(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光制御素子と、
前記偏光制御素子に入射する光を出射する光源と、
前記偏光制御素子から出射された光を集光して、試料に照射する対物レンズとを備える顕微鏡であって、
前記偏光制御素子が、
直線偏光をラジアル偏光、又はアジマス偏光に変換するための偏光制御素子であり、
放射状に８以上分割された分割領域であって、入射した光の位相をずらして出射する波長板がそれぞれ設けられている分割領域を有し、
互いに対向する分割領域に設けられている１対の波長板の光学軸が略直交している顕微鏡。
【請求項２】
前記波長板が、前記基板上に形成されたフォトニック結晶を有している請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】
放射状に分割された波長板を基板に貼り付けることによって、前記分割領域が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項４】
前記分割領域が１６個設けられている請求項１、２又は３に記載の顕微鏡。
【請求項５】
前記波長板の光学軸を識別するための識別マークが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の顕微鏡。
【請求項６】
入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させて、直線偏光をラジアル偏光、又はアジマス偏光に変換するための偏光制御素子の製造方法であって、
所定の方向に光学軸が設けられている波長板を複数用意し、
前記光学軸と切断線が成す角度が前記複数の波長板毎に異なる角度となるよう、前記波長板のそれぞれを放射状に分割して、それぞれの波長板から２以上の分割領域を形成し、
前記複数の波長板から形成された複数の分割領域の中から所定数の分割領域を選択し、
前記複数の波長板のうち、第１の波長板から選択された分割領域を第１の基板に貼り付け、
前記第１の波長板から選択された分割領域の隣に、前記複数の波長板のうち、第２の波長板から選択された分割領域を貼り付け、対向する分割領域において、波長板の光学軸が直交するよう配置し、
前記第１の波長板から分割された分割領域のうち、前記第１の基板に貼り合わされていない分割領域を第２の基板上に貼り付け、
前記第２の波長板から分割された分割領域のうち、前記第１の基板に貼り合わされていない分割領域を、前記第２の基板において前記第１の波長板から分割された分割領域の隣に配置されるよう、前記第２の基板に貼り合わせる偏光制御素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１の基板、及び前記第２の基板のそれぞれが４つの分割領域を有し、
前記第１の基板、及び前記第２の基板の円周方向において、前記第１の波長板から取り出された分割領域と前記第２の波長板から取り出された分割領域とが交互に貼り合わせられていることを特徴とする請求項６に記載の偏光制御素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光制御素子及びその製造方法、並びに、顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡などの光学機器には、様々な光学素子が用いられる。光学素子としては、入射光を直線偏光にする偏光板や、入射光の位相を遅らせる位相板などがある。このような光学素子によって、入射光の偏向状態を変化させることができる。また、異方性光学素子を４分割した光学素子が開示されている（非特許文献１）。さらに、フォトニック結晶を用いた光学素子が開示されている（特許文献１、非特許文献２）。
【０００３】
偏光板は、所定の方向の偏光軸を有しており、光が直線偏光になるよう制御する。すなわち、偏光板は、その光学軸に沿った方向の直線偏光として光を出射する。従って、自然光（無偏光）を入射させると、直線偏光となって光が出射される。また、波長板は、Ｏ光線とＥ光線との間に所定の位相差を生じさせる。例えば、１／２波長板では、１８０°の位相差を生じさせる。また、１／４波長板では、９０°の位相差を生じさせる。従って、１／２波長板では、波長板の光学軸と、直線偏光との方位との成す角度が４５°のとき、直線偏光の方位が９０°回転して出射される。１／４波長板では、波長板の光学軸と直線偏光の方位との成す角度が４５°のとき、直線偏光から円偏光の光となって波長板から出射される。
【特許文献１】特開平１０−３３５７５８号公報
【非特許文献１】Ｒ．Ｄｏｒｎ，Ｓ．Ｑｕａｂｉｓ，ａｎｄ  Ｇ．Ｌｅｕｃｈｓ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ，Ｌｅｔｔ．９１，２３３９０１（２００３）
【非特許文献２】フォトニックラティス社ホームページ  製品＆応用  光学素子  フォトニック結晶複合光学素子  ［平成１８年１月５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.photonic-lattice.com/index.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、第２高調波顕微鏡（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）、分子配向検出用のレーザ蛍光顕微鏡、ラマン顕微鏡、近接場顕微鏡等で、集光電場のｚ成分を大きくするため、又は、小さくすることが望まれている。図１２（ａ）に示すように、偏光軸が放射状になるラディアル偏光、あるいは、ラディアル偏光と直交する方向に直線偏光が分布するアジマス偏光の生成が望まれている。ラディアル偏光及びアジマス偏光では、Ｅｘ，Ｅｙがｘ、ｙの分布を有する。ラディアル偏光では、図１２（ａ）に示すように中心の１点から放射状の方向に沿って直線偏光が分布している。また、アジマス偏光では、図１２（ｂ）に示すように、ラディアル偏光と直交する方向に直線偏光が分布している。このように、光束断面において、光の電気ベクトルの振動方向が空間的な分布を有する偏光状態を形成する光学素子が望まれている。
【０００５】
ラディアル偏光状態の光ビームを、例えば、対物レンズで集光して試料に照射すると、試料上で、光の電気ベクトルのｚ成分が大きくなる。一方、アジマス偏光を、対物レンズで集光して試料に照射すると、試料上で、光の電気ベクトルのｚ成分が小さくなる。従って、ラディアル偏光又はアジマス偏光状態を生成する光学素子は、様々な用途に対して利用することが期待される。しかしながら、このような光学素子については、その製造方法が確立されておらず、高い生産性で製造することができないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであって、本発明の目的は、光を所定の偏光状態とすることができる偏光制御素子及びその製造方法、並びに当該偏光制御素子を用いた顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様にかかる偏光制御素子は、入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させる偏光制御素子であって、放射状に８以上分割された分割領域であって、入射した光の位相をずらして出射する波長板がそれぞれ設けられている分割領域を有し、互いに対向する分割領域に設けられている１対の波長板の光学軸が略直交しているものである。これにより、擬似ラディアル偏光、又は擬似アジマス偏光を容易に実現することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様にかかる偏光制御素子は、上述の偏光制御素子において、前記波長板が、前記基板上に形成されたフォトニック結晶を有しているものである。これにより、分割領域の境界において、偏光状態が乱れるのを防ぐことができる。
【０００９】
本発明の第３の態様にかかる偏光制御素子は、上述の偏光制御素子において、放射状に分割された波長板を基板に貼り付けることによって、前記分割領域が形成されていることを特徴とするものである。簡便な構成で、擬似ラディアル偏光、又は擬似アジマス偏光を容易に実現することができる。
【００１０】
本発明の第４の態様にかかる偏光制御素子は、上述の偏光制御素子において、前記分割領域が１６個設けられているものである。これにより、ラディアル偏光、又はアジマス偏光により近い偏光状態とすることができる。
【００１１】
本発明の第５の態様にかかる偏光制御素子は、上述の偏光制御素子において、前記波長板の光学軸を識別するための識別マークが設けられていることを特徴とするものである。これにより、偏光制御素子１００を配置する際に、簡便に角度を調整することができる
【００１２】
本発明の第６の態様にかかるレーザ顕微鏡は、上記に偏光制御素子と、前記偏光制御素子に入射する光を出射する光源と、前記偏光制御素子から出射された光を集光して、試料に照射する対物レンズとを備えるものである。これにより、電気ベクトルのｚ成分を高くすること、又は、ｚ成分を低くすることができ、レーザ顕微鏡の利用分野を拡大することができる。
【００１３】
本発明の第７の態様にかかる偏光制御素子の製造方法は、入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させる偏光制御素子の製造方法であって、基板上において放射状に２以上分割された分割領域毎に所定の方向の溝パターンを形成して、前記溝パターンが設けられた基板上に、複数の誘電膜の周期構造からなるフォトニック結晶を形成して、対向する前記分割領域に光学軸が略直交する波長板を形成するものである。これにより、簡便な方法で、擬似ラディアル偏光、又は擬似アジマス偏光を実現できる偏光制御素子を製造することができる。
【００１４】
本発明の第８の態様にかかる偏光制御素子の製造方法は、入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させる偏光制御素子の製造方法であって、所定の方向に光学軸が設けられている波長板を複数用意し、前記光学軸と切断線が成す角度が前記複数の波長板毎に異なる角度となるよう、前記波長板のそれぞれを放射状に分割して、それぞれの波長板から２以上の分割領域を形成し、入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させる偏光制御素子の製造方法であって、前記複数の波長板から形成された複数の分割領域の中から所定数の分割領域を選択し、前記複数の波長板のうち、第１の波長板から選択された分割領域を基板に貼り付け、前記第１の波長板から選択された分割領域の隣に、前記複数の波長板のうち、他の波長板から選択された分割領域を貼り付け、対向する分割領域において、波長板の光学軸が直交するよう配置するものである。これにより、簡便な方法で、擬似ラディアル偏光、又は擬似アジマス偏光を実現できる偏光制御素子を製造することができる。
【００１５】
本発明の第９の態様にかかる偏光制御素子の製造方法は、上述の製造方法において、前記第１の波長板から分割された分割領域のうち、前記基板に貼り合わされていない分割領域を他の基板上に貼り合わせ、前記第２の波長板から分割された分割領域のうち、前記基板に貼りあわされていない分割領域を、前記第１の波長板から分割された分割領域の隣に配置されるよう、前記他の基板に貼り合わせるものである。これにより、材料費を低減することができ、高い生産性で製造することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、所定の偏光状態とすることができる偏光制御素子及びその製造方法、並びに顕微鏡を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。
【００１８】
発明の実施の形態１．
本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は、本実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を模式的に示す正面図である。図１（ｂ）は本実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を示す側面図である。ここでは、本発明にかかる偏光制御素子の一例として、８分割されている偏光制御素子１００について説明する。また、板状の偏光制御素子１００が配置される面を図１（ａ）に示すようにＸＹ平面とする。また、図１（ｂ）に示すように、偏光制御素子１００と垂直な方向をＺ方向とする。従って、偏光制御素子１００を通過する光ビームは、通常Ｚ方向に沿って伝播する。
【００１９】
偏光制御素子１００は、ガラス等からなる透明な基板５０を有している。この、基板５０は、放射状に分割された８つの領域を有している。図１に示すように、この８つの領域を分割領域５１〜分割領域５８とする。すなわち、偏光制御素子１００は、８つの分割領域５１〜５８を備えている。分割領域５１〜５８は、中心点に対して対称に分割されている。従って、８つの偏光制御素子１００は、放射状に配置されている。このように、放射状に分割された８つの領域が分割領域５１〜分割領域５８となる。それぞれの分割領域の大きさは等しくなっている。分割領域５１〜５８は周方向の全体にわたって設けられている。従って、分割領域５１〜５８のそれぞれは、中心点近傍の点に対応する内角が４５°の二等辺三角形となる。そして、分割領域５１〜分割領域５８を合わせた形状は、正八角形となる。換言すると、正八８角形を放射状に８等分した三角形が、分割領域５１〜５８となる。なお、分割領域の中心点は、基板５０の中心でなくてもよい。すなわち、基板５０の中心と、分割領域の中心とは、一致していなくてもよい。
【００２０】
分割領域５１〜分割領域５８にはそれぞれ異なる方向の光学軸を有する１／２波長板が設けられている。すなわち、分割領域５１〜分割領域５８毎に、光の振動方向が異なっている。図１（ａ）には、分割領域５１〜分割領域５８における光学軸が矢印で示されている。ここで、それぞれの分割領域の光学軸は、隣の分割領域の光学軸から２２．５°ずれている。すなわち、Ｙ軸の方向を基準とすると、図１に示すように、分割領域５１における波長板の光学軸の角度は０°となり、分割領域５２の光学軸は−２２．５°となり、分割領域５２の光学軸は−４５°となり、分割領域５４の光学軸は−６７．５°となっている。また、分割領域５８の光学軸は２２．５°であり、分割領域５７の光学軸は４５°となり、分割領域５６の光学軸は６７．５°となり、分割領域５５の光学軸は、９０°となる。
【００２１】
従って、中心点に対して互いに対向する分割領域に設けられている１対の波長板は、光学軸が直交する。例えば、分割領域５１の光学軸は０°であり、分割領域５１に対向する分割領域５５の光学軸は９０°となっている。また、分割領域５２の光学軸と、分割領域５６の光学軸は、互いに直交している。同様に、分割領域５３と分割領域５７とでは、光学軸が直交しており、分割領域５４と分割領域５８とでは、光学軸が直交している。換言すると、互いに対向する分割領域に設けられている一対の波長板の光学軸の角度の差が９０°となっている。このように、分割領域５１〜５８の中心点を挟んで対角に配置された一対の分割領域には、光学軸が９０°異なる波長板が設けられる。
【００２２】
１／２波長板は、入射光に１／２波長の位相差を与えて出射する。従って、直線偏光の方位が１／２波長板における光学軸に対して成す角度をθとすると、１／２波長板を通過した光は、元の直線偏光から２θだけ回転した直線偏光の光となる。例えば、１／２波長板の光学軸と、直線偏光の偏光軸とが４５°ずれている場合、１／２波長板は、偏光軸が９０°ずれた直線偏光を出射する。なお、波長板は基板５０の表側の面５０ａに設けられる。また、裏側の面５０ｂには、反射を防止するため、ＡＲコートを施すことが好ましい。
【００２３】
図１に示す偏光制御素子１００から出射される光の偏光状態について図２を用いて説明する。図２では、偏光軸がＹ方向に沿った方向である直線偏光が入射した場合を示している。従って、入射偏光方位が０°の直線偏光が入射した時に出射される出射光の偏光方位について説明する。すなわち、分割領域５１の光学軸と、入射光の偏光軸が一致している場合について説明する。図２には、各分割領域から出射される出射光の偏光軸が矢印でそれぞれ示されている。分割領域５１〜分割領域５８から出射される直線偏光の偏光軸は放射状になっている。なお、図２では、基板５０について省略して図示している。
【００２４】
具体的には、中心点に対して対向する一対の分割領域から出射される直線偏光の偏光軸が平行になっている。そして、対向する一対の分割領域では振動方向が反対になっている。また、隣接する分割領域から出射される光の偏光軸は４５°ずれている。例えば、分割領域５１及び分割領域５５から出射する光の偏光軸は、０°である。また、分割領域５２及び分割領域５６から出射される光の偏光軸は、−４５°であり、分割領域５３及び分割領域５７から出射される光の偏光軸は９０°であり、分割領域５４及び分割領域５８から出射される光の偏光軸は、＋４５°である。従って、入射位置に応じて偏光軸の角度が変化して、出射偏光変位が放射状となる。このように、本実施の形態にかかる偏光制御素子１００は、入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させ、所望の偏光状態になるよう制御する。
【００２５】
上記の偏光制御素子１００に直線偏光を入射させることで、ラディアル偏光に近い偏光状態となるよう制御することができる。すなわち、直線偏光をラディアル偏光に近似する擬似ラディアル偏光にすることができる。また、上記の偏光制御素子１００に対して偏光軸がＸ方向の直線偏光を入射することによって、偏光軸が円形に近い形状となる。従って、アジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、アジマス偏光に近似する擬似アジマス偏光にすることができる。このときのｘｙ平面における偏光軸の分布は図３に示すようになる。
【００２６】
偏光制御素子１００の分割数を増加させることによって、よりラディアル偏光又はアジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、分割領域の数を増やすこと偏光軸がよりなめらかに変化する。換言すると、分割数を無限大にすると、図１２（ａ）示すような理想的なラディアル偏光状態又は、図１２（ｂ）に示すような理想的なアジマス偏光状態を生成することができる。分割数は、偶数であることが好ましく、例えば、２あるいは４以上とすることができる。さらに、電場ベクトルのｚ成分を高くするためには、分割数を８以上とすることが好ましく、１６以上とすることがより好ましい。すなわち、分割数を２ｎ（ｎは１以上の整数）とすることが好ましい。また、分割領域の中心点に対して対称に分割し、対向する分割領域の大きさを同じとすることが好ましい。すなわち、分割領域の中心角を等しくして、同じ大きさの分割領域とすることが好ましい。例えば、分割数を２ｎとすると、１つの分割領域に対応する角度は、３６０度／２ｎとなる。
【００２７】
具体的には、例えば、分割数が１６の場合、波長板の光学軸を隣の分割領域から１１．２５°ずらす。これにより、対向する分割領域で、光学軸が直交する。そして、この偏光制御素子に一定角度の偏光軸を入射させると、直線偏光が擬似ラディアル偏光又は擬似アジマス偏光となって出射される。
【００２８】
なお、光束に任意の断面（ｚ＝ｚ１）において、ラディアル偏光状態における電気ベクトルのｘ成分及びｙ成分は、以下のように示される。
Ｅｘ＝ｘ／（ｘ２＋ｙ２）・Ａ・ｓｉｎ（ｋｚ１−ｗｔ−ｃ）
Ｅｙ＝ｙ／（ｘ２＋ｙ２）・Ａ・ｓｉｎ（ｋｚ１−ｗｔ−ｃ）
また、アジマス偏光状態における電気ベクトルのｘ成分及びｙ成分は、以下のように示される。
Ｅｘ＝ｘ／（ｘ２＋ｙ２）・Ａ・ｓｉｎ（ｋｚ１−ｗｔ−ｃ）
Ｅｙ＝ｙ／（ｘ２＋ｙ２）・Ａ・ｓｉｎ（ｋｚ１−ｗｔ−ｃ）
ただし、光束断面のある一点を原点（ｘ＝０，ｙ＝０）とする。ここで、ｗは光の振動数であり、ｋは波数、ｔは時間、ｃは任意の定数である。
【００２９】
擬似ラディアル偏光、及び擬似アジマス偏光に関しては、２ｎ等分の場合、各分割領域における光学軸の方向を以下のように定義することができる。但し、以下の式では、入射する直線偏光の偏光軸を０°としている。
擬似ラディアル偏光を生成する場合における１／２波長板の光学軸
９０°／ｎ×ｉ（ｉ＝０、１、２、３・・・、ｎ−１）
直線偏光に対して擬似アジマス偏光を生成する場合における１／２波長板の光学軸
９０°／ｎ×ｉ＋４５°（ｉ＝０、１、２、３・・・、ｎ−１）
【００３０】
また、図１に示すように、偏光制御素子１００には、波長板における光学軸の方向を識別するための識別マーク５９が設けられている。識別マーク５９は、分割領域５１の上に設けられている。すなわち、分割領域５１の外側に設けられている。従って、識別マーク５９に対応する分割領域５１の光学軸を容易に判別することができる。これにより、偏光制御素子１００を配置する際に、簡便に角度を調整することができる。
【００３１】
上記の偏光制御素子１００は、例えば、基板５０の上にフォトニック結晶を形成することで製造することができる。これにより、分割領域５１〜分割領域５８に異なる光学軸を有する波長板を設けることができる。具体的には、基板５０の表側の面５０ａをフォトニック結晶の成長面とする。分割領域５１〜分割領域５８の波長板の光学軸は、フォトニック結晶の方向によって設定することができる。なお、フォトニック結晶とは、複数の誘電体を光の波長程度の周期で交互に積層した構造体であり、例えば、特開平１０−３３５７５８号公報に示されている製造方法で形成することができる。具体的には、ガラスなどの透明な基板５０上にエッチング処理を行い、所定のパターン溝を形成する。パターン溝は、基板上に所定の幅で周期的に形成される。また、パターン溝は、それぞれの分割領域の光学軸に対応する方向に形成される。例えば、対向する分割領域で、パターン溝を直交する方向に形成する。また、隣に分割領域とパターン溝の方向をずらして形成する。従って、分割領域毎に、パターン溝が異なる方向に形成される。また、エッチング処理としては、例えば、イオンビームエッチング処理を用いることができる。これにより、フォトニック結晶を形成するためのパターン溝を精度よく形成することができる。
【００３２】
そして、このパターン溝の上から、屈折率の異なる複数の誘電体を交互に積層していく。これらの誘電体としては、例えば、低屈折材料のＳｉＯ２と、高屈折材料のＳｉとを用いることができる。また、高屈折材料としてＴａ２Ｏ５を用いることもできる。これらの誘電体膜は、例えば、バイアススパッタリングによって形成する。これにより、成膜と当時に、スパッタエッチングが行われ、所望の周期構造にすることができる。すなわち、自己クローニング方法によってフォトニック結晶を形成することが好ましい。自己クローニング方法とは、予め、凹凸パターン（溝パターン）を形成した基板上に複数の材料をスパッタ成膜及びスパッタエッチングの組み合わせで周期的に成膜したものである。これにより、一定の凹凸の定常構造が発生し、下層の膜から上層の膜へと正確に伝わりながら、多層膜が形成される。成膜条件は、例えば、特開平１０−３３５７５８号公報に記載のものとすることができる。この誘電体膜を、入射される光の波長程度の周期で交互に積層する。これにより、溝パターンの方向に沿って、フォトニック結晶が成長していく。従って、所望の三次元構造を得ることができ、波長板の光学軸を、所望の方向にすることができる。このように、簡便に所望の光学軸を有する波長板を形成することができる。そして、パターン溝に方向を分割領域毎に変えることによって、偏光状態を制御することができる。すなわち、入射光の入射位置に応じて、異なる偏光状態となるよう制御することができる。
【００３３】
自己クローニング方法によってフォトニック結晶を形成することで、精度高くなり、回折光等の影響を低減することができる。すなわち、フォトニック結晶を用いて波長板を形成することによって、分割領域の境界近傍においても、偏光状態が乱されることがなくなる。よって、よりアジマス偏光又はラディアル偏光に近い偏光状態を生成することができる。本実施の形態では、フォトニック結晶を基板上に形成して、基板上に波長板を設けている。従って、簡易な方法で、所望の偏光状態を生成することができる偏光制御素子を製造することができる。これにより、偏光制御素子を高い生産性で製造することができる。
【００３４】
また、識別マーク５９は、例えば、エッチング処理によって形成することができる。さらに、識別マーク５９は、上記のパターン溝を形成する際のエッチング処理で形成することが好ましい。これにより、別途、識別マーク５９を形成するための工程が不要となるため、簡便に識別マーク５９を形成することができる。もちろん、エッチング処理以外の方法で、識別マークを形成してもよい。これにより、波長板の光学軸の方向を容易に識別することができる。また、基板５０の一部に切欠やマーキングを施すことによって識別マークを形成してもよい。
【００３５】
具体的な１例としては、１辺が１５ｍｍで厚さが０．５ｍｍの基板５０を用いることができる。基板５０には、透明なガラス基板を用いることができる。また、分割領域５１〜５８を合わせた領域は、Ｘ方向及びＹ方向に１２ｍｍとすることができる。この場合、有効なビーム径は、１０ｍｍとなる。すなわち、スポット径が１０ｍｍで、擬似アジマス偏光、又は、擬似ラディアル偏光の光ビームを生成することができる。この有効径は、例えば、顕微鏡における対物レンズの瞳径程度とすることができる。ビーム径が１ｍｍのとき、平均パワーが２Ｗのレーザ光を照射することができる。
【００３６】
発明の実施の形態２．
本実施の形態にかかる偏光制御素子は、４つの分割領域を備えている。この４つの分割領域は、実施の形態１と同様に放射状に分割されている。そして、対向する領域に設けられている１対の波長板の光学軸が直交している。これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。なお、実施の形態１と同様の構成については説明を省略する。但し、本実施の形態にかかる偏光制御素子は、実施の形態１と異なる方法により製造されている。すなわち、実施の形態１ではフォトニック結晶を用いて波長板を形成したが、本実施の形態では、波長板を複数に分割して分割領域を形成する。この分割領域を基板に貼りつけることによって、偏光制御素子を形成している。
【００３７】
本本実施の形態にかかる偏光制御素子の製造工程について図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態にかかる偏光制御素子の製造工程を示す正面図である。まず、図４（ａ）に示すように、２枚の波長板６０、７０を用意する。また、２枚の偏光制御素子を形成するため、図４（ｂ）に示すよう２枚の基板８０、８１が用意されている。２枚の波長板６０、７０は、通常の１／２波長板であり、直線偏光の偏光軸を９０°回転させるものである。この２枚の波長板６０、７０にはそれぞれオリフラが設けられている。すなわち、円盤状の波長板の一部に切欠が設けられている。ここで、図４（ａ）に示すように、１枚目の波長板を波長板６０とし、２枚目の波長板を波長板７０とする。それぞれの波長板６０、７０の光学軸は、図４中の矢印に示されている。波長板６０の光学軸は、オリフラとなる切欠の方向と直交している。一方、波長板７０の光学軸は切欠の方向から４５°傾いている。なお、波長板６０、７０は、ゼロオーダでもマルチオーダーでもよい。
【００３８】
用意した波長板６０、７０を図４（ａ）の点線で示されている切断線に沿って４分割する。これにより、波長板６０、７０は切断線に沿って切断され、放射状に４等分される。切断線は円形の中心を通り、互いに直交する。従って、中心角が９０°の扇形の分割領域が生成される。図４（ａ）に示すように、波長板６０が分割される領域を分割領域６１〜６４とし、波長板７０が分割される領域を分割領域７１〜７４とする。このとき、分割領域６１〜６４の光学軸は、切断線の一方と平行になり、他方と垂直になっている。一方、分割領域７１〜７４の光学軸は、２本の切断線から４５°傾いている。また、波長板６０の切断線は、オリフラを横切るように配置され、波長板７０の切断線はオリフラを横切らないよう、オリフラの外側に配置されている。
【００３９】
この２枚の波長板６０、７０を用いることによって、２枚の偏光制御素子を製造することができる。具体的には、図４（ｂ）に示すように波長板６０の２つの分割領域６１、６２と波長板７０の２つの分割領域７２、７３を基板８０上に貼り合わせて、１枚目の偏光制御素子を形成することができる。また、波長板６０の２つの分割領域６３、６４と、波長板７０の２つの分割領域７１、７４を基板８１上に貼り合わせて、２枚目の偏光制御素子を形成することができる。
【００４０】
具体的には、基板８０の上に、分割領域６１、６２を貼り合わせる。波長板６０において隣接して配置されていた分割領域６１と分割領域６２とが、基板８０上では、対角に配置される。これにより、中心に対して対向する分割領域６１と分割領域６２とに設けられた１対の波長板の光学軸が直交する。そして、分割領域７２、７３を基板８０に貼り合わせて、基板８０上の分割領域６１と分割領域６２との間に分割領域７２、７３を配置する。これにより、中心に対して対向する分割領域７２と分割領域７３とに設けられた１対の波長板の光学軸が直交する。また、波長板６０から分割された分割領域と、波長板７０から分割された分割領域とが、円周方向において、交互に配置される。すなわち、円周方向には、分割領域６１、分割領域７２、分割領域６２、分割領域７３の順番で配置される。
【００４１】
同様に、基板８１の上に、分割領域６３、６４を貼り合わせる。ここでは、波長板６０において隣接して配置されていた分割領域６３と分割領域６４とが、対角に配置される。これにより、中心に対して対向する分割領域６３と分割領域６４とに設けられた１対の波長板の光学軸が直交する。そして、分割領域７１、７４を基板８１に貼り合わせて、基板８１上の分割領域６３と分割領域６４との間に分割領域７２、７３を配置する。これにより、中心に対して対向する分割領域７２と分割領域７３とに設けられた１対の波長板の光学軸が直交する。また、波長板６０から分割された分割領域と、波長板７０から分割された分割領域とが、円周方向において、交互に配置される。すなわち、円周方向には、分割領域６３、分割領域７４、分割領域６３、分割領域７１の順番で配置される。これにより、２枚の波長板から２枚の偏光制御素子を製造することができ、生産性を向上することができる。
【００４２】
基板８０、８１とそれぞれの分割領域との貼り合わせには、例えば、樹脂製の接着材を用いることができる。具体的には、分割領域の円弧部分の近傍に、接着材を設けて、基板５０に接触させる。そして、接着材を硬化させる。このとき、光学的な使用部分に接着材が入り込まないことが望ましい。これにより、偏光状態が乱れるのを防ぐことができる。なお、透過波面精度を保つことができる場合は、接着材を、分割領域の全面に設けてもよい。
【００４３】
このように、所定の方向に光学軸が設けられている複数の波長板６０、７０を用意して、波長板６０、７０を放射状に切断する。このとき、複数の波長板６０、７０は同じ形状の分割領域が形成されるよう分割される。すなわち、同じ大きさの波長板６０、７０を用意して、同じ角度で放射状に等分割することが好ましい。この時、波長板毎に、光学軸と切断線との成す角度を変化させる。すなわち、波長板の光学軸と切断線との成す角度が、波長で異なるよう、波長板を放射上に分割する。これにより、それぞれの波長板６０、７０から複数の分割領域が形成される。波長板の分割数は２以上であればよい。このように、２枚の波長板６０、７０から、８つの分割領域が形成される。
【００４４】
そして、波長板６０、７０から生成された８つの分割領域の一部の分割領域を選択する。これにより、所定の数の分割領域が選択される。ここでは、分割領域６１、分割領域６２、分割領域７２、及び分割領域７３の４つが選択される。すなわち、複数の波長板によって生成された全てに分割領域の中から、周方向の全体にわたって形成される数だけ分割領域を選択する。１枚目の波長板６０によって生成された分割領域６１〜６４から選択された分割領域６１、６２を、基板８０上に貼り合わせる。このとき、１枚目の波長板６０によって生成された分割領域６１、６２が連続して配置されないよう、周方向における隣の領域を開けておく。１枚目の波長板６０から分割された分割領域６１、６２を対角に配置させることが好ましい。すなわち、波長板６０において隣接する分割領域６１及び分割領域６２が、基板８０上では、離間して対角に配置される。
【００４５】
２枚目の波長板７０によって生成された分割領域７１〜７４の中から選択された分割領域７２、７３を基板に貼り付ける。ここでは、２枚目の波長板７０から選択された分割領域７２、７３が、分割領域６１、分割領域６２の隣に、配置される。すなわち、１枚目の波長板６０によって生成された分割領域６１、６２と円周方向に隣接するよう、２枚目の波長板７０なかから分割領域７２、７３が配置される。これにより、円周方向において、１枚目の波長板６０から分割された分割領域６１と分割領域６２との間に、２枚目の波長板７０から分割された分割領域７２、７３が配置される。そして、隣接する分割領域では、光学軸の方向が異なって配置される。このとき、波長板７０において隣接する分割領域７１及び分割領域７２が、基板８０上では、対角に離間して配置される。これにより、中心を挟んで対向する分割領域の光学軸が直交するよう配置される。すなわち、分割領域６１と分割領域６２とにおいて、波長板の光学軸は直交している。また、分割領域７２と分割領域７３とにおいて、波長板の光学軸は直交している。そして、分割領域６１と分割領域７２とにおいて、光学軸が４５°傾いている。
【００４６】
さらに、１枚目の波長板６０のうち、残った分割領域６３、６４をもう一方の基板８１上に貼り合わせる。すなわち、１枚目の波長板６０から分割された分割領域６１〜６４のうち、基板８０に貼り合わせられなかった分割領域６３、６４を基板８１に貼り合わせる。このとき、基板８０と同様に、分割領域６３と分割領域６４との間を離して、対角に配置する。従って、対向する分割領域６３、６４に設けられた一対の光学軸が、直交する。さらに、２枚目の波長板７０のうち、残った分割領域７１、７４を基板８１に貼り合わせる。すなわち、１枚目の波長板７０から分割された分割領域７１〜７４のうち、基板８０に貼り合わせられなかった分割領域７１、７４を基板８１に貼り合わせる。このとき、分割領域７１、７４はそれぞれ、対角に設けられた分割領域６３と分割領域６４との間に配置される。従って、円周方向において、１枚目の波長板６０から分割された分割領域６３と分割領域６４との間に、２枚目の波長板７０から分割された分割領域７１、７４が配置される。換言すると、円周方向において、１枚目の波長板６０から分割された分割領域と、２枚目の波長板７０から分割された分割領域とが１つずつ交互に配置される。
【００４７】
このように、１枚目の偏光制御素子の作成時に貼り合わせられずに残った分割領域を他の基板８１に貼り合わせて、２枚目の偏光制御素子を生産している。よって、材料費を低減することができ、生産性を向上することができる。
【００４８】
なお、分割領域を貼り合わせる順番は、限定されるものでない。例えば、円周方向に並ぶ順番に分割領域を貼り合わせていってもよい。このとき、１枚目の波長板６０の分割領域と２枚目の波長板７０の分割領域とが交互に貼り合わせられていく。これにより、貼り合わせ精度を向上することができる。もちろん、２枚の波長板から２つの偏光制御素子を形成する場合に限られず、複数の波長板から複数の偏光制御素子を形成することができる。本実施の形態において、分割数は４に限られるものではない。例えば、分割数は２以上とすることができる。もちろん、理想的なアジマス偏光状態、又は理想的なラディアル偏光状態と近づけるためには、分割数を増加させることが好ましく、分割数を８以上とすることが好ましい。
【００４９】
なお、偏光制御素子を製造するために用意する波長板の数は２枚に限られるものではない。例えば、４分割されている場合、４枚の波長板から１つずつ分割領域を選択して、貼り付けることによって、４つの偏光制御素子を製造することができる。すなわち、複数の波長板を切断することによって形成された分割領域の中から、複数の分割領域を選択する。このとき、それぞれの波長板から１つ以上の分割領域を選択する。そして、選択された複数の分割領域を基板に対して貼り付けていく。このとき、１枚目の波長板の分割領域から選択された分割領域と、円周方向において隣接するように他の波長板の分割領域から選択された分割領域を配置する。そして、周方向の全体が埋まるように、選択された所定の数の分割領域を貼り付けていく。次の偏光制御素子を形成するために、残った分割領域の中から一部、又は全部の分割領域を、選択する。そして、同様に基板に貼り付けていく。これを繰り返すことによって、波長板の数と同数の偏光制御素子を形成することができる。よって、材料費を低減することができ、生産性を向上することができる。もちろん、貼り合わを行なう際は、対向する分割領域に設けられている波長板の光学軸が直交するように配置する。
【００５０】
次に、本実施の形態にかかる偏光制御素子を用いた顕微鏡の構成について図５を用いて説明する。本実施の形態では、図５に示す第二高調波顕微鏡に偏光制御素子を用いている。第二高調波（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）顕微鏡について図５を用いて説明する。図５は、本実施形態におけるＳＨＧ顕微鏡の概略を示す構成図である。ＳＨＧ顕微鏡は、試料に所定波長の光を入射し、第二高調波発生（ＳＨＧ）を用いた光学顕微鏡である。ＳＨＧ顕微鏡は触媒反応表面、金属や半導体の微細構造など、様々な試料の観察に利用することがきるが、特に、医療やバイオテクノロジーの分野などにおける、細胞やたんぱく質レベルの構造もしくは機能の検出などに有効な手段である。ＳＨＧ光強度の像は分子の配向分布などを表し、非平衡な現象による分子濃度などのかたより、配向の分布のパターンなどが観察できる。生物体試料は非対称な生体分子から構成されており、そのＳＨＧ像は生物体内の特別な構造の分布を抽出観察するために有効である。多くの場合、第二高調波発光と共に、多光子励起蛍光が試料から生成される。本形態のＳＨＧ顕微鏡１は、試料が生成した第二高調波と共に、多光子励起蛍光を同時に観察することができる。多光子励起蛍光は、２光子以上の光子を同時に吸収することよる励起蛍光である。
【００５１】
図５において、１０はレーザ光源、１１はビームエキスパンダ、１３はビームスプリッタ、１４はガルバノミラー、１５はガルバノミラー、１６は入射側に配置された対物レンズ、１７は透過側に配置された対物レンズ、１８は入射光と同じ方向に伝播する第２高調波を検出するための光検出器、１９は入射光と反対方向に伝播する光検出器、２０はレンズ、２１は透過側の基本波カットフィルタ、２２は反射側の基本波カットフィルタ、３０は試料である。そして、１００が、図４（ｂ）で示された偏光制御素子である。
【００５２】
図５に示す構成のＳＨＧ顕微鏡では試料３０で発生して前方に伝播する第２高調波が光検出器１８で検出され、試料３０で発生して後方に伝播する第２高調波が光検出器１９で検出される。ここで前方とは入射光の伝播方向と同じ方向であり、後方とは入射光の伝播方向と反対方向である。なお、偏光制御素子１００を光路上に挿入可能に設けても良い。そして、偏光制御素子１００を挿入した状態で、後方に伝播する第２高調波を検出し、偏光制御素子１００を光路上から取り除いた状態で、前方に伝播する第２高調波を検出してもよい。
【００５３】
本形態のレーザ光源１０としては、第２次高調波と多光子蛍光の発生が可能なレーザ装置が使用される。例えば、生物細胞の観察などにおいて、モード・ロック・チタン・サファイア・レーザを使用した赤外光パルスなどを使用することができる。レーザ光波長、レーザ光強度、発振態様、繰り返し周波数、パルス幅などのレーザ光の特性は、試料や観察方法によって適切なものが選択される。
【００５４】
ビームエキスパンダ１１はレーザ光源１０からの光のビーム径を拡大して出射する。ビームエキスパンダ１１により拡大された光ビームは偏光制御素子１００に入射する。試料３０で発生し後方に伝播する第２高調波を検出するときは偏光制御素子１００を光路上に配置する。これにより、擬似ラディアル偏光を生成することができる。試料３０で発生し前方に伝播する第２高調波を検出するときは偏光制御素子１００を光路上から取り除く。この場合、直線偏光となる。この偏光制御素子１００は図４（ｂ）で示されたものである。偏光制御素子１００から出射した光はレンズ２０ａ、２０ｂにより屈折して、ビームスプリッタ１３に入射する。ビームスプリッタ１３に入射した光の一部はビームスプリッタ１３をそのまま透過してガルバノミラー１４に入射する。
【００５５】
ガルバノミラー１４により反射された光はレンズ２０ｃ、２０ｄにより屈折されてガルバノミラー１５に入射する。ガルバノミラー１４及びガルバノミラー１５はビームを走査して、試料の全面の観察、撮像を可能にする。ガルバノミラー１５により反射された光はレンズ２０ｅ、２０ｆにより屈折され、入射側の対物レンズ１６に入射する。対物レンズ１６は入射したレーザ光を集光して、試料３０に入射させる。
【００５６】
試料３０は、入射光によって、入射光の２倍の周波数を有する第二高調波と、多光子励起蛍光とを発光する。典型的な多光子励起蛍光は２光子励起蛍光である。試料３０から発光して前方に伝播する第２高調波及び多光子励起蛍光の内、試料３０を透過した透過光は、透過側の対物レンズ１７によって集められる。また、試料３０をそのまま透過した基本波も透過側の対物レンズ１７によって集光される。透過側の対物レンズ１７は、試料３０に関して、入射側の対物レンズ１６と反対側に配置されている。試料３０は、入射側の対物レンズ１６と透過側の対物レンズ１７の間に配置され、２つの対物レンズの焦点は、試料上で実質的に一致することが好ましい。
【００５７】
対物レンズ１７からの光は、レンズ２０ｇ、２０ｈにより屈折され、基本波カットフィルタ２１に入射する。基本波カットフィルタ２１は基本波及び多光子励起蛍光から第２高調波を分離する。すなわち、対物レンズ１７から基本波カットフィルタ２１に入射した光のうち、第２高調波のみが基本波カットフィルタ２１を透過する。基本波カットフィルタ２１は例えば、レーザ光源１０の出力光の波長域及び多光子励起蛍光の波長域を遮断するバンド・パス・フィルタもしくはローパス・フィルタなどによって構成することができる。あるいは光軸と傾斜して配置されたダイクロイックミラーであってもよい。この基本波カットフィルタ２１を第２高調波の波長域及び基本波の波長域を遮断するバンド・パス・フィルタ等に変えることにより多光子励起蛍光を検出することができる。
【００５８】
基本波カットフィルタ２１を透過した第２高調波は光検出器１８に入射する。光検出器１８に入射する光はレンズ２０ｈ等によって集光されて、光検出器１８の受光面に入射する。光検出器１８は例えば、ＣＣＤカメラなどの２次元光センサである。光検出器１８は微弱光である第２高調波を効果的に検出するため、イメージ・インテシファイアを備えることが望ましい。光検出器１８は入射光を検出し、ビデオ信号に変換する。このビデオ信号は画像処理を行う画像処理装置（図示せず）に入力され、ディスプレイ上に撮像された画像を表示する。
【００５９】
一方、試料３０から発生した第２高調波のうち、入射光の伝播方向と反対方向に放射された第２高調波は入射光と逆方向に伝播していく。すなわち、後方に放射された第２高調波は再度、対物レンズ１６に入射して、レーザ光源１０の方向に進行していく。この第２高調波は対物レンズ１６、レンズ２０ｆ及びレンズ２０ｅによって屈折され、ガルバノミラー１５に入射する。ガルバノミラー１５で反射された第２高調波はレンズ２０ｄ及びレンズ２０ｃで屈折され、ガルバノミラー１４に入射する。ガルバノミラー１４で反射された第２高調波はビームスプリッタ１３に入射される。ビームスプリッタ１３は入射した光のうちの一部を光検出器１９の方向に反射させる。ビームスプリッタ１３で反射した光はレンズ２０ｉ、２０ｊにより屈折され基本波カットフィルタ２２に入射する。基本波カットフィルタ２２は第２高調波と同じ方向に伝播してきた基本波及び多光子励起蛍光から第２高調波のみを分離する。すなわち、対物レンズ１６から基本波カットフィルタ２２に入射した光のうち、第２高調波のみが基本波カットフィルタ２２を透過する。基本波カットフィルタ２２は透過側の基本波カットフィルタ２１と同様のものを用いることができる。
【００６０】
そして、基本波カットフィルタ２１を透過した第２高調波は光検出器１９に入射する。光検出器１９に入射する光はレンズ２０ｊ等によって集光されて、光検出器１９の受光面に入射する。光検出器１９は例えば、ＣＣＤカメラなどの２次元光センサである。光検出器１９は微弱光である第２高調波を効果的に検出するため、イメージ・インテシファイアを備えることが望ましい。光検出器１９は入射光を検出し、ビデオ信号に変換する。このビデオ信号は画像処理を行う画像処理装置（図示せず）に入力され、ディスプレイ上に撮像された画像を表示する。
【００６１】
上記の偏光制御素子１００を光路上に配置することにより、試料３０で発生される第２高調波が後方に放射される。第２高調波が後方に放射されるメカニズムについて以下に説明する。まず、上述の偏光制御素子１００を光路上に配置した場合の効果について図６を用いて説明する。図６は第２高調波が後方に放射される原理を説明するため、上記の偏光制御素子１００から試料３０に照射されるまでの光の伝播の様子を模式的に示す図である。なお、図６では偏光制御素子１００と対物レンズ１６との間の構成については省略して図示している。
【００６２】
図４（ｂ）に示すような偏光制御素子１００を光路上に配置すると、上側の分割領域５１を透過した光と下側の分結領域５５を透過した光とで位相にずれが生じる。すなわち、上下に対向した配置された分割領域５１と分割領域５５とで光の位相が１８０°ずれる。レーザ光から直線偏光が出力されているとすると、電気ベクトルの直交する成分の位相は一致している。偏光制御素子１００によって、分割領域５１と分割領域５５とでは、電気ベクトルの位相が１８０°ずれることになる。すなわち上の分割領域５１と下の分割領域５５とで電気ベクトルの振動方向が反対方向になる。上の分割領域５１と下の分割領域５５とでは、偏光方向が反対方向となる。すなわち、上の分割領域５１を透過した光と下の分割領域５５を透過した光とは同じ直線上の直線偏光であるが、その振動の向きが反対となる。
【００６３】
図６の矢印はその位置における電気ベクトルの振動方向を二次元で模式的に示したものである。上述のように偏光制御素子１００を透過する前のレーザ光は直線偏光であるので全て同じ方向に電気ベクトルが振動している。そして、偏光制御素子１００を透過することによって、その位置に応じて電気ベクトルの振動方向が変化する。上の分割領域５１を透過した光の電気ベクトルは上方向に振動している。一方、下の分割領域５５を透過した光の電気ベクトルは下方向に振動している。なお、図６において、中心を透過する光の振動方向は説明のため上方向として図示している。
【００６４】
このような振動方向の光が対物レンズ１６により集光された場合について説明する。上の分割領域５１を透過した光は対物レンズ１６により下方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は図３に示すように右斜め上となる。中心を透過した光は対物レンズ１６により屈折されないので、振動方向はそのまま上方向のままである。下の分割領域５５を透過した光は対物レンズ１６により上方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は右斜め下となる。このように位置に応じて異なる振動方向を持つ光が試料上に集光される。
【００６５】
次に偏光制御素子１００を透過した光が対物レンズ１６により試料上に集光された状態について説明する。ここでは光の電気ベクトルの振動方向を光の進行方向に対して垂直な方向の成分と平行な方向の成分（ｚ成分）に分けて考える。なお、図６において、光の進行方向に対して垂直な方向を上下方向とし、光の進行方向に対して平行な方向を左右方向として説明する。
【００６６】
対物レンズ１６を透過した後において、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域５１では右斜め上で、下の分割領域５５では右斜め下であるため、上下方向の成分がそれぞれ反対である。これにより、試料上に集光された状態において、電気ベクトルの振動方向における上下方向の成分は、打ち消し合う。従って、光の進行方向と垂直方向の電気ベクトルの成分は略０となる。すなわち、試料上において、光の電気ベクトルは進行方向と垂直な方向に振動しなくなる。
【００６７】
一方、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域５１では右斜め上で、下の分割領域５５では右斜め下であるため、左右方向の成分が同じ右方向である。これにより、電気ベクトルの左右方向の成分については、上の分割領域５１と下の分割領域５５とで強め合う。従って、光の進行方向と平行方向の電気ベクトルの成分は右方向に強調される。すなわち、光の電気ベクトルは進行方向と平行な方向に振動していることになる。このように偏光制御素子１００によって位相がずれたレーザ光を対物レンズ１６で集光することによって、電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動した状態で、光を試料３０に照射することができる。
【００６８】
次に、電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動した状態で、光を試料３０に照射することによって、後方に第２高調波が発生する原理について図７及び図８を用いて説明する。図７は電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動した状態で、光を試料３０に照射したときの、第２高調波の放射パターンを模式的に示す図である。図８は電気ベクトルが進行方向と垂直な方向に振動した状態で、光を試料３０に照射したときの、第２高調波の放射パターンを模式的に示す図である。すなわち、図７は偏光制御素子１００が配置された本実施の形態にかかるＳＨＧ顕微鏡における第２高調波の放射パターンを示しており、図８は偏光制御素子１００が配置されていない従来のＳＨＧ顕微鏡における第２高調波の放射パターンを示している。
【００６９】
まず、偏光制御素子１００が配置されていないＳＨＧ顕微鏡における第２高調波の放射パターンについて図８を用いて説明する。偏光制御素子１００が配置されていない状態では、試料３０に照射される光の電気ベクトルは進行方向と垂直な方向に振動している。すなわち、偏光制御素子１００が配置されていない場合、光が対物レンズ１６で集光されても、進行方向と平行な方向な成分は打ち消し合い略０となる。進行方向と垂直な方向に振動している光が照射されると分極した分子が上下方向に振動する。これにより、図８に示すような放射パターン４０となり、前方に第２高調波が発生する。前方に発生された第２高調波は光軸に対して広がった放射パターン４０となる。すなわち、広がりを持った第２高調波が入射方向と同じ方向に発生する。
【００７０】
一方、偏光制御素子１００が配置された本実施の形態にかかるＳＨＧ顕微鏡における第２高調波の放射パターンについて説明する。本実施の形態では、偏光制御素子１００が配置されているため、試料３０に照射される光の電気ベクトルは進行方向と平行な方向に振動している。進行方向と平行な方向に振動している光が照射されると分極した分子が左右方向に振動する。すなわち、電気ベクトルの振動方向に応じて、分極された分子の振動方向が異なるものとなり、図８に示す放射パターン４０が９０°傾いた放射パターンになる。進行方向と垂直な方向に広がった放射パターン４０となり、図７に示すように後方に第２高調波が発生する。すなわち、広がりを持った第２高調波が入射方向と同じ方向に発生する。
【００７１】
ここで後方に放射される第２高調波の光量を高くするため、開口数の高い対物レンズ１６を用いることが好ましい。これにより、対物レンズ１６によって屈折される角度が大きくなり、進行方向と平行方向に振動する成分を大きくすることができる。例えば、図３に示すように対物レンズ１６で集光される光の角度をαとした場合、ｓｉｎα＝０．９〜０．９５となる対物レンズ１６を用いている。これにより、後方に放射される第２高調波の光量を十分なものとすることができる。また、第２高調波の光量を光検出器１９により検出可能にするには、ｓｉｎα≧０．５とすることが好ましい。すなわち、α≧３０°とすることにより、第２高調波の光量を光検出器１９により検出可能にすることができる。なお、上述のαの値は、例示的な値であり、レーザ光源の光量、光学系や光検出器等の性能に応じて変化するものである。
【００７２】
このように入射光の進行方向と反対方向に放出された第２高調波は、対物レンズ１６等を介して光検出器１９に入射される。そして、後方に放射された第２高調波の画像が光検出器１９により撮像される。これにより、半導体等の不透明な試料や生体等の厚みのある試料に対してＳＨＧ光像を容易に撮像することができ、ＳＨＧ顕微鏡の利用分野を拡大することができるようになる。
【００７３】
また、上記の偏光制御素子１００は、ＳＨＧ顕微鏡に限らず、分子配向検出用のレーザ走査蛍光顕微鏡、ラマン顕微鏡、近接場顕微鏡に利用することが可能である。さらに、顕微鏡の高分解能化のために、上記の偏光制御素子１００を用いることも可能である。このように、レーザ光源からのレーザ光を偏光制御素子１００に入射させ、偏光制御素子１００から出射されたレーザ光を対物レンズで集光して試料に照射する。これにより、レーザ顕微鏡で、レーザ光のｚ成分を大きく、又は小さくすることができる。従って、レーザ顕微鏡の利用分野を拡大することができる。また、レーザ顕微鏡に限らず、直線偏光を入射させる顕微鏡でもよい。
【００７４】
次に、上記の偏光制御素子１００による偏光状態について図９、図１０及び図１１を用いて説明する。図９は、本実施の形態にかかる偏光制御素子によって生成された擬似ラディアル偏光状態の光ビームを集光した時の電気ベクトルのｚ成分を測定した結果を示す図である。図１０は、本実施の形態にかかる偏光制御素子によって生成された擬似アジマス偏光状態の光ビームを集光した時の電気ベクトルのｚ成分を測定した結果を示す図である。図１１は、本実施の形態にかかる偏光制御素子を用いていないときの測定結果を示す図である。
【００７５】
図９に示すように、擬似ラディアル偏光状態を集光すると、中心部分（ｘ＝４００ｎｍ、ｙ＝５００ｎｍ近辺）の近傍でｚ成分が高くなっている。すなわち、光軸上でｚ成分が強くなっている。一方、図１１に示すように、通常の直線偏光では、中心近傍で、ｚ成分が弱くなる。なお、通常の直線偏光では、中心近傍から離れると集光される光に位相差が生じるため、中心近傍からｘ方向に離れた位置で、電気ベクトルｚ成分が高くなる。また、擬似ラディアル状態から９０°偏光制御素子１００を回転させると擬似アジマス偏光状態となる。擬似アジマス偏光状態では、ｚ成分が弱くなり、ｘｙ空間で略均一になる。このように、上記の偏光制御素子１００で、所望の偏光状態を生成することを確認することができた。
【００７６】
なお、電気ベクトルのｚ成分の測定方法としては、例えば、「Ｙ．Ｓａｉｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ４１０（２００５）１３６−１４１  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ｔｉｐ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｒａｍａｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ａｐｐｌｉｅｄ  ｔｏ  ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅｓ」に記載されている方法を用いることができる。この方法では、集光する試料の裏面側に近接場プローブを配置する。そして、試料面に沿って近接場プローブを走査する。これにより、電気ベクトルのｚ成分の空間分布を検出することができる。このように、本実施の形態にかかる偏光制御素子によって所定の偏光状態、すなわち、擬似ラディアル偏光、及び擬似アジマス偏光を実現できることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる偏光制御素子の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる偏光制御素子から出射される光の偏光状態を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる偏光制御素子から出射される光の別の偏光状態を模式的に示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる偏光制御素子の製造工程を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２にかかる偏光制御素子が用いられたＳＨＧ顕微鏡の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる偏光制御素子から出射された光の振動方向を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかるＳＨＧ顕微鏡で、擬似ラディアル偏光を集光したときの第２高調波の放射パターンを示す図である。
【図８】通常の直線偏光を集光した光の偏光状態を測定したときの測定結果を示す図である。
【図９】本実施の形態２にかかる偏光制御素子により生成した擬似ラディアル偏光状態のｚ成分を測定したときの測定結果を示す図である。
【図１０】本実施の形態２にかかる偏光制御素子により生成した擬似アジマス偏光状態のｚ成分を測定したときの測定結果を示す図である。
【図１１】直線偏光を集光したときのｚ成分を測定したときの測定結果を示す図である。
【図１２】ラディアル偏光とアジマス偏光の説明するための図である。
【符号の説明】
【００７８】
１  ＳＨＧ顕微鏡、１０  レーザ光源、１１  ビームエキスパンダ、
１３  ビームスプリッタ、１４  ガルバノミラー、１５  ガルバノミラー、
１６  対物レンズ、１７  対物レンズ、１８  光検出器、１９  光検出器、
２０  レンズ、２１  基本波カットフィルタ、２２  基本波カットフィルタ、
３０  試料、４０  放射パターン、５０  基板、５１〜５８  分割領域、
６１〜６４  分割領域、７１〜７４  分割領域、８０  基板、８１  基板、
１００  偏光制御素子、
【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１２】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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