(57)【要約】【課題】簡単な構成としつつ、かつ、光学系の波面収差の測定に利用できる適応光学素子を提供する。【解決手段】適応光学素子は、入射する直線偏光の偏光面と平行な方向に液晶分子が配向される第１の領域と、入射する直線偏光の偏光面に対して直交せずに交差する方向に液晶分子が配向される第２の領域とを含む液晶層２０を有し、第１の領域に印加される電圧に応じて、第１の領域を透過する直線偏光の位相を変調し、第２の領域に印加される電圧に応じて、第２の領域を透過する直線偏光の偏光面を回転させる光変調素子１１と、第１の領域と第２の領域のうちの大きい方から出射した光の偏光面の長軸方向と透過軸がなす角よりも、小さい方の領域から出射した光の偏光面の長軸方向と透過軸がなす角の方が小さくなるように向けられた透過軸を持ち、光変調素子の第１の領域から出射した光及び光変調素子の第２の領域から出射した光を透過させる偏光子１２とを有する。【選択図】図４
2019148701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の液晶層を有し、前記第１の液晶層は、入射する直線偏光の偏光面と平行な方向に液晶分子が配向される第１の領域と、前記入射する直線偏光の偏光面に対して直交せずに交差する方向に液晶分子が配向される第２の領域とを有し、前記第１の領域に印加される電圧に応じて、前記第１の領域を透過する前記直線偏光の位相を変調し、前記第２の領域に印加される電圧に応じて、前記第２の領域を透過する前記直線偏光の偏光面を回転させる光変調素子と、
前記第１の領域と前記第２の領域のうちの大きい方から出射した光の偏光面の長軸方向と透過軸がなす角よりも、前記第１の領域と前記第２の領域のうちの小さい方から出射した光の偏光面の長軸方向と前記透過軸がなす角の方が小さくなるように向けられた前記透過軸を持ち、前記光変調素子の前記第１の領域から出射した光及び前記光変調素子の前記第２の領域から出射した光を透過させる偏光子と、
を有する適応光学素子。
【請求項２】
前記第２の領域は前記第１の領域よりも大きく、
前記第１の領域に印加する電圧を調節することで前記第１の領域を透過する前記直線偏光の位相の変調量を調節し、一方、前記第２の領域に対して前記第２の領域を透過する前記直線偏光の偏光面を、前記第２の領域における前記配向方向をまたいで回転させる電圧を印加するコントローラをさらに有する、請求項１に記載の適応光学素子。
【請求項３】
前記光変調素子を前記適応光学素子の光軸を回転軸として回転可能に支持する筐体をさらに有し、
前記光変調素子は、前記第１の液晶層を挟んで互いに対向する第１の透明電極及び第２の透明電極をさらに有し、
前記第１の透明電極は、前記第１の領域を覆う第１の部分電極と、前記第２の領域を覆う複数の第２の部分電極とを有し、
前記光変調素子は、
前記光軸に沿って配置された光学系の波面収差を測定する場合、前記第２の領域における前記配向方向が前記入射する直線偏光の偏光面に対して直交せずに交差するよう前記筐体に支持され、
一方、前記光学系の波面収差を補償する場合、前記第２の領域における前記配向方向が前記入射する直線偏光の偏光面と平行となるよう前記筐体に支持され、
前記コントローラは、
前記光学系の波面収差を測定する場合、前記複数の第２の部分電極のそれぞれと前記第２の透明電極との間に、前記第２の領域を透過する前記直線偏光の偏光面を、前記第２の領域における前記配向方向をまたいで回転させる電圧を印加し、
一方、前記光学系の波面収差を補償する場合、前記複数の第２の部分電極のそれぞれと前記第２の透明電極との間に、前記光学系の波面収差を打ち消す位相分布を前記第２の領域を透過する光に付与する電圧を印加する、請求項２に記載の適応光学素子。
【請求項４】
前記筐体は、前記偏光子を着脱可能に支持し、
前記光学系の波面収差を測定する場合、前記偏光子は、前記光変調素子から出射して前記光学系に入射する光の光路上に配置されるように前記筐体に支持され、一方、前記光学系の波面収差を補償する場合、前記偏光子は、前記光路外に位置するよう前記筐体から取り外される、請求項３に記載の適応光学素子。
【請求項５】
前記光変調素子の入射側に配置され、第２の液晶層を有し、かつ、前記第２の液晶層に含まれる液晶分子が前記光学系の波面収差を測定する場合における前記第２の領域の前記配向方向と前記入射する直線偏光とがなす角を２等分する方向に配向される第１の可変波長板をさらに有し、
前記光変調素子は、前記第１の液晶層を挟んで互いに対向する第１の透明電極及び第２の透明電極をさらに有し、
前記第１の透明電極は、前記第１の領域を覆う第１の部分電極と、前記第２の領域を覆う複数の第２の部分電極とを有し、
前記コントローラは、前記適応光学素子の光軸に沿って配置された光学系の波面収差を測定する場合、前記複数の第２の部分電極のそれぞれと前記第２の透明電極との間に、前記第２の領域を透過する前記直線偏光の偏光面を、前記第２の領域における前記配向方向をまたいで回転させる電圧を印加し、かつ、前記第１の可変波長板が全波長板として動作する電圧を前記第２の液晶層に印加し、
一方、前記光学系の波面収差を補償する場合、前記複数の第２の部分電極のそれぞれと前記第２の透明電極との間に、前記光学系の波面収差を打ち消す位相分布を前記第２の領域を透過する光に付与する電圧を印加し、かつ、前記第１の可変波長板が半波長板として動作する電圧を前記第２の液晶層に印加する、請求項２に記載の適応光学素子。
【請求項６】
前記偏光子を着脱可能に支持する筐体をさらに有し、
前記光学系の波面収差を測定する場合、前記偏光子は、前記光変調素子から出射して前記光学系に入射する光の光路上に配置されるように前記筐体に支持され、一方、前記光学系の波面収差を補償する場合、前記偏光子は、前記光路外に位置するよう前記筐体から取り外される、請求項５に記載の適応光学素子。
【請求項７】
前記第１の領域は前記第２の領域よりも大きく、
前記第１の領域に印加する電圧を調節することで前記第１の領域を透過する前記直線偏光の位相の変調量を調節し、一方、前記第２の領域に対して前記第２の領域を透過する前記直線偏光の偏光面を、前記第２の領域における前記配向方向をまたいで回転させる電圧を印加するコントローラをさらに有する、請求項１に記載の適応光学素子。
【請求項８】
前記光変調素子は、前記第１の液晶層を挟んで互いに対向する第１の透明電極及び第２の透明電極をさらに有し、
前記第１の透明電極は、前記第１の領域を覆う複数の第１の部分電極と、前記第２の領域を覆う第２の部分電極とを有し、
前記コントローラは、
前記適応光学素子と同じ光軸に沿って配置された光学系の波面収差を測定する場合、前記複数の第１の部分電極のそれぞれと前記第１の透明電極との間に、前記第１の領域を透過する光の位相の変調量に応じた電圧を印加し、
一方、前記光学系の波面収差を補償する場合、前記複数の第１の部分電極のそれぞれと前記第２の透明電極との間に、前記光学系の波面収差を打ち消す位相分布を前記第１の領域を透過する光に付与する電圧を印加する、請求項７に記載の適応光学素子。
【請求項９】
前記偏光子を着脱可能に支持する筐体をさらに有し、
前記光学系の波面収差を測定する場合、前記偏光子は、前記光変調素子から出射して前記光学系に入射する光の光路上に配置されるように前記筐体に支持され、一方、前記光学系の波面収差を補償する場合、前記偏光子は、前記光路外に位置するよう前記筐体から取り外される、請求項８に記載の適応光学素子。
【請求項１０】
前記第２の領域は、前記光軸と直交する面において第１の部分領域、第２の部分領域及び第３の部分領域に分割され、前記第１の部分領域と前記第２の部分領域が並ぶ方向と、前記第１の部分領域と前記第３の部分領域が並ぶ方向とは互いに直交し、
前記コントローラは、前記光学系の波面収差を測定する場合、前記第１の部分領域、前記第２の部分領域及び前記第３の部分領域のうちの何れか一つを透過する前記直線偏光の偏光面を前記第２の領域における前記配向方向をまたいで回転させ、かつ他の二つが全波長板として動作するように、前記第１の部分領域、前記第２の部分領域及び前記第３の部分領域に電圧を印加し、かつ、前記一つを順次変更する、請求項７〜９の何れか一項に記載の適応光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波面収差の測定または補償に用いられる適応光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系により生じる波面収差を測定し、測定された波面収差を補償するための適応光学素子が研究されている。例えば、レンズの瞳面もしくは瞳面に共役な位置に配置された波面変調器の局所領域に与える位相変調量を変化させた際に得られる、波面変調器及びレンズを介して入射する光の強度分布に基づいて、局所領域を通過する光と局所領域以外を通過する光の干渉成分を取得し、取得した干渉成分をフーリエ変換して得られる位相成分を波面歪み量として算出する技術が提案されている（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２０１６−１２５８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の技術では、波面歪み量を正確に算出するために、取得される干渉成分のコントラストが高くなることが好ましい。干渉成分のコントラストを向上するためには、強度分布を検出するための検出器の検出面において、波面変調器の局所領域を透過した光の光量と、波面変調器の局所領域以外の領域を透過した光の光量とが略等しいことが好ましい。また、干渉成分を取得するために、局所領域を透過する光と局所領域以外の領域を透過する光間の位相差が変調制御される。したがって、上記の技術では、波面変調器には、局所領域を透過する光の光量と局所領域以外の領域を透過する光の光量とのバランスを調節し、かつ、局所領域を透過する光と局所領域以外の領域を透過する光間の位相差を変調制御することが求められる。一方、波面歪み量の測定対象となる光学系によっては、波面変調器を配置するために利用可能なスペースが限られることがあり、波面変調器は簡単な構成であることが好ましい。
【０００５】
そこで、本発明は、簡単な構成としつつ、かつ、光学系の波面収差の測定に利用できる適応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】
【０００６】
本発明の一つの側面によれば、適応光学素子が提供される。この適応光学素子は、第１の液晶層を有し、第１の液晶層は、入射する直線偏光の偏光面と平行な方向に液晶分子が配向される第１の領域と、入射する直線偏光の偏光面に対して直交せずに交差する方向に液晶分子が配向される第２の領域とを有し、第１の領域に印加される電圧に応じて、第１の領域を透過する直線偏光の位相を変調し、第２の領域に印加される電圧に応じて、第２の領域を透過する直線偏光の偏光面を回転させる光変調素子と、第１の領域と第２の領域のうちの大きい方から出射した光の偏光面の長軸方向と透過軸がなす角よりも、第１の領域と第２の領域のうちの小さい方から出射した光の偏光面の長軸方向と透過軸がなす角の方が小さくなるように向けられた透過軸を持ち、光変調素子の第１の領域から出射した光及び光変調素子の第２の領域から出射した光を透過させる偏光子とを有する。
【０００７】
この適応光学素子において、光変調素子の第２の領域は第１の領域よりも大きいことが好ましい。この場合において、適応光学素子は、第１の領域に印加する電圧を調節することで第１の領域を透過する直線偏光の位相の変調量を調節し、一方、第２の領域に対して第２の領域を透過する直線偏光の偏光面を、第２の領域における配向方向をまたいで回転させる電圧を印加するコントローラをさらに有することが好ましい。
【０００８】
さらに、この適応光学素子は、光変調素子を適応光学素子の光軸を回転軸として回転可能に支持する筐体を有し、かつ、光変調素子は、第１の液晶層を挟んで互いに対向する第１の透明電極及び第２の透明電極をさらに有し、第１の透明電極は、第１の領域を覆う第１の部分電極と、第２の領域を覆う複数の第２の部分電極とを有することが好ましい。この場合において、光変調素子は、適応光学素子の光軸に沿って配置された光学系の波面収差を測定する場合、第２の領域における配向方向が入射する直線偏光の偏光面に対して直交せずに交差するよう筐体に支持され、一方、その光学系の波面収差を補償する場合、第２の領域における配向方向が入射する直線偏光の偏光面と平行となるよう筐体に支持される。そしてコントローラは、適応光学素子の光軸に沿って配置された光学系の波面収差を測定する場合、複数の第２の部分電極のそれぞれと第２の透明電極との間に、第２の領域を透過する直線偏光の偏光面を、第２の領域における配向方向をまたいで回転させる電圧を印加し、その光学系の波面収差を補償する場合、複数の第２の部分電極のそれぞれと第２の透明電極との間に、その光学系の波面収差を打ち消す位相分布を第２の領域を透過する光に付与する電圧を印加することが好ましい。
【０００９】
この場合において、筐体は、偏光子を着脱可能に支持し、光学系の波面収差を測定する場合、偏光子は、光変調素子から出射して光学系に入射する光の光路上に配置されるように筐体に支持され、一方、光学系の波面収差を補償する場合、偏光子は、光路外に位置するよう筐体から取り外されることが好ましい。
【００１０】
あるいは、この適応光学素子は、光変調素子の入射側に配置され、第２の液晶層を有し、かつ、第２の液晶層に含まれる液晶分子が光学系の波面収差を測定する場合における第２の領域の配向方向と入射する直線偏光とがなす角を２等分する方向に配向される第１の可変波長板をさらに有し、かつ、光変調素子は、第１の液晶層を挟んで互いに対向する第１の透明電極及び第２の透明電極をさらに有し、第１の透明電極は、第１の領域を覆う第１の部分電極と、第２の領域を覆う複数の第２の部分電極とを有することが好ましい。この場合において、コントローラは、適応光学素子の光軸に沿って配置された光学系の波面収差を測定する場合、複数の第２の部分電極のそれぞれと第２の透明電極との間に、第２の領域を透過する直線偏光の偏光面を、第２の領域における配向方向をまたいで回転させる電圧を印加し、かつ、第１の可変波長板が全波長板として動作する電圧を第２の液晶層に印加し、一方、その光学系の波面収差を補償する場合、複数の第２の部分電極のそれぞれと第２の透明電極との間に、その光学系の波面収差を打ち消す位相分布を第２の領域を透過する光に付与する電圧を印加し、かつ、第１の可変波長板が半波長板として動作する電圧を第２の液晶層に印加することが好ましい。
【００１１】
この場合において、適応光学素子は、偏光子を着脱可能に支持する筐体をさらに有し、光学系の波面収差を測定する場合、偏光子は、光変調素子から出射してその光学系に入射する光の光路上に配置されるように筐体に支持され、一方、その光学系の波面収差を補償する場合、偏光子は、その光路外に位置するよう筐体から取り外されることが好ましい。
【００１２】
あるいは、この適応光学素子において、光変調素子の第１の領域は第２の領域よりも大きいことが好ましい。この場合において、適応光学素子は、第１の領域に印加する電圧を調節することで第１の領域を透過する直線偏光の位相の変調量を調節し、一方、第２の領域に対して第２の領域を透過する直線偏光の偏光面を、第２の領域における配向方向をまたいで回転させる電圧を印加するコントローラをさらに有することが好ましい。
【００１３】
この場合、光変調素子は、第１の液晶層を挟んで互いに対向する第１の透明電極及び第２の透明電極をさらに有し、第１の透明電極は、第１の領域を覆う複数の第１の部分電極と、第２の領域を覆う第２の部分電極とを有することが好ましい。そしてコントローラは、適応光学素子と同じ光軸に沿って配置された光学系の波面収差を測定する場合、複数の第１の部分電極のそれぞれと第２の透明電極との間に、第１の領域を透過する光の位相の変調量に応じた電圧を印加し、一方、その光学系の波面収差を補償する場合、複数の第１の部分電極のそれぞれと第２の透明電極との間に、その光学系の波面収差を打ち消す位相分布を第１の領域を透過する光に付与する電圧を印加することが好ましい。
【００１４】
この場合において、適応光学素子は、偏光子を着脱可能に支持する筐体をさらに有し、光学系の波面収差を測定する場合、偏光子は、光変調素子から出射してその光学系に入射する光の光路上に配置されるように筐体に支持され、一方、その光学系の波面収差を補償する場合、偏光子は、光路外に位置するよう筐体から取り外されることが好ましい。
【００１５】
さらに、光変調素子の第２の領域は、光軸と直交する面において第１の部分領域、第２の部分領域及び第３の部分領域に分割され、第１の部分領域と第２の部分領域が並ぶ方向と、第１の部分領域と第３の部分領域が並ぶ方向とは互いに直交することが好ましい。そしてコントローラは、光学系の波面収差を測定する場合、第１の部分領域、第２の部分領域及び第３の部分領域のうちの何れか一つを透過する直線偏光の偏光面を第２の領域における配向方向をまたいで回転させ、かつ他の二つが全波長板として動作するように、第１の部分領域、第２の部分領域及び第３の部分領域に電圧を印加し、かつ、直線偏光の偏光面を回転させる第１の部分領域、第２の部分領域及び第３の部分領域のうちの何れか一つを順次変更することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による適応光学素子は、簡単な構成としつつ、かつ、光学系の波面収差の測定に利用できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態による適応光学素子及びその適応光学素子を含む光学系の概略構成図である。
【図２】（ａ）は、光変調素子を光源側から見た概略正面図であり、（ｂ）は、（ａ）の矢印Ａ、Ａ’で示される線における、光変調素子の概略側面断面図である。
【図３】光源側から見た、光変調素子の透明電極の概略正面図である。
【図４】入射光の偏光面と、光変調素子の各領域における液晶分子の配向方向と、光変調素子から出射した光の偏光面と、偏光子の透過軸の方向との関係を表す模式図である。
【図５】変形例による、光源側から見た、光変調素子の透明電極の概略正面図である。
【図６】（ａ）は、第２の実施形態による適応光学素子の光変調素子及び偏光子を支持する筐体の概略側面図である。（ｂ）は、光軸を通る面における、筐体の側面断面図である。（ｃ）は、筐体が有する回動支持部材の概略側面図である。
【図７】第２の実施形態の変形例による適応光学素子の概略構成図である。
【図８】（ａ）は、可変波長板を光源側から見た概略正面図であり、（ｂ）は、（ａ）の矢印Ｂ、Ｂ’で示される線における、可変波長板の概略側面断面図である。
【図９】第２の実施形態の変形例による適応光学素子における、入射光の偏光面と、可変波長板の液晶分子の配向方向と、光変調素子の各領域における液晶分子の配向方向と、光変調素子から出射した光の偏光面と、偏光子の透過軸の方向との関係を表す模式図である。
【図１０】第２の実施形態のさらなる変形例による適応光学素子の概略構成図である。
【図１１】この変形例による、入射光の偏光面と、光変調素子の各領域における液晶分子の配向方向と、光変調素子から出射した光の偏光面と、偏光子の透過軸の方向との関係を表す模式図である。
【図１２】さらなる変形例による、光変調素子を光源側から見た概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図を参照しつつ、一つの実施形態による適応光学素子について説明する。この適応光学素子は、波面収差の測定対象となる光学系を透過する光の一部と他の一部との間で干渉させる。そのために、この適応光学素子は、光源側から順に、光変調素子と偏光子とを有し、光変調素子が有する液晶層は、光学系の波面収差を測定する際の参照光が透過する局所領域（以下、説明の便宜上、参照領域と呼ぶ）と、光学系の波面収差を表す光が透過するその他の領域（以下、説明の便宜上、測定領域と呼ぶ）とに分割される。そして参照領域では、適応光学素子に入射する直線偏光（以下、単に入射光と呼ぶことがある）の偏光面と平行な方向に沿って液晶分子が配向され、液晶層に印加される電圧により、参照領域を透過する光に与えられる位相変調量が制御される。一方、測定領域では、入射光の偏光面に対して45°をなす方向に沿って液晶分子が配向され、液晶層に対して、透過する光が楕円偏光となるような電圧が印加される。そして偏光子は、その透過軸が入射光の偏光面と平行となるように配置される。これにより、参照領域を透過した光の偏光面は偏光子の透過軸と平行であるため、偏光子を透過してもほぼ減衰されず、一方、測定領域を透過した光は偏光子を透過することで減衰されるため、参照領域を透過した光の光量と測定領域を透過した光の光量とが略等しくなる。また、参照領域を透過する光については、参照領域における液晶層に印加される電圧に応じて位相変調量が制御される。そのため、この適応光学素子は、簡単な構成を有し、かつ、光学系の波面収差の測定に利用できる。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態による適応光学素子及びその適応光学素子を含む光学系の概略構成図である。図１に示されるように、第１の実施形態による適応光学素子１は、波面測定対象となる光学系３の光軸ＯＡに沿って、光学系３が有する集光レンズ３０１の前側焦点面に配置される。なお、適応光学素子１は、集光レンズ３０１の前側焦点面に共役な位置に配置されてもよい。また、図１に示される例では、光学系３は、光源２と適応光学素子１との間に配置され、光源２から発した光束を平行光化するコリメータ３０２を有するが、コリメータ３０２は省略されてもよい。さらに、集光レンズ３０１の後側焦点面には、光学系３側へ検出面が向けられるように、CCDあるいはC-MOS撮像素子が２次元状に配列されたイメージセンサといった光検出器４が配置される。
【００２０】
光源２は、例えば、半導体レーザ、固体レーザあるいはガスレーザといった直線偏光を持つ光を出力する発光素子を有する。そして光源２から発した光は、適応光学素子１に入射する。
【００２１】
適応光学素子１は、光学系３の波面収差を測定するために利用される。そのために、適応光学素子１は、光源２から発して適応光学素子１に入射した光を、適応光学素子１の光変調素子に設けられる参照領域を透過する光と測定領域を透過する光とに分割する。そして適応光学素子１の参照領域を透過した光及び測定領域を透過した光は、集光レンズ３０１に入射する。
なお、適応光学素子１の詳細については後述する。
【００２２】
波面収差の測定対象となる光学系３は、例えば、顕微鏡の観察光学系の対物レンズ、顕微鏡の照明光学系、ピックアップレンズ、あるいはレーザ加工装置のレーザ結像用の光学系とすることができる。そして光学系３は、適応光学素子から出射した光を、集光レンズ３０１の後側焦点面に収束させる。
【００２３】
本実施形態では、上記の特許文献１に記載された手法に従って、光学系３の波面収差は測定される。すなわち、光源２から発して適応光学素子１の参照領域を透過する光の位相を測定領域を透過する光の位相に対してシフトさせながら、光検出器４により、集光レンズ３０１の後側焦点面における強度分布を測定する。測定された光の強度分布が演算装置（図示せず）に送信され、演算装置は、その強度分布から、光源２から発して適応光学素子１の参照領域を透過した光と、適応光学素子１の測定領域を透過した光との干渉成分を抽出する。例えば、集光レンズ３０１の後側焦点面における強度分布I(x,y,φm)は次式で表される。
【数１】
2019148701.tif 000003
ここで、(x,y)は、光学系３の結像面における座標を表し、φmは、参照領域を透過した光と測定領域を透過した光の位相差を表す。またEh(x,y)は、測定領域を透過した光の電場（複素振幅）を表し、Epr(x,y)eiφmは、参照領域を透過した光の電場（複素振幅）を表す。また、参照領域を透過した光と測定領域を透過した光の位相差φmを0、2π/3、4π/3のそれぞれとしたときの光検出器４により得られる測定された光の強度分布を表す３枚の画像より、参照領域を透過した光と測定領域を透過した光の干渉成分Eh(x,y)E*pr(x,y)が求められる。そして演算装置がその干渉成分をフーリエ変換することで、参照領域を透過した光の電場と測定領域を透過した光の電場とのコンボリューションが求められる。ここで、測定領域は大きいので、測定領域を透過した光は、光学系３のほぼ全体を透過する。一方、参照領域は小さく、参照領域を透過した光の電場がデルタ関数で近似されるとすると、フーリエ変換により得られた参照領域を透過した光の電場と測定領域を透過した光の電場とのコンボリューションは、測定領域を透過した光の電場を表すことになり、その電場から、測定領域を透過した光の位相分布が導出される。そして測定領域を透過した光の位相分布は、集光レンズ３０１の前側焦点面における、光学系３を透過する光の位相分布に相当する。したがって、その位相分布により、光学系３の波面収差が表される。
【００２４】
以下、適応光学素子１の詳細について説明する。本実施形態では、適応光学素子１は、光源２側から順に、光軸ＯＡに沿って、光変調素子１１と、偏光子１２とを有する。さらに、適応光学素子１は、光変調素子１１を駆動するためのコントローラ１３を有する。
【００２５】
図２（ａ）は、光変調素子１１を光源２側から見た概略正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の矢印Ａ、Ａ’で示される線における、光変調素子１１の概略側面断面図である。光変調素子１１は、液晶素子として構成され、コントローラ１３により印加される電圧に応じて、参照領域を透過する光の位相を変調し、一方、測定領域を透過した光の偏光面を変調する。
【００２６】
そのために、光変調素子１１は、液晶層２０と、光軸ＯＡ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を有する。また光変調素子１１は、透明基板２１と液晶層２０の間に配置された透明電極２３と、液晶層２０と透明基板２２の間に配置された透明電極２４とを有する。そして液晶層２０の液晶分子２７は、透明基板２１及び２２に挟まれ、シール部材２８に囲まれる部分に封入されている。
【００２７】
透明基板２１、２２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、光源２が発する光に対して透明な材料により形成される。また透明電極２３、２４は、例えば、ＩＴＯと呼ばれる、酸化インジウムに酸化スズを添加した材料により形成される。さらに、透明電極２３と液晶層２０の間に配向膜２５が配置される。また透明電極２４と液晶層２０の間に配向膜２６が配置される。
【００２８】
本実施形態では、光源２から発して光変調素子１１へ入射する光束が透過する液晶層２０のアクティブ領域２０ａ内の一部が参照領域２０ｂとされ、参照領域２０ｂ以外の領域が測定領域２０ｃとなる。本実施形態では、参照領域２０ｂは、透過する光の位相を変調する第１の領域の一例であり、測定領域２０ｃは、透過する光の偏光面を回転させる第２の領域の一例である。光軸ＯＡと直交する面における、参照領域２０ｂの面積が測定領域２０ｃの面積よりも狭くなるように参照領域２０ｂは形成される。特に、参照領域２０ｂの面積は、光学系３により生じる波面収差の測定において参照領域２０ｂを透過する光の電場をデルタ関数として近似可能な程度に設定されることが好ましい。例えば、参照領域２０ｂの面積は、アクティブ領域２０ａ全体の面積の1/1000〜1/100となるように、参照領域２０ｂは設定されることが好ましい。また本実施形態では、参照領域２０ｂは、光軸ＯＡと液晶層２０とが交差する点を含むように形成される。一般に、光軸ＯＡの近傍では、波面収差は小さいので、このように光軸ＯＡと液晶層２０とが交差する点を含むように参照領域２０ｂが設けられることで、参照領域２０ｂを透過する光の電場がデルタ関数を用いてより良好に近似される。その結果として、光学系３により生じる波面収差をより精密に測定することが可能となる。
【００２９】
なお、参照領域２０ｂの位置はこの例に限られず、参照領域２０ｂは、光軸ＯＡと重ならない位置に設けられてもよい。また、この例では、参照領域２０ｂは、光軸ＯＡと直交する面において矩形形状となるように形成されているが、参照領域２０ｂは、光軸ＯＡと直交する面において、例えば、円状、三角形状、五角形状あるいは六角形状といった他の形状に形成されてもよい。
【００３０】
図３は、光源２側から見た、透明電極２３の概略正面図である。透明電極２３は、参照領域２０ｂの光源２側の液晶層２０の面を覆う部分電極２３−１と、測定領域２０ｃの光源２側の液晶層２０の面を覆う部分電極２３−２とを有する。部分電極２３−１と部分電極２３−２とは、互いに絶縁される。また、部分電極２３−１及び部分電極２３−２のそれぞれから配線がそれぞれ引き出されており、その配線がコントローラ１３と接続されている。一方、透明電極２４は、液晶層２０の偏光子１２側の面全体を覆うように配置される。そして透明電極２４も、配線を介してコントローラ１３と接続される。なお、透明電極２４も、透明電極２３と同様に、参照領域２０ｂを覆う部分電極と、測定領域２０ｃを覆う部分電極とを有してもよい。そしてコントローラ１３によって、部分電極２３−１と透明電極２４との間に、入射光の波長に応じ、かつ、参照領域２０ｂを透過する光に与えられる位相変調量に応じた電圧が印加される。一方、コントローラ１３によって、部分電極２３−２と透明電極２４との間に、入射光の波長に応じ、かつ、測定領域２０ｃを透過する光の偏光面を、長軸方向が入射光の偏光面に対して９０°に近い楕円偏光となるように回転させる電圧が印加される。
【００３１】
配向膜２５及び配向膜２６は、参照領域２０ｂでは、図２（ａ）において矢印２０１で示される、光変調素子１１に入射する入射光の偏光面と、矢印２０２で示される配向方向とが平行となり、一方、測定領域２０ｃでは、入射光の偏光面と矢印２０３で示される配向方向とが45°をなすように形成される。そして液晶層２０内の液晶分子２７は、例えば、ホモジニアス配向される。したがって、参照領域２０ｂでは、液晶分子２７は、その長軸方向が入射光の偏光面と平行となるように配向され、測定領域２０ｃでは、液晶分子２７は、その長軸方向が入射光の偏光面と45°をなすように配向される。
【００３２】
ここで、透明電極２３と２４との間に電圧が印加されると、液晶分子２７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２７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２０を透過する入射光は、液晶分子２７の長軸方向に対して角φ(=90°-ψ)をなす。このとき、液晶分子２７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nφとすると、no≦nφ≦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。そして屈折率nφは、透明電極２３と２４との間に印加される電圧に応じて変化する。
【００３３】
したがって、入射光の偏光面と液晶分子２７の長軸方向とが平行となるように液晶分子２７が配向される参照領域２０ｂを透過する光について、印加される電圧に応じた光路長差Δnd(=n1d-n2d)が生じる。なお、dは、光軸ＯＡに沿った液晶層２０の厚さである。また、n1は、電圧V1が印加される場合の参照領域２０ｂにおける、入射光に対する液晶層２０の屈折率であり、n2は、電圧V2が印加される場合の参照領域２０ｂにおける、入射光に対する液晶層２０の屈折率である。そしてそれら二つの光間に生じる位相差Δは、2πΔnd/λとなる。なお、λは、入射光の波長である。したがって、コントローラ１３が透明電極２３のうちの部分電極２３−１と透明電極２４との間に印加する電圧を調整することで、参照領域２０ｂを透過する入射光の位相を、測定領域２０ｃを透過する入射光の位相に対して任意にシフトさせることができる。
【００３４】
例えば、コントローラ１３は、部分電極２３−１と透明電極２４との間に印加する電圧を調整することで、測定領域２０ｃを透過する光の位相に対する参照領域２０ｂを透過する光の位相の変調量を、0、2/3π及び4/3πなどに設定する。
【００３５】
また、測定領域２０ｃでは、入射光のうち、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、部分電極２３−２と透明電極２４と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。そのため、コントローラ１３が部分電極２３−２と透明電極２４との間に印加する電圧を調節することにより、液晶層２０のうち、測定領域２０ｃは波長板として機能する。本実施形態では、コントローラ１３は、測定領域２０ｃを透過する光の偏光面を、液晶層２０に入射する際の偏光面に対して90°に近い角度だけ回転させ、楕円偏光として出射させるよう、部分電極２３−２と透明電極２４との間に印加する電圧を調節する。なお、偏光面の回転角度は、後述するように、参照領域２０ｂから出射して偏光子１２を透過した光の光量と、測定領域２０ｃから出射して偏光子１２を透過した光の光量とが略等しくなるように設定されればよい。
【００３６】
光変調素子１１の参照領域２０ｂを出射した光及び測定領域２０ｃを出射した光のそれぞれは、偏光子１２に入射する。
【００３７】
偏光子１２は、その透過軸が光源２から発した光の偏光面と平行となるように配置される。偏光子１２は、例えば、ワイヤーグリッド型偏光板、あるいはヨウ素を含浸させたポリビニルアルコールを延伸することによって構成される薄膜型偏光板とすることができる。ここで、光変調素子１１の参照領域２０ｂを出射した光の偏光面は、入射光の偏光面に対して平行なまま維持されているので、参照領域２０ｂから出射した光は、偏光子１２によりほぼ減衰されずに偏光子１２を透過する。一方、光変調素子１１の測定領域２０ｃを出射した光の偏光面は光変調素子１１により回転され、楕円偏光となっているので、測定領域２０ｃから出射した光は、偏光子１２により減衰される。したがって、偏光子１２を透過した光のうちの参照領域２０ｂから出射した光の光量と、測定領域２０ｃから出射した光の光量との差が小さくなる。そのため、光学系３の結像面において、参照領域２０ｂから出射した光と測定領域２０ｃから出射した光とにより生じる干渉成分のコントラストが向上する。
【００３８】
図４は、入射光の偏光面と、光変調素子１１の各領域における液晶分子の配向方向と、光変調素子１１から出射した光の偏光面と、偏光子１２の透過軸の方向との関係を表す模式図である。図４において、光源２から発して光変調素子１１へ入射する入射光の偏光面は矢印４０１で示される。そして矢印４０２に示される、光変調素子１１の参照領域２０ｂにおける配向方向は、入射光の偏光面と平行となる。そのため、参照領域２０ｂから出射した光の偏光方向は、矢印４０４に示されるように、光変調素子１１への入射光の偏光面と平行なまま維持される。したがって、参照領域２０ｂから出射した光は、矢印４０６に示されるように、透過軸が光変調素子１１へ入射する入射光の偏光面と平行となるように配置された偏光子１２を透過してもほぼ減衰しない。
【００３９】
一方、矢印４０３に示されるように、光変調素子１１の測定領域２０ｃにおける配向方向は、入射光の偏光面に対して45°をなす。そのため、測定領域２０ｃから出射された光は、楕円４０５に示されるように、長軸が入射光の偏光方向と直交する方向に近い楕円偏光となる。したがって、測定領域２０ｃから出射した光のうち、偏光子１２の透過軸と平行な偏光成分のみが偏光子１２を透過する。そのため、参照領域２０ｂよりも広い測定領域２０ｃを透過した光のうち、偏光子１２を透過した光の光量は、参照領域２０ｂ及び偏光子１２を透過した光の光量と略等しくなる。
【００４０】
なお、波面収差の測定が行われないときには、コントローラ１３は、部分電極２３−１と透明電極２４との間、すなわち、参照領域２０ｂに印加する電圧を、参照領域２０ｂを透過する光の位相シフト量が０となるように調節すればよい。一方、コントローラ１３は、部分電極２３−２と透明電極２４との間、すなわち、測定領域２０ｃに印加する電圧を、測定領域２０ｃを透過する光の偏光面が回転しないように、すなわち、測定領域２０ｃが全波長板として動作するように調節すればよい。
【００４１】
コントローラ１３は、例えば、一つまたは複数のプロセッサと、不揮発性の半導体メモリ及び揮発性の半導体メモリと、光変調素子１１を駆動するための駆動回路とを有する。そしてコントローラ１３は、光変調素子１１の参照領域２０ｂに印加する電圧、すなわち、部分電極２３−１と透明電極２４間に印加する電圧を制御することで、参照領域２０ｂを透過した光の位相の変調量を変化させる。コントローラ１３は、例えば、参照領域２０ｂを透過した光の位相シフト量を、0、2π/3、4π/3の何れかとする。なお、コントローラ１３は、参照領域２０ｂを透過した光の位相の変調量を上記以外の変調量とするように、参照領域２０ｂに印加する電圧を制御してもよい。
【００４２】
またコントローラ１３は、光変調素子１１の測定領域２０ｃに印加する電圧、すなわち、部分電極２３−２と透明電極２４間に印加する電圧を制御することで、測定領域２０ｃを透過した光の偏光面を回転させる。
【００４３】
なお、コントローラ１３が有するメモリには、参照領域２０ｂを透過する光の位相のシフト量と、参照領域２０ｂに印加する電圧との関係を表す位相シフト量参照テーブルと、測定領域２０ｃを透過する光の偏光面の回転量と、測定領域２０ｃに印加する電圧との関係を表す回転量参照テーブルとが予め保存される。そしてコントローラ１３のプロセッサは、他の機器（図示せず）から指示された位相のシフト量に応じた電圧を、位相シフト量参照テーブルを参照することで特定すればよい。そしてコントローラ１３のプロセッサは、特定した電圧を部分電極２３−１と透明電極２４間に印加するように、駆動回路を制御する。同様に、コントローラ１３のプロセッサは、回転量参照テーブルを参照することで、指示された偏光面の回転量に応じた電圧を特定し、特定した電圧を部分電極２３−２と透明電極２４間に印加するように、駆動回路を制御すればよい。
【００４４】
なお、コントローラ１３は、光学系３の波面収差を測定する際に、光検出器４から光学系３の結像面における強度分布を受信して、上記の特許文献に記載の処理を実行することで、光学系３の波面収差を求めてもよい。そしてコントローラ１３は、求めた波面収差を他の機器へ出力し、あるいは、コントローラ１３が有するメモリに記憶してもよい。
【００４５】
以上説明してきたように、この適応光学素子では、適応光学素子が有する光変調素子の液晶層が、参照領域と、参照領域よりも大きい測定領域とに分割される。そしてこの適応光学素子は、参照領域に印加する電圧を調節することで、参照領域を透過する光の位相の変調量を制御するとともに、測定領域に印加する電圧を調節することで、測定領域を透過する光の光量が偏光子により減衰されるように、その光の偏光面を回転させる。これにより、この適応光学素子は、１枚の光変調素子と１枚の偏光子とを用いて、参照領域を透過する光の位相を制御しつつ、参照領域を透過する光の光量と測定領域を透過する光の光量とを略等しくして、それらの光により生じる干渉成分のコントラストを向上できる。したがって、この適応光学素子は、簡単な構成としつつ、かつ、光学系の波面収差の測定に利用できる。
【００４６】
なお、変形例によれば、光変調素子１１の測定領域２０ｃにおける液晶分子２７は、その配向方向が入射光の偏光面と直交せずに交差するよう配向されていればよく、配向方向と入射光の偏光面とがなす角は、例えば、40〜50°の何れかであってもよい。この場合でも、偏光子１２の透過軸と光変調素子１１の参照領域２０ｂから出射した光の偏光面とがなす角よりも、偏光子１２の透過軸と光変調素子１１の測定領域２０ｃから出射した楕円偏光の長軸方向とがなす角の方が大きければ、参照領域２０ｂ及び偏光子１２を透過した光の光量と、測定領域２０ｃ及び偏光子１２を透過した光の光量との差が小さくなるので、干渉成分のコントラストが向上する。
【００４７】
他の変形例によれば、コントローラ１３は、光変調素子１１の測定領域２０ｃが半波長板として動作するように、すなわち、測定領域２０ｃを透過した光の偏光面が、入射光の偏光面に対して90°回転するように、部分電極２３−２と透明電極２４間に印加する電圧を制御してもよい。すなわち、測定領域２０ｃから出射した光の偏光の長軸方向は、入射光の偏光方向と直交する方向となる。この場合、偏光子１２は、その透過軸が光変調素子１１への入射光の偏光面に対して、例えば数度程度傾くように配置されればよい。したがって、この場合も、参照領域２０ｂから出射した光の偏光面と偏光子１２の透過軸とがなす角よりも、測定領域２０ｃから出射した光の偏光面と偏光子１２の透過軸とがなす角の方が大きくなる。そのため、光変調素子１１の参照領域２０ｂ及び偏光子１２を透過した光の光量と、光変調素子１１の測定領域２０ｃ及び偏光子１２を透過した光の光量とが略等しくなる。したがって、この変形例によっても、適応光学素子は、参照領域を透過する光と測定領域を透過する光とにより生じる干渉成分のコントラストを向上できる。
【００４８】
次に、第２の実施形態による適応光学素子について説明する。第２の実施形態による適応光学素子は、波面収差を測定するだけでなく、測定された波面収差を補償するために利用できる。第２の実施形態による適応光学素子は、第１の実施形態による適応光学素子と比較して、光変調素子の透明電極の構造、及び、コントローラによる波面補償時の光変調素子の制御などが異なる。そこで以下では、上記の相違点について説明する。
【００４９】
図５は、この変形例による、光源２側から見た、光変調素子１１の透明電極２３の概略正面図である。透明電極２３は、参照領域２０ｂの光源２側の液晶層２０の面を覆う部分電極２３−１と、測定領域２０ｃの光源２側の液晶層２０の面を覆う複数の部分電極２３−２〜２３−ｎ（ただし、ｎは３以上の整数）とを有する。複数の部分電極２３−２〜２３−ｎは、それぞれ、輪帯状に形成され、かつ、光軸ＯＡと透明電極２３とが交差する点Ｃを中心とする同心円状に配置される。なお、この例では、参照領域２０ｂも円形状に形成されているが、上記の実施形態と同様に、参照領域２０ｂは矩形状に形成されてもよい。
【００５０】
各部分電極２３−１〜２３−ｎから配線がそれぞれ引き出されており、その配線がコントローラ１３と接続されている。さらに、各部分電極２３−１〜２３−ｎは互いに離して配置されることで絶縁されている。そのため、コントローラ１３は、各部分電極２３−１〜２３−ｎと透明電極２４間に印加する電圧を独立に制御できる。したがって、コントローラ１３が各部分電極２３−２〜２３−ｎと透明電極２４との間に印加する電圧を調節することで、光変調素子１１は、光変調素子１１の測定領域２０ｃを透過する光に、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。
【００５１】
なお、部分電極の配置パターンは上記の例に限られず、例えば、部分電極２３−２〜２３−ｎは、それぞれ、矩形形状を有し、２次元アレイ状に配置されてもよい。また、透明電極２４も、複数の部分電極を有してもよい。そして透明電極２４が有する複数の部分電極の配置パターンは、部分電極２３−２〜２３−ｎの配置パターンと異なっていてもよい。これにより、適応光学素子は、様々な波面収差の補償に利用できる。
【００５２】
光学系３により生じる波面収差が測定される場合、測定領域２０ｃを透過する光の偏光面を第１の実施形態による光変調素子１１と同様に回転させるよう、コントローラ１３は、各部分電極２３−２〜２３−ｎと透明電極２４との間には同一の電圧を印加すればよい。これにより、第２の実施形態による適応光学素子も、第１の実施形態による適応光学素子と同様に、光学系３の波面収差の測定に利用できる。
【００５３】
一方、波面収差の補償時においては、光変調素子１１は、光軸ＯＡを回転軸として、液晶層２０の測定領域２０ｃの配向方向が入射光の偏光面と平行となるように、波面測定時における光変調素子１１の向きから４５°回転される。さらに、コントローラ１３は、波面補償時においては、測定された光学系３の波面収差を打ち消すように、各部分電極２３−２〜２３−ｎと透明電極２４との間に印加する電圧を制御すればよい。すなわち、波面収差により生じる位相分布と逆の位相分布を、光変調素子１１が測定領域２０ｃを透過する光に付与するよう、各部分電極２３−２〜２３−ｎと透明電極２４との間に印加する電圧が制御される。なお、測定領域２０ｃを透過する光に与える位相変調量と電圧の関係を表す参照テーブルが予めコントローラ１３が有するメモリに保存される。そしてコントローラ１３のプロセッサは、例えば、他の機器から受け取った、各部分電極に相当する液晶層２０の領域ごとの位相変調量に対応する電圧を、その参照テーブルを参照して特定すればよい。そしてコントローラ１３のプロセッサは、各部分電極について、特定された電圧がその部分電極と透明電極２４との間に印加されるように駆動回路を制御すればよい。
【００５４】
なお、第２の実施形態では、光変調素子１１と偏光子１２とは、同一の筐体により支持されてもよい。そして光変調素子１１は、その筐体に対して、光軸ＯＡを中心として回転可能なように取り付けられればよい。
【００５５】
図６（ａ）は、第２の実施形態による適応光学素子の光変調素子及び偏光子を支持する筐体の概略側面図である。図６（ｂ）は、光軸ＯＡを通る面における、筐体の側面断面図である。また図６（ｃ）は、筐体が有する回動支持部材の概略側面図である。筐体５は、回動支持部材５１と、筐体本体５２とを有する。
【００５６】
回動支持部材５１は、例えば、金属あるいは樹脂により形成され、略円筒形状を有する。そして回動支持部材５１は、その内部に光変調素子１１を保持する。光変調素子１１は、光変調素子１１の中心と光軸ＯＡとが一致するとともに、光軸ＯＡが回動支持部材５１の中心線と略一致するように、回動支持部材５１に保持される。そして光変調素子１１は、例えば、光変調素子１１の外周が回動支持部材５１の内壁と接着剤を用いて接着されることにより固定される。あるいは、光変調素子１１は、他の固定方法、例えば、ネジなどの固定用部材を用いて回動支持部材５１に固定されてもよい。
また回動支持部材５１の外周には、光軸ＯＡと直交する面と略平行に、回動支持部材５１を筐体本体５２と係合させるためのフランジ５１ａが形成されている。
【００５７】
筐体本体５２は、例えば、金属あるいは樹脂により形成され、回動支持部材５１の外径と略等しい内径を持つ円筒状の部材であり、筐体本体５２の内部に回動支持部材５１が挿入される。筐体本体５２の内周には、光軸ＯＡと直交する面に沿って形成され、かつ光軸ＯＡ方向に沿ってフランジ５１ａの幅よりも広い溝５２ａが形成されている。そしてこの溝５２ａと回動支持部材５１のフランジ５１ａとが係合している。これにより、筐体本体５２は、回動支持部材５１及び光変調素子１１を、光軸ＯＡを回転軸として回転可能に支持する。なお、回動支持部材５１を筐体本体５２内に配置可能とするために、例えば、筐体本体５２は、円筒の長手方向に沿って分割される二つの部材により構成されてもよい。そしてその二つの部材を、回動支持部材５１を挟み込むように配置した後に、例えば、その二つの部材の接合面が接着剤により固定される。あるいは、筐体本体５２を構成するその二つの部材は、他の様々な公知の方向によって固定されてもよい。
【００５８】
さらに、筐体本体５２の側壁には貫通孔５２ｂが形成され、その貫通孔５２ｂには固定部材５２ｃが挿入されている。固定部材５２ｃの外周及び貫通孔５２ｂの内周には、それぞれネジ溝（図示せず）が形成されており、固定部材５２ｃは、貫通孔５２ｂに螺合している。そして固定部材５２ｃを、例えば時計回りに回転させると、固定部材５２ｃは筐体本体５２の内部へ向かって移動し、固定部材５２ｃの先端が回動支持部材５１を押圧する。これにより、回動支持部材５１は固定される。一方、固定部材５２ｃを例えば反時計回りに回転させると、固定部材５２ｃは筐体本体５２の外側へ向かって移動し、その結果として固定部材５２ｃの先端は回動支持部材５１から離れる。固定部材５２ｃの先端が回動支持部材５１と接触しなくなると、回動支持部材５１は、光軸ＯＡを回転軸として自由に回転できるようになる。
【００５９】
また筐体本体５２には、回動支持部材５１よりも光学系３側に、偏光子１２を保持するためのガイドレール５２ｄが設けられている。ガイドレール５２ｄは、光軸ＯＡと直交するように設けられており、したがって、偏光子１２をガイドレール５２ｄに沿って挿入することで、偏光子１２は、光変調素子１１及び光学系３を通る光の光路上に配置される。
さらに、筐体本体５２には、光学系３を有する装置に筐体５を取り付けるための取り付け部を有してもよい。例えば、筐体５は、そのような取り付け部として、筐体５の外周にネジ孔を有してもよい。なお、波面収差の補償時には、偏光子１２は光路外に位置するよう筐体５から取り外されてもよい。
さらに、回動支持部材５１及び筐体本体５２の側面には、光変調素子１１が有する透明電極に電圧を印加するための配線を通す孔が形成されていてもよい。
【００６０】
この変形例によれば、適応光学素子は、波面収差の測定だけでなく、波面収差を補償するためにも利用できる。そのため、波面収差の測定と波面収差の補償とで別個の素子を用いなくてよいので、光学系全体の構成が簡単化される。
【００６１】
第２の実施形態の変形例によれば、適応光学素子は、光源２と光変調素子１１との間に、波面収差の測定時には全波長板として動作し、波面収差の補償時には半波長板として動作する可変波長板をさらに有してもよい。
【００６２】
図７は、本発明の第２の実施形態の変形例による適応光学素子の概略構成図である。この変形例による適応光学素子６は、波面収差測定対象の光学系３の光軸ＯＡに沿って、光源２側から順に、可変波長板１４と、光変調素子１１と、偏光子１２とを有する。さらに、適応光学素子６は、光変調素子１１及び可変波長板１４を駆動するコントローラ１３を有する。なお、図７では、光検出器４の図示は省略されている。この変形例による適応光学素子６は、第２の実施形態による適応光学素子と比較して、可変波長板１４を有する点と、コントローラ１３が可変波長板１４を駆動する点で相違する。そこで以下では、可変波長板１４及びコントローラ１３による可変波長板１４の制御について説明する。
【００６３】
図８（ａ）は、可変波長板１４を光源２側から見た概略正面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の矢印Ｂ、Ｂ’で示される線における、可変波長板１４の概略側面断面図である。可変波長板１４は、例えば、液晶素子として構成され、コントローラ１３により印加される電圧に応じて、全波長板あるいは半波長板として動作する。なお、図８（ａ）において、可変波長板１４に入射する入射光の偏光面の方向は矢印８０１で表される。
【００６４】
可変波長板１４は、液晶層３０と、光軸ＯＡ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。また可変波長板１４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の液晶分子３７は、透明基板３１及び３２に挟まれ、シール部材３８に囲まれる部分に封入されている。
【００６５】
透明基板３１、３２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、光源２が発する照明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。
【００６６】
本実施形態では、光源２から発して可変波長板１４へ入射する光束が透過する液晶層３０のアクティブ領域３０ａ全体を覆うように透明電極３３及び透明電極３４は設けられる。また、配向膜３５及び配向膜３６による液晶分子３７の配向方向は、矢印８０２で示されるように、入射光の偏光面と光変調素子１１の測定領域２０ｃの配向方向とがなす角を２等分する方向に設定される。この例では、光変調素子１１の測定領域２０ｃにおける配向方向が光源２から発した入射光の偏光面に対して45°傾いているので、配向膜３５及び配向膜３６による液晶分子３７の配向方向は、光源２から発して可変波長板１４に入射する入射光の偏光面に対して22.5°をなす方向に設定される。
【００６７】
図９は、入射光の偏光面と、可変波長板１４の液晶分子の配向方向と、光変調素子１１の各領域における液晶分子の配向方向と、光変調素子１１から出射した光の偏光面と、偏光子１２の透過軸の方向との関係を表す模式図である。図９において、光源２から発して可変波長板１４へ入射する入射光の偏光面は矢印９０１で示される。矢印９０２に示される、可変波長板１４の配向方向は、入射光の偏光面に対して22.5°をなす。
【００６８】
光学系３により生じる波面収差を測定する場合、コントローラ１３が、透明電極３３と透明電極３４の間、すなわち、液晶層３０に、入射光のうちの液晶分子３７の配向方向と平行な偏光成分とその配向方向に直交する偏光成分との間の位相差が０あるいは2πとなる電圧を印加することで、可変波長板１４は全波長板として動作する。そのため、光源２からの光が可変波長板１４を透過しても、その光の偏光面は回転しない。したがって、光源２からの光が光変調素子１１に入射する際、矢印９０４で示される、光変調素子１１の測定領域２０ｃにおける配向方向と入射光の偏光面とは45°をなす。したがって、第２の実施形態による適応光学素子及び第１の実施形態による適応光学素子と同様に、波面収差の測定時においては、測定領域２０ｃから出射された光は、楕円９０６に示されるように、長軸が入射光の偏光方向と直交する方向に近い楕円偏光となる。またこの例でも、矢印９０７で示されるように、偏光子１２の透過軸は光変調素子１１へ入射する入射光の偏光面と平行となる。したがって、測定領域２０ｃから出射した光のうち、偏光子１２の透過軸と平行な偏光成分のみが偏光子１２を透過する。
【００６９】
一方、矢印９０３に示される、光変調素子１１の参照領域２０ｂにおける配向方向は、入射光の偏光面と平行となる。そのため、参照領域２０ｂから出射した光の偏光方向は、矢印９０５に示されるように、光変調素子１１への入射光の偏光面と平行なまま維持される。したがって、参照領域２０ｂから出射した光は、偏光子１２を透過してもほぼ減衰しない。そのため、参照領域２０ｂよりも広い測定領域２０ｃを透過した光のうち、偏光子１２を透過した光の光量は、参照領域２０ｂ及び偏光子１２を透過した光の光量と略等しくなる。
【００７０】
また、光学系３により生じる波面収差を補償する場合、偏光子１２による光量の減衰を避けるために偏光子１２は光路から取り除かれてもよい。この場合において、波面収差の測定時において偏光子１２を光路内に配置し、一方、波面収差の補償時において偏光子１２を光路外へ退避させるために、例えば、図６（ａ）〜図６（ｃ）に示される筐体において、偏光子１２は、筐体本体５２のガイドレール５２ｄに着脱可能に取り付けられればよい。そしてコントローラ１３が、透明電極３３と透明電極３４の間、すなわち、液晶層３０に、入射光のうちの液晶分子３７の配向方向と平行な偏光成分とその配向方向に直交する偏光成分との間に位相差πが生じる電圧を印加することで、可変波長板１４は半波長板として動作する。
【００７１】
ここで、液晶分子３７は、矢印９０２に示されるように、可変波長板１４に入射する入射光の偏光面に対して22.5°をなす方向に沿ってホモジニアス配向されているので、可変波長板１４が半波長板として動作する場合、可変波長板１４に透過した光の偏光面は、その配向方向をまたぐように45°回転される。したがって、可変波長板１４から出射した光の偏光面は、矢印９０８で示されるように、光変調素子１１の測定領域２０ｃにおける液晶分子の配向方向と平行となる。そこで、第２の実施形態と同様に、コントローラ１３は、光変調素子１１を透過する光に対して光学系３により生じる波面収差を打ち消すような位相分布を与えるよう、液晶層を挟んで配置される各部分電極と透明電極間に電圧を印加すればよい。
【００７２】
この変形例によれば、波面収差の測定時と波面収差の補償時とで、光変調素子１１を回転させなくてよい。そのため、この変形例による適応光学素子は、アライメント調整を簡単化できる。
【００７３】
なお、この変形例において、適応光学素子は、光変調素子１１と偏光子１２との間に、さらにもう一つの可変波長板を有してもよい。
【００７４】
図１０は、本発明の第２の実施形態のさらなる変形例による適応光学素子の概略構成図である。この変形例による適応光学素子７は、波面収差測定対象の光学系３の光軸ＯＡに沿って、光源２側から順に、可変波長板１４と、光変調素子１１と、可変波長板１５と、偏光子１２とを有する。さらに、適応光学素子７は、光変調素子１１、可変波長板１４及び可変波長板１５を駆動するコントローラ１３を有する。なお、図１０では、光検出器４の図示は省略されている。この変形例による適応光学素子７は、図７に示される適応光学素子６と比較して、可変波長板１５を有する点と、コントローラ１３が可変波長板１５を駆動する点で相違する。そこで以下では、可変波長板１５及びコントローラ１３による可変波長板１５の制御について説明する。
【００７５】
可変波長板１５は、光学系３の波面収差を測定する際には全波長板として動作し、一方、光学系３の波面収差を補償する際には、半波長板として動作する。そのために、可変波長板１５の構造は、可変波長板１４の構造と同一とすることができる。さらに、可変波長板１５が有する液晶分子の配向方向は、可変波長板１４が有する液晶分子の配向方向と同一とすることができる。したがって、光学系３の波面収差を測定する際、コントローラ１３が、可変波長板１５の液晶層に対して全波長板として動作する電圧を印加することで、適応光学素子６による光源２からの光の変調は、適応光学素子６による光源２からの光の変調と同様となる。
【００７６】
一方、光学系３の波面収差を補償する際、コントローラ１３が、可変波長板１５の液晶層に対して半波長板として動作する電圧を印加することで、光変調素子１１の測定領域２０ｃから出射した光の偏光面（すなわち、入射光の偏光方向に対して45°傾く）は、可変波長板１５を透過することで、配向方向をまたいで（可変波長板１４の透過時とは逆向きに）45°回転される。その結果として、可変波長板１５から出射されるその光の偏光面は、偏光子１２の透過軸と平行となる。
【００７７】
したがって、この変形例によれば、波面収差の補償時においても、偏光子１２を光路から取り除かなくても、偏光子１２による光量の減衰が最小化される。そのため、この変形例による適応光学素子は、アライメント調整をより簡単化できる。
【００７８】
第２の実施形態のさらに他の変形例によれば、波面収差の測定時においても、光変調素子の測定領域における液晶分子の配向方向が入射光の偏光面と平行となり、参照領域における液晶分子の配向方向が入射光の偏光面と45°をなすように光変調素子は配置されてもよい。
【００７９】
図１１は、この変形例による、入射光の偏光面と、光変調素子１１の各領域における液晶分子の配向方向と、光変調素子１１から出射した光の偏光面と、偏光子１２の透過軸の方向との関係を表す模式図である。図１１において、光源２から発して光変調素子１１へ入射する入射光の偏光面は矢印１１０１で示される。そして矢印１１０２で示される、光変調素子１１の参照領域２０ｂにおける配向方向は、入射光の偏光面に対して45°をなす。したがって、参照領域２０ｂは、透過する光の偏光面を回転させる第２の領域の他の一例となる。そしてこの変形例では、波面収差の測定時において、コントローラ１３は、参照領域２０ｂを透過する光の偏光面を参照領域２０ｂにおける配向方向をまたいで回転させる電圧を、参照領域２０ｂに印加すればよい。例えば、コントローラ１３は、参照領域２０ｂが半波長板として動作する電圧を参照領域２０ｂに印加すればよい。ただし、この例に限られず、コントローラ１３は、参照領域２０ｂを透過する光の偏光面が参照領域２０ｂにおける配向方向をまたいで回転し、参照領域２０ｂを透過後に楕円偏光となるような電圧を参照領域２０ｂに印加してもよい。参照領域２０ｂが半波長板として動作する電圧が印加されると、参照領域２０ｂから出射した光の偏光方向は、矢印１１０４に示されるように、光変調素子１１への入射光の偏光面に対して90°回転する。またこの例では、矢印１１０６で示されるように、偏光子１２の透過軸は、入射光の偏光面に対して90°をなす方向から数度程度傾けられる。したがって、参照領域２０ｂから出射した光は、偏光子１２を透過してもほぼ減衰しない。
【００８０】
一方、矢印１１０３に示されるように、光変調素子１１の測定領域２０ｃにおける配向方向は、入射光の偏光面と平行となる。そのため、光変調素子１１の測定領域２０ｃは、印加される電圧に応じて、上記の実施形態における参照領域と同様、透過する光の位相の変調量を調節できる。すなわち、測定領域２０ｃは、透過する光の位相を変調する第１の領域の他の一例となる。したがって、波面収差の測定時において、コントローラ１３は、光変調素子１１の測定領域２０ｃに印加する電圧を調節して、その領域を透過する光の位相シフト量を、例えば、0、2π/3、4π/3に設定できる。この場合、光変調素子１１の測定領域２０ｃを透過した光の偏光面は、矢印１１０５に示されるように、入射光の偏光面と平行なまま維持される。したがって、光変調素子１１の測定領域２０ｃから出射した光のうち、偏光子１２の透過軸と平行な偏光成分のみが偏光子１２を透過する。そのため、参照領域２０ｂよりも広い測定領域２０ｃを透過した光のうち、偏光子１２を透過した光の光量は、参照領域２０ｂ及び偏光子１２を透過した光の光量と略等しくなる。
【００８１】
この変形例についても、波面収差の測定時と波面収差の補償時とで、光変調素子１１を回転させなくてよい。そのため、この変形例による適応光学素子は、アライメント調整を簡単化できる。また、波面収差の補償のため、光変調素子１１を駆動しながら、波面収差を測定することもできる。この場合、コントローラ１３は、第２の実施形態と同様に、光変調素子１１の測定領域２０ｃを透過する光に、その光学系の波面収差を打ち消す位相分布を付与し、さらに、測定領域２０ｃを透過する光全体の位相をシフトするように電圧を印加することで、波面補償と同時に波面収差を測定することができる。このようなプロセスを繰り返すことにより、より高精度の波面収差の補償ができる。
【００８２】
また、光学系３により生じる波面収差を測定せず、波面補償のみを行なう場合、光量の減衰を抑制するために、偏光子１２は光路から取り除かれる。そしてコントローラ１３は、第２の実施形態と同様に、光変調素子１１の測定領域２０ｃに、測定された波面収差を補償する電圧を印加すればよい。
【００８３】
なお、集光レンズ３０１の後側焦点面に光検出器４を配置することが困難なことがある。あるいは、光学系３がレーザ走査顕微鏡の対物レンズである場合に、集光レンズ３０１の後側焦点面に試料が配置された状態で光学系３の波面収差を測定することが求められることがある。このような場合、測定される波面から、試料による波面情報をキャンセルすることが可能なように、図１１に示される変形例において、参照領域２０ｂがさらに複数の部分領域に分割されることが好ましい。
【００８４】
図１２は、この変形例による、光変調素子１６を光源２側から見た概略正面図である。この変形例による光変調素子１６は、第２の実施形態による光変調素子と比較して、参照領域２０ｂの構造が異なる。そこで以下では、参照領域２０ｂ及びコントローラ１３による、光変調素子１６の参照領域２０ｂの駆動について説明する。
【００８５】
この変形例では、参照領域２０ｂは、光軸ＯＡと直交する面において、３個の部分領域２０ｂ−１〜２０ｂ−３に分割される。部分領域２０ｂ−１と部分領域２０ｂ−２とが並ぶ方向と、部分領域２０ｂ−１と部分領域２０ｂ−３とが並ぶ方向とは、互いに直交する。そして透明電極２３のうち、参照領域２０ｂを覆う部分電極は、個々の部分領域を覆うようにさらに３個に分割され、かつ、互いに絶縁されるとともに、互いに別個に信号線を介してコントローラ１３と接続される。したがって、コントローラ１３は、部分領域２０ｂ−１〜２０ｂ−３のそれぞれごとに、独立に印加する電圧を制御できる。
【００８６】
波面収差を測定する際、コントローラ１３は、３個の部分領域２０ｂ−１〜２０ｂ−３のうち、何れか一つを透過する光の偏光面を参照領域２０ｂにおける配向方向をまたいで回転させ、他の二つが全波長板として動作するよう、各部分領域に電圧を印加する。例えば、コントローラ１３は、３個の部分領域２０ｂ−１〜２０ｂ−３のうち、何れか一つが半波長板として動作し、他の二つが全波長板として動作するよう、各部分領域に電圧を印加する。そして図１１に示される変形例と同様に、コントローラ１３により、光変調素子１６の測定領域２０ｃを透過する光の位相の変調量を、例えば、0、2π/3、4π/3に変更しつつ、試料が配置された集光レンズ３０１の後側焦点面をカメラにより撮影することでその後側焦点面の３枚の画像を得る。
【００８７】
透過する光の偏光面を回転させる部分領域を変更しつつ、上記の処理を行うことで、最終的に９枚の画像が得られ、それら画像に基づいて、例えば、上記の特許文献１に記載された（２３）式の演算を行うことで、試料の情報がキャンセルされ、光学系３の波面収差が測定される。
【００８８】
この変形例によれば、適応光学素子は、測定対象となる光学系の焦点面に光検出器を配置できない場合でも、その光学系の波面収差を正確に測定するために利用できる。なお、上記の実施形態または変形例による適応光学素子も、測定対象となる光学系の焦点面の画像が得られる場合には、その光学系の波面収差を測定するために利用できる。
【００８９】
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】
【００９０】
１、６、７    適応光学素子
２    光源
３    光学系
３０１    集光レンズ
３０２    コリメータ
４    光検出器
５    筐体
５１    回動支持部材
５２    筐体本体
１１、１６    光変調素子
１２    偏光子
１３    コントローラ
１４、１５    可変波長板
２０、３０    液晶層
２１、２２、３１、３２    透明基板
２３、２４、３３、３４    透明電極
２５、２６、３５、３６    配向膜
２７、３７    液晶分子
２８、３８    シール部材
２３−１〜２３−ｎ    部分電極
２０ａ    アクティブ領域
２０ｂ    参照領域
２０ｂ−１〜２０ｂ−３    部分領域
２０ｃ    測定領域
【図１】
2019148701.tif 000004
【図２】
2019148701.tif 000005
【図３】
2019148701.tif 000006
【図４】
2019148701.tif 000007
【図５】
2019148701.tif 000008
【図６】
2019148701.tif 000009
【図７】
2019148701.tif 000010
【図８】
2019148701.tif 000011
【図９】
2019148701.tif 000012
【図１０】
2019148701.tif 000013
【図１１】
2019148701.tif 000014
【図１２】
2019148701.tif 000015