(57)【要約】    軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、第１及び第２の軸対称偏光子２０、２２と、第１及び第２の１／４波長板３２、３６と、１／２波長板３４とを含み、所定の光を第１の軸対称偏光子２０に入射させ、第１の軸対称偏光子２０を透過した光を、第１の１／４波長板３２、１／２波長板３４、及び第２の１／４波長板３６を介して第２の軸対称偏光子２２に入射させ、第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする。
2009066755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、
第１及び第２の軸対称偏光子と、第１及び第２の１／４波長板と、１／２波長板とを含み、
所定の光を前記第１の軸対称偏光子に入射させ、前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、前記第１の１／４波長板、前記１／２波長板、及び前記第２の１／４波長板を介して前記第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする渦発生装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記１／２波長板は、回転可能に構成されることを特徴とする渦発生装置。
【請求項３】
軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、
第１及び第２の軸対称偏光子と、第１及び第２の１／４波長板と、第１及び第２の１／２波長板とを含み、
所定の光を前記第１の軸対称偏光子に入射させ、前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、前記第1の１／２波長板、前記第１の１／４波長板、前記第２の１／２波長板、及び前記第２の１／４波長板を介して前記第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする渦発生装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記第１及び第２の１／２波長板は、回転可能に構成されることを特徴とする渦発生装置。
【請求項５】
軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、
軸対称偏光子と、第１及び第２の１／４波長板と、液晶空間位相変調器とを含み、
所定の光を前記軸対称偏光子に入射させ、前記軸対称偏光子を透過した光を、前記第１の１／４波長板及び前記液晶空間位相変調器を介して前記第２の１／４波長板に入射させ、前記第２の１／４波長板からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする渦発生装置。
【請求項６】
請求項５に記載の渦発生装置を適用した物体制御装置であって、
前記第２の１／４波長板から出射されたベクトル渦を被制御物体に照射して被制御物体の動作を制御することを特徴とする物体制御装置。
【請求項７】
軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、
軸対称偏光子と、１／４波長板と、液晶空間位相変調器と、反射板とを含み、
所定の光を前記軸対称偏光子に入射させ、前記軸対称偏光子を透過した光を、前記１／４波長板及び前記液晶空間位相変調器を介して前記反射板に反射させ、前記反射板に反射させた光を前記液晶空間位相変調器を介して前記１／４波長板に入射させ、前記１／４波長板からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする渦発生装置。
【請求項８】
軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生方法であって、
所定の光を第１の軸対称偏光子に入射させるステップと、
前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、第１の１／４波長板、１／２波長板、及び第２の１／４波長板を介して第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする渦発生方法。
【請求項９】
軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生方法であって、
所定の光を第１の軸対称偏光子に入射させるステップと、
前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、第１の１／２波長板、第１の１／４波長板、第２の１／２波長板、及び第２の１／４波長板を介して第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする渦発生方法。
【請求項１０】
軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生方法であって、
所定の光を軸対称偏光子に入射させるステップと、
前記軸対称偏光子を透過した光を、第１の１／４波長板及び液晶空間位相変調器を介して第２の１／４波長板に入射させ、前記第２の１／４波長板からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする渦発生方法。
【請求項１１】
軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生方法であって、
所定の光を軸対称偏光子に入射させるステップと、
前記軸対称偏光子を透過した光を、１／４波長板及び液晶空間位相変調器を介して反射板に反射させ、前記反射板に反射させた光を前記液晶空間位相変調器を介して前記１／４波長板に入射させ、前記１／４波長板からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする渦発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベクトル渦を発生する渦発生装置、物体制御装置、及び渦発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間的に対称性を有した偏光分布をもつ光であるベクトル渦が従来から知られている。ベクトル渦でありながら軌道角運動量を持つ渦（ここでは光渦と呼ぶ）についても、近年研究が進められている。【０００３】
ところで、従来から、レーザを微小物体に集光照射して微小物体を非接触で把持し移動させる光ピンセット（レーザートラッピング）技術が知られている（例えば特開平０５−０８８１０７号公報参照）。近年、等位相面が螺旋構造をなしており、軌道角運動量を持つ光（光渦）が、光ピンセット技術に応用できるということで注目されており、この光渦を簡単な構成で安定して発生することが可能な光渦発生装置が望まれている。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、軌道角運動量を有するベクトル渦を簡単な構成で安定して発生することが可能な渦発生装置、渦発生装置を適用した物体制御装置、渦発生方法を提供することにある。
【０００５】
（１）本発明は、軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、
第１及び第２の軸対称偏光子と、第１及び第２の１／４波長板と、１／２波長板とを含み、
所定の光を前記第１の軸対称偏光子に入射させ、前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、前記第１の１／４波長板、前記１／２波長板、及び前記第２の１／４波長板を介して前記第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、軌道角運動量を有するベクトル渦を簡単な構成で安定して発生することが可能な渦発生装置を提供することができる。
【０００７】
（２）また本発明に係る渦発生装置では、
前記１／２波長板は、回転可能に構成されることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、１／２波長板を回転させて、１／２波長板の主軸方位を変えることにより、ベクトル渦の軌道角運動量を制御することができる。
【０００９】
（３）また本発明は、軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、
第１及び第２の軸対称偏光子と、第１及び第２の１／４波長板と、第１及び第２の１／２波長板とを含み、
所定の光を前記第１の軸対称偏光子に入射させ、前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、前記第1の１／２波長板、前記第１の１／４波長板、前記第２の１／２波長板、及び前記第２の１／４波長板を介して前記第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、軌道角運動量を有するベクトル渦を簡単な構成で安定して発生することが可能であり、ベクトル渦の等位相面を回転させることが可能な渦発生装置を提供することができる。
【００１１】
（４）また本発明に係る渦発生装置では、
前記第１及び第２の１／２波長板は、回転可能に構成されることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、第１の１／２波長板を回転させることにより、ベクトル渦の等位相面を回転させることができる。
【００１３】
また本発明によれば、第２の１／２波長板を回転させて、第２の１／２波長板の主軸方位を変えることにより、ベクトル渦の軌道角運動量を制御することができる。
【００１４】
（５）また本発明は、軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、
軸対称偏光子と、第１及び第２の１／４波長板と、液晶空間位相変調器とを含み、
所定の光を前記軸対称偏光子に入射させ、前記軸対称偏光子を透過した光を、前記第１の１／４波長板及び前記液晶空間位相変調器を介して前記第２の１／４波長板に入射させ、前記第２の１／４波長板からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、液晶空間位相変調器の位相分布を制御することで、ベクトル渦の軌道角運動量を自由に制御することが可能な渦発生装置を提供することができる。
【００１６】
（６）また本発明は、渦発生装置を適用した物体制御装置であって、
前記第２の１／４波長板から出射されたベクトル渦を被制御物体に照射して被制御物体の動作を制御することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、軌道角運動量を持つベクトル渦を用いることにより、被制御物体を把持、移動する機能のみならず、被制御物体を回転する機能をもった物体制御装置を提供することができる。
【００１８】
（７）また本発明は、軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、
軸対称偏光子と、１／４波長板と、液晶空間位相変調器と、反射板とを含み、
所定の光を前記軸対称偏光子に入射させ、前記軸対称偏光子を透過した光を、前記１／４波長板及び前記液晶空間位相変調器を介して前記反射板に反射させ、前記反射板に反射させた光を前記液晶空間位相変調器を介して前記１／４波長板に入射させ、前記１／４波長板からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、液晶空間位相変調器の位相分布を制御することで、ベクトル渦の軌道角運動量を自由に制御することが可能な渦発生装置を提供することができる。
【００２０】
（８）また本発明は、軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生方法であって、
所定の光を第１の軸対称偏光子に入射させるステップと、
前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、第１の１／４波長板、１／２波長板、及び第２の１／４波長板を介して第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、軌道角運動量を有するベクトル渦を簡単な構成で安定して発生することが可能な渦発生方法を提供することができる。
【００２２】
（９）また本発明は、軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生方法であって、
所定の光を第１の軸対称偏光子に入射させるステップと、
前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、第１の１／２波長板、第１の１／４波長板、第２の１／２波長板、及び第２の１／４波長板を介して第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、軌道角運動量を有するベクトル渦を簡単な構成で安定して発生することが可能であり、ベクトル渦の等位相面を回転させることが可能な渦発生方法を提供することができる。
【００２４】
（１０）また本発明は、軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生方法であって、
所定の光を軸対称偏光子に入射させるステップと、
前記軸対称偏光子を透過した光を、第１の１／４波長板及び液晶空間位相変調器を介して第２の１／４波長板に入射させ、前記第２の１／４波長板からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、液晶空間位相変調器の位相分布を制御することで、ベクトル渦の軌道角運動量を自由に制御することが可能な渦発生方法を提供することができる。
【００２６】
（１１）また本発明は、軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生方法であって、
所定の光を軸対称偏光子に入射させるステップと、
前記軸対称偏光子を透過した光を、１／４波長板及び液晶空間位相変調器を介して反射板に反射させ、前記反射板に反射させた光を前記液晶空間位相変調器を介して前記１／４波長板に入射させ、前記１／４波長板からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、液晶空間位相変調器の位相分布を制御することで、ベクトル渦の軌道角運動量を自由に制御することが可能な渦発生方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本実施形態の渦発生装置の光学系の模式図である。
【図２】図２は、偏光状態の変化を表すポアンカレ球を示す図である。
【図３】図３は、本実施形態の渦発生装置のブロック図の一例である。
【図４】図４は、本実施形態の渦発生装置を適用した物体制御装置のブロック図の一例である。
【図５】図５は、本発明の変形例について説明するための図である。
【図６Ａ】図６Ａは、ベクトル渦を撮像した画像である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、ベクトル渦を撮像した画像である。
【図７Ａ】図７Ａは、ベクトル渦を撮像した画像である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、ベクトル渦を撮像した画像である。
【図８】図８は、本発明の変形例について説明するための図である。
【図９】図９は、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１０】図１０は、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１１】図１１は、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、本発明の変形例について説明するための図である。
【図１６】本発明の変形例について説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。【００３０】
１．位相シフタを用いた渦発生装置の構成
図１は、本実施形態における位相シフタを用いた渦発生装置の光学系の模式図である。【００３１】
本実施形態の渦発生装置の光学系１０は、光源１２と、ラジアル偏光子２０（第１の軸対称偏光子）と、第１の１／４波長板３２と、１／２波長板３４と、第２の１／４波長板３６と、ラジアル検光子２２（第２の軸対称偏光子）とを含む。これらの光学素子は、光源１２から出射された光をラジアル偏光子２０に入射させ、ラジアル偏光子２０を透過した光を第１の１／４波長板３２、１／２波長板３４、第２の１／４波長板３６を介してラジアル検光子２２に入射させるように配置されている。以下、それぞれについて説明する。【００３２】
光源１２は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ等からなり、所定波長の光を出射する。【００３３】
ラジアル偏光子２０およびラジアル検光子２２は、図１に示すように放射状に偏光軸をもつ偏光子であり、入射された光をラジアル偏光とする偏光子である。ラジアル偏光子２０およびラジアル検光子２２は、軸対称の偏光子であればよく、例えば径偏光をもつ偏光子、方位偏光子でもよい。ラジアル偏光子２０に入射する光はランダム偏光又は円偏光を用いる。【００３４】
位相シフタ３０は、ラジアル偏光子２０を透過した光の位相（幾何学的位相）をシフトするものであり、第１の１／４波長板３２、１／２波長板３４、及び第２の１／４波長板３６の各光学素子から構成される。【００３５】
第１の１／４波長板３２及び第２の１／４波長板３６は、その主軸方位が４５°に設置されている。また、第１の１／４波長板３２及び第２の１／４波長板３６は、その主軸方位の角度差が４５°の整数倍となるように設置されていてもよい。【００３６】
１／２波長板３４は、回転可能に構成されており、回転することによってその主軸方位φを変えることができる。【００３７】
説明を簡単にするために、偏光状態の変化をポアンカレ球を用いて図２に示す。【００３８】
ラジアル偏光子２０には円偏光又はランダム偏光が入射されラジアル偏光となるので、ラジアル偏光子２０を透過した光（ラジアル偏光）の偏光状態は、ストークスパラメータ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を直交座標とする図２のポアンカレ球の赤道ＥＱ上に分布する。【００３９】
例えばラジアル偏光の方位θ＝０°の偏光状態についてみると、偏光状態は赤道ＥＱとＳ１軸が交わる点ＡＲＰに位置する。そして方位４５°に設置された第１の１／４波長板３２を透過することで、ポアンカレ球上のＳ１−Ｓ３平面を移動し、点ＡＲＰから北極に位置する点ＡＱへと偏光状態が変化する。続いて方位φ＝４５°とした１／２波長板３４を透過することで、北極に位置する点ＡＱから南極に位置する点ＡＨへと偏光状態が変化する。さらに第２の１／４波長板３６を透過することで、元の偏光状態ＡＲＰに戻る。すなわちラジアル偏光の方位θ＝０°の直線偏光は、第１の１／４波長板３２を透過することで右円偏光となり、方位φ＝４５°とした１／２波長板３４を透過することで左円偏光となり、第２の１／４波長板３６を透過することで元の直線偏光となる。【００４０】
次にラジアル偏光の方位θ＝３０°についてみると、最初の偏光状態は赤道ＥＱ上の点ＢＲＰに位置する。その後方位４５°に設置された第１の１／４波長板３２を透過することで、点ＢＲＰから点ＢＱへと偏光状態が変化し、方位φ＝４５°とした１／２波長板３４を透過することで、点ＢＱから点ＢＨへと偏光状態が変化する。最終的に第２の１／４波長板３６を透過することで、元の偏光状態ＢＲＰに戻る。【００４１】
このようにラジアル偏光子２０を透過した光の偏光状態は、位相シフタ３０によってポアンカレ球上で循環的に変化する。このとき幾何学的位相が発生し、偏光状態のポアンカレ球上の循環的な変化によって囲まれた立体角の半分が発生する幾何学的位相となる。すなわちラジアル偏光の方位θ＝０°については、幾何学的位相ΩＡ（θ＝０°）＝πが発生し、ラジアル偏光の方位θについては、幾何学的位相ΩＢ（θ）＝π（１−ｓｉｎ２θ）が発生する。これがラジアル偏光の方位角９０°毎に発生することから、空間的には４πの幾何学的位相が発生する。１／２波長板３４の主軸方位φを変化させれば、それに従って発生する幾何学的位相も変化する。【００４２】
また位相シフタ３０を構成する各光学素子の波長依存性による位相誤差がわずかであるとき、ポアンカレ球上を描く偏光状態によって囲まれた面積（立体角）はほとんど変化しないことから、発生する幾何学的位相はアクロマティックな位相として近似する。すなわち位相シフタ３０によれば、入射される光の波長に依存せずに（アクロマティックに）幾何学的位相をシフトすることができる。【００４３】
再び図１を参照すると、ラジアル検光子２２は、出射側のラジアル偏光子であり、位相シフタ３０を透過した光が入射され、螺旋状の位相構造をもつベクトル渦（偏光と位相の特異点を有する渦）を出射する。【００４４】
ここで、ラジアル偏光の方位角をθ、１／２波長板３４の方位角をφ、振幅をＡ、ネイピア数をｅ、虚数をｉ、ｒ方向の単位ベクトルをｅｒ、ラジアル偏光の方位方向の単位ベクトルをｅθとすると、ベクトル渦の電場ベクトルＥｏｕｔは、次式で表すことができる。【００４５】
【数１】
2009066755.tif 000003
【００４６】
図３は、本実施形態の渦発生装置のブロック図の一例である。【００４７】
図３に示す例では、渦発生装置１の光学系１０は、光源１２と、円偏光子１４と、ラジアル偏光子２１と、位相シフタ３０を構成する第１及び第２の１／４波長板３３、３５と、第１の反射板４０（反射板）とを含む。これらの光学素子は、光源１２から出射された光を円偏光子１４に入射させ、円偏光子１４を透過した円偏光をラジアル偏光子２１に入射させ、ラジアル偏光子２１を透過した光を、第１の１／４波長板３３、第２の１／４波長板３５を介して第１の反射板４０（ミラー）に反射させ、第１の反射板４０に反射した光を第２の１／４波長板３５、第１の１／４波長板３３を介して再びラジアル偏光子２１に入射させ、ラジアル偏光子２１からベクトル渦を出射させるように配置されている。ラジアル偏光子２１から出射されたベクトル渦の一部はビームスプリッタ１６（ハーフミラー）によって図中下向きに反射される。【００４８】
第１の１／４波長板３３は、その主軸方位が４５°に設置されている。また第２の１／４波長板３５は、回転可能に構成されており、回転することによってその主軸方位φを変えることができる。【００４９】
図３に示す例では、第２の１／４波長板３５を透過した光を、第１の反射板４０を用いて再び第２の１／４波長板３５を透過させることにより、図１に示す１／２波長板３４を透過させる構成と等価な光学系を構成している。同様に第１の１／４波長板３３を透過した光を、第１の反射板４０を用いて再び第１の１／４波長板３３を透過させることにより、図１に示す第１及び第２の１／４波長板３２、３６を透過させる構成と等価な光学系を構成している。同様にラジアル偏光子２１を透過した光を、第１の反射板４０を用いて再びラジアル偏光子２１を透過させることにより、図１に示すラジアル偏光子２０、ラジアル検光子２２を透過させる構成と等価な光学系を構成している。このように構成することで渦発生装置を構成する光学素子の数を少なくすることができる。【００５０】
なお、光源１２から出射され円偏光子１４を透過した光の一部は、ビームスプリッタ１６によって図中上向きに反射され、反射された光は偏光子４２を透過して直線偏光となる。この直線偏光（参照光）は第２の反射板４４に反射され、再び偏光子４２を透過して、ビームスプリッタ１６によって反射されたベクトル渦と干渉して、スクリーン４６を介して撮像部４８によって取り込まれる。【００５１】
ラジアル偏光子２１から出射されたベクトル渦を参照光と干渉させると、螺旋状の干渉縞が形成され、この干渉縞は撮像部４８によって観察することができる。【００５２】
ラジアル偏光子２１から出射されたベクトル渦は軌道角運動量をもち、例えばベクトル渦を集光して微小物体等の被制御物体に照射することで、ベクトル渦のもつ軌道角運動量により被制御物体を回転させることができる。【００５３】
ここで第２の１／４波長板３５（図１に示す構成では１／２波長板３４）の主軸方位φを変えることによって、ベクトル渦の軌道角運動量の量子数ｌを変化させることができる。例えば第２の１／４波長板３５の主軸方位をφ＝４５°，１３５°としたときには、ベクトル渦のもつ軌道角運動量の量子数はｌ＝２となり、第２の１／４波長板３５の主軸方位をφ＝０°，９０°としたときには、ベクトル渦のもつ軌道角運動量の量子数はｌ＝４となる。【００５４】
図６Ａは、第２の１／４波長板３５の主軸方位をφ＝４５°としたときに、ラジアル偏光子２１から出射されたベクトル渦を撮像した画像であり、図６Ｂは、このベクトル渦を参照光と干渉させて形成された干渉縞を撮像した画像である。図６Ａをみると、ビームの中心部分が暗くなっており、ドーナッツ状の強度分布をもつ光渦であることが分かる。また、図６Ｂをみると、軌道角運動量の量子数ｌ＝２と等しい数の螺旋状の干渉縞が形成されていることがわかる。なお、第２の１／４波長板３５の主軸方位をφ＝４５°としたときのベクトル渦の電場ベクトルＥｏｕｔは、式（１）より、【００５５】
【数２】
2009066755.tif 000004
【００５６】
となる。【００５７】
図７Ａは、第２の１／４波長板３５の主軸方位をφ＝０°としたときに、ラジアル偏光子２１から出射されたベクトル渦を撮像した画像であり、図７Ｂは、このベクトル渦を参照光と干渉させて形成された干渉縞を撮像した画像である。図７Ｂをみると、軌道角運動量の量子数ｌ＝４と等しい数の螺旋状の干渉縞が形成されていることがわかる。なお、第２の１／４波長板３５の主軸方位をφ＝０°としたときのベクトル渦の電場ベクトルＥｏｕｔは、式（１）より、【００５８】
【数３】
2009066755.tif 000005
【００５９】
となる。【００６０】
渦発生装置１は、駆動部５０を更に含む。駆動部５０は、第２の１／４波長板３５を回転させ、その主軸方位φを変化させる。【００６１】
渦発生装置１は、制御部６０を更に含む。制御部６０は、駆動部５０を制御して第２の１／４波長板３５の主軸方位φを設定する。また制御部６０は、光源１２の発光動作を制御するようにしてもよい。【００６２】
２．位相シフタを用いた渦発生装置を適用した物体制御装置の構成
図４は、本実施形態の渦発生装置を適用した物体制御装置のブロック図の一例である。【００６３】
本実施形態の物体制御装置１００は、光学系１０と、対物レンズ７０と、微小物体７４（被制御物体）を載せたステージ７２とを含む。なお図４中、図３において示した構成と共通する構成には同符号を付し、その説明を省略する。【００６４】
対物レンズ７０は、光学系１０から出射された軌道角運動量を持つベクトル渦を集光してステージ７２上の微小物体７４に照射する。これにより微小物体７４を把持しつつ微小物体７４の動作（回転）を制御することができる。また駆動部５０と制御部６０により１／４波長板３５の主軸方位φを変化させることで、ベクトル渦の軌道角運動量の量子数ｌを変化させることができるため、微小物体７４の質量に応じてベクトル渦の軌道角運動量の量子数ｌを制御したり、微小物体７４の回転速度を制御したりすることができる。【００６５】
ステージ７２は、移動可能に構成されるようにしてもよい。これによりステージ７２内でのベクトル渦を照射する位置を制御することができ、また、把持した微小物体７４を移動させることができる。また制御部６０が、ステージ７２の移動を制御するようにしてもよい。【００６６】
３．位相シフタを用いた渦発生装置の変形例
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。【００６７】
例えば、図1において、ラジアル偏光子２０と位相シフタ３０との間に、更に１／２波長板（第１の１／２波長板）を配置し、該１／２波長板を回転可能に構成するようにしてもよい。該１／２波長板を回転させることにより、ベクトル渦の等位相面を回転させることができる。【００６８】
図５に、本発明の変形例を示す。なお図５において、図１〜図４において示した構成と共通する構成には同符号を付し、その説明を省略する。【００６９】
本実施形態では、位相シフタ３０を透過した光をラジアル検光子２２（図３の例ではラジアル偏光子２１）に入射させる場合について説明したが、図５に示すように、位相シフタ３０を透過した光（螺旋状の位相構造をもつ光）をフレネルロム波長板２６に入射させるようにしてもよい。フレネルロム波長板２６は、１／４波長板と同様に直線偏光を円偏光に変換する光学素子であり、波長依存性が少ないことを特徴とする。図５に示す例では、位相シフタ３０を透過したラジアル偏光の各方位の直線偏光は、フレネルロム波長板２６を透過することによりそれぞれ円偏光になる。これによりフレネルロム波長板２６を透過したベクトル渦を参照光と干渉させたときに、より干渉縞のコントラストが高いベクトル渦を発生させることができる。【００７０】
また本実施形態では、参照光として直線偏光を用いる場合について説明したが、図５に示すように、光源１２から出射された光の一部を第１のビームスプリッタ１６により反射させ、反射させた光を反射型ラジアル偏光子２４に反射させることによりラジアル偏光とし、第２のビームスプリッタ１８により当該ラジアル偏光（参照光）と、フレネルロム波長板２６を透過したベクトル渦とを干渉させて軌道角運動量をもつベクトル渦を発生させるようにしてもよい。【００７１】
また図５に示す例において、反射板２８と反射型ラジアル偏光子２４をそれぞれＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）として構成し、制御部６０が、ＤＭＤを構成する各ミラーの駆動を制御することにより、ステージ７２内でのベクトル渦を照射する位置を制御するようにしてもよい。【００７２】
４．液晶空間位相変調器を用いた渦発生装置の構成
図８は、本実施形態の液晶空間位相変調器を用いた渦発生装置の光学系の模式図である。【００７３】
図８に示す渦発生装置の光学系１０は、光源１２と、ラジアル偏光子２０（軸対称偏光子）と、第１の１／４波長板３２と、液晶空間位相変調器８０と、第２の１／４波長板３６とを含む。つまり、図１に示す１／２波長板３４を液晶空間位相変調器８０に置き換えた構成である。これらの光学素子は、光源１２から出射された光をラジアル偏光子２０に入射させ、ラジアル偏光子２０を透過した光を第１の１／４波長板３２、液晶空間位相変調器８０を介して第２の１／４波長板３６に入射させ、第２の１／４波長板３６からベクトル渦（光渦）を出射させるように配置されている。第１の１／４波長板３２及び第２の１／４波長板３６は、その主軸方位が４５°又は１３５°に設置されている。ここで、液晶空間位相変調器８０（液晶空間光変調器、ｓｐａｔｉａｌ  ｌｉｇｈｔ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）は、入力光の強度分布を変えることなく二次元的に入力光の位相を変調させるものである。【００７４】
図９は、液晶空間位相変調器８０の位相変調の一例について説明するための図である。【００７５】
図９に示す液晶空間位相変調器８０は、複数の画素ＰＸを六角形状に配置したものであり、各画素ＰＸが液晶リターダとして駆動する。なお、複数の画素を格子状に配置した液晶空間位相変調器を用いるようにしてもよい。液晶空間位相変調器８０の各画素ＰＸの位相差Δを制御することにより第２の１／４波長板３６から出射させるベクトル渦を簡単に制御することができる。図９に示す例では、画素ＰＸの濃淡は位相差Δの大きさを表し、各画素ＰＸの位相差Δを液晶空間位相変調器８０の方位角θに応じて変化させている。すなわち方位角θ（０°≦θ＜３６０°）の範囲で各画素ＰＸの位相差Δがｍ×３６０°変化するように制御している。図９に示す例は、ｍ＝１とした場合の例である。【００７６】
ここで、図８に示す光学系１０における入射光の偏光状態の変化を図１０に示すポアンカレ球を用いて説明する。【００７７】
ラジアル偏光子２０には円偏光又はランダム偏光が入射されラジアル偏光となるので、ラジアル偏光子２０を透過した光（ラジアル偏光）の偏光状態は、図２のポアンカレ球の赤道ＥＱ上に分布する。ここで、ラジアル偏光の方位をθとすると、ラジアル偏光のストークスパラメータは、次式で表すことができる。【００７８】
【数４】
2009066755.tif 000006
【００７９】
そして方位４５°に設置された第１の１／４波長板３２を透過した光の偏光状態は、ポアンカレ球上のＳ２−Ｓ３平面ＬＴに分布する。ここで、第１の１／４波長板３２を透過した光のストークスパラメータは、次式で表すことができる。【００８０】
【数５】
2009066755.tif 000007
【００８１】
そして液晶空間位相変調器８０を透過することで、偏光状態はポアンカレ球上のＳ２−Ｓ３平面ＬＴを移動する。ここで、液晶空間位相変調器８０の方位角θにおける位相差をｍΔ（θ）とすると、液晶空間位相変調器８０を透過した光のストークスパラメータは、次式で表すことができる。【００８２】
【数６】
2009066755.tif 000008
【００８３】
そして方位４５°に設置された第２の１／４波長板３６を透過した光の偏光状態は、再びポアンカレ球の赤道ＥＱ上に分布する。ここで、第２の１／４波長板３６を透過した光のストークスパラメータは、次式で表すことができる。【００８４】
【数７】
2009066755.tif 000009
【００８５】
このようにラジアル偏光子２０を透過した光の偏光状態は、第１及び第２の１／４波長板３２、３６と液晶空間位相変調器８０によってポアンカレ球上を循環的に変化する。その偏光状態の軌跡から幾何学的位相が発生し、ビーム中に発生した幾何学的位相から螺旋状の位相構造を有するベクトル渦（偏光と位相の特異点を有する渦）が生まれる。【００８６】
ここで、方向振幅成分をＡ、ラジアル偏光の方位角をθ、液晶空間位相変調器８０の方位角θにおける位相差をｍΔ（θ）、ネイピア数をｅ、虚数をｉ、ｒ方向（半径方向）の単位ベクトルをｅｒ、方位方向の単位ベクトルをｅθとすると、図８に示す光学系１０において出射させるベクトル渦の電場ベクトルＥｏｕｔは、次式で表すことができる。【００８７】
【数８】
2009066755.tif 000010
【００８８】
図１１は、液晶空間位相変調器８０を用いた渦発生装置のブロック図の一例である。【００８９】
図１１に示す例では、渦発生装置１の光学系１０は、光源１２と、円偏光子１４と、ラジアル偏光子２０（軸対称偏光子）と、１／４波長板３３と、液晶空間位相変調器８０と、第１の反射板４０（反射板）とを含む。これらの光学素子は、光源１２から出射された光を円偏光子１４に入射させ、円偏光子１４を透過した円偏光をラジアル偏光子２０に入射させ、ラジアル偏光子２０を透過した光を、１／４波長板３３、液晶空間位相変調器８０を介して第１の反射板４０（ミラー）に反射させ、第１の反射板４０に反射した光を液晶空間位相変調器８０を介して１／４波長板３３に入射させ、１／４波長板３３からベクトル渦（光渦）を出射させるように配置されている。１／４波長板３３は、その主軸方位が４５°又は１３５°に設置されている。１／４波長板３３から出射されたベクトル渦の一部は第１のビームスプリッタ１６（ハーフミラー）によって図中上向きに反射される。【００９０】
図１１に示す例では、ラジアル偏光子２０を透過した光を、１／４波長板３３、液晶空間位相変調器８０を介して第１の反射板４０に反射させ、第１の反射板４０に反射した光を液晶空間位相変調器８０を介して１／４波長板３３に入射させるようにすることで、ラジアル偏光子２０を透過した光を、第１の１／４波長板３２、液晶空間位相変調器８０を介して第２の１／４波長板３６に入射させる図８に示す構成と等価な光学系を構成している。このようにすると、渦発生装置を構成する光学素子の数を少なくすることができるとともに液晶空間位相変調器８０による位相変調の量を大きくすることができる。【００９１】
なお、光源１２から出射され円偏光子１４を透過した光の一部は、第２のビームスプリッタ１７によって図中下向きに反射され、反射された光は第２の反射板４４に反射され、反射された光は偏光子４２を透過して直線偏光となる。この直線偏光（参照光）は第１のビームスプリッタ１６を透過し、第１のビームスプリッタ１６によって反射されたベクトル渦と干渉して、スクリーン４６を介して撮像部４８によって取り込まれる。１／４波長板３３から出射されたベクトル渦を球面波の参照光と干渉させると、螺旋状の干渉縞が形成され、この干渉縞は撮像部４８によって観察することができる。【００９２】
渦発生装置１は、制御部５０を更に含む。制御部５０は、液晶空間位相変調器８０の各画素への印加電圧を制御して、液晶空間位相変調器８０の各画素の位相差を設定する。【００９３】
液晶空間位相変調器８０の位相分布を制御することにより、出射されるベクトル渦の軌道角運動量の量子数ｌを自在に制御することができる。すなわちベクトル渦の偏光と位相の特異点を維持しつつそれらを自在に制御することができる。【００９４】
図１２Ａは、液晶空間位相変調器８０の各画素ＰＸの位相差Δの分布を、図９に示すように制御した場合に出射されるベクトル渦を偏光子を通して撮像した画像であり、図１２Ｂは、このベクトル渦を参照光と干渉させて形成された干渉縞を撮像した画像である。図１２Ｂをみると、軌道角運動量の量子数ｌ＝１と等しい数の螺旋状の干渉縞が形成されていることがわかる。【００９５】
図１３Ａは、液晶空間位相変調器８０の方位角θ（０°≦θ＜３６０°）の範囲で各画素ＰＸの位相差Δを２×３６０°変化させるように制御した場合の液晶空間位相変調器８０の位相分布を示す。すなわち０°≦θ＜１８０°、１８０°≦θ＜３６０°のそれぞれの範囲で位相差Δを３６０°変化させている。図１３Ｂは、液晶空間位相変調器８０の位相分布を図１３Ａに示すように制御した場合に出射されるベクトル渦を偏光子を通して撮像した画像であり、図１３Ｃは、このベクトル渦を参照光と干渉させて形成された干渉縞を撮像した画像である。図１３Ｃをみると、軌道角運動量の量子数ｌ＝２と等しい数の螺旋状の干渉縞が形成されていることがわかる。【００９６】
図１４Ａは、液晶空間位相変調器８０の方位角θ（０°≦θ＜３６０°）の範囲で各画素ＰＸの位相差Δを３×３６０°変化させるように制御した場合の液晶空間位相変調器８０の位相分布を示す。すなわち０°≦θ＜１２０°、１２０°≦θ＜２４０°、２４０°≦θ＜３６０°のそれぞれの範囲で位相差Δを３６０°変化させている。図１４Ｂは、液晶空間位相変調器８０の位相分布を図１４Ａに示すように制御した場合に出射されるベクトル渦を偏光子を通して撮像した画像であり、図１４Ｃは、このベクトル渦を参照光と干渉させて形成された干渉縞を撮像した画像である。図１４Ｃをみると、軌道角運動量の量子数ｌ＝３と等しい数の螺旋状の干渉縞が形成されていることがわかる。【００９７】
図１５Ａは、液晶空間位相変調器８０の方位角θ（０°≦θ＜３６０°）の範囲で各画素ＰＸの位相差Δを４×３６０°変化させるように制御した場合の液晶空間位相変調器８０の位相分布を示す。すなわち０°≦θ＜９０°、９０°≦θ＜１８０°、１８０°≦θ＜２７０°、２７０°≦θ＜３６０°のそれぞれの範囲で位相差Δを３６０°変化させている。図１５Ｂは、液晶空間位相変調器８０の位相分布を図１５Ａに示すように制御した場合に出射されるベクトル渦を偏光子を通して撮像した画像であり、図１５Ｃは、このベクトル渦を参照光と干渉させて形成された干渉縞を撮像した画像である。図１５Ｃをみると、軌道角運動量の量子数ｌ＝４と等しい数の螺旋状の干渉縞が形成されていることがわかる。【００９８】
５．液晶空間位相変調器を用いた渦発生装置を適用した物体制御装置の構成
図１６は、液晶空間位相変調器８０を用いた渦発生装置を適用した物体制御装置のブロック図の一例である。【００９９】
図１６に示す物体制御装置１００は、光学系１０と、対物レンズ７０と、微小物体７４（被制御物体）を載せたステージ７２とを含む。なお図１６中、図８、１１において示した構成と共通する構成には同符号を付し、その説明を省略する。【０１００】
対物レンズ７０は、光学系１０から出射された軌道角運動量を持つベクトル渦（光渦）を集光してステージ７２上の微小物体７４に照射する。これにより微小物体７４を把持しつつ微小物体７４の動作（回転）を制御することができる。また制御部６０により液晶空間位相変調器８０の位相分布を変化させることで、ベクトル渦の軌道角運動量の量子数ｌを変化させることができるため、微小物体７４の質量に応じてベクトル渦の軌道角運動量の量子数ｌを制御したり、微小物体７４の回転速度を制御したりすることができる。【０１０１】
上記記載では、光学系１０に含まれる第１の１／４波長板３２、第２の１／４波長板３６、１／４波長板３３の主軸方位を４５°とする場合について説明したが、これらの光学素子の主軸方位を任意に設定してもよい。このようにすると光学系１０から出射される光の偏光状態はベクトル渦からストークス渦に変化する。【０１０２】
本発明は、レーザトラップ装置と組み合わせることで、ナノメートルからマイクロメートルまでの大きさの微小物体を把持しつつ回転させることができ、微小物体の動作を制御する際の自由度を高めることができる。例えばＤＮＡや細胞を１個づつ操作することが可能なため医療分野において利用することができる。またカーボンナノ材料のナノデバイス開発において利用することができる。
【図１】
2009066755.tif 000011
【図２】
2009066755.tif 000012
【図３】
2009066755.tif 000013
【図４】
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【図５】
2009066755.tif 000015
【図８】
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【図１０】
2009066755.tif 000017
【図１１】
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【図１６】
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【図６Ａ】
2009066755.tif 000020
【図６Ｂ】
2009066755.tif 000021
【図７Ａ】
2009066755.tif 000022
【図７Ｂ】
2009066755.tif 000023
【図９】
2009066755.tif 000024
【図１２Ａ】
2009066755.tif 000025
【図１２Ｂ】
2009066755.tif 000026
【図１３Ａ】
2009066755.tif 000027
【図１３Ｂ】
2009066755.tif 000028
【図１３Ｃ】
2009066755.tif 000029
【図１４Ａ】
2009066755.tif 000030
【図１４Ｂ】
2009066755.tif 000031
【図１４Ｃ】
2009066755.tif 000032
【図１５Ａ】
2009066755.tif 000033
【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
2009066755.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成21年9月18日(2009.9.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、
第１及び第２の軸対称偏光子と、第１及び第２の１／４波長板と、１／２波長板とを含み、
所定の光を前記第１の軸対称偏光子に入射させ、前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、前記第１の１／４波長板、前記１／２波長板、及び前記第２の１／４波長板を介して前記第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする渦発生装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記１／２波長板は、回転可能に構成されることを特徴とする渦発生装置。
【請求項３】
軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生装置であって、
第１及び第２の軸対称偏光子と、第１及び第２の１／４波長板と、第１及び第２の１／２波長板とを含み、
所定の光を前記第１の軸対称偏光子に入射させ、前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、前記第１の１／２波長板、前記第１の１／４波長板、前記第２の１／２波長板、及び前記第２の１／４波長板を介して前記第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるように構成されることを特徴とする渦発生装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記第１及び第２の１／２波長板は、回転可能に構成されることを特徴とする渦発生装置。
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生方法であって、
所定の光を第１の軸対称偏光子に入射させるステップと、
前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、第１の１／４波長板、１／２波長板、及び第２の１／４波長板を介して第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする渦発生方法。
【請求項９】
軌道角運動量を有するベクトル渦を発生する渦発生方法であって、
所定の光を第１の軸対称偏光子に入射させるステップと、
前記第１の軸対称偏光子を透過した光を、第１の１／２波長板、第１の１／４波長板、第２の１／２波長板、及び第２の１／４波長板を介して第２の軸対称偏光子に入射させ、前記第２の軸対称偏光子からベクトル渦を出射させるステップとを含むことを特徴とする渦発生方法。
【国際調査報告】
2009066755.tif 000036
2009066755.tif 000037
2009066755.tif 000038
2009066755.tif 000039