(57)【要約】【課題】入射する光の偏光状態を円偏光のまま維持しつつ、入射する光に対する位相変調量の切り替えに要する時間を短縮可能な光位相変調装置を提供する。【解決手段】光位相変調装置は、円偏光を発する光源２と、第１の液晶層２０を透過する、光源２から発した円偏光の互いに直交する偏光成分間にその円偏光の半波長または波長の整数倍に相当する位相差を与えるとともに、第１の液晶層に印加される電圧に応じた第１の位相変調量だけその円偏光の位相を変調する第１の位相制御素子３−１と、第２の液晶層２０を透過する、第１の位相制御素子３−１から出射した円偏光の互いに直交する偏光成分間にその円偏光の半波長または波長の整数倍に相当する位相差を与えるとともに、第２の液晶層に印加される電圧に応じた第２の位相変調量だけその円偏光の位相を変調する第２の位相制御素子３−２と、各位相制御素子に印加する電圧を制御するコントローラ４を有する。【選択図】図４
2020024269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円偏光を発する光源と、
第１の位相制御素子であって、前記第１の位相制御素子を透過する、前記光源から発した前記円偏光の互いに直交する偏光成分間に当該円偏光の半波長または波長の整数倍に相当する位相差を与えるとともに、前記第１の位相制御素子に印加される電圧に応じた第１の位相変調量だけ前記光源から発した前記円偏光の位相を変調する第１の位相制御素子と、
第２の位相制御素子であって、前記第２の位相制御素子を透過する、前記第１の位相制御素子から出射した前記円偏光の互いに直交する偏光成分間に当該円偏光の半波長または波長の整数倍に相当する位相差を与えるとともに、前記第２の位相制御素子に印加される電圧に応じた第２の位相変調量だけ前記第１の位相制御素子から出射した前記円偏光の位相を変調する第２の位相制御素子と、
前記第１の位相制御素子に印加する電圧及び前記第２の位相制御素子に印加する電圧を制御するコントローラと、
を有する光位相変調装置。
【請求項２】
前記第１の位相制御素子は、強誘電性液晶が含まれる第１の液晶層と、前記第１の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの第１の透明電極とを有し、前記コントローラが前記二つの第１の透明電極間に印加される電圧の向きを反転させることで前記第１の液晶層内の前記強誘電性液晶が電圧の印加方向と直交する面に沿って第１の方向に前記第１の位相変調量の1/2に相当する角度だけ傾き、かつ、前記第１の位相制御素子は前記第１の液晶層を透過する、前記光源から発した前記円偏光の互いに直交する偏光成分間に当該円偏光の半波長に相当する位相差を与え、
前記第２の位相制御素子は、強誘電性液晶が含まれる第２の液晶層と、前記第２の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの第２の透明電極とを有し、前記コントローラが前記二つの第２の透明電極間に印加される電圧の向きを反転させることで前記第２の液晶層内の前記強誘電性液晶が電圧の印加方向と直交する面に沿って前記第１の方向と反対の第２の方向に前記第２の位相変調量の1/2に相当する角度だけ傾く、請求項１に記載の光位相変調装置。
【請求項３】
右回りの円偏光成分と左回りの円偏光成分とを含む光束を発する光源と、
第１の位相制御素子であって、前記第１の位相制御素子を透過する、前記光源から発した前記光束の前記右回りの円偏光成分及び前記左回りの円偏光成分のそれぞれについて、当該円偏光成分に含まれる互いに直交する偏光成分間に当該円偏光成分の半波長または波長の整数倍に相当する位相差を与えるとともに、前記第１の位相制御素子に印加される電圧に応じて前記右回りの円偏光成分の位相及び前記左回りの円偏光成分の位相を変調して前記右回りの円偏光成分と前記左回りの円偏光成分間に第１の位相差を生じさせる第１の位相制御素子と、
第２の位相制御素子であって、前記第２の位相制御素子を透過する、前記第１の位相制御素子から出射した前記光束の前記右回りの円偏光成分及び前記左回りの円偏光成分のそれぞれについて、当該円偏光成分に含まれる互いに直交する偏光成分間に当該円偏光成分の半波長または波長の整数倍に相当する位相差を与えるとともに、前記第２の位相制御素子に印加される電圧に応じて前記右回りの円偏光成分の位相及び前記左回りの円偏光成分の位相を変調して前記右回りの円偏光成分と前記左回りの円偏光成分間に第２の位相差を生じさせる第２の位相制御素子と、
前記第２の位相制御素子から出射した、前記右回りの円偏光成分及び前記左回りの円偏光成分を含む光束を互いに直交する直線偏光を含む光束に変換する1/4波長板と、
前記互いに直交する直線偏光間に、投影される周期的なパターンに応じた位相差を与えることで、前記1/4波長板から出射した前記互いに直交する直線偏光を含む光束を、前記第１の位相差及び前記第２の位相差の和と前記パターン内の位置とに応じた長軸方向及び楕円率を持つ楕円偏光に変換するパターン表示素子と、
前記楕円偏光のうちの所定の方向の偏光成分を透過させる検光子と、
前記第１の位相制御素子に印加する電圧及び前記第２の位相制御素子に印加する電圧を制御するコントローラと、
を有する照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の位相を変調する光位相変調装置、及び、そのような光位相変調装置を利用した照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
干渉計を用いて対象物の形状を測定する場合、あるいは、光記録媒体に情報を書き込む場合、その測定あるいは書き込みに利用される光の位相を制御することがもとめられることがある。光の位相を制御するための光位相変調素子として、ネマティック液晶を利用した液晶素子が知られている。
【０００３】
対象物の形状の測定あるいは情報の書き込みに要する所要時間を短縮するためには、測定などに利用される光の位相の切り替えに要する時間を短縮することが求められる。特に、光位相変調素子として液晶素子が用いられる場合、位相の切り替えに要する時間は、液晶素子の応答速度に応じたものとなる。しかし、ネマティック液晶の応答速度は比較的遅いので、ネマティック液晶を用いた光位相変調素子が利用される場合、所要時間を短縮することが困難となる。
【０００４】
また、ネマティック液晶よりも応答速度が速い液晶素子として、強誘電性液晶（Ferroelectric Liquid Crystal, FLC）を用いた液晶素子が知られている。しかし、FLCを用いた液晶素子では、一般に、液晶が含まれる液晶層に印加される電圧に応じて、FLCの分極方向が変化し、その結果として進相軸及び遅相軸が電圧の印加方向と直交する面に沿って傾く。そのため、液晶素子を透過する光の偏光状態が、その液晶素子を透過することにより変化してしまう。そこで、偏光状態を変えることなく光の位相のみを高速に変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この技術によれば、位相制御装置は、進相軸を少なくとも二つの方位に切り替え、入射した光の進相軸及び遅相軸の間に第１のリタデーションを与える第１のリタデーション付加部と、進相軸を少なくとも二つの方位に切り替え、第２のリタデーションを与える第２のリタデーション付加部と、第１のリタデーション付加部及び第２のリタデーション付加部の進相軸の方位をそれぞれ制御する進相軸制御部とを備え、第１のリタデーション付加部と第２のリタデーション付加部は重ねて配置され、進相軸制御部が、第１のリタデーション付加部及び第２のリタデーション付加部の進相軸を所望の方位にそれぞれ制御する第１の制御状態、または、第１のリタデーション付加部及び第２のリタデーション付加部の進相軸を第１の制御状態とは異なる方位に制御する第２の制御状態のどちらかを選択する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１６／２０８０４７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の技術では、位相制御装置に入射する光は直線偏光であり、その入射光の偏光状態は、位相制御装置を透過しても直線偏光のまま維持される。しかし、用途によっては、円偏光の状態を維持したまま、光の位相を制御することがもとめられることがある。
【０００７】
そこで、本発明は、入射する光の偏光状態を円偏光のまま維持しつつ、入射する光に対する位相変調量の切り替えに要する時間を短縮可能な光位相変調装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの側面によれば、光位相変調装置が提供される。この光位相変調装置は、円偏光を発する光源と、第１の位相制御素子であって、その第１の位相制御素子を透過する、光源から発した円偏光の互いに直交する偏光成分間にその円偏光の半波長または波長の整数倍に相当する位相差を与えるとともに、第１の位相制御素子に印加される電圧に応じた第１の位相変調量だけ光源から発した円偏光の位相を変調する第１の位相制御素子と、第２の位相制御素子であって、その第２の位相制御素子を透過する、第１の位相制御素子から出射した円偏光の互いに直交する偏光成分間にその円偏光の半波長または波長の整数倍に相当する位相差を与えるとともに、第２の位相制御素子に印加される電圧に応じた第２の位相変調量だけ第１の位相制御素子から出射した円偏光の位相を変調する第２の位相制御素子と、第１の位相制御素子に印加する電圧及び第２の位相制御素子に印加する電圧を制御するコントローラとを有する。
【０００９】
この光位相変調装置において、第１の位相制御素子は、強誘電性液晶が含まれる第１の液晶層と、第１の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの第１の透明電極とを有し、コントローラが二つの第１の透明電極間に印加される電圧の向きを反転させることで第１の液晶層内の強誘電性液晶が電圧の印加方向と直交する面に沿って第１の方向に第１の位相変調量の1/2に相当する角度だけ傾き、かつ、第１の位相制御素子は、第１の液晶層を透過する、光源から発した円偏光の互いに直交する偏光成分間にその円偏光の半波長に相当する位相差を与え、第２の位相制御素子は、強誘電性液晶が含まれる第２の液晶層と、第２の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの第２の透明電極とを有し、コントローラが二つの第２の透明電極間に印加される電圧の向きを反転させることで第２の液晶層内の強誘電性液晶が電圧の印加方向と直交する面に沿って第１の方向と反対の第２の方向に第２の位相変調量の1/2に相当する角度だけ傾くことが好ましい。
【００１０】
本発明の他の側面によれば、照明装置が提供される。この照明装置は、右回りの円偏光成分と左回りの円偏光成分とを含む光束を発する光源と、第１の位相制御素子であって、その第１の位相制御素子を透過する、光源から発した光束の右回りの円偏光成分及び左回りの円偏光成分のそれぞれについて、その円偏光成分に含まれる互いに直交する偏光成分間にその円偏光成分の半波長または波長の整数倍に相当する位相差を与えるとともに、第１の位相制御素子に印加される電圧に応じて右回りの円偏光成分の位相及び左回りの円偏光成分の位相を変調して右回りの円偏光成分と左回りの円偏光成分間に第１の位相差を生じさせる第１の位相制御素子と、第２の位相制御素子であって、その第２の位相制御素子を透過する、第１の位相制御素子から出射した光束の右回りの円偏光成分及び左回りの円偏光成分のそれぞれについて、その円偏光成分に含まれる互いに直交する偏光成分間にその円偏光成分の半波長または波長の整数倍に相当する位相差を与えるとともに、第２の位相制御素子に印加される電圧に応じて右回りの円偏光成分の位相及び左回りの円偏光成分の位相を変調して右回りの円偏光成分と左回りの円偏光成分間に第２の位相差を生じさせる第２の位相制御素子と、第２の位相制御素子から出射した、右回りの円偏光成分及び左回りの円偏光成分を含む光束を互いに直交する直線偏光を含む光束に変換する1/4波長板と、互いに直交する直線偏光間に、投影される周期的なパターンに応じた位相差を与えることで、1/4波長板から出射した互いに直交する直線偏光を含む光束を、第１の位相差及び第２の位相差の和とパターン内の位置とに応じた長軸方向及び楕円率を持つ楕円偏光に変換するパターン表示素子と、楕円偏光のうちの所定の方向の偏光成分を透過させる検光子と、第１の位相制御素子に印加する電圧及び第２の位相制御素子に印加する電圧を制御するコントローラとを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る光位相変調装置は、入射する光の偏光状態を円偏光のまま維持しつつ、入射する光に対する位相変調量の切り替えに要する時間を短縮できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一つの実施形態に係る光位相変調装置及びその光位相変調装置を含む測定光学系の概略構成図である。
【図２】（ａ）は、FLC素子を光源側から見た概略正面図であり、（ｂ）は、（ａ）の矢印Ａ、Ａ’で示される線における、FLC素子の概略側面断面図である。
【図３】FLC素子に入射する円偏光に対する、FLC素子から出射する円偏光及びFLC素子の方位角の関係の一例を示す図である。
【図４】各FLC素子の方位角と、各FCL素子に印加される電圧と、各FLC素子を透過する参照光の位相変調量の関係の一例を示す図である。
【図５】変形例による光位相変調装置についての、各FLC素子の方位角と、各FLC素子に印加される電圧と、各FLC素子を透過する円偏光の位相変調量の関係の一例を示す図である。
【図６】さらなる変形例による光位相変調装置を含む照明装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図を参照しつつ、一つの実施形態による光位相変調装置について説明する。この光位相変調装置は、光源から発した円偏光の位相を制御するために、その円偏光の経路に沿って並べられる二つの強誘電性液晶素子を有する。二つの強誘電性液晶素子のそれぞれは、ネマティック液晶素子よりも応答速度が速い位相制御素子の一例である。そして二つの強誘電性液晶素子のそれぞれは、進相軸方向の偏光成分と遅相軸方向の偏光成分との間に、円偏光の半波長に相当する位相差、すなわち、位相差(2n+1)π(ただし、nは0以上の整数)を生じさせる。そのため、光源から発した円偏光は、一つ目の強誘電性液晶素子を透過することで、円偏光の回転方向が反転し、回転方向が反転した円偏光が二つ目の強誘電性液晶素子を透過することで、円偏光の回転方向が再度反転する。そのため、光源から発した円偏光の偏光状態は、光位相変調装置が有する二つの強誘電性液晶素子を透過することで、同じ回転方向の円偏光のまま維持される。また、二つの強誘電性液晶素子は、電圧の印加方向が反転されることで、電圧の印加方向と直交する面において進相軸及び遅相軸が互いに逆向きに傾くように液晶分子が配向される。そして進相軸及び遅相軸が傾くことで、その傾きの角度（以下、方位角と呼ぶ）に応じた位相変調量だけ、透過する円偏光の位相が変調される。これにより、二つの強誘電性液晶素子に印加される電圧を制御することで、二つの強誘電性液晶素子を透過した円偏光の位相が制御される。
【００１４】
図１は、本発明の一つの実施形態に係る光位相変調装置及びその光位相変調装置を含む測定光学系の概略構成図である。図１に示されるように、光位相変調装置１は、光源２と、二つの強誘電性液晶素子３−１、３−２（以下、FLC素子３−１、３−２と呼ぶ）と、二つのFLC素子３−１、３−２を駆動するためのコントローラ４とを有する。
【００１５】
光位相変調装置１の光源２から発した円偏光は、マッハ・ツェンダー干渉計タイプの光学系である測定光学系１００のビームスプリッタ５−１により、測定光と参照光とに分割される。二つのFLC素子３−１、３−２は、それぞれ、第１の位相制御素子及び第２の位相制御素子の一例であり、参照光の光路中に配置される。そしてビームスプリッタ５−１から出射した参照光は、ミラー６にて反射され、二つのFLC素子３−１、３−２を順に透過して位相変調された後、ビームスプリッタ５−２により測定光と合わされて、検出器９に入射する。
【００１６】
一方、ビームスプリッタ５−１から出射した測定光は、測定対象となるサンプル７を透過した後、ミラー８で反射され、ビームスプリッタ５−２により参照光と合わされて、検出器９に入射する。そして検出器９は、例えば、イメージセンサであり、測定光と参照光とにより形成される、サンプル７の屈折率分布に応じた干渉縞を表す電気信号を生成し、その電気信号をコントローラ４へ出力する。
【００１７】
なお、図示されていないが、測定光学系１００は、光源２から発した円偏光を平行光化するためのコリメータを光源２とビームスプリッタ５−１の間に有していてもよい。また、測定光学系１００は、測定光と参照光を検出器９に集光するための集光レンズをビームスプリッタ５−２と検出器９との間に有していてもよい。また、FLC素子３−１、３−２は、参照光の光路に配置される代わりに、測定光の光路に配置されてもよい。
【００１８】
コントローラ４は、二つのFLC素子３−１、３−２のそれぞれに印加する電圧を制御することで、二つのFLC素子３−１、３−２による測定光に対する位相変調量を制御する。そしてコントローラ４は、例えば、互いに異なる位相変調量ごとの、干渉縞を表す電気信号と、その位相変調量とに基づいて、サンプル７の屈折率分布を求める。
【００１９】
以下、光位相変調装置１の各構成要素について説明する。
【００２０】
光源２は、円偏光を出力する。そのために、光源２は、例えば、半導体レーザ、ガスレーダあるいは固体レーザといった、直線偏光を出力する発光素子と、発光素子から出力された直線偏光を円偏光に変換するよう、直線偏光の偏光面と進相軸とが45°の角度をなすように配置された1/4波長板とを有する。あるいは、光源２は、スピン発光ダイオードといった、円偏光そのものを発する発光素子を有してもよい。
【００２１】
FLC素子３−１、３−２は、FLC素子３−１、３−２を透過する円偏光（図１の例では、参照光）の位相を変調する。FLC素子３−１、３−２は、FLCを用いた液晶素子である。FLC素子３−１とFLC素子３−２とは、印加される電圧の向きが変更される時のFLC分子が傾く方向、すなわち、進相軸及び遅相軸の回転方向が互いに対して逆向きとなる以外は同一とすることができるので、以下では、FLC素子３−１について説明する。
【００２２】
図２（ａ）は、FLC素子３−１を光源２側から見た概略正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の矢印Ａ、Ａ’で示される線における、FLC素子３−１の概略側面断面図である。
FLC素子３−１は、コントローラ４により印加される電圧に応じた位相変調量だけ透過した円偏光の位相を変調する。またFLC素子３−１は、入射する円偏光のうち、遅相軸に沿った偏光成分と進相軸に沿った偏光成分との間に、入射する円偏光の半波長に相当する位相差を生じさせることで、円偏光の回転方向を反転させる。
【００２３】
そのために、FLC素子３−１は、液晶層２０と、測定光学系１００の光軸ＯＡに沿って液晶層２０を挟んで対向し、かつ、略平行に配置された透明基板２１、２２を有する。またFLC素子３−１は、透明基板２１と液晶層２０の間に配置された透明電極２３と、液晶層２０と透明基板２２の間に配置された透明電極２４とを有する。そして液晶層２０の強誘電性液晶分子(以下、FLC分子)２５は、透明基板２１及び２２に挟まれ、シール部材２６に囲まれる部分に封入されている。液晶層２０の光軸ＯＡに沿った厚さは、液晶層２０の進相軸に沿った偏光成分と液晶層２０の遅相軸に沿った偏光成分との間の位相差が2(n+1)π(ただし、nは0以上の整数)となるように設計される。
【００２４】
透明基板２１、２２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、光源２が発する円偏光に対して透明な材料により形成される。また透明電極２３、２４は、例えば、ＩＴＯと呼ばれる、酸化インジウムに酸化スズを添加した材料により形成される。
【００２５】
本実施形態では、透明電極２３、２４は、それぞれ、入射する円偏光が透過する領域全体を覆うように設けられる。そして液晶層２０のFLC分子２５は、入射側の透明電極２３の電位が出射側の透明電極２４の電位よりも所定の電圧以上高い場合に、光軸ＯＡと直交する面、すなわち、透明基板２１、２２の液晶層２０側の面と平行な面においてFLC分子２５の長軸方向が所定の方向（以下、説明の便宜上、配向方向と呼ぶ）を向くように配向される。
【００２６】
一方、出射側の透明電極２４の電位が入射側の透明電極２３の電位よりも所定の電圧以上高い場合に、FLC分子２５の長軸方向は、光軸ＯＡと直交する面、すなわち、電圧が印加される方向と直交する面において配向方向に対して予め設定された方位角αだけ傾く。FLC分子２５の長軸方向が配向方向を向いている場合における、透過する円偏光の位相に対して、FLC分子２５の長軸方向が方位角αだけ傾いた場合における、透過する円偏光の位相は、２αに相当する位相変調量だけ変調される。
【００２７】
なお、出射側の透明電極２４の電位が入射側の透明電極２３の電位よりも所定の電圧以上高い場合に、FLC分子２５の長軸方向が所定の配向方向を向き、一方、入射側の透明電極２３の電位が出射側の透明電極２４の電位よりも所定の電圧以上高い場合に、FLC分子２５の長軸方向は方位角αだけ傾くようにFLC素子３−１は構成されてもよい。
以下では、FLC分子２５の長軸方向が所定の配向方向を向いているときの位相変調量を基準として（すなわち、位相変調量0）、位相変調量の値を説明する。
【００２８】
図３は、FLC素子３−１に入射する円偏光に対する、FLC素子３−１から出射する円偏光及びFLC素子３−１の方位角の関係の一例を示す図である。図３に示される例では、FLC素子３−１に右回りの円偏光が入射する。その円偏光は、FLC素子３−１を透過することで、左回りの円偏光となる。また、FLC分子２５は、上記のように、出射側の透明電極２４の電位が入射側の透明電極２３の電位よりも所定の電圧以上高い場合に、光源２側から見て右回りに方位角αだけ配向方向３０１から傾く。円偏光に対する位相変調量は、ジョーンズベクトルを用いた次式に従って算出される。
【数１】
2020024269.tif 000003
この場合、入射する円偏光の回転方向と、FLC分子２５が傾く方向とが同じ方向であるため、位相変調量は(-2α)、すなわち、入射側の透明電極２３の電位が出射側の透明電極２４の電位よりも所定の電圧以上高い場合と比較して、透過する円偏光の位相は2αだけ遅くなる。逆に、入射する円偏光の回転方向と、FLC分子２５が傾く方向とが逆方向である場合、位相変調量は2αとなる。
したがって、コントローラ４は、FLC素子３−１の透明電極２３と透明電極２４間に印加する電圧をいわゆるバイナリ変調によって制御することで、FLC素子３−１を透過する円偏光の位相を制御できる。
【００２９】
FLC素子３−２も、上記のように、FLC素子３−１と同様の構造を有する。したがって、コントローラ４は、FLC素子３−２の透明電極２３と透明電極２４間に印加する電圧をいわゆるバイナリ変調によって制御することで、FLC素子３−２を透過する円偏光の位相を制御できる。
【００３０】
ただし、FLC素子３−２では、出射側の透明電極２４の電位が入射側の透明電極２３の電位よりも所定の電圧以上高い場合に、FLC分子２５の長軸方向は、光軸ＯＡと直交する面において、FLC素子３−１のFLC分子２５が傾く方向とは逆向きに、配向方向に対して方位角αだけ傾く。一方、FLC素子３−１を透過することで、円偏光の回転方向は反転している。そのため、FLC素子３−１に入射する円偏光の回転方向とFLC素子３−１におけるFLC分子２５が傾く方向との関係と、FLC素子３−２に入射する円偏光の回転方向とFLC素子３−２におけるFLC分子２５が傾く方向との関係とは同一となる。したがって、FLC素子３−１とFLC素子３−２とは、同じ位相変調量だけ透過する円偏光の位相を変調することができる。
【００３１】
コントローラ４は、例えば、一つまたは複数のプロセッサと、不揮発性の半導体メモリ及び揮発性の半導体メモリと、FLC素子３−１、３−２を駆動するための駆動回路と、検出器９及び他の機器と通信するための通信インターフェースとを有する。そしてコントローラ４は、FLC素子３−１、３−２のそれぞれに印加する電圧を制御することで、FLC素子３−１、３−２を透過した参照光の位相を変調する。またコントローラ４は、互いに異なる位相変調量ごとの、検出器９から受信した干渉縞を表す電気信号と、その位相変調量とに基づいて、サンプル７の屈折率分布を求める。
【００３２】
図４は、FLC素子３−１、３−２の方位角と、FCL素子３−１、３−２に印加される電圧と、FLC素子３−１、３−２を透過する参照光の位相変調量の関係の一例を示す図である。この例では、FLC素子３−１の方位角αが60°であり、かつ、FLC素子３−２の方位角αが-60°に設定される。なお、この例では、方位角は、入射側、すなわち光源２側から見たときに右回り方向を正として表される。また、図４では、出射側の透明電極２４の電位が入射側の透明電極２３の電位よりも高い場合、FLC素子３−１、３−２に印加される電圧を正で表し、入射側の透明電極２３の電位が出射側の透明電極２４の電位よりも高い場合、FLC素子３−１、３−２に印加される電圧を負で表す。すなわち、FLC素子３−１に印加される電圧Vが負であり、かつ、その絶対値が所定の電圧Vthよりも大きい場合、FLC分子２５の長軸方向は矢印４０１で表される配向方向を向き、一方、FLC素子３−１に印加される電圧Vが正であり、かつ、その絶対値が所定の電圧Vthよりも大きい場合、FLC分子２５の長軸方向は矢印４０２で表される、配向方向に対して60°右回りに傾いた方向を向く。同様に、FLC素子３−２に印加される電圧Vが負であり、かつ、その絶対値が所定の電圧Vthよりも大きい場合、FLC分子２５の長軸方向は矢印４０３で表される配向方向を向き、一方、FLC素子３−２に印加される電圧Vが正であり、かつ、その絶対値が所定の電圧Vthよりも大きい場合、FLC分子２５の長軸方向は矢印４０４で表される、配向方向に対して60°左回りに傾いた方向を向く。なお、電圧Vthは、FLC分子２５を駆動するために要する電圧であり、例えば、2V程度に設定される。また、以下では、絶対値が電圧Vthよりも大きく、かつ、負の電圧を印加することを、単に負の電圧を印加すると呼び、絶対値が電圧Vthよりも大きく、かつ、正の電圧を印加することを、単に正の電圧を印加すると呼ぶ。また、この例では、FLC素子３−１のFLC分子２５の配向方向と、FLC素子３−２のFLC分子２５の配向方向は同一としたが、FLC素子３−１のFLC分子２５の配向方向と、FLC素子３−２のFLC分子２５の配向方向とは互いに異なっていてもよい。
【００３３】
図４の右側のタイミングチャートにおいて、横軸は時間を表す。折れ線４１１は、FLC素子３−１に印加される電圧の時間変化を表し、折れ線４１２は、FLC素子３−２に印加される電圧の時間変化を表す。そして折れ線４１３は、FLC素子３−１、３−２の両方を透過した円偏光に対する位相変調量の時間変化を表す。
【００３４】
期間P1のように、FLC素子３−１、３−２の何れにも負の電圧が印加される場合、何れのFLC素子についてもFLC分子が傾かないため、位相変調量は0となる。これに対して、期間P2または期間P4のように、FLC素子３−１、３−２の何れか一方に正の電圧が印加され、他方に負の電圧が印加される場合、正の電圧が印加された方のFLC素子のFLC分子２５が方位角の絶対値60°だけ入射する円偏光の回転方向と同じ向きに傾くので、位相変調量は120°となる。また、期間P3のように、FLC素子３−１、３−２の両方に正の電圧が印加される場合、各FLC素子のFLC分子２５が方位角の絶対値60°だけ入射する円偏光の回転方向と同じ向きに傾くので、位相変調量は240°となる。したがって、コントローラ４は、FLC素子３−１、３−２を透過する円偏光に対する位相変調量を、0°、120°、240°の間で切り替えることができる。
【００３５】
なお、コントローラ４は、印加する電圧を負から正へ切り替えるタイミング、及び、印加する電圧を正から負へ切り替えるタイミングを、FLC素子３−１とFLC素子３−２とで同期させてもよい。この場合には、コントローラ４は、FLC素子３−１、３−２を透過する円偏光に対する位相変調量を、0°と240°（すなわち、４α）との間で切り替えることができる。
【００３６】
以上説明してきたように、この光位相変調装置は、入射する円偏光の光路に沿って並べられた、応答速度がネマティック液晶に対して速い二つの強誘電性液晶素子を有し、各強誘電性液晶素子は、進相軸に沿った偏光成分と遅相軸に沿った偏光成分との間に入射する円偏光の半波長に相当する位相差を生じさせることで、入射する円偏光の偏光状態を維持することができる。また各強誘電性液晶素子では、印加される電圧の向きが反転されることで互いに逆向きに強誘電性液晶素子が傾くので、透過する円偏光に対して同じ向きの位相変調量を与えることができる。そのため、この光位相変調装置は、入射する光の偏光状態を円偏光のまま維持しつつ、入射する光の位相の切り替えに要する時間を短縮できる。
【００３７】
変形例によれば、光位相変調装置は、入射する円偏光の光路に沿って並べて配置される３個以上のFLC素子を有していてもよい。この場合も、各FLC素子の液晶層の厚さは、進相軸に沿った偏光成分と遅相軸に沿った偏光成分との間に位相差(2n+1)πを生じさせるように設計されることが好ましい。これにより、一つのFLC素子を透過する度に、円偏光の回転方向が反転するものの、偏光状態は円偏光のまま維持される。また各FLC素子のFLC分子の傾き方向と入射する円偏光の回転方向との関係が同一となるように、電圧の印加方向が反転されたときにFLC分子が傾く方向が交互となるように各FLC素子が配置されることが好ましい。これにより、上記の実施形態による光位相変調装置と同様に、変形例による光位相変調装置も、入射する光の偏光状態を円偏光のまま維持しつつ、入射する光の位相の切り替えに要する時間を短縮できる。また光位相変調装置は、FLC素子の数が増加するほど、円偏光に与える位相変調量をより細かく変更できる。例えば、光位相変調装置が入射する円偏光の光路に沿ってm個(ただし、mは2以上の整数)のFLC素子を有する場合、各FLC素子における方位角の絶対値|α|は、180°/(m+1)となるように設定されればよい。また、マイケルソン干渉計における参照光の光路上に各FLC素子が配置される場合のように、入射する円偏光が各FLC素子を２回通る場合には、各FLC素子における方位角の絶対値|α|は、90°/(m+1)となるように設定されてもよい。
【００３８】
図５は、変形例による光位相変調装置についての、各FLC素子の方位角と、各FLC素子に印加される電圧と、各FLC素子を透過する円偏光の位相変調量の関係の一例を示す図である。この変形例による光位相変調装置１１は、上記の実施形態による光位相変調装置１と比較して、入射する円偏光の光路に沿って、光源２側から順に並べて配置された３個のFLC素子３−１〜３−３を有する点で相違する。各FLC素子の構造は、上記の実施形態におけるFLC素子３−１の構造と同じとすることができる。ただし、この変形例では、各FLC素子の方位角の絶対値は45°に設定される。すなわち、FLC素子３−１及びFLC素子３−３の方位角αが45°であり、かつ、FLC素子３−２の方位角αが-45°に設定される。なお、この変形例でも、方位角は、入射側、すなわち光源２側から見たときに右回り方向を正として表される。また、出射側の透明電極２４の電位が入射側の透明電極２３の電位よりも高い場合、FLC素子３−１〜３−３に印加される電圧を正で表し、入射側の透明電極２３の電位が出射側の透明電極２４の電位よりも高い場合、FLC素子３−１〜３−３に印加される電圧を負で表す。すなわち、FLC素子３−１、３−３に負の電圧(-V)が印加される場合、FLC分子２５の長軸方向は矢印５０１で表される配向方向を向き、一方、FLC素子３−１、３−３に正の電圧Vが印加される場合、FLC分子２５の長軸方向は矢印５０２で表される、配向方向に対して45°右回りに傾いた方向を向く。同様に、FLC素子３−２に負の電圧(-V)が印加される場合、FLC分子２５の長軸方向は矢印５０３で表される配向方向を向き、一方、FLC素子３−２に正の電圧Vが印加される場合、FLC分子２５の長軸方向は矢印５０４で表される、配向方向に対して45°左回りに傾いた方向を向く。
【００３９】
図５の右側のタイミングチャートにおいて、横軸は時間を表す。折れ線５１１は、FLC素子３−１に印加される電圧の時間変化を表し、折れ線５１２は、FLC素子３−２に印加される電圧の時間変化を表し、折れ線５１３は、FLC素子３−３に印加される電圧の時間変化を表す。そして折れ線５１４は、FLC素子３−１〜３−３の全てを透過した円偏光に対する位相変調量の時間変化を表す。
【００４０】
期間P1のように、FLC素子３−１〜３−３の何れにも負の電圧が印加される場合、何れのFLC素子についてもFLC分子２５が配向方向に対して傾かないため、位相変調量は0となる。これに対して、期間P2のように、FLC素子３−１〜３−３のうちの何れか一つに正の電圧が印加され、他のFLC素子に負の電圧が印加される場合、正の電圧が印加された一つのFLC素子のFLC分子２５が方位角の絶対値45°だけ入射する円偏光の回転方向と同じ向きに傾くので、位相変調量は90°となる。また、期間P3のように、FLC素子３−１〜３−３のうちの二つに正の電圧が印加され、残りのFLC素子に負の電圧が印加される場合、二つのFLC素子のFLC分子２５が方位角の絶対値45°だけ入射する円偏光の回転方向と同じ向きに傾くので、位相変調量は180°となる。さらに、期間P4のように、FLC素子３−１〜３−３の全てに正の電圧が印加される場合、全てのFLC素子のFLC分子２５が方位角の絶対値45°だけ入射する円偏光の回転方向と同じ向きに傾くので、位相変調量は270°となる。したがって、コントローラ４は、FLC素子３−１〜３−３を透過する円偏光に対する位相変調量を、0°、90°、180°、270°の間で切り替えることができる。
【００４１】
なお、光位相変調装置が有するFLC素子の数が奇数である場合、光位相変調装置から出射した円偏光の回転方向は、光位相変調装置に入射するときの回転方向とは逆向きとなる。そのため、図１に示されるように、干渉計の測定光の光路と参照光の光路の一方に光位相変調装置の各FLC素子が配置される場合、他方の光路にも1/2波長板を配置することが好ましい。これにより、測定光学系は、参照光である円偏光の回転方向と、測定光である円偏光の回転方向とを一致させることができる。
【００４２】
また、上記の実施形態または変形例において、各FLC素子における方位角の絶対値は互いに異なっていてもよい。また、各FLC素子において、入射する円偏光の回転方向と、液晶層に対する電圧の印加方向が反転されるときに液晶分子が傾く方向とが互いに逆向きとなっていてもよい。例えば、図４において、FLC素子３−１に、左回りの円偏光が入射してもよい。この場合、FLC素子３−１の液晶分子が右回りに60°傾くことで、入射した円偏光に対する位相変調量は-120°となる。
【００４３】
あるいはまた、各FLC素子の液晶層の厚さは、透過する円偏光のうちの進相軸に沿った偏光成分と遅相軸に沿った偏光成分との間に与えられる位相差がその円偏光の波長の整数倍に相当する位相差となるように設計されてもよい。この場合には、円偏光が個々のFLC素子を透過しても、円偏光の回転方向は変化しない。すなわち、円偏光が個々のFLC素子を透過しても、同じ回転方向の円偏光が維持される。そのため、この場合には、各FLC素子において、電圧の印加方向が反転されたときにFLC分子が同じ向きに傾くように、各FLC素子は構成されればよい。
【００４４】
上記の実施形態または変形例による光位相変調装置において、光源は、右回りの円偏光成分と左回りの円偏光成分の両方を含む光を発するように構成されてもよい。例えば、光源は、上記の実施形態と同様に、直線偏光を発する発光素子と１／４波長板とを有してもよい。ただし、この変形例では、１／４波長板は、光軸と直交する面において、光軸を通る線で二つの部分領域に分割され、各部分領域の進相軸は互いに直交するとともに、各部分領域の進相軸と直線偏光の偏光面とが４５°の角度をなすように構成される。この場合には、光位相変調装置は、位相シフト法による対象物の形状測定、あるいは、構造化照明顕微鏡に用いられる、周期的なパターンを持つ照明光を生成するために使用されてもよい。
【００４５】
図６は、さらなる変形例による光位相変調装置を含む照明装置の概略構成図である。照明装置２００は、光源２側から順に、FLC素子３−１、３−２と、1/4波長板２０１と、パターン表示素子２０２と、検光子２０３とを有する。光源２及びFLC素子３−１、３−２は、コントローラ４ととともに、光位相変調装置１２に含まれる。なお、照明装置２００は、光源２とFLC素子３−１との間に、光源２から発した光束を平行光化するためのコリメータを有していてもよい。さらに、照明装置２００は、検光子２０３と照明装置２００からの照明光が照射される測定対象物との間に、照明光のパターンを測定対象物上に結像するための対物レンズを有していてもよい。
【００４６】
光源２から発した光束がFLC素子３−１、３−２を透過することで、コントローラ４によりFLC素子３−１、３−２に印加された電圧に応じた位相変調量だけ、その光束に含まれる右回りの円偏光成分と左回りの円偏光成分の位相が変調される。このとき、各FLC素子により、右回りの円偏光成分に対する位相変調と左回りの円偏光成分に対する位相変調とは互いに逆向きとなる。例えば、FLC素子３−１は、自身を透過する右回りの円偏光成分の位相をβだけ進める場合、自身を透過する左回りの円偏光成分の位相をβだけ遅らせる。したがって、右回りの円偏光成分と左回りの円偏光成分との間に、２βの位相差が生じる。同様に、FLC素子３−２は、自身を透過する左回りの円偏光成分の位相をβだけ進める場合、自身を透過する右回りの円偏光成分の位相をβだけ遅らせる。したがって、右回りの円偏光成分と左回りの円偏光成分との間に、２βの位相差が生じる。すなわち、FLC素子３−１、３−２の両方を透過することで、右回りの円偏光成分と左回りの円偏光成分との間に生じる位相差は、各FLC素子により生じた位相差の和４β（＝２β＋２β）となる。そしてFLC素子３−１、３−２を透過し、位相変調された各円偏光成分を含む光束は、1/4波長板２０１を透過することで互いに直交する直線偏光を含む光束に変換される。1/4波長板２０１を出射した各直線偏光を含む光束は、パターン表示素子２０２に入射する。
【００４７】
パターン表示素子２０２は、入射した互いに直交する直線偏光間に、投影するパターンに応じた位相差を付加する。そのために、パターン表示素子２０２は、例えば、液晶素子あるいはフォトニック結晶により構成される。例えば、パターン表示素子２０２が液晶素子として構成される場合、２枚の板状の透明基板の間に液晶層が設けられる。そして液晶層には、長軸が、照明装置２００の光軸ＯＡと直交する面において1/4波長板２０１の進相軸と４５°の角度をなすように配向された光硬化性の液晶分子が封入される。そして透過する直線偏光のうち、配向方向に沿った偏光成分と配向方向と直交する方向に沿った偏光成分間に投影されるパターンに応じた所望の位相差分布が生じるように液晶層に電圧を印加した状態で液晶層に紫外線を照射することで、パターン表示素子２０２が形成される。例えば、照明装置２００の光軸ＯＡを中心とする同心円状のパターンを持つ照明光を生成するために、配向方向に沿った偏光成分と配向方向と直交する方向に沿った偏光成分間の位相差が、その同心円の１周期ごとに2πだけ、光軸ＯＡから離れた位置ほど増加するように、あるいは、光軸ＯＡから離れた位置ほど減少するように、各液晶分子の向きが制御される。また、１次元格子状、あるいは２次元格子状のパターンを持つ照明光を生成するために、配向方向に沿った偏光成分と配向方向と直交する方向に沿った偏光成分間の位相差が、その格子の１周期ごとに2πだけ変化するよう、各液晶分子の向きが制御される。
【００４８】
あるいは、液晶層に、ホモジニアス配向されたネマティック液晶が封入されてもよい。この場合も、液晶分子の長軸が、照明装置２００の光軸ＯＡと直交する面において1/4波長板２０１の進相軸と４５°の角度をなすように、液晶分子は配向される。そして各透明基板と液晶層との間に、透明電極が設けられる。その際、少なくとも一方の透明電極は、複数の部分電極を有し、各部分電極は、投影するパターンに応じて配置される。例えば、光軸ＯＡを中心とする同心円状のパターンを持つ照明光が生成される場合、各部分電極は、光軸ＯＡを中心とする同心円状に配置される。あるいは、各部分電極は、２次元アレイ状に配置されてもよい。そしてコントローラ４が、配向方向の偏光成分と配向方向と直交する偏光成分との間に投影するパターンに応じた位相差分布が生じるように、各部分電極と対向する透明電極との間に電圧を印加すればよい。
また、パターン表示素子２０２がフォトニック結晶で形成される場合、例えば、自己クローニング技術を用いて、直線偏光の互いに直交する偏光成分間に投影するパターンに応じた位相差分布が生じるように、基板上に形成されるフォトニック結晶の形状を制御すればよい。
【００４９】
これにより、各直線偏光がパターン表示素子２０２を透過することにより、各直線偏光、すなわち、光源２から発して互いに直交する直線偏光を含むように変換された光束は、パターン表示素子２０２を透過する位置に応じて互いに位相差が異なる楕円偏光に変換される。すなわち、パターン表示素子２０２から出射した光は、パターン内の位置と光位相変調装置１２による位相変調量とに応じた長軸方向及び楕円率を持つ楕円偏光となる。すなわち、パターンの周期方向において、パターンが１周期分だけ変化する間に、楕円偏光の長軸方向が2π回転する。さらに、FLC素子３−１、３−２による位相変調により、各楕円偏光の長軸方向が変化する。パターン表示素子２０２を出射した楕円偏光は、検光子２０３に入射する。
【００５０】
検光子２０３は、入射した光のうち、検光子２０３の透過軸と平行な偏光成分のみを透過する。検光子２０３に入射する光は、投影したいパターンに応じて楕円偏光の長軸方向の向きが異なっているので、検光子２０３を透過することで投影したいパターンを持つ照明光が得られる。さらに、検光子２０３に入射する光では、FLC素子３−１、３−２による位相変調量に応じた角度だけ、全体的に長軸方向が傾いているので、その位相変調量を制御することで、パターンの空間的な位置がシフトする。したがって、コントローラ４が、FLC素子３−１、３−２による位相変調量を上記の実施形態または変形例のように制御することで、空間的にパターンの位置がシフトする照明光が得られる。例えば、パターン表示素子２０２に表示されるパターンが１次元格子状のパターンである場合、右回りの円偏光成分と左回りの円偏光成分との間に生じる位相差が0°のときに、パターン６０１を持つ照明光が得られる。一方、右回りの円偏光成分と左回りの円偏光成分との間に180°の位相差が生じるとき（例えば、各FLC素子が、個々の円偏光成分を45°だけ位相変調するとき）に、パターン６０１に対して明暗が反転したパターン６０２を持つ照明光が得られる。
【００５１】
なお、照明装置２００においても、光位相変調装置は、３個以上のFLC素子を有していてもよい。
【００５２】
以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００５３】
１、１１、１２    光位相変調装置
２    光源
３−１、３−２、３−３    FLC素子
４    コントローラ
５−１、５−２    ビームスプリッタ
６、８    ミラー
７    サンプル
９    検出器
１００    測定光学系
２００    照明装置
２０１    1/4波長板
２０２    パターン表示素子
２０３    検光子
２０    液晶層
２１、２２    透明基板
２３、２４    透明電極
２５    FLC分子
２６    シール部材
【図１】
2020024269.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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