(57)【要約】      （修正有）【課題】機械的に作動する部品を利用せず、且つ、波長の異なる複数の回折光を適切に処理することが可能な構造化照明光の照明装置、構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置を提供する。【解決手段】照明装置は、第１波長の光を回折させて第１回折光を出射し、第１波長と異なる第２波長の光を回折させて第２回折光を出射する回折素子と、第１回折光の偏光方向および第２回折光の偏光方向を電圧により制御する光変調素子（液晶素子１５Ａ）と、光変調素子を制御する制御部と、を備え、光変調素子は、第１回折光の少なくとも一部の偏光方向を電圧により制御する第１領域（第１透過領域２０Ｂ）と、第２回折光の少なくとも一部の偏光方向を電圧により制御する第２領域（第２透過領域２０Ｃ）とを有し、制御部は、第１領域に印加される電圧と、第２領域に印加される電圧とを制御する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１波長の光を回折させて第１回折光を出射し、第１波長と異なる第２波長の光を回折させて第２回折光を出射する回折素子と、
前記第１回折光の偏光方向及び前記第２回折光の偏光方向を電圧により制御する光変調素子と、
前記光変調素子を制御する制御部と、を備え、
前記光変調素子は、
前記第１回折光の少なくとも一部の偏光方向を電圧により制御する第１領域と、
前記第２回折光の少なくとも一部の偏光方向を電圧により制御する第２領域とを有し、
前記制御部は、第１領域に印加される電圧と、前記第２領域に印加される電圧とを制御する、
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記第１領域に印加される電圧は、前記第２領域に印加される電圧と異なる、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記光変調素子は、前記第１領域に対応する第１電極、前記第２領域に対応する第２電極、前記第１電極及び前記第２電極と対向する対向電極、並びに、前記第１電極及び前記第２電極と前記対向電極との間に配置された液晶層を有し、
前記第１回折光の偏光方向を制御する電圧は、前記第１電極と前記対向電極との間に印加され、
前記第２回折光の偏光方向を制御する電圧は、前記第２電極と前記対向電極との間に印加される、請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記光変調素子と、検光子とを有するシャッター素子を有し、
前記シャッター素子は、前記第１回折光の少なくとも一部及び第２回折光の少なくとも一部を選択的に透過させる、請求項１〜３の何れか一項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記第１領域は、複数の第１小領域を有し、
前記第２領域は、複数の第２小領域を有し、
前記制御部は、前記複数の第１小領域のそれぞれに印加される電圧と、前記複数の第２小領域のそれぞれに印加される電圧とを制御する、請求項１〜４の何れか一項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記光変調素子は、前記複数の第１小領域に対応する複数の電極と、前記複数の第２小領域に対応する複数の電極とを有する、請求項５に記載の照明装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記第１領域の少なくとも一部及び前記第２領域の少なくとも一部が半波長板として機能するように、前記第１領域に印加される電圧及び前記第２領域に印加される電圧を制御する、請求項１〜６の何れか一項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記第１領域は、所定の円領域を囲うドーナツ形状を有し、
前記第２領域は、前記第１領域を囲うドーナツ形状を有する、請求項１〜７の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項９】
前記第１領域は、前記円領域の円周方向に沿って分割された複数の第１小領域を有し、
前記第２領域は、前記円領域の円周方向に沿って分割された複数の第２小領域を有する、請求項８に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記光変調素子は、前記複数の第１小領域のそれぞれに対応する複数の電極と、前記複数の第２小領域のそれぞれに対応する複数の電極とを有する、請求項９に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記第１領域は、前記円領域の円周方向に沿って分割された６個の第１小領域を有し、
前記第２領域は、前記円領域の円周方向に沿って分割された６個の第２小領域を有する、請求項９に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記光変調素子は、前記６個の第１小領域のそれぞれに対応する６個の電極と、前記６個の第２小領域のそれぞれに対応する６個の電極とを有する、請求項１１に記載の照明装置。
【請求項１３】
前記制御部は、
前記第１領域内の前記円領域を挟んで相互に対向する２個の前記第１小領域から出射する前記第１回折光の偏光方向が同じになるように、前記第１小領域に印加される電圧を制御し、
前記第２領域内の前記円領域を挟んで相互に対向する２個の前記第２小領域から出射する第２回折光の偏光方向が同じになるように、前記第２小領域に印加される電圧を制御する、請求項９〜１２の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項１４】
前記制御部は、前記第１領域に入射した前記第１回折光の偏光方向を回転させる角度、及び、前記第２領域に入射した前記第２回折光の偏光方向を回転させる角度が、前記第１波長及び前記第２波長に関わらず一定となるように制御する、請求項１〜１３の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項１５】
前記光変調素子は、前記第１回折光の偏光方向および前記第２回折光の偏光方向を同時に制御する、請求項１〜１４の何れか１項に記載の照明装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５の何れか１項に記載の照明装置と、
前記第１回折光の少なくとも一部を干渉させて第１干渉縞を形成し、前記第２回折光の少なくとも一部を干渉させて第２干渉縞を形成し、前記第１干渉縞及び前記第２干渉縞で標本を照明する照明光学系と、
を備える構造化照明装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の構造化照明装置と、
前記第１干渉縞で照明された前記標本の像である第１変調像及び前記第２干渉縞で照明された前記標本の像である第２変調像を撮像する撮像素子と、
を備える構造化照明顕微鏡装置。
【請求項１８】
前記撮像素子が生成する画像に基づき前記標本の復調像を生成する演算手段を更に備える、請求項１７に記載の構造化照明顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置、構造化照明装置及び構造化照明顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡装置において、光学系の分解能を越えた観察を可能とする超解像顕微鏡がある。この超解像顕微鏡の一形態として、空間変調された照明光により標本を照明して変調画像を取得し、その変調画像を復調することにより、標本の超解像画像を生成する構造化照明顕微鏡（ＳＩＭ：Structured Illumination Microscopy）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この手法においては、光源から射出された光束を回折格子等により複数の光束に分岐し、それらの光束を標本の近傍で互いに干渉させることで形成された干渉縞で標本を照明することにより、標本の変調画像を取得している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国再発行特許発明第３８３０７号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本発明の一つの側面によれば、照明装置が提供される。この照明装置は、第１波長の光を回折させて第１回折光を出射し、第１波長と異なる第２波長の光を回折させて第２回折光を出射する回折素子と、第１回折光の偏光方向および第２回折光の偏光方向を電圧により制御する光変調素子と、光変調素子を制御する制御部と、を備え、光変調素子は、第１回折光の少なくとも一部の偏光方向を電圧により制御する第１領域と、第２回折光の少なくとも一部の偏光方向を電圧により制御する第２領域とを有し、制御部は、第１領域に印加される電圧と、第２領域に印加される電圧とを制御する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】実施形態に係る顕微鏡装置１００の概略構成図である。
【図２】光変調ユニット１０２の模式図である。
【図３】各レーザ光の回折について説明するための模式図である。
【図４】液晶素子１５Ａの概略正面図である。
【図５】液晶素子１５Ａの概略側面断面図である。
【図６】透明電極２３の概略正面図である。
【図７】第２液晶素子１６Ａの概略正面図である。
【図８】回転領域透明電極の概略正面図である。
【図９】第３液晶素子１６Ｂの概略正面図である。
【図１０】青色レーザ光に対する処理について説明するための模式図である。
【図１１】赤色レーザ光に対する処理について説明するための模式図である。
【図１２】印加する電圧と、回折光に生じる位相差の関係を表すグラフである。
【図１３】試料画像の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る照明装置について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【０００７】
図１は、実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。図１に示されるように、構造化照明顕微鏡装置である顕微鏡装置１００は、光源１０１と、光変調ユニット１０２と、コリメータ１０３と、ビームスプリッタ１０４と、対物レンズ１０５と、集光レンズ１０６と、受光素子１０７と、制御部１０８と、表示装置１０９とを有する。光変調ユニット１０２及び制御部１０８は、光源１０１から出射された光をコリメータ１０３へ向けて出射する照明装置を構成する。ただし、照明装置は、本実施形態において示される光変調ユニット１０２の全ての構成要素を有していなくてもよい。また、照明装置は、本実施形態において示される光変調ユニット１０２の構成要素以外の構成要素を有していてもよい。
【０００８】
光変調ユニット１０２の下方には、光軸ＯＡ１に沿って配置される光源１０１が描かれている。また光変調ユニット１０２の側方には、光軸ＯＡ１と直交し、コリメータ１０３によって規定される光軸ＯＡ２に沿って一列に配置されたコリメータ１０３及びビームスプリッタ１０４が描かれている。光軸ＯＡ２と直交し、対物レンズ１０５と集光レンズ１０６とによって規定される光軸ＯＡ３に沿ってビームスプリッタ１０４、対物レンズ１０５、集光レンズ１０６及び受光素子１０７が一列に配置される。なお、構造化照明光としての干渉縞を試料（標本）に投影する構造化照明装置は、光源１０１、光変調ユニット１０２、コリメータ１０３、ビームスプリッタ１０４及び対物レンズ１０５を有する。なお、構造化照明装置に制御部１０８が設けられていてもよい。また、構造化照明装置に光源１０１が設けられていなくてもよい。
【０００９】
光源１０１は、直線偏光である照明光（レーザ光）を出力する。そのために、光源１０１は、例えば、半導体レーザを有する。あるいは、光源１０１は、アルゴンイオンレーザといったガスレーザ、またはYAGレーザといった固体レーザを有していてもよい。光源１０１から出力されるレーザ光は光変調ユニット１０２に出射される。光源１０１から出力されるレーザ光が直線偏光でない場合、光源１０１とコリメータ１０３との間に、レーザ光を直線偏光にするために光学素子が配置されてもよい。さらにまた、光源１０１からの光は、例えば、光ファイバを介して光変調ユニット１０２に出射するようにしてもよい。
【００１０】
光源１０１は、所定の波長域に含まれる互いに異なる波長を有する光を出力する第１光源１０１Ａ及び第２光源１０１Ｂを有する。第１光源１０１Ａが出力する光は、例えば450nm〜495nmの波長域に含まれる波長を有する青色レーザ光であり、第２光源１０１Ｂが出力する光は、例えば620nm〜750nmの波長域に含まれる波長を有する赤色レーザ光である。
【００１１】
光変調ユニット１０２に入射された、光源１０１から放射されたレーザ光は、光変調ユニット１０２から出射され、光軸ＯＡ２からの複数の放射方向の何れかに沿った複数の次数の回折光に分離される。各次数の回折光の偏光方向は、顕微鏡装置１００の利用者によって設定された方向に回転される。例えば、各次数の回折光の偏光方向は、試料２００にＳ偏光で入射するように回転されてもよい。なお、各回折光の回折方向又はレーザ光を回折させる回折格子の位相は、モアレ縞の画像の撮影の度に変更される。各次数の回折光は、コリメータ１０３により集光されビームスプリッタ１０４により反射された後、対物レンズ１０５の瞳面（後側焦点面）において集光される。対物レンズ１０５の瞳面（後側焦点面）において集光された各次数の回折光は、対物レンズ１０５から平行光となって射出し、試料２００の表面または内部に設定された、観察対象となる物体面上において干渉縞が形成される。物体面で反射または散乱され、あるいは物体面から蛍光発光した光は、再び対物レンズ１０５を通った後、ビームスプリッタ１０４を直進する。その後、物体面で反射または散乱され、あるいは物体面から蛍光発光した光は、集光レンズ１０６によって受光素子１０７上に集光される。このように、コリメータ１０３、ビームスプリッタ１０４及び対物レンズ１０５は、青色レーザ光による各次数の回折光を干渉させて青色干渉縞を形成し、赤色レーザ光による各次数の回折光を干渉させて赤色干渉縞を形成し、青色干渉縞及び赤色干渉縞で標本を照明する照明光学系として機能する。
【００１２】
なお、理解を容易にするために図示していないが、顕微鏡装置１００は、光路上に、球面収差用補償光学系などの各種の補償光学系、または光路を曲げるためのミラーを有していてもよい。
【００１３】
受光素子１０７は、アレイ状に配列された複数のCCD、C-MOSなどの撮像素子を有し、構造化照明光である干渉縞と試料の構造により生じるモアレ縞の画像を生成し、そのモアレ縞の画像を制御部１０８へ出力する。受光素子１０７は、モアレ縞の画像として、青色干渉縞で照明された標本の像である青色変調像及び赤色干渉縞で照明された標本の像である赤色変調像を生成する。
【００１４】
制御部１０８は、例えば、プロセッサと、メモリと、制御部１０８を顕微鏡装置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。制御部１０８は、光源１０１に対して所定の電力を供給することにより、光源１０１にレーザ光を出力させる。制御部１０８は、不図示の駆動回路を介して光変調ユニット１０２が有する液晶素子に印加する電圧を制御することで、光変調ユニット１０２から出力される各次数の回折光の回折方向、レーザ光を回折させる回折格子の位相などを制御する。
【００１５】
制御部１０８は、受光素子１０７から受信した複数のモアレ縞の画像から試料２００の物体面の超解像画像（標本の復調像であり、以下では、便宜上試料画像と呼ぶ）を生成し、表示装置１０９に表示する。なお、複数のモアレ縞の画像から試料画像を得るための画像演算の詳細は、例えば、WO2006/109448に開示されている。
【００１６】
表示装置１０９は、例えば、タッチパネル式の表示装置、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro−Luminescence）ディスプレイ等であり、制御部１０８が生成した画像等を出力する。
【００１７】
図２は、光変調ユニット１０２の模式図である。
【００１８】
光変調ユニット１０２は、第１光源１０１Ａ及び第２光源１０１Ｂから出射されたレーザ光を、複数の方向のうちの何れか一つの方向に沿って回折させて複数の次数の回折光を生成する。そのために、光変調ユニット１０２は、光軸ＯＡ２に沿って、回折素子１１側から順に、回折素子１１と、第１位相変調素子１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、第２位相変調素子１４と、光変調サブユニット１０とを有する。光変調サブユニット１０は、シャッター素子１５と、偏光方向回転素子１６とを有する。ただし、光変調サブユニット１０は、本実施形態において示される光変調サブユニット１０の全ての構成要素を有していなくてもよい。また、光変調サブユニット１０は、本実施形態において示される光変調サブユニット１０の構成要素以外の構成要素を有していてもよい。
【００１９】
回折素子１１は、空間光変調素子であり、構造化照明で利用される複数の位相の内の選択された一つの位相を有し、複数の方向の内の選択された一つの方向に沿ってレーザ光を回折させて複数の次数の回折光を生成するための回折格子を表示させる。回折素子１１は、第１光源１０１Ａが出射した青色レーザ光を回折させて複数の０次及び±１次の青色回折光を生成して出射し、第２光源１０１Ｂが出射した赤色レーザ光を回折させて複数の０次及び±１次の赤色回折光を生成して出射する。そのために、回折素子１１は、例えば、液晶層の少なくとも一方の面（すなわち、反射側の面）に、２次元に配列された複数の画素ごとに独立した駆動電極を有する液晶素子で構成される。このような液晶素子は、液晶層の他方の面（すなわち、透過側の面）に、光を制御する領域全体を覆うように設けられた透明電極と各画素の駆動電極との間に印加する電圧を画素ごとに調節することで、画素ごとに独立して透過率または屈折率を調節できる。本実施形態では、回折素子１１として、例えば、Liquid crystal on silicon(LCOS)といった、反射型の液晶素子を利用する。
【００２０】
制御部１０８は、回折素子１１の各画素に印加する電圧を調節することで、任意の回折方向に各レーザ光を回折させる回折格子を表示させることができる。例えば、各レーザ光を、所定の方向に回折させる場合、制御部１０８は、その方向に、透過率または屈折率が周期的に変化するように、回折素子１１に回折格子を表示させる。
【００２１】
また、制御部１０８は、干渉縞（構造化照明）の位相をシフトするために、回折素子１１に表示させる回折格子の各格子線の位置を、格子線と直交する方向、すなわち各レーザ光が回折する方向に沿って、位相に応じた量だけシフトさせる。
【００２２】
図３は、回折素子１１による各レーザ光の回折について説明するための模式図である。ただし、図３において、第１位相変調素子１２は、図示されていない。
【００２３】
第２光源１０１Ｂが出射する赤色レーザ光２１１Ｂの波長は、第１光源１０１Ａが出射する青色レーザ光２１１Ａの波長より長い。そのため、図３に示すように、回折素子１１の格子法線と、赤色レーザ光２１１Ｂを回折素子１１で回折した±１次の赤色回折光２１２Ｂ、２１３Ｂとのなす回折角は、回折素子１１の格子法線と、青色レーザ光２１１Ａを回折素子１１で回折した±１次の青色回折光２１２Ａ、２１３Ａとのなす回折角より大きくなる。ただし、回折素子１１から出射された±１次の赤色回折光２１２Ｂ、２１３Ｂと、回折素子１１から出射された±１次の青色回折光２１２Ａ、２１３Ａは、偏光ビームスプリッタ１３を透過する際に、偏光ビームスプリッタ１３の表面や内部で屈折する場合があるが、そのような屈折は、ここでは考慮されていない。
【００２４】
以下、第１光源１０１Ａおよび第２光源１０１Ｂから同時に青色レーザ光２１１Ａと赤色レーザ光２１１Ｂが射出される場合について説明するが、第１光源１０１Ａおよび第２光源１０１Ｂから青色レーザ光２１１Ａと赤色レーザ光２１１Ｂとは同時に射出されなくてもよい。回折素子１１は、０次の赤色回折光及び青色回折光を光軸ＯＡ２の方向に向かって同時に回折させる。また、回折素子１１は、光軸ＯＡ２からの複数の放射方向の内の第１の方向に沿って＋１次の青色回折光及び赤色回折光を同時に回折させ、さらに第１の方向とは光軸ＯＡ２を中心として線対称となる方向に沿って−１次の青色回折光及び赤色回折光を同時に回折させる。同様に、回折素子１１は、第１の方向から時計回りに120°回転した第２の方向に沿って＋１次の青色回折光及び赤色回折光を同時に回折させ、さらに第２の方向とは光軸ＯＡ２を中心として線対称となる方向に沿って−１次の青色回折光及び赤色回折光を同時に回折させる。同様に、回折素子１１は、第２の方向から時計回りに120°回転した第３の方向に沿って＋１次の青色回折光及び赤色回折光を同時に回折させ、さらに第３の方向とは光軸ＯＡ２を中心として線対称となる方向に沿って−１次の青色回折光及び赤色回折光を同時に回折させる。このように、回折素子１１は、０次及び±１次の赤色回折光及び青色回折光を７つの方向に向かって回折させる。
【００２５】
第１位相変調素子１２は、例えばλ／２波長板であり、偏光ビームスプリッタ１３と回折素子１１の間に配置され、回折素子１１から出射された各回折光の偏光方向を、各回折光が偏光ビームスプリッタ１３を効率よく透過するように調整する。
【００２６】
偏光ビームスプリッタ１３は、第１光源１０１Ａ及び第２光源１０１Ｂから出射されたレーザ光を回折素子１１へ向けて反射させるとともに、第１位相変調素子１２から出射された回折光を透過させる。
【００２７】
第２位相変調素子１４は、例えばλ／２波長板であり、偏光ビームスプリッタ１３と光変調サブユニット１０の間に配置され、レーザ光の偏光方向を調整する。
【００２８】
シャッター素子１５は、入射した複数の±１次の青色回折光及び複数の±１次の赤色回折光を選択的に透過させる。そのために、シャッター素子１５は、光軸ＯＡ２に沿って、回折素子１１側から順に、液晶素子１５Ａと検光子１５Ｂとを有する。
【００２９】
図４は、回折光が入射する側から見た液晶素子１５Ａの概略正面図であり、図５は、図４の矢印Ａ、Ａ’で示される線における、液晶素子１５Ａの概略側面断面図である。
【００３０】
図５に示すように、液晶素子１５Ａは、液晶層２０と、光軸ＯＡ２に沿って液晶層２０の両側に略平行に配置された透明基板２１、２２と、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の間に配置された対向電極２４とを有する光変調素子として構成される。液晶層２０は、例えばネマティック液晶を含む。液晶層２０に含まれる液晶分子２７は、透明基板２１及び２２と、シール部材２８との間に封入されている。液晶層２０の厚さは、液晶素子１５Ａが半波長板として動作するのに十分な厚さ、例えば、5μmとされる。ただし、液晶素子１５Ａは、本実施形態において示される液晶素子１５Ａの構成要素の全てを有していなくてもよい。また、液晶素子１５Ａは、本実施形態において示される液晶素子１５Ａの構成要素以外の構成要素を有していてもよい。
【００３１】
透明基板２１、２２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、光源１０１が発するレーザ光に対して透明な材料により形成される。透明電極２３、２４は、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）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。透明電極２３と液晶層２０の間には配向膜２５が配置され、対向電極２４と液晶層２０の間には配向膜２６が配置される。配向膜２５、２６は、液晶分子２７を所定の方向に配向させる。
【００３２】
図４に示すように、液晶層２０は、光軸ＯＡ２の延長線が通過する位置に配置された円形状の中央透過領域２０Ａと、中央透過領域２０Ａを囲うドーナツ形状を有する第１透過領域２０Ｂと、第１透過領域２０Ｂを囲うドーナツ形状を有する第２透過領域２０Ｃとを有する。第１透過領域２０Ｂは、光軸ＯＡ２に直交する面内で円周方向に沿って６等分に分割された６個の小領域２０Ｂ１〜２０Ｂ６を有する。また、第２透過領域２０Ｃは、光軸ＯＡ２に直交する面内で円周方向に沿って６等分に分割された６個の小領域２０Ｃ１〜２０Ｃ６を有する。
【００３３】
中央透過領域２０Ａは、各回折光のうちの０次の青色回折光及び赤色回折光が入射する位置に配置され、第１透過領域２０Ｂは、±１次の青色回折光が透過する位置に配置され、第２透過領域２０Ｃは、±１次の赤色回折光が透過する位置に配置される。
【００３４】
第１透過領域２０Ｂの小領域２０Ｂ１には、第１の方向に沿って回折された＋１次の青色回折光が入射し、小領域２０Ｂ１と中央透過領域２０Ａを挟んで対向する小領域２０Ｂ４には、第１の方向とは光軸ＯＡ２を中心として線対称となる方向に沿って回折された−１次の青色回折光が入射する。また、小領域２０Ｂ２には、第２の方向に沿って回折された＋１次の青色回折光が入射し、小領域２０Ｂ２と中央透過領域２０Ａを挟んで対向する小領域２０Ｂ５には、第２の方向とは光軸ＯＡ２を中心として線対称となる方向に沿って回折された−１次の青色回折光が入射する。さらに、小領域２０Ｂ３には、第３の方向に沿って回折された＋１次の青色回折光が入射し、小領域２０Ｂ３と中央透過領域２０Ａを挟んで対向する小領域２０Ｂ６には、第３の方向とは光軸ＯＡ２を中心として線対称となる方向に沿って回折された−１次の青色回折光が入射する。
【００３５】
第２透過領域２０Ｃの小領域２０Ｃ１には、第１の方向に沿って回折された＋１次の赤色回折光が入射し、小領域２０Ｃ１と中央透過領域２０Ａを挟んで対向する小領域２０Ｃ４には、第１の方向とは光軸ＯＡ２を中心として線対称となる方向に沿って回折された−１次の赤色回折光が入射する。また、小領域２０Ｃ２には、第２の方向に沿って回折された＋１次の赤色回折光が入射し、小領域２０Ｃ２と中央透過領域２０Ａを挟んで対向する小領域２０Ｃ５には、第２の方向とは光軸ＯＡ２を中心として線対称となる方向に沿って回折された−１次の赤色回折光が入射する。さらに、小領域２０Ｃ３には、第３の方向に沿って回折された＋１次の赤色回折光が入射し、小領域２０Ｃ３と中央透過領域２０Ａを挟んで対向する小領域２０Ｃ６には、第３の方向とは光軸ＯＡ２を中心として線対称となる方向に沿って回折された−１次の赤色回折光が入射する。
【００３６】
液晶層２０の各透過領域（小領域）に封入された液晶分子２７は、例えば、ホモジニアス配向される。各液晶分子２７は、入射する回折光の偏光方向２０２に対して45°（75°-30°）をなす方向２０４に配向される。
【００３７】
図６は、回折光が入射する側から見た透明電極２３の概略正面図である。
【００３８】
透明電極２３は、液晶層２０の中央透過領域２０Ａ、第１透過領域２０Ｂ及び第２透過領域２０Ｃのそれぞれに電圧を印加する中央透明電極２３Ａ、第１透明電極２３Ｂ及び第２透明電極２３Ｃを有する。第１透明電極２３Ｂは、第１透過領域２０Ｂを複数の小領域２０Ｂ１〜Ｂ６に分割するために、各小領域２０Ｂ１〜Ｂ６に電圧を印加する複数の電極２３Ｂ１〜Ｂ６を有する。第２透明電極２３Ｃは、第２透過領域２０Ｃを複数の小領域２０Ｃ１〜Ｃ６に分割するために、各小領域２０Ｃ１〜Ｃ６に電圧を印加する複数の電極２３Ｃ１〜Ｃ６を有する。各電極２３Ａ、Ｂ１〜Ｂ６、Ｃ１〜Ｃ６は、液晶層２０の各領域毎に、各領域の回折光が入射する側の面を覆い、互いに絶縁されている。各電極２３Ａ、Ｂ１〜Ｂ６、Ｃ１〜Ｃ６は、それぞれ配線２３Ａ’、Ｂ１’〜Ｂ６ ’、Ｃ１’〜Ｃ６ ’を介して制御部１０８に接続される。
【００３９】
対向電極２４は、中央透明電極２３Ａ、第１透明電極２３Ｂ及び第２透明電極２３Ｃと対向する透明なベタ電極である。
【００４０】
検光子１５Ｂは、偏光方向が所定の方向である回折光のみを透過させる。検光子１５Ｂは、例えば偏光板である。
【００４１】
偏光方向回転素子１６は、光変調ユニット１０２が出力する回折光の偏光方向が、利用者によって設定された方向になるように、シャッター素子１５を透過した青色回折光及び赤色回折光の偏光方向を回転する。そのために、偏光方向回転素子１６は、第２液晶素子１６Ａ及び第３液晶素子１６Ｂを有する。
【００４２】
図７は、回折光が入射する側から見た第２液晶素子１６Ａの概略正面図である。
【００４３】
第２液晶素子１６Ａも、シャッター素子１５が有する液晶素子１５Ａと同様に、第２液晶層と、光軸ＯＡ２に沿って液晶層２０の両側に略平行に配置された二つの第２透明基板と、一方の第２透明基板と第２液晶層の間に配置された回転領域透明電極と、他方の第２液晶層と第２透明基板の間に配置された第２対向電極とを有する。第２液晶層及び第２透明基板は、それぞれ液晶素子１５Ａの液晶層２０及び透明基板２１、２２と同様の構成を有する。
【００４４】
第２液晶層は、中央透過領域２０Ａと対向する中央回転領域３０Ａと、第１透過領域２０Ｂと対向する第１回転領域３０Ｂと、第２透過領域２０Ｃと対向する第２回転領域３０Ｃとを有する。即ち、中央透過領域２０Ａと中央回転領域３０Ａ、第１透過領域２０Ｂと第１回転領域３０Ｂ、及び、第２透過領域２０Ｃと第２回転領域３０Ｃは、それぞれ光軸ＯＡ２方向に投影した位置が等しくなるように設定される。ただし、第１回転領域３０Ｂ及び第２回転領域３０Ｃは、第１透過領域２０Ｂ及び第２透過領域２０Ｃと異なり、複数の小領域に分割されない。
【００４５】
中央回転領域３０Ａは、各回折光の内の０次の青色回折光及び赤色回折光が入射する位置に配置され、第１回転領域３０Ｂは、±１次の青色回折光が透過する位置に配置され、第２回転領域３０Ｃは、±１次の赤色回折光が透過する位置に配置される。
【００４６】
また、第２液晶層の各回転領域に封入された液晶分子は、液晶素子１５Ａの液晶分子２７と同様にホモジニアス配向されるが、各液晶分子の配向方向は、液晶素子１５Ａの液晶分子２７の配向方向と異なる。各液晶分子は、入射する回折光の偏光方向２０２に対して60°（75°-15°）をなす方向２０５に配向される。
【００４７】
図８は、回折光が入射する側から見た回転領域透明電極３３の概略正面図である。
【００４８】
回転領域透明電極３３は、第２液晶層の中央回転領域３０Ａ、第１回転領域３０Ｂ及び第２回転領域３０Ｃのそれぞれに電圧を印加する中央回転領域透明電極３３Ａ、第１回転領域透明電極３３Ｂ及び第２回転領域透明電極３３Ｃを有する。各電極３３Ａ〜３３Ｃは、第２液晶層の各回転領域毎に、各回転領域の回折光が入射する側の面を覆い、互いに絶縁されている。各電極３３Ａ〜３３Ｃは、それぞれ配線３３Ａ’〜３３Ｃ’を介して制御部１０８に接続される。
【００４９】
一方、第２対向電極は、中央回転領域透明電極３３Ａ、第１回転領域透明電極３３Ｂ及び第２回転領域透明電極３３Ｃと対向する透明なベタ電極である。
【００５０】
図９は、回折光が入射する側から見た第３液晶素子１６Ｂの概略正面図である。
【００５１】
第３液晶素子１６Ｂも、第２液晶素子１６Ａと同様の構成を有する。ただし、第３液晶素子１６Ｂの液晶層の各回転領域に封入された液晶分子は、入射する回折光の偏光方向２０２に対して120°（75°-（-45°））をなす方向２０７に配向される。
【００５２】
なお、変形例によれば、第２液晶素子１６Ａ及び第３液晶素子１６Ｂの内の何れか一方又は両方は省略されてもよい。
【００５３】
制御部１０８は、シャッター素子１５による選択的透過と、偏光方向回転素子１６による偏光方向の回転とを制御する。
【００５４】
図１０は、第１光源１０１Ａが出射した青色レーザ光２１１Ａに対する処理について説明するための模式図である。
【００５５】
図１０に示すように、第１光源１０１Ａが出射した青色レーザ光２１１Ａの偏光方向は、第１光源１０１Ａから出射されたときは鉛直方向２２１を向いている。この青色レーザ光２１１Ａは、光軸ＯＡ２に対して直交する方向から偏光ビームスプリッタ１３に入射され、偏光ビームスプリッタ１３により回折素子１１へ向けて反射され、回折素子１１に入射する。回折素子１１から出射した０次又は特定の方向に沿って回折された±１次の青色回折光は、第１位相変調素子１２により偏光方向を調整され、偏光ビームスプリッタ１３に入射される。偏光ビームスプリッタ１３は、第１位相変調素子１２から出射された青色回折光のうち、水平成分２２２のみを透過させ、第２位相変調素子１４に入射させる。第２位相変調素子１４は、偏光ビームスプリッタ１３から出射された青色回折光の偏光方向を水平方向に対して反時計回りに75°をなす方向２２３に回転させる。第２位相変調素子１４から出射した青色回折光は、液晶素子１５Ａに入射する。
【００５６】
制御部１０８は、液晶素子１５Ａの第１透過領域２０Ｂの内、入射した±１次の青色回折光の回折方向に対応する小領域２０Ｂ１〜Ｂ６からその±１次の青色回折光が出射して検光子１５Ｂを透過するように、液晶素子１５Ａの対向電極２４及び各第１透明電極２３Ｂ１〜Ｂ６間に印加される電圧を制御する。即ち、制御部１０８は、第１透過領域２０Ｂの内の中央透過領域２０Ａを挟んで相互に対向する２個の小領域から出射する±１次の青色回折光の偏光方向が同じになり、その２個の小領域から±１次の青色回折光が出射して検光子１５Ｂを同時に透過するように、液晶素子１５Ａの対向電極２４及び各第１透明電極２３Ｂ１〜Ｂ６間に印加される電圧を制御する。また、制御部１０８は、液晶素子１５Ａの中央透過領域２０Ａから出射した０次の青色回折光が検光子１５Ｂを透過しないように、液晶素子１５Ａの対向電極２４及び中央透明電極２３Ａ間に印加される電圧を制御する。
【００５７】
前述したように、液晶素子１５Ａの液晶分子２７は、入射する±１次の青色回折光の偏光方向に対して時計回りに45°をなす方向（図４の方向２０４）に配向されている。制御部１０８は、検光子１５Ｂを透過させる±１次の青色回折光が入射する小領域を半波長板として機能させないように、その小領域に印加される電圧を制御し、その小領域に入射した±１次の青色回折光の偏光方向を回転させない（偏光方向は図４の矢印２０２の方向、即ち、図１０の方向２２４になる）。一方、制御部１０８は、検光子１５Ｂを透過させない光が入射する小領域を半波長板として機能させるように、その小領域に印加される電圧を制御し、その小領域に入射した±１次の青色回折光の偏光方向を時計回りに90°回転させる（偏光方向は図４の矢印２０３の方向、即ち、図１０の方向２２４と直交する方向になる）。この半波長板として機能させる小領域に入射する光は、例えば迷光である。また、制御部１０８は、液晶素子１５Ａの中央透過領域２０Ａに入射した０次の青色回折光の偏光方向を時計回りに90°回転させる（偏光方向は図４の矢印２０３の方向、即ち、図１０の方向２２４と直交する方向になる）。液晶素子１５Ａを透過した０次又は±１次の青色回折光は、検光子１５Ｂに入射する。
【００５８】
検光子１５Ｂは、液晶素子１５Ａに入射した±１次の青色回折光の偏光方向（方向２２３）と平行な偏光方向（方向２２５）を有する青色回折光のみを透過させる。図１０に示す例において、０次の青色回折光は、検光子１５Ｂを透過せず、±１次の青色回折光は、検光子１５Ｂを透過する。検光子１５Ｂを透過した±１次の青色回折光は、第２液晶素子１６Ａの第１回転領域３０Ｂに入射する。
【００５９】
なお、検光子１５Ｂは、液晶素子１５Ａに入射した回折光の偏光方向と直交する偏光方向を有する回折光のみを透過させるように配置されてもよい。その場合、制御部１０８は、検光子１５Ｂを透過させる回折光が入射する液晶素子１５Ａの小領域を半波長板として機能させ、検光子１５Ｂを透過させない回折光が入射する液晶素子１５Ａの小領域を半波長板として機能させないように、小領域に印加される電圧を制御する。
【００６０】
制御部１０８は、利用者による設定に応じて、第２液晶素子１６Ａの第１回転領域３０Ｂにおいて、入射した±１次の青色回折光の偏光方向を回転するように、第２対向電極及び第１回転領域透明電極３３Ｂ間に印加される電圧を制御する。
【００６１】
前述したように、第２液晶素子１６Ａの液晶分子は、入射する±１次の青色回折光の偏光方向に対して時計回りに60°をなす方向（図７の方向２０５）に配向されている。制御部１０８は、±１次の青色回折光の偏光方向を回転させる場合、第２液晶素子１６Ａの第１回転領域３０Ｂを半波長板として機能させるように、第１回転領域３０Ｂに印加される電圧を制御し、その±１次の青色回折光の偏光方向を時計回りに120°回転させる（偏光方向は図７の矢印２０６の方向、即ち、図１０の方向２２６の方向になる）。一方、制御部１０８は、±１次の青色回折光の偏光方向を回転させない場合、第２液晶素子１６Ａの第１回転領域３０Ｂを半波長板として機能させないように、第１回転領域３０Ｂに印加される電圧を制御し、その±１次の青色回折光の偏光方向を回転させない（偏光方向は図７の矢印２０２の方向になる）。
【００６２】
同様に、制御部１０８は、利用者による設定に応じて、第３液晶素子１６Ｂの第１回転領域４０Ｂにおいて、入射した±１次の青色回折光の偏光方向を回転するように、第３液晶素子１６Ｂの第２対向電極及び第１回転領域透明電極間に印加される電圧を制御する。
【００６３】
前述したように、第３液晶素子１６Ｂの液晶分子は、入射する±１次の青色回折光の偏光方向に対して時計回りに120°をなす方向（図９の方向２０７）に配向されている。制御部１０８は、±１次の青色回折光を回転させる場合、第３液晶素子１６Ｂの第１回転領域４０Ｂを半波長板として機能させるように、第１回転領域４０Ｂに印加される電圧を制御し、その±１次の青色回折光の偏光方向を時計回りに240°回転させる（偏光方向は図９の矢印２０８の方向、即ち、図１０の方向２２７の方向になる）。一方、制御部１０８は、±１次の青色回折光の偏光方向を回転させない場合、第３液晶素子１６Ｂの第１回転領域を半波長板として機能させないように、第１回転領域４０Ｂに印加される電圧を制御し、その±１次の青色回折光の偏光方向を回転させない（偏光方向は図７の矢印２０２の方向になる）。
【００６４】
図１０に示す方向２２８は、検光子１５Ｂを透過し、第３液晶素子１６Ｂにより偏光方向を回転された青色回折光の偏光方向を表す。
【００６５】
図１１は、第２光源１０１Ｂが出射した赤色レーザ光２１１Ｂに対する処理について説明するための模式図である。図１１に示す赤色レーザ光２１１Ｂに対する処理は、図１０に示す青色レーザ光２１１Ａに対する処理と同時に実行される。
【００６６】
図１１に示すように、第２光源１０１Ｂが出射した赤色レーザ光２１１Ｂの偏光方向も、第１光源１０１Ａが出射した青色レーザ光２１１Ａの偏光方向と同様に、第２光源１０１Ｂから出射されたときは鉛直方向２３１を向いている。その後、青色レーザ光２１１Ａと同様に、赤色レーザ光２１１Ｂは回折素子１１に入射し、回折素子１１から出射した０次又は特定の方向に沿って回折された±１次の赤色回折光は、各部を介して液晶素子１５Ａに入射する。
【００６７】
制御部１０８は、液晶素子１５Ａの第２透過領域２０Ｃの内、入射した±１次の赤色回折光の回折方向に対応する小領域２０Ｃ１〜Ｃ６からその±１次の赤色回折光が出射して検光子１５Ｂを透過するように、液晶素子１５Ａの対向電極２４及び各第２透明電極２３Ｃ１〜Ｃ６間に印加される電圧を制御する。即ち、制御部１０８は、液晶素子１５Ａの第２透過領域２０Ｃの内の±１次の青色回折光を透過させた２個の小領域のそれぞれと隣接する２個の小領域から出射する±１次の赤色回折光の偏光方向が同じになり、その２個の小領域から±１次の赤色回折光が同時に出射して検光子１５Ｂを透過するように、液晶素子１５Ａの対向電極２４及び各第２透明電極２３Ｃ１〜Ｃ６間に印加される電圧を制御する。また、制御部１０８は、液晶素子１５Ａの中央透過領域２０Ａから出射する０次の赤色回折光が検光子１５Ｂを透過しないように、液晶素子１５Ａの対向電極２４及び中央透明電極２３Ａ間に印加される電圧を制御する。
【００６８】
このように、制御部１０８は、液晶素子１５Ａの第１透過領域２０Ｂの内、対応する小領域から±１次の青色回折光が出射して検光子１５Ｂを透過するように、液晶素子１５Ａの対向電極２４及び各第１透明電極２３Ｂ１〜Ｂ６間に印加される電圧を制御し、且つ同時に、液晶素子１５Ａの第２透過領域２０Ｃの内、対応する小領域から±１次の赤色回折光が出射して検光子１５Ｂを透過するように、液晶素子１５Ａの対向電極２４及び各第２透明電極２３Ｃ１〜Ｃ６間に印加される電圧を制御する。これにより、制御部１０８は、各方向に沿って回折された±１次の青色回折光及び赤色回折光を、各方向毎に同時にシャッター素子１５を透過させて、超解像画像を生成するために利用することができる。
【００６９】
制御部１０８は、液晶素子１５Ｂを透過させる±１次の赤色回折光が入射する小領域については半波長板として機能させないように、その小領域に印加される電圧を制御し、その小領域に入射した±１次の赤色回折光の偏光方向を回転させない。一方、制御部１０８は、液晶素子１５Ｂを透過させる±１次の赤色回折光が入射する小領域については半波長板として機能するように、その小領域に印加される電圧を制御し、その小領域に入射した±１次の赤色回折光の偏光方向を時計回りに90°回転させる。この半波長板として機能させる小領域は、前述の半波長板として機能させない小領域以外の小領域であり、この半波長板として機能させる小領域に入射する光は、例えば迷光である。また、制御部１０８は、液晶素子１５Ａの中央透過領域２０Ａが半波長板として機能するように、中央透過領域２０Ａに印加される電圧を制御し、中央透過領域２０Ａに入射した０次の赤色回折光の偏光方向を時計回りに90°回転させる。液晶素子１５Ａを透過した０次又は±１次の赤色回折光は、検光子１５Ｂに入射する。
【００７０】
透明電極２３と対向電極２４の間に電圧が印加されると、液晶分子２７は、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。図５に示すように、液晶分子２７の長軸方向と、電圧が印加された方向（図５のｚ軸方向）とがなす角度をψとすれば、液晶層２０を透過する回折光の光軸ＯＡ２と、液晶分子２７の長軸方向とは角度ψをなす。このとき、液晶分子２７を図５のｚ軸方向からｘｙ平面に投影した場合の投影像の長軸方向に平行な偏光成分に対する液晶分子の屈折率（液晶分子を図５のｚ軸方向から見た場合の見かけ上の屈折率）をnψとすると、no≦nψ≦neとなる。ただし、noは液晶分子２７の長軸方向に直交する偏光成分に対する屈折率であり、neは液晶分子２７の長軸方向に平行な偏光成分に対する屈折率である。
【００７１】
液晶層２０に含まれる液晶分子２７がホモジニアス配向されており、液晶層２０の厚さがdである場合、液晶分子２７の配向方向に平行な偏光成分（液晶分子２７を図５のｚ軸方向からｘｙ平面に投影した場合の投影像の長軸方向に平行な偏光成分）の光路長はnψdとなり、液晶分子２７の配向方向に直交する偏光成分（液晶分子２７を図５のｚ軸方向からｘｙ平面に投影した場合の投影像の短軸方向に平行な偏光成分）の光路長はnodとなる。即ち、液晶分子２７の配向方向に平行な偏光成分と液晶分子２７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２３と対向電極２４の間に印加する電圧を調節することにより、液晶分子２７の配向方向に平行な偏光成分と、液晶分子２７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。しかしながら、この光路長差によって各偏光成分の間に生じる位相差は回折光の波長に応じて異なるため、各偏光成分の間に半波長分の位相差を生じさせるために印加すべき電圧は回折光の波長に応じて異なる。
【００７２】
図１２は、各波長を有する回折光毎に、透明電極２３と対向電極２４の間に印加する電圧と、各電圧を印加したときに回折光の相互に直交する二つの偏光成分の間に生じる位相差の関係を表すグラフである。
【００７３】
図１２の横軸は、透明電極２３と対向電極２４の間に印加する電圧（実行電圧）[Vrms]を示し、縦軸は、位相差量を示す。この位相差量の単位は、一波長であり、位相差量に各光の波長を乗じた値が光路長差となる。
【００７４】
図１２に示すように、例えば、波長405[nm]の青色回折光に対して、半波長（0.5波長）分の位相差を生じさせるためには略5.0[Vrms]の電圧を印加する必要がある。一方、波長647[nm]の赤色回折光に対して、半波長分の位相差を生じさせるためには略3.3[Vrms]の電圧を印加する必要がある。即ち、液晶層２０を半波長板として機能させるために印加する電圧は、液晶層２０に透過させる光の波長に応じて異なる。したがって、液晶層２０を半波長板として機能させるために液晶層２０全体に同じ電圧を印加した場合、青色回折光及び赤色回折光の内の少なくとも一方の回折光に対する位相変調精度が低下し、所望の回折光を適切に透過させることができなくなる。
【００７５】
そこで、制御部１０８は、入射する回折光の波長が異なる液晶素子１５Ａの第１透過領域２０Ｂと第２透過領域２０Ｃとで、液晶層２０を半波長板として機能させるために液晶素子１５Ａの対向電極２４及び各第１透明電極２３Ｂ１〜Ｂ６間に印加する電圧と、対向電極２４及び各第２透明電極２３Ｃ１〜Ｃ６間に印加する電圧とを、入射する回折光の波長に応じて異ならせる。なお、各電極間に印加される電圧の値は、図１２に示したグラフ等に基づいて定められる。このように、制御部１０８は、液晶素子１５Ａの第１透過領域２０Ｂに入射する回折光及び第２透過領域２０Ｃに入射する回折光について、相互に直交する二つの偏光成分の間に生じる位相差がそれぞれ各回折光の波長の半分となるように、液晶素子１５Ａの第１透過領域２０Ｂ及び第２透過領域２０Ｃに印加される電圧を制御する。これにより、制御部１０８は、第１透過領域２０Ｂを透過した±１次の青色回折光の偏光方向、及び、第２透過領域２０Ｃを透過した±１次の赤色回折光の偏光方向を回転させる角度が、各回折光の波長に関わらず一定（90°）となるように制御する。
【００７６】
これにより、シャッター素子１５は、波長の異なる複数の回折光の各偏光方向を同時に、検光子１５Ｂが透過させる角度又はその角度と直交する角度に精度良く回転させることが可能となり、特定の小領域に入射した各回折光を精度良く透過させ、他の小領域に入射した各回折光を精度良く遮断させることが可能となる。
【００７７】
検光子１５Ｂは、偏光方向が、液晶素子１５Ａに入射した±１次の赤色回折光の偏光方向（方向２３３）と平行な偏光方向（方向２３５）又は直交する偏光方向を有する赤色回折光のみを透過させる。図１１に示す例において、０次の赤色回折光は、検光子１５Ｂを透過せず、±１次の赤色回折光は、検光子１５Ｂを透過する。検光子１５Ｂを透過した±１次の赤色回折光は、第２液晶素子１６Ａの第２回転領域３０Ｃに入射する。
【００７８】
制御部１０８は、利用者による設定に応じて、第２液晶素子１６Ａの第２回転領域３０Ｃにおいて、入射した±１次の赤色回折光の偏光方向を回転するように、第２対向電極及び各第２回転領域透明電極３３Ｃ間に印加される電圧を制御する。
【００７９】
このように、制御部１０８は、第２液晶素子１６Ａの第１回転領域３０Ｂにおいて±１次の青色回折光の偏光方向を回転させ、且つ同時に、第２液晶素子１６Ａの第２回転領域３０Ｃにおいて±１次の赤色回折光の偏光方向を回転させるように電圧を制御する。これにより、制御部１０８は、±１次の青色回折光及び赤色回折光の偏光方向を同時に回転させて、超解像画像を生成するために利用することができる。
【００８０】
制御部１０８は、±１次の赤色回折光の偏光方向を回転させる場合、第２液晶素子１６Ａの第２回転領域３０Ｃを半波長板として機能させるように、第２回転領域３０Ｃに印加される電圧を制御し、その±１次の赤色回折光の偏光方向を時計回りに120°回転させる。一方、制御部１０８は、±１次の赤色回折光の偏光方向を回転させない場合、第２液晶素子１６Ａの第２回転領域３０Ｃを半波長板として機能させないように、第２回転領域３０Ｃに印加される電圧を制御し、その±１次の赤色回折光の偏光方向を回転させない。
【００８１】
また、液晶素子１５Ａと同様に、制御部１０８は、第２液晶素子１６Ａの第１回転領域３０Ｂと第２回転領域３０Ｃとで、第２液晶層を半波長板として機能させるために第２対向電極及び第１回転領域透明電極３３Ｂ間に印加する電圧と、第２対向電極及び第２回転領域透明電極３３Ｃ間に印加する電圧とを、入射する回折光の波長に応じて異ならせる。このように、制御部１０８は、第２液晶素子１６Ａの第１回転領域３０Ｂ及び第２回転領域３０Ｃを透過させる各回折光において相互に直交する二つの偏光成分の間に生じる位相差がそれぞれ各回折光の波長の半分となるように、第２液晶素子１６Ａの第１回転領域３０Ｂ及び第２回転領域３０Ｃに印加される電圧を制御する。これにより、制御部１０８は、第２液晶素子１６Ａの第１回転領域３０Ｂを透過した±１次の青色回折光の偏光方向、及び、第２回転領域３０Ｃを透過した±１次の赤色回折光の偏光方向を回転させる角度が、各回折光の波長に関わらず一定（120°）となるように、第２液晶素子１６Ａの第１回転領域３０Ｂ及び第２回転領域３０Ｃに印加される電圧を制御する。
【００８２】
これにより、第２液晶素子１６Ａは、波長の異なる複数の光の各偏光方向を同時に、所望の角度に精度良く回転させることが可能となる。
【００８３】
また、制御部１０８は、液晶素子１５Ａの第１透過領域２０Ｂ及び第２透過領域２０Ｃと異なり、第２液晶素子１６Ａの第１回転領域３０Ｂ及び第２回転領域３０Ｃのそれぞれにおいて、回折光の偏光方向の回転を一括して制御する。これにより、制御部１０８は、偏光方向の回転制御に係る処理負荷が増大することを抑制できる。
【００８４】
同様に、制御部１０８は、利用者による設定に応じて、第３液晶素子１６Ｂの第２回転領域４０Ｃにおいて、入射した±１次の赤色回折光の偏光方向を回転するように、第３液晶素子１６Ｂの第２対向電極及び各第２回転領域透明電極間に印加される電圧を制御する。
【００８５】
制御部１０８は、±１次の赤色回折光の偏光方向を回転させる場合、第３液晶素子１６Ｂの第２回転領域４０Ｃを半波長板として機能させるように、第２回転領域４０Ｃに印加される電圧を制御し、その±１次の赤色回折光の偏光方向を時計回りに240°回転させる。一方、制御部１０８は、±１次の赤色回折光の偏光方向を回転させない場合、第３液晶素子１６Ｂの第２回転領域４０Ｃを半波長板として機能させないように、第２回転領域４０Ｃに印加される電圧を制御し、その±１次の赤色回折光の偏光方向を回転させない。
【００８６】
図１１に示す方向２３８は、検光子１５Ｂを透過し、第３液晶素子１６Ｂにより偏光方向を回転された赤色回折光の偏光方向を表す。図１０及び図１１に示すように、光変調ユニット１０２が出力する波長の異なる複数の回折光の偏光方向は、同一の方向を向いている。このように、光変調ユニット１０２は、青色レーザ光と赤色レーザ光のそれぞれに対して、独立して、各色レーザ光の波長に応じた適切な量の位相変調を行うことが可能となり、青色レーザ光と赤色レーザ光に対する処理を同時且つ適切に実行することが可能となる。
【００８７】
図１３は、制御部１０８によって生成される試料画像の一例を示す模式図である。
【００８８】
図１３に示す画像Ｊは、第１光源１０１Ａが出射した青色レーザ光に基づいて生成された試料画像の一例である。画像Ａ〜Ｉに示される各矩形は、回折素子１１に表示される回折格子の各格子線の概念図を示す。
【００８９】
画像Ａ〜Ｃは、液晶素子１５Ａの第１透過領域２０Ｂの小領域２０Ｂ１、Ｂ４を透過させた青色回折光に基づいて生成されたモアレ縞の画像である。画像Ｄ〜Ｆは、液晶素子１５Ａの第１透過領域２０Ｂの小領域２０Ｂ２、Ｂ５を透過させた青色回折光に基づいて生成されたモアレ縞の画像である。画像Ｇ〜Ｉは、液晶素子１５Ａの第１透過領域２０Ｂの小領域２０Ｂ３、Ｂ６を透過させた青色回折光に基づいて生成されたモアレ縞の画像である。画像Ａ〜Ｃ、Ｄ〜Ｆ、Ｇ〜Ｉのそれぞれにおいて、回折素子１１に表示させる回折格子の各格子線の位置は、各格子線と直交する方向、すなわち各レーザ光が回折する方向に沿ってシフトしている。試料画像Ｊは、画像Ａ〜Ｉを合成することにより生成される。試料画像Ｊは、回折方向、及び、回折格子の位相が異なる複数の回折光を用いて生成されるため、高解像度に生成される。
【００９０】
なお、第２光源１０１Ｂが出射した赤色レーザ光に基づく試料画像も同様に、液晶素子１５Ａの第２透過領域２０Ｃの小領域２０Ｃ１、Ｃ４を透過させた各位相の回折格子による赤色回折光に基づく三つの画像と、小領域２０Ｃ２、Ｃ５を透過させた各位相の回折格子による赤色回折光に基づく三つの画像と、小領域２０Ｃ３、Ｃ６を透過させた各位相の回折格子による赤色回折光に基づく三つの画像とを合成することにより生成される。
【００９１】
顕微鏡装置１００は、このような青色レーザ光に基づく試料画像及び赤色レーザ光に基づく試料画像を同時に生成することができるため、試料画像の生成に要する時間を短縮することができる。
【００９２】
以上説明してきたように、本発明の一つの実施形態に係る照明装置は、各回折光の偏光方向を液晶素子によって制御するので、機械的に作動する部品をなくすことができる。また、照明装置は、機械的に作動する部品をなくすことにより、回折格子の位相及び回折方向を変更する際に要する時間を短縮できるので、顕微鏡装置１００は、個々のモアレ縞の画像を撮影するのに要する時間を短縮でき、結果として、試料画像の生成に要する時間を短縮できる。さらに、液晶素子は、波長の異なる複数の回折光を透過させる領域を別個に有し、各領域から各回折光が同時に透過するように各領域に印加する電圧を制御する。これにより、照明装置は、波長の異なる複数の回折光に対して、独立して、各回折光の波長に応じた適切な量の位相変調を行うことが可能となり、波長の異なる複数の回折光を同時且つ適切に処理することが可能となる。
【００９３】
なお、本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、第１光源１０１Ａ及び第２光源１０１Ｂが出射する光は、青色レーザ光及び赤色レーザ光に限定されず、他の波長を有する色のレーザ光でもよい。また、光源１０１は、３つ以上の色のレーザ光を同時に出射するように構成されてもよい。その場合、液晶素子１５Ａの各透過領域と、第２液晶素子１６Ａ及び第３液晶素子１６Ｂの各回転領域は、光源１０１が出射する各色のレーザ光の各次の回折光が入射する位置に設けられる。また、制御部１０８は、各透過領域、各回転領域を半波長板として機能させるために各領域に印加する電圧を、光源１０１が出射するレーザ光の波長に応じて異ならせる。
【００９４】
また他の変形例によれば、回折素子１１は、液晶層の少なくとも一方の表面に、２次元に配列された複数の画素ごとに独立した透明電極を有する、透過型の液晶素子であってもよい。この場合には、光源１０１は、各レーザ光が光軸ＯＡ２に沿って回折素子１１に入射するように配置される。そして回折素子１１によって回折された回折光は、レーザ光が入射した側の面と反対側であり、かつ、第１位相変調素子１２と対向する側の面から出射する。
【００９５】
さらに他の変形例によれば、シャッター素子１５は、中央透過領域２０Ａにおいて、０次の回折光を選択的に透過させてもよい。その場合、偏光方向回転素子１６は、シャッター素子１５を透過した０次の回折光の偏光方向を中央回転領域において回転させてもよい。これにより、±１次の回折光に加えて、０次の回折光を、試料画像を生成するために利用することができ、試料画像の解像度をより高くすることができる。
【００９６】
さらに他の変形例によれば、偏光方向回転素子１６が有する第２液晶素子１６Ａ及び／又は第３液晶素子１６Ｂとして、シャッター素子１５が有する液晶素子１５Ａと同一の構造を有する素子が用いられてもよい。これにより、部品の共通化を図ることが可能となり、光変調ユニット１０２のコストを低減することができる。
【００９７】
なお、シャッター素子１５及び偏光方向回転素子１６を有する光変調サブユニット１０は、顕微鏡装置１００又は光変調ユニット１０２とは独立したパッケージとして提供されてもよい。
【００９８】
また、図１１に示す赤色レーザ光２１１Ｂに対する処理は、図１０に示す青色レーザ光２１１Ａに対する処理と同時に実行されなくてもよい。
【００９９】
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。
【０１００】
液晶素子を用いて各回折光の偏光方向を調節する場合、液晶素子内の液晶分子の傾きを変更することにより、各回折光の偏光方向を変更する。しかしながら、各回折光の偏光方向を一定量回転させるための液晶分子の傾きの変更量は、各回折光の波長によって異なるため、波長の異なる複数の回折光の偏光方向を同時に適切に調節することは困難である。このような問題に対し、本発明に係る照明装置は、機械的に作動する部品を利用せず、且つ、波長の異なる複数の回折光を適切に処理することができるという効果を奏する。
【符号の説明】
【０１０１】
１００    顕微鏡装置
１０２    光変調ユニット
１０８    制御部
１０    光変調サブユニット
１１    回折素子
１５    シャッター素子
１５Ａ    液晶素子
１５Ｂ    検光子
１６    偏光方向回転素子
１６Ａ    第２液晶素子
１６Ｂ    第３液晶素子
２０    液晶層
２３    透明電極
２４    対向電極
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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