WO2023026398A1

WO2023026398A1 - スポット光生成装置、光学情報検知装置及び顕微鏡

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Publication number: WO2023026398A1
Application number: PCT/JP2021/031166
Authority: WO
Inventors: 祐市小澤
Original assignee: 国立大学法人東北大学
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2023-03-02

Abstract

本発明に係るスポット光生成装置は、入射するレーザー光に対して振幅変調可能に構成された変調面を有する光変調器と、前記光変調器から出射された前記レーザー光を集光する集光素子と、を備える。前記変調面では、入射する前記レーザー光を透過又は反射する領域として、中心から所定の半径及び所定の幅を有する環状領域のうち前記中心を挟んで互いに対称な位置を基準として所定の角度の範囲内の領域によって分断された一対の円弧領域が形成されている。

Description

スポット光生成装置、光学情報検知装置及び顕微鏡

　本発明は、スポット光生成装置、光学情報検知装置及び顕微鏡に関する。

　走査型レーザー顕微鏡、画像記録装置或いは加工装置等の装置では、少なくとも入射光を照射対象物に照射し、必要に応じて照射対象物からの出射光を検知し、検知した出射光から照射対象物の光学特性に関する情報を得る。照射対象物に照射するレーザー光（入射光）として、光軸に交差する方向よりも光軸に平行な方向に拡がっているニードルスポット光が用いられる場合がある。例えば、特許文献１に開示されている走査型レーザー顕微鏡では、レーザー光としてニードルスポット光を照射対象物に照射し、１回の照射につき、照射対象物から出射された応答光を光軸に交差する検出面上に少なくとも１次元にシフトしながら伝搬するエアリービームに変換すると、ニードルスポット光の長手方向で互いに異なる照射位置の照射対象物に関する光学特性をエアリービームに変換された像として互いに異なる位置で検出することができる。

　走査型レーザー顕微鏡をはじめとする装置では、ニードルスポット光の光軸に交差する交差面で最も光強度が高いピーク部分の周囲に生じ得るサイドローブ部分によって、照射対象物へのレーザー光の照射領域が所定の領域からはみ出す、或いはサイドローブ部分からの応答光も検出面に重畳してしまい、装置全体の性能が低下する場合があった。そのため、例えば、特許文献２には、ニードルスポット光のピーク部分を透過し、サイドローブ部を吸収する非線形光学特性を有するフィルターを備えた画像記録装置が開示されている。特許文献３には、入射するレーザー光をニードルスポット光に変換するアキシコンレンズと当該アキシコンレンズよりも入射側に配置された輪帯位相素子とを備えるレーザービーム整形装置が開示されている。特許文献４には、複数の波長を有する光を集光するレンズと当該レンズの焦点面に配置されて特定の開口構造が形成された開口とを備えるビーム成形モジュールが開示されている。特許文献５には、複数のベッセルビームを互いのサイドローブを打ち消すように重ねることによってサイドローブ部が低減された多重ビームを生成する多重ビーム生成手段を備えた光学装置が開示されている。

国際公開第２０１７／２１３１７１号日本国特開２００２－１２０３９６号公報日本国特開２０１７－１４２４０２号公報日本国特表２０１８－５０１５１３号公報日本国特開２０１１－１７００５２号公報

　上述のように、走査型レーザー顕微鏡をはじめとする装置では、ニードルスポット光のサイドローブ部分の抑制の検討がなされているが、例えば特許文献１に開示されている画像記録装置では、フィルターの非線形光学特性を高精度に制御することが難しく、サイドローブ部の抑制の柔軟性に欠ける。また、特許文献２に開示されているレーザービーム整形装置では、輪帯位相素子の設計及び作製に多くの手間と時間がかかる。特許文献３に開示されているビーム成形モジュールでは、レーザー光を平行化するレンズや集光するレンズ及び開口構造を構成する開口マスク等を備えるため、サイドローブ部分を抑制するための光学系の部品数が多く、当該光学系の省スペース化が難しい。さらに、特許文献４に開示されている光学装置のビーム生成手段では、互いに重ねる複数のベッセルビームの強度の調整等が複雑である。上述の各手法とは別のサイドローブ部分を抑える方法として、２光子吸収を用いる方法が挙げられる。しかしながら、２光子吸収を用いてニードルスポット光のサイドローブ部分を抑制する方法では、超短パルスレーザー光を発する光源の取り扱いがやや難しく、且つ当該光源によって決まるニードルスポット光の波長の選択幅が狭い。また、２光子励起及び超短パルスを用いた顕微鏡は、複雑な構造を備えるので高価である。これらのことから、連続波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ；ＣＷ）を出射するレーザー光源を用いることができ、簡易な構成で自由度の高いサイドローブ部分の抑制を可能とするスポット光生成装置が求められていた。このようなスポット光生成装置によれば、安価な装置を提供することができる。

　本発明は、例えば複数の検出器が配置されている所定の方向でニードルスポット光のサイドローブ部分を簡易な構成及び高い自由度で抑制可能なスポット光生成装置、当該スポット光生成装置を備える光学情報検知装置及び顕微鏡を提供する。

　本開示に係るスポット光生成装置は、入射するレーザー光に対して空間的な振幅変調を可能とするように構成された変調面を有する光変調器と、前記光変調器から出射された前記レーザー光を集光する集光素子と、前記レーザー光の光軸上で前記光変調器と前記集光素子との間に配置され、前記集光素子の瞳面を前記変調面に像転送するリレーレンズと、を備える。前記変調面では、入射する前記レーザー光を透過又は反射する領域として、中心から所定の半径及び所定の幅を有する環状領域のうち前記中心を挟んで互いに対称な位置を基準として所定の角度の範囲内の領域によって分断された一対の円弧領域が形成されている。

　本開示に係るスポット光生成装置は、入射するレーザー光の偏光をラジアル偏光に変換するラジアル偏光素子と、前記ラジアル偏光素子から出射された前記レーザー光に対して位相変調可能に構成された変調面を有する光変調器と、前記光変調器から出射された前記レーザー光を集光する集光素子と、前記レーザー光の光軸上で前記光変調器と前記集光素子との間に配置され、前記集光素子の瞳面を前記変調面に像転送するリレーレンズと、を備える。前記変調面では、入射する前記レーザー光を透過又は反射する領域として、中心から所定の半径及び所定の幅を有する環状領域が形成され、前記中心と前記環状領域のうち前記中心を挟んで互いに対称な位置とを通る境界線を境界として両側の位相が互いに反転している。

　本開示に係る光学情報検知装置は、レーザー光を出射する光源と、上述のスポット光生成装置と、前記レーザー光が前記スポット光生成装置の前記集光素子によって集光されることによって形成され且つ光軸に平行な方向の大きさが前記光軸に交差する方向での大きさよりも大きいニードルスポット光の照射領域内で試料に照射されたときに前記照射領域の前記光軸に平行な方向での互いに異なる複数の位置から発せられた出射光を前記出射光の光軸に交差する受光面で所定の方向に分離するシフトスポット光変換装置と、前記シフトスポット光変換装置によって前記受光面で前記所定の方向に分離された前記出射光を受光する光検出器を有し、前記出射光の出射位置の光学情報を取得する光学情報取得装置と、を備える。前記光検出器の検出面は、前記変調面の前記中心と前記中心を挟んで互いに対称な位置とを結ぶ方向と光学的に等価な方向に延在している。

　本開示に係る顕微鏡は、上述の光学情報検知装置と、前記光学情報取得装置によって前記出射光から取得された光学情報に基づいて前記試料に関するイメージ情報を作成するイメージ情報作成装置と、を備える。

　本発明によれば、所定の方向でニードルスポット光のサイドローブ部分を簡易な構成及び高い自由度で抑制することができる。

図１は、本発明に係る第１の態様のスポット光生成装置を含む検知光学系の概略図である。図２は、図１に示すスポット光生成装置の光変調器での変調パターンを説明するための概略図である。図３は、本発明に係る第２の態様のスポット光生成装置の要部の概略図である。図４は、図２に示すスポット光生成装置の光変調器での変調パターンの変形例を説明するための概略図である。図５は、図２に示すスポット光生成装置の光変調器での変調パターンの変形例を説明するための概略図である。図６は、本発明に係る第３の態様の顕微鏡の概略図である。図７は、第１の実施例において光変調器での変調パターンとニードルスポットの光強度分布との関係を測定した結果を示す画像である。図８は、第１の実施例において光変調器での変調パターンとニードルスポットの光強度分布との関係を測定した結果を示す画像である。図９は、第１の実施例において光変調器での変調パターンとニードルスポットの光強度分布との関係を測定した結果を示す画像である。図１０は、第１の実施例において光変調器での変調パターンとニードルスポットの光強度分布との関係を測定した結果を示す画像である。図１１は、第１の実施例において光変調器での変調パターンとニードルスポットの光強度分布との関係を測定した結果を示す画像である。図１２は、第１の実施例において欠損角とセントラルローブのピーク強度に対する第１サイドローブのピーク強度の比との関係を測定した結果を示すグラフである。図１３は、第１の実施例において欠損角とセントラルローブの半値幅との関係を測定した結果を示すグラフである。図１４は、第２の実施例において欠損角が互いに異なる振幅変調パターンと試料からの蛍光の発光分布との関係を測定した結果を示す画像である。

　以下、本発明を適用したスポット光生成装置、光学情報検知装置及び顕微鏡の一態様について、図面を参照して説明する。

（第１の態様）
　図１に示すように、本発明の一態様に係るスポット光生成装置１０は、少なくとも光変調器１４と、レンズ１６と、レンズ１５、１８と、を備え、光源１２と、レンズ１１と、制御装置２００と、をさらに備える。光源１２は、ＣＷであるレーザー光Ｌ１を出射する。レンズ１１は、光源１２から出射されたレーザー光Ｌ１をコリメートする。コリメートされたレーザー光Ｌ１は、次に説明する光変調器１４の変調面１１４よりも広いビーム面積を有する。なお、光源１２の出射面から所定のビーム面積を有するコリメート光が直接出射される場合は、レンズ１１は省略される。

　光変調器１４は、入射するレーザー光Ｌ１の少なくとも振幅を変調する変調面１１４を有する。すなわち、光変調器１４の変調面１１４に入射したレーザー光Ｌ１の振幅分布（振幅）は、変調面１１４の変調パターンによって変調される。光変調器１４には、例えば空間的な光の振幅や位相の分布を変調可能な空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＳＬＭ）が用いられる。ＳＬＭとしては、例えば液晶を用いて上述の変調を行う液晶空間光変調器（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ：ＬＣＯＳ－ＳＬＭ）や、マイクロミラーを用いて上述の変調を行う微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ：ＭＥＭＳ）を備えたデジタル・マイクロミラー・デバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ：ＤＭＤ）等が用いられる。本態様では、光変調器１４として、空間的な位相の分布を変調可能な反射型のＬＣＯＳ－ＳＬＭが用いられ、レンズ１５とレンズ１８との間に遮蔽板３３に形成されたアパーチャー３１を組み合わせた光学系が用いられている。反射型のＬＣＯＳ－ＳＬＭが用いられているため、変調面１１４に入射するレーザー光Ｌ１と変調面１１４から出射するレーザー光Ｌ１とが変調面１１４に対して互いに同じ側の領域内で進行している。図示していないが、光変調器１４として、透過型のＬＣＯＳ－ＳＬＭが用いられてもよい。その場合は変調面１１４に対して、振幅変調されたレーザー光Ｌ１が出射する側とは反対側からレンズ１１によってコリメートされたレーザー光Ｌ１が入射する。

　光変調器１４の変調面１１４は、η軸及びξ軸を含む面に平行に配置されている。η軸及びξ軸は互いに直交し、η軸及びξ軸を含む面は変調面１１４に入射するレーザー光Ｌ１及び変調面１１４から出射するレーザー光Ｌ１の光軸Ａ１に交差している。ξ軸は、光軸Ａ１に直交している。η軸は、ξ軸に直交し且つ光軸Ａ１を含む面に平行であって、光軸Ａ１に対して角度をなす。光変調器１４の変調面１１４には、複数の液晶分子（図示略）が配列されている。変調面１１４に配列された複数の液晶分子の各々の変調量は、光変調器１４に有線又は無線で接続されている制御装置２００によって制御されている。制御装置２００は、例えばコンピュータである。具体的には、ＬＣＯＳ－ＳＬＭに接続されたコンピュータで専用のソフトウェア等を介して変調面１１４の複数の液晶分子の各々の所望の変調量を設定することによって、複数の液晶分子の各々が所望の変調値で位相変調される。

　スポット光生成装置１０では、レンズ１６が形成するニードルスポット光ＬＮとしてベッセルビームが形成される。そのため、変調面１１４に配列された複数の液晶分子のうち、図２に示すように変調面１１４において円弧領域ＡＣ、ＡＣに含まれる液晶分子は変調され、環状領域Ｃに含まれない液晶分子は変調されていない。変調面１１４が前述のように変調されていることによって、円弧領域ＡＣ、ＡＣは、入射するレーザー光Ｌ１の反射率が高い領域である。円弧領域ＡＣ、ＡＣでのレーザー光Ｌ１の全光反射率（反射率）は、少なくとも５０％以上であり、６０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましい。一方、変調面１１４において円弧領域ＡＣ、ＡＣ以外の領域でのレーザー光Ｌ１の全光反射率は、少なくとも２０％以下であり、１０％以下であることが好ましい。つまり、レーザー光Ｌ１は、変調面１１４において円弧領域ＡＣ、ＡＣ以外の領域によって殆ど遮光される。なお、本明細書における変調面１１４での反射率或いは透過率とは、光変調器１４がＤＭＤ等で構成され、変調面１１４でレーザー光Ｌ１の反射量が直接制御される場合の変調面１１４での反射率或いは透過率と、後述するように光変調器１４が位相変調のみを行う変調器を備え、変調面１１４でチルト波面を形成して変調面１１４のフーリエ面でレーザー光Ｌ１の０次光と１次光とを空間的に分離し、１次光のみをアパーチャー３１を通過させることによってレーザー光Ｌ１が振幅変調される場合の（変調面１１４において変調を行った領域を反射或いは透過したレーザー光Ｌ１がアパーチャー３１を通過した光量）／（変調面１１４において当該変調を行った領域に入射したレーザー光Ｌ１の光量）で表される比率と、の両方を含み、本態様では後者の場合に相当する。

　変調面１１４を正面視すると、円弧領域ＡＣ、ＡＣは、中心ＡＱ、外径ｒ_１及び内径ｒ_２を有する環状領域Ｃのうち、η軸と交差する位置Ｎから周方向両側へ所定の角度切り欠かれて残った領域であり、η軸を中心として線対称に形成されている。以下では、前述の所定の角度の２倍、すなわち環状領域Ｃが周方向で切り欠かれた角度を欠損角φと称する。欠損角φは、例えば２０°から６０°の範囲内であり、好ましくは４０°から６０°である。欠損角φの最適化については、後述する。

　第１の態様では、円弧領域ＡＣ、ＡＣに含まれる複数の液晶分子が振幅変調に加えて位相変調されている。円弧領域ＡＣ、ＡＣの各々に含まれる液晶分子に対して、入射するレーザー光Ｌ１の波面を所定の角度で傾けてチルトを付与する位相変調量ｅｘｐ［ｉｋｘｓｉｎ（θ_ξ）］を発現するように、当該液晶分子の配光方向が制御される。前述の位相変調量におけるｉは虚数単位を表し、ｋは波数を表し、ｘは変調面１１４でのξ軸に平行な方向の位置を表し、θ_ξは前述の所定の角度を表す。

　光変調器１４の変調面１１４に照射されたレーザー光Ｌ１は、変調面１１４の円弧領域ＡＣ、ＡＣに含まれる液晶分子によって振幅変調されつつ、図１に示すように反射及び回折される。なお、本明細書では特筆しない限り、反射は、鏡面反射を意味する。前述のように光変調器１４から出射したレーザー光Ｌ１は、レンズ１５、アパーチャー３１、レンズ１８と、を順次通過する。レンズ１５、１８は、レーザー光Ｌ１の光軸Ａ１上で少なくとも光変調器１４とレンズ１６との間に配置され、本態様では光変調器１４とハーフミラー１２３との間に配置され、レンズ１６の瞳面を光変調器１４の変調面１１４に像転送する一対のリレーレンズである。レンズ１５、１８は、所謂４ｆ光学系のリレーレンズとして設けられている。つまり、光軸Ａ１上で光変調器１４の変調面１１４とレンズ１５の中心面との離間距離は、レンズ１５の焦点距離に略等しい。光軸Ａ１上でレンズ１５の中心面とレンズ１８の中心面との離間距離は、レンズ１５の焦点距離とレンズ１８の焦点距離との和に略等しい。光軸Ａ１上でレンズ１８の中心面とレンズ１６の瞳面との離間距離は、レンズ１８の焦点距離に略等しい。また、光軸Ａ１上でレンズ１５の焦点面（すなわち、変調面１１４のフーリエ面）にピンホール等のアパーチャー３１が配置されている。つまり、光軸Ａ１上で光変調器１４とハーフミラー１２３との間に、レンズ１５と遮蔽板３３に形成されたアパーチャー３１が設けられている。レンズ１５によって集光されるレーザー光Ｌ１の１次光は、アパーチャー３１を通過する。一方、変調面１１４によって位相変調されずに反射し、レンズ１５によって集光されるレーザー光Ｌ１の０次光はアパーチャー３１が形成されている遮蔽板３３によって遮蔽される。図１に示すスポット光生成装置１０では、光変調器１４を構成する反射型のＬＣＯＳ－ＳＬＭの変調面１１４の所定の領域（すなわち、一対の円弧領域ＡＣ、ＡＣ）でレーザー光Ｌ１の波面にチルトを付与する位相変調量が発現するように位相変調のみが行われ、１次光と０次光が空間的に分離され、０次光が遮蔽板３３で遮蔽され、１次光のみがアパーチャー３１を通過することによって、結果的にレーザー光Ｌ１の振幅変調が行われている。つまり、光変調器１４が変調面１１４で位相変調のみが可能なＳＬＭ等を備える場合、光変調器１４よりもレーザー光Ｌ１の進行方向の前方且つハーフミラー１２３よりもレーザー光Ｌ１の進行方向の後方に配置された一対のレンズ１５、１８とレンズ１５、１８の間に形成されたアパーチャー３１とを伴うことによって、変調面１１４がレーザー光Ｌ１に対して空間的な振幅変調を可能とするように構成された変調面として機能する。アパーチャー３１は、光軸Ａ１上でレンズ１５、１８の焦点面に配置されている。アパーチャー３１を通ったレーザー光Ｌ１の１次光は、ハーフミラー１２３の反射面１２３ａによって反射され、レンズ１６に入射する。レンズ１６は、入射するレーザー光Ｌ１を集光する。レンズ１６には、対物レンズが用いられている。

　レンズ１６は、入射するレーザー光Ｌ１から、レンズ１６の焦点面を含む集光領域内でニードルスポット光ＬＮを形成する。光軸Ａ１に平行な方向でのニードルスポット光ＬＮの寸法ｇは、光軸Ａ１に交差する方向（図１では、例えばＨ方向及びＶ方向）の寸法ｗよりも大きい。ニードルスポット光ＬＮとして形成されるベッセルビームは、干渉によって伝搬軸に沿って軸状に周囲に比べて高い光強度を有するセントラルローブＥ１（すなわち、中心スポット）が生成されるビームである。ベッセルビームの径方向（図１では、Ｈ方向及びＶ方向）の光強度分布は、名前の通りベッセル関数の二乗で表され、第１種ベッセル関数で記述される。

　レンズ１６によって集光するレーザー光Ｌ１の光軸Ａ１に交差する交差面ＢＸは、Ｈ方向及びＶ方向を含む面である。Ｈ方向及びＶ方向は、互いに直交し、且つレンズ１６によって集光するレーザー光Ｌ１の光軸Ａ１に直交している。Ｖ方向のうち、光軸Ａ１を基準として一方側の方向を＋Ｖ方向とし、他方側、すなわち＋Ｖ方向と平行且つ逆向きの方向を－Ｖ方向とする。Ｈ方向のうち、光軸Ａ１を基準として一方側の方向を＋Ｈ方向とし、他方側、すなわち＋Ｈ方向と平行且つ逆向きの方向を－Ｈ方向とする。交差面ＢＸでは、ニードルスポット光ＬＮの中心部にセントラルローブＥ１が現れ、セントラルローブＥ１の外周部にサイドローブ部分Ｅ２が現れる。サイドローブ部分Ｅ２には、セントラルローブＥ１の中心を基準とする径方向でセントラルローブＥ１よりも外側に現れる複数のサイドローブが含まれ、径方向でセントラルローブＥ１に近い側から第１サイドローブＳＳ１、第２サイドローブＳＳ２、・・・、第ｍサイドローブＳＳｍが形成される。なお、図１は、セントラルローブＥ１及びサイドローブ部分Ｅ２の各サイドローブＳＳｍが径方向の中心側から外側に向けて順次間隔をあけて形成されるようにあくまで模式的に示されているが、セントラルローブＥ１及びサイドローブ部分Ｅ２の光強度分布は連続的な第１種ベッセル関数で表される。

　交差面ＢＸでは、セントラルローブＥ１の光強度が最も高いピーク値の位置は、光軸Ａ１が通る位置である。以下、セントラルローブＥ１及びサイドローブ部分Ｅ２の各サイドローブＳＳｍの各々において最も高い光強度を「ピーク強度」という場合がある。セントラルローブＥ１のピーク強度が現れる位置を原点として、原点から±Ｖ方向に進むと、第１種ベッセル関数に従って光強度が減少と増加とを繰り返しつつ、減衰していく。すなわち、セントラルローブＥ１のピーク強度が最も高く、サイドローブ部分Ｅ２の各サイドローブＳＳｍのピーク強度は何れもセントラルローブＥ１のピーク強度よりも低い。また、±Ｖ方向では、第２サイドローブＳＳ２のピーク強度は、第１サイドローブＳＳ１のピーク強度よりも低い。但し、ｍが２以上の自然数である場合には、第（ｍ＋１）サイドローブＳＳ（ｍ＋１）のピーク強度と第ｍサイドローブＳＳｍのピーク強度との高低関係は、光変調器１４の変調面１１４の変調パターンの欠損角φによって異なる。±Ｖ方向では、欠損角φが０°から９０°に増加するにしたがって、第１サイドローブＳＳ１のピーク強度は増大する。ｍが２以上であれば、欠損角φが０°から９０°に増加するにしたがって、第ｍサイドローブＳＳｍのピーク強度が増加するか減少するかは欠損角φとｍの値によって異なる。

　交差面ＢＸのＨ方向においても、原点から±Ｈ方向に進むと、第１種ベッセル関数に従って光強度が減少と増加とを繰り返しつつ、減衰していく。すなわち、セントラルローブＥ１のピーク強度が最も高く、サイドローブ部分Ｅ２の各サイドローブＳＳｍのピーク強度は何れもセントラルローブＥ１のピーク強度よりも低い。但し、±Ｈ方向では、ｍが自然数であれば、第（ｍ＋１）サイドローブＳＳ（ｍ＋１）のピーク強度は、第ｍサイドローブＳＳｍのピーク強度よりも減少する。また、欠損角φが同じであれば、±Ｈ方向の第１サイドローブのピーク強度は、±Ｖ方向の第１サイドローブのピーク強度よりも低い。±Ｈ方向では、欠損角φが０°から９０°に増加するにしたがって、第１サイドローブＳＳ１のピーク強度は減少し、ｍが２以上であっても第ｍサイドローブＳＳｍのピーク強度は減少する。すなわち、±Ｈ方向では、欠損角φが０°から９０°に増加するにしたがって、第１サイドローブＳＳ１のピーク強度と同様に、第１サイドローブＳＳ１よりも原点から径方向の外側のサイドローブのピーク強度も同様に減少し、サイドローブ部分Ｅ２の全体の光量が抑制される。

　±Ｈ方向における第１サイドローブＳＳ１のピーク強度のセントラルローブＥ１のピーク強度に対する比は、±Ｖ方向における第１サイドローブＳＳ１のピーク強度のセントラルローブＥ１のピーク強度に対する比よりも小さい。また、±Ｈ方向におけるサイドローブ部分Ｅ２の全体の光量のセントラルローブＥ１の光量に対する比は、±Ｖ方向におけるサイドローブ部分Ｅ２の全体の光量のセントラルローブＥ１の光量に対する比よりも小さい。図１に示すスポット光生成装置１０では、光源１２から出射してレンズ１６で集光するまでのレーザー光Ｌ１は、光変調器１４の変調面１１４のξ軸や交差面ＢＸのＶ方向に平行な高さ方向で略一定の位置で伝搬している。前述のように±Ｖ方向よりも±Ｈ方向でサイドローブ部分Ｅ２が抑圧されるのは、レーザー光Ｌ１の光軸Ａ１上で光変調器１４よりも後段（すなわち、レーザー光Ｌ１の進行方向の前方）にレンズ１６が配置されているため、変調面１１４のη軸が交差面ＢＸのＨ方向と一意に対応していることによる。つまり、図２に示す変調面１１４においてη軸を基準として欠損角φで環状領域Ｃから切り欠かれた部分は、レンズ１６のフーリエ変換機能によって、交差面ＢＸにおいて±Ｈ方向のサイドローブ部分Ｅ２の抑圧に寄与する。交差面ＢＸでサイドローブ部分Ｅ２が良好に抑圧される±Ｈ方向が光変調器１４の変調面１１４上で一意に対応する方向は、光変調器１４から出射されたレーザー光Ｌ１の進行方向及び光軸Ａ１の折り曲げの有無及び折り曲げ回数によって決まる。

　制御装置２００は、光変調器１４の変調面１１４に配列している複数の液晶分子の各々に、所定の振幅及び位相の変調値を付与する。制御装置２００は、上述した欠損角φとニードルスポット光ＬＮのサイドローブ部分Ｅ２の抑圧の度合い（抑圧量という場合がある）との関係に基づき、変調面１１４の円弧領域ＡＣ、ＡＣに含まれる液晶分子の振幅変調及び位相変調を行う。

　例えば、ニードルスポット光ＬＮの照射領域であって主にセントラルローブＥ１の照射領域内の光軸Ａ１上で互いに異なる位置の微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３にニードルスポット光ＬＮが照射されることによって何らかの光学反応が生じ、レーザー光Ｌ１の入射方向と略平行且つ逆向きの方向に光Ｌ２を出射する物質（図示略）が存在すると、ニードルスポット光ＬＮの形成によって微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々から光Ｌ２が出射される。光Ｌ２は、ハーフミラー１２３の反射面１２３ａを透過する。例えば、ハーフミラー１２３よりも光Ｌ２の進行方向の前方には、光変調器３２と、レンズ２５と、複数の光検出器４２が順次配置されている。なお、レーザー光Ｌ１と光Ｌ２の波長帯が互いに異なる場合は、ハーフミラー１２３に替えてダイクロイックミラーが用いられる。

　光変調器３２は、入射する光Ｌ２の少なくとも振幅を変調する変調面１３２を有する。変調面１３２には、複数の液晶分子（図示略）が配列されている。変調面１３２に配列された複数の液晶分子の各々の変調量は、光変調器３２に接続されている制御装置（図示略）によって制御されている。なお、不図示の制御装置は、例えばコンピュータであり、光変調器３２に専用に設けられてもよく、制御装置２００と共用されていてもよい。光変調器３２の変調面１３２には、計算機生成ホログラム（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　Ｈｏｌｏｇｒａｍ；ＣＧＨ）２１０が形成されている。ＣＧＨ２１０は、入射する光Ｌ２を回折させ、レンズ２５を介して透過光を偏向する透過型のホログラム光学素子であって、回折を用いて波面再生を実現する。ニードルスポット光ＬＮを照射されることによって微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々から出射される光Ｌ２は、ＣＧＨ２１０の物体光である。ＣＧＨ２１０は、光軸Ａ１と平行な物体光の光軸（すなわち、光Ｌ２の光軸Ａ２）に沿う方向（図１では、ｚ方向）の変位を、変調面１３２から結像距離ｌｚの像面ＩＰのＨ方向の変位に線形変換する。ＣＧＨ２１０の振幅分布及び位相分布は、前述のＣＧＨ２１０の機能を発現できれば特定されず、例えば特開２０１９－１１７２３３に開示されている（６）式に基づいて決定された位相分布であってもよい。前述の（６）式によって設計されたＣＧＨは、２次元の位相型多重ＣＧＨである。具体的には、光変調器３２の変調面１３２でＣＧＨ２１０を形成する領域に含まれる複数の液晶分子の位相制御パターンを前述の（６）式によって設計されたＣＧＨパターンに対応させることによって、変調面１３２にＣＧＨ２１０を表示することができる。

　ＣＧＨ２１０或いは変調面１３２に形成されるＣＧＨ２１０以外の変調パターンは、入射する光Ｌ２の波面に対して少なくともＨ方向で影響を与えない。つまり、微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々においてＨ方向で抑圧されたサイドローブ部分Ｅ２の照射及び当該照射による光学的作用は殆ど生じない。光軸Ａ２に交差する交差面（図示略）において光Ｌ２のＨ方向の最大光強度及び光量は、Ｖ方向の最大光強度及び光量よりも低い。

　また、変調面１３２には、微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々からの光Ｌ２を回折させ、レンズ２５を介して、像面ＩＰにおいて光軸Ａ２に対して放物線を描くように湾曲するエアリービームを形成する振幅分布或いは位相分布を有する変調パターンが形成されてもよい。その場合は、微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々からの光Ｌ２が変換されたエアリービームの像面ＩＰにおける集光位置が、互いに異なる。

　ＣＧＨ２１０に入射した光Ｌ２は、ＣＧＨ２１０によって回折され、レンズ２５によって像面ＩＰに結像する。像面ＩＰにおいて光Ｌ２が集光される集光領域には、複数の光検出器４２の検出面１４２がＨ方向に沿って配置されている。当該集光領域の詳細は図１に示されていないが、光ニードルスポット光ＬＮのｚ方向の照射領域のうち光Ｌ２が出射された微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が検出面１４２に線形変換された位置Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を含む領域である。微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々から出射した光Ｌ２は、ＣＧＨ２１０によって像面ＩＰの互いに異なる位置Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３に結像し、位置Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の各々に配置されている光検出器４２によって検知される。すなわち、微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々から出射した光Ｌ２は、互いに異なる光検出器４２で検知される。

　微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々から出射された光Ｌ２の主にセントラルローブＥ１が互いに異なる所定の光検出器４２の検出面１４２に入射する。その際に、上述のようにニードルスポット光ＬＮのＨ方向でのサイドローブ部分Ｅ２が抑制されていることによって、所定の光検出器４２以外の光検出器４２、例えば所定の光検出器４２に隣り合う光検出器４２の検出面１４２に微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々から出射された光Ｌ２の各々のサイドローブ部分Ｅ２が殆ど入射しない。所定の光検出器４２以外の光検出器４２に僅かにサイドローブ部分Ｅ２が入射した場合でも、複数の光検出器４２を用いた像面ＩＰにおける光Ｌ２の検知では高いコントラスト或いは信号対雑音（Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ；ＳＮ）比が得られる。

　なお、ＣＧＨ２１０は、光軸Ａ２に平行なｚ方向の変位を像面ＩＰのＨ方向の変位に線形変換する場合に限定されず、Ｖ方向の変位に線形変換してもよい。その場合は、複数の光検出器４２の検出面１４２がＶ方向に沿って配置されている。微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々から出射された光Ｌ２は、Ｖ方向で互いに異なる光検出器４２の検出面１４２に分離される。

　制御装置２００は、評価パラメータとして、交差面ＢＸにおけるセントラルローブＥ１のＦＷＨＭ、第１サイドローブＳＳ１のＦＷＨＭ、セントラルローブＥ１のピーク強度と第１サイドローブＳＳ１のピーク強度との比、セントラルローブＥ１の光量とサイドローブ部分Ｅ２の光量との比等のうちの少なくとも１つ以上を算出してもよい。その場合、ニードルスポット光ＬＮの照射領域の交差面ＢＸに不図示の光検出器の受光面を配置し、制御装置２００は当該光検出器と有線又は無線で接続され、当該光検出器で受光した光強度を表す電気出力の情報を取得すればよい。また、制御装置２００は、複数の光検出器４２と有線又は無線で接続され、複数の光検出器４２の各々で受光した光強度を表す電気出力の情報を取得し、評価パラメータとして、像面ＩＰでの光Ｌ２の検出精度、コントラスト或いはＳＮ比を算出してもよい。制御装置２００は、前述の評価パラメータが所定の基準を満たすように、光変調器１４の変調面１１４における欠損角φを設定することができる。

　以上説明した第１の態様のスポット光生成装置１０は、入射するレーザー光Ｌ１に対して空間的な振幅変調を可能とするように構成された変調面１１４を有する反射型の光変調器１４と、光変調器１４から出射されたレーザー光Ｌ１を集光するレンズ（集光素子）１６と、レーザー光Ｌ１の光軸Ａ１上で光変調器１４とレンズ１６との間に配置され、レンズ１６の瞳面を変調面１１４に像転送するレンズ（リレーレンズ）１５、１８と、を備える。変調面１１４では、正面視したときに、入射するレーザー光Ｌ１の振幅を変調し、レーザー光Ｌ１を反射する反射領域（領域）として、一対の円弧領域ＡＣ、ＡＣが形成されている。円弧領域ＡＣ、ＡＣは、図２に示すように中心ＡＱから所定の半径ｒ_３及び所定の幅ｔを有する環状領域Ｃのうち、中心ＡＱを挟んで互いに対称な位置Ｎ、Ｎを基準として欠損角（所定の角度）φの範囲内の分断領域（所定の角度の範囲内の領域）ＮＣによって分断されることによって残る領域である。位置Ｎ、Ｎと中心ＡＱとは、直径をなす一直線上に配置されている。半径ｒ_３は、外径ｒ_１及び内径ｒ_２によって、（ｒ_１＋ｒ_２）／２で表され、変調面１１４においてレンズ１６の瞳領域に対応する領域の半径以下である。スポット光生成装置１０では、光変調器１４に入射するレーザー光Ｌ１をレンズ１６の瞳面と互いに共役である変調面１１４の一対の円弧領域ＡＣ、ＡＣによって変調し、変調面１１４から出射されたレーザー光Ｌ１をレンズ１６によって集光することによって、寸法ｗよりも寸法ｇが大きいニードルスポット光ＬＮが形成される。寸法ｗ、ｇは、半径ｒ_３及び径方向の幅ｔによって決まる。スポット光生成装置１０では、ニードルスポット光ＬＮとして、ベッセルビームが形成される。スポット光生成装置１０では、上述のように変調面１１４の環状領域Ｃのうちη軸に平行な方向で互いに対向する分断領域ＮＣ、ＮＣが切りかかれることによって、ニードルスポット光ＬＮの交差面ＢＸにおいてＨ方向でサイドローブ部分Ｅ２がセントラルローブＥ１よりも抑制される。ニードルスポット光ＬＮの交差面ＢＸのＨ方向に平行な軸の光強度分布は、光変調器１４の変調面１１４のη軸の光強度分布がレンズ１６のフーリエ変換機能によって変換されて現れる分布である。すなわち、スポット光生成装置１０によれば、光変調器１４の変調面１１４の一対の円弧領域ＡＣ、ＡＣ同士をη軸の位置Ｎで周方向に欠損角φの分断領域ＮＣで隔てることによって、ニードルスポット光ＬＮのＨ方向（所定の方向）でのサイドローブ部分Ｅ２を簡易に抑制することができる。また、光軸Ａ１に交差する方向でセントラルローブＥ１の外側に、ニードルスポット光ＬＮが照射されると光Ｌ２を出射し得る微小領域が存在しても、サイドローブ部分Ｅ２が抑制されていることによって前述の微小領域からの光Ｌ２（すなわち、応答光）が像面ＩＰのＨ方向で光検出器４２の検出面１４２に入射して検知されることを防止することができる。

　なお、第１の態様では、光変調器１４として反射型のＬＣＯＳ－ＳＬＭが用いられているが、スポット光生成装置１０に求められる配置等に応じて、光変調器１４として透過型のＬＣＯＳ－ＳＬＭ、或いは透過型のＬＣＯＳ－ＳＬＭ以外の空間光変調器等、すなわちＤＭＤのように、入射するレーザー光Ｌ１の波面に対して変調面１１４で直接振幅変調可能な変調器が用いられてもよい。つまり、変調面１１４では、正面視したときに、入射するレーザー光Ｌ１の振幅を直接変調し、レーザー光Ｌ１を透過する透過領域（領域）として、一対の円弧領域ＡＣ、ＡＣが形成されてもよい。その場合でも、変調面１１４において円弧領域ＡＣ、ＡＣでのレーザー光Ｌ１の全光透過率（透過率）は、少なくとも５０％以上であり、６０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましい。一方、変調面１１４において円弧領域ＡＣ、ＡＣ以外の領域でのレーザー光Ｌ１の全光透過率は、少なくとも２０％以下であり、１０％以下であることが好ましい。この場合においても、レーザー光Ｌ１は、変調面１１４において円弧領域ＡＣ、ＡＣ以外の領域によって殆ど遮光される。

　また、第１の態様では、光変調器１４として能動素子であるＬＣＯＳ－ＳＬＭが用いられているが、光変調器１４として遮蔽板に一対の円弧領域ＡＣ、ＡＣが開口として形成されている受動型のプレート素子等が用いられてもよい。なお、光変調器１４としてＤＭＤや前述のプレート素子等のようにレーザー光Ｌ１の波面に対して変調面１１４で直接振幅変調可能な変調器が用いられる場合は、光軸Ａ１上でレンズ１５とレンズ１８との間に、アパーチャー３１が形成された遮蔽板３３を配置する必要はない。

　第１の態様のスポット光生成装置１０では、円弧領域ＡＣ及び分断領域ＮＣの各々におけるレーザー光Ｌ１の透過率又は反射率は周方向で不連続的に変化する。具体的には、円弧領域ＡＣ及び分断領域ＮＣの各々におけるレーザー光Ｌ１の全光透過率は周方向で一定である。円弧領域ＡＣのレーザー光Ｌ１の全光透過率と分断領域ＮＣのレーザー光Ｌ１の全光透過率とは、互いに異なる。スポット光生成装置１０によれば、円弧領域ＡＣ及び分断領域ＮＣの各々におけるレーザー光Ｌ１の透過率が周方向で略一定であることによって、光変調器１４を容易に構成及び用意することができる。

　第１の態様では、レンズ１６によって集光したレーザー光Ｌ１から形成されたニードルスポット光（スポット光）ＬＮが照射されることによって微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々から生じた光Ｌ２を検出する複数の光検出器４２が設けられている。微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３から生じた光Ｌ２は、互いに異なる光検出器４２によって検出される。第１の態様のスポット光生成装置１０は、複数の光検出器４２から光Ｌ２の光強度に関する情報を高いコントラスト及びＳＮ比で取得することができる。また、光検出器４２の検出面１４２が延在するＨ方向（第１方向）は、光変調器１４の変調面１１４の中心ＡＱと中心ＡＱを挟んで互いに点対称（対称）な位置とを結ぶη軸に平行な方向（第２方向）と相対関係を有する。つまり、Ｈ方向とη軸に平行な方向とは、互いに１対１で対応している。Ｈ方向とη軸に平行な方向とは、レンズ１６のフーリエ変換機能によって互いに一意に対応付けられている。図１に示すスポット光生成装置１０では、ハーフミラー１２３の反射面１２３ａへのレーザー光Ｌ１の入射方向と反射面１２３ａからのレーザー光Ｌ１の出射方向とが互いに同じ高さの面内にあるため、Ｈ方向はξ軸に平行な方向に直交する。但し、レーザー光Ｌ１の光軸Ａ１上で光変調器１４とレンズ１６との間にリレーレンズ等の光学系が配置された場合や、光軸Ａ１を上下方向に折り返すためのミラーが配置された場合等には、前述のフーリエ変換に基づく相対関係を保ちつつ、光学系やミラーの作用に応じてＨ方向はξ軸と平行である可能性があり、Ｈ方向がξ軸に平行な方向に対して９０°未満の角度で傾斜する可能性もある。スポット光生成装置１０によれば、前述のフーリエ変換に基づく相対関係にしたがって、ニードルスポット光ＬＮの交差面ＢＸでサイドローブ部分Ｅ２を抑制する所望の方向に対応する変調面１１４での軸方向で欠損角φを設定することができる。すなわち、ニードルスポット光ＬＮのサイドローブ部分Ｅ２を抑制する方向を容易に設定することができる。

　なお、上述の複数の光検出器４２は、スポット光生成装置１０が備えていてもよく、スポット光生成装置１０とは別の光学装置に設けられていてもよい。

　第１の態様のスポット光生成装置１０は、能動型の光変調器１４の変調面１１４の振幅変調量を制御する制御装置２００をさらに備える。制御装置２００は、例えばニードルスポット光ＬＮによって生じた光Ｌ２のＨ方向におけるセントラルローブＥ１のピーク強度に対する第１サイドローブＳＳ１（サイドローブのうちセントラルローブに最も近いサイドローブ）のピーク強度の比（以下、ピーク強度比という場合がある）とセントラルローブＥ１のＦＷＨＭ（半値幅）の各々に関する情報を複数の光変調器１４から取得可能に構成されている。制御装置２００は、少なくともピーク強度比とＦＷＨＭの各々の情報に応じて光変調器１４の変調面１１４での欠損角φを設定する。ピーク強度比が所定値よりも大きくなると、セントラルローブＥ１の光量に対するサイドローブ部分Ｅ２の全体の光量の比も増大し、所定の光検出器４２で検出される光量が減少すると共に、所定の光検出器４２以外の光検出器４２で検出される光量が増加し、ＳＮ比が高くなってしまう。前述の所定値は、光検出器４２で設定されているＳＮ比や検出可能な最小光強度、暗電流値等によって適宜設定される。また、セントラルローブＥ１のＦＷＨＭが所定サイズよりも大きくなると、所定の光検出器４２の検出面１４２に入射する光Ｌ２が検出面１４２から過度にはみ出し、所定の光検出器４２での受光量が減ると共に、Ｈ方向で隣り合う別の光検出器４２の検出面１４２に入射する虞がある。前述の所定サイズは、光検出器４２の検出面１４２の有効面積によって適宜設定される。例えば、制御装置２００は、ピーク強度比が所定値以下であることと、セントラルローブＥ１のＦＷＨＭが所定サイズ以下であることの両方を満たすことを最低条件として、ピーク強度比が高まるように欠損角φを設定してもよい。スポット光生成装置１０によれば、ピーク強度比及びセントラルローブＥ１のＦＷＨＭに関する情報、サイドローブ部分Ｅ２の抑制の度合いに応じて欠損角φを最適化し、セントラルローブＥ１に起因する光Ｌ２を高精度に検出することができる。

　なお、制御装置２００では、欠損角φを最適化するため、サイドローブ部分Ｅ２の抑制の度合い、特に第１サイドローブＳＳ１の抑制の度合いを評価するパラメータとして、前述のピーク強度比及びセントラルローブＥ１のＦＷＨＭの他に、例えば適当なパラメータが想定されてもよい。

　また、ピーク強度比及びセントラルローブＥ１のＦＷＨＭ、上述の評価を行うためのパラメータの値は、交差面ＢＸと光学的に等価な面に複数の光検出器又は撮像装置（図示略）が配置され、当該光検出器又は当該撮像装置と制御装置２００とが有線又は無線で接続されることによって、取得される。交差面ＢＸと光学的に等価な面とは、例えば光軸Ａ１上で光変調器１４とハーフミラー１２３との間でレーザー光Ｌ１が光変調器１４からハーフミラー１２３に向かう方向とは異なる方向に分岐され、分岐されたレーザー光Ｌ１がレンズ１６と同様の仕様のレンズによって集光された場合の集光面である。

　第１の態様では、スポット光生成装置１０によって生成したニードルスポット光ＬＮによって発生した光Ｌ２を複数の光検出器４２で検出しているが、ニードルスポット光ＬＮの用途は照射領域内の微小領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で光Ｌ２を発生させることに限定されない。例えば、ニードルスポット光ＬＮの照射領域に設置された被加工物をＨ方向で加工してもよく、ニードルスポット光ＬＮの照射領域に設置された被記録媒体にＨ方向で光学情報を記録してもよい。なお、前述の例のようにニードルスポット光ＬＮを直接活用し、ニードルスポット光ＬＮの照射領域内の微小領域から発せられる光を検知する必要がない場合には、ハーフミラー１２３、光変調器３２、レンズ２５及び光検出器４２は省略可能であり、光変調器１４の変調面１１４からレンズ１６までの光軸Ａ１が折り返すことなく直線となるようにレンズ１６が配置されてもよい。

（第２の態様）
　以下、第２の態様以降の各態様の説明では、第１の態様で説明した構成と共通する内容については説明を省略する。また、第２の態様以降の各態様の説明では、第１の態様で説明した構成要素と同様に機能する構成要素に、第１の態様で説明した当該構成要素と同一の符号を付し、その説明を省略する。

　第２の態様のスポット光生成装置は、ラジアル偏光素子１４０と、光変調器１４の変調面１１４の変調パターンを次に説明するように変更すること以外は、図１及び図２を参照して説明したスポット光生成装置１０と同様である。

　第２の態様では、スポット光生成装置１０のレーザー光Ｌ１の光軸Ａ１上のレンズ１１と光変調器１４との間に、ラジアル偏光素子１４０が配置されている。ラジアル偏光素子１４０は、公知の構成を備え、例えば石英基板の内部に複屈折ナノ格子が形成されている素子であってもよい。レンズ１１によってコリメートされたレーザー光Ｌ１の偏光状態は直線偏光であるが、図３に示すように、ラジアル偏光素子１４０に入射したレーザー光Ｌ１の偏光状態はラジアル偏光（又は、径偏光とも呼ばれる）である。ラジアル偏光に変換されたレーザー光Ｌ１の光強度分布は、光軸Ａ１に交差する面で光軸Ａ１を中心としてドーナツ状である。ラジアル偏光に変換されたレーザー光Ｌ１の偏光方向は、光軸Ａ１に交差する面内で光軸Ａ１を中心として径方向に沿って放射状に分布している。光変調器１４の変調面１１４に入射するレーザー光Ｌ１の複素振幅をＥ_０（ξ，η）とすると、ラジアル偏光に変換されたレーザー光Ｌ１の電場ベクトルＥ（ξ，η）は、次に示す（１）式で表される。ψは、ξ軸及びη軸を含み且つ変調面１１４に平行な面でξ軸の一方側を基準として周方向の角度を表す。（１）式では、第１行が水平偏光成分を表し、第２行が垂直偏光成分を表す。

　図示していないが、第２の態様においても、光変調器１４として、空間的な位相の分布を変調可能な反射型のＬＣＯＳ－ＳＬＭが用いられ、レンズ１５とレンズ１８との間に遮蔽板３３に形成されたアパーチャー３１を組み合わせた光学系が用いられている。第２の態様では、光変調器１４の変調面１１４では、欠損角φは０°であって、分断領域ＮＣは形成されず、環状領域Ｃが形成されている。レーザー光Ｌ１の全光反射率（反射率）は、少なくとも５０％以上であり、６０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましい。一方、変調面１１４において環状領域Ｃ以外の領域でのレーザー光Ｌ１の全光反射率は、少なくとも２０％以下であり、１０％以下であることが好ましい。変調面１１４の中心ＡＱを通ってη軸に平行な境界線ＬＱを境界として一方側に位相０が与えられ、他方側に位相πが与えられている。すなわち、変調面１１４では、境界線ＬＱを境界として０－πの位相反転が生じるように、液晶分子の配光方向が制御されている。また、環状領域Ｃでの環状領域Ｃに含まれる複数の液晶分子の配光方向は、位相変調量ｅｘｐ［ｉｋｘｓｉｎ（θ_ξ）］を発現するように制御されている。

　光変調器１４の変調面１１４に照射されたレーザー光Ｌ１は、変調面１１４によって振幅変調及び位相変調されつつ、図３に示すように反射される。変調面１１４に照射されたレーザー光Ｌ１のうち、０次光は所謂背景光であり上述の（１）式の垂直偏光成分を含む。一方、変調面１１４に照射されたレーザー光Ｌ１のうち、１次光では水平偏光成分のみが取り出され、１次光は上述の（１）式の第１行のｃｏｓψの振幅変調成分を有する。レーザー光Ｌ１は、光軸に交差する面で見たときに、η軸及びＶ方向を基準として互いに線対称な一対の円弧ビームＬＡ、ＬＡで構成される。上述のように光変調器１４の変調面１１４では境界線ＬＱを境界として０－πの位相反転が生じるように位相変調されているため、一対の円弧ビームＬＡ、ＬＡは互いに同位相である。仮に変調面１１４で０－πの反転分布で位相変調されていなければ、一対の円弧ビームＬＡ、ＬＡの偏光方向はラジアル偏光に起因して光軸Ａ１からξ軸及びＨ方向に沿って互いに反転するように外側に向き、一対の円弧ビームＬＡ、ＬＡは互いに異なる位相となる。一対の円弧ビームＬＡ、ＬＡが互いに同位相であることによって、変調面１１４から出射されるレーザー光Ｌ１の１次光は、｜ｃｏｓψ｜で振幅変調され、０次光とは異なる出射角をなし、アパーチャー３１を通ってハーフミラー１２３及びレンズ１６に向かって進行する。レーザー光Ｌ１の０次光は、遮蔽板３３によって遮蔽される。一対の円弧ビームＬＡ、ＬＡは、レンズ１６によって集光され、ニードルスポット光ＬＮが形成される。

　第２の態様では、一対の円弧ビームＬＡ、ＬＡが互いに同位相であって｜ｃｏｓψ｜で振幅変調されることによって、セントラルローブＥ１のピーク強度がサイドローブ部分Ｅ２の各サイドローブのピーク強度よりも高いニードルスポット光ＬＮが形成される。第２の態様においても、ニードルスポット光ＬＮのＨ方向でのサイドローブ部分Ｅ２は抑制されている。また、第２の態様のスポット光生成装置では、第１の態様のスポット光生成装置１０よりもニードルスポット光ＬＮのサイドローブ部分Ｅ２の全体の光量がセントラルローブＥ１の光量に比べて強く抑制される。

　以上説明した第２の態様のスポット光生成装置は、第１の態様のスポット光生成装置１０と同様の構成を備えることによって、当該同様の構成による効果を奏する。また、第２の態様のスポット光生成装置は、入射するレーザー光Ｌ１の偏光をラジアル偏光に変換するラジアル偏光素子１４０と、ラジアル偏光素子１４０から出射されたレーザー光Ｌ１に対して位相変調可能に構成された変調面１１４を有する光変調器１４と、光変調器１４から出射されたレーザー光Ｌ１を集光するレンズ（集光素子）１６と、レーザー光Ｌ１の光軸Ａ１上で光変調器１４とレンズ１６との間に配置され、レンズ１６の瞳面を変調面１１４に像転送するレンズ１５、１８と、を備える。第２の態様では、第１の態様と同様に、変調面１１４は、入射するレーザー光Ｌ１に対して空間的な振幅変調を可能とするように構成されている。第２の態様では、レンズ１６の瞳面と互いに共役である光変調器１４の変調面１１４には、入射するレーザー光Ｌ１を反射する領域として、中心ＡＱから半径ｒ_３及び幅ｔを有する環状領域Ｃが形成されている。また、変調面１１４には、環状領域Ｃの中心ＡＱと環状領域Ｃのうち中心ＡＱを挟んで互いに対称な位置Ｎ、Ｎとを通る境界線ＬＱを境界として両側の位相が互いに反転している。すなわち、変調面１１４では、照射されるレーザー光Ｌ１に対して境界線ＬＱを境界として０－πの位相反転が付与されるように位相変調されている。第２の態様のスポット光生成装置では、ラジアル偏光のレーザー光Ｌ１が上述のように振幅変調及び位相変調された変調面１１４に照射され、変調面１１４から一対の円弧ビームＬＡ、ＬＡで構成されるレーザー光Ｌ１が出射される。一対の円弧ビームＬＡ、ＬＡは互いに同位相であり、｜ｃｏｓψ｜の振幅変調が付されている。このことによって、変調面１１４から出射されるレーザー光Ｌ１がレンズ１６によって集光された際に、交差面ＢＸのＨ方向でセントラルローブＥ１に対してサイドローブ部分Ｅ２が良好に抑制される。第２の態様のスポット光生成装置によれば、Ｈ方向では第１サイドローブＳＳ１に加えて複数のサイドローブＳＳｍを含むサイドローブ部分Ｅ２の光量を極力抑えることができる。

　第２の態様のスポット光生成装置の変形例として、光変調器１４として、図４に示すように、変調面１１４で中心ＡＱを原点としてξ軸及びη軸をとったときにレンズ１６の瞳領域１１６の範囲内で、照射されるレーザー光Ｌ１の反射率が図５に示すようにξ軸上で連続的に｜ξ｜或いは｜ｃｏｓψ｜で変化するマスクが用いられてもよい。この場合、第１の態様と同様に、変調面１１４で境界線ＬＱを境界として互いに位相反転している必要はない。また、変調面１１４に照射されるレーザー光Ｌ１の偏光はラジアル偏光である必要はなく、直線偏光であってよく、ラジアル偏光素子１４０は省略可能である。光変調器１４としてこのようなマスクを用いた場合であっても、第１の態様及び第２の態様と同様に、Ｈ方向でニードルスポット光ＬＮのサイドローブ部分Ｅ２を容易に抑制することができる。

（第３の態様）
　図６に示すように、第３の態様の顕微鏡３００は、少なくとも光学情報検知装置１５０を備え、光源１２と、イメージ情報作成装置６０と、をさらに備える。光学情報検知装置１５０は、スポット光生成装置１００と、シフトスポット光変換装置３０と、光学情報取得装置４０と、を備える。光源１２は、後述する試料Ｓにニードルスポット光ＬＮが照射された際に試料Ｓが励起されて発生する蛍光Ｌ３の励起波長を有するレーザー光Ｌ１を出射する。

　光学情報検知装置１５０では、レーザー光Ｌ１の光軸Ａ１に交差する方向の大きさよりも光軸Ａ１に平行な方向の大きさが大きいニードルスポット光ＬＮが試料Ｓに照射される。試料Ｓへの照射時のニードルスポット光ＬＮの長手方向は、試料Ｓの厚み方向に略平行であり、ｚ方向に略平行である。光学情報検知装置１５０では、試料Ｓにおけるニードルスポット光ＬＮの照射領域Ｒに含まれて互いに異なる複数の検知領域の各々から出射された出射光がシフトスポット光Ｌ４に変換される。検知領域は、試料Ｓへの照射時のニードルスポット光ＬＮの長手方向に沿って順次位置している。光学情報検知装置１５０では、複数の検知領域の各々から出射されたシフトスポット光Ｌ４は、光軸Ａ２に交差する受光面Ｍで互いに異なる位置に到達する。受光面Ｍで受光したシフトスポット光Ｌ４の光強度等の情報から複数の検知領域の各々の光学情報が検知される。

　スポット光生成装置１００は、少なくとも光変調器１４と、レンズ１６とを備え、光源１２と、ミラー１３、１９、２１、１６２、１７０と、レンズ１５、１８、１６６、１６８、２０、２２と、アパーチャー３１とをさらに備える。光源１２は、所定の波長及び光強度、パワー等の光学特性を有するレーザー光Ｌ１を出射する。レーザー光Ｌ１の光学特性は、レーザー光Ｌ１から変換されて発生するニードルスポット光ＬＮがＤ３方向から試料Ｓの照射領域（図６では、照射領域Ｒは省略）に照射された際に、照射領域内から光軸Ａ２に沿って所定の方向に出射する光Ｌ２が得られる条件に従って適宜選択されている。第３の態様では、試料Ｓとして例えば蛍光物質が用いられる。レーザー光Ｌ１から形成されるニードルスポット光ＬＮは、試料Ｓの励起光である。すなわち、レーザー光Ｌ１の波長は、試料Ｓの蛍光の励起波長を含んでいる。光学情報検知装置１５０は、試料Ｓから出射される光Ｌ２として蛍光（出射光）Ｌ３を検知するように構成されているため、前述の所定の方向は、ニードルスポット光ＬＮの試料Ｓへの入射方向、すなわちｚ方向と略平行且つ逆向きの方向を意味する。本態様では、ニードルスポット光ＬＮが照射されることによって励起された試料Ｓから略全方位に出射される蛍光のうち、ｚ方向と略平行且つ逆向きの方向（所定の方向）に出射される蛍光を検知することができる。

　スポット光生成装置１００では、光源１２の出射面から試料Ｓの入射側の表面までの間に、光源１２から発せられるレーザー光Ｌ１の光軸Ａ１に沿って、光の進行方向の後方から前方に向かってミラー１３、光変調器１４、レンズ１５、アパーチャー３１、レンズ１８、ダイクロイックミラー１２４、ミラー１６２、レンズ１６６、１６８、ミラー１７０、１９、レンズ２０、ミラー２１、レンズ２２、１６が順次配置されている。光源１２から発せられたレーザー光Ｌ１は、光軸Ａ１に沿って進行し、ミラー１３で反射され、光変調器１４に入射する。

　光変調器１４によって振幅変調や位相変調されたレーザー光Ｌ１は、光変調器１４によって回折するとともに光変調器１４から出射し、光軸Ａ１に沿ってレンズ１５から各光学素子を経由して進行する。レンズ１５、１８と、レンズ１６６、１６８と、レンズ２０、２２の各々は、光軸Ａ１上で、レンズ１６の瞳面を光変調器１４の変調面１１４にリレーするように適宜配置されている。つまり、変調面１１４は、レンズ１６の瞳面と等価である。第１の態様で説明したように、光軸Ａ１上のレンズ１５、１８の焦点面には、アパーチャー３１が配置されている。アパーチャー３１を通過したレーザー光Ｌ１の１次光は、ダイクロイックミラー１２４の反射面１２４ａで反射され、ミラー１６２に入射する。

　ミラー１６２は、試料Ｓが載置されているステージＴの載置面と平行且つ互いに直交するｘ方向及びｙ方向のうち、ｙ方向のスキャン用に設けられている。具体的には、ミラー１６２を支持する支持部材１６４がα１方向に回転することによって、レーザー光Ｌ１がｙ方向に走査される。ミラー１６２は、レンズ１６の瞳面が転送された位置に配置されている。ミラー１６２で反射されたレーザー光Ｌ１は、リレーレンズ系を構成するレンズ１６６、１６８を通ってミラー１７０に入射する。ミラー１７０は、ミラー１６２が配置された瞳面と光学的に等価な位置からレンズ１６６、１６８によって像転送された位置に設けられている。ミラー１７０は、ｘ方向のスキャン用に設けられている。具体的には、ミラー１７０を支持する支持部材１７２がα２方向に回転することによって、レーザー光Ｌ１がｘ方向に走査される。ミラー１７０で反射されたレーザー光Ｌ１は、ミラー１９で反射され、レンズ２０を通り、ミラー２１で再度反射され、レンズ２２を通り、レンズ１６に入射する。

　光軸Ａ１に沿ってレンズ２２を出射したレーザー光Ｌ１は、レンズ１６に入射し、レンズ１６によって光軸Ａ１に交差する方向（図１では、ｘ方向及びｙ方向）で集光しつつ、光軸Ａ１に平行な方向（図１では、ｚ方向）で延び、試料Ｓの内部の照射領域Ｒ（図示略）に拡がるニードルスポット光ＬＮが形成される。レンズ１６は、ピエゾスキャナー１９０に支持されている。レンズ１６のｚ方向の位置は、ピエゾスキャナー１９０によって試料Ｓの観察位置（すなわち、ニードルスポット光ＬＮのｚ方向の中心位置）を微調整するために、高精度に調整可能である。ニードルスポット光ＬＮが非回折であるため、照射領域に向けて強い光が確実に照射され、照射領域内の蛍光特性を有する試料Ｓがｚ方向で一斉に励起される。ニードルスポット光ＬＮの寸法ｇが寸法ｗに対して大きい程、試料Ｓの厚み方向すなわちｚ方向の光学情報を一括して取得することができる検知領域の数が増える。

　図６に示すように、試料Ｓは、ステージＴのレーザー光Ｌ１の入射側の表面（載置面）に載置されている。ステージＴは、不図示の支持部材等によって光学情報検知装置１５０に設けられている。なお、ステージＴは、顕微鏡３００に設けられていてもよく、光学情報検知装置１５０又は顕微鏡３００とは別体に形成され、且つ光学情報検知装置１５０がアクセス可能である装置に設けられていてもよい。

　試料Ｓのｚ方向で互いに異なる微小領域から出射された蛍光Ｌ３は、レーザー光Ｌ１が試料Ｓに入射する経路と略同じ経路を途中まで逆向きに進行し、試料Ｓからレンズ１６、２２、２０、１６８、１６６を通り、ミラー２１、１９、１７０、１６２で反射され、ダイクロイックミラー１２４に入射する。蛍光Ｌ３は、反射面１２４ａ及びダイクロイックミラー１２４を透過し、シフトスポット光変換装置３０に入射する。

　シフトスポット光変換装置３０は、レンズ１８２、１８４、２５と、光変調器３２と、ミラー２８と、を備える。蛍光Ｌ３の光軸Ａ２上に沿って、光の進行方向の後方から前方に向かってレンズ１８２、１８４と、光変調器３２と、ミラー２８と、レンズ２５が順次配置されている。

　シフトスポット光変換装置３０は、試料Ｓにおけるニードルスポット光ＬＮの照射領域内の光軸Ａ１上の互いに異なる複数の位置から発せられた蛍光Ｌ３を、光軸Ａ２に沿って移動するにしたがって光軸Ａ２に交差する像面ＩＰにおける集光位置が試料Ｓにおける蛍光Ｌ３の出射位置に応じて変化するようにシフトするシフトスポット光Ｌ４に変換する。図６では、像面ＩＰの図示は省略されているが、像面ＩＰには、複数の光検出器４２の検出面１４２が配列されている。シフトスポット光変換装置３０では、レンズ１８２、１８４は、光軸Ａ２上で、ミラー１６２が配置されている位置に像転送されたレンズ１６の瞳面を光変調器３２の変調面１３２にリレーするように適宜配置されている。つまり、変調面１３２は、レンズ１６の瞳面と等価である。変調面１３２には、第１の態様で説明したＣＧＨ２１０の変調パターンが形成されている。ニードルスポット光ＬＮのｚ方向の各々の位置から出射した蛍光Ｌ３のｚ方向の光学情報は、ＣＧＨ２１０によってＨ方向に線形変換される。光変調器３２の変調面１３２から出射されるシフトスポット光Ｌ４は、光学情報取得装置４０に入射する。

　光学情報取得装置４０は、シフトスポット光変換装置３０から入射するシフトスポット光Ｌ４を受光し、受光したシフトスポット光Ｌ４の情報から試料Ｓにおけるニードルスポット光ＬＮの照射領域の光学情報を取得する。光学情報取得装置４０は、複数の光検出器４２と、光学情報取得装置４８と、を備える。第１の態様で説明したように、複数の光検出器４２の検出面１４２は、像面ＩＰのＨ方向に配列されている。光学情報取得装置４８は、複数の光検出器４２と有線又は無線で接続され、複数の光検出器４２ごとにシフトスポット光Ｌ４の受光量に関する情報を取得し、例えばコンピュータである。

　イメージ情報作成装置６０は、光学情報取得装置４０によって取得された試料Ｓに関する情報から三次元画像をはじめとするイメージ情報を作成し、モニター６２に映し出す。なお、イメージ情報作成装置６０は、光学情報取得装置４８を構成するコンピュータに組み込まれていてもよい。このような構成では、光学情報取得装置４０によって受光されたシフトスポット光Ｌ４の情報を即時にモニター等に映し出し、可視化することができる。

　光学情報検知装置１５０では、ニードルスポット光ＬＮを試料Ｓに対してｘ方向及びｙ方向で走査可能にするため、スポット光生成装置１０の光軸Ａ１上で光変調器１４とレンズ１６との間に、レンズ１５、１８と、レンズ１６６、１６８と、レンズ２０、２２と、レーザー光Ｌ１のｙ方向でのスキャンを行うためのミラー１６２と、レーザー光Ｌ１のｘ方向でのスキャンを行うためのミラー１６２と、光軸Ａ１を折り返すダイクロイックミラー１２４、ミラー１９、２１が配置されている。レンズ２０、２２によってレンズ１６の瞳面が像転送され、ミラー１９、２１によって光軸Ａ１が適宜折り返されているため、ミラー１７０の反射面は、レンズ１６の瞳面と光学的に等価である。また、レンズ１６６、１６８によってミラー１７０の反射面が像転送されているため、ミラー１６２の反射面は、レンズ１６の瞳面と光学的に等価である。さらに、レンズ１５、１８によってミラー１７０の反射面が像転送されているため、光変調器１４の変調面１１４は、レンズ１６の瞳面と光学的に等価である。図６に示す光学情報検知装置１５０の構成では、光変調器１４の変調面１１４の変調パターンが第１の態様で説明した図１に示す構成での変調面１１４の変調パターンとは正面視で９０°回転している。すなわち、図６に示す光学情報検知装置１５０の構成では、光変調器１４の変調面１１４の中心ＡＱと位置Ｎ、Ｎとを結ぶ仮想線（図示略）がξ軸に平行であり、変調面１１４の環状領域Ｃを周方向に分断する分断領域ＮＣ、ＮＣがξ軸に平行な方向で互いに対向する。光学情報検知装置１５０の構成では、変調面１１４のξ軸に平行な方向は、ステージＴにおける試料Ｓの載置面に平行なｙ方向と光学的に等価であり、光軸Ａ１上の光変調器１４とレンズ１６との間の各光学部品によってｙ方向に変換される。同じく光学情報検知装置１５０の構成では、変調面１１４のη軸に平行な方向は、ステージＴにおける試料Ｓの載置面に平行なｘ方向と光学的に等価であり、光軸Ａ１上の光変調器１４とレンズ１６との間の各光学部品によってｘ方向に変換される。

　光学情報検知装置１５０では、試料Ｓから発せられた蛍光Ｌ３の光軸Ａ２上でレンズ１６と光検出器４２の検出面１４２が配列された像面（受光面）ＩＰの間に、レンズ２０、２２と、レンズ１６６、１６８と、レンズ１８２、１８４と、蛍光Ｌ３の光軸Ａ２を折り返すミラー１９、２１、１６２、１７０が配置されている。試料Ｓから発せられた後にレンズ１６からダイクロイックミラー１２４に到達する蛍光Ｌ３の進路は、ダイクロイックミラー１２４で反射されてからレンズ１６に到達するレーザー光Ｌ１の進路と重なり、レーザー光Ｌ１の進路とは逆向きである。レンズ１８２、１８４によってミラー１７０の反射面が像転送されているため、光変調器３２の変調面１３２は、レンズ１６の瞳面と光学的に等価である。したがって、ステージＴの載置面に略平行なｙ方向は、像面ＩＰの＋Ｈ方向に変換される。ニードルスポット光ＬＮのｙ方向のサイドローブ部分Ｅ２が抑制され、レンズ１６からレンズ２５までの光軸Ａ２上の蛍光Ｌ３の進路で蛍光Ｌ３の波面が何らかの影響を受ける、或いは変調されることないため、像面ＩＰでは蛍光Ｌ３のＨ方向のサイドローブ部分Ｅ２がＶ方向のサイドローブ部分Ｅ２よりも抑制されている。図６に示すように、複数の光検出器４２の検出面１４２がＨ方向に沿って配置されているため、ニードルスポット光ＬＮの照射領域で蛍光Ｌ３が発生したｚ方向での位置に応じた所定の光検出器４２の検出面１４２には、主に蛍光Ｌ３のセントラルローブＥ１が入射する。また、所定の光検出器４２以外の光検出器４２にサイドローブ部分Ｅ２が入射する。その結果、複数の光検出器４２では、高いコントラスト及び低いＳＮ比で蛍光Ｌ３が検出される。

　光学情報検知装置１５０では、制御装置２００は、光学情報取得装置４０と有線又は無線で接続されていてもよい。制御装置２００は、例えば所定の光検出器４２で蛍光Ｌ３を検出した際に、所定の光検出器４２での受光強度を表す電気出力とＨ方向で当該所定の光検出器４２に隣り合う光検出器４２での受光強度を表す電気出力との比率を蛍光Ｌ３の検出時のコントラストの指標として取得し、光変調器１４の変調面１１４での変調パターンを最適化してもよい。

　以上説明した第３の態様の光学情報検知装置１５０は、光源１２と、スポット光生成装置１０と、シフトスポット光変換装置３０と、光学情報取得装置４０と、を備える。光源１２は、レーザー光Ｌ１を出射する。光学情報検知装置１５０では、スポット光生成装置１０において、レーザー光Ｌ１がレンズ（集光素子）１６によって集光されることによってニードルスポット光ＬＮが形成される。ニードルスポット光ＬＮのｚ方向の寸法（大きさ）は、ｘ方向又はｙ方向の寸法（大きさ）よりも大きい。光学情報検知装置１５０では、ｚ方向に長尺なニードルスポット光ＬＮの照射範囲に試料Ｓが配置され、試料Ｓの厚さ方向はｚ方向に略平行である。シフトスポット光変換装置３０は、ニードルスポット光ＬＮの照射領域内のｚ方向（光軸に平行な方向）で互いに異なる複数の位置から発せられた蛍光（出射光）Ｌ３を、蛍光Ｌ３の光軸Ａ２に交差する像面（受光面）ＩＰ（図１参照）でＨ方向（所定の方向）に分離する。光学情報取得装置４０は、シフトスポット光変換装置３０によってＣＧＨ２１０の像面ＩＰにてＨ方向に分離された蛍光Ｌ３を受光する複数の光検出器４２を有し、試料Ｓにおける蛍光Ｌ３の出射位置（すなわち、微小領域）の光学情報を取得する。光学情報検知装置１５０では、光検出器４２の検出面１４２は、光変調器１４の変調面１１４の中心ＡＱと中心ＡＱを挟んで互いに対称な位置Ｎ、Ｎとを結ぶξ軸に平行な方向と光学的に等価なＨ方向に延在している。「光学的に等価である」とは、リレーレンズ系等による像転送やミラーによる光軸に交差する面での軸回転に従って光変調器１４の変調面１１４に対して一意に決まることを意味する。光学情報検知装置１５０によれば、ニードルスポット光ＬＮの照射領域のｚ方向で少なくとも１つの微小領域から蛍光Ｌ３が発生した際に、ｚ方向での微小領域の位置に応じた所定の光検出器４２の検出面１４２に蛍光Ｌ３のセントラルローブＥ１を入射させ、所定の光検出器４２以外の光検出器４２に入射し得るサイドローブ部分Ｅ２を極力抑え、光検出器４２で受光した蛍光Ｌ３に含まれる光学情報を高いコントラスト及び低いＳＮ比で検出することができる。また、ニードルスポット光ＬＮの光軸Ａ１に交差する方向でセントラルローブＥ１の外側に、ニードルスポット光ＬＮが照射されると励起して蛍光Ｌ３を出射し得る検知対象外の微小領域が存在しても、サイドローブ部分Ｅ２が抑制されていることによって検知対象外の微小領域からの蛍光Ｌ３（すなわち、応答光）が複数の光検出器４２の検出面１４２が延在する像面ＩＰのＨ方向で所定の光検出器４２の検出面１４２に入射して検知されることを防止することができる。特に、第３の態様の光学情報検知装置１５０の構成のようにニードルスポット光ＬＮをＨ方向及びＶ方向に沿って２次元走査する（すなわち、ステージＴの試料Ｓの載置面においてｙ方向及びｘ方向に走査する）場合に、前述の効果が顕著に発揮される。ＣＧＨ２０とＨ方向に沿って１次元に配列された複数の光検出器４２とを備える光学情報検知装置１５０によって、例えば、ニードルスポット光ＬＮの２次元走査に対してＨ方向のサイドローブ部分Ｅ２が抑制されていれば、従来の装置で課題とされていたサイドローブ部分Ｅ２に起因する検知対象外の信号（所謂、アーティファクト）を低減することができる。

　光学情報検知装置１５０によれば、スポット光生成装置１０を備えるため、光変調器１４の光変調面１１４において中心ＡＱを通る所定の方向で欠損角φを制御すれば、ニードルスポット光の前述の所定の方向と光学的に等価な方向でサイドローブ部分Ｅ２を簡易に、且つ高い自由度で抑制することができる。なお、光学情報検知装置１５０は、第１の態様のスポット光形成装置１０に替えて、第２の態様のスポット光形成装置を備えてもよい。また、光学情報検知装置１５０に対して、第１の態様のスポット光形成装置１０及び第２の態様のスポット光形成装置に関して説明した変形例を適用してもよい。

　以上説明した第３の態様の顕微鏡３００は、上述の光学情報検知装置１５０と、光学情報検知装置１５０によって蛍光Ｌ３から取得された光学情報に基づいて試料Ｓに関するイメージ情報を作成するイメージ情報作成装置６０と、を備える。顕微鏡３００によれば、光変調器１４の変調面１１４での欠損角φを制御する、或いはレーザー光Ｌ１をラジアル偏光に変換して変調面１１４で中心ＡＱを通る境界線ＬＱを境界として０－πの位相反転を付与しつつ、環状領域Ｃによって反射することによって、ニードルスポット光ＬＮの所定の方向でサイドローブ部分Ｅ２を容易に、且つ高い自由度で抑制することができる。また、従来の方法のように、サイドローブ部分Ｅ２を抑制するために、２光子吸収の原理に基づく高価な光源を用いずに済む。

　以上、本発明に係る好ましい態様について詳述したが、本発明は上述の態様に限定されない。本発明では、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変更が可能である。また、互いに異なる態様の構成を適宜組み合わせてもよい。

　例えば、上述の光学情報検知装置１５０及び顕微鏡３００では、ニードルスポット光ＬＮが照射されることによって励起された試料Ｓの微小領域から発せられる蛍光Ｌ３を検知対象の光Ｌ２としたが、検知対象の光Ｌ２は蛍光Ｌ３に限定されない。検知対象の光Ｌ２は、例えばニードルスポット光ＬＮが照射されたときに照射領域内の少なくとも１つの微小領域から反射される反射光であってもよい。

　以下、本発明に係るスポット光生成装置、光学情報検知装置及び顕微鏡の実施例について説明する。なお、以下の実施例に関する記載内容に限定されない。

　第１の実施例では、図６に示すスポット光生成装置１０を構成した。光源１２として、５３２ｎｍのピーク波長を有するレーザー光Ｌ１を出射するレーザー光源（型番；ＤＪ５３２－４０、製造元；Ｔｈｏｒｌａｂ，Ｉｎｃ．）を用いた。光変調器１４として、ＬＣＯＳ－ＳＬＭ（型番；ＳＬＭ－１００、製造元；Ｓａｎｔｅｃ株式会社）を用いた。使用したＬＣＯＳ－ＳＬＭの変調面１１４の面積は、レンズ１６の瞳面の領域よりも大きかった。レンズ１５、１８の各々の焦点距離は、１５０ｍｍであった。レンズ１６６、１６８、２０の各々の焦点距離は、８０ｍｍであった。レンズ２２として、焦点距離２００ｍｍのチューブレンズを用いた。レンズ１６として、焦点距離５ｍｍ、開口数１．１５の水浸対物レンズを用いた。

　第１の実施例では、スポット光生成装置１０の光変調器１４の変調面１１４に第１の態様及び図２を参照して説明した振幅変調パターンを形成した。具体的には、光変調器１４の変調面１１４に、ｒをレンズ１６の瞳半径としたときに外径ｒ_１＝０．７１１ｒ、内径ｒ_２＝０．６８４ｒである円弧領域ＡＣを設定した。

　図７から図１１の各々の上段には、変調面１１４（すなわち、レンズ１６の瞳面（Ｐｕｐｉｌ））の変調パターンの２次元分布が示されている。図７から図１１の各々の中段には、レンズ１６の焦点（Ｆｏｃｕｓ）面に形成されたニードルスポット光ＬＮのｘ方向及びｙ方向を含む面での２次元光強度分布が示されている。図７から図１１の各々の下段の左側には、レンズ１６の焦点（Ｆｏｃｕｓ）面に形成されたニードルスポット光ＬＮのｘ方向及びｙ方向を含む面での２次元光強度分布が示されている。図７から図１１の各々の下段の中央には、レンズ１６の焦点（Ｆｏｃｕｓ）面に形成されたニードルスポット光ＬＮのｘ方向及びｙ方向を含む面での２次元光強度分布が示されている。図７から図１１の各々の下段の右側上には、レンズ１６の焦点（Ｆｏｃｕｓ）面に形成されたニードルスポット光ＬＮのｘ方向の１次元光強度分布が示されている。図７から図１１の各々の下段の右側下には、レンズ１６の焦点（Ｆｏｃｕｓ）面に形成されたニードルスポット光ＬＮのｙ方向の１次元光強度分布が示されている。なお、１次現強度分布の各グラフでは、最大光強度を１として規格化されている。

　図７には、欠損角φ＝０°の場合、すなわち円弧領域ＡＣ、ＡＣ同士が周方向で接続された環状領域Ｃに含まれる液晶分子の配光方向を上述のように制御した場合の測定結果が示されている。図７に示すように、欠損角φ＝０°の場合では、光軸Ａ１に沿って形成されるセントラルローブＥ１と、光軸Ａ１に交差するｘ方向及びｙ方向を含む面でセントラルローブＥ１の周囲に発生するサイドローブ部分Ｅ２とが現れた。セントラルローブＥ１のピーク強度は、サイドローブ部分Ｅ２の何れのピーク強度よりも高い。

　図８には、欠損角φ＝２０°の場合の測定結果が示されている。図９では、欠損角φ＝４０°の場合の測定結果が示されている。図１０では、欠損角φ＝６０°の場合の測定結果が示されている。図７から図１０に示すように、ｘ方向及びｙ方向を含む面での２次元光強度分布では、欠損角φが大きくなるにしたがって、セントラルローブＥ１の光量に対するサイドローブ部分Ｅ２の合計光量が増大した。また、欠損角φが大きくなるにしたがって、サイドローブ部分Ｅ２に含まれる複数のサイドローブのうち、光軸Ａ１に交差するｘ方向及びｙ方向を含む面でセントラルローブＥ１に最も近い第１サイドローブＳＳ１のピーク強度が増大し、セントラルローブＥ１の最大光強度に近づいた。図９及び図１０に示すように、欠損角φが４０°を超えて６０°に達すると、サイドローブ部分Ｅ２において、ｘ方向及びｙ方向を含む面でセントラルローブＥ１に対して第１サイドローブＳＳ１に次いで近い第２サイドローブＳＳ２のピーク強度が増大し、第１サイドローブＳ１及び第２サイドローブＳＳ２が顕在化した。

　図１１には、｜ｃｏｓψ｜の振幅変調マスクの場合の測定結果が示されている。図１１に示すように、ｘ方向及びｙ方向を含む面での２次元光強度分布では、第２の態様で説明した振幅変調マスクを用いた場合、欠損角φの大きさによらず、第１の態様で説明した一対の円弧領域ＡＣ、ＡＣを形成する場合に比べてサイドローブ部分Ｅ２が抑制されている。

　図１２は、横軸に第１の態様の欠損角φ（ｄｅｆｅｃｔ　ａｎｇｌｅ）をとり、縦軸にセントラルローブＥ１のピーク強度に対する第１サイドローブＳＳ１のピーク強度の比（すなわち、ピーク強度比）をとったグラフである。図１３は、横軸に欠損角φをとり、縦軸にセントラルローブＥ１のＦＷＨＭをとったグラフである。縦軸のセントラルローブＥ１のＦＷＨＭは、欠損角φが０°である場合のセントラルローブＥ１のＦＷＨＭを１としたときの比率を表している。図１２及び図１３の各グラフには、参照のために、第２の態様で説明した振幅変調マスクにおけるｘ方向での値が一点鎖線で示され、同じく振幅変調マスクにおけるｙ方向での値が二点鎖線で示されている。図１２に示すように、ｘ軸では、欠損角φが増大するにしたがってピーク強度比が増大し、欠損角φが約４０°以上では振幅変調マスクにおけるピーク強度比；０．５２を越した。一方、ｙ軸では、欠損角φが増大するにしたがってピーク強度比が減少し、振幅変調マスクにおけるピーク強度比；０．０４８に近づくが、欠損角φが９０°未満且つ９０°近傍であっても振幅変調マスクにおけるピーク強度比よりも高かった。また、図１３に示すように、ｘ軸では、欠損角φが増大するにしたがってセントラルローブＥ１のＦＷＨＭが減少し、欠損角φが約５０°以上では振幅変調マスクにおけるセントラルローブＥ１のＦＷＨＭ；０．８９よりも小さくなった。一方、ｙ軸では、欠損角φが増大するにしたがってセントラルローブＥ１のＦＷＨＭが増大し、欠損角φが約５０°以上では振幅変調マスクにおけるセントラルローブＥ１のＦＷＨＭ；１．２０よりも大きくなった。第２の態様の振幅変調マスクは、ｙ軸に対するサイドローブ抑制効果が高いが、欠損角φが０°の円環マスク集光（ベッセルビームが形成される状態）と比べてｘ軸で約３倍大きなサイドローブを示すことがわかった。図１２及び図１３に示すグラフから、第１サイドローブＳＳ１のピーク強度比とセントラルローブＥ１のＦＷＨＭの２つのパラメータに着目すると、第１の実施例の条件では、振幅変調マスクに相当する第１の態様の一対の円弧領域からなるマスクの欠損角φは４０°以上５０°以内が好適であることを確認した。

　第２の実施例では、図６に示す顕微鏡３００を構成した。但し、ニードルスポット光ＬＮのＨ方向でのサイドローブ部分Ｅ２が抑制された際の蛍光Ｌ３の強度分布を観察する目的で、ｚ方向での検知位置の分解は行わず、シフトスポット光を生成しなかった。すなわち、光変調器３２の変調面１３２には変調パターンを形成せず、光変調器３２に入射する蛍光Ｌ３の波面は変調面１３２によって何ら作用を受けることなく、蛍光Ｌ３は光変調器３２によって概ね反射されるものとした。また、光検出器４２の数は１つとした。レンズ１８２の焦点距離は、８０ｍｍであった。レンズ１８４の焦点距離は、１５０ｍｍであった。光変調器３２として、ＬＣＯＳ－ＳＬＭ（型番；ＳＬＭ－１００、製造元；Ｓａｎｔｅｃ株式会社）を用いた。レンズ２５の焦点距離は、３００ｍｍであった。光検出器４２として、市販のフォトディテクタ（型番；Ｒ１０４６７Ｕ－４０、製造元；浜松ホトニクス株式会社）を用いた。また、試料Ｓとして平均粒径０．２μｍの蛍光ビーズを用いた。

　図１４の上段には、光変調器１４の変調面１１４における欠損角φが左側から０°、３６°、５２°、６４°であるときの振幅変調パターンの２次元分布が示されている。図１４の下段には、変調面１１４に上段の振幅変調パターンを形成したときの蛍光ビーズの蛍光の発光分布を光検出器４２で検知した２次元画像が示されている。図１４に示すように、欠損角φが３６°、５２°、６４°であるときには、欠損角φが０°である、すなわち円環マスク集光（ベッセルビームが形成される状態）と比べて紙面の縦方向、すなわち変調面１１４で環状領域Ｃを分断する分断領域ＮＣ、ＮＣを形成した方向と光学的に等価な方向でニードルスポット光ＬＮのサイドローブ部分Ｅ２を抑圧し、試料Ｓからの蛍光Ｌ３を高いコントラストで検知することができた。

　以上説明した実施例の結果から、上述の各態様のスポット光生成装置、光学情報検知装置及び顕微鏡によれば、所定の方向でニードルスポット光ＬＮのサイドローブ部分Ｅ２を簡易な構成及び高い自由度で抑制することができることを確認した。

１０、１００　スポット光生成装置
１４　光変調器
１６　レンズ（集光素子）
１１４　変調面
１５０　光学情報検知装置
３００　顕微鏡
ＡＱ　中心
Ｃ　環状領域
ｒ_３　半径（所定の半径）
ｔ　幅（所定の幅）

Claims

　入射するレーザー光に対して空間的な振幅変調を可能とするように構成された変調面を有する光変調器と、
　前記光変調器から出射された前記レーザー光を集光する集光素子と、
　前記レーザー光の光軸上で前記光変調器と前記集光素子との間に配置され、前記集光素子の瞳面を前記変調面に像転送するリレーレンズと、
　を備え、
　前記変調面では、入射する前記レーザー光を透過又は反射する領域として、中心から所定の半径及び所定の幅を有する環状領域のうち前記中心を挟んで互いに対称な位置を基準として所定の角度の範囲内の領域によって分断された一対の円弧領域が形成されている、
　スポット光生成装置。
　前記円弧領域と前記所定の角度の範囲内の領域の各々における前記レーザー光の透過率又は反射率は周方向で不連続的に変化する、
　請求項１に記載のスポット光生成装置。
　前記円弧領域と前記所定の角度の範囲内の領域の各々における前記レーザー光の透過率又は反射率は周方向で連続的に変化する、
　請求項１に記載のスポット光生成装置。
　入射するレーザー光の偏光をラジアル偏光に変換するラジアル偏光素子と、
　前記ラジアル偏光素子から出射された前記レーザー光に対して位相変調可能に構成された変調面を有する光変調器と、
　前記光変調器から出射された前記レーザー光を集光する集光素子と、
　前記レーザー光の光軸上で前記光変調器と前記集光素子との間に配置され、前記集光素子の瞳面を前記変調面に像転送するリレーレンズと、
　を備え、
　前記変調面では、入射する前記レーザー光を透過又は反射する領域として、中心から所定の半径及び所定の幅を有する環状領域が形成され、前記中心と前記環状領域のうち前記中心を挟んで互いに対称な位置とを通る境界線を境界として両側の位相が互いに反転している、
　スポット光生成装置。
　前記集光素子によって集光した前記レーザー光によって形成されたスポット光によって生じた光を検出する光検出器が設けられ、
　前記光検出器の検出面が延在する第１方向は前記変調面の前記中心と前記中心を挟んで互いに対称な位置とを結ぶ第２方向と相対関係を有する、
　請求項１から４の何れか一項に記載のスポット光生成装置。
　前記変調面の振幅変調量を制御する制御装置を備え、
　前記制御装置は前記集光素子によって集光した前記レーザー光によって形成されたスポット光において前記変調面の前記中心と前記中心を挟んで互いに対称な位置とを結ぶ第２方向と相対関係を有する第１方向におけるセントラルローブのピーク強度に対するサイドローブのうち前記セントラルローブに最も近い第１サイドローブのピーク強度の比と前記セントラルローブの半値幅の各々に関する情報を取得し、前記情報に応じて前記所定の角度を設定する、
　請求項１から５の何れか一項に記載のスポット光生成装置。
　レーザー光を出射する光源と、
　請求項１から６の何れか一項に記載のスポット光生成装置と、
　前記レーザー光が前記スポット光生成装置の前記集光素子によって集光されることによって形成され且つ光軸に平行な方向の大きさが前記光軸に交差する方向での大きさよりも大きいニードルスポット光の照射領域内で試料に照射されたときに前記照射領域の前記光軸に平行な方向での互いに異なる複数の位置から発せられた出射光を前記出射光の光軸に交差する受光面で所定の方向に分離するシフトスポット光変換装置と、
　前記シフトスポット光変換装置によって前記受光面で前記所定の方向に分離された前記出射光を受光する光検出器を有し、前記出射光の出射位置の光学情報を取得する光学情報取得装置と、
　を備え、
　前記光検出器の検出面は前記変調面の前記中心と前記中心を挟んで互いに対称な位置とを結ぶ方向と光学的に等価な方向に延在している、
　光学情報検知装置。
　請求項７に記載の光学情報検知装置と、
　前記光学情報取得装置によって前記出射光から取得された光学情報に基づいて前記試料に関するイメージ情報を作成するイメージ情報作成装置と、
　を備える、
　顕微鏡。