図である。
図１０において、横軸は液晶層３０に印加される電圧を表し、縦軸は光路長差を表す。グラフ１００１は、波長405nmを持つ光について、印加電圧と光路長差の関係を表す。グラフ１００２は、波長650nmを持つ光について、印加電圧と光路長差の関係を表す。グラフ１００３は、波長780nmを持つ光について、印加電圧と光路長差の関係を表す。

例えば、波長405nmを持つ光に対して液晶層３０を半波長板として機能させるために、透明電極３３、３４間には、405nmの整数倍に202.5nmを加えた光路長差が生じる電圧が印加されればよい。そこでグラフ１００１を参照すると、透明電極３３、３４間に、光路長差1012.5nmに相当する約1.4Vrmsの電圧が印加されればよい。
また、例えば、波長650nmを持つ光に対して液晶層３０を半波長板として機能させるために、透明電極３３、３４間には、650nmの整数倍に325nmを加えた光路長差が生じる電圧が印加されればよい。そこでグラフ１００２を参照すると、透明電極３３、３４間に、光路長差975nmに相当する約1.5Vrmsの電圧が印加されればよい。
さらに、例えば、波長780nmを持つ光に対して液晶層３０を半波長板として機能させるために、透明電極３３、３４間には、780nmの整数倍に390nmを加えた光路長差が生じる電圧が印加されればよい。そこでグラフ１００３を参照すると、透明電極３３、３４間に、光路長差1170nmに相当する約1.1Vrmsの電圧が印加されればよい。

ここで、光変調素子１０３について予め設定された偏光面の入射方向（図４の矢印Ａで示される方向）に対して、実際に入射する直線偏光の偏光面がずれていると、その直線偏光が位相反転素子２を透過することによって偏光面が回転する。しかも、位相反転素子２の液晶層２０のうち、輪帯状電極を用いて電圧が印加されている部分とそれ以外の部分とでは、複屈折性が異なっている。その結果、光が液晶層２０を透過した位置に応じて、直線偏光の偏光面の回転量も異なることになる。そのため、偏光面回転素子３は、位相反転素子２から出射した光をラジアル偏光に変換できなくなる。

そこで、偏光板４は、光変調素子１０３について予め設定された偏光面の入射方向に対する、光変調素子１０３に実際に入射する直線偏光の偏光面のずれを確認するために使用される。そのため、偏光板４は、位相反転素子２の入射側に、位相反転素子２に入射する光束内に挿入し、またはその光束外へ退避可能なように取り付けられる。
なお、本実施形態では、予め設定された偏光面の入射方向は、位相反転素子２が入射した直線偏光の偏光面を回転させない方向であり、すなわち、位相反転素子２の液晶層２０内の液晶分子の配向方向である。

図１１（Ａ）は、偏光板４が位相反転素子２に入射する光束内に挿入された状態の偏光板４及びガイドレール５２の概略斜視図であり、図１１（Ｂ）は、偏光板４が位相反転素子２に入射する光束外へ退避された状態の偏光板４及びガイドレール５２の概略斜視図であり、図１１（Ｃ）は、偏光板４の概略斜視図である。
偏光板４は、入射した光のうち、特定の方向の偏光面を持つ直線偏光成分のみを透過させる。偏光板４は、例えば、ワイヤーグリッド型偏光板、あるいはヨウ素を含浸させたポリビニルアルコールを延伸することによって構成される薄膜型偏光板とすることができる。
偏光板４は、凸字状に形成されており、略矩形状の偏光板４の本体部分の一方の端部に、本体部分よりも幅の短い突起部４１が設けられている。また、突起部４１が設けられた端部の反対側の端部には、その端部に沿って略円柱状のストッパ４２が取り付けられている。ストッパ４２は、偏光板４が回動支持部材５から脱落することを防止する。そのために、ストッパ４２の長さは、偏光板４の幅よりも長くなっている。

偏光板４は、回動支持部材５の位相反転素子３側の端部に、光軸ＯＡと略直交する面に沿って設けられた略矩形の板状部材５３の３辺に取り付けられた'コ'の字型のガイドレール５２に挿入される。便宜上、ガイドレール５２の開放端と隣接する２本のレールを、それぞれ、左側レール５２ａ及び右側レール５２ｂと呼び、開放端と対向する側のレールを奥側レール５２ｃと呼ぶ。また板状部材５３の対向する２辺間の間隔は、位相反転素子２に入射する光束の直径よりも大きくなっている。そのため、左右のレール５２ａ、５２ｂ間の間隔は、位相反転素子２に入射する光束の直径よりも広くなっている。また奥側レール５２ｃもその光束から外れるように配置される。また板状部材５３の中心には、位相反転素子２に入射する光束を遮らないように、位相反転素子２に入射する光束の直径よりも広い直径を持つ略円形の孔５３ａが形成されている。

偏光板４は、ストッパ４２が奥側レール５２ｃと対向し、突起部４１がガイドレール５２の開放端側に位置するように、ガイドレール５２に挿入されており、ストッパ４２の両端がガイドレール５２の左右のレール５２ａ、５２ｂと係合している。そのため、偏光板４は、矢印１００１に示されるように左右のレール５２ａ、５２ｂに沿って移動可能となっている。ユーザは、例えば、突起部４１を持って偏光板４を動かすことができる。そして偏光板４がレール５２ａ、５２ｂに沿ってガイドレール５２の一番奥まで挿入され、光変調素子１０３に入射する光束全体が偏光板４を透過するようになると、ストッパ４２がガイドレール５２の奥側レール５２ｃと当接する。

またガイドレール５２の左右のレール５２ａ、５２ｂのそれぞれの開放端側の端部には、開放端側に向けて凸となり、ストッパ４１の外径よりも大きい直径を持つ略半円弧状の脱落防止部材５４が設けられている。また左右のレール５２ａ、５２ｂに設けられた脱落防止部材５４間の間隔は、ストッパ４２の長さよりも短く、かつ、偏光板４の幅よりも大きい。そのため、偏光板４が光変調素子１０３に入射する光束の外側に位置するように、偏光板４がガイドレール５２の開放端側まで引き出されると、ストッパ４２が脱落防止部材５４によって係止される。そして偏光板４は、ストッパ４２を回転軸として、矢印１００２に示されるように回動支持部材５側へ約９０°回転可能となる。このため、偏光板４は、光軸ＯＡと略平行となるので、偏光板４が使用されない場合における光変調素子１０３の設置スペースを小さくできる。

図１２は、偏光板４が光変調素子１０３に入射する光束内に位置するように配置されたときの偏光板４の透過軸と、位相反転素子２の液晶分子の配向方向の関係を示す模式図である。図１２において矢印１１０は、位相反転素子２の液晶分子の配向方向を表す。また矢印１１１は、偏光板４の透過軸の方向を表す。
一例によれば、図１２に示されるように、偏光板４の透過軸が位相反転素子２の液晶分子の配向方向と平行となるように、すなわち、偏光板４の透過軸が位相反転素子２が偏光面を回転させない方向と一致するように偏光板４は配置される。そして、レーザ顕微鏡１００の光源１０１から発した直線偏光を偏光板４側から光変調素子１０３に入射させる。このとき、光変調素子１０３から出た光の強度は、直線偏光の偏光面が位相反転素子２の液晶分子の配向方向と平行となる場合に最も高くなる。上記のように、ガイドレール５２は回動支持部材５の一端に固定的に設けられているので、回動支持部材５が回転することにより、偏光板４の透過軸の方向も光軸ＯＡを回転軸として回転する。しかし、回動支持部材５が回転しても、位相反転素子２の液晶の配向方向と偏光板４の透過軸とがなす角は一定である。

したがって、ユーザが光変調素子１０３の偏光面の入射方向と実際に入射する直線偏光の偏光面に対して調節する場合、光変調素子１０３から出た光は、例えばレーザ顕微鏡１００の対物レンズ１０４によって試料１０５の位置に配置されたイメージセンサ上に集光される。そしてユーザは、イメージセンサにより出力されたその集光された光の強度を、例えば、イメージセンサにより得られた画像を表示装置に表示させてモニタしつつ、回動支持部材５を回転させてその強度が最も高くなる位置を求める。そしてユーザは、その位置で回動支持部材５を固定すれば、光変調素子１０３に入射する直線偏光の偏光面が位相反転素子２の液晶分子の配向方向と平行になる。

また、他の例によれば、点線の矢印１１２に示されるように、偏光板４の透過軸が位相反転素子２の液晶分子の配向方向と直交するように、すなわち、偏光板４の透過軸が位相反転素子２が偏光面を回転させない方向と直交するように偏光板４が配置されてもよい。このように偏光板４が配置されると、レーザ顕微鏡１００の光源１０１から発した直線偏光を偏光板４側から光変調素子１０３に入射させたときの光変調素子１０３から出た光の強度は、直線偏光の偏光面が位相反転素子２の液晶分子の配向方向と平行となる場合に最も低くなる。したがって、ユーザは、光変調素子１０３から出た光の強度をモニタしつつ、回動支持部材５を回転させてその強度が最も低くなる位置を求め、その位置で回動支持部材５を固定すれば、光変調素子１０３に入射する直線偏光の偏光面が位相反転素子２の液晶分子の配向方向と平行になる。

光変調素子１０３に対する偏光面の入射方向の調節が終わった後、ユーザは、偏光板４を光変調素子１０３に入射する光束の外へ退避させればよい。

なお、液晶層に電圧が印加されていない場合よりも、液晶層に電圧を印加した方が、個々の液晶分子の長軸方向は配向方向に対してより平行になる。そして配向方向に対する個々の液晶分子の長軸方向の平行度が高いほど、配向方向に対して入射直線偏光がなす角の変化に伴う、イメージセンサにより出力されたその集光された光の強度変動も敏感になる。そのため、位相反転素子２の液晶層２０にある程度の電圧を印加しつつ、上記のアライメント調整の手順を実行することにより、より厳密に、入射直線偏光と配向方向とを一致させることができる。あるいは、先ず、位相反転素子２の液晶層２０に電圧を印加していない状態で、位相反転素子２を回転させることにより、入射直線偏光と液晶層２０についての液晶分子の配向方向とを略一致させ、その後に液晶層２０に電圧を印加した状態で位相反転素子２を回転させることにより、厳密に、入射直線偏光と液晶層２０についての液晶分子の配向方向とを一致させてもよい。

以上説明してきたように、本発明の第１の実施形態に係る光変調素子は、実際に入射する直線偏光の偏光面に対して、光変調素子について予め設定された偏光面の入射方向、すなわち、位相反転素子の液晶の配向方向とを一致させることができる。またこの光変調素子の入射方向を調節する際、ユーザは、回動支持部材を回転させながら光変調素子から出射した光の強度をモニタするだけで、光変調素子の入射方向と実際に入射する直線偏光の偏光面が一致したときの位置を検出できる。そのため、この光変調素子は、光照射装置の光源に対する光変調素子のアライメント調整を容易化できる。

なお、変形例によれば、光変調素子は、コリメート光学系１０２とビームスプリッタ１０６の間に配置されてもよい。

次に、第２の実施形態による光変調素子について説明する。第２の実施形態による光変調素子は、レーザ顕微鏡１００の光学系で発生する波面収差を補正するために用いられる。
再度図１を参照すると、対物レンズ１０４は、レンズ系内部だけでなく、レンズ先端から観察面までの光路の屈折率と間隔、例えばカバーガラスの厚さまたはカバーガラスの有無に応じた光路長で結像性能が最適化されるように設計されている。そのため、観察対象となる生体試料の深さ、またはカバーガラスの製造誤差による厚さのずれ等により、実際の光路長が光路長の設計値からずれて光学系の収差が大きくなり、その結果として結像性能が低下することがある。そこで第２の実施形態では、光路長の設計値からの実際の光路長のずれにより発生する波面収差をキャンセルするような位相分布を光変調素子にて生じさせることで、結像性能を向上させる。

一般的に、スペースの関係から光変調素子を対物レンズの入射瞳位置に配置することができないため、リレーレンズを用いて入射瞳と共役な位置に光変調素子を配置する。また、レーザー光源１０１から出射した光束は、光変調素子を往路と復路との２回通過するので、光変調素子は、往路、復路ともに光束の位相を補正する。一方で、顕微鏡の対物レンズは、大体、無限系の設計となっており、対物レンズに入射する光束は平行光となっている。従って、対物レンズの光源側なるべく対物レンズの近傍に光変調素子を配置することで補正の効果が得られる。

図１３は、第１の実施形態による光変調素子１０３の代わりに、あるいは、光変調素子１０３とともに使用される、第２の実施形態による光変調素子の概略側面断面図である。光変調素子１０は、位相変調素子７と、偏光板４と、回動支持部材５と、筺体６とを有する。このうち、位相変調素子７は液晶素子である。なお、第２の実施形態による光変調素子１０の外形形状、回動支持部材５及び筺体６の構造は、第１の実施形態による光変調素子１と同様であるので、光変調素子１０の外形形状などについては、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）及び関連する説明を参照されたい。

第２の実施形態による光変調素子１０は、第１の実施形態による光変調素子１０と比較して、筺体６内に収容されている液晶素子である位相変調素子７が有する透明電極の構造及び機能が、位相反転素子２が有する透明電極の構造及び機能と異なる。また第２の実施形態では、光変調素子１０が有する液晶素子は、位相変調素子７のみである。そこで以下では、位相変調素子７が有する透明電極及びその関連部分について説明する。また位相変調素子７が有する透明電極以外の点に関しては、位相反転素子２の説明を参照されたい。

位相変調素子７も、位相反転素子２と同様に、２枚の透明基板及びそれら透明基板間に挟まれた液晶層を有する。そして液晶層に封入された液晶分子は、例えば、ホモジニアス配向されている。さらに、液晶層と各透明基板の間には、それぞれ、透明電極が設けられており、この２枚の透明電極間に印加する電圧を調節することで、位相変調素子７を透過する光束に、レーザ顕微鏡１００の光学系で生じる収差をキャンセルさせるための位相分布を与える。

図１４は、位相変調素子７が有する二つの透明電極のうちの一方の構造の一例を示す概略正面図である。なお、位相変調素子７が有する二つの透明電極のうちの他方は、例えば、液晶層全体を覆うように形成される。あるいは、両方の透明電極とも、図１４に示されれる形状を有してもよい。
図１４に示されるように、透明電極７１は、光軸ＯＡと位相変調素子７の交点ｃ₀を中心とする、円状の電極７１ａと、同心円状の複数の輪帯状の電極７１ｂ〜７１ｉとを有する。そして、輪帯状電極７１ｉの外周が、液晶分子が駆動されるアクティブ領域の外周に対応する。アクティブ領域の直径は、例えば、対物レンズ１０４の瞳径と略一致するように設計される。

図１４に示した例では、円状電極７１ａ及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉは独立に制御可能なように、円状電極７１ａ及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉから配線がそれぞれ引き出されており、その配線が駆動回路１１１と接続されている。さらに、円状電極７１ａ及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉとは互いに離して配置されることで絶縁されている。そして円状電極７１ａ及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉにより液晶層に印加する電圧を制御することで、円状電極７１ａ及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉに応じた液晶層の輪帯状の部分ごとに光路長を変えることができる。その結果として、光変調素子１０は、位相変調素子７を透過する光束に、同心円状の所望の位相分布を与えることが可能となっている。

なお、円状電極７１ａの直径及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉの幅は、例えば、光束の直径方向に沿った所望の位相分布プロファイルを等位相間隔で分割することにより設定される。すなわち、光軸からの距離の変化に対する位相変調量の変化が大きい位置に対応する輪帯ほど狭く設定されることが好ましい。

また、円状電極７１ａ及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉのそれぞれは、隣接する輪帯電極と、同一の電気抵抗を持つ電極（抵抗子）によって接続されてもよい。この場合には、所望の位相分布から、位相変調量が最大となる位置及び最小となる位置に対応する輪帯電極が決定される。そして、位相変調量が最大となる位置にある輪帯電極または円状電極に、最大位相変調量に応じた電位が与えられ、一方、位相変調量が最小となる位置にある輪帯電極または円状電極に、最小位相変調量に応じた電位が与えられる。この結果、抵抗分割により、隣接する輪帯電極間の電位差が同一となる。そのため、位相変調素子７は、各輪帯電極を独立駆動するよりも単純な駆動回路で駆動できる。

図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、それぞれ、位相変調素子７において、電圧が印加される電極の一例を示す図である。図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）において、電極７１ａは中心の円状電極であり、輪帯電極７１ｉは最外周の輪帯電極である。そして輪帯電極７１ｂ〜７１ｈのうちの何れかである輪帯電極７１ｍは、最高電位が与えられる輪帯電極を表す。また隣接する輪帯電極同士は、抵抗値Ｒの抵抗により接続されている。

図１５（Ａ）では、各電極は、２レベルの電圧により駆動される。中心の円状電極７１ａと最外周の輪帯電極７１ｉに同一の最低電位Ｖ１が与えられ、一方、輪帯電極７１ｍには、最高電位Ｖ２が与えられる。レーザ顕微鏡１００の光学系で発生した波面収差の位相分布における中心及び端部の位相が等しくなるように、対物レンズ１０４により集光されるスポットと観察対象位置間のデフォーカス値を選ぶことで、中心の円状電極７１ａを通る光束の位相と最外周の輪帯電極７１ｉを通る光束の位相とを一致させることができる。この場合、図１５（Ａ）のように、中心の円状電極７１ａと最外周の輪帯電極７１ｉに与えられる電位を同一としても、波面収差による位相分布をキャンセルできる位相変調量を、液晶層に生じさせることができる。このように、２レベル駆動の例では、最低電位Ｖ１と最高電位Ｖ２間の電位差を変えることにより、位相変調プロファイルの形状を変えずに、液晶層中の各輪帯電極に対応する領域についての位相変調量の大きさを変更できる。

これに対して、図１５（Ｂ）は、各電極は、３レベルの電圧により駆動される。この構成では、最外周の輪帯電極７１ｉに、円状電極７１ａに与えられる電位Ｖ１とは異なる電位Ｖ３が与えられる。このように、最外周の輪帯電極７１ｉにも任意の位相変調量が発生するように電位Ｖ１と異なる電位Ｖ３を与えることで、対物レンズ１０４として、開口数ＮＡの異なる対物レンズが用いられた場合でも、位相変調素子７は、対物レンズごとに異なる位相変調量の分布を液晶層に生じさせることができる。そのため、位相変調素子７は、使用される対物レンズに応じて、波面収差を高精度に補償することができる。

図１６（Ａ）は、対物レンズを含む光学系により生じる波面収差を補正するために、位相変調素子７の各輪帯電極と対向する透明電極との間に印加される電圧の分布の一例を示す図であり、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）に示された電圧の分布に応じて位相変調素子７が生じる位相変調量の分布の一例を示す図である。図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）において、横軸は、光軸ＯＡからの距離を表し、領域７１ａ〜７１ｉは、それぞれ、円状電極７１ａ及び輪帯電極７１ｂ〜７１ｉに対応する。また図１６（Ａ）において、縦軸は電極間に印加される電圧を表す。そしてグラフ１６０１は、光軸からの距離に応じた電圧の分布を表す。一方、図１６（Ｂ）において縦軸は位相変調量を表し、下へ行くほど位相が遅れることを表す。そしてグラフ１６０２は、光軸からの距離に応じた、位相変調素子７が生じる位相変調量の分布を表す。この例では、中心部と最外周における位相変調量が異なっているので、位相変調素子７は、３レベルの電圧で駆動されることが好ましい。
グラフ１６０１及び１６０２に示されるように、電極間の電圧が大きいほど、位相変調量も大きくなる。

対物レンズを交換する度に、光学系で発生した波面収差に応じた位相分布がキャンセルされるよう、円状電極７１ａ、輪帯電極７１ｍ、及び輪帯電極７１ｉに与える電位Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の比が設定される。最終的な電圧の調整は、例えば、像を見ながら手動で、もしくは像から得られるコントラスト等の情報をコントローラ（図示せず）が求め、その情報を印加する電位にフィードバックしながら最適となる電位を自動で設定してもよい。

なお、一般的なレーザー顕微鏡は、波長が異なるレーザ光源を複数備えており、レーザ光源ごとに、それぞれ、必要な位相変調量が異なる。波長の違いによる、位相変調量の違いは、液晶層に印加する電圧を変化させることで対応することができる。更に、温度変化等による位相変調量の違いも印加電圧の調整でキャンセルすることができる。

上記のように、第２の実施形態による光変調素子１０における位相変調素子７は、第１の実施形態における位相反転素子２と同様に、特定の方向にホモジニアス配向された液晶分子を含む液晶層を有する。そして、その配向方向に対して位相変調素子７に入射する直線偏光の偏光面が傾くと、その傾きに応じて位相変調量も変動する。したがって、位相変調素子７を透過する光束に設計通りの位相分布を与えるためには、位相変調素子７に入射する直線偏光の偏光面と、液晶分子の配向方向が一致していることが好ましい。

ここで、偏光板４、回動支持部材５及び筺体６と位相変調素子７との位置関係は、第１の実施形態における偏光板４、回動支持部材５及び筺体６と位相反転素子２との位置関係と同様である。そして偏光板４の透過軸が位相変調素子７の液晶分子の配向方向と平行となるか、または直交するように偏光板４は配置される。そのため、第１の実施形態による光変調素子１についての入射偏光方向の調節手順と同様の手順を実施することにより、第２の実施形態による光変調素子１０は、位相変調素子７に入射する直線偏光の偏光面と位相変調素子７が有する液晶の配向方向とを一致させることができる。

なお、第２の実施形態の変形例によれば、光変調素子は、光軸方向に沿って並べられた複数の位相変調素子を有してもよい。そして各位相変調素子は、互いに異なる種類の波面収差を補正するように、それぞれ、位相変調素子を透過する光束に異なる位相変調量の分布を与えてもよい。

図１７は、第２の実施形態の変形例による光変調素子の概略側面断面図である。光変調素子１１は、二つの位相変調素子７−１及び７−２と、偏光板４と、回動支持部材５と、筺体６とを有する。このうち、位相変調素子７−１及び７−２は、それぞれ液晶素子である。なお、第２の実施形態による光変調素子１１の外形形状、回動支持部材５及び筺体６の構造は、第１の実施形態による光変調素子１と同様であるので、光変調素子１１の外形形状などについては、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）及び関連する説明を参照されたい。

位相変調素子７−１及び位相変調素子７−２は、例えば、第２の実施形態による位相変調素子７と同一の構成を有することができる。そして位相変調素子７−１が有する液晶層に封入された液晶分子の配向方向と、位相変調素子７−２が有する液晶層に封入された液晶分子の配向方向とは互いに平行となるように、位相変調素子７−１及び７−２は配置される。
したがって、この変形例による光変調素子１１についても、第１の実施形態による光変調素子１についての入射偏光方向の調節手順と同様の手順を実施することにより、位相変調素子７−１及び７−２に入射する直線偏光の偏光面と位相変調素子７−１及び７−２が有する液晶の配向方向とを一致させることができる。

位相変調素子７−１及び７−２は、例えば、ともに、図１４に示されたような同心円状の輪帯電極を有してもよい。この場合でも、位相変調素子７−１の各輪帯電極に印加する電位と位相変調素子７−２の各輪帯電極に印加する電位とを異ならせることで、例えば、位相変調素子７−１が３次球面収差を補正する位相変調量の分布を光束に与え、位相変調素子７−２が５次球面収差を補正する位相変調量の分布を光束に与えてもよい。

あるいは、位相変調素子７−１が有する透明電極パターンと位相変調素子７−２が有する透明電極パターンとは互いに異なっていてもよい。

図１８は、この変形例による、位相変調素子７−２が有する二つの透明電極のうちの一方の構造の一例を示す概略正面図である。なお、位相変調素子７−２が有する液晶層に封入された液晶分子は、図１８におけるx軸に直交する方向に沿って配向される。また、位相変調素子７−２が有する二つの透明電極のうちの他方は、例えば、液晶層全体を覆うように形成される。あるいは、両方の透明電極とも、図１８に示される形状を有してもよい。なお、この変形例でも、位相変調素子７−１は、例えば、第２の実施形態による位相変調素子７と同一の構成とすることができる。

図１８に示された透明電極７２は、レーザ顕微鏡１００の光学系で生じるコマ収差を補正するのに適した位相変調量の分布を、位相変調素子７−２を透過する光束に与えるように最適化されている。図１８に示されるように、位相変調素子７−２に入射される光束の有効径７２１から所定距離（例えば、50μm）内側に入った内側領域７２２に、位相を進ませるための二つの電極７２ａ及び７２ｂと、位相を遅らせるための二つの電極７２ｃ及び７２ｄが配置されている。さらに、内側領域７２１内で電極７２ａ〜７２ｄが配置されていないところには、基準電圧を印加するための基準電極７２ｅが配置される。簡単化のために図示していないが、各電極間にはスペースが設けられ、互いに絶縁されている。

基準電極７２ｅに印加される基準電位（例えば0V）に対して正（＋）の電位を電極７２ａ及び７２ｂに印加すると液晶層を挟んで対向する透明電極との間に電位差を生じ、その間の液晶の配向性が電位差に応じて変化する。したがって、この部分を通過する光ビームは、その位相を進められるような作用を受ける。また、基準電極７２ｅに印加される基準電位に対して負（−）の電位を電極７２ｃ及び７２ｄに印加すると、液晶層を挟んで対向する透明電極との間に電位差を生じ、その間の液晶の配向性が電位差に応じて変化する。したがって、この部分を通過する光ビームは、その位相を遅らせるような作用を受ける。

この結果、各電極に印加する電位を適切に調節することにより、位相変調素子７−２は、図１８におけるx軸方向に沿って対物レンズ１０４に対して斜入射する光束に対してコマ収差に応じた光束の位相分布をキャンセルさせる位相変調量の分布を与えることができる。

なお、さらに他の変形例によれば、光変調素子は、図１８に示された電極パターンを持つ位相変調素子と、図１８に示された電極パターンを光軸のまわりに９０度回転させた電極パターンを持つ位相変調素子とを有してもよい。これにより、光変調素子は、図１８におけるx軸方向だけでなく、任意の方向に沿って対物レンズに斜入射する光束のコマ収差も補正できる。

なお、上記の各実施形態またはその変形例において、偏光板は、光変調素子に対して着脱自在であってもよい。例えば、上記の実施形態において、回動支持部材のガイドレールの開放端に配置された脱落防止部材を省略することにより、ユーザは、偏光板を光変調素子から取り外したり、光変調素子へ取り付けることができる。また、光変調素子が光照射装置に組み込まれた後、光変調素子をそのまま保持できるように偏光板を収容するスペースを光照射装置に設けてもよい。この場合、ユーザが偏光板の透過軸の向きを誤ってガイドレールに挿入することがないように、例えば、偏光板の一部に透過軸の向きを示すマーカを設けてもよい。
また、偏光板は、回動支持部材の一端に、光源からの光が偏光板を通って位相反転素子または位相変調素子に入射するように固定されていてもよい。この場合、偏光板は、比較的透過率が高いワイヤーグリッド型偏光板であることが好ましい。また偏光板の透過軸は、位相反転素子が入射した直線偏光の偏光面を回転させない方向、すなわち、位相反転素子の液晶分子の配向方向と平行となるように、偏光板は配置される。

以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

１００ レーザ顕微鏡
１０１ レーザー光源
１０２ コリメート光学系
１０３ 光変調素子
１０４ 対物レンズ
１０５ 試料
１０６ ビームスプリッター
１０７ コンフォーカル光学系
１０８ 共焦点ピンホール
１０９ 検出器
１１１ 駆動回路
１０、１１ 光変調素子
２ 位相反転素子
３ 偏光面回転素子
４ 偏光板
４１ 突起部
４２ ストッパ
５ 回動支持部材（回転機構）
５１ フランジ
５２ ガイドレール
５３ 板状部材
５４ 脱落防止部材
６ 筺体（回転機構）
６１ 溝
６２ 貫通孔
６３ 固定部材
２０、３０ 液晶層
２１、２２、３１、３２ 透明基板
２３、２４、３３、３４ 透明電極
２５、２６、３５、３６ 配向膜
２７、３７ 液晶分子
２８、３８ シール部材
２９、３９ 鏡枠
７、７−１、７−２ 位相変調素子

Claims (12)

1. 第１の方向に沿って配向された液晶分子が含まれる第１の液晶層と、
   前記第１の液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第１の透明電極とを有し、前記第１の液晶層を透過する光源から発した所定の波長を持つ直線偏光の位相を、前記二つの第１の透明電極の間に前記所定の波長に応じた電圧を印加することにより制御する第１の液晶素子と、
   前記第１の液晶素子よりも前記光源側に配置され、前記第１の液晶素子が前記第１の方向あるいは前記第１の方向と直交する方向に沿った透過軸を持つ偏光板と、
   前記第１の液晶素子及び前記偏光板を支持し、かつ前記第１の液晶素子の光軸を回転軸として、前記第１の液晶素子及び前記偏光板を一体として回転させる回転機構と、
   を有する光変調素子。
2. 前記偏光板は、前記回転機構に対して着脱自在に支持される、請求項１に記載の光変調素子。
3. 前記回転機構は、前記第１の液晶素子よりも前記光源側に、前記光軸に対して直交する面に沿って、前記偏光板を前記第１の液晶素子に入射する前記直線偏光の光束と重ならない第１の位置から当該光束全体が前記偏光板を通る第２の位置までの範囲内で移動可能に保持するガイドレールを有する、請求項１または２に記載の光変調素子。
4. 前記第１の液晶素子の前記二つの第１の透明電極のうちの一方は、前記光軸を中心とする同心円状の複数の輪帯のうちの少なくとも一つの第１の輪帯に対応した輪帯電極であり、
   前記第１の液晶素子は、前記輪帯電極と前記二つの第１の透明電極の他方との間に前記所定の波長に応じた電圧が印加されることにより、前記第１の輪帯を透過する前記直線偏光の位相を前記複数の輪帯のうちの前記第１の輪帯と異なる第２の輪帯を透過する前記直線偏光の位相に対して反転させる、請求項１〜３の何れか一項に記載の光変調素子。
5. 前記第１の液晶素子から出射した前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光面回転素子をさらに有し、
   前記回転機構は、前記第１の液晶素子、前記偏光面回転素子及び前記偏光板を支持し、かつ前記光軸を回転軸として、前記第１の液晶素子、前記偏光面回転素子及び前記偏光板を一体として回転させる、請求項４に記載の光変調素子。
6. 前記光源と対物レンズとを有する顕微鏡装置に対して、前記光変調素子が前記光源から発した前記直線偏光をラジアル偏光に変換し、当該ラジアル偏光が前記対物レンズによって対象物上に集光されるように、前記光源と前記対物レンズの間に前記光変調素子を取り付ける取り付け部をさらに有する、請求項５に記載の光変調素子。
7. 前記偏光面回転素子は、液晶分子が含まれる第２の液晶層と、該第２の液晶層を挟んで対向するように配置された第２の二つの透明電極とを有し、
   前記第２の液晶層は、前記光軸を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、前記複数の領域のそれぞれに含まれる前記液晶分子の配向方向は互いに異なり、
   前記第２の液晶層の前記複数の領域のそれぞれは、前記第２の二つの透明電極間に前記所定の波長に応じた電圧が印加されることにより、前記直線偏光のうちの当該領域を透過した成分の偏光面を、当該領域に含まれる前記液晶分子の配向方向に応じて前記光軸を中心とする放射方向に平行となるように回転させる、
   請求項５または６に記載の光変調素子。
8. 前記第１の液晶素子の前記二つの第１の透明電極のうちの一方は、前記光軸を中心とする同心円状の複数の輪帯のそれぞれに対応して配置された複数の輪帯電極であり、
   前記第１の液晶素子は、前記複数の輪帯電極のそれぞれごとに、当該輪帯電極と前記二つの第１の透明電極の他方との間に印加される電圧を調節することにより、前記複数の輪帯ごとに当該輪帯を透過する前記直線偏光の位相変調量を制御する、請求項１〜３の何れか一項に記載の光変調素子。
9. 前記光変調素子は、前記光源と対物レンズとを有する光学系内に配置され、
   前記光学系にて生じる波面収差の位相分布を打ち消すように前記複数の輪帯のそれぞれを透過する前記直線偏光の位相変調量を生じさせるように、前記複数の輪帯電極のそれぞれごとに、当該輪帯電極と前記二つの第１の透明電極の他方との間に印加される電圧を調節する駆動装置をさらに有する、請求項８に記載の光変調素子。
10. 前記光軸に沿って前記偏光板と前記第１の液晶素子との間に配置され、
    前記第１の方向に沿って配向された液晶分子が含まれる第２の液晶層と、前記第２の液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第２の透明電極とを有し、前記二つの第２の透明電極の間に前記所定の波長に応じた電圧を印加することにより、前記第２の液晶層を透過する前記直線偏光の位相を制御する第２の液晶素子をさらに有し、
    前記回転機構は、前記第１の液晶素子、前記第２の液晶素子及び前記偏光板を支持し、かつ前記光軸を回転軸として、前記第１の液晶素子、前記第２の液晶素子及び前記偏光板を一体として回転させる、請求項８または９に記載の光変調素子。
11. 前記二つの第２の透明電極のうちの少なくとも一方の電極パターンが前記二つの第１の透明電極の何れの電極のパターンとも異なる、請求項８〜１０の何れか一項に記載の光変調素子。
12. 所定の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、
    前記直線偏光の位相を制御する光変調素子と、
    前記光変調素子を透過した光束を試料の所定のスポットに集光する対物レンズと、
    前記所定のスポットからの光を受光する受光素子と、
    を有し、
    前記光変調素子は、
    第１の方向に沿って配向された液晶分子が含まれる第１の液晶層と、
    前記第１の液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第１の透明電極とを有し、前記二つの第１の透明電極の間に前記所定の波長に応じた電圧を印加することにより、前記第１の液晶層を透過する前記直線偏光の位相を制御する液晶素子と、
    前記液晶素子よりも前記光源側に配置され、前記液晶素子が前記第１の方向あるいは前記第１の方向と直交する方向に沿った透過軸を持つ偏光板と、
    前記液晶素子及び前記偏光板を支持し、かつ前記液晶素子の光軸を回転軸として、前記液晶素子及び前記偏光板を一体として回転させる回転機構と、
    を有することを特徴とする顕微鏡装置。

Images