(57)【要約】【課題】非線形光学効果を有する観察試料の内部構造を高精度に観察することが可能な構成の顕微鏡装置を提供する。【解決手段】顕微鏡装置１は、レーザ光源１０と、レーザ光源１０からの光を波長変換して相互に角振動数の異なる２以上の光として射出する波長変換光学素子１２，１４と、波長変換光学素子１２，１４から射出された各々の光を観察試料３１が受光することで生じる２次の非線形光学効果によって発生する所定角振動数ωの光を集めるコンデンサレンズ３２と、２次の非線形光学効果によって発生する光の中から所定角振動数ωの光を抽出する分光器３４と、分光器３４により抽出された光を結像させる結像レンズ３５と、結像レンズ３５により結像された所定角振動数ωの光の強度を検出する光検出器３７とを備えて構成される。【選択図】図２
2011099912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源からの光を波長変換して相互に角振動数の異なる２以上の光として射出する波長変換部と、
前記波長変換部から射出された各々の光を観察試料が受光することで生じる２次の非線形光学効果によって発生する所定角振動数の光を集めるコンデンサレンズと、
前記２次の非線形光学効果によって発生する光の中から前記所定角振動数の光を抽出する光抽出部と、
前記光抽出部により抽出された光を結像させる結像レンズと、
前記結像レンズにより結像された前記所定角振動数の光の強度を検出する光検出部とを備えて構成されることを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記波長変換部から射出された各々の光を集光する集光レンズと、
前記観察試料に対する前記対物レンズの焦点位置を相対的に変化させる光走査部と、
前記対物レンズの焦点位置と光学的に共役な位置に配置されるピンホールとを更に備え、
前記光検出部が、前記ピンホールを通過した前記所定角振動数の光の強度を検出することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
【請求項３】
波長変換部からの光を参照波と基本波とに分離して、前記基本波を受光することで前記観察試料から発生する前記所定振動数の光と前記参照波とを干渉させて、当該干渉光の強度を前記光検出部により検出することを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡装置。
【請求項４】
前記波長変換部からの基本波を受光して２次の非線形光学効果により前記所定角振動数と同一角振動数の参照波を一様に発生する参照板を更に備え、
前記観察試料と前記参照板との各々から発生する前記所定角振動数の光を干渉させて、当該干渉光の強度を前記光検出部により検出することを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡装置。
【請求項５】
前記観察試料から２次の非線形光学効果により発生した前記所定角振動数の光と前記参照波との強度差を調節するために、前記波長変換部から前記観察試料までの光路を複数に分割する光路分割部を更に備えて構成されることを特徴とする請求項３または４に記載の顕微鏡装置。
【請求項６】
前記観察試料から２次の非線形光学効果により発生した前記所定角振動数の光と前記参照波との位相差を調節する位相変調部を更に備えて構成されることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項７】
前記位相変調部が、前記光路分割部により分割された複数の光路上のうちのいずれかに配置されていることを特徴とする請求項６に記載の顕微鏡装置。
【請求項８】
前記観察試料に対する前記対物レンズの焦点位置に応じて、前記位相変調部の作動を制御する作動制御部を更に備え、
前記作動制御部は、前記光検出器による干渉光の強度情報をモニタリングしながら前記位相変調部の作動を制御し、干渉光の光強度が最大または最小となるように前記観察試料と前記参照板との各々から発生した前記所定角振動数の光の位相差を調節することを特徴とする請求項６または７に記載の顕微鏡装置。
【請求項９】
前記観察試料と前記参照板との各々から発生した前記所定角振動数の光は、前記観察試料と前記参照板とで生じる２次の非線形光学効果として、２つの角振動数の異なる光が入射されることにより発生する差周波の光であることあることを特徴とする請求項４〜８のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば非線形光学効果を有する光学結晶等の内部構造を三次元的に観察することが可能な構成の顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次の非線形光学効果を利用した顕微鏡装置の例として、第２高調波発生（Second Harmonic Generation：SHG）を用いたＳＨＧ顕微鏡によって非線形光学結晶の分域構造を観察する研究が行われている。例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）の分域構造（９０°分域構造）のようにその分域の方向が反平行ではない場合には、方位によってｄ定数（非線形光学定数）の大きさが異なることを利用して、その分域構造を観察することができる。一方、反平行分域構造（１８０°分域構造）では（分域の向きによらず）ｄ定数の大きさが同じであるため、発生するＳＨ波の強度は等しくなりこのままでは判別できないが、位相が１８０°異なるという特性を有する。そこで、（観察試料よりも前に）一様なＳＨ波を発生させる参照板を配置して、参照板と観察試料とから各々発生するＳＨ波を干渉させることにより強度のコントラストとして、反平行分域構造を観察することが可能となる（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３１０７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非線形光学結晶にレーザ光を強く集光させたときに当該結晶の内部から発生する２次の非線形光学効果による光の強度は位相不整合量に依存し、位相不整合量が負のときには所定の光強度が発せられ、位相不整合量が正のときには微弱な光強度しか発せられないため、従来のＳＨＧ顕微鏡では結晶の構造等によっては、その分域構造を的確に観察することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、非線形光学効果を有する観察試料の内部構造を高精度に観察することが可能な構成の顕微鏡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】
【０００６】
本発明を例示する態様に従えば、レーザ光源と、レーザ光源からの光を波長変換して相互に角振動数の異なる２以上の光として射出する波長変換部と、波長変換部から射出された各々の光を観察試料が受光することで生じる２次の非線形光学効果によって発生する所定角振動数の光を集めるコンデンサレンズと、２次の非線形光学効果によって発生する光の中から所定角振動数の光を抽出する光抽出部と、光抽出部により抽出された光を結像させる結像レンズと、結像レンズにより結像された所定角振動数の光の強度を検出する光検出部とを備えて構成されることを特徴とする顕微鏡装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、非線形光学効果を有する観察試料の内部構造を高精度に評価することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】焦点位置とＳＨ波強度との関係を示すグラフであり、（ａ）は位相不整合量が正の場合を例示し、（ｂ）は位相不整合量が負の場合を例示する。
【図２】本発明の適用例として示す第１の実施形態の顕微鏡装置の概要構成図である。
【図３】第２の実施形態の顕微鏡装置の概要構成図である。
【図４】第２の実施形態の顕微鏡装置を用いた観察方法を示すフローチャートである。
【図５】第２の実施形態の顕微鏡装置の変形例を示す概要構成図である。
【図６】第３の実施形態の顕微鏡装置の概要構成図である。
【図７】擬似位相整合素子の構造を示す模式図である。
【図８】基本波と非線形光学効果によって発生する光とが非コリニアー配置である場合を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】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る顕微鏡装置の具体的構成を説明する前に、まず、基本的な原理から説明する。本実施形態の顕微鏡装置は、観察試料たる非線形光学結晶（以下、単に「結晶」と称する）の三次元情報を取得するために共焦点光学系を備えている。共焦点光学系では、対物レンズの焦点位置と光学的に共役な位置にピンホールを配置することで、その光軸上で焦点の合った光のみを検出してコントラストの高い画像を得られるようにしたものであり、焦点を観察試料に対して水平方向に一定量ずつ相対移動させて観察試料の走査画像を取得すれば、観察試料を光学的に２次元方向（光軸に直交する面内）にスライスした共焦点画像（断面像）が高さごとに得られ、さらにこの画像を高さを変えながら取得することにより、精度の高い三次元画像が得られる。
【００１０】
このような共焦点光学系において、レーザ光源よりレーザ光を観察試料である結晶に強く集光させた場合には、結晶の内部から発生する２次の非線形光学効果により波長変換された出力光の強度は位相不整合量Δｋの符号に依存することが知られている。この位相不整合量Δｋは、基本波として角振動数ω1，ω2（ω1＜ω2）の光を結晶に入射させた際に、結晶から発生する２次の非線形光学効果による出力光の角振動数をω3（＝ω2±ω1）とすると、次式（１）および（２）のように表すことができる。
【００１１】
（I）和周波発生のとき（特にω1＝ω2のときに「ＳＨＧ」と称されている）
【数１】
2011099912.tif 000003
（II）差周波発生のとき
【数２】
2011099912.tif 000004
【００１２】
ここで、結晶の内部から発生する２次の非線形光学効果による出力光の強度は、特に焦点位置が結晶の中心にある場合には、位相不整合量Δｋの正・負によって次式（３）のような簡単な式で表すことができる。
【数３】
2011099912.tif 000005
ここで、ＺRはレイリー長と称されるレーザの集光度合いの目安として用いられる長さであり、ビーム径がビームウェストの２1/2倍になるまでの距離である。
【００１３】
このように位相不整合量Δｋが正の場合には結晶の内部から２次の非線形光学効果による光は発生しないが、位相不整合量Δｋが負の場合には結晶の内部から所定強度の光が発生することが図１に示す実験結果からもみてとれる。なお、この図１は、結晶内における焦点位置と当該焦点位置より発生したＳＨ波の強度の関係を示すグラフであり、（ａ）はΔｋ＞０となる成分を観察した場合を示し、（ｂ）はΔｋ＜０となる成分を観察した場合を示している。図１（ａ）においては、ＳＨ波が強く発生している（極大点を示す）焦点位置が結晶表面に対応しており、結晶の内部からはＳＨ波が発生していないことがわかる。一方、図１（ｂ）では、結晶表面からだけではなく内部からもＳＨ波が強く発生していることがわかる。
【００１４】
結晶の内部構造（分域構造）を３次元的に観察するためには、結晶の表面からだけではなく、結晶の内部からも同程度の強度を持った２次の非線形光学効果による光を発生させる必要がある。しかしながら、従来のＳＨＧ顕微鏡では複屈折の小さい結晶のように位相不整合量Δｋが入射、射出光の偏光方向によらず常に正となる結晶や、位相不整合量Δｋが負となる成分を持つが、負となる成分では観察に適さない形状の結晶もあり、従来の顕微鏡では結晶の内部構造を明確に観察することが困難であった。
【００１５】
そこで、位相不整合量Δｋを常に負の値にすることができれば、結晶内部から２次の非線形光学効果による所定強度の光を常に発生させることが可能になり、結晶の内部構造を明確に観察することができる。そこで、本実施形態では位相不整合量Δｋの符号を負にする手段として、相互に角振動数の異なる２つの光を照射したときに２次の非線形光学効果によって発生する差周波を用いる。まず、和周波の場合の位相不整合量Δｋを考えると、式（１）は、
【数４】
2011099912.tif 000006
と記述でき、基本波（ω1およびω2）と和周波（ω3）とが正常光および異常光のうちの一方の成分のみを用いている場合、または複屈折の小さい結晶の場合には常に位相不整合量Δｋ＞０となることがわかる。なお、式（４）において、λｉを角振動数ωｉでの波長とし、ｎ（ωｉ）を角振動数ωｉでの屈折率としている（以下の式においても同様とする）。
【００１６】
続いて差周波の場合の位相不整合量Δｋを考えると、ω1＜ω3＜ω2の場合、式（２）は、
【数５】
2011099912.tif 000007
と記述できる。一方、ω3＜ω1＜ω2の場合、式（２）は、
【数６】
2011099912.tif 000008
と記述できる。式（５），（６）から和周波では負にすることができなかった場合にも、差周波ではΔｋを負にすることが可能となる。
【００１７】
以上説明した原理に基づいて、観察試料である結晶の内部構造観察を行うための具体的な顕微鏡装置構成について、３つの実施形態を例示して説明する。なお、以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、当然ながら本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１８】
まず、第１の実施形態に係る顕微鏡装置１の概要構成図を図２に示している。この顕微鏡装置（共焦点顕微鏡）１は、レーザ光源１０、レンズ１１，１３，１５、波長変換光学素子１２，１４、波長板１６、ダイクロイックミラー２１、ミラー２２，２３、対物レンズ３０、コンデンサレンズ３２、検光子３３、分光器３４、結像レンズ３５、ピンホール３６、光検出器３７、制御部４０、および表示部５０を主体に構成されている。
【００１９】
このような構成の顕微鏡装置１において、レーザ光源１０から射出された角振動数ωのレーザ光（１倍波）は、レンズ１１により波長変換光学素子１２に集光入射され、第２高調波発生（ＳＨＧ）によって角振動数が２倍となる２ωのＳＨ波（２倍波）に変換される。波長変換光学素子１２により発生された２倍波（２ω）、および波長変換光学素子１２を透過したレーザ光（ω）は、レンズ１３により波長変換光学素子１４に集光入射され、和周波発生（ω＋２ω）により角振動がレーザ光（ω）の３倍（３ω）となる３倍波が発生される。これらの波長変換光学素子１２，１４は、例えば、２倍波発生用の波長変換光学素子１２としてＰＰＬＮ結晶、３倍波発生用の波長変換光学素子１４としてＬＢＯ結晶が例示される。
【００２０】
波長変換光学素子１４により発生された３倍波とこの波長変換光学素子１４を透過した１倍波および２倍波は、レンズ１５を介して波長板１６に入射する。波長板１６は２倍波にはλ／２板、３倍波にはλ板としての効果を有しており、入射した２倍波および３倍波の偏光方向を揃えることができる。
【００２１】
波長板１６を通過した１倍波、２倍波および３倍波は、ダイクロイックミラー２１に入射する。ダイクロイックミラー２１は、１倍波の波長帯域の光を透過し、２倍波および３倍波の波長帯域の光を反射するように構成されており、このダイクロイックミラー２１に入射した１倍波、２倍波および３倍波はここで分離される。
【００２２】
ダイクロイックミラー２１で反射された２倍波および３倍波は、ミラー２２，２３で順に反射された後、その光路上に設けられた対物レンズ３０によって集光されて観察試料３１を照射し、この観察試料（結晶）３１による２次の非線形光学効果として、２倍波と３倍波による差周波発生（３ω−２ω）が行われて差周波（ω）が発生されるとともに、２倍波と３倍波による和周波発生（２ω＋３ω）が行われて５倍波（５ω）が発生される。
【００２３】
なお、観察試料３１は、詳細図示を省略するステージ（ＸＹＺステージ）によって、３次元方向に移動自在に保持されており、このステージが制御部４０によって駆動されることにより、対物レンズ３０の光軸と直交する面内（ＸＹ方向）において自在に移動したり、対物レンズ３０の光軸方向（Ｚ方向）において自在に移動したりすることができる。すなわち、観察試料３１中の焦点位置を、対物レンズ３０の光軸方向と直交する面内方向に移動させる走査と、当該光軸方向に沿って移動させる走査とを繰り返すことで、観察試料３１の三次元観察が可能となる。
【００２４】
観察試料３１により発生された差周波および５倍波と、この観察試料３１を透過した２倍波および３倍波は、コンデンサレンズ３２によって集められた上で、検光子３３で任意の偏光方向のみが取り出され、分光器３４によって角振動数ωの光（観察試料３１から発せられた差周波）のみが分離されて結像レンズ３５を介してピンホール３６に入射する。ピンホール３６は、対物レンズ３０の焦点位置と光学的に共役な位置に配設されているため、対物レンズ３０によって観察試料３１内に集光された光の焦点位置で差周波発生された角振動数ωの光のみを通過させる。
【００２５】
ピンホール３６を通過した光は、光検出器３７に入射する。光検出器３７は、例えば光電子倍増管などのポイントセンサであり、受光した光強度を電気信号（光電変換信号）に変換して制御部４０に送出する。
【００２６】
制御部４０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）等からなる所謂マイクロコンピュータを有して構成されており、顕微鏡装置１全体の作動を統括的に制御する。制御部４０は、光検出器３７から受信した電気信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号化する。このデジタルデータを、ステージによる光軸と直行する面内方向への走査（ＸＹ方向への走査）と同期して２次元に配置することで、制御部４０は焦点位置のみの情報を持つ２次元画像データ（共焦点画像データ）を取得することができる。
【００２７】
制御部４０は、上記のように２次元画像データを取得した後、ステージに光軸方向へ一定量（所定のサンプリング間隔）移動する命令を伝達することで、観察試料３１と対物レンズ３０との相対位置を変化させて、観察試料３１内における焦点位置を光軸に沿って変化させる。この移動が完了した後、２次元画像データ取得を行うことで焦点位置の異なる２次元画像データを取得することができる。
【００２８】
このように、ＸＹ方向およびＺ方向の走査を繰り返しつつ２次元画像データを取得することで、焦点位置の異なる複数の２次元画像データを取得することができる。対物レンズ３０から射出された光の焦点位置は不変であり、観察試料３１と対物レンズ３０との相対位置が変化すると、相対的に観察試料３１内での焦点位置が変化する。その結果、取得されたそれぞれの２次元画像データは、それぞれの観察試料３１の位置に対応した焦点位置において発生した差周波ωの情報を持つ２次元画像データとなり、制御部４０のメモリ（ＲＡＭ）に記憶される。表示部５０はＣＲＴモニタ、液晶ディスプレイ等のモニタを有して構成されており、制御部４０がメモリに記憶された２次元画像データを画像処理し、表示部５０のモニタに２次元画像表示、あるいは３次元画像表示させることで、観察試料３１の拡大像を観察することができる。
【００２９】
このように構成される本実施形態の顕微鏡装置１によれば、異なる角振動数の光を観察試料３１たる結晶に照射したときに、この結晶の非線形光学効果によって発生する差周波を観察光として利用することで、従来のＳＨＧ顕微鏡では検出することができなかった結晶内部からも観察光（差周波）を所定強度以上で発生させて検出することが可能になるため、結晶の三次元形状を高精度に構築することができる。そのため、結晶の分域構造を明確に観察することが可能になる。また、共焦点光学系において対物レンズ３０と光学的に共役な位置にピンホール３６を配設することで、結晶内の合焦点位置で発生する差周波のみを効率よく検出することができるため、コントラストの高い画像を生成することが可能になる。
【００３０】
次に、第２の実施形態に係る顕微鏡装置について説明する。この第２の実施形態に係る顕微鏡装置２の概要構成図を図３に示している。顕微鏡装置２は、観察試料３１として結晶の反平行分域構造を観察するために適した共焦点光学系を有している。なお、この実施形態においては、第１の実施形態と同一態様の要素構成については同一の符号を付して重複説明を省略し、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００３１】
この顕微鏡装置（共焦点顕微鏡）２は、レーザ光源１０、レンズ１１，１３，１５、波長変換光学素子１２，１４、波長板１６、ミラー２２，２３，６０，６２、ダイクロイックミラー６１，７６、光減衰器７０、１／２λ板７４、ガラスプレート７５，７５、対物レンズ３０、コンデンサレンズ３２、検光子３３、分光器３４、結像レンズ３５、ピンホール３６、光検出器３７、制御部４０、および表示部５０を主体に構成されている。
【００３２】
本実施形態が上記第１の実施形態と異なるところは、上記第１の実施形態では観察標本３１より発生した差周波を観察光として利用したが、本実施形態では観察標本３１より発生した差周波と波長変換光学素子１２，１４を透過した１倍波（参照波）とを干渉させた干渉光を観察光として利用する点である。
【００３３】
このような構成の顕微鏡装置２において、レーザ光源１０から射出された角振動数ωのレーザ光（１倍波）は、レンズ１１により波長変換光学素子１２に集光入射され、第２高調波発生（ＳＨＧ）によって角振動数が２倍となる２ωのＳＨ波（２倍波）に変換される。波長変換光学素子１２により発生された２倍波（２ω）、および波長変換光学素子１２を透過したレーザ光（ω）は、レンズ１３により波長変換光学素子１４に集光入射され、和周波発生（ω＋２ω）により角振動数が３倍（３ω）となる３倍波が発生される。
【００３４】
波長変換光学素子１４により発生された３倍波とこの波長変換光学素子１４を透過した１倍波および２倍波はレンズ１５を介して波長板１６に入射する。波長板１６を通過した１倍波、２倍波および３倍波は、ミラー６０で反射されダイクロイックミラー６１に入射する。
【００３５】
ダイクロイックミラー６１を透過した２倍波および３倍波の光は、ミラー２２で反射された後、ダイクロイックミラー７６に入射する。
【００３６】
一方、ダイクロイックミラー６１によって反射された１倍波の光は、ミラー６２で反射された後、光減衰器７０と１／２λ板７４を透過することで、観察試料（結晶）３１から発生する差周波（ω）と同じ偏光状態に変換される。
【００３７】
１／２λ板７４を透過した光は、詳細は後述する一対のガラスプレート７５，７５を通過し、ダイクロイックミラー７６に入射する。ダイクロイックミラー７６は、２倍波および３倍波の波長帯域の光を透過し、１倍波の波長帯域の光を反射するように構成されており、ビームスプリッタ６１を透過してダイクロイックミラー７６に入射する２倍波および３倍波と、偏光方向と強度を調整された１倍波（参照波）とが同軸上に合成される。
【００３８】
このように同軸上に合成された光束は、ミラー２３によって反射された後、その光路上に設けられた対物レンズ３０によって集光されて観察試料３１を照射し、この観察試料（結晶）３１による２次の非線形光学効果として、２倍波と３倍波による差周波発生（３ω−２ω）が行われて差周波（ω）が発生されるとともに、２倍波と３倍波による和周波発生（２ω＋３ω）が行われて５倍波（５ω）が発生される。
【００３９】
観察試料３１により発生された差周波および５倍波と、この観察試料３１を透過した参照波、２倍波および３倍波は、コンデンサレンズ３２によって集められた上で、検光子３３で任意の偏光方向のみが取り出され、分光器３４によって角振動数ωの光（観察試料３１により発生された差周波と参照波）のみが分離されて結像レンズ３５を介してピンホール３６に入射する。ピンホール３６は、対物レンズ３０の焦点位置と光学的に共役な位置に配置されているため、対物レンズ３０によって観察試料３１内に集光された光の焦点位置で差周波発生された角振動数ωの光と、焦点の合った参照波のみを通過させる。
【００４０】
ピンホール３６を通過した光（観察試料３１により発生された角振動数ωの光、および参照波）は、光検出器３７に入射してその検出面上に結像され、その位相差に応じた干渉像を生成する。ここで、反平行分域構造を持つ観察試料３１から発生する２次の非線形光学効果による光の位相は分域ごとに１８０°異なるため、観察試料３１から発生する角振動数ωの光と参照波とを干渉させると、一方の分域では強めあい、他方の分域では弱めあった角振動数ωの干渉光を検出することができる。そこで、ステージにより観察試料３１を走査すると、この光強度のコントラストによって観察試料（結晶）の反平行分域構造を観察することができる。
【００４１】
このとき干渉光の光強度は、観察試料３１から発生した光の強度ψsample、参照波の強度ψrefを次式（７）および（８）のように定義すると、次式（９）のように表すことができる。
【数７】
2011099912.tif 000009
【数８】
2011099912.tif 000010
【数９】
2011099912.tif 000011
【００４２】
式（９）から干渉光の強度は焦点位置ｚ、および２つの光（ψsampleとψref）の相対位相差Δφに依存することがわかる。つまり、結晶の反平行分域構造を観察するためには、式（９）に示す干渉光の強度が最大または最小となるように焦点位置ｚを選んで観察を行う、あるいは当該焦点位置ｚに応じて光の相対位相差Δφを変化させる位相変調手段を設ける必要がある。この位相変調手段としては、例えば上述した一対のガラスプレート７５，７５が例示される。これら一対のガラスプレート７５，７５は、それぞれ同じ材質および大きさの平行平板から形成されており、この紙面（図３の紙面）に直交する軸を中心軸として対称形（八の字形）を保持しつつ互いに逆方向に回転させることで、光軸のシフトを防止しながら２つの光の相対位相差Δφ（光路長）を任意に変化させることが可能である。なお、相対位相差Δφの調整は、例えば、制御部４０が光検出器３７により検出される干渉光の光強度をモニタリングにしつつ、この光強度が最大または最小となるように一対のガラスプレート７５，７５の回転角度を制御することにより行われる。
【００４３】
また、上述した光減衰器７０によって参照波の光量（強度）を調節することで、参照波の角振動数ωの光強度と、観察試料３１から発生する角振動数ωの光強度とを等しく調整することも最大コントラストを得るためには重要である。このようにコントラストを向上させることで、結晶の反平行分域構造をより明確に観察することが可能となる。
【００４４】
光検出器３７は、この干渉像情報を出力信号（電気信号）として制御部４０に送出する。制御部４０は、受信した電気信号をデジタルデータにＡ／Ｄ変換し、２次元画像データ（共焦点画像データ）を取得する。また、制御部４０は、ステージの走査に伴って焦点位置の異なる複数の２次元画像データを取得し、この２次元画像データを観察試料３１内におけるスキャン位置と対応させてメモリに記憶する。また、メモリに記憶された２次元画像データを制御部４０で画像処理し、表示部５０のモニタに２次元画像表示、あるいは３次元画像表示して拡大像を観察することができる。
【００４５】
このように構成される第２の実施形態の顕微鏡装置２によれば、異なる角振動数の光を観察試料たる結晶に照射したときに、この結晶の非線形光学効果によって発生する差周波と参照波との干渉光を観察光として利用することで、結晶構造によらず観察光（干渉光）を常に所定強度以上で発生させて検出することが可能になるため、結晶の三次元形状を高精度に構築することができる。そのため、第１の実施形態と同様に、結晶の分域構造（この第２の実施形態では、特に反平行分域構造）を的確に観察することが可能になる。
【００４６】
続いて、このように構成される顕微鏡装置２を用いて観察試料３１を観察する方法について、図４に示すフローチャートを追加参照して説明する。
【００４７】
ステップＳ１０１において、まずユーザ（観察者）によって顕微鏡装置２の電源が投入される。ステップＳ１０２では、ユーザによって観察試料３１が顕微鏡装置２のステージに固定される。ステップＳ１０３において、制御部４０は、ステージに内蔵されたリニアエンコーダ（図示せず）等によってステージ位置を検出する。
【００４８】
ステップＳ１０４において、ユーザによって観察試料３１における仮のスキャン領域が制御部４０の入力装置（キーボードやマウス等）によって設定される。ステップＳ１０５では、制御部４０によりステージが駆動され、上記仮スキャン領域内において対物レンズ３０と観察試料３１との相対位置を変化させて、観察試料３１の深さ方向（対物レンズ３０の光軸方向）にスキャンを実行する。
【００４９】
ステップＳ１０６では、制御部４０によってステップＳ１０５で得られた計測結果により、観察試料３１の位置が把握されるとともに、干渉光の周期などの初期情報が算出される。ステップＳ１０７において、ユーザによって、観察試料３１に対するスキャン領域やスキャン幅（サンプリング間隔）が上記入力装置を用いて設定される。これにより、顕微鏡装置２は観察試料３１に対応する測定プログラム（測定レシピ）に従って作動することが可能な状態となる。
【００５０】
ステップＳ１０８において、制御部４０は測定プログラムに従って、ステージを駆動して対物レンズ３０と観察試料３１との相対位置を変化させて、観察試料３１内における焦点位置を変更する（最初は対物レンズ３０の焦点位置を観察試料３１における測定開始点に位置決めする）。ステップＳ１０９では、制御部４０によってガラスプレート７５，７５が回転駆動されて、上記ステップＳ１０６で取得した干渉光の周期情報等に基づいて相対位相差Δφが変更され、ステップＳ１１０において、制御部４０は光検出器３７によって検出される光強度をモニタリングしつつ相対位相差Δφが最適であるか否か、すなわち、干渉光の強度が最大または最小となる相対位相差Δφであるか否かを判定する。ステップＳ１１０において否定判定がされると、Ｓ１１１において、制御部４０は、相対位相差Δφが干渉光の強度最大または最小となる最適値に調整されるまで上記ステップＳ１０９〜Ｓ１１０を繰り返す。
【００５１】
ステップＳ１１０において肯定判定がされると、ステップＳ１１２において、ＸＹ方向（対物レンズ３０の光軸に直交する面内方向）に２次元スキャンして、２次元画像データを取得する。ステップＳ１１３において、制御部４０は、取得した２次元画像データを、上記エンコーダ等により検出されたスキャン位置と対応させてメモリに記憶させるとともに、この２次元画像データを画像処理して表示部５０のモニタに２次元画像を表示させる。
【００５２】
ステップＳ１１４において、ステップＳ１０７で設定されたスキャン領域の全域においてスキャンが完了したか否かが判定され、ここで否定判定がされた場合には、観察試料３１内の焦点位置が変更されステップＳ１０８〜Ｓ１１３が再び実行される。
【００５３】
ステップＳ１１４で肯定判定がされると、ステップＳ１１５において、制御部４０によって焦点位置ごとの２次元画像が画像処理によって繋げられ、観察試料３１の３次元画像データが生成される。ステップＳ１１６では、制御部４０によって、三次元画像データがメモリに記憶されるとともに、この三次元画像データを画像処理して表示部５０のモニタに観察試料３１の三次元画像を表示する。そして、ユーザはこの三次元画像から観察試料３１（結晶の分域構造等）を観察することができる。
【００５４】
ステップＳ１１７において、観察試料３１を変更して再び観察を実行する場合にはステップＳ１０２に移行する。また、ステップＳ１１８において、これまで実行された観察条件を変更して観察を行う場合には、ステップＳ１０４に移行して、ユーザによって観察条件が変更された上で、顕微鏡装置２による観察が再び実行される。
【００５５】
ところで、上記第２の実施形態の顕微鏡装置２において、参照波の光強度が観察試料３１から発生する光強度に比べて十分大きく、光減衰器７０で減衰しきれない場合には、図５に示すような顕微鏡装置１０２として構成することも考えられる。
【００５６】
この顕微鏡装置（共焦点顕微鏡）１０２は、レーザ光源１０、レンズ１１，１３，１５、波長変換光学素子１２，１４、波長板１６、ダイクロイックミラー２１，７６、ミラー２２，２３，６２、１／２λ板６３，７４、偏光ビームスプリッタ６４、レンズ７１，７３、参照板７２、ガラスプレート７５，７５、対物レンズ３０、コンデンサレンズ３２、検光子３３、分光器３４、結像レンズ３５、ピンホール３６、光検出器３７、制御部４０、および表示部５０を主体に構成されている。前述の構成の顕微鏡装置２とは異なり、ダイクロイックミラー２１によって分離された２倍波および３倍波は、１／２λ板６３を透過することで偏光状態を変化させ、偏光ビームスプリッタ６４に入射する。
【００５７】
ビームスプリッタ６４は、１／２λ板６３を透過した光のうち、特定の偏光成分のみを選択的に反射し、その他の偏光成分を透過する。ビームスプリッタ６４を透過した偏光成分の光（２倍波および３倍波）は、ミラー２２で反射された後、ダイクロイックミラー７６に入射する。
【００５８】
一方、ビームスプリッタ６４によって反射された偏光成分の光（２倍波および３倍波）は、ミラー６２で反射された後、レンズ７１により参照板７２に集光入射され、差周波発生（３ω−２ω）によって角振動数ωの光に変換される。この参照板７２は、非線形光学結晶からなり、均一な差周波を発生するように構成されている。参照板７２により発生した光は、レンズ７３を介して１／２λ板７４を透過することで観察試料（結晶）３１から発生する差周波（ω）と同じ偏光状態に変換され、参照波となる。
【００５９】
このように顕微鏡装置１０２においては、参照波の光強度が観察試料３１から発生する光強度に比べて十分大きく、光減衰器７０で減衰しきれない場合には、上述した１／２λ板６３によってダイクロイックミラー２１からの光の偏光状態を変化させ、偏光ビームスプリッタ６４による透過光および反射光の光量（強度）を調節し、参照板７２から発生する角振動数ωの光を利用することで最大コントラストを得ることが可能となる。
【００６０】
次に、第３の実施形態に係る顕微鏡装置について説明する。この第３の実施形態に係る顕微鏡装置３の概要構成図を図６に示している。なお、この実施形態においては、第２の実施形態と同一態様の要素構成については同一の符号を付して重複説明を省略し、第２の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６１】
この顕微鏡装置（共焦点顕微鏡）３は、レーザ光源１０、レンズ１１，１３，１５、波長変換光学素子１２，１４、波長板１６、ミラー２２，６０，６２、ダイクロイックミラー６１，７６、光減衰器７０、１／２λ板７４、ガラスプレート７５，７５、ハーフミラー８０、対物レンズ３０、検光子３３、分光器３４、結像レンズ３５、ピンホール３６、光検出器３７、制御部４０、および表示部５０を主体に構成されている。
【００６２】
本実施形態が上記第２の実施形態と異なるところは、上記第２の実施形態では透過型の共焦点光学系が構成されているのに対して、本実施形態では反射型の共焦点光学系が構成されている点である。そのため、この顕微鏡装置３では、ダイクロイックミラー７６から検光子３３までの光路が第２の実施形態の顕微鏡装置２と異なる構成となっている。本実施形態では、例えば、不透明な観察試料（非線形光学素子）や、所定の反射率を有した基板上に接着された結晶等の観察に特に効果的である。
【００６３】
このような構成の顕微鏡装置３において、ダイクロイックミラー７６によって同軸上に合成された光束は、ハーフミラー８０により反射された後、その光路上に設けられた対物レンズ３０によって集光されて観察試料３１を照射し、この観察試料（結晶）３１による２次の非線形光学効果として、２倍波と３倍波による差周波発生（３ω−２ω）が行われて差周波（ω）が発生されるとともに、２倍波と３倍波による和周波発生（２ω＋３ω）が行われて５倍波（５ω）が発生される。
【００６４】
ここで前述したように、例えば観察試料３１が不透明な基板（所定の反射率の表面を有する基板）３１ｂに接着された結晶３１ａである場合には、観察試料３１に入射した参照波、２倍波および３倍波と、この観察試料３１により発生された差周波および５倍波は、基板３１ｂ表面（結晶３１ａと基板３１ｂとの境界面）で反射されて、対物レンズ３０を再び通過する。対物レンズ３０によって集光された光は、ハーフミラー８０を透過した後、検光子３３で任意の偏光方向のみが取り出され、分光器３４によって角振動数ωの光（観察試料３１により発生された差周波と、参照板７２により発生され観察試料３１で反射された差周波）のみが分離されて結像レンズ３５を介してピンホール３６に入射する。ピンホール３６は、対物レンズ３０の焦点位置と光学的に共役な位置に配設されているため、対物レンズ３０によって観察試料３１内に集光された光の焦点位置で差周波発生された角振動数ωの光と焦点の合った参照波のみを通過させる。
【００６５】
ピンホール３６を通過した光（観察試料３１により発生された角振動数ωの光、および参照波）は、光検出器３７に入射してその検出面上に結像され、その位相差に応じた干渉像が形成される。光検出器３７は、この干渉像情報を出力信号（電気信号）として制御部４０に送出する。
【００６６】
制御部４０は、受信した電気信号をデジタルデータにＡ／Ｄ変換し、２次元画像データ（共焦点画像データ）を取得する。制御部４０は、ステージの走査に伴って焦点位置の異なる複数の２次元画像データを取得し、この２次元画像データを観察試料３１内におけるスキャン位置と対応させてメモリに記憶する。また、メモリに記憶された２次元画像データを制御部で画像処理し、表示部５０のモニタに２次元画像表示、あるいは３次元画像表示して拡大像を観察することができる。
【００６７】
このように構成される第３の実施形態の顕微鏡装置３によれば、異なる角振動数の光を観察試料たる結晶に照射したときに、この結晶の非線形光学効果によって発生する差周波と参照波との干渉光を観察光として利用することで、結晶構造によらず観察光（干渉光）を常に所定強度以上で発生させて検出することが可能になるため、結晶の三次元形状を高精度に構築することができる。そのため、第１の実施形態と同様に、結晶の分域構造を的確に観察することが可能になる。特に、この第３の実施形態では、反射型の共焦点光学系で構成しているため、所定の反射率を有する基板（例えば、シリコン基板など）上に接合された非線形光学デバイスの観察などに広く適用可能である。
【００６８】
次に、２次の非線形光学効果を用いた上記実施形態の顕微鏡装置による分域構造の観察例として、擬似位相整合素子を観察標本として適用する場合を例示して説明する。
【００６９】
擬似位相整合（「ＱＰＭ」とも称される）とは、強誘電体の分域の向きを周期的に反転させ、それによりｄ定数（非線形光学定数）の符号を反転させることを利用した位相整合であり、レーザ光の波長変換技術として広く用いられている。従来から波長変換の方法としては、屈折率の異方性と波長分散を利用する方法が最も一般的であり、このように位相整合条件を満足するために結晶の光学軸に対して基本波の入射角を調整する位相整合を角度位相整合と称している。しかしながらこの方法では、屈折率が温度依存性を有していることなどから、特定の温度と波長域でしか実現することができず、複屈折率の小さい材料では位相整合が実現できないといった欠点がある。また、最大成分のｄ定数を利用できないこともあるため、高効率で波長変換することができないという問題もある。このような不具合を是正する方法として近年では、擬似位相整合素子の研究がレーザの短波長化の要求とともに注目されている。
【００７０】
従来、このような素子を評価するとき、通常は分域の向きによって腐食速度が異なることを利用して、酸（硝酸やフッ酸など）によって化学的に素子表面をエッチングして観察を行っていた。ところが、この方法では素子を損傷させてしまうという欠点があり、しかも従来の光学顕微鏡では素子表面の分域構造しか観察することができない。また、ＳＨＧ干渉顕微鏡を用いて非破壊観察の研究がなされているが、素子内部の分域構造の観察には未だ至ってない。
【００７１】
ここで、擬似位相整合素子の構造の一例を図７に示す。なお、この素子の材料としては、擬似位相整合素子として最も広く研究されているニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3），タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）などが例示される。
【００７２】
擬似位相整合素子９０は、図７に示すように、分域の向きが反平行になるように並べられた反平行分域構造（１８０°分域構造）を有している。この反平行分域構造の周期は使用波長によって異なるが、およそ数μｍ〜数十μｍの周期で作製されている。この擬似位相整合素子を波長変換光学素子として使用する場合には、高い波長変換効率を実現するために最大のｄ定数の成分（この場合はｄ33成分）を利用し光路を長くすることが望ましい。つまりレーザ光を図７に示すｘ方向に進行させる。これに対して、上記実施形態の顕微鏡装置を用いて反平行分域構造を観察する場合には、基本波レーザ光を当該素子内で強く集光させたときに出力光の拡がりの影響を抑えるために、図７に示すｚ方向に進行させるのが素子の形状からも適している。つまり、この擬似位相整合素子では、２次の非線形光学効果により発生されるｄ22成分の差周波を検出することで、その反平行分域構造を非破壊的に精度よく観察することが可能になる。
【００７３】
これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では基本波と２次の非線形光学効果によって発生する差周波とが同一方向（コリニアー）に進行する場合を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、図８に例示するような非コリニアー配置の場合でも観察試料３１より発する差周波を検出することで位相不整合量Δｋを負にすることが可能であるため、本発明を適用することができる。
【００７４】
また、上述の実施形態において、角振動数２ω，３ωの高調波によって観察試料（非線形光学結晶）から差周波ωを発生させた場合を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、波長変換素子として光パラメトリック発振器を用いる構成であってもよい。光パラメトリック発振とは、ポンピング光ωpの高エネルギーフォトン１個を吸収して、シグナル光ωsとアイドラー光ωiの２個の低エネルギーフォトンを放出する過程である。例えば角度位相整合を利用して温度と角度をチューニングすることで任意の波長を連続的に発生させることができるので、任意の波長の差周波を検出することも可能となる。
【００７５】
また、上述の実施形態において、観察試料３１に対する対物レンズ３０の焦点位置を走査する光走査手段（光走査部）をＸＹＺステージにより構成した場合を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、対物レンズ３０の光軸に直交する面内方向への走査（ＸＹ走査）はガルバノミラー等からなる２次元スキャナであってもよい。一方、対物レンズ３０の光軸方向への走査（Ｚ走査）はピエゾ素子を駆動機構として対物レンズ３０自体を観察試料３１に対して相対移動させてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１，２，３  顕微鏡装置                    １０  レーザ光源
１２  波長変換光学素子（波長変換部）      １４  波長変換光学素子（波長変換部）
３０  対物レンズ                          ３１  観察試料
３２  コンデンサレンズ                    ３４  分光器（光抽出部）
３５  結像レンズ                          ３７  光検出器（光検出部）
４０  制御部（作動制御部）                ６１  ダイクロイックミラー（光路分割部）
６４  偏光ビームスプリッタ（光路分割部）  ７２  参照板
７５  ガラスプレート（位相変調部）        ９０  擬似位相整合素子（観察試料）
１０２  顕微鏡装置
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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