(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズよりも光源側に配置され、液晶分子が含まれる液晶層と、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、該液晶層を透過する前記光源から発した所定の波長を持つ直線偏光の位相または偏光面を、前記二つの第１の透明電極の間に前記所定の波長に応じた電圧を印加することにより制御する第１の液晶光学素子と、
前記第１の液晶光学素子の光軸を前記対物レンズの光軸と位置合わせ可能なように前記第１の液晶光学素子を前記対物レンズに対して相対的に移動可能な光軸調整機構と、
前記二つの第１の透明電極間に印加される電圧を調節する駆動装置と、
を有し、
前記駆動装置は、前記光軸調整機構の操作中に前記二つの第１の透明電極間に電圧を印加するように構成される光学素子。
【請求項２】
前記光軸調整機構は、前記対物レンズの光軸に対して直交する面に平行であり、かつ互いに直交する第１の方向及び第２の方向に前記第１の液晶光学素子を移動可能な並進調整機構を有する請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記光軸調整機構は、前記対物レンズの光軸に対する前記第１の液晶光学素子の光軸の傾きを調節可能なティルト調整機構を有する請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記対物レンズ及び前記第１の液晶光学素子を一体的に保持する筺体をさらに有する請求項１〜３の何れか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記筺体は、前記対物レンズよりも前記第１の液晶光学素子が前記光源の近くに配置されるように、当該筺体を前記光源を有する顕微鏡装置に取り付ける取り付け部をさらに有する、請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１の液晶光学素子よりも前記光源側に配置される第２の液晶光学素子と、
前記第２の液晶光学素子の光軸を前記対物レンズの光軸と位置合わせ可能なように前記第２の液晶光学素子を前記第１の液晶光学素子とは独立に移動可能な第２の光軸調整機構とをさらに有する、請求項１〜５の何れか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第２の液晶光学素子は、当該第２の液晶光学素子の光軸を中心とする同心円状の複数の輪帯のうちの一部の輪帯を透過する前記入射光の位相を他の輪帯を透過する前記入射光の位相に対して反転する請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１の液晶光学素子の前記液晶層は、前記第１の液晶光学素子の光軸を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、前記複数の領域のそれぞれに含まれる前記液晶分子の配向方向は互いに異なり、
前記液晶層の前記複数の領域のそれぞれは、前記二つの透明電極間に前記所定の波長に応じた電圧が印加されることにより、前記直線偏光のうちの当該領域を透過した成分の偏光面を、当該領域に含まれる前記液晶分子の配向方向に応じて前記第１の液晶光学素子の光軸を中心とする放射方向に平行となるように回転させる、
請求項１〜７の何れか一項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１の液晶光学素子の前記二つの第１の透明電極のうちの一方は、前記第１の液晶光学素子の光軸を中心とする同心円状の複数の輪帯のそれぞれに対応して配置された複数の輪帯電極であり、
前記第１の液晶光学素子は、前記複数の輪帯電極のそれぞれごとに、当該輪帯電極と前記二つの第１の透明電極の他方との間に異なる電圧が印加されることにより、前記複数の輪帯ごとに当該輪帯を透過する前記直線偏光の位相変調量を制御する、請求項１〜６の何れか一項に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記駆動装置は、前記二つの第１の透明電極のうちの少なくとも一方の電極のパターンの像が観察可能なように前記二つの第１の透明電極間に電圧を印加する、請求項１〜９の何れか一項に記載の光学素子。
【請求項１１】
第１の光軸を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、所定の波長を持つ光源から発した直線偏光の偏光面を、当該複数の領域のそれぞれを透過することで前記第１の光軸を中心とする放射方向に平行となるように回転させる液晶光学素子を対物レンズよりも前記光源側に配置し、
駆動装置により前記液晶光学素子に電圧を印加して、所定の光学系により前記液晶光学素子の前記複数の領域の像を前記光学系の像面上に形成しながら、当該複数の領域の像の中心が前記対物レンズの第２の光軸に対応する前記像面上の位置に一致するように前記液晶光学素子を前記対物レンズに対して相対的に移動させることで、前記液晶光学素子の前記第１の光軸を前記対物レンズの前記第２の光軸と位置合わせする
ことを特徴とする光学素子の組み立て方法。
【請求項１２】
所定の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、
前記直線偏光の位相または偏光面を制御する光学素子と、
前記光学素子を透過した光束を試料の所定のスポットに集光する対物レンズと、
前記所定のスポットからの光を受光する受光素子と、
を有し、
前記光学素子は、
液晶分子が含まれる液晶層と、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、該液晶層を透過する前記光源から発した所定の波長を持つ直線偏光の位相または偏光面を、前記二つの第１の透明電極の間に前記所定の波長に応じた電圧を印加することにより制御する液晶光学素子と、
前記液晶光学素子の光軸を前記対物レンズの光軸と位置合わせ可能なように前記液晶光学素子を前記対物レンズに対して相対的に移動可能な光軸調整機構と、
前記光軸調整機構の操作中に前記二つの第１の透明電極間に電圧を印加する駆動装置と、
前記対物レンズ及び前記液晶光学素子を一体的に保持する筺体と、
を有することを特徴とする顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直線偏光の位相または偏光面を制御する液晶光学素子の光軸と対物レンズの光軸の位置合わせが可能な光学素子及びそのような光学素子を備えた顕微鏡装置ならびにそのような光学素子の組み立て方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザ顕微鏡、光ピックアップ装置、レーザ加工機など、光を対象物に照射することにより、その対象物の形状などの情報を検出したり、その対象物に何らかの変化を生じさせる装置が利用されている。このような装置では、より解像度を高くするために、対物レンズとともに、その対物レンズに入射する光の波面及び偏光方向を調節する光学素子が利用されることがある。
【０００３】
例えば、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て、超解像の効果を得るために、対物レンズに入射する光束をラジアル偏光にする光学素子を対物レンズとともに用いることが提案されている。また、そのような光学素子を液晶を用いて構成することも提案されている（例えば、特許文献１及び２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１９６３０号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、集光スポットの径を小さくする効果を得るためには、液晶を用いた光学素子の光軸と対物レンズの光軸とが正確に一致することが求められる。また、対物レンズ及びその光学素子には、それぞれ個体差があり、一般に、対物レンズの光軸は、対物レンズの外形の中心と一致しない。そのため、個々の光学系ごとに、対物レンズの光軸と光学素子の光軸を合わせる作業が必要となる。特に、対物レンズが交換可能な装置では、対物レンズが交換される度に、ユーザは対物レンズの光軸と光学素子の光軸を合わせる作業を行わなければならない。
【０００６】
しかし、特許文献１または２に開示された光学系では、対物レンズと光学素子の間に他の光学素子が配置されている。そのため、対物レンズの光軸と光学素子の光軸の位置合わせを直接行うことができず、光学系全体として各素子の光軸の位置を調整する必要があり、対物レンズと光学素子のアライメント調整が煩雑であった。
【０００７】
そこで、本発明は、液晶光学素子の光軸を対物レンズの光軸に位置合わせできる光学素子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、光学素子が提供される。この光学素子は、対物レンズよりも光源側に配置され、液晶分子が含まれる液晶層と、その液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第１の透明電極とを有し、その液晶層を透過する光源から発した所定の波長を持つ直線偏光の位相または偏光面を、二つの第１の透明電極の間にその所定の波長に応じた電圧を印加することにより制御する第１の液晶光学素子と、第１の液晶光学素子の光軸を対物レンズの光軸と位置合わせ可能なようにその第１の液晶光学素子を対物レンズに対して相対的に移動可能な光軸調整機構とを有する。
【０００９】
ここで、光軸調整機構は、対物レンズの光軸に対して直交する面に平行であり、かつ互いに直交する第１の方向及び第２の方向に第１の液晶光学素子を移動可能な並進調整機構を有することが好ましい。
【００１０】
また光軸調整機構は、対物レンズの光軸に対する第１の液晶光学素子の光軸の傾きを調節可能なティルト調整機構を有することが好ましい。
【００１１】
またこの光学素子は、対物レンズ及び第１の液晶光学素子を一体的に保持する筺体をさらに有することが好ましい。
【００１２】
この場合において、筺体は、対物レンズよりも第１の液晶光学素子が光源の近くに配置されるように、筺体を光源を有する顕微鏡装置に取り付ける取り付け部をさらに有することが好ましい。
【００１３】
さらにこの光学素子は、第１の液晶光学素子よりも光源側に配置される第２の液晶光学素子と、第２の液晶光学素子の光軸を対物レンズの光軸と位置合わせ可能なように第２の液晶光学素子を第１の液晶光学素子とは独立に移動可能な第２の光軸調整機構とをさらに有することが好ましい。
【００１４】
ここで、第２の液晶光学素子は、第２の液晶光学素子の光軸を中心とする同心円状の複数の輪帯のうちの一部の輪帯を透過する入射光の位相を他の輪帯を透過する入射光の位相に対して反転することがさらに好ましい。
【００１５】
さらに、第１の液晶光学素子の液晶層は、第１の液晶光学素子の光軸を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、複数の領域のそれぞれに含まれる液晶分子の配向方向は互いに異なり、液晶層の複数の領域のそれぞれは、二つの透明電極間に所定の波長に応じた電圧が印加されることにより、直線偏光のうちのその領域を透過した成分の偏光面を、その領域に含まれる液晶分子の配向方向に応じて第１の液晶光学素子の光軸を中心とする放射方向に平行となるように回転させることが好ましい。
【００１６】
あるいは、第１の液晶光学素子の二つの第１の透明電極のうちの一方は、第１の液晶光学素子の光軸を中心とする同心円状の複数の輪帯のそれぞれに対応して配置された複数の輪帯電極であり、第１の液晶光学素子は、複数の輪帯電極のそれぞれごとに、その輪帯電極と二つの第１の透明電極の他方との間に異なる電圧が印加されることにより、複数の輪帯ごとにその輪帯を透過する直線偏光の位相変調量を制御することが好ましい。
【００１７】
この場合において、光学素子は、光源と対物レンズとを有する光学系内に配置され、光学系にて生じる波面収差の位相分布を打ち消すように複数の輪帯のそれぞれを透過する直線偏光の位相変調量を生じさせるように、複数の輪帯電極のそれぞれごとに、その輪帯電極と二つの第１の透明電極の他方との間に印加される電圧を調節する駆動装置をさらに有することが好ましい。そしてこの駆動装置は、光軸調整機構の操作中も二つの第１の透明電極間に電圧を印加可能に構成されることが好ましい。
【００１８】
本発明の他の形態によれば、光学素子の組み立て方法が提供される。この組み立て方法は、光軸を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、所定の波長を持つ光源から発した直線偏光の偏光面を、その複数の領域のそれぞれを透過することでその光軸を中心とする放射方向に平行となるように回転させる液晶光学素子を対物レンズよりも光源側に配置し、所定の光学系により液晶光学素子の複数の領域の像を光学系の像面上に形成し、その複数の領域の像の中心が対物レンズの光軸に対応する像面上の位置に一致するように液晶光学素子を対物レンズに対して相対的に移動させることで、液晶光学素子の光軸を対物レンズの光軸と位置合わせすることを含む。
【００１９】
本発明のさらに他の形態によれば、光学素子の組み立て方法が提供される。この組み立て方法は、第１の透明電極と、その第１の透明電極と対向するように配置され、第１の光軸に対して所定の位置関係にあるパターンを持つ第２の透明電極と、第１の透明電極と第２の透明電極との間に挟まれた、液晶分子が含まれる液晶層とを有し、液晶層を透過する光源から発した所定の波長を持つ直線偏光の位相を、第１の透明電極と第２の透明電極の間にその所定の波長に応じた電圧を印加することにより制御する液晶光学素子を対物レンズよりも光源側に配置し、第１の透明電極と第２の透明電極との間に電圧を印加し、所定の光学系により第１の透明電極のパターンの像をその所定の光学系の像面上に形成し、そのパターンの像と上記の所定の位置関係にある点を対物レンズの第２の光軸に対応する像面上の位置に一致するように、液晶光学素子を対物レンズに対して相対的に移動させることで、液晶光学素子の第１の光軸を対物レンズの第２の光軸と位置合わせすることを含む。
【００２０】
本発明のさらに他の実施形態によれば、顕微鏡装置が提供される。この顕微鏡装置は、所定の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、直線偏光の位相または偏光面を制御する光学素子と、光学素子を透過した光束を試料の所定のスポットに集光する対物レンズと、所定のスポットからの光を受光する受光素子とを有する。ここで光学素子は、液晶分子が含まれる液晶層と、その液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第１の透明電極とを有し、その液晶層を透過する光源から発した所定の波長を持つ直線偏光の位相または偏光面を、二つの第１の透明電極の間にその所定の波長に応じた電圧を印加することにより制御する液晶光学素子と、液晶光学素子の光軸を対物レンズの光軸と位置合わせ可能なように液晶光学素子を対物レンズに対して相対的に移動可能な光軸調整機構と、対物レンズ及び液晶光学素子を一体的に保持する筺体とを有する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る光学素子は、液晶光学素子の光軸を対物レンズの光軸に位置合わせできるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る光学素子を備えたレーザー顕微鏡の概略構成図である。
【図２】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子を対物レンズ側から見た概略正面図であり、（ｂ）は、光学素子の概略側面図であり、（ｃ）は、（ａ）の点線における矢印AA'の方向から見た光学素子の概略側面断面図である。
【図３】液晶光学素子の概略正面図である。
【図４】（ａ）は、図３のXX'の矢印の方向から見た点線における、電圧が印加されていないときの液晶光学素子の概略側面断面図であり、（ｂ）は、図３のXX'の矢印の方向から見た点線における、電圧が印加されたときの液晶光学素子の概略側面断面図である。
【図５】液晶光学素子の液晶層の各扇形領域における液晶の配向方向と、各扇形領域を透過した直線偏光の偏光方向を示す液晶層の概略正面図である。
【図６】変形例による、液晶光学素子の液晶層の各領域における液晶の配向方向と、各領域を透過した直線偏光成分の偏光方向を示す図である。
【図７】液晶光学素子が有する透明電極間の液晶層に印加される電圧とその液晶層により生じる常光線と異常光線の光路長差の一例を示す図である。
【図８】第１の実施形態による光学素子の組み立て手順を示す図である。
【図９】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る光学素子の概略側面図であり、（ｂ）は、（ａ）の矢印BB'の方向から見た垂直方向の点線に沿った光学素子の概略側面断面図であり、（ｃ）は、（ａ）の矢印CC'の方向から見た水平方向の点線に沿った光学素子の概略断面図である。
【図１０】（ａ）は、位相反転素子の一例の概略正面図であり、（ｂ）は、位相反転素子の他の一例の概略正面図である。
【図１１】（ａ）は、位相反転素子に電圧が印加されていないときの位相反転素子に含まれる液晶分子の状態を表す位相反転素子の概略側面断面図であり、（ｂ）は、位相反転素子に電圧が印加されたときの位相反転素子に含まれる液晶分子の状態を表す位相反転素子の概略側面断面図である。
【図１２】第３の実施形態による光学素子の位相変調素子が有する二つの透明電極のうちの一方の構造の一例を示す位相変調素子の概略正面図である。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、円状電極及び輪帯電極をｎ個有する位相変調素子において、電圧が印加される電極の一例を示す図である。
【図１４】（ａ）は、対物レンズを含む光学系により生じる波面収差を補正するために、位相変調素子の各輪帯電極と対向する透明電極との間に印加される電圧の分布の一例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示された電圧の分布に応じて位相変調素子が生じる位相変調量の分布の一例を示す図である。
【図１５】変形例による光学素子の位相変調素子が有する二つの透明電極のうちの一方の構造の他の一例を示す概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図を参照しつつ、様々な実施形態による液晶光学素子を有する光学素子について説明する。この光学素子は、入射する直線偏光の位相または偏光面を制御する液晶光学素子の光軸を、その液晶光学素子を透過した光束を集光させる対物レンズの光軸に一致させるべく、対物レンズの光軸に対して液晶光学素子の位置を調整可能な光軸調整機構を有する。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に係る光学素子を備えたレーザー顕微鏡の概略構成図である。レーザ顕微鏡１００において、直線偏光を出力するコヒーレント光源であるレーザー光源１０１から出射した光束は、コリメート光学系１０２により平行光とされ、ビームスプリッタ１０６を透過する。そしてその平行光は、光学素子１０３が有する液晶光学素子を透過し、対物レンズ１０４により試料１０５上に集光される。なお、光学素子１０３と対物レンズ１０４とは一体化され、光学素子１０３が有する液晶光学素子の光軸と対物レンズ１０４の光軸とが一致するように、液晶光学素子と対物レンズ１０４とのアライメント調整がなされている。試料１０５により反射または散乱した光束、あるいは試料より発生した蛍光等、試料１０５の情報を含んだ光束は、光路を逆にたどり、ビームスプリッター１０６で反射され、第２の光学系であるコンフォーカル光学系１０７で再び共焦点ピンホール１０８上に集光される。そしてその光束中に含まれる、試料の焦点位置以外からの光束がカットされ、その焦点位置からの光束のみが、フォトダイオードまたは光電子増倍管を有する検出器１０９で検出される。そして検出器１０９は、検出した光の光量に応じた電気信号をコントローラ１１０へ出力する。
【００２５】
コントローラ１１０は、例えば、プロセッサと、メモリと、コントローラ１１０をレーザ顕微鏡１００の各部と接続するためのインターフェース回路とを有する。そしてコントローラ１１０は、レーザ光源１０１及び光変調素子１０３を制御する。そしてコントローラ１１０は、レーザ光源１０１に対して所定の電力を供給することにより、レーザ光源１０１に照明光を出力させる。またレーザ光源１０１が複数の発光素子を有する場合、コントローラ１１０は、例えば、図示しないユーザインターフェースを介したユーザの操作に従って、複数の発光素子のうちの何れか一つの発光素子に照明光を出力させる制御信号をレーザ光源１０１へ送信する。
【００２６】
さらにコントローラ１１０は、駆動回路１１１を有し、その駆動回路１１１を介して光変調素子１０３を制御する。すなわち、コントローラ１１０は、レーザ光源１０１から出力される光の波長に応じた印加電圧が光学素子１０３の液晶光学素子が有する各液晶層に印加されるように、駆動回路１１１を制御する。これにより、光学素子１０３は、所定の波長を持つ直線偏光の位相及び偏光面を制御できる。なお、駆動回路１１１は、コントローラ１１０とは独立して設けられてもよい。この場合、コントローラ１１０と駆動回路１１とは、信号線で接続される。
【００２７】
特に、レーザ光源１０１が、互いに波長の異なる光を出力する複数の発光素子を有している場合、コントローラ１１０は、発光させる発光素子に応じて、光学素子１０３の液晶光学素子が有する液晶層に印加される電圧を調節する。
なお、駆動回路１１１から光学素子１０３の液晶光学素子が有する液晶層に対して印加される駆動電圧は、例えば、パルス高さ変調（ＰＨＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧であってもよい。また駆動回路１１１は、後述するように、光学素子１０３が有する光軸調整機構を操作中にも、光学素子１０３の液晶光学素子が有する液晶層に電圧を印加可能である。
【００２８】
ここで、試料１０５の表面に平行な方向の解像度を高くするためには、試料１０５上に集光された光束のスポットサイズは極力小さいことが好ましい。一方、試料１０５上に集光された光束をｚ偏光とすることで、試料１０５上に集光された光束のスポットサイズを回折限界よりも小さくするとともに、焦点深度を深くできる。そして、対物レンズ１０４を透過する光束をラジアル偏光とすることで、試料１０５上で光束をｚ偏光にすることができる。
そこで、本発明の第１の実施形態では、光学素子１０３は、対物レンズ１０４を透過する光束をラジアル偏光にするよう構成される。
【００２９】
図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子１０３を対物レンズ側から見た概略正面図であり、図２（ｂ）は、光学素子１０３の概略側面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）の点線における矢印AA'の方向から見た光学素子１０３の概略側面断面図である。光学素子１０３は、液晶光学素子３と、光軸調整機構４と、筺体５とを有し、対物レンズ１０４と一体化されている。
【００３０】
対物レンズ１０４は、液晶光学素子３によってラジアル偏光とされた光を対象となる物体上に集光する。対物レンズ１０４は、例えば、１枚の単レンズであってもよく、あるいは、複数のレンズが組み合わされたものであってもよい。対物レンズ１０４の結像特性、レンズ構成、形状及びサイズは、その対物レンズの用途に応じて決定されればよく、特定の構成に限定されるものではない。
【００３１】
対物レンズ１０４が有する１枚または複数のレンズは鏡枠２１に固定されている。そのため、対物レンズ１０４は、対物レンズ１０４を構成する全てのレンズを一体として取り扱うことが可能となっている。
【００３２】
また対物レンズ１０４は筺体５に対して固定的に取り付けられる。そのため、例えば、対物レンズ１０４の鏡枠２１の外周及び筺体５の取り付け口５１には、それぞれ、ネジ溝が形成されている（ネジ溝の図示は省略）。そして対物レンズ１０４は、筺体５の取り付け口５１に螺合することにより固定される。あるいは、対物レンズ１０４は、レンズをそのレンズを利用する装置本体に固定するための他の様々な固定方法の何れかによって筺体５の取り付け口５１に取り付けられてもよい。この場合、鏡枠２１には、その固定方法に応じた機構が設けられる。
【００３３】
液晶光学素子３は、筺体５内に、対物レンズ１０４よりも光源側、言い換えれば、略平行な光束が入射する側に配置され、光軸調整機構４によって対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１に対して相対的に移動可能に支持される。そして本実施形態における液晶光学素子３は、偏光面回転素子であり、入射した直線偏光を、液晶光学素子３の光軸ＯＡ２を中心とした放射状の直線偏光分布を持つラジアル偏光に変換する。
【００３４】
図３は、液晶光学素子３の概略正面図である。また図４（ａ）及び図４（ｂ）は、それぞれ、図３に示された矢印XX'の方向から見た点線における液晶光学素子３の概略側面断面図である。このうち、図４（ａ）は、液晶光学素子３に電圧が印加されていないときの液晶光学素子３に含まれる液晶分子の状態を表し、図４（ｂ）は、液晶光学素子３に電圧が印加されたときの液晶光学素子３に含まれる液晶分子の状態を表す。
説明の便宜上、液晶光学素子３に入射する直線偏光の偏光面は、図３の矢印Ａに示されるように、図３が表された面に直交し、かつ縦方向の面にあるものとする。
【００３５】
液晶光学素子３は、液晶層３０と、光軸ＯＡ２に沿って液晶層３０の両側に略平行に配置された透明基板３１、３２を有する。また液晶光学素子３は、透明基板３１と液晶層３０の間に配置された透明電極３３と、液晶層３０と透明基板３２の間に配置された透明電極３４とを有する。そして液晶層３０に含まれる液晶分子３７は、透明基板３１及び３２と、シール部材３８との間に封入されている。なお、透明基板３１、３２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、所定の波長域に含まれる波長を持つ光に対して透明な材料により形成される。また透明電極３３、３４は、例えば、ＩＴＯ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。さらに、透明電極３３と液晶層３０の間に配向膜３５が配置される。また透明電極３４と液晶層３０の間に配向膜３６が配置される。これら配向膜３５、３６は、液晶分子３７を所定の方向に配向させる。なお、基板側に構造物を形成して液晶分子３７を配向させる構造配向など、配向膜を用いない方法によって配向される場合、配向膜３５、３６は省略されてもよい。
さらに、各基板、各透明電極及び各配向膜の外周には鏡枠３９が配置され、この鏡枠３９が、各基板を保持している。
【００３６】
液晶層３０に封入された液晶分子は、例えば、ホモジニアス配向される。また液晶層３０は、光軸ＯＡ２に直交する面内で円周方向に沿って配置された複数の扇形領域を含む。そして各扇形領域に含まれる液晶分子３７は、入射する直線偏光の偏光面が、光軸ＯＡ２を中心とした放射方向に略平行となるようにその偏光面を回転させるように配向される。
【００３７】
図５は、液晶層３０の各扇形領域における液晶の配向方向と、各扇形領域を透過した直線偏光の偏光方向を示す液晶層３０の概略正面図である。
本実施形態では、液晶層３０は、時計回りに配置され、互いに配向方向が異なる８個の扇形領域３０ａ〜３０ｈを有し、各扇形領域３０ａ〜３０ｈの中心角は等しくなるように設定される。また図５において、矢印４０ａ〜４０ｈは、それぞれ、各扇形領域３０ａ〜３０ｈに含まれる液晶分子の配向方向を表す。また、矢印５０ａ〜５０ｈは、それぞれ、各扇形領域３０ａ〜３０ｈから出射する直線偏光の偏光面を表す。なお、矢印５０ａ〜５０ｈのうち、矢印の先端が反対方向を向いている二つの矢印は、それら矢印で表される直線偏光の位相が互いにπだけずれていることを表す。
なお、光軸ＯＡ２と液晶層３０との交点ｃ1を通って扇形領域を２等分する直線を、その扇形領域の中心線と呼ぶ。
【００３８】
各扇形領域３０ａ〜３０ｈの配向方向は、例えば、各扇形領域を透過した後の直線偏光成分の偏光面が、その透過した扇形領域の中心線と平行となるように決定される。そこで、交点ｃ1を通り、入射する直線偏光の偏光面Ａに平行な面と交差する扇形領域３０ａを１番目の領域とし、扇形領域３０ａから時計回りまたは反時計回りに第ｎ番目の扇形領域について、その扇形領域の配向方向と、扇形領域３０ａを通る偏光成分の偏光面Ａとがなす角θは次式に従って設定される。
θ＝360°×(n-1)/(2N)  (n=1,2,...,N)                          （１）
ただし、Ｎは扇形領域の総数であり、本実施形態ではＮ＝８である。
【００３９】
例えば、ｎ＝１である扇形領域３０ａでは、θ＝０となる。すなわち、扇形領域３０ａでは、入射する直線偏光の偏光面が回転することなく直線偏光が透過するように、液晶分子の配向方向は、入射する直線偏光の偏光面Ａと略平行に設定される。
【００４０】
また、第ｎ番目の扇形領域を、扇形領域３０ａを１番目の領域として時計回りにｎ番目の領域としたとき、各扇形領域３０ｂ〜３０ｈの配向方向と扇形領域３０ａを通る偏光成分の偏光面Ａとがなす角は、それぞれ、時計回りを正として、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°となるように、各扇形領域３０ｂ〜３０ｈの配向方向は設定される。
あるいは、第ｎ番目の扇形領域を、扇形領域３０ａから反時計回りにｎ番目の領域としたとき、各扇形領域３０ｂ〜３０ｈの配向方向と扇形領域３０ａを通る偏光成分の偏光面Ａとがなす角は、それぞれ、時計回りを正として、-157.5°、-135°、-112.5°、-90°、-67.5°、-45°、-22.5°となるように、各扇形領域３０ｂ〜３０ｈの配向方向は設定される。
【００４１】
透明電極３３、３４は、液晶層３０全体を挟んで対向するように配置される。そして透明電極３３と３４との間に、所定の波長域に含まれる波長に対して液晶層３０の扇形領域３０ａ〜３０ｈが半波長板として機能するように、駆動回路１１１によって所定の電圧が印加される。
ここで、透明電極３３と３４との間に電圧が印加されると、液晶分子がその電圧に応じて電圧が印加された方向に対して平行になる方向に傾く。液晶分子の長軸方向と、電圧が印加された方向とがなす角をψとすれば、液晶層３０を透過する光は、長軸方向に対して角ψをなす。このとき、液晶分子が配向された方向と平行な偏光成分に対する液晶分子の屈折率をnψとすると、no≦nψ≦neとなる。ただし、noは液晶分子の長軸方向に直交する偏光成分（すなわち、常光線）に対する屈折率であり、neは液晶分子の長軸方向に平行な偏光成分（すなわち、異常光線）に対する屈折率である。
【００４２】
そのため、液晶層３０に含まれる液晶分子がホモジニアス配向されており、液晶層３０の厚さがdであると、液晶分子の配向方向に平行な偏光成分と液晶分子の配向方向に直交する偏光成分との間に、光路長差Δnd(=nψd-nod)が生じる。したがって、透明電極３３と３４との間に印加する電圧を調節することにより、液晶分子の配向方向に平行な偏光成分と、液晶分子の配向方向に直交する偏光成分との光路長差を調節できる。そのため、例えば、駆動回路１１１が透明電極３３と３４との間に印加する電圧を調節することにより、所望の波長に対して扇形領域３０ａ〜３０ｈが、それぞれ半波長板として機能する。
【００４３】
各扇形領域３０ａ〜３０ｈが半波長板として機能する場合、液晶分子３７の配向方向に対して角度θをなす偏光面を有する直線偏光がそれら扇形領域を透過すると、その偏光面は、透過した扇形領域の配向方向に対して角度−θをなすように回転する。すなわち、偏光面は、配向方向を中心として、角度２θだけ回転する。
【００４４】
図５に示した例では、各扇形領域３０ａ〜３０ｈにおける液晶分子の配向方向は、扇形領域３０ａに入射する直線偏光の偏光面Ａに対する角度が、各扇形領域の中心線と液晶層３０の扇形領域３０ａに入射する直線偏光の偏光面Ａとの角度の1/2となるように設定されている。そのため、交点ｃ1から入射直線偏光の偏光面Ａに沿って上方を向く方向を基準とし、時計回り方向を正とすると、各扇形領域３０ａ〜３０ｈを透過した直線偏光成分の偏光面の角度は、それぞれ、0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°となる。このように、液晶光学素子３から出射する光線は、光軸ＯＡ２を中心として放射状の直線偏光成分を持つ。
【００４５】
なお、各扇形領域３０ａ〜３０ｈを透過した偏光成分の偏光面は、交点ｃ1を中心とした放射状に分布すればよく、その偏光面は、透過した扇形領域の中心線と平行でなくてもよい。各扇形領域３０ａ〜３０ｈの配向方向は、各扇形領域３０ａ〜３０ｈを透過した偏光の偏光面が当該扇形領域及び交点ｃ1を通る所定の直線と平行となるように設定されればよい。例えば、各扇形領域３０ａ〜３０ｈの配向方向と、扇形領域３０ａに入射した直線偏光の偏光面Ａとのなす角が、上記の（１）式で求められる値に所定のオフセット値を加えた値となるように、各扇形領域３０ａ〜３０ｈの配向方向が設定されてもよい。この場合、所定のオフセット値は、各扇形領域３０ａ〜３０ｈの中心線と偏光面Ａとのなす角にそのオフセット値の２倍を加算した角度（すなわち、扇形領域を透過した偏光成分の偏光面と扇形領域３０ａに入射する直線偏光の偏光面とがなす角）が、隣接する扇形領域との境界が偏光面Ａとなす角度を超えないように、例えば、±5°に設定される。
【００４６】
また、液晶光学素子３の液晶層３０が有する、配向方向の異なる領域の数は、８個に限られない。液晶層３０が有する配向方向が異なる領域の数は、ラジアル偏光による効果が得られるために必要な数であればよい。例えば、液晶層３０は、４、５、６あるいは１６個の互いに配向方向が異なる領域を有していてもよい。
【００４７】
図６は、液晶層３０が６個の扇形領域３０ｉ〜３０ｎを含むときの各扇型領域における液晶の配向方向と、各領域を透過した直線偏光の偏光方向を示す概略正面図である。なお、この変形例においても、透明電極３３、３４は、液晶層３０全体を挟んで対向するように配置される。
この変形例において、矢印４０ｉ〜４０ｎは、それぞれ、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎに含まれる液晶分子の配向方向を表す。また、矢印５０ｉ〜５０ｎは、それぞれ、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎから出射する直線偏光の偏光面を表す。なお、矢印５０ｉ〜５０ｎのうち、矢印の先端が反対方向を向いている二つの矢印は、それら矢印で表される直線偏光の位相が互いにπだけずれていることを表す。
【００４８】
各扇形領域３０ｉ〜３０ｎのうち、光軸ＯＡと液晶層３０の交点ｃ1の上方に位置する扇形領域３０ｉでは、入射する直線偏光の偏光面Ａと、扇形領域３０ｉの中心線とが一致する。そのため、扇形領域３０ｉを１番目の領域とする。このとき、時計回り方向にｎ番目の扇形領域の配向方向は、例えば、その配向方向と偏光面Ａとがなす角が上記の（１）式に従って算出される角度となるように設定される。
この場合、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎの配向方向と扇形領域３０ａを通る偏光成分の偏光面Ａとがなす角は、それぞれ、時計回りを正として、0°、30°、60°、90°、120°、150°となる。
【００４９】
この場合も、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎを透過した直線偏光に対して液晶層３０が半波長板として機能するように、扇形領域３０ｉ〜３０ｎを挟む透明電極３３、３４間には入射光の波長に応じた電圧が印加される。
これにより、交点ｃ1から入射直線偏光の偏光面に沿って上方を向く方向を基準とし、時計回り方向を正とすると、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎを透過した直線偏光成分の偏光面の角度は、それぞれ、0°、60°、120°、180°、240°、300°となる。このように、液晶光学素子３から出射する光線は、光軸ＯＡ２を中心として放射状の直線偏光成分を持つ。
【００５０】
図７は、透明電極３３、３４間の液晶層３０に印加される電圧と液晶層３０により生じる常光線と異常光線の光路長差の一例を示す図である。
図７において、横軸は液晶層３０に印加される電圧を表し、縦軸は光路長差を表す。グラフ７０１は、波長405nmを持つ光について、印加電圧と光路長差の関係を表す。グラフ７０２は、波長650nmを持つ光について、印加電圧と光路長差の関係を表す。グラフ７０３は、波長780nmを持つ光について、印加電圧と光路長差の関係を表す。
【００５１】
例えば、波長405nmを持つ光に対して液晶層３０を半波長板として機能させるために、透明電極３３、３４間には、405nmの整数倍に202.5nmを加えた光路長差が生じる電圧が印加されればよい。そこでグラフ７０１を参照すると、透明電極３３、３４間に、光路長差1012.5nmに相当する約1.4Vrmsの電圧が印加されればよい。
また、例えば、波長650nmを持つ光に対して液晶層３０を半波長板として機能させるために、透明電極３３、３４間には、650nmの整数倍に325nmを加えた光路長差が生じる電圧が印加されればよい。そこでグラフ７０２を参照すると、透明電極３３、３４間に、光路長差975nmに相当する約1.5Vrmsの電圧が印加されればよい。
さらに、例えば、波長780nmを持つ光に対して液晶層３０を半波長板として機能させるために、透明電極３３、３４間には、780nmの整数倍に390nmを加えた光路長差が生じる電圧が印加されればよい。そこでグラフ７０３を参照すると、透明電極３３、３４間に、光路長差1170nmに相当する約1.1Vrmsの電圧が印加されればよい。
【００５２】
光軸調整機構４は、液晶光学素子３の光軸ＯＡ２を筺体５に取り付けられた対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と一致させるように、液晶光学素子３を対物レンズ１０４に対して相対的に移動可能に支持する。
そのために、本実施形態では、光軸調整機構４は、並進移動機構４１と、ティルト調整機構４２とを有する。
【００５３】
本実施形態では、並進移動機構４１は、いわゆるＸＹステージにより構成される。そのＸＹステージは、筺体５に取り付けられた対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１に対して直交する面に平行で、かつ、互いに直交する２軸に沿ってそれぞれ独立に移動可能な二つのステージを有する。そしてＸＹステージ上に液晶光学素子３が固定的に取り付けられる。またＸＹステージが有する二つのステージの略中央部には、対物レンズ１０４及び液晶光学素子３を通る光束を遮らないように、例えば、対物レンズ１０４の瞳径よりも大きい直径を持つ略円形の貫通孔が形成されている。
【００５４】
なお、このＸＹステージは、例えば、クロスローラ式ＸＹステージとすることができる。しかし、光軸調整機構４が有するＸＹステージは、ネジ送り式あるいはリニアボール式など、他の様々な方式のＸＹステージの何れかであってもよい。また例えば、筺体５の側壁に設けられた貫通孔を介して、ＸＹステージの各ステージの位置を調整するための調整ネジなどの調整用部材が筺体５の外部に位置するようにＸＹステージは配置される。そしてユーザがその調整用部材を操作することで、ＸＹステージ上の液晶光学素子３が、対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１に直交する面内で移動する。なお、並進移動機構４１は、各ステージの調整用部材として、モータあるいはピエゾ素子といった電動駆動素子を含んでもよい。この場合、例えば、コントローラ１１０または駆動回路１１１からの制御信号に応じてその電動駆動素子が動作することで、各ステージが移動する。
【００５５】
さらに、光軸調整機構４は、対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１に対して液晶光学素子３の光軸ＯＡ２の傾きを調整するためのティルト調整機構４２を有する。本実施形態では、ティルト調整機構４２は、取り付け口５１周囲において、取り付け口５１の中心を略重心とする正三角形の頂点の位置に配置された筺体５の外壁の貫通孔にそれぞれ挿入された送りねじ４２ａ〜４２ｃを有する。そして各送りねじ４２ａ〜４２ｃの先端は、ＸＹステージの土台に固定される。各送りねじ４２ａ〜４２ｃを回転させると、その回転量に応じて送りねじ４２ａ〜４２ｃの先端の位置が対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と略平行な方向に沿って移動する。そして送りねじ４２ａ〜４２ｃのうちの何れか一つを回転させると、他の二つの送りねじにより固定された部分で結ばれた直線を回転軸として、ＸＹステージが送りねじの先端の移動量に相当する量だけ回転する。その結果、ＸＹステージ上に配置された液晶光学素子３の光軸ＯＡ２が、ＸＹステージの回転量に相当する角度だけ光軸ＯＡ１に対して傾く。そこで、ユーザは、各送りねじ４２ａ〜４２ｃを操作することにより、液晶光学素子３の光軸ＯＡ２を、対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と略平行となるように、その光軸ＯＡ２の傾きを調節できる。
【００５６】
なお、光軸調整機構４は、ティルト調整機構４２を有さなくてもよい。この場合、並進調整機構４１を構成するＸＹステージは、筺体５の対物レンズ１０４の取り付け口５１が形成された外壁の内側に、例えばネジまたは接着剤により固定されてもよい。また光軸調整機構４は、並進調整機構４１を有さなくてもよい。この場合、光軸調整機構４は、ＸＹステージの代わりに、例えば、対物レンズ１０４の瞳径よりも大きい直径を持つ略円形の開口を持つステージを有し、そのステージ上に液晶光学素子３が配置される。
【００５７】
筺体５は、その内部に液晶光学素子３及び光軸調整機構４を収容可能なように中空状に形成される。例えば、筺体５は、金属あるいは樹脂により形成される。そして上述したように、筺体５の一つの外壁に、対物レンズ１０４の取り付け口５１が形成される。また、取り付け口５１が形成された外壁と対向する側の外壁（図２（ｂ）及び図２（ｃ）における上側の外壁）には、対物レンズ１０４及び液晶光学素子３を通る光束を遮らないように、対物レンズ１０４の瞳径よりも大きい直径を持つ貫通孔５２が形成される。そしてその貫通孔５２の周囲には、筺体５を対物レンズ１０４を用いる光照射装置に取り付けるためのネジ溝が外周に形成された略円筒状の突起部５３が形成される。なお突起部５３は、光照射装置側の対物レンズの取り付け機構、例えば、レボルバの取り付け機構に応じた構造を有するものであればよい。
【００５８】
また筺体５は、液晶光学素子３を筺体５内のＸＹステージ上に載置できるように、例えば、図２（ｂ）における上側と下側とに分離する二つの部材により形成されてもよい。あるいは、筺体５の側壁の何れか一つに、液晶光学素子３を筺体５内へ挿入したり、筺体５から取り出すことが可能なサイズを持つ取り出し口が形成されていてもよい。
【００５９】
以下、本実施形態による光学素子の組み立て手順について、図８を参照しつつ説明する。
先ず、対物レンズ１０４を筺体５の取り付け口５１に取り付ける（ステップＳ１０１）。次に、液晶光学素子３を筺体５内の光軸調整機構４に取り付ける（ステップＳ１０２）。なお、対物レンズの取り付けよりも先に、液晶光学素子が取り付けられてもよい。
そして、筺体５ごと、液晶光学素子３を観察可能な観察光学系を有する光軸調整用装置に、対物レンズ１０４よりも液晶光学素子３が観察光学系側に位置するように取り付ける（ステップＳ１０３）。例えば、光軸調整用装置は、図１に示したレーザ顕微鏡１００そのものであってもよい。この場合、筺体５は、レーザ顕微鏡１００の対物レンズの取り付け位置に取り付けられる。光軸調整用装置は、例えば、筺体５の位置を調節可能な機構を有し、その機構を操作することで対物レンズ１０４の光軸が観察光学系の像面の所定の位置、例えば、視野の中心に位置するように、筺体５が取り付けられる。なお、対物レンズ１０４の光軸と観察光学系の光軸の位置合わせには、光学系の光軸調整を行うために利用される一般的な光軸調整手順に従って行われればよい。例えば、対物レンズ１０４が組み込まれた観察光学系の物点に置かれた光源の像の位置が予め決められた位置となるように、筺体５の位置を調整すればよい。
【００６０】
そして、例えば、対物レンズ１０４を通して液晶光学素子３を照明することにより、その観察光学系の像面に形成される液晶光学素子３の像を観察しつつ、液晶光学素子３の光軸ＯＡ２が対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と一致するように、光軸調整機構４を操作して液晶光学素子３の対物レンズ１０４に対する相対的な位置を調整する（ステップＳ１０４）。対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１は、例えば、その像面における視野の中心となる。
【００６１】
ここで、例えば、対物レンズ１０４の焦点側から対物レンズ１０４を介して液晶光学素子３を直線偏光で照明すると、液晶光学素子３を直線偏光が透過することによって扇形領域ごとに偏光方向が回転するので、観察光学系の像面において、液晶光学素子３の各扇形領域ごとに明るさが異なる。そのため、像面において、各扇形領域の境界が観察される。そして、その境界が交わる中心が、光軸ＯＡ２の位置であることが分かる。なお、光軸調整用装置は、液晶光学素子３と観察用の光学系の間に検光子を有してもよい。検光子を配置することにより、像面における扇形領域ごとの像の明るさの差がより明確となる。そのため、ユーザは扇形領域の境界をより観察し易くなるので、液晶光学素子３の光軸ＯＡ２の位置をより正確に特定可能となり、その結果、対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と液晶光学素子３の光軸ＯＡ２を一致させることが容易となる。
また、光軸調整用装置は観察用光学系の像面に配置された２次元イメージセンサを有してもよい。この場合、そのイメージセンサにより、液晶光学素子３の像が写った画像が生成される。ユーザは、その画像を、例えば光軸調整用装置と接続された表示装置上で観察しながら液晶光学素子３の位置を調整してもよい。
【００６２】
また、上記の光軸調整用装置がレーザ顕微鏡１００のようなレーザ共焦点顕微鏡である場合、発明者は、対物レンズ１０４によってレーザ共焦点顕微鏡の光源から発せられたレーザ光が集光する集光面に何も置かずに、その光源から発したレーザ光の向きを例えばガルバノミラーなどで変えながら集光面を走査すると、集光面の各点からの光の強度を対応する画素の値とすることにより得られる画像に液晶光学素子３の各扇形領域の像が写るという知見を得た。そこで、ユーザは、その画像を観察しつつ、光軸ＯＡ２に相当する、各扇形領域の中心の交点の像が対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１に対応する画像上の画素の位置と重なるように、光軸調整機構４を操作して液晶光学素子３の位置を調整すればよい。
【００６３】
以上説明してきたように、本発明の第１の実施形態に係る光学素子は、液晶光学素子の位置を調整するだけで液晶光学素子の光軸と対物レンズの光軸の位置合わせが可能であるため、液晶光学素子と対物レンズのアライメント調整を容易にする。そしてこの光学素子は、光軸の一致した液晶光学素子と対物レンズとをユーザが一体的に取り扱うことを可能にする。そのため、この光学素子は、対物レンズ及び液晶光学素子が組み込まれた顕微鏡装置に対物レンズ及び液晶光学素子を組み込むためのアライメント調整の手間を削減できる。
【００６４】
次に、第２の実施形態による光学素子について説明する。この光学素子は、液晶光学素子として、偏光面回転素子とともに位相反転素子を有する。そしてこの光学素子が有する光軸調整機構は、偏光面回転素子の光軸及び位相反転素子の光軸を、それぞれ対物レンズの光軸と一致させるように、偏光面回転素子及び位相反転素子の位置をそれぞれ独立に調整可能とする。
なお、以下では、第２の実施形態による光学素子のうち、第１の実施形態による光学素子と異なる点について説明する。
【００６５】
図９（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る光学素子１０の概略側面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）の矢印BB'の方向から見た垂直方向の点線に沿った光学素子１０の概略側面断面図であり、図９（ｃ）は、図９（ａ）の矢印CC'の方向から見た水平方向の点線に沿った光学素子１０の概略断面図である。光学素子１０は、偏光面回転素子１２と、位相反転素子１３と、光軸調整機構１４と、筺体１５とを有し、対物レンズ１０４と一体化されている。
【００６６】
第１の実施形態による光学素子１と同様に、対物レンズ１０４は、筺体１５の外壁の一つに設けられた取り付け口に取り付けられる。また筺体１５の対物レンズ１０４が取り付けられた外壁と対向する側の外壁には、対物レンズ１０４、偏光面回転素子１２及び位相反転素子１３を通る光束を遮らないように、対物レンズ１０４の瞳径よりも大きい直径を持つ貫通孔が形成される。そしてその貫通孔の周囲には、筺体１５を図１に示したレーザ顕微鏡１００に取り付けるためのネジ溝が外周に形成された略円筒状の突起部が形成される。
【００６７】
また、筺体１５の側壁の内側には、偏光面回転素子１２及び位相反転素子１３を保持するためのガイド溝１５１及び１５２が形成される。ガイド溝１５１は、筺体１５に取り付けられた対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と直交する面に平行となるように筺体１５の内周に沿って、かつ偏光面回転素子１２を挿入可能な幅を持つように形成される。同様に、ガイド溝１５２は、ガイド溝１５１よりも対物レンズ１２から離れた位置に、筺体１５に取り付けられた対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と直交する面に平行となるように筺体１５の内周に沿って、かつ位相反転素子１３を挿入可能な幅を持つように形成される。
また、ガイド溝１５１、１５２に沿って偏光面回転素子１２及び位相反転素子１３を筺体１５内に挿入できるように、筺体１５の側壁のうちの一つは筺体１５本体に対して取り外し可能となっていてもよい。
【００６８】
偏光面回転素子１２は、例えば、第１の実施形態による液晶光学素子３と同様の液晶光学素子であり、入射した直線偏光をラジアル偏光に変換する。偏光面回転素子１２は、その光軸ＯＡ２が筺体１５に取り付けられた対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と略平行になるように、ガイド溝１５１に挿入される。
【００６９】
位相反転素子１３は、光照射装置の光源から発し、位相反転素子１３に入射するする直線偏光を、位相反転素子１３の光軸ＯＡ３を中心とする同心円状の複数の輪帯のうちの一部を透過する光の位相を他の輪帯を通る光の位相に対して反転させる。位相反転素子１３は、その光軸ＯＡ３が筺体１５に取り付けられた対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と略平行になるように、ガイド溝１５２に挿入される。そのため、光照射装置の光源から発し、位相反転素子１３を透過した光（図９（ｂ）に示した例では、上方から下方へ向けて位相反転素子１３を透過した光）は、偏光面回転素子１２によりラジアル偏光に変換された後、対物レンズ１０４を通って集光される。これにより、対物レンズ１０４により集光された光は、偏光面回転素子のみによって生成されたラジアル偏光が集光された光よりも、より良好なｚ偏光となる。
【００７０】
図１０（ａ）は、位相反転素子の一例の概略正面図であり、図１０（ｂ）は、位相反転素子の他の一例の概略正面図である。なお、図１０（ａ）に示された位相反転素子と図１０（ｂ）に示された位相反転素子とは、輪帯状電極の構造についてのみ相違する。輪帯状電極の詳細については後述する。また図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、それぞれ、図１０（ａ）または図１０（ｂ）に示された矢印Y、Y'で示された線における位相反転素子１３の概略側面断面図である。このうち、図１１（ａ）は、位相反転素子１３に電圧が印加されていないときの位相反転素子１３に含まれる液晶分子の状態を表し、図１１（ｂ）は、位相反転素子１３に電圧が印加されたときの位相反転素子１３に含まれる液晶分子の状態を表す。
【００７１】
位相反転素子１３は、入射した直線偏光のうち、光軸ＯＡ３を中心とする少なくとも一つの輪帯状の部分の位相を他の部分の位相に対して反転させる。そのために、位相反転素子１３は、液晶層１３０と、光軸ＯＡ３に沿って液晶層１３０の両側に略平行に配置された透明基板１３１、１３２を有する。そして液晶層１３０に含まれる液晶分子１３７は、透明基板１３１及び１３２と、シール部材１３８との間に封入されている。また位相反転素子１３は、透明基板１３１と液晶層１３０の間に配置された透明電極１３３と、液晶層１３０と透明基板１３２の間に配置された透明電極１３４とを有する。なお、透明基板１３１、１３２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、所定の波長域に含まれる波長を持つ光に対して透明な材料により形成される。また透明電極１３３、１３４は、例えば、ＩＴＯにより形成される。透明電極１３３と液晶層１３０の間に配向膜１３５が配置される。また透明電極１３４と液晶層１３０の間に配向膜１３６が配置される。これら配向膜１３５、１３６は、液晶分子１３７を所定の方向に配向させる。なお、液晶分子１３７が、構造配向など、配向膜を用いない方法によって配向される場合、配向膜１３５、１３６は省略されてもよい。
さらに、各基板、各透明電極及び各配向膜の外周には鏡枠１３９が配置され、この鏡枠１３９が、各基板を保持している。
【００７２】
図１１（ａ）に示されるように、液晶層１３０に封入された液晶分子１３７は、例えば、ホモジニアス配向となり、かつ、入射する直線偏光の偏光面と略平行な方向に配向されている。
【００７３】
再度図１０（ａ）または図１０（ｂ）を参照すると、透明電極１３３は、光軸ＯＡ３と位相反転素子２の交点ｃ2を中心とする、円状の中心電極１３３ａと、同心円状の少なくとも一つの輪帯状の電極とを有する。この例では、透明電極１３３は、中心電極１３３ａの周囲に、５個の輪帯状電極１３３ｂ〜１３３ｆを有する。また、各電極間の隙間は小さい方が好ましい。一方、透明電極１３４は、液晶層１３０全体を覆うように形成される。これにより、液晶層１３０には、中心電極１３３ａ及び中心から偶数番目の輪帯状電極１３３ｃ、１３３ｅの何れかと透明電極１３４に挟まれた第１の輪帯状部分と、中心から奇数番目の輪帯状電極１３３ｂ、１３３ｄ、１３３ｆの何れかと透明電極１３４に挟まれた第２の輪帯状部分とが、同心円状に交互に形成される。
なお、透明電極１３４も、透明電極１３３の形状と同様の形状を有してもよく、あるいは、透明電極１３４が同心円状の少なくとも一つの輪帯状の形状を有し、透明電極１３３が液晶層１３０全体を覆うように形成されてもよい。
【００７４】
図１０（ａ）に示した例では、円状の中心電極及び各輪帯状電極は独立に制御可能なように、各輪帯状電極から配線がそれぞれ引き出されており、その配線が駆動回路１１１と接続されている。また図１０（ｂ）に示した例では、円状の中心電極１３３ａから順に偶数番目の輪帯状電極同士、及び奇数番目の輪帯状電極同士がそれぞれ同一の配線で電気的に接続され、偶数番目の輪帯状電極と接続された配線及び奇数番目の輪帯状電極と接続された配線がそれぞれ駆動回路１１１と接続される。これにより、偶数番目の各輪帯状電極は同一の電位で駆動可能となっている。同様に、奇数番目の各輪帯状電極も同一の電位で駆動可能となっている。また図１０（ｂ）では、奇数番目の輪帯状電極群と偶数番目の輪帯状電極群のうち、一方の電極群は電気的に制御されなくてもよい。この場合、他方の電極群と透明電極１３４との間に電圧を印加することで、その他方の電極群と透明電極１３４との間に挟まれた液晶層により、光の位相を反転可能である。なお、輪帯状電極も厚さがあるので、輪帯状電極を通った光の位相は、輪帯状電極を透過しない光の位相に対してずれる。そこで、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示されるように、電圧制御に利用される輪帯状電極だけでなく、電圧制御が不要な輪帯状電極も配置することで、位相反転素子１３は、液晶層１３０に電圧が印加されない場合に位相反転素子１３を透過する光束のほぼ全体を同位相にすることができる。
【００７５】
さらに、電気的に制御する必要がない偶数番目、あるいは奇数番目の輪帯状電極群の電位を、その輪帯状電極群と対向する側の透明基板に設けられた透明電極１３４と同一の基準電位、あるいは液晶層１３０内の液晶分子が動作しない電位の最大値である閾値電位に設定することが好ましい。閾値電位は、一般には実効電圧で約1V〜2Vである。このように電気的に制御する必要がない輪帯状電極群の電位を設定することで、位相反転素子１３は、液晶層１３０の電位を一定に制御できるので、静電気等のノイズにより液晶層１３０の液晶１３７が誤動作することを防止できる。また電気的に制御する必要がない輪帯状電極群の電位を閾値電位とすることで、液晶層１３０の熱揺らぎも抑制できる。
【００７６】
図１１（ｂ）に示されるように、中心電極１３３ａ及び偶数番目の輪帯状電極１３３ｃ、１３３ｅと、液晶層１３０を挟んで対向して配置された透明電極１３４との間に、駆動回路１１１によって電圧が印加されると、それらの電極で挟まれた第１の輪帯状部分１３０ａに含まれる液晶分子の長軸方向が、光軸ＯＡ３に直交する方向から光軸ＯＡ３に平行な方向に近づくように液晶分子が傾く。一方、奇数番目の輪帯状電極１３３ｂ、１３３ｄ、１３３ｆと透明電極１３４との間には電圧が印加されなければ、それらの電極で挟まれた第２の輪帯状部分１３０ｂに含まれる液晶分子は、その長軸が光軸ＯＡ３に直交する方向を向いたままとなる。
【００７７】
ここで、透明電極１３３の一部の電極と１３４との間に電圧が印加されたときの、第１の輪帯状部分１３０ａに含まれる液晶分子の長軸方向と、電圧が印加された方向、すなわち光軸ＯＡの方向とがなす角をψとすれば、液晶層１３０を透過する光は、液晶分子１３７の長軸方向に対して角ψをなす。このとき、液晶分子１３７が配向された方向と平行な偏光成分に対する液晶分子の屈折率をnψとすると、no≦nψ≦neとなる。そのため、液晶層１３０に含まれる液晶分子１３７がホモジニアス配向されており、液晶層１３０の厚さがdであると、液晶層１３０のうち、第１の輪帯部分１３０ａを通る偏光成分と、第２の輪帯部分１３０ｂを通る偏光成分との間に、光路長差Δnd(=nψd- ned)が生じる。そしてそれら二つの偏光成分間に生じる位相差Δは、2πΔnd/λとなる。なお、λは、液晶層１３０に入射する光線の波長である。
【００７８】
このように、透明電極１３３と透明電極１３４との間に印加する電圧を調節することにより、位相反転素子１３は、液晶層１３０を透過する光の位相を変調することができる。従って、透明電極１３３と透明電極１３４との間に入射光の波長に応じた所定の電圧が印加されると、位相反転素子１３は、第１の輪帯部分１３０ａを通る光の位相を、第２の輪帯部分１３０ｂを通る光の位相に対してπだけずらすことができる。
【００７９】
光軸調整機構１４は、偏光面回転素子１２の位置を調整するための並進調整機構１４１と、位相反転素子１３の位置を調整するための並進調整機構１４２とを有する。なお、並進調整機構１４１と１４２とは同一の構造を有するので、以下では、並進調整機構１４１について説明する。
【００８０】
並進調整機構１４１は、二つの弾性部材１４１１、１４１２と、二つの軸位置調整部材１４１３、１４１４とを有する。
弾性部材１４１１は、筺体５の側壁のうちの一つにおいて、ガイド溝１５１内に、光軸ＯＡ１と直交する面と略平行な方向に沿って形成された孔１５１ａに挿入される。同様に、弾性部材１４１２は、孔１５１ａが形成された側壁と隣接する側壁の一方において、ガイド溝１５１内に、光軸ＯＡ１と直交する面と略平行な方向に沿って形成された孔１５１ｂに挿入される。そして弾性部材１４１１、１４１２の一端は、それぞれ、孔１５１ａ、１５１ｂの底面（すなわち、ガイド溝１５１内の筺体１５の側壁側の面）と接し、弾性部材１４１１、１４１２の他端は、偏光面回転素子１２の外周と接している。そして弾性部材１４１１は、偏光面回転素子１２を孔１５１ａが形成された側壁と対向する側の側壁へ向けて付勢する。また弾性部材１４１２は、偏光面回転素子１２を孔１５１ｂが形成された側壁と対向する側の側壁へ向けて付勢する。すなわち、弾性部材１４１２により付勢される方向は、弾性部材１４１１により付勢される方向と略直交する。
なお、弾性部材１４１１、１４１２は、それぞれ、例えば、コイルバネ、あるいはスプリングプランジャとすることができる。
【００８１】
軸位置調整部材１４１３は、例えば、外周にネジ溝が形成されたネジ状部材であり、弾性部材１４１１が挿入された孔１５１ａが形成された側壁と対向する側の筺体１５の側壁に、ガイド溝１５１の底面から筺体１５の外側に向けて貫通するように形成された貫通孔１５１ｃ内に挿入される。また貫通孔１５１ｃの内周にもネジ溝が形成されており、軸位置調整部材１４１３と貫通孔１５１ｃとは螺合している。
【００８２】
軸位置調整部材１４１３の先端は、弾性部材１４１１が接している側と反対側の偏光面回転素子１２の外周と接している。軸位置調整部材１４１３をその中心線を回転軸として例えば時計回りに回転させると、軸位置調整部材１４１３の先端が筺体１５の内部へ、すなわち、図９（ｃ）における水平方向に沿って左側へ向けて移動する。その結果、偏光面回転素子１２も、軸位置調整部材１４１３に押圧されて弾性部材１４１１の方へ移動する。逆に、軸位置調整部材１４１３をその中心線を回転軸として反時計回りに回転させると、軸位置調整部材１４１３の先端が筺体１５の外側へ、すなわち、図９（ｃ）における水平方向に沿って右側へ向けて移動する。上記のように、偏光面回転素子１２は、弾性部材１４１１によって貫通孔１５１ｃが形成された側壁へ向けて付勢されているので、軸位置調整部材１４１３の先端が筺体１５の外側へ向けて移動するにつれて、偏光面回転素子１２も貫通孔１５１ｃが形成された側壁の方へ（すなわち、図９（ｃ）における右側へ）移動する。
【００８３】
同様に、軸位置調整部材１４１４は、例えば、外周にネジ溝が形成されたネジ状部材であり、弾性部材１４１２が挿入された孔１５１ｂが形成された側壁と対向する側の筺体１５の側壁に、ガイド溝１５１の底面から筺体１５の外側に向けて貫通するように形成された貫通孔１５１ｄ内に挿入される。また貫通孔１５１ｄの内周にもネジ溝が形成されており、軸位置調整部材１４１４と貫通孔１５１ｄとは螺合している。
【００８４】
軸位置調整部材１４１４の先端は、弾性部材１４１２が接している側と反対側の偏光面回転素子１２の外周と接している。軸位置調整部材１４１４をその中心線を回転軸として例えば時計回りに回転させると、軸位置調整部材１４１４の先端が筺体１５の内部へ、すなわち、図９（ｃ）における垂直方向に沿って下方へ向けて移動する。その結果、偏光面回転素子１２も、軸位置調整部材１４１４に押圧されて弾性部材１４１２の方へ移動する。逆に、軸位置調整部材１４１４をその中心線を回転軸として反時計回りに回転させると、軸位置調整部材１４１４の先端が筺体５の外側へ、すなわち、図９（ｃ）における垂直方向に沿って上方へ向けて移動する。上記のように、偏光面回転素子１２は、弾性部材１４１２によって貫通孔１５１ｄが形成された側壁へ向けて付勢されているので、軸位置調整部材１４１４の先端が筺体１５の外側へ向けて移動するにつれて、偏光面回転素子１２も貫通孔１５１ｄが形成された側壁の方へ（すなわち、図９（ｃ）における上側へ）移動する。
【００８５】
このように、軸位置調整部材１４１３、１４１４をそれぞれ回転させることにより、偏光面回転素子１２は、対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と直交する面内で、互いに直交する二つの方向に移動する。そのため、並進調整機構１４１は、偏光面回転素子１２の光軸ＯＡ２を対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と一致させることができる。
【００８６】
なお、軸位置調整部材１４１３、１４１４は、ネジ状部材でなくてもよい。例えば、軸位置調整部材１４１３、１４１４は、ピエゾ素子であってもよい。この場合、軸位置調整部材１４１３、１４１４の一端は偏光面回転素子１２の外周と接し、軸位置調整部材１４１３、１４１４の他端は、筺体５の側壁の内側に固定される。この場合、コントローラ１１０または駆動回路１１１からピエゾ素子に印加する電圧を変えることにより、ピエゾ素子の長さも変化する。そのため、ピエゾ素子の長さの変化に応じて偏光面回転素子１２が対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と直交する面内で移動する。そこで、軸位置調整部材１４１３、１４１４のピエゾ素子に印加する電圧を適切に調節することで、並進調整機構１４１は、偏光面回転素子１２の光軸ＯＡ２を対物レンズ１０４の光軸ＯＡ１と一致させることができる。
【００８７】
この第２の実施形態による光学素子１０についても、図８に示した組み立て手順と同様の手順により、液晶光学素子である偏光面回転素子１２及び位相反転素子１３の光軸が、筺体１５に取り付けられた対物レンズ１０４の光軸と一致するように、光学素子１０を組み立てることができる。
【００８８】
ただし、位相反転素子１３の光軸を対物レンズ１０４の光軸と一致させる際には、図示しない駆動回路１１１から位相反転素子１３の液晶層に電圧を印加する。これにより、透明電極のパターンに応じた、位相の異なる輪帯ごとに明るさが異なる像が、光軸位置調整用装置の観察光学系を介して観察できるようになる。そこで、ユーザは、輪帯の像の中心が、対物レンズの光軸に対応する位置と重なるように、並進調整機構１４２を操作して、位相反転素子１３の位置を調整すればよい。
【００８９】
次に、本発明の第３の実施形態による光学素子について説明する。第３の実施形態による光学素子は、液晶光学素子として、対物レンズを含む光学系で生じる波面収差を補正するよう、透過した光束の位相を制御する位相変調素子を有する。第３の実施形態による光学素子は、第１の実施形態による光学素子と比較して、筺体５内に収容されている位相変調素子の機能及びその位相変調素子が有する透明電極の構造が、液晶光学素子３の機能及び液晶光学素子３が有する透明電極の構造と異なる。また第３の実施形態では、光学素子が有する液晶光学素子は、位相変調素子のみである。そこで以下では、位相変調素子の機能、及び位相変調素子が有する透明電極及びその関連部分について説明する。また第３の実施形態による位相変調素子が有する透明電極以外の点、及び、光軸調整機構及び筺体に関しては、第１の実施形態における対応する構成要素の説明を参照されたい。
【００９０】
第３の実施形態による光学素子が有する位相変調素子も、第１の実施形態による液晶光学素子と同様に、２枚の透明基板及びそれら透明基板間に挟まれた液晶層を有する。そして液晶層に封入された液晶分子は、例えば、ホモジニアス配向されている。さらに、液晶層と各透明基板の間には、それぞれ、透明電極が設けられており、この２枚の透明電極間に印加する電圧を調節することで、液晶光学素子を透過する光束に、レーザ顕微鏡１００の光学系で生じる収差をキャンセルさせるための位相分布を与える。
【００９１】
図１２は、第３の実施形態による位相変調素子が有する二つの透明電極のうちの一方の構造の一例を示す位相変調素子の概略正面図である。なお、位相変調素子が有する二つの透明電極のうちの他方は、例えば、液晶層全体を覆うように形成される。あるいは、両方の透明電極とも、図１２に示されれる形状を有してもよい。
図１２に示されるように、透明電極７１は、位相変調素子７の光軸と位相変調素子７の交点ｃ0を中心とする、円状の電極７１ａと、同心円状の複数の輪帯状の電極７１ｂ〜７１ｉとを有する。そして、輪帯状電極７１ｉの外周が、液晶分子が駆動されるアクティブ領域の外周に対応する。アクティブ領域の直径は、例えば、対物レンズ１０４の瞳径と略一致するように設計される。
【００９２】
図１２に示した例では、円状電極７１ａ及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉは独立に制御可能なように、円状電極７１ａ及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉから配線がそれぞれ引き出されており、その配線が駆動回路１１１と接続されている。さらに、円状電極７１ａ及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉとは互いに離して配置されることで絶縁されている。そして円状電極７１ａ及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉにより液晶層に印加する電圧を制御することで、円状電極７１ａ及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉに応じた液晶層の輪帯状の部分ごとに光路長を変えることができる。その結果として、光学素子は、位相変調素子７を透過する光束に、同心円状の所望の位相分布を与えることが可能となっている。
【００９３】
なお、円状電極７１ａの直径及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉの幅は、例えば、光束の直径方向に沿った所望の位相分布プロファイルを等位相間隔で分割することにより設定される。すなわち、光軸からの距離の変化に対する位相変調量の変化が大きい位置に対応する輪帯ほど狭く設定されることが好ましい。
【００９４】
また、円状電極７１ａ及び各輪帯電極７１ｂ〜７１ｉのそれぞれは、隣接する輪帯電極と、同一の電気抵抗を持つ電極（抵抗子）によって接続されてもよい。この場合には、所望の位相分布から、位相変調量が最大となる位置及び最小となる位置に対応する輪帯電極が決定される。そして、位相変調量が最大となる位置にある輪帯電極または円状電極に、最大位相変調量に応じた電位が与えられ、一方、位相変調量が最小となる位置にある輪帯電極または円状電極に、最小位相変調量に応じた電位が与えられる。この結果、抵抗分割により、隣接する輪帯電極間の電位差が同一となる。そのため、液晶光学素子は、各輪帯電極を独立駆動するよりも単純な駆動回路で駆動できる。
【００９５】
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、それぞれ、第３の実施形態による位相変調素子７において、電圧が印加される電極の一例を示す図である。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）において、電極７１ａは中心の円状電極であり、輪帯電極７１ｉは最外周の輪帯電極である。そして輪帯電極７１ｂ〜７１ｈのうちの何れかである輪帯電極７１ｍは、最高電位が与えられる輪帯電極を表す。また隣接する輪帯電極同士は、抵抗値Ｒの抵抗により接続されている。
【００９６】
図１３（ａ）では、各電極は、２レベルの電圧により駆動される。中心の円状電極７１ａと最外周の輪帯電極７１ｉに同一の最低電位Ｖ１が与えられ、一方、輪帯電極７１ｍには、最高電位Ｖ２が与えられる。レーザ顕微鏡１００の光学系で発生した波面収差の位相分布における中心及び端部の位相が等しくなるように、対物レンズ１０４により集光されるスポットと観察対象位置間のデフォーカス値を選ぶことで、中心の円状電極７１ａを通る光束の位相と最外周の輪帯電極７１ｉを通る光束の位相とを一致させることができる。この場合、図１３（ａ）のように、中心の円状電極７１ａと最外周の輪帯電極７１ｉに与えられる電位を同一としても、波面収差による位相分布をキャンセルできる位相変調量を、液晶層に生じさせることができる。このように、２レベル駆動の例では、最低電位Ｖ１と最高電位Ｖ２間の電位差を変えることにより、位相変調プロファイルの形状を変えずに、液晶層中の各輪帯電極に対応する領域についての位相変調量の大きさを変更できる。
【００９７】
これに対して、図１３（ｂ）は、各電極は、３レベルの電圧により駆動される。この構成では、最外周の輪帯電極７１ｉに、円状電極７１ａに与えられる電位Ｖ１とは異なる電位Ｖ３が与えられる。このように、最外周の輪帯電極７１ｉにも任意の位相変調量が発生するように電位Ｖ１と異なる電位Ｖ３を与えることで、対物レンズ１０４として、開口数ＮＡの異なる対物レンズが用いられた場合でも、位相変調素子７は、対物レンズごとに異なる位相変調量の分布を液晶層に生じさせることができる。そのため、位相変調素子７は、使用される対物レンズに応じて、波面収差を高精度に補償することができる。
【００９８】
図１４（ａ）は、対物レンズを含む光学系により生じる波面収差を補正するために、液晶光学素子の各輪帯電極と対向する透明電極との間に印加される電圧の分布の一例を示す図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示された電圧の分布に応じて位相変調素子７が生じる位相変調量の分布の一例を示す図である。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）において、横軸は、光軸ＯＡからの距離を表し、領域７１ａ〜７１ｉは、それぞれ、円状電極７１ａ及び輪帯電極７１ｂ〜７１ｉに対応する。また図１４（ａ）において、縦軸は電極間に印加される電圧を表す。そしてグラフ１４０１は、光軸からの距離に応じた電圧の分布を表す。一方、図１４（ｂ）において縦軸は位相変調量を表し、下へ行くほど位相が遅れることを表す。そしてグラフ１４０２は、光軸からの距離に応じた、位相変調素子７が生じる位相変調量の分布を表す。この例では、中心部と最外周における位相変調量が異なっているので、液晶光学素子は、３レベルの電圧で駆動されることが好ましい。
グラフ１４０１及び１４０２に示されるように、電極間の電圧が大きいほど、位相変調量も大きくなる。
【００９９】
対物レンズを交換する度に、光学系で発生した波面収差に応じた位相分布がキャンセルされるよう、円状電極７１ａ、輪帯電極７１ｍ、及び輪帯電極７１ｉに与える電位Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の比が設定される。最終的な電圧の調整は、例えば、像を見ながら手動で、もしくは像から得られるコントラスト等の情報をコントローラが求め、その情報を印加する電位にフィードバックしながら最適となる電位を自動で設定してもよい。
【０１００】
なお、一般的なレーザー顕微鏡は、波長が異なるレーザ光源を複数備えており、レーザ光源ごとに、それぞれ、必要な位相変調量が異なる。波長の違いによる、位相変調量の違いは、液晶層に印加する電圧を変化させることで対応することができる。更に、温度変化等による位相変調量の違いも印加電圧の調整でキャンセルすることができる。
【０１０１】
上記のように、この実施形態における位相変調素子７も、位相変調素子７自身の光軸を回転中心とした位相変調量を与えるので、対物レンズの光軸と位相変調素子７の光軸とが一致していなければ、位相変調素子７は、対物レンズを含む光学系で生じる波面収差を適切に補正できないおそれがある。そのため、この実施形態でも、対物レンズ１０４の光軸と位相変調素子７の光軸とを一致させることが好ましい。
【０１０２】
この第３の実施形態による光学素子についても、図８に示した組み立て手順と同様の手順により、位相変調素子７の光軸が、筺体に取り付けられた対物レンズ１０４の光軸と一致するように、光学素子を組み立てることができる。
【０１０３】
ただし、第３の実施形態においては、位相変調素子７の光軸を対物レンズ１０４の光軸と一致させる際には、第２の実施形態における位相反転素子１３の光軸を対物レンズ１０４の光軸と一致させるときと同様に、駆動回路１１１から位相変調素子７の液晶層に、個々の輪帯電極ごとに異なる電圧を印加することで、液晶層を透過する光束について、その輪帯電極に対応した輪帯部分ごとに明るさが異なる像が観察できる状態として、輪帯の像の中心が対物レンズ１０４の光軸に対応する位置と重なるように光軸調整機構４を操作すればよい。
【０１０４】
なお、光学素子は、液晶光学素子として、対物レンズ１０４の光軸方向に沿って並べられた複数の位相変調素子を有してもよい。そして各位相変調素子は、互いに異なる種類の波面収差を補正するように、それぞれ、位相変調素子を透過する光束に異なる位相変調量の分布を与えてもよい。
【０１０５】
各位相変調素子は、例えば、第３の実施形態による位相変調素子７と同一の構成を有することができる。そして各位相変調素子が有する液晶層に封入された液晶分子の配向方向が互いに平行となるように、各位相変調素子は配置される。そして各位相変調素子は、例えば、第３の実施形態による液晶光学素子と同様に、図１２に示されたような同心円状の輪帯電極を有してもよい。この場合でも、二つの位相変調素子のうちの一方の各輪帯電極に印加する電位を、他方の位相変調素子の各輪帯電極に印加する電位とを異ならせることで、例えば、一方の位相変調素子が３次球面収差を補正する位相変調量の分布を光束に与え、他方の位相変調素子が５次球面収差を補正する位相変調量の分布を光束に与えてもよい。
【０１０６】
あるいは、二つの位相変調素子が有する透明電極パターンが互いに異なっていてもよい。
【０１０７】
図１５は、この変形例による、二つの位相変調素子のうちの一方が有する二つの透明電極のうちの一方の構造の一例を示す概略正面図である。なお、位相変調素子が有する液晶層に封入された液晶分子は、図１５におけるx軸に直交する方向に沿って配向される。また、位相変調素子が有する二つの透明電極のうちの他方は、例えば、液晶層全体を覆うように形成される。あるいは、両方の透明電極とも、図１５に示される形状を有してもよい。なお、この変形例でも、他方の位相変調素子は、例えば、第３の実施形態による液晶光学素子と同一の構成とすることができる。
【０１０８】
図１５に示された透明電極７２は、レーザ顕微鏡１００の光学系で生じるコマ収差を補正するのに適した位相変調量の分布を、位相変調素子を透過する光束に与えるように最適化されている。図１５に示されるように、位相変調素子に入射される光束の有効径７２１から所定距離（例えば、50μm）内側に入った内側領域７２２に、位相を進ませるための二つの電極７２ａ及び７２ｂと、位相を遅らせるための二つの電極７２ｃ及び７２ｄが配置されている。さらに、内側領域７２１内で電極７２ａ〜７２ｄが配置されていないところには、基準電圧を印加するための基準電極７２ｅが配置される。簡単化のために図示していないが、各電極間にはスペースが設けられ、互いに絶縁されている。
【０１０９】
基準電極７２ｅに印加される基準電位（例えば0V）に対して正（＋）の電位を電極７２ａ及び７２ｂに印加すると液晶層を挟んで対向する透明電極との間に電位差を生じ、その間の液晶の配向性が電位差に応じて変化する。したがって、この部分を通過する光ビームは、その位相を進められるような作用を受ける。また、基準電極７２ｅに印加される基準電位に対して負（−）の電位を電極７２ｃ及び７２ｄに印加すると、液晶層を挟んで対向する透明電極との間に電位差を生じ、その間の液晶の配向性が電位差に応じて変化する。したがって、この部分を通過する光ビームは、その位相を遅らせるような作用を受ける。
【０１１０】
この結果、各電極に印加する電位を適切に調節することにより、この位相変調素子は、図１５におけるx軸方向に沿って対物レンズ１０４に対して斜入射する光束に対してコマ収差に応じた光束の位相分布をキャンセルさせる位相変調量の分布を与えることができる。
【０１１１】
なお、さらに他の変形例によれば、光学素子は、図１５に示された電極パターンを持つ位相変調素子と、図１５に示された電極パターンを光軸のまわりに９０度回転させた電極パターンを持つ位相変調素子とを有してもよい。これにより、光変調素子は、図１５におけるx軸方向だけでなく、任意の方向に沿って対物レンズに斜入射する光束のコマ収差も補正できる。
【０１１２】
これらの変形例のように、二つの位相変調素子を持つ光学素子の場合、各位相変調素子は、第２の実施形態による光学素子の光軸調整機構１４及び筺体１５と同様の構成を有する光軸調整機構及び筺体によって保持可能である。
そしてこの変形例の場合も、対物レンズの光軸に対して各位相変調素子の光軸を一致させる場合、対物レンズの光軸に対して光軸を一致させる位相変調素子の液晶層に対して電圧を印加する。そしてユーザは、電圧が印加されることで得られる電極のパターンを観察しつつ、電極のパターンと位相変調素子の光軸との位置関係から位相変調素子の光軸の位置を推定して、その推定位置を対物レンズの光軸に合わせるように光軸調整機構を操作すればよい。
【０１１３】
また他の変形例によれば、第１の実施形態のように、光学素子が液晶光学素子として偏光面回転素子しか有さない場合でも、その液晶光学素子の光軸を対物レンズの光軸と位置合わせするために、光学素子は、第２の実施形態による光軸調整機構を有してもよい。
【０１１４】
また光軸調整機構全体あるいはその一部は筺体から取り外し可能なものであってもよい。例えば、第２の実施形態において、偏光面回転素子及び位相反転素子の光軸が対物レンズの光軸に対して位置合わせされた後、偏光面回転素子及び位相反転素子は、例えば、接着剤を用いて筺体に固定される。その後、光軸調整機構の軸位置調整部材が筺体から取り外される。このように光軸調整機構を構成することで、光軸調整機構の一部または全ての部品を、本発明による複数の光学素子に対して共通に利用できる治具として利用することができるので、光学素子自体の部品点数が減少し、その結果光学素子のコストが低減される。
【０１１５】
また、光学素子が複数の液晶光学素子を有する場合、予め液晶光学素子同士の光軸を一致させてそれら液晶光学素子を一体化した後に、その一体化された液晶光学素子を第１の実施形態による筺体内に配置してもよい。例えば、第１の実施形態による液晶光学素子は、偏光面回転素子と位相変換素子とが一体化されたものでもよい。この場合には、予め偏光面回転素子の光軸と位相変換素子の光軸とが位置合わせされる。そのために、例えば、偏光面回転素子と位相反転素子とは、一つの筺体に支持される。その筺体は、例えば、第２の実施形態による光学素子の筺体と同様の構造を有するものとすることができる。ただし、その筺体は、対物レンズの取り付け口及び筺体を光照射装置に取り付ける突起部を有さなくてよい。その代わりに、筺体には、偏光面回転素子と位相反転素子を透過する光束の直径よりも大きい直径を持つ略円形の開口が、偏光面回転素子及び位相反転素子と略平行となる外壁に形成されていればよい。また、偏光面回転素子または位相反転素子の一方のみが他方に対して移動可能であればよいので、筺体には、偏光面回転素子または位相反転素子の何れか一方に対して、図９（ｃ）に示されるような並進調整機構が設けられていればよい。
【０１１６】
偏光面回転素子の光軸と位相反転素子の光軸を一致させるために、例えば、偏光面回転素子と位相反転素子とを支持する筺体を、上記のような光軸用調整装置に取り付ける。そしてユーザは、その光軸用調整装置の観察光学系にて形成される偏光面回転素子の像と位相反転素子の像とを観察しつつ、偏光面回転素子の光軸に相当する各扇形領域の境界の交点と、位相反転素子の光軸に相当する位相反転素子の同心円状の輪帯の中心とが一致するように、偏光面回転素子または位相反転素子を移動させればよい。
【０１１７】
さらに、対物レンズと、液晶光学素子及び光軸調整機構とは、光照射装置に直接取り付けられてもよい。この場合、液晶光学素子及び光軸調整機構を支持する部品は、対物レンズを支持する部品と別個の部品であってもよい。
【０１１８】
なお、上記の各実施形態またはその変形例による光学素子と一体化される対物レンズは、顕微鏡用の対物レンズでなくてもよい。例えば、その対物レンズは、レーザ加工装置、または干渉計などで用いられる対物レンズであってもよい。そして上記の各実施形態またはその変形例による光学素子は、様々な光照射装置、例えば、レーザ加工装置、あるいは干渉計にも好適に用いられる。
【０１１９】
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】
【０１２０】
１００    レーザ顕微鏡
１０１    レーザー光源
１０２    コリメート光学系
１０３    光学素子
１０４    対物レンズ
１０５    試料
１０６    ビームスプリッター
１０７    コンフォーカル光学系
１０８    共焦点ピンホール
１０９    検出器
１１０    コントローラ
１１１    駆動回路
１０    光学素子
３、１２    偏光面回転素子（液晶光学素子）
１３    位相反転素子（液晶光学素子）
７    位相変調素子（液晶光学素子）
４、１４    光軸調整機構
４１    並進調整機構
４２    ティルト調整機構
４２ａ〜４２ｃ    送りねじ
１４１、１４２    並進調整機構
１４１１、１４１２    弾性部材
１４１３、１４１４    軸位置調整部材
５、１５    筺体
５１    対物レンズ取り付け口
１５１、１５２    ガイド溝
３０、１３０    液晶層
３１、３２、１３１、１３２    透明基板
３３、３４、１３３、１３４    透明電極
３５、３６、１３５、１３６    配向膜
３７、１３７    液晶分子
３８、１３８    シール部材
３９、１３９    鏡枠
【図１】
0005885546.tif 000002
【図２】
0005885546.tif 000003
【図３】
0005885546.tif 000004
【図４】
0005885546.tif 000005
【図５】
0005885546.tif 000006
【図６】
0005885546.tif 000007
【図７】
0005885546.tif 000008
【図８】
0005885546.tif 000009
【図９】
0005885546.tif 000010
【図１０】
0005885546.tif 000011
【図１１】
0005885546.tif 000012
【図１２】
0005885546.tif 000013
【図１３】
0005885546.tif 000014
【図１４】
0005885546.tif 000015
【図１５】
0005885546.tif 000016