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(In Japanese)顕微鏡装置、光ピックアップ装置及び光照射装置

Patent code P130009442
File No. AF18P002
Posted date Jun 27, 2013
Application number P2012-501912
Patent number P5693559
Date of filing Feb 24, 2011
Date of registration Feb 13, 2015
International application number JP2011054819
International publication number WO2011105618
Date of international filing Feb 24, 2011
Date of international publication Sep 1, 2011
Priority data
  • P2010-042763 (Feb 26, 2010) JP
Inventor
  • (In Japanese)佐藤 俊一
  • (In Japanese)小澤 祐市
  • (In Japanese)横山 弘之
  • (In Japanese)根本 知己
  • (In Japanese)日比 輝正
  • (In Japanese)橋本 信幸
  • (In Japanese)栗原 誠
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
  • (In Japanese)シチズン時計株式会社
Title (In Japanese)顕微鏡装置、光ピックアップ装置及び光照射装置
Abstract (In Japanese)顕微鏡装置は、第1の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、液晶層を有し、直線偏光にその液晶層を透過させることにより、直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子と、ラジアル偏光を物体面に集光する対物レンズと、物体面で反射された光を集光する集光レンズと、集光レンズにより集光された光を受光し、光の強度に応じた信号を出力する受光素子と、偏光変換素子が有する液晶層に、第1の波長に応じた電圧を印加するコントローラとを有する。偏光変換素子は、対物レンズの光源側の瞳面に配置される。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

従来より、照明光源としてレーザを用い、照明光源から出力されたレーザ光をサンプルに照射することにより、そのサンプルを観測する顕微鏡装置が利用されている。このような顕微鏡装置では、より解像度を高くするために、照明光源から照射され、サンプルに集光されるビームスポットの径が小さいほど望ましい。一般に、ビームスポットの最小径は、回折限界によって規定され、その最小径は波長に比例する。そのため、光源から照射される光の波長が短いほど、ビームスポットの径も小さくできる。

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

そこで、ラジアル偏光が注目されている。ラジアル偏光は、光軸を中心として、直線偏光の偏光面が放射状に分布する偏光である。ラジアル偏光を集光レンズにより焦点を結ばせることにより、焦点面に集光された光がz偏光(すなわち、光の伝播方向と電界方向が同じとなる偏光)となり、XまたはY偏光の回折限界によるビームスポット径よりも小さいスポット径に光を集光させることが可能であることが報告されている。また、ラジアル偏光を用いることにより、光軸に沿ってビーム径が狭い範囲が長くなり、これにより焦点深度も深くなることも報告されている(例えば、特開2008-39882号公報、Chin-Cherng Sun、Chin-Ku Liu、“Ultrasmall focusing spot with a long depth of focus based on polarization and phase modulation”、OPTICS LETTERS、Optical Society of America、2003年、第28巻、第2号、p.99-101及びHAIFENG WANG等、“Creation of a needle of longitudinally polarized light in vacuum using binary optics”、Nature photonics、2008年、第2巻、p.501-505を参照)。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子を用いた顕微鏡装置、光ピックアップ装置及び光照射装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
第1の波長を持つ直線偏光を出力する第1の光源と、
液晶分子が含まれる液晶層を有し、前記直線偏光に当該液晶層を透過させることにより、前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子と、
前記ラジアル偏光を物体面に集光する対物レンズと、
前記物体面からの光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光を受光し、当該光の強度に応じた信号を出力する受光素子と、
前記偏光変換素子が有する前記液晶層に前記第1の波長に応じた電圧を印加するコントローラと、
を有し、
前記偏光変換素子は、前記対物レンズの前記光源側に配置され、光軸に沿って配置された、入射光の一部の位相を反転する位相反転素子と、前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光面回転素子とを有し、
前記偏光面回転素子は、前記液晶層と、該液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第1の透明電極とを有し、
前記液晶層は、前記偏光面回転素子と前記光軸との第1の交点を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、前記複数の領域のそれぞれに含まれる前記液晶分子の配向方向は互いに異なり、
前記液晶層の前記複数の領域のそれぞれは、前記二つの第1の透明電極間に前記第1の波長に応じた電圧が印加されることにより、前記直線偏光のうちの当該領域を透過した成分の偏光面を、当該領域に含まれる前記液晶分子の配向方向に応じて前記第1の交点を中心とする放射方向に平行となるように回転させ、
前記位相反転素子は、該位相反転素子と前記光軸との第2の交点を中心とした放射方向に沿って交互に配置された第1の輪帯部分及び第2の輪帯部分を有し、前記第1の輪帯部分に入射した前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相を、前記第2の輪帯部分に入射した前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相に対して反転させる、
ことを特徴とする顕微鏡装置。

【請求項2】
 
前記複数の領域のそれぞれに含まれる前記液晶分子の配向方向は、前記偏光面回転素子に入射した直線偏光の偏光面となす角度が、前記第1の交点及び当該領域を通る所定の直線と前記偏光面との間の角度の1/2となる方向であり、
前記二つの第1の透明電極間に前記第1の波長に応じた電圧が印加されることにより、前記偏光面回転素子は、前記直線偏光のうち、前記複数の領域のそれぞれを透過した成分の偏光面を、前記直線偏光の偏光面と前記配向方向のなす角の2倍の角度回転させて前記所定の線と平行にする、請求項1に記載の顕微鏡装置。

【請求項3】
 
前記複数の領域のそれぞれにおける前記所定の線は、前記第1の交点を通り、かつ当該領域を2等分する線である、請求項2に記載の顕微鏡装置。

【請求項4】
 
前記複数の領域は、前記第1の交点を中心とする円周方向に沿って前記液晶層を等分割することにより得られ、前記複数の領域のうち、前記直線偏光の偏光面に平行でかつ前記光軸を通る面と交差する最大二つの領域の何れか一方を第1の領域とし、前記複数の領域の総数をNとしたときに該第1の領域に対して時計回りまたは反時計回りの順にn番目の領域における前記配向方向と、前記第1の領域に入射する前記直線偏光の偏光面とがなす角度θが、
θ=360°×(n-1)/(2N)
となるように、前記複数の領域のそれぞれにおける前記配向方向が設定され、ここでnは1からNの何れかの整数である、請求項1に記載の顕微鏡装置。

【請求項5】
 
前記位相反転素子は、
液晶分子が含まれる第2の液晶層と、
該第2の液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第2の透明電極とを有し、
前記二つの第2の透明電極のうちの一方は、前記第1の輪帯部分に対応した複数の輪帯電極であり、該輪帯電極と前記二つの第2の透明電極の他方との間に前記第1の波長に応じた電圧を印加することにより、前記第1の輪帯部分に入射する前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相を反転させる、請求項1~4の何れか一項に記載の顕微鏡装置。

【請求項6】
 
前記位相反転素子は、前記偏光面回転素子の入射側に配置され、
前記第2の液晶層に含まれる液晶分子は、前記位相反転素子に入射する直線偏光の偏光面と平行な方向に沿って配向される、請求項5に記載の顕微鏡装置。

【請求項7】
 
前記位相反転素子は、前記偏光面回転素子の出射側に配置され、
前記第2の液晶層に含まれる液晶分子は、前記第2の交点を中心とした放射状に配向される、請求項5に記載の顕微鏡装置。

【請求項8】
 
前記第1の波長と異なる第2の波長を持つ直線偏光を出力し、当該第2の波長を持つ直線偏光が前記偏光変換素子及び前記対物レンズを通って前記物体面に集光されるように配置された第2の光源をさらに有し、
前記コントローラは、前記第1の光源及び前記第2の光源のうちの何れか一方を点灯させるとともに、当該点灯中の光源から出力される直線偏光の波長に応じた電圧を前記二つの第1の透明電極間及び前記二つの第2の透明電極間に印加する、請求項5~7の何れか一項に記載の顕微鏡装置。

【請求項9】
 
所定の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、
液晶分子が含まれる液晶層を有し、当該液晶層を透過した前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子と、
前記ラジアル偏光を物体面に集光する対物レンズと、
前記物体面で反射された光を結像する結像レンズと、
前記結像レンズにより結像された光を受光し、当該光の強度に応じた信号を出力する受光素子と、
前記偏光変換素子が有する前記液晶層に前記所定の波長に応じた電圧を印加する駆動回路と、
前記信号が最大となるように前記駆動回路が出力する電圧を調節するコントローラと、
を有し、
前記偏光変換素子は、前記対物レンズの前記光源側の瞳面に配置され、光軸に沿って配置された、入射光の一部の位相を反転する位相反転素子と、前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光面回転素子とを有し、
前記偏光面回転素子は、前記液晶層と、該液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第1の透明電極とを有し、
前記液晶層は、前記偏光面回転素子と前記光軸との第1の交点を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、前記複数の領域のそれぞれに含まれる前記液晶分子の配向方向は互いに異なり、
前記液晶層の前記複数の領域のそれぞれは、前記二つの第1の透明電極間に前記所定の波長に応じた電圧が印加されることにより、前記直線偏光のうちの当該領域を透過した成分の偏光面を、当該領域に含まれる前記液晶分子の配向方向に応じて前記第1の交点を中心とする放射方向に平行となるように回転させ、
前記位相反転素子は、該位相反転素子と前記光軸との第2の交点を中心とした放射方向に沿って交互に配置された第1の輪帯部分及び第2の輪帯部分を有し、前記第1の輪帯部分に入射した前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相を、前記第2の輪帯部分に入射した前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相に対して反転させる、
ことを特徴とする光ピックアップ装置。

【請求項10】
 
所定の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、
液晶分子が含まれる液晶層を有し、当該液晶層を透過した前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子と、
前記ラジアル偏光を物体面に集光する対物レンズと、
前記所定の波長に応じた電圧を前記液晶層に印加する駆動回路と、
を有し、
前記偏光変換素子は、前記対物レンズの前記光源側の瞳面に配置され、光軸に沿って配置された、入射光の一部の位相を反転する位相反転素子と、前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光面回転素子とを有し、
前記偏光面回転素子は、前記液晶層と、該液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第1の透明電極とを有し、
前記液晶層は、前記偏光面回転素子と前記光軸との第1の交点を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、前記複数の領域のそれぞれに含まれる前記液晶分子の配向方向は互いに異なり、
前記液晶層の前記複数の領域のそれぞれは、前記二つの第1の透明電極間に前記所定の波長に応じた電圧が印加されることにより、前記直線偏光のうちの当該領域を透過した成分の偏光面を、当該領域に含まれる前記液晶分子の配向方向に応じて前記第1の交点を中心とする放射方向に平行となるように回転させ、
前記位相反転素子は、該位相反転素子と前記光軸との第2の交点を中心とした放射方向に沿って交互に配置された第1の輪帯部分及び第2の輪帯部分を有し、前記第1の輪帯部分に入射した前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相を、前記第2の輪帯部分に入射した前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相に対して反転させる、
ことを特徴とする光照射装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2012501912thum.jpg
State of application right Registered
Reference ( R and D project ) CREST Enhancing Applications of Innovative Optical Science and Technologies by making Ultimate Use of Advanced Light Sources AREA
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