WO2022019010A1 - 光学装置 - Google Patents

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WO2022019010A1
WO2022019010A1 PCT/JP2021/022915 JP2021022915W WO2022019010A1 WO 2022019010 A1 WO2022019010 A1 WO 2022019010A1 JP 2021022915 W JP2021022915 W JP 2021022915W WO 2022019010 A1 WO2022019010 A1 WO 2022019010A1
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light
angle
filter
refractive index
multilayer film
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翼 渡邊
寛人 酒井
寧 大林
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浜松ホトニクス株式会社
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Publication date
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    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/0092—Polarisation microscopes

Definitions

  • This disclosure relates to an optical device.
  • Patent Document 1 discloses a technique related to an optical filter.
  • This optical filter is composed of a dielectric multilayer film in which low refractive index layers and high refractive index layers are alternately laminated, and an object thereof is to transmit incident light when the incident angle is within a predetermined angle.
  • a spatial frequency filter for extracting or removing a desired frequency component from light propagating in space
  • a condensing optical system such as a lens and a spatial filter
  • spatial filters having various aperture forms are arranged on the Fourier plane including the rear focal point of the condensing optical system, and a part of the light Fourier converted by the condensing optical system is passed through. Extracts the desired frequency component and removes unnecessary frequency components.
  • An object of the embodiment is to provide an optical device capable of suppressing fluctuations in frequency characteristics due to fluctuations in the relative positions of a condensing optical system and a filter.
  • the embodiment is an optical device.
  • the optical device includes an angle filter arranged on an optical path during light collection or divergence by a light-collecting optical element, and the angle filter is smaller than a dielectric layer having a first refractive index and a first refractive index.
  • a dielectric multilayer film in which dielectric layers having a second refractive index are alternately laminated.
  • the transmittance and reflectance of the dielectric multilayer film change according to the incident angle of light, and its characteristics can be controlled by the layer structure of the dielectric multilayer film (thickness of each layer, number of layers, and material). Is. Further, when the dielectric multilayer film is arranged on the optical path during light collection or divergence, the incident angle of light changes according to the distance from the center of the optical path.
  • a desired frequency component can be selectively transmitted or reflected in the frequency space after passing through the condensing optical element, and a spatial frequency filter can be suitably realized.
  • the relative position of the condensing optical system and the filter fluctuates as compared with the configuration in which the spatial filter having an aperture is arranged on the Fourier plane including the rear focal point of the condensing optical system.
  • the resulting fluctuations in frequency characteristics can be significantly suppressed.
  • an optical device capable of suppressing fluctuations in frequency characteristics due to fluctuations in the relative positions of the condensing optical system and the filter.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an optical device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an angle filter.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration example of a dielectric multilayer film.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration example of a dielectric multilayer film.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of the relationship between the wavelength of light and the transmittance of the dielectric multilayer film shown in FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the incident angle of light and the transmittance in the same dielectric multilayer film used in FIG.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the incident angle and the transmittance when 690 nm is used as the design wavelength.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an optical device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an angle filter.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration example of a dielectric multilayer film.
  • FIG. 8 is a plan view of how light is incident on the dielectric multilayer film as viewed from the optical axis direction.
  • 9A and 9B are a graph conceptually showing a desired frequency-transmission characteristic on the line segment shown in FIG. 8 and a graph conceptually showing an incident angle-transmission characteristic.
  • FIG. 10 is a graph showing an example of frequency characteristics desired for a dielectric multilayer film.
  • FIG. 11 is a graph showing the incident angle-transmission characteristic.
  • 12A and 12B are a graph showing an example of the relationship between (a) the wavelength of light and the transmittance of the dielectric multilayer film shown in FIG. 4, and (b) a graph showing the relationship between the incident angle of light and the transmittance. Is.
  • FIG. 4 is a plan view of how light is incident on the dielectric multilayer film as viewed from the optical axis direction.
  • 9A and 9B are a graph conceptually showing a desired frequency-transmission characteristic on the line segment shown in FIG. 8 and a
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing the configuration of an optical device as a comparative example.
  • FIG. 14 is a diagram showing (a) the planar shape of the spatial filter, and (b) a graph conceptually showing the transmission characteristics of the optical device.
  • FIG. 15 is a diagram showing (a) the planar shape of the spatial filter, and (b) a graph conceptually showing the transmission characteristics of the optical device.
  • FIG. 16 is a graph showing the relationship between the incident angle and the transmittance of the angle filter at a wavelength of 633 nm obtained in the examples.
  • FIG. 17 is a graph showing the wavelength-transmittance characteristics of the dielectric multilayer film.
  • FIG. 18 is a diagram showing (a) data obtained by imaging the light immediately after passing through the condensing optical element in the embodiment, and (b) a diagram showing imaging data when the angle filter is not arranged. ..
  • FIG. 19 is a graph showing the beam profile obtained from the data of FIG.
  • FIG. 20 is a graph showing the ratio of the light intensity when the angle filter is arranged and the light intensity when the angle filter is not arranged.
  • FIG. 21 is a graph showing (a) the profile of the interference fringes when the angle filter is arranged, and (b) the graph showing the profile of the interference fringes when the angle filter is not arranged.
  • FIG. 22 is a diagram schematically showing the configuration of an optical device according to another embodiment.
  • FIG. 22 is a diagram schematically showing the configuration of an optical device according to another embodiment.
  • FIG. 23 is a diagram schematically showing the configuration of the optical device according to still another embodiment.
  • FIG. 24 is a graph showing an example of the incident angle-transmission characteristic of the angle filter.
  • FIG. 25 is a diagram showing an example of the configuration of an optical device using an angle filter.
  • FIG. 26 is a diagram showing an example of an image of a sample acquired by (a) and (b) a camera.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an optical device 1 according to an embodiment.
  • the optical device 1 includes condensing optical elements 2 and 3 and an angle filter 4.
  • the condensing optical elements 2 and 3 are, for example, convex lenses.
  • the condensing optical element 3 is arranged after the condensing optical element 2 and constitutes a 4f optical system together with the condensing optical element 2. That is, assuming that the optical axes of the condensing optical elements 2 and 3 are aligned with each other and the focal length of the condensing optical element 2 is z 1 and the focal length of the condensing optical element 3 is z 2 , the condensing optical element 2 The optical distance between and the condensing optical element 3 coincides with z 1 + z 2.
  • Light L having a single wavelength is input to the optical device 1 from the light source 10.
  • the wavelength of light L is included in, for example, the visible region.
  • the light L is input to the optical device 1 as parallel light.
  • the light source 10 may include a light emitting unit such as a semiconductor laser element and a collimating optical system that parallelizes the light output from the light emitting unit.
  • the light L is condensed by the condensing optical element 2, converges once, and then reaches the condensing optical element 3 while diverging.
  • the light L is parallelized again by the condensing optical element 3 and then output to the outside of the optical device 1.
  • the angle filter 4 is arranged on the optical path between the condensing optical element 2 and the condensing optical element 3.
  • the angle filter 4 of the present embodiment is a transmission type filter.
  • the angle filter 4 functions as a spatial frequency filter that selectively transmits a desired frequency component in the frequency space after passing through the condensing optical element 2.
  • the angle filter 4 is arranged on an optical path in the middle of condensing or diverging by the condensing optical element 2 (on the optical path in the middle of condensing in the illustrated example).
  • the optical path in the middle of focusing refers to the optical path between the focusing optical element 2 and the convergence point Q (beam waist), and the optical path in the middle of divergence is between the convergence point Q and the focusing optical element 3. Point to the optical path of.
  • the convergence point Q is not included in either the optical path in the middle of focusing or the optical path in the middle of divergence.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the angle filter 4.
  • the angle filter 4 includes a substrate 5, a dielectric multilayer film 6, and an antireflection film 7.
  • the substrate 5 is a flat plate-shaped member having a first main surface 51 and a second main surface 52 facing each other, and has light transmission with respect to the wavelength of light L.
  • having light transmission means the property of transmitting light of a target wavelength by 90% or more.
  • the substrate 5 can be mainly composed of a material such as synthetic quartz or glass (BK-7 in one example).
  • the first main surface 51 and the second main surface 52 are both flat and parallel to each other.
  • the direction perpendicular to the first main surface 51 and the second main surface 52 coincides with the thickness direction of the substrate 5.
  • the thickness direction of the substrate 5 is along the optical axis direction of the condensing optical elements 2 and 3.
  • the dielectric multilayer film 6 is provided on the first main surface 51.
  • 3 and 4 are schematic views showing a configuration example of the dielectric multilayer film 6, respectively.
  • FIG. 3 shows the dielectric multilayer film 6A
  • FIG. 4 shows the dielectric multilayer film 6B.
  • Each of the dielectric multilayer films 6A and 6B is formed by alternately laminating a dielectric layer (first dielectric layer) 61 and a dielectric layer (second dielectric layer) 62.
  • the dielectric layer 61 has a first refractive index n 1.
  • the dielectric layer 62 has a second refractive index n 2 that is smaller than the first refractive index n 1.
  • the first refractive index n 1 is larger than the refractive index of the substrate 5, and the second refractive index n 2 is smaller than the refractive index of the substrate 5.
  • the first index of refraction n 1 is greater than 1.5 and the second index of refraction n 2 is less than 1.5.
  • the dielectric layer 61 is arranged at one end 6a on the substrate 5 side in the stacking direction. That is, the dielectric multilayer film 6A is laminated in order from the dielectric layer 61 when viewed from the substrate 5 side.
  • the dielectric layer 61 is also arranged at the other end 6b on the opposite side of the substrate 5 in the stacking direction.
  • synthetic quartz is used as the material of the substrate 5.
  • the dielectric layer 62 is arranged at one end 6a on the substrate 5 side in the stacking direction. That is, the dielectric multilayer film 6B is laminated in order from the dielectric layer 62 when viewed from the substrate 5 side.
  • the dielectric layer 62 is also arranged at the other end 6b on the opposite side of the substrate 5 in the stacking direction.
  • BK-7 is used as the material of the substrate 5.
  • an inorganic material As the constituent materials of the dielectric layers 61 and 62, an inorganic material, an organic material, a semiconductor, a metal, or air can be used.
  • Examples of the inorganic material constituting the dielectric layer 61 which is a high refractive index layer include titanium oxide (TiO 2 ), niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), and hafnium oxide (HfO 2).
  • At least one material included in the group consisting of tin-added indium oxide (ITO), aluminum-added zinc oxide (AZO), fluorine-added tin oxide (FTO), IGZO, and carbon (C) can be used.
  • Examples of the inorganic material constituting the dielectric layer 62 which is a low refractive index layer include silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum fluoride (AlF 3 ), calcium fluoride (CaF 2 ), magnesium fluoride (MgF 2 ), and foot. At least one material included in the group consisting of lithium fluoride (LiF), cryolite (Na 3 AlF 6 ), thiolite (Na 5 Al 3 F 14 ), and sodium fluoride (NaF) can be used.
  • Examples of the organic material constituting the dielectric layer 61 which is a high refractive index layer include poly ⁇ -methyl methacrylate, polymethacrylic acid-2,3-dibrompropyl, diallyl phthalate, phenylpolymethacrylate, and polybenzoic acid. At least one material included in the group consisting of vinyl, polystyrene, pentachlorphenyl polymethacrylate, poly ⁇ -chlorstyrene, polyvinylnaphthalene, and polyvinylcarbazole can be used.
  • CR-39 diethylene glycol bisallyl carbonate
  • Examples of the semiconductor constituting the dielectric layers 61 and 62 include silicon (Si), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), gallium arsenide (GaN), indium antimonide (InSb), indium phosphide (InP), and gallium phosphide (InP). At least one material included in the group consisting of GaP), aluminum nitride (AlN), indium gallium arsenide (InGaAs), and indium gallium phosphide (InGaP) can be used.
  • the refractive index of the dielectric layers 61 and 62 can be adjusted by changing the composition ratio of the semiconductor, and can also be adjusted by changing the concentration of the substance added to the semiconductor.
  • the metal material constituting the dielectric layers 61 and 62 at least one material included in the group consisting of aluminum, chromium, copper, nickel, titanium, gold, silver, platinum, and molybdenum can be used.
  • the dielectric layers 61 and 62 may be, for example, vacuum vapor deposition, sputtering, resistance heating vapor deposition, atomic layer deposition (Atomic Layer Deposition), laser. It can be formed by various methods such as ablation or chemical vapor deposition. Further, when the dielectric layers 61 and 62 are made of an organic material, the dielectric layers 61 and 62 can be formed by various methods such as spin coating, coating, or printing.
  • the thicknesses of the dielectric layers 61 and 62 are set according to the desired characteristics required for the angle filter 4.
  • the dielectric layers 61 and 62 may have a structure such as a metamaterial structure or a Fabry-Perot structure in which the refractive index can be arbitrarily changed from a value peculiar to the material.
  • the antireflection film 7 is provided on the second main surface 52.
  • the antireflection film 7 is configured to include, for example, a dielectric multilayer film.
  • the antireflection film 7 reduces the reflection of the light L that is about to be emitted from the second main surface 52 to the outside of the substrate 5 on the second main surface 52.
  • the antireflection film 7 may be mainly composed of a material such as Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , and Mg F 2.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of the relationship between the wavelength of light L and the transmittance of the dielectric multilayer film 6A shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a graph G11 when the incident angle of light with respect to the dielectric multilayer film 6A is 0 ° (that is, the incident direction of light is perpendicular to the surface of the dielectric multilayer film 6A), and when the incident angle is 15 °.
  • the graph G12 of the above and the graph G13 when the incident angle is 40 ° are shown.
  • the design wavelength is 690 nm.
  • the dielectric multilayer film 6A constitutes a low-pass filter that does not transmit light in a wavelength region longer than a certain cutoff wavelength and transmits light in a wavelength region shorter than the cutoff wavelength.
  • the characteristics change depending on the incident angle of light, and the cutoff wavelength shifts to the shorter wavelength side as the incident angle increases. From this, it can be seen that the transmittance of the dielectric multilayer film 6A has a correlation with the incident angle of light at a specific wavelength.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the incident angle of light and the transmittance in the same dielectric multilayer film 6A used in FIG.
  • the vertical axis represents the transmittance (unit:%)
  • the horizontal axis represents the incident angle (unit: degrees).
  • the transmittance of the dielectric multilayer film 6A gradually approaches 100%. Further, in the region A3 where the incident angle is relatively large, such as 40 ° or more, the transmittance of the dielectric multilayer film 6A gradually approaches 0%, and almost all the light is reflected. Then, in the region A2 between these regions A1 and A3, the transmittance is monotonically decreased with respect to the incident angle, and the transmittance is continuously and gently decreased from 100% to 0%.
  • the absolute value of the rate of change of the transmittance with respect to the incident angle in the region A2 is, for example, 20% or less per unit angle (1 °). Further, the amount of angle change when the transmittance changes from 80% to 20% is, for example, 5 ° or more and 60 ° or less. In the following description, the angle at which the transmittance is 50% is defined as the cutoff angle.
  • the number of repetitions of the dielectric layers 61 and 62 is adjusted. good. As the number of repetitions of the dielectric layers 61 and 62 increases, the absolute value of the rate of change of the transmittance with respect to the incident angle increases, and the slope of the graph becomes steeper. Conversely, as the number of repetitions of the dielectric layers 61 and 62 decreases, the absolute value of the rate of change of the transmittance with respect to the incident angle becomes smaller, and the slope of the graph becomes slower.
  • the thickness of the dielectric layers 61 and 62 In order to set the cutoff angle to a desired size, it is advisable to adjust the thickness of the dielectric layers 61 and 62. As the dielectric layers 61 and 62 become thicker, the cutoff angle shifts to the longer wavelength side. Conversely, as the dielectric layers 61 and 62 become thinner, the cutoff angle shifts to the shorter wavelength side.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the incident angle and the transmittance when 690 nm is the design wavelength, and is a graph showing the relationship between the incident angle and the transmittance, when the wavelength is 690 nm (graph G23) and when the wavelength is 670 nm (graph G21). , 680 nm (graph G22), 700 nm (graph G24), and 710 nm (graph G25), respectively.
  • the vertical axis represents the transmittance (unit:%)
  • the horizontal axis represents the incident angle (unit: degrees).
  • the dielectric layer 61 which is a high refractive index layer, is arranged at one end 6a on the substrate 5 side in the stacking direction.
  • the dielectric multilayer film 6A functions as a low-pass filter that transmits light having an incident angle smaller than the cutoff angle and reflects light having an incident angle larger than the cutoff angle. do.
  • FIG. 8 is a plan view of the light L incident on the dielectric multilayer film 6A as viewed from the optical axis direction.
  • the light L that has passed through the condensing optical element 2 is incident on the dielectric multilayer film 6A while being condensed or diverged. Therefore, among the light L, the incident angle of the light included in the central region B1 including the optical axis AX of the condensing optical element 2 is smaller than the cutoff angle, and the incident angle of the light contained in the peripheral region B2 surrounding the central region B1 is incident. The angle is larger than the cutoff angle. Therefore, the dielectric multilayer film 6A transmits the light contained in the central region B1 and reflects the light contained in the peripheral region B2.
  • the dielectric multilayer film 6A transmits the low frequency component and reflects the high frequency component. Therefore, when the angle filter 4 is used as a transmission type filter as shown in FIG. 1, the optical device 1 can be used as a frequency filter for selectively extracting only low frequency components.
  • the angle filter 4 can also be used as a reflection type filter, and in that case, the optical device can be used as a frequency filter for selectively extracting only high frequency components.
  • FIG. 9A is a graph conceptually showing the frequency-transmission characteristic on the line segment D shown in FIG.
  • the horizontal axis of FIG. 9A represents the ratio f x / f 0 of the cutoff frequency f 0 of the condensing optical element 2 to the frequency component f x, and the vertical axis represents the transmittance.
  • the angle characteristic can be obtained by converting the ratio f x / f 0 into the angle component ⁇ x.
  • FIG. 9B is a graph conceptually showing the incident angle-transmission characteristics calculated in this way.
  • the shape of the incident angle-transmission characteristic is similar to the shape of the frequency-transmission characteristic shown in FIG. 9A, and the incident angle characteristic can be easily obtained from the desired frequency characteristic. Can be calculated.
  • FIG. 10 is a graph showing an example of frequency characteristics desired for the dielectric multilayer film 6A.
  • the incident angle characteristic corresponding to this frequency characteristic is designed, it becomes as shown in FIG.
  • the lens aperture of the condensing optical elements 2 and 3 is 10 mm
  • the focal length z 1 of the condensing optical element 2 is 10 mm
  • the design wavelength ⁇ is 690 nm.
  • FIG. 12A is a graph showing an example of the relationship between the transmittance of the dielectric multilayer film 6B shown in FIG. 4 and the wavelength of light L.
  • the vertical axis represents the transmittance (unit:%) and the horizontal axis represents the wavelength (unit: nm).
  • FIG. 12A shows a graph G31 when the incident angle of light with respect to the dielectric multilayer film 6B is 30 °, a graph G32 when the incident angle is 45 °, and a case where the incident angle is 60 °.
  • Graph G33 is shown.
  • the design wavelength is 900 nm.
  • the dielectric multilayer film 6B constitutes a high-pass filter that transmits light in a wavelength region longer than a certain cutoff wavelength and does not transmit light in a wavelength region shorter than the cutoff wavelength.
  • the characteristics change depending on the incident angle of light, and the cutoff wavelength shifts to the shorter wavelength side as the incident angle increases. From this, it can be seen that the transmittance of the dielectric multilayer film 6B has a correlation with the incident angle of light at a specific wavelength.
  • FIG. 12B is a graph showing the relationship between the incident angle of light and the transmittance in the same dielectric multilayer film 6B used in FIG. 12A.
  • the vertical axis represents the transmittance (unit:%) and the horizontal axis represents the incident angle (unit: degrees).
  • the transmittance of the dielectric multilayer film 6B gradually approaches 0% and almost all the light is reflected. Further, in the region A6 having a relatively large incident angle such as 50 ° or more, the transmittance of the dielectric multilayer film 6B gradually approaches 100%. Then, in the region A5 between these regions A4 and A6, the transmittance monotonically increases with respect to the incident angle, and the transmittance continuously and gently increases from 0% to 100%.
  • the absolute value of the rate of change of the transmittance with respect to the incident angle in the region A5 is, for example, 20% or less per unit angle. Further, the amount of angle change when the transmittance changes from 20% to 80% is, for example, 5 ° or more and 60 ° or less.
  • the number of repetitions of the dielectric layers 61 and 62 Should be adjusted. As the number of repetitions of the dielectric layers 61 and 62 increases, the absolute value of the rate of change of the transmittance with respect to the incident angle increases, and the slope of the graph becomes steeper. Conversely, as the number of repetitions of the dielectric layers 61 and 62 decreases, the absolute value of the rate of change of the transmittance with respect to the incident angle becomes smaller, and the slope of the graph becomes slower.
  • the thickness of the dielectric layers 61 and 62 In order to set the cutoff angle to a desired size, it is advisable to adjust the thickness of the dielectric layers 61 and 62. As the dielectric layers 61 and 62 become thicker, the cutoff angle shifts to the longer wavelength side. Conversely, as the dielectric layers 61 and 62 become thinner, the cutoff angle shifts to the shorter wavelength side.
  • the dielectric layer 62 which is a low refractive index layer, is arranged at one end 6a on the substrate 5 side in the stacking direction.
  • the dielectric multilayer film 6B reflects light having an incident angle smaller than the cutoff angle and transmits light having an incident angle larger than the cutoff angle. Acts as a filter.
  • the dielectric multilayer film 6B reflects the light contained in the central region B1 shown in FIG. 8 and transmits the light contained in the peripheral region B2. Therefore, the dielectric multilayer film 6B reflects the low frequency component and transmits the high frequency component. Therefore, when the angle filter 4 is used as a transmission type filter as shown in FIG. 1, the optical device 1 can be used as a frequency filter for selectively extracting only high frequency components.
  • the angle filter 4 can also be used as a reflection type filter, and in that case, the optical device can be used as a frequency filter for selectively extracting only low frequency components.
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing the configuration of the optical device 100 as a comparative example.
  • This optical device 100 is a spatial frequency filter, and includes condensing optical elements 2 and 3 constituting a 4f optical system and a spatial filter 101.
  • the spatial filter 101 has an arbitrary shaped aperture 102 for removing a desired frequency and is arranged on the Fourier plane including the posterior focal point of the focusing optical element 2.
  • FIG. 14A is a diagram showing a planar shape (shape seen from the optical axis direction) of the space filter 101A as an example of the space filter 101.
  • a circular aperture 102 centered on the optical axis AX of the condensing optical element 2 is formed in the spatial filter 101A, and the periphery of the aperture 102 constitutes a shielding portion 103.
  • FIG. 14B is a graph conceptually showing the transmission characteristics of the optical device 100 when the optical device 100 includes the space filter 101A.
  • the vertical axis represents the transmittance and the horizontal axis represents the frequency.
  • fc is the cutoff frequency.
  • the optical device 100 when the spatial filter 101A is provided, the optical device 100 functions as a low-pass filter that passes light having a frequency smaller than the cutoff frequency fc. Further, by gently changing the light transmittance at the boundary between the opening 102 and the shielding portion 103, an apodization filter can be obtained.
  • FIG. 15A is a diagram showing a planar shape of the space filter 101B as another example of the space filter 101.
  • a circular shielding portion 103 centered on the optical axis AX of the condensing optical element 2 is arranged, and an opening 102 is formed around the shielding portion 103.
  • FIG. 15B is a graph conceptually showing the transmission characteristics of the optical device 100 when the optical device 100 includes the space filter 101B.
  • the vertical axis represents the transmittance and the horizontal axis represents the frequency.
  • the optical device 100 functions as a high-pass filter that passes light having a frequency higher than the cutoff frequency fc. Further, when the light transmittance is gently changed at the boundary between the opening 102 and the shielding portion 103, an anti-apodization filter (super-resolution filter) can be obtained.
  • the optical device 100 shown in FIG. 13 it is necessary to adjust the optical axis of the condensing optical element 2 and the spatial filter 101 with extremely high accuracy (for example, about the same as the light condensing spot size). This is because if the optical axis of the condensing optical element 2 and the optical axis of the spatial filter 101 deviate even slightly, the frequency characteristics fluctuate and the frequency component to be extracted or removed deviates from a desired frequency.
  • the relative position between the condensing optical element 2 and the spatial filter 101 which are mechanically adjusted with high accuracy, is easily affected by external factors such as vibration and temperature. Therefore, the frequency characteristics may fluctuate due to external factors.
  • the transmittance and the reflectance of the dielectric multilayer film 6 of the present embodiment change depending on the incident angle of light, and the characteristics thereof are the layer structure of the dielectric multilayer film 6 (thickness of each layer, lamination). It can be controlled by the number and material). Further, when the dielectric multilayer film 6 is arranged on the optical path of the light L in the middle of focusing or diverging, the incident angle of the light changes according to the distance from the center of the optical path (optical axis AX). Therefore, according to the optical device 1 of the present embodiment, a desired frequency component can be selectively transmitted or reflected in the frequency space after passing through the condensing optical element 2, and a spatial frequency filter is suitably realized. can.
  • the condensing optical element 2 and the filter are compared with the configuration in which the spatial filter 101 having the aperture 102 is arranged on the Fourier plane including the rear focal point of the condensing optical element 2.
  • the fluctuation of the frequency characteristic caused by the fluctuation of the relative position with the above can be remarkably suppressed.
  • the transmittance or reflectance of the dielectric multilayer film 6 with respect to the incident angle to the dielectric multilayer film 6 at the wavelength of the light L propagating in the optical path is such that the transmittance or the reflectance is the incident angle. It may include regions A2 and A5 (see FIGS. 6 and 12 (b)) that are monotonically increasing or decreasing with respect to the above.
  • the absolute value of the rate of change of the transmittance or the reflectance in the regions A2 and A5 with respect to the incident angle may be 20% or less per unit angle.
  • the optical device 1 can be used, for example, as an apodization filter or an anti-apodization filter (super-resolution filter).
  • the angle filter 4 may include a substrate 5 having light transmission at the wavelength of light L propagating in the optical path.
  • the substrate 5 may have a first main surface 51 provided with the dielectric multilayer film 6 and a second main surface 52 facing the first main surface 51 and provided with the antireflection film 7. ..
  • the thin film-shaped dielectric multilayer film 6 can be suitably formed. Further, when the light reflected on the second main surface 52 is reflected again on the first main surface 51, the light is superimposed on the emitted light and affects the filter characteristics.
  • the antireflection film 7 is provided on the second main surface 52 opposite to the first main surface 51 on which the dielectric multilayer film 6 is provided, whereby the second main surface is provided. It is possible to reduce the reflection on the surface 52 and suppress the influence of the reflection on the filter characteristics.
  • the optical device 1 may include another condensing optical element 3 which is arranged after the condensing optical element 2 and constitutes a 4f optical system together with the condensing optical element 2.
  • the angle filter 4 may be arranged on the optical path between the condensing optical element 2 and the condensing optical element 3. In this case, it is possible to obtain a transmission type spatial frequency filter that outputs parallel light containing only a desired frequency component.
  • the design center wavelength is 633 nm
  • the high refractive index layer of the dielectric multilayer film is composed of Ta 2 O 5
  • the low refractive index layer is composed of SiO 2.
  • FIG. 16 is a graph showing the relationship between the incident angle and the transmittance of the angle filter at a wavelength of 633 nm obtained by this embodiment.
  • the transmittance gradually decreases from 0 ° to 25 °, and when the incident angle exceeds 25 °, the transmittance gradually approaches 0%.
  • an angle filter which is a low-pass filter having a gentle incident angle-transmittance characteristic in which the transmittance changes from 100% to 0% while the incident angle changes from 0 ° to 25 ° is produced.
  • the wavelength-transmittance characteristics of this dielectric multilayer film are shown in FIG.
  • FIG. 18A is a diagram showing data obtained by imaging the light immediately after passing through the condensing optical element 3 in this embodiment. For comparison, the imaging data when the angle filter is not arranged is shown in FIG. 18 (b).
  • FIG. 19 is a graph showing a beam profile obtained from the data of FIG.
  • the horizontal axis of FIG. 19 shows the pixel coordinates in the cross section including the optical axis, and the pixel coordinates at the center of the spot are the origin.
  • the vertical axis of FIG. 19 shows the light intensity (arbitrary unit).
  • the graph G41 of FIG. 19 shows an example in which the prepared angle filter is arranged, and the graph G42 shows a comparative example in which the produced angle filter is not arranged.
  • FIG. 20 is a graph showing the ratio P1 / P2 of the light intensity P1 when the angle filter is arranged and the light intensity P2 when the angle filter is not arranged.
  • FIG. 21 (a) shows the profile of the interference fringes when the angle filter is arranged
  • FIG. 21 (b) shows the profile of the interference fringes when the angle filter is not arranged. Comparing FIGS. 21 (a) and 21 (b), it can be confirmed that the spatial frequency component is adjusted by arranging the angle filter and the contrast is improved.
  • optical device is not limited to the above-described embodiment and configuration example, and various other modifications are possible.
  • the optical device is applied to the spatial frequency filter, but the optical device having the above configuration can be used for various purposes other than the spatial frequency filter, for example, a spatial filter for mode cleaning of laser light. Can be used.
  • the dielectric multilayer film 6C constituting the angle filter 4A may be arranged on the light emitting surface 2a of the condensing optical element 2. Even in this case, the angle filter 4A is arranged on the optical path during the focusing by the focusing optical element 2.
  • the dielectric multilayer film 6C is, for example, one of the above-mentioned dielectric multilayer films 6A and 6B.
  • the dielectric multilayer film 6C of the angle filter 4A may be formed by film formation on the light emitting surface 2a of the condensing optical element 2.
  • the light emitting surface 2a has a curvature
  • the light L is emitted perpendicularly to the light emitting surface 2a at the central portion of the condensing optical element 2, but at the end portion of the condensing optical element 2.
  • the light L can be emitted in a direction inclined with respect to the light emitting surface 2a. According to such a configuration, the optical system becomes compact, and the optical axis adjustment between the condensing optical element 2 and the angle filter 4A becomes unnecessary.
  • FIG. 23 is a diagram schematically showing the configuration of the optical device 1B according to still another embodiment.
  • the optical device 1B includes a light source 10, a polarizing element (first polarizing element) 21, a half mirror 25, an objective lens 22, an angle filter 4, a polarizing element (second polarizing element) 23, and a tube lens 26.
  • a camera 28 and is configured as a reflective polarizing microscope.
  • the light source 10 outputs light L having a wavelength ⁇ as parallel light.
  • the polarizing element 21 is optically coupled to the light source 10, inputs the light output from the light source 10, and outputs the light having a predetermined plane of polarization.
  • the polarization plane of the polarizing element 21 is set to an inclination angle of 45 ° with respect to the polarization direction of the light source, for example.
  • the polarizing element 21 and the polarizing element 23, which will be described later, are preferably in a cross-nicol or open-nicol relationship. Further, it is preferable that the light output from the polarizing element 21 is circularly polarized light by passing through the polarizing element 21 so that the intensities of the p-polarized light component and the s-polarized light component are the same.
  • the light output from the splitter 21 is reflected by the half mirror 25 in a predetermined optical path toward the sample S.
  • the light reflected by the half mirror 25 is focused by the objective lens 22 functioning as a focusing optical element, and is applied to the sample S to be observed by the optical device 1B.
  • the convergence point Q (see FIG. 1) by the objective lens 22 is set at a predetermined position on the surface of the sample S or in the sample S.
  • an angle filter 4 is installed on an optical path in the middle of collecting light by the objective lens 22.
  • the angle filter 4 includes a substrate 5, a dielectric multilayer film 6 provided on the main surface of the substrate 5 on the objective lens 22 side, and a main surface of the substrate 5 on the sample S side. It is configured to have an antireflection film 7 provided on the top.
  • the dielectric multilayer film 6 of the angle filter 4 has a low refractive index on both one end on the substrate 5 side and the other end on the opposite side to the substrate 5, as in the dielectric multilayer film 6B shown in FIG. 4, for example.
  • the dielectric layer 62 which is a layer, is arranged and configured. In this case, as shown in FIG. 12B, in the region where the incident angle of light is relatively small, the transmittance of the dielectric multilayer film gradually approaches 0%, and almost all the light is reflected. Further, regarding the difference in the transmission angle characteristics depending on the polarization direction in the angle filter 4, it is preferable to determine the specifications required at the configuration stage of the optical system and determine the transmission angle characteristics for each of p-polarized light and s-polarized light.
  • FIG. 24 is a graph showing an example of the incident angle-transmission characteristic of the angle filter 4 having the above configuration.
  • the design center wavelength is 681 nm
  • the high refractive index layer of the dielectric multilayer film is composed of Ta 2 O 5
  • the low refractive index layer is composed of SiO 2.
  • the graph G51 shows the incident angle-transmission characteristic with respect to p-polarized light
  • the graph G52 shows the incident angle-transmission characteristic with respect to s-polarized light.
  • the transmittance is about 0% from 0 ° to 40 ° at a wavelength of 681 nm, and the transmittance gradually increases from 40 ° to 55 ° to 55 °. At larger angles, the transmittance is about 100%. Further, in the s-polarized light graph G52, the transmittance is about 0% from 0 ° to 50 ° at a wavelength of 681 nm, the transmittance gradually increases from 50 ° to 62 °, and the transmittance increases at an angle larger than 62 °. The rate is about 100%.
  • the light transmitted through the angle filter 4 reaches the sample S, and a part of the light is reflected by the sample S.
  • the light reflected by the sample S reaches the half mirror 25 through the angle filter 4 and the objective lens 22. Further, as shown in the graph of FIG. 24, the light having a small incident angle on the angle filter 4 is reflected by the angle filter 4 without reaching the sample S. Similarly, the light reflected by the angle filter 4 reaches the half mirror 25 via the objective lens 22.
  • the half mirror 25 transmits the reflected light from the sample S and the reflected light from the angle filter 4 and outputs the light to the splitter 23.
  • the splitter 23 is optically coupled to the half mirror 25.
  • the tilt angle of the polarizing surface of the polarizing element 23 can be switched, for example, 45 ° or 135 °.
  • the light output from the polarizing element 23 is imaged on the image pickup surface of the camera 28 by the tube lens 26, and the optical image as a result of the polarization interference is imaged by the camera 28.
  • the phase difference between p-polarized light and s-polarized light is ⁇
  • the light intensity before being input to the angle filter 4 and the sample S is A
  • the light intensity after being output from the angle filter 4 and the sample S is.
  • Is I the intensity of the s-polarized light component of the light intensity I
  • the intensity of the p-polarized light component of the light intensity I is Ip
  • the phase is ⁇
  • the decoder 21 is adjusted so that the linearly polarized light of p-polarized light or s-polarized light output from the light source 10 is circularly polarized light. Further, the polarizing element 21 and the polarizing element 23 are adjusted to the state of cross Nicol. In the angle filter 4 having the characteristics shown in FIG. 24, when the incident angle of light is 50 °, only the p-polarized light component passes through the angle filter 4.
  • the intensity of the p-polarized light component changes by the amount of the phase change in the light after passing through the polarizing element 23.
  • the above-mentioned optical device 1B functions as a polarizing microscope by monitoring the light intensity.
  • the optical device 1B having the above configuration by applying the angle filter 4 in the configuration of the polarizing microscope, it is possible to observe the sample S in which polarization interference and spatial frequency control are combined. Further, the object to be observed with a normal polarizing microscope is a sample having a polarization axis dependence. On the other hand, according to the polarizing microscope having the configuration to which the angle filter 4 is applied as described above, it is possible to observe the sample even when an isotropic medium having no polarization dependence is used as a sample.
  • the reflector 23 superimposes the reflected light from the angle filter 4 (s-polarized light in the above configuration example) and the reflected light (p-polarized light) from the sample S. Polarization interference is possible. Further, as described above, even an isotropic medium can be observed with a polarizing microscope.
  • the light transmitted through the angle filter 4 has different intensities in the central region and the peripheral region of the light.
  • the light intensity in the peripheral region of the focused beam can be increased.
  • the high frequency component in the sample S can be extracted, and the sample S for the purpose of edge extraction such as a differential filter can be observed.
  • the polarization component of the light to be applied to the sample S can be selected by controlling the polarization by the angle filter 4. For example, if the angle at which the p-polarized light component is transmitted and the s-polarized light component is reflected is selected as described above, the spatial frequency can be controlled only for the p-polarized light component, and the s-polarized light component can be extracted without receiving the spatial frequency control. Can be done.
  • the angle filter 4 according to the above embodiment can be applied not only to the above-mentioned configuration example but also to, for example, the optical device 1C as shown in the configuration example of FIG.
  • the optical device 1C includes a light source 10, an angle filter 4, an objective lens 22, a tube lens 26, and a camera 28.
  • the light L output as parallel light from the light source 10 irradiates the sample S, and a part thereof passes through the sample S.
  • the light transmitted through the sample S is input to the angle filter 4 installed between the sample S and the objective lens 22.
  • the angle filter 4 has, for example, the same configuration and characteristics as the angle filter 4 in the optical device 1B shown in FIG. 23.
  • the light transmitted through the angle filter 4 is imaged on the image pickup surface of the camera 28 by the objective lens 22 and the tube lens 26, and the light image is imaged by the camera 28.
  • the output light transmitted through the sample S is affected by diffraction, scattering, etc. in the sample S, and is output as light having a divergence angle as compared with the input parallel light.
  • the high-pass filter type angle filter as described above is applied to the output light from the sample S as the angle filter 4, the component of the parallel light having a small angle is blocked, and the divergence angle of a certain level or more is obtained.
  • the light (for example, light having an angle of 45 ° or more) passes through the angle filter 4 and is imaged by the camera 28.
  • FIG. 26 (a) and 26 (b) show an example of an image of the sample S acquired by the camera 28.
  • FIG. 26A shows an image acquired when the angle filter 4 is not present
  • FIG. 26B shows an image acquired when the angle filter 4 is applied. Note that FIG. 26B shows an image in which the brightness is tripled from the original image because the light intensity is lowered by arranging the angle filter.
  • the optical device includes an angle filter arranged on an optical path during collection or divergence by the focusing optical element, and the angle filter is a dielectric layer having a first refractive index (first dielectric).
  • first dielectric a first refractive index
  • second refractive index a dielectric layer having a second refractive index smaller than that of the first (second refractive index) are alternately laminated to include a dielectric multilayer film.
  • the distribution of the transmittance or reflectance of the dielectric multilayer film with respect to the incident angle to the dielectric multilayer film at the wavelength of the light propagating in the optical path is such that the transmittance or reflectance is monotonous with respect to the incident angle.
  • the absolute value of the rate of change of the transmittance or the reflectance in the region including the region of increase or monotonous decrease with respect to the incident angle may be 20% or less per unit angle (1 °).
  • the above optical device can be used, for example, as an apodization filter or an anti-apodization filter (super-resolution filter).
  • the angle filter further includes a substrate having light transmittance at the wavelength of light propagating in the optical path, and the substrate includes a first main surface provided with a dielectric multilayer film and a first main surface. It may be configured to have a second main surface facing each other and provided with an antireflection film.
  • the dielectric multilayer film can be suitably formed by further including the substrate having light transmission in the angle filter. Further, when the light reflected on the second main surface is reflected again on the first main surface, the light is superimposed on the emitted light and affects the filter characteristics.
  • the antireflection film is provided on the second main surface opposite to the first main surface on which the dielectric multilayer film is provided, thereby reducing the reflection on the second main surface. The influence of reflection on the filter characteristics can be suppressed.
  • the angle filter further includes a substrate having light transmittance at the wavelength of light propagating in the optical path, the first refractive index is larger than the refractive index of the substrate, and the second refractive index is the refractive index of the substrate.
  • the dielectric layer which is smaller than the index and is located at one end on the substrate side in the stacking direction of the dielectric multilayer film may have a first refractive index.
  • the dielectric multilayer film can be suitably formed by further including the substrate having light transmission in the angle filter. Further, in this case, the dielectric multilayer film functions as a low-pass filter, transmits light at an incident angle smaller than a certain incident angle, and reflects light at other incident angles. Therefore, among the light that has passed through the condensing optical system, the light included in the central region including the optical axis of the condensing optical system is transmitted, and the light contained in the peripheral region surrounding the central region is reflected.
  • this dielectric multilayer film transmits low frequency components and reflects high frequency components. Therefore, when this angle filter is used as a transmission type filter, the optical device can be used as a frequency filter that selectively extracts only low frequency components. Further, when this angle filter is used as a reflection type filter, the optical device can be used as a frequency filter for selectively extracting only high frequency components.
  • the angle filter further includes a substrate having light transmittance at the wavelength of light propagating in the optical path, the first refractive index is larger than the refractive index of the substrate, and the second refractive index is the refractive index of the substrate.
  • the dielectric layer which is smaller than the index and is located at one end on the substrate side in the stacking direction of the dielectric multilayer film may have a second refractive index.
  • the dielectric multilayer film can be suitably formed by further including the substrate having light transmission in the angle filter. Further, in this case, the dielectric multilayer film functions as a high-pass filter, reflects light at an incident angle smaller than a certain incident angle, and transmits light at other incident angles. Therefore, among the light that has passed through the condensing optical system, the light included in the central region including the optical axis of the condensing optical system is reflected, and the light contained in the peripheral region surrounding the central region is transmitted.
  • this dielectric multilayer film reflects low frequency components and transmits high frequency components. Therefore, when this angle filter is used as a transmission type filter, the optical device can be used as a frequency filter that selectively extracts only high frequency components. Further, when this angle filter is used as a reflection type filter, the optical device can be used as a frequency filter for selectively extracting only low frequency components.
  • the above optical device further includes another condensing optical element arranged after the condensing optical element and constituting the 4f optical system together with the condensing optical element, and the angle filter is a condensing optical element different from the condensing optical element. It may be configured so as to be arranged on an optical path between the optical element and the optical element. In this case, it is possible to obtain a transmission type frequency filter that outputs parallel light containing only a desired frequency component.
  • the angle filter may be configured to be arranged on the light emitting surface of the condensing optical element.
  • the optical system becomes compact, and the optical axis adjustment between the condensing optical element and the angle filter becomes unnecessary.
  • the embodiment can be used as an optical device capable of suppressing fluctuations in frequency characteristics due to fluctuations in the relative positions of the condensing optical system and the filter.

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Abstract

光学装置１は、集光光学素子２による集光途中または発散途中の光路上に配置された角度フィルタ４を備える。角度フィルタ４は、第１の屈折率を有する誘電体層と、第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する誘電体層と、が交互に積層された誘電体多層膜を含む。これにより、集光光学系とフィルタとの相対位置の変動に起因する周波数特性の変動を抑制できる光学装置が実現される。

Description

光学装置
　本開示は、光学装置に関するものである。
　特許文献１には、光学フィルタに関する技術が開示されている。この光学フィルタは、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された誘電体多層膜からなり、入射角度が所定の角度以内の場合に入射光を透過することを目的としている。
特開２０１７－９７２８０号公報
　空間を伝搬する光から所望の周波数成分を抽出または除去するための空間周波数フィルタとして、レンズなどの集光光学系と空間フィルタとを備えるものが知られている。この空間周波数フィルタにおいては、集光光学系の後側焦点を含むフーリエ面に、種々の開口形態を有する空間フィルタを配置し、集光光学系によってフーリエ変換された光の一部を通過させることにより、所望の周波数成分を抽出し、不要な周波数成分を除去する。
　このような構成においては、集光光学系と空間フィルタとの光軸調整を極めて高精度（例えば光の集光スポットサイズと同等程度）に行う必要がある。集光光学系の光軸と空間フィルタの光軸とが僅かでもずれると、抽出または除去する周波数成分が所望の周波数からずれてしまうからである。しかし、機械的に高精度に調整された集光光学系と空間フィルタとの相対位置は、振動及び温度といった外的要因の影響を受け易い。したがって、外的要因により周波数特性が変動するおそれがある。
　実施形態は、集光光学系とフィルタとの相対位置の変動に起因する周波数特性の変動を抑制できる光学装置を提供することを目的とする。
　実施形態は、光学装置である。光学装置は、集光光学素子による集光途中または発散途中の光路上に配置された角度フィルタを備え、角度フィルタは、第１の屈折率を有する誘電体層と、第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する誘電体層と、が交互に積層された誘電体多層膜を含む。
　上記構成において、誘電体多層膜の透過率および反射率は光の入射角に応じて変化し、その特性は誘電体多層膜の層構造（各層の厚さ、積層数、及び材料）によって制御可能である。また、集光途中または発散途中の光路上に誘電体多層膜を配置すると、光路の中心からの距離に応じて光の入射角が変化する。
　具体的には、光路の中心に近いほど入射角が小さくなり、光路の中心から遠いほど入射角が大きくなる。したがって、上記の光学装置によれば、集光光学素子を通過した後の周波数空間において、所望の周波数成分を選択的に透過又は反射させることができ、空間周波数フィルタを好適に実現できる。
　また、集光光学系と誘電体多層膜との相対位置関係の変動は、上記のフィルタ作用に殆ど影響しない。したがって、上記の光学装置によれば、開口を有する空間フィルタを集光光学系の後側焦点を含むフーリエ面に配置する構成と比較して、集光光学系とフィルタとの相対位置の変動に起因する周波数特性の変動を格段に抑制することができる。
　実施形態によれば、集光光学系とフィルタとの相対位置の変動に起因する周波数特性の変動を抑制できる光学装置を提供することが可能となる。
図１は、一実施形態に係る光学装置の構成を概略的に示す図である。 図２は、角度フィルタを示す斜視図である。 図３は、誘電体多層膜の構成例を示す模式図である。 図４は、誘電体多層膜の構成例を示す模式図である。 図５は、光の波長と、図３に示した誘電体多層膜の透過率との関係の一例を示すグラフである。 図６は、図５において用いたものと同じ誘電体多層膜における、光の入射角と透過率との関係を示すグラフである。 図７は、６９０ｎｍを設計波長とした場合における入射角と透過率との関係を示すグラフである。 図８は、光が誘電体多層膜に入射する様子を光軸方向から見た平面図である。 図９は、（ａ）図８に示される線分上における所望の周波数－透過特性を概念的に示すグラフ、及び（ｂ）入射角－透過特性を概念的に示すグラフである。 図１０は、誘電体多層膜に望まれる周波数特性の一例を示すグラフである。 図１１は、入射角－透過特性を示すグラフである。 図１２は、（ａ）光の波長と、図４に示した誘電体多層膜の透過率との関係の一例を示すグラフ、及び（ｂ）光の入射角と透過率との関係を示すグラフである。 図１３は、比較例としての光学装置の構成を模式的に示す図である。 図１４は、（ａ）空間フィルタの平面形状を示す図、及び（ｂ）光学装置の透過特性を概念的に示すグラフである。 図１５は、（ａ）空間フィルタの平面形状を示す図、及び（ｂ）光学装置の透過特性を概念的に示すグラフである。 図１６は、実施例において得られた、波長６３３ｎｍにおける角度フィルタの入射角と透過率との関係を示すグラフである。 図１７は、誘電体多層膜の波長－透過率特性を示すグラフである。 図１８は、（ａ）実施例において集光光学素子を通過した直後の光を撮像して得られたデータを示す図、及び（ｂ）角度フィルタを配置しない場合の撮像データを示す図である。 図１９は、図１８のデータから得られた、ビームプロファイルを示すグラフである。 図２０は、角度フィルタを配置した場合の光強度と、角度フィルタを配置しない場合の光強度との比を示すグラフである。 図２１は、（ａ）角度フィルタを配置した場合の干渉縞のプロファイルを示すグラフ、及び（ｂ）角度フィルタを配置しない場合の干渉縞のプロファイルを示すグラフである。 図２２は、別の形態に係る光学装置の構成を概略的に示す図である。 図２３は、さらに別の実施形態に係る光学装置の構成を概略的に示す図である。 図２４は、角度フィルタの入射角－透過特性の一例を示すグラフである。 図２５は、角度フィルタを用いた光学装置の構成の一例を示す図である。 図２６は、（ａ）、（ｂ）カメラによって取得された試料の画像の例を示す図である。
　以下、添付図面を参照しながら、光学装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではない。
　図１は、一実施形態に係る光学装置１の構成を概略的に示す図である。この光学装置１は、集光光学素子２及び３と、角度フィルタ４とを備えている。
　集光光学素子２及び３は、例えば凸レンズである。集光光学素子３は、集光光学素子２の後段に配置され、集光光学素子２と共に４ｆ光学系を構成する。すなわち、集光光学素子２及び３の光軸は互いに一致しており、集光光学素子２の焦点距離をｚ１、集光光学素子３の焦点距離をｚ２とすると、集光光学素子２と集光光学素子３との間の光学距離はｚ１＋ｚ２と一致する。
　光学装置１には、光源１０から単一波長の光Ｌが入力される。光Ｌの波長は例えば可視域に含まれる。光Ｌは、光学装置１に平行光として入力される。光源１０は、半導体レーザ素子といった発光部と、発光部から出力される光を平行化するコリメート光学系とを含んでもよい。光Ｌは、集光光学素子２によって集光されて一旦収束し、その後、発散しながら集光光学素子３に到達する。光Ｌは、集光光学素子３によって再び平行化されたのち、光学装置１の外部へ出力される。
　角度フィルタ４は、集光光学素子２と集光光学素子３との間の光路上に配置されている。本実施形態の角度フィルタ４は透過型のフィルタである。角度フィルタ４は、集光光学素子２を通過した後の周波数空間において、所望の周波数成分を選択的に透過させる空間周波数フィルタとして機能する。
　角度フィルタ４は、集光光学素子２による集光途中または発散途中の光路上（図示例では集光途中の光路上）に配置されている。なお、集光途中の光路とは、集光光学素子２と収束点Ｑ（ビームウエスト）との間の光路を指し、発散途中の光路とは、収束点Ｑと集光光学素子３との間の光路を指す。収束点Ｑは、集光途中の光路、及び発散途中の光路のいずれにも含まれない。
　図２は、角度フィルタ４を示す斜視図である。図２に示すように、角度フィルタ４は、基板５と、誘電体多層膜６と、反射防止膜７とを含んで構成されている。基板５は、互いに対向する第１主面５１及び第２主面５２を有する平板状の部材であって、光Ｌの波長に対して光透過性を有する。なお、光透過性を有するとは、対象波長の光を９０％以上透過する性質をいう。
　光Ｌの波長が可視域に含まれる場合、基板５は、例えば合成石英またはガラス（一例ではＢＫ－７）といった材料によって主に構成され得る。第１主面５１及び第２主面５２は共に平坦であり、互いに平行である。第１主面５１及び第２主面５２に垂直な方向は、基板５の厚さ方向と一致する。基板５の厚さ方向は、集光光学素子２及び３の光軸方向に沿っている。
　誘電体多層膜６は、第１主面５１上に設けられている。図３及び図４は、それぞれ誘電体多層膜６の構成例を示す模式図である。図３には、誘電体多層膜６Ａが示されており、図４には、誘電体多層膜６Ｂが示されている。誘電体多層膜６Ａ及び６Ｂそれぞれは、誘電体層（第１誘電体層）６１と誘電体層（第２誘電体層）６２とが交互に積層されてなる。
　誘電体層６１は、第１の屈折率ｎ１を有する。誘電体層６２は、第１の屈折率ｎ１より小さい第２の屈折率ｎ２を有する。第１の屈折率ｎ１は基板５の屈折率より大きく、第２の屈折率ｎ２は基板５の屈折率より小さい。一例では、第１の屈折率ｎ１は１．５より大きく、第２の屈折率ｎ２は１．５より小さい。
　図３に示される誘電体多層膜６Ａでは、積層方向における基板５側の一端６ａに誘電体層６１が配置されている。すなわち、誘電体多層膜６Ａは、基板５側から見て誘電体層６１から順に積層されて成る。積層方向における基板５とは反対側の他端６ｂにも、誘電体層６１が配置されている。誘電体多層膜６Ａでは、基板５の材料として例えば合成石英が用いられる。
　図４に示される誘電体多層膜６Ｂでは、積層方向における基板５側の一端６ａに誘電体層６２が配置されている。すなわち、誘電体多層膜６Ｂは、基板５側から見て誘電体層６２から順に積層されて成る。積層方向における基板５とは反対側の他端６ｂにも、誘電体層６２が配置されている。誘電体多層膜６Ｂでは、基板５の材料として例えばＢＫ－７が用いられる。
　誘電体層６１及び６２の構成材料としては、無機材料、有機材料、半導体、金属、又は空気を用いることができる。
　高屈折率層である誘電体層６１を構成する無機材料としては、酸化チタン（ＴｉＯ2）、五酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、フッ化ランタン（ＬａＦ3）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、錫添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素添加酸化錫（ＦＴＯ）、ＩＧＺＯ、及び炭素（Ｃ）からなる群に含まれる少なくとも１つの材料が用いられ得る。
　低屈折率層である誘電体層６２を構成する無機材料としては、二酸化珪素（ＳｉＯ2）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ3）、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、クリオライト（Ｎａ3ＡｌＦ6）、チオライト（Ｎａ5Ａｌ3Ｆ14）、及びフッ化ナトリウム（ＮａＦ）からなる群に含まれる少なくとも１つの材料が用いられ得る。
　高屈折率層である誘電体層６１を構成する有機材料としては、ポリα－ブロムアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸－２、３－ジブロムプロピル、フタル酸ジアリル、ポリメタクリル酸フェニル、ポリ安息香酸ビニル、ポリスチレン、ポリメタクリル酸ペンタクロルフェニル、ポリσ－クロルスチレン、ポリビニルナフタレン、及びポリビニルカルバゾールからなる群に含まれる少なくとも１つの材料が用いられ得る。
　低屈折率層である誘電体層６２を構成する有機材料としては、ＣＦ2＝ＣＦ2－ＣＦ2＝ＣＦ（ＣＦ3）共重合体、ポリメタクリル酸トリフルオロエチル、ポリメタクリル酸イソブチル、ポリアクリル酸メチル、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート（ＣＲ－３９）ポリマー、ポリメタクリル酸メチル、シリコーンポリマー、セルロースアセテート、及びポリメチルメタクリレートからなる群に含まれる少なくとも１つの材料が用いられ得る。
　誘電体層６１及び６２を構成する半導体としては、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、及びインジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）からなる群に含まれる少なくとも１つの材料が用いられ得る。
　なお、誘電体層６１及び６２の屈折率は、半導体の組成比を変更することによって調整可能であり、半導体に添加する物質の濃度を変更することによっても調整可能である。
　誘電体層６１及び６２を構成する金属材料としては、アルミニウム、クロム、銅、ニッケル、チタン、金、銀、白金、及びモリブデンからなる群に含まれる少なくとも１つの材料が用いられ得る。
　誘電体層６１及び６２が無機材料、半導体、または金属材料によって構成されている場合、誘電体層６１及び６２は、例えば真空蒸着、スパッタリング、抵抗加熱蒸着、原子層堆積（Atomic Layer Deposition）、レーザアブレーション、又は化学気相成長（Chemical Vapor Deposition）といった種々の方法により形成され得る。また、誘電体層６１及び６２が有機材料によって構成されている場合、誘電体層６１及び６２は、例えばスピンコート、塗布、または印刷といった種々の方法により形成され得る。
　誘電体層６１及び６２の厚さは、角度フィルタ４に求められる所望の特性に応じて設定される。なお、誘電体層６１及び６２は、メタマテリアル構造若しくはファブリペロー構造といった、屈折率を材料固有の値から任意に変化させ得る構造を有してもよい。
　再び図２を参照する。反射防止膜７は、第２主面５２上に設けられている。反射防止膜７は、例えば誘電体多層膜を含んで構成される。反射防止膜７は、第２主面５２から基板５の外部へ出射しようとする光Ｌの第２主面５２における反射を低減する。光Ｌの波長が可視域に含まれる場合、反射防止膜７は、例えばＴａ2Ｏ5，Ａｌ2Ｏ3，ＭｇＦ2といった材料によって主に構成され得る。
　角度フィルタ４の特性及び機能について説明する。図５は、光Ｌの波長と、図３に示した誘電体多層膜６Ａの透過率との関係の一例を示すグラフである。
　図５において、縦軸は透過率（単位：％）を表し、横軸は波長（単位：ｎｍ）を表す。図５には、誘電体多層膜６Ａに対する光の入射角が０°（すなわち光の入射方向が誘電体多層膜６Ａの表面に垂直）である場合のグラフＧ１１、入射角が１５°である場合のグラフＧ１２、及び入射角が４０°である場合のグラフＧ１３が示されている。この例では、設計波長を６９０ｎｍとしている。
　図５に示すように、誘電体多層膜６Ａは、或るカットオフ波長より長い波長域では光を透過せず、カットオフ波長より短い波長域では光を透過するローパスフィルタを構成する。但し、光の入射角によってその特性は変化し、入射角が大きくなるほどカットオフ波長が短波長側へシフトしている。このことから、或る特定の波長において、誘電体多層膜６Ａの透過率が光の入射角と相関を有することがわかる。
　図６は、図５において用いたものと同じ誘電体多層膜６Ａにおける、光の入射角と透過率との関係を示すグラフである。図６において、縦軸は透過率（単位：％）を表し、横軸は入射角（単位：度）を表す。
　図６に示すように、この例において、１５°以下といった入射角が比較的小さい領域Ａ１では、誘電体多層膜６Ａの透過率は１００％に漸近する。また、４０°以上といった入射角が比較的大きい領域Ａ３では、誘電体多層膜６Ａの透過率は０％に漸近し、光をほぼ全て反射する。そして、これらの領域Ａ１，Ａ３の間の領域Ａ２では、透過率が入射角に対して単調に減少しており、透過率が１００％から０％まで連続的且つなだらかに低下している。
　領域Ａ２における、透過率の入射角に対する変化率の絶対値は、例えば単位角度（１°）あたり２０％以下である。また、透過率が８０％から２０％まで変化するときの角度変化量は、例えば５°以上６０°以下である。なお、以下の説明において、透過率が５０％となるときの角度をカットオフ角と定義する。
　図６に示されたグラフの領域Ａ２における、透過率の入射角に対する変化率（すなわちグラフの傾き）を所望の大きさに設定するためには、誘電体層６１及び６２の繰り返し数を調整するとよい。誘電体層６１及び６２の繰り返し数が多くなるほど、透過率の入射角に対する変化率の絶対値は大きくなり、グラフの傾きは急峻になる。逆に言えば、誘電体層６１及び６２の繰り返し数が少なくなるほど、透過率の入射角に対する変化率の絶対値は小さくなり、グラフの傾きは緩慢になる。
　カットオフ角を所望の大きさに設定するためには、誘電体層６１及び６２の厚さを調整するとよい。誘電体層６１及び６２が厚くなるほど、カットオフ角は長波長側へ移動する。逆に言えば、誘電体層６１及び６２が薄くなるほど、カットオフ角は短波長側へ移動する。
　図７は、６９０ｎｍを設計波長とした場合における入射角と透過率との関係を示すグラフであって、波長が６９０ｎｍである場合（グラフＧ２３）のほか、波長が６７０ｎｍである場合（グラフＧ２１）、６８０ｎｍである場合（グラフＧ２２）、７００ｎｍである場合（グラフＧ２４）、及び７１０ｎｍである場合（グラフＧ２５）をそれぞれ示している。図７において、縦軸は透過率（単位：％）を表し、横軸は入射角（単位：度）を表す。
　図７に示すように、波長が大きくなるほど、カットオフ角が低角度側へシフトすることがわかる。
　前述したように、図３に示した誘電体多層膜６Ａでは、積層方向における基板５側の一端６ａに、高屈折率層である誘電体層６１が配置されている。この場合、図６に示したように、誘電体多層膜６Ａは、カットオフ角よりも小さい入射角の光を透過し、カットオフ角よりも大きい入射角の光を反射する、ローパスフィルタとして機能する。
　図８は、光Ｌが誘電体多層膜６Ａに入射する様子を光軸方向から見た平面図である。集光光学素子２を通過した光Ｌは、集光または発散されながら、誘電体多層膜６Ａに入射する。したがって、光Ｌのうち、集光光学素子２の光軸ＡＸを含む中央領域Ｂ１に含まれる光の入射角はカットオフ角よりも小さく、中央領域Ｂ１を囲む周辺領域Ｂ２に含まれる光の入射角はカットオフ角よりも大きい。よって、誘電体多層膜６Ａは、中央領域Ｂ１に含まれる光を透過し、周辺領域Ｂ２に含まれる光を反射する。
　集光光学素子２によるフーリエ変換作用によって、中央領域Ｂ１に含まれる光の周波数（或いは回折次数）は小さく、周辺領域Ｂ２に含まれる光の周波数（或いは回折次数）は大きい。故に、この誘電体多層膜６Ａは、低周波数成分を透過して高周波数成分を反射する。したがって、図１のように角度フィルタ４を透過型フィルタとして用いる場合には、光学装置１は低周波数成分のみを選択的に抽出する周波数フィルタとして用いられることができる。
　特に、図６の領域Ａ２における透過率の入射角に対する変化率の絶対値が小さくなるように、誘電体層６１及び６２の繰り返し数を少なくすれば、高次の回折光を低減して低周波のコントラストを向上するアポダイゼーションフィルタを実現することができる。また、角度フィルタ４を反射型フィルタとして用いることも可能であり、その場合には、当該光学装置は高周波数成分のみを選択的に抽出する周波数フィルタとして用いられることができる。
　誘電体多層膜６Ａを定量的に設計するためには、誘電体多層膜６Ａに望まれる周波数特性を入射角特性に変換するとよい。図９（ａ）は、図８に示される線分Ｄ上における周波数－透過特性を概念的に示すグラフである。図９（ａ）の横軸は、集光光学素子２のカットオフ周波数ｆ0と周波数成分ｆxとの比ｆx／ｆ0を表し、縦軸は透過率を表す。この周波数特性に基づき、比ｆx／ｆ0を角度成分θxに変換することにより、角度特性が得られる。
　αをｓｉｎθxとし、光Ｌの波長をλとしたときの波数ベクトルの１成分をｋx＝２πα／λとすると、周波数成分ｆx＝α／λなので、角度成分θxをｓｉｎ－１（λ・ｆx）として表現することができる。また、カットオフ周波数ｆ0は、集光光学素子２のレンズ開口の有効径ｗと焦点距離ｚ1とからｗ／（λ・ｚ1）として算出される。故に、角度成分θxは、
　　θx＝ｓｉｎ－１（λ・β・ｆ0），０＜β＜１
として算出される。
　図９（ｂ）は、こうして算出される入射角－透過特性を概念的に示すグラフである。図９（ｂ）に示すように、この入射角－透過特性の形状は図９（ａ）に示された周波数－透過特性の形状と似ており、所望の周波数特性から入射角特性を容易に算出することができる。
　図１０は、誘電体多層膜６Ａに望まれる周波数特性の一例を示すグラフである。例えば、この周波数特性に応じた入射角特性を設計すると図１１のようになる。ここでは、集光光学素子２，３のレンズ開口を１０ｍｍとし、集光光学素子２の焦点距離ｚ1を１０ｍｍとし、設計波長λを６９０ｎｍとした。
　図１２（ａ）は、図４に示した誘電体多層膜６Ｂの透過率と、光Ｌの波長との関係の一例を示すグラフである。図１２（ａ）において、縦軸は透過率（単位：％）を表し、横軸は波長（単位：ｎｍ）を表す。図１２（ａ）には、誘電体多層膜６Ｂに対する光の入射角が３０°である場合のグラフＧ３１、入射角が４５°である場合のグラフＧ３２、及び入射角が６０°である場合のグラフＧ３３が示されている。この例では、設計波長を９００ｎｍとしている。
　図１２（ａ）に示すように、誘電体多層膜６Ｂは、或るカットオフ波長より長い波長域では光を透過し、カットオフ波長より短い波長域では光を透過しないハイパスフィルタを構成する。但し、光の入射角によってその特性は変化し、入射角が大きくなるほどカットオフ波長が短波長側へシフトしている。このことから、或る特定の波長において、誘電体多層膜６Ｂの透過率が光の入射角と相関を有することがわかる。
　図１２（ｂ）は、図１２（ａ）において用いたものと同じ誘電体多層膜６Ｂにおける、光の入射角と透過率との関係を示すグラフである。図１２（ｂ）において、縦軸は透過率（単位：％）を表し、横軸は入射角（単位：度）を表す。
　図１２（ｂ）に示すように、この例において、４０°以下といった入射角が比較的小さい領域Ａ４では、誘電体多層膜６Ｂの透過率は０％に漸近し、光をほぼ全て反射する。また、５０°以上といった入射角が比較的大きい領域Ａ６では、誘電体多層膜６Ｂの透過率は１００％に漸近する。そして、これらの領域Ａ４，Ａ６の間の領域Ａ５では、透過率が入射角に対して単調に増加しており、透過率が０％から１００％まで連続的且つなだらかに上昇している。
　領域Ａ５における、透過率の入射角に対する変化率の絶対値は、例えば単位角度あたり２０％以下である。また、透過率が２０％から８０％まで変化するときの角度変化量は、例えば５°以上６０°以下である。
　図１２（ｂ）に示されたグラフの領域Ａ５における、透過率の入射角に対する変化率（すなわちグラフの傾き）を所望の大きさに設定するためには、誘電体層６１及び６２の繰り返し数を調整するとよい。誘電体層６１及び６２の繰り返し数が多くなるほど、透過率の入射角に対する変化率の絶対値は大きくなり、グラフの傾きは急峻になる。逆に言えば、誘電体層６１及び６２の繰り返し数が少なくなるほど、透過率の入射角に対する変化率の絶対値は小さくなり、グラフの傾きは緩慢になる。
　カットオフ角を所望の大きさに設定するためには、誘電体層６１及び６２の厚さを調整するとよい。誘電体層６１及び６２が厚くなるほど、カットオフ角は長波長側へ移動する。逆に言えば、誘電体層６１及び６２が薄くなるほど、カットオフ角は短波長側へ移動する。
　前述したように、図４に示した誘電体多層膜６Ｂでは、積層方向における基板５側の一端６ａに、低屈折率層である誘電体層６２が配置されている。この場合、図１２（ｂ）に示したように、誘電体多層膜６Ｂは、カットオフ角よりも小さい入射角の光を反射し、カットオフ角よりも大きい入射角の光を透過する、ハイパスフィルタとして機能する。
　すなわち、誘電体多層膜６Ｂは、図８に示した中央領域Ｂ１に含まれる光を反射し、周辺領域Ｂ２に含まれる光を透過する。故に、この誘電体多層膜６Ｂは、低周波数成分を反射して高周波数成分を透過する。したがって、図１のように角度フィルタ４を透過型フィルタとして用いる場合には、光学装置１は高周波数成分のみを選択的に抽出する周波数フィルタとして用いられることができる。
　特に、領域Ａ５における透過率の入射角に対する変化率の絶対値が小さくなるように、誘電体層６１及び６２の繰り返し数を少なくすれば、低次の回折光を低減して高周波のコントラストを向上するアンチアポダイゼーションフィルタ（超解像フィルタ）を実現することができる。また、角度フィルタ４を反射型フィルタとして用いることも可能であり、その場合には、当該光学装置は低周波数成分のみを選択的に抽出する周波数フィルタとして用いられることができる。
　以上に説明した本実施形態の光学装置１によって得られる効果について、比較例と共に説明する。図１３は、比較例としての光学装置１００の構成を模式的に示す図である。
　この光学装置１００は空間周波数フィルタであって、４ｆ光学系を構成する集光光学素子２，３と、空間フィルタ１０１とを備えている。空間フィルタ１０１は、所望の周波数を除去するための任意形状の開口１０２を有し、集光光学素子２の後側焦点を含むフーリエ面に配置されている。
　図１４（ａ）は、空間フィルタ１０１の一例として、空間フィルタ１０１Ａの平面形状（光軸方向から見た形状）を示す図である。この例では、集光光学素子２の光軸ＡＸを中心とする円形の開口（アパーチャ）１０２が空間フィルタ１０１Ａに形成され、開口１０２の周囲は遮蔽部１０３を構成している。
　図１４（ｂ）は、光学装置１００が空間フィルタ１０１Ａを備える場合の光学装置１００の透過特性を概念的に示すグラフである。図１４（ｂ）において、縦軸は透過率を表し、横軸は周波数を表す。図中のｆｃはカットオフ周波数である。
　図１４（ｂ）に示すように、光学装置１００は、空間フィルタ１０１Ａを備える場合、カットオフ周波数ｆｃより小さい周波数の光を通過するローパスフィルタとして機能する。また、開口１０２と遮蔽部１０３との境界において光の透過率をなだらかに変化させると、アポダイゼーションフィルタが得られる。
　図１５（ａ）は、空間フィルタ１０１の他の一例として、空間フィルタ１０１Ｂの平面形状を示す図である。この例では、集光光学素子２の光軸ＡＸを中心とする円形の遮蔽部１０３が配置され、遮蔽部１０３の周囲は開口１０２を構成している。
　図１５（ｂ）は、光学装置１００が空間フィルタ１０１Ｂを備える場合の光学装置１００の透過特性を概念的に示すグラフである。図１５（ｂ）において、縦軸は透過率を表し、横軸は周波数を表す。
　図１５（ｂ）に示すように、光学装置１００は、空間フィルタ１０１Ｂを備える場合、カットオフ周波数ｆｃより大きい周波数の光を通過するハイパスフィルタとして機能する。また、開口１０２と遮蔽部１０３との境界において光の透過率をなだらかに変化させると、アンチアポダイゼーションフィルタ（超解像フィルタ）が得られる。
　図１３に示した光学装置１００においては、集光光学素子２と空間フィルタ１０１との光軸調整を極めて高精度（例えば光の集光スポットサイズと同等程度）に行う必要がある。集光光学素子２の光軸と空間フィルタ１０１の光軸とが僅かでもずれると、周波数特性が変動し、抽出または除去する周波数成分が所望の周波数からずれてしまうからである。
　しかしながら、機械的に高精度に調整された集光光学素子２と空間フィルタ１０１との相対位置は、振動及び温度といった外的要因からの影響を受け易い。したがって、外的要因により周波数特性が変動するおそれがある。
　既に述べたように、本実施形態の誘電体多層膜６の透過率および反射率は光の入射角に応じて変化し、その特性は誘電体多層膜６の層構造（各層の厚さ、積層数、及び材料）によって制御可能である。また、集光途中または発散途中の光Ｌの光路上に誘電体多層膜６を配置すると、光路の中心（光軸ＡＸ）からの距離に応じて、光の入射角が変化する。したがって、本実施形態の光学装置１によれば、集光光学素子２を通過した後の周波数空間において、所望の周波数成分を選択的に透過又は反射させることができ、空間周波数フィルタを好適に実現できる。
　また、集光光学素子２と誘電体多層膜６との相対位置関係の変動は、入射角を変動させるものではなく、上記のフィルタ作用に殆ど影響しない。したがって、本実施形態の光学装置１によれば、開口１０２を有する空間フィルタ１０１を集光光学素子２の後側焦点を含むフーリエ面に配置する構成と比較して、集光光学素子２とフィルタとの相対位置の変動に起因する周波数特性の変動を、格段に抑制することができる。
　本実施形態のように、光路を伝搬する光Ｌの波長における、誘電体多層膜６への入射角に対する誘電体多層膜６の透過率または反射率の分布は、透過率または反射率が入射角に対して単調増加または単調減少となる領域Ａ２，Ａ５（図６、及び図１２（ｂ）を参照）を含んでもよい。そして、領域Ａ２，Ａ５における透過率または反射率の入射角に対する変化率の絶対値は、単位角度あたり２０％以下であってもよい。
　この場合、領域Ａ２，Ａ５においては、透過率または反射率が入射角に対してなだらかに変化する。したがって、光学装置１を、例えばアポダイゼーションフィルタまたはアンチアポダイゼーションフィルタ（超解像フィルタ）として用いることができる。
　本実施形態のように、角度フィルタ４は、光路を伝搬する光Ｌの波長において光透過性を有する基板５を含んでもよい。そして、基板５は、誘電体多層膜６が設けられた第１主面５１と、第１主面５１と対向し反射防止膜７が設けられた第２主面５２とを有してもよい。
　このように、光透過性を有する基板５を角度フィルタ４が含むことによって、薄膜状の誘電体多層膜６を好適に形成することができる。また、第２主面５２において反射した光が第１主面５１において再び反射すると、その光は出射光に重畳し、フィルタ特性に影響を与える。基板５の２つの主面５１，５２のうち誘電体多層膜６が設けられた第１主面５１とは反対側の第２主面５２に反射防止膜７が設けられることによって、第２主面５２における反射を低減し、該反射に起因するフィルタ特性への影響を抑制することができる。
　本実施形態のように、光学装置１は、集光光学素子２の後段に配置されて集光光学素子２と共に４ｆ光学系を構成する別の集光光学素子３を備えてもよい。そして、角度フィルタ４は、集光光学素子２と集光光学素子３との間の光路上に配置されていてもよい。この場合、所望の周波数成分のみを含む平行光を出力する透過型の空間周波数フィルタを得ることができる。
　（実施例）
　上記実施形態の角度フィルタ４を実際に作製した例について説明する。この実施例では、設計中心波長を６３３ｎｍとし、誘電体多層膜の高屈折率層をＴａ2Ｏ5によって構成し、低屈折率層をＳｉＯ2によって構成した。
　図１６は、この実施例によって得られた、波長６３３ｎｍにおける角度フィルタの入射角と透過率との関係を示すグラフである。図１６に示すように、０°から２５°にかけて透過率が次第に小さくなり、入射角が２５°を超えると透過率は０％に漸近する。このように、入射角が０°から２５°まで変化する間に透過率が１００％から０％まで変化する、なだらかな入射角－透過率特性を有するローパスフィルタである角度フィルタを作製した。参考のため、この誘電体多層膜の波長－透過率特性を図１７に示す。
　図１８（ａ）は、本実施例において集光光学素子３を通過した直後の光を撮像して得られたデータを示す図である。比較のため、角度フィルタを配置しない場合の撮像データを図１８（ｂ）に示す。
　図１９は、図１８のデータから得られた、ビームプロファイルを示すグラフである。図１９の横軸は光軸を含む断面における画素（ピクセル）座標を示し、スポットの中心の画素座標を原点としている。図１９の縦軸は光強度（任意単位）を示す。図１９のグラフＧ４１は、作製した角度フィルタを配置した実施例を示し、グラフＧ４２は、作製した角度フィルタを配置しない比較例を示す。
　図２０は、角度フィルタを配置した場合の光強度Ｐ１と、角度フィルタを配置しない場合の光強度Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２を示すグラフである。図１９及び図２０を参照すると、画素値の絶対値が大きくなるにつれて（言い換えると、光軸から離れるにつれて）、入射角が次第に大きくなることにより透過率が減少することが確認できる。
　図２１（ａ）は、角度フィルタを配置した場合の干渉縞のプロファイルを示し、図２１（ｂ）は、角度フィルタを配置しない場合の干渉縞のプロファイルを示す。図２１（ａ）及び（ｂ）を比較すると、角度フィルタを配置することにより空間周波数成分の調整が行われ、コントラストが向上することが確認できる。
　光学装置は、上述した実施形態及び構成例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、空間周波数フィルタに光学装置を適用したが、上記構成の光学装置は、空間周波数フィルタ以外にも、例えばレーザ光のモードクリーニングのためのスペイシャルフィルタといった、様々な用途に用いられることができる。
　また、図２２に示す光学装置１Ａのように、角度フィルタ４Ａを構成する誘電体多層膜６Ｃは、集光光学素子２の光出射面２ａ上に配置されてもよい。この場合でも、角度フィルタ４Ａは、集光光学素子２による集光途中の光路上に配置されることになる。誘電体多層膜６Ｃは、例えば上述した誘電体多層膜６Ａ，６Ｂのいずれかである。
　具体的には、角度フィルタ４Ａの誘電体多層膜６Ｃは、集光光学素子２の光出射面２ａ上に成膜により形成されてもよい。この場合、光出射面２ａは曲率を有するので、集光光学素子２の中心部においては、光Ｌは光出射面２ａに対して垂直に出射するが、集光光学素子２の端部においては、光Ｌは光出射面２ａに対して傾斜した方向に出射することができる。このような構成によれば、光学系がコンパクトになり、また、集光光学素子２と角度フィルタ４Ａとの光軸調整等が不要になる。
　本発明の実施形態について、さらに説明する。図２３は、さらに別の実施形態に係る光学装置１Ｂの構成を概略的に示す図である。光学装置１Ｂは、光源１０と、偏光子（第１偏光子）２１と、ハーフミラー２５と、対物レンズ２２と、角度フィルタ４と、偏光子（第２偏光子）２３と、チューブレンズ２６と、カメラ２８とを備え、反射型の偏光顕微鏡として構成されている。
　光源１０は、波長λの光Ｌを平行光として出力する。偏光子２１は、光源１０と光学的に結合されており、光源１０から出力された光を入力し、所定の偏光面を有する光を出力する。偏光子２１の偏光面は、例えば、光源の偏光方向に対して４５°の傾き角度に設定されている。
　偏光子２１と、後述する偏光子２３とは、好ましくはクロスニコルまたはオープンニコルの関係とされる。また、偏光子２１から出力される光は、偏光子２１を透過することで円偏光として、ｐ偏光成分及びｓ偏光成分の強度が同一とされていることが好ましい。
　偏光子２１から出力された光は、ハーフミラー２５によって試料Ｓへと向かう所定の光路に反射される。ハーフミラー２５で反射された光は、集光光学素子として機能する対物レンズ２２によって集光されつつ、光学装置１Ｂによる観察対象となる試料Ｓに照射される。対物レンズ２２による収束点Ｑ（図１参照）は、試料Ｓの表面上、または試料Ｓ内の所定位置に設定される。
　また、対物レンズ２２と試料Ｓとの間には、対物レンズ２２による光の集光途中の光路上に、角度フィルタ４が設置されている。角度フィルタ４は、例えば、図２に示したように、基板５と、基板５の対物レンズ２２側の主面上に設けられた誘電体多層膜６と、基板５の試料Ｓ側の主面上に設けられた反射防止膜７とを有して構成されている。
　角度フィルタ４の誘電体多層膜６は、例えば、図４に示される誘電体多層膜６Ｂのように、基板５側の一端、及び基板５とは反対側の他端の両方に、低屈折率層である誘電体層６２が配置されて構成される。この場合、図１２（ｂ）に示したように、光の入射角が比較的小さい領域では、誘電体多層膜の透過率は０％に漸近し、光をほぼ全て反射する。また、角度フィルタ４における偏光方向による透過角度特性の違いについては、光学系の構成段階で必要な仕様を決定し、ｐ偏光及びｓ偏光のそれぞれでの透過角度特性を決定することが好ましい。
　図２４は、上記の構成を有する角度フィルタ４の入射角－透過特性の一例を示すグラフである。この例では、設計中心波長を６８１ｎｍとし、誘電体多層膜の高屈折率層をＴａ２Ｏ５によって構成し、低屈折率層をＳｉＯ２によって構成した。また、図２４において、グラフＧ５１はｐ偏光に対する入射角－透過特性を示し、グラフＧ５２はｓ偏光に対する入射角－透過特性を示している。
　図２４に示すように、ｐ偏光のグラフＧ５１では、波長６８１ｎｍにおいて、０°から４０°までは透過率は約０％であり、４０°から５５°にかけて透過率が徐々に上昇し、５５°より大きい角度では透過率が約１００％となる。また、ｓ偏光のグラフＧ５２では、波長６８１ｎｍにおいて、０°から５０°までは透過率は約０％であり、５０°から６２°にかけて透過率が徐々に上昇し、６２°より大きい角度では透過率が約１００％となる。
　角度フィルタ４を透過した光は試料Ｓに到達し、その一部が試料Ｓで反射される。試料Ｓで反射された光は、角度フィルタ４及び対物レンズ２２を介してハーフミラー２５に到達する。また、図２４のグラフに示したように、角度フィルタ４への入射角が小さい光は、試料Ｓに到達せずに角度フィルタ４で反射される。このように角度フィルタ４で反射された光も同様に、対物レンズ２２を介してハーフミラー２５に到達する。ハーフミラー２５は、試料Ｓからの反射光及び角度フィルタ４からの反射光を透過して、偏光子２３へと出力する。
　偏光子２３は、ハーフミラー２５と光学的に結合されている。偏光子２３の偏光面の傾き角度は、例えば４５°または１３５°で切換可能となっている。偏光子２３から出力された光は、チューブレンズ２６によってカメラ２８の撮像面に結像され、カメラ２８によってその偏光干渉の結果の光像が撮像される。
　以上の構成において、ｐ偏光とｓ偏光との位相差をΔ、角度フィルタ４及び試料Ｓに入力される前の光の強度をＡ、角度フィルタ４及び試料Ｓから出力された後の光の強度をＩ、光の強度Ｉのうちｓ偏光成分の強度をＩｓ、光の強度Ｉのうちｐ偏光成分の強度をＩｐ、位相をθとすると、下記式が成り立つ。
　　Ｉ＝Ｉｓ＋｜Ｉｐ｜
スペクトル特性上、ｓ偏光の反射が大きいと仮定すると、｜Ｉｓ｜＞｜Ｉｐ｜となるため、強度Ｉの最大値をＩmax、強度Ｉの最小値をＩminとすると、
　　Ｉmax＝Ｉｓ＋Ｉｐ
　　Ｉmin＝Ｉｓ－Ｉｐ
となる。これらに対し、－１から１までの三角関数のように処理した強度をＩ’とすると、
　　Ｉ’＝２（Ｉ－Ｉmin）／（Ｉmax－Ｉmin）－１
となるため、
　　ｓｉｎ（θ）＝Ｉ’
　　θ＝ａｒｃｓｉｎ（Ｉ’）
により、光像における強度情報を位相情報に変換することができる。
　光学装置１Ｂの動作例として、例えば、光源１０から出力されたｐ偏光またはｓ偏光の直線偏光の光を円偏光とするために、偏光子２１を調整する。また、偏光子２１及び偏光子２３をクロスニコルの状態に調整する。図２４に示した特性を有する角度フィルタ４において、光の入射角度を５０°とすると、ｐ偏光成分のみが角度フィルタ４を透過する。
　この場合、試料Ｓにおいて位相変化が生じると、偏光子２３を透過した後の光では、位相変化を受けた分だけ、ｐ偏光成分の強度が変化する。このとき、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との強度比が変化するため、上記の光学装置１Ｂは、光強度をモニタすることによって偏光顕微鏡として機能する。
　上記構成の光学装置１Ｂによれば、偏光顕微鏡の構成において角度フィルタ４を適用することにより、偏光干渉と空間周波数制御とを組み合わせた試料Ｓの観察が可能となる。また、通常の偏光顕微鏡での観察対象は、偏光軸依存性をもった試料である。これに対し、上記のように角度フィルタ４を適用した構成の偏光顕微鏡によれば、偏光依存性がない等方性媒質を試料とした場合でも、その観察を行うことが可能となる。
　具体的には、上記構成によれば、角度フィルタ４からの反射光（上記の構成例ではｓ偏光）と、試料Ｓからの反射光（ｐ偏光）とを重畳させることにより、偏光子２３によって偏光干渉が可能となる。また、これにより、上記したように、等方性媒質であっても、偏光顕微鏡による観察が可能となる。
　また、角度フィルタ４を透過した光は、光の中央領域と周辺領域とで異なる強度を有する。例えば、上記したようなハイパスフィルタ型の角度フィルタで試料Ｓへの照射光の空間制御を行うことで、集光ビームの周辺領域における光強度を高くすることができる。このような光を試料Ｓに照射することで、試料Ｓにおける高周波数成分を取り出すことができ、例えば微分フィルタのようなエッジ抽出を目的とした試料Ｓの観察が可能となる。
　また、上記構成によれば、角度フィルタ４によって偏光を制御することで、試料Ｓに照射する光の偏光成分を選択することができる。例えば、上記のようにｐ偏光成分は透過、ｓ偏光成分は反射となる角度を選択すると、ｐ偏光成分のみについて空間周波数の制御が可能となり、ｓ偏光成分は空間周波数制御を受けずに取り出すことができる。
　このような構成について、例えば偏光ビームスプリッタを適用することで、一方の偏光のみを試料Ｓに照射する構成も考えられる。しかしながら、そのような構成では、偏光干渉させる場合にはミラー等で合波させる必要があり、光学系が大きくなり、また、光学系の調整や安定性の確保が難しくなる。これに対して、上記のように角度フィルタ４を用いる構成では、安定性に優れる偏光観察を、簡易な構成で実現することができる。
　上記実施形態による角度フィルタ４は、上記した構成例に限らず、例えば、図２５の構成例に示すような光学装置１Ｃにおいても適用が可能である。光学装置１Ｃは、光源１０と、角度フィルタ４と、対物レンズ２２と、チューブレンズ２６と、カメラ２８とを備える。
　光源１０から平行光として出力された光Ｌは、試料Ｓに照射され、その一部が試料Ｓを透過する。試料Ｓを透過した光は、試料Ｓと対物レンズ２２との間に設置された角度フィルタ４に入力される。角度フィルタ４は、例えば、図２３に示した光学装置１Ｂにおける角度フィルタ４と同様の構成及び特性を有する。角度フィルタ４を透過した光は、対物レンズ２２及びチューブレンズ２６によってカメラ２８の撮像面に結像され、カメラ２８によってその光像が撮像される。
　このような構成において、試料Ｓを透過した出力光は、試料Ｓにおける回折、散乱等の影響を受けて、入力された平行光と比べて発散角を持った光として出力される。このような試料Ｓからの出力光に対して、角度フィルタ４として、上述したようなハイパスフィルタ型の角度フィルタを適用した場合、角度が小さい平行光の成分は遮断され、ある程度以上の発散角を有する光（例えば、角度４５°以上の光）が角度フィルタ４を透過して、カメラ２８で撮像される。
　図２６（ａ）、（ｂ）は、カメラ２８によって取得された試料Ｓの画像の例を示している。図２６（ａ）は、角度フィルタ４が無い場合に取得される画像を示し、図２６（ｂ）は、角度フィルタ４を適用した場合に取得される画像を示している。なお、図２６（ｂ）については、角度フィルタを配置したことで光強度が低下するため、元画像から輝度を３倍にした画像を示している。
　このように、試料Ｓと対物レンズ２２との間に角度フィルタ４を配置して、高周波数成分を取り出すことで、エッジが強調された試料Ｓの画像を取得することができる。また、図２６（ｂ）に示す角度フィルタ有りの画像では、角度フィルタ無しの画像と比較して、例えば文字「５」の像の中にある微小なゴミや汚れの像を確認することができる。
　上記実施形態による光学装置は、集光光学素子による集光途中または発散途中の光路上に配置された角度フィルタを備え、角度フィルタは、第１の屈折率を有する誘電体層（第１誘電体層）と、第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する誘電体層（第２誘電体層）と、が交互に積層された誘電体多層膜を含む。
　上記の光学装置において、光路を伝搬する光の波長における、誘電体多層膜への入射角に対する誘電体多層膜の透過率または反射率の分布は、透過率または反射率が入射角に対して単調増加または単調減少となる領域を含み、前記領域における透過率または反射率の入射角に対する変化率の絶対値は、単位角度（１°）あたり２０％以下である構成としてもよい。
　この場合、上記領域においては、透過率または反射率が入射角に対してなだらかに変化する。したがって、上記の光学装置を、例えばアポダイゼーションフィルタまたはアンチアポダイゼーションフィルタ（超解像フィルタ）として用いることができる。
　上記の光学装置において、角度フィルタは、光路を伝搬する光の波長において光透過性を有する基板を更に含み、基板は、誘電体多層膜が設けられた第１主面と、第１主面と対向し反射防止膜が設けられた第２主面とを有する構成としてもよい。
　このように、光透過性を有する基板を角度フィルタが更に含むことによって、誘電体多層膜を好適に形成することができる。また、第２主面において反射した光が第１主面において再び反射すると、その光は出射光に重畳し、フィルタ特性に影響を与える。基板の２つの主面のうち誘電体多層膜が設けられた第１主面とは反対側の第２主面に反射防止膜が設けられることによって、第２主面における反射を低減し、該反射に起因するフィルタ特性への影響を抑制することができる。
　上記の光学装置において、角度フィルタは、光路を伝搬する光の波長において光透過性を有する基板を更に含み、第１の屈折率は基板の屈折率より大きく、第２の屈折率は基板の屈折率より小さく、誘電体多層膜の積層方向における基板側の一端に位置する誘電体層が第１の屈折率を有する構成としてもよい。
　このように、光透過性を有する基板を角度フィルタが更に含むことによって、誘電体多層膜を好適に形成することができる。また、この場合、誘電体多層膜はローパスフィルタとして機能し、或る入射角よりも小さい入射角の光を透過し、それ以外の光を反射する。よって、集光光学系を通過した光のうち集光光学系の光軸を含む中央領域に含まれる光を透過し、中央領域を囲む周辺領域に含まれる光を反射する。
　通常、中央領域に含まれる光の周波数は低く、周辺領域に含まれる光の周波数は高い。故に、この誘電体多層膜は低周波数成分を透過して高周波数成分を反射する。したがって、この角度フィルタを透過型フィルタとして用いる場合には、当該光学装置は低周波数成分のみを選択的に抽出する周波数フィルタとして用いられることができる。また、この角度フィルタを反射型フィルタとして用いる場合には、当該光学装置は高周波数成分のみを選択的に抽出する周波数フィルタとして用いられることができる。
　上記の光学装置において、角度フィルタは、光路を伝搬する光の波長において光透過性を有する基板を更に含み、第１の屈折率は基板の屈折率より大きく、第２の屈折率は基板の屈折率より小さく、誘電体多層膜の積層方向における基板側の一端に位置する誘電体層が第２の屈折率を有する構成としてもよい。
　このように、光透過性を有する基板を角度フィルタが更に含むことによって、誘電体多層膜を好適に形成することができる。また、この場合、誘電体多層膜はハイパスフィルタとして機能し、或る入射角よりも小さい入射角の光を反射し、それ以外の光を透過する。よって、集光光学系を通過した光のうち集光光学系の光軸を含む中央領域に含まれる光を反射し、中央領域を囲む周辺領域に含まれる光を透過する。
　故に、この誘電体多層膜は低周波数成分を反射して高周波数成分を透過する。したがって、この角度フィルタを透過型フィルタとして用いる場合には、当該光学装置は高周波数成分のみを選択的に抽出する周波数フィルタとして用いられることができる。また、この角度フィルタを反射型フィルタとして用いる場合には、当該光学装置は低周波数成分のみを選択的に抽出する周波数フィルタとして用いられることができる。
　上記の光学装置は、集光光学素子の後段に配置されて集光光学素子と共に４ｆ光学系を構成する別の集光光学素子を更に備え、角度フィルタは、集光光学素子と別の集光光学素子との間の光路上に配置されている構成としてもよい。この場合、所望の周波数成分のみを含む平行光を出力する透過型の周波数フィルタを得ることができる。
　上記の光学装置において、角度フィルタは、集光光学素子の光出射面上に配置される構成としてもよい。この場合、光学系がコンパクトになり、また、集光光学素子と角度フィルタとの光軸調整等が不要になる。
　実施形態は、集光光学系とフィルタとの相対位置の変動に起因する周波数特性の変動を抑制できる光学装置として利用可能である。
　１，１Ａ…光学装置、２，３…集光光学素子、４，４Ａ…角度フィルタ、５…基板、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ…誘電体多層膜、６ａ…一端、６ｂ…他端、７…反射防止膜、１０…光源、５１…第１主面、５２…第２主面、６１，６２…誘電体層、１００…光学装置、１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ…空間フィルタ、１０２…開口、１０３…遮蔽部、ＡＸ…光軸、Ｂ１…中央領域、Ｂ２…周辺領域、Ｌ…光、Ｑ…収束点、
　１Ｂ、１Ｃ…光学装置、２１…偏光子、２２…対物レンズ、２３…偏光子、２５…ハーフミラー、２６…チューブレンズ、２８…カメラ、Ｓ…試料。

Claims (7)

  1. 　集光光学素子による集光途中または発散途中の光路上に配置された角度フィルタを備え、
    　前記角度フィルタは、第１の屈折率を有する誘電体層と、前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する誘電体層と、が交互に積層された誘電体多層膜を含む、光学装置。
  2. 　前記光路を伝搬する光の波長における、前記誘電体多層膜への入射角に対する前記誘電体多層膜の透過率または反射率の分布は、前記透過率または前記反射率が入射角に対して単調増加または単調減少となる領域を含み、
    　前記領域における前記透過率または前記反射率の入射角に対する変化率の絶対値が、単位角度あたり２０％以下である、請求項１に記載の光学装置。
  3. 　前記角度フィルタは、前記光路を伝搬する光の波長において光透過性を有する基板を更に含み、
    　前記基板は、前記誘電体多層膜が設けられた第１主面と、前記第１主面と対向し反射防止膜が設けられた第２主面とを有する、請求項１または２に記載の光学装置。
  4. 　前記角度フィルタは、前記光路を伝搬する光の波長において光透過性を有する基板を更に含み、
    　前記第１の屈折率は前記基板の屈折率より大きく、前記第２の屈折率は前記基板の屈折率より小さく、
    　前記誘電体多層膜の積層方向における前記基板側の一端に位置する誘電体層が前記第１の屈折率を有する、請求項１または２に記載の光学装置。
  5. 　前記角度フィルタは、前記光路を伝搬する光の波長において光透過性を有する基板を更に含み、
    　前記第１の屈折率は前記基板の屈折率より大きく、前記第２の屈折率は前記基板の屈折率より小さく、
    　前記誘電体多層膜の積層方向における前記基板側の一端に位置する誘電体層が前記第２の屈折率を有する、請求項１または２に記載の光学装置。
  6. 　前記集光光学素子の後段に配置されて前記集光光学素子と共に４ｆ光学系を構成する別の集光光学素子を更に備え、
    　前記角度フィルタは、前記集光光学素子と前記別の集光光学素子との間の光路上に配置されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の光学装置。
  7. 　前記角度フィルタは、前記集光光学素子の光出射面上に配置される、請求項１または２に記載の光学装置。
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