(57)【要約】【課題】光学機器内の光束の発散角を検知でき、正確な焦点位置を簡易に検出することができる光学機器を提供する。【解決手段】入射光に螺旋状の位相を付加する位相素子と、位相素子により螺旋状の位相が付加された光を集光する集光手段と、集光手段により集光された光を検出する検出手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に螺旋状の位相を付加する位相素子と、
前記位相素子により螺旋状の位相が付加された光を集光する集光手段と、
前記集光手段により集光された光を検出する検出手段とを備えることを特徴とする光学機器。
【請求項２】
前記検出手段の光の入射方向における検出面手前に開口手段を備えることを特徴とする請求項１記載の光学機器。
【請求項３】
前記集光手段は、前記位相素子に備えられることを特徴とする請求項１又は２記載の光学機器。
【請求項４】
前記位相素子は、片面に螺旋構造を有し、前記片面又は裏面に反射膜を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項５】
前記位相素子は、空間位相変調器であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項６】
前記位相素子は、入射光の波長の整数倍の最大位相差を付加することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の光学機器と、
光源と、
被照射物を置くためのステージと、
前記光源から発生した光を前記被照射物上に集光する第２の集光手段と、
前記被照射物から反射した光を前記位相素子に出射する光学系とを備えることを特徴とする光学装置。
【請求項８】
前記検出手段にて検出した光量から前記被照射物の焦点位置を検出し、前記焦点位置に合うように前記ステージを制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の位相を制御する位相変調素子を有する光学機器及び光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡や光ディスク駆動装置等に代表される光学装置では、被照射物面と焦点面との間に共役の位置関係が成り立つように、精密に位置合わせをするための技術的手段が提案されている。
【０００３】
例えば、代表的な顕微鏡としてレーザ走査型顕微鏡について説明する。図１８に、レーザ走査型顕微鏡の構成図を示す。レーザ走査型顕微鏡は、レーザ光を発生する光源１と、コリメート光学系２と、ダイクロイックミラー３と、スキャンミラー４と、中間結像レンズ５と、対物レンズ６と、試料７を置くためのステージ８と、結像レンズ１０と、吸収フィルタ１１と、ピンホール１２と、フォトディテクタ１３と、制御部１４とを備える。
【０００４】
コリメート光学系２は、光源１から発するレーザ光の光路上に備えられ、光源１から発せられたレーザ光を平行光にする。ダイクロイックミラー３は、コリメート光学系の出力側に備えられ、レーザ光を反射し、試料７から蛍光する特定の光を透過する役割をもつ。
【０００５】
ダイクロイックミラーは、試料７から発せられる光の蛍光画像を得る場合に用いられるが、試料７から反射する光の反射像を得る場合にはハーフミラーが用いられる。
【０００６】
スキャンミラー４は、光源１から発したレーザ光のダイクロイックミラー３による反射光路上に備えられ、試料７上に集光されるレーザ光を２次元方向に走査する。
【０００７】
中間結像レンズ５及び対物レンズ６は、スキャンミラー４によって２次元走査されたレーザ光の光路上に備えられ、レーザ光を試料７の焦点位置に集光される。ステージ８上には試料７が置かれ、制御部１４によって試料７の観察する部位にレーザ光が照射されるように自動制御される。試料７から発せられる光は上記と逆の光路をたどり、ダイクロイックミラー３まで戻る。
【０００８】
試料７から発せられダイクロイックミラー３まで戻った光は、ダイクロイックミラー３を透過する。結像レンズ１０、吸収フィルタ１１、ピンホール１２、フォトディテクタ１３は、それぞれ該透過光路上に備えられる。吸収フィルタ１１は、試料７から発せられた光において検出を行う波長を選択する。ピンホール１２は、対物レンズ６の焦点と光学的に共役の位置に備えられ、試料７から発した光のうちの合焦した成分を通過させ、非合焦の成分を遮断するため、高い空間分解能を得られるようにする。フォトディテクタ１３は、ピンホール１２を通過した光の強度を検出し、電気信号に変換出力する。
【０００９】
制御部１４は、ピンホール１２を透過する光の強度が最大、すなわち、試料７が合焦位置となるように、フォトディテクタ１３から出力された電気信号の値をもとに、対物レンズ６に取り付けられた静電駆動型の自動ステージを動作させる。
【００１０】
図１９（ａ）は、試料７が合焦位置に配置されているとき、一方、図１９（ｂ）は、試料７が非合焦位置に配置されたときのレーザ光の光路図を示す。
【００１１】
試料７が非合焦位置にある場合には、図１９（ｂ）で示すようにレーザ光はある発散角度をもって結像レンズ１０に入射するため、ピンホール１２上で合焦にはならない。一方、試料７が合焦位置にある場合には、レーザ光の発散角度は、限りなくゼロに近くなる。すなわち、発散角が最小の時にはレーザ光は限りなく平行光に近くなり、図１９（ａ）で示すようにピンホール１２上で合焦となる。
【００１２】
上記のようなレーザ走査型顕微鏡では、レーザ光の強度分布はエルミートガウシアンであるため、非合焦位置における光の強度変化が緩やかであり、精度良く合焦位置を合わせるのが難しいといった課題がある。また、精度良く合焦位置を合わせるためにピンホールを用いると、試料からの蛍光や反射光が微弱であるときには、フォトディテクタでの光の検出が難しいといった課題がある。
【００１３】
そこで例えば特許文献１では、高さ測定の分解能の向上とともに、良質なコントラストの画像を得るために、レーザ光の光路を第２のビームスプリッタによって分割し、それぞれの反射光を互いに干渉させ、干渉パターンをピンホールを介して検出を行っている。
【００１４】
また、他の光学装置として光ディスクの駆動装置について説明する。図２０は、光ディスクの駆動装置における構成図である。光ディスクの駆動装置は、レーザ光を射出する光源２０と、コリメートレンズ２１と、偏光ビームスプリッタ２２と、λ/4波長板２３と、対物レンズ２４と、集光レンズ２６と、シリンドリカルレンズ２７と、フォトディテクタ２８と、制御部２９とを備える。
【００１５】
コリメートレンズ２１は、光源２０から出射されたレーザ光を平行光とし、平行光とされた光路上には、偏光ビームスプリッタ２２、λ/4波長板２３、対物レンズ２４、及び光ディスク２５が備えられる。偏光ビームスプリッタ２２は、ある直線方向（Ｘ方向とする）は透過し、Ｘ方向に直交する方向（Ｙ方向とする）は、反射するビームスプリッタであり、コリメートレンズ２１にて平行光とされたレーザ光（Ｘ方向に直線偏光）には透過するように設定されている。
【００１６】
λ/4波長板２３は、偏光ビームスプリッタ２２を透過したレーザ光をＸ方向の直線偏光から円偏光へと偏光変換する。対物レンズ２４は、円偏光されたレーザ光を光ディスク２５上に集光し、読み書きを行なう。
【００１７】
光ディスク２５から反射されたレーザ光は、上記と逆の光路をたどってλ/4波長板２３を透過する。この時、円偏光からＹ方向の直線偏光へと偏光変換され、偏光ビームスプリッタ２２で反射される。
【００１８】
偏光ビームスプリッタ２２で反射されたレーザ光は、集光レンズ２６とシリンドリカルレンズ２７によって集光される。フォトディテクタ２８は、集光された光を検出し、電気信号へと変換する。シリンドリカルレンズ２７は、一次元方向にのみ集光するレンズであり、レーザ光が集光レンズ２６とシリンドリカルレンズ２７を透過すると、Ｘ方向とＹ方向で合焦位置が異なることになる。
【００１９】
フォトディテクタ２８の表面は、正方形が４分割されており、受光面には４分割にするための十字状の境界線がある。図２１（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、フォトディテクタ２８の表面上における４分割受光面３１にレーザ光３２を受光させたときの模式図である。図中の実線がＸ方向の直線偏光であり、点線がＹ方向の直線偏光である。４分割受光面３１はＸ方向に対して４５°傾けて配置される。
【００２０】
シリンドリカルレンズ２７は、Ｙ方向のみを集光させ、４分割受光面３１ａが検出する光強度をＡ、３１ｂが検出する光強度をＢ、３１ｃが検出する光強度をＣ、３１ｄが検出する光強度をＤとすると、制御部２９は（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）で表される信号強度を焦点検出の判定に用いる。
【００２１】
すなわち、図２１（ａ）のように、集光レンズ２６に入射するレーザ光が平行光のときには、（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）＝０となる。一方、図２１（ｂ）及び（ｃ）のように、光ディスクから反射したレーザ光がある発散角量をもっていると、（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）≠０となる。そこで、制御部２９は（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）＝０となるように対物レンズ２４の位置を調節することで、光ディスクの合焦位置の検出を行っている。
【００２２】
しかしながら、４分割受光素子を用いた入射光の発散角の検出では、受光素子の中心を光軸中心に調節する必要があると共に、各受光素子の受光感度を調整する必要があるといった課題がある。
【００２３】
そこで例えば特許文献２では、被照射物からの反射光における像に非点収差を発生させ、該像における非円形性から被照射物の合焦位置を検出している。
【特許文献１】特開２００７−２１９２３９号公報
【特許文献２】特開２００１−７４４４６号公報
【非特許文献１】Optical processing with vortex-producing lenses (Applied optics/Vol43,No6/20 February 2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
上記で説明したようなレーザ走査型顕微鏡、及び光ディスクの駆動装置などの光学装置において、レーザ光の強度分布はエルミートガウシアンである。そのため、特許文献１においては、非合焦位置における光の強度変化は緩やかであり、合焦位置を合わせるためにピンホールを用いた場合には、試料からの蛍光や反射光が微弱であると光の検出が難しいといった課題がある。
【００２５】
また、特許文献２では、最も強度が高いのはビームプロファイルの中心であるが、受光面の中心が境界線であるため受光することができなく、光量を効率的に利用できないといった課題がある。
【００２６】
そこで本発明は、光学機器内の光束の発散角を検知でき、正確な焦点位置を簡易に検出することが可能な光学機器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記課題を解決するため、本発明における光学機器は、入射光に螺旋状の位相を付加する位相素子と、位相素子により螺旋状の位相が付加された光を集光する集光手段と、集光手段により集光された光を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【００２８】
検出手段の光の入射方向における検出面手前に開口手段を備えることを特徴とする。
【００２９】
集光手段は、位相素子に備えられることを特徴とする。
【００３０】
位相素子は、片面に螺旋構造を有し、片面又は裏面に反射膜を有することを特徴とする。
【００３１】
位相素子は、空間位相変調器であることを特徴とする。
【００３２】
位相素子は、入射光の波長の整数倍の最大位相差を付加することを特徴とする。
【００３３】
また、本発明における光学装置は、上記いずれかに記載の光学機器と、光源と、被照射物を置くためのステージと、光源から発生した光を被照射物上に集光する第２の集光手段と、被照射物から反射した光を位相素子に出射する光学系とを備えることを特徴とする。
【００３４】
検出手段にて検出した光量から被照射物の焦点位置を検出し、焦点位置に合うようにステージを制御する制御手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明により、ラゲールガウシアン光を検出することで、入射光の発散角を高精度に測定でき正確な焦点位置を簡易に検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図１は、本発明の実施形態における光学機器の構成図である。本実施形態における光学機器は、入射光１０１に螺旋状の位相を付加する位相素子１０２と、集光手段１０３と、検出手段１０４と、外部接続機器１０５とを備える。
【００３７】
入射光１０１は、ヘリウムネオンレーザ光であって、光学機器に入射する手前でコリメートされている。また、入射光１０１はエルミートガウシアン光となっており、図４（ａ）に示すように丸型の強度分布を有する。図４（ｂ）は、入射光１０１の位相を示しており、エルミートガウシアン光は位相がそろって伝播するため、等位相面１１０は光軸１１１に対して垂直の平面となる。
【００３８】
入射光に螺旋状の位相を付加する位相素子１０２は、原点を中心とし、偏角を関数にして入射光に位相分布をもたせる素子で、光渦発生素子として知られ、原点（光軸に相当）を中心にして、位相を螺旋状に連続的に変化させる。
【００３９】
集光手段１０３は、位相素子１０２の出射側に備えられ、入射光１０１を集光する。集光手段としては、レンズや凹面ミラー等が用いられるが、本実施形態ではレンズを用いる。光学機器の小型化のためには、位相素子１０２と集光手段１０３の距離はできるだけ近い方がよい。また、光学機器の光感度を上げるためにレンズの口径は入射光１０１の口径よりも大きい方が望ましい。さらに同理由により、レンズの開口数はできるだけ高い方が望ましい。
【００４０】
検出手段１０４は、集光手段１０３の出射側に備えられ、集光された光の検出を行う。検出手段としては、フォトディテクタやＣＣＤ、ＣＭＯＳ等が用いられるが、実施形態においてはフォトディテクタを用いる。光学機器の光検出の感度を高めるためには、フォトディテクタの検出面の大きさｈは、集光面での入射光の口径と同値であることが望ましく、入射光１０１が回折限界まで集光できるならば、入射光１０１の波長λ、入射光の口径をｄ、レンズの焦点距離をｆとすると、次式を満たすｈが好ましい。
【００４１】
【数１】
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【００４２】
しかしながら、フォトディテクタの検出面の大きさは、メーカーにより規格が決まっているため、安価で標準的なフォトディテクタを用いることを前提に考えれば、最適なｈに近い大きさのフォトディテクタを選択すれば良い。
【００４３】
フォトディテクタの検出面の大きさが、集光位置でのビームの口径よりもはるかに大きくなるような、さらに安価なフォトディテクタを用いるのであれば、図２で示すようにフォトディテクタの検出面手前にピンホール１０６を置くと良い。ピンホール１０６は、数１を満たす大きさｈ’とすることで、安価なフォトディテクタを用いて高精度な検出を行うことが可能となる。
【００４４】
外部接続機器１０５は、検出手段１０４からの光信号に対応する電気信号を可視化するための機器であり、オシロスコープやパーソナルコンピュータが一般的に用いられる。本実施形態ではオシロスコープを用いており、入射光１０１の光強度がオシロスコープによって電圧値として出力される。
【００４５】
図３は、位相素子１０２及び集光手段１０３の替わりに、入射光に螺旋状の位相を付加する位相素子に集光レンズの機能を持たせた集光光渦発生素子１０７を備える光学機器の構成図である。集光光渦発生素子１０７は、集光の位相変化量φ1、螺旋状の位相変化量φ2として、φ1＋φ2の位相変化量を入射光に与える素子であり、素子数の減少により光学機器の小型化を実現することが可能である。
【００４６】
上記の主な素子構造としては、非文献文献１に詳しく述べられている。
【００４７】
図５（ａ）は、光渦発生素子の入射面の模式図である。白色が最も位相変調量が大きい領域(該位相変調量をφmaxとする)、黒色が最も位相変調量が低い領域であり(該位相変調量をφminとする)、黒色から白色へのグラデーションによって、位相の連続的変化を表現している。
【００４８】
図５（ｂ）は、光渦発生素子の一例を示す。光渦発生素子１２０は、合成石英などの透明部材から成り、光渦発生素子１２０の片面に螺旋構造を有する。ＸＹ平面に置かれる光渦発生素子１２０に対して、−Ｚ方向から入射光１２１が入射する。入射光１２１は、光渦発生素子１２０を透過することで、螺旋状の位相が付加される。そのため、螺旋構造面は入射光の口径よりも大きく作製し、入射面全体を透過させるのが望ましい。
【００４９】
透明部材表面の螺旋構造の作製手法は、フォトリソグラフィが主流である。また、容易、且つ安価に光学素子を作製する手法の一つとして、マスクレスリソグラフィを利用することもできる。マスクレスリソグラフィでは、マスクに空間光変調器を用いるため、マスクを作製する必要が無い。マスクレスリソグラフィの空間光変調器に、図５（ａ）に示すような光渦発生素子の入射面に対応するグレースケール画像を表示させ、リソグラフィを行うことで、透明部材になだらかな螺旋構造を容易、且つ安価に作製可能である。
【００５０】
図５（ｂ）で示す螺旋構造面は、連続的なスロープにて一周する面構造を有しているが、図５（ｃ）で示すように階段形状にして螺旋構造面を作製しても良い。連続的な螺旋形状面と比較すれば、階段形状面の方が作製は容易であるため、大量生産を考慮すれば階段形状の方が好ましい。
【００５１】
しかしながら、階段形状では、階段の段差から入射光に位相の飛びが生じるため、出射光は段差部分から不要な回折光が生じてしまう。そのため、光利用効率の観点からすれば、連続的な螺旋形状の方が好ましい。階段形状を作製するのであれば、階段の段差を小さくし、不要な回折光を軽減するために少なくとも４段以上の階段数を有することが望ましい。
【００５２】
また、光渦発生素子の片面に反射膜を成膜し、光渦発生素子を反射型で使用することも可能である。図６は、反射型光渦発生素子における構成図を示す。
【００５３】
図６（ａ）において、光渦発生素子は透明部材１２２から成り、表面には螺旋構造１２３が形成される。透明部材１２２における螺旋構造１２３の対面側には、反射膜１２４が成膜され、透明部材１２２を透過した光を反射膜１２４で反射させる。反射膜１２４は、アルミや銀、金等などの金属であって、入射波長に対して反射率の高い金属である。成膜は、スパッタや蒸着などの一般的な手法を用いれば良い。
【００５４】
図６（ａ）で示す反射型光渦発生素子は、螺旋構造の一周の段差は入射光の往路と復路を考慮すれば、透過型光渦発生素子の螺旋構造の一周の段差の半分で良いため、透過型光渦発生素子に比べて作製が簡易である。
【００５５】
また、図６（ｂ）で示すように螺旋構造１２３上に反射膜１２４を成膜させることも可能である。
【００５６】
図７は、本発明の実施形態における反射型光渦発生素子を用いた光学機器の構成図である。本光学機器は、偏光ビームスプリッタ１２５と、λ/4波長板１２６と、反射型光渦発生素子１２７と、集光レンズ１２８と、フォトディテクタ１２９とを備える。
【００５７】
先ず、Ｚ方向から入射する入射光は、光路上に備えられた偏光ビームスプリッタ１２５を透過する。その際、入射光の偏光方向を、偏光ビームスプリッタを透過する偏光方向に設定しておくと望ましい（図ではＸ方向の直線偏光とする）。λ/4波長板１２６、及び反射型光渦発生素子１２７は、偏光ビームスプリッタ１２５の透過側に備えられ、λ/4波長板１２６は、Ｘ方向の直線偏光から円偏光に変える。反射型光渦発生素子１２７は、円偏光に変えられた入射光に螺旋状の位相を付加し、反射する。
【００５８】
反射光は上記と逆の光路をたどり、λ/4波長板１２６にて円偏光からＹ方向の直線偏光に変えられ、偏光ビームスプリッタ１２５にて−Ｘ方向に反射される。集光レンズ１２８は、該反射光を集光し、フォトディテクタ１２９にて検出が行われる。
【００５９】
反射型光渦発生素子を用いた光学機器は、透過型光渦発生素子に比べて、光学機器の筐体のアスペクト比を１：１に作りやすいため、容積を小さく設計することが可能となる。
【００６０】
次に、光渦発生素子を透過したエルミートガウシアン光について詳細に説明する。
【００６１】
図５（ｂ）の光渦発生素子において、透明部材の屈折率n、螺旋構造の一周した段差をｄとすると、次式が成り立つ。
【００６２】
【数２】
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【００６３】
入射光であるエルミートガウシアン光が螺旋状の位相を付加する位相素子を透過すると、図８（ａ）に示すようなドーナツ状の強度分布となり、図８（ｂ）に示すように、等位相面１１１は螺旋状となる。このように等位相面が螺旋状の光は、ラゲールガウシアン光として知られている。
【００６４】
ラゲールガウシアン光の波動関数Ψは、円筒座標系（ρ,φ,z）におけるヘルムホルツ方程式の解として、以下のように記述される。
【００６５】
【数３】
2009300486.tif 000005
【００６６】
【数４】
2009300486.tif 000006
【００６７】
ここで、ωはｚにおける光の口径、Ｒは波面の曲率、ｋは波数、Ｌρ|m|はラゲール関数、ｍはモードの次数である。
【００６８】
図９に示すように、ラゲールガウシアン光はｍの次数が大きくなるにつれて、ドーナツ状の口径が大きくなることが知られている。図１０は、ｍ＝０からｍ＝３のラゲールガウシアン光が８０ｍ伝播したときの強度分布の計算結果を示す図である。縦軸は強度、横軸は位置を示す。図１０による結果からも次数ｍが大きくなるにつれて、ドーナツ状の口径が大きくなることが分かる。
【００６９】
そのため、光渦発生素子に液晶などの空間位相変調器を利用すると、外部入力による電気信号によって液晶表示部での位相変調を自在に行うことができ、ラゲールガウシアン光の口径を可変することができる。すなわち、入射光のラゲールガウシアン光に変換後の開口数を自在に変えることができ、入射光の特性に依存しない汎用性に富んだ光学機器を提供することが可能となる。
【００７０】
また、光のエネルギーは等位相面に垂直に進むので、ラゲールガウシアン光の光エネルギーは渦状に光軸を進むことになり、螺旋状の位相が付加されたラゲールガウシアン光は光渦（optical vortex）と呼ばれる。
【００７１】
光渦の特徴として、数３よりexp(imφ)という位相因子から、光渦の中心は位相が不確定となるために位相特異点が表れる。そのため、光渦発生素子からの出射光の強度分布は中心がゼロとなり、その結果ドーナツ状の強度分布となる。また、光の波面を回すことで、光に軌道角運動量を持たせることができる。その応用として、光渦内に微粒子をトラップし、空間的に制御するといった光ピンセットが知られている。（特表２００５−５２８１９４）
【００７２】
図１１は、最大位相差Φmax（数２のφmax−φmin、数３のmφに相当）を変えた時のラゲールガウシアン光の強度分布を示す。なお、本強度分布は波動光学シミュレーションソフトを用いて算出している。
【００７３】
図１１において（ａ）はΦmax＝０、（ｂ）はΦmax＝π、（ｃ）はΦmax＝３π/２、（ｄ）はΦmax＝２π、（ｅ）はΦmax＝５π/２の時の強度分布をそれぞれ示している。上記結果から分かるように、最大位相差が２πとなったときが最も正対称なドーナツ型の強度分布となる。
【００７４】
図１１における結果と、図９の結果とを合わせると、入射光の波長の整数倍の最大位相差を与える光渦発生素子が、本発明の実施形態における光学機器にとって最も良好な素子となる。
【００７５】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、発散角度を持った入射光１０１が光学機器に入射したときの模式図である。集光手段１０３を通過した光の焦点位置は、検出手段１０４であるフォトディテクタの前後にシフトする。そのため、フォトディテクタの検出面では入射光の口径が大きく、検出面から入射光が外れることになり、外部接続機器１０５への信号出力が弱くなる。このとき、信号強度は発散角の関数として表されるため、入射光の発散角を検出することが可能である。
【００７６】
発散角検出における主な利用法として、光源から出たレーザ光をコリメートレンズによって最も平行にする(以下、平行光)ための光学系の調節に用いることができる。図１３は、光源１０８から発するレーザ光をコリメートレンズ１０９によって平行光としたときの模式図である。
【００７７】
コリメートレンズ１０９を通過したレーザ光１０１が、光学機器に入射したら、まずはレーザ光１０１の光軸と光学機器の光軸が合うように、入射光の入射面（ＸＹ面）を調節し、外部接続機器１０５の信号出力が最大となるように、光学機器の位置を調節する。そして、レーザ光１０１が平行光となるようにコリメートレンズ１０９を光軸方向（Ｚ方向）に調節する。
【００７８】
図１４にエルミートガウシアン光とラゲールガウシアン光との比較図を示す。図１４（ａ）〜（ｄ）は、入射光１３０がフォトディテクタの検出面１３１に照射された時の模式図を示し、図１４（ａ）及び（ｂ）の入射光１３０は、エルミートガウシアン光であり、（ａ）は、平行光である。（ｂ）は、入射光１３０が非平行光であるため、検出面１３１から外れて、検出できる光量が落ちてしまっている。
【００７９】
図１４（ｃ）及び（ｄ）の入射光１３２は、ラゲールガウシアン光であり、（ｃ）は、平行光である。このとき、検出面１３１内に入射光の口径が収まるため、検出できる光量は図１４（ａ）の場合と同等である。しかし、（ｄ）のように、入射光１３２が非平行光で検出面１３１から外れると、図１４（ｂ）に比べ相対的な光量のロスが大きくなる。そのため、ラゲールガウシアン光の方が発散角度の変化量を感度良く検出することができる。そこで、本発明の実施形態における光学機器は、入射光をラゲールガウシアン光に変換して光検出を行うことを特徴とする。
【００８０】
図１５は、図１３で示す光学機器において検出手段１０４の検出位置を光軸方向にシフトさせたときの光量の測定結果を示す図である。光学系の詳細は、入射光はＨｅ−Ｎｅレーザで波長６３２．８ｎｍ、レーザ口径２ｍｍ、レンズＮＡ０．２８、フォトディテクタの検出面の大きさ１ｍｍ2である。また、光渦発生素子には、透明部材に合成石英（屈折率１．４５７）を用いて、数２より螺旋構造面の高さ１３８４ｎｍを目標に光渦発生素子を作製し、ｍ＝１のラゲールガウシアン光を発生させている。
【００８１】
図１５の横軸はフォトディテクタの位置、縦軸は光量を表す。横軸の原点は、光量が最大となる位置、すなわち、入射光の焦点位置である。上述したように、フォトディテクタの位置を光軸方向にシフトさせることは、平行光から非平行光へと変化させたときと同等である。図１５の結果から分かるように、エルミートガウシアン光よりもラゲールガウシアン光の方が、検出位置のシフトに対する光量の変化量が大きい。
【００８２】
図１６は、本発明の実施形態における光学装置の構成図である。光学装置は、加工装置や光ディスク駆動装置、顕微鏡等に幅広く応用することが可能である。
【００８３】
本実施形態における光学装置は、光学機器２１０である光渦発生素子２０５と、集光レンズ２０６と、フォトディテクタ２０７と、光源２００と、光源２００から発生した光２０１を被照射物２０３上に集光する集光手段２０２と、被照射物２０３から反射された光を光学機器２１０に入射する光学系２０４と、ステージ２０８と、制御部２０９とを備える。
【００８４】
光源２００は、加工装置であればエキシマレーザや水銀ランプ等、光ディスク駆動装置であれば半導体レーザ等、顕微鏡であればレーザやランプ等が用いられる。光源２００から出射した照射光２０１を平行光にする必要がある場合には、光源２００の直後にコリメートレンズが備えられる。
【００８５】
集光手段２０２は、主に対物レンズが用いられる。被照射物２０３から反射した反射光は、入射光と逆の光路をたどり、光学系２０４により光学機器２１０へと導かれる。光学系２０４は、加工装置や光ディスク駆動装置であればハーフミラーやλ/4波長板＋偏光ビームスプリッタ等、顕微鏡であればダイクロイックミラーやハーフミラー等が用いられる。
【００８６】
図１７は、他の実施形態における光学装置の構成図である。本装置は、光学系２０４の替わりに片面ミラー２１１を有する。すなわち、被照射物２０３からの反射光は、入射光と逆の光路をたどらずに、片面ミラー２１１によって光学機器２１０に導かれる。
【００８７】
一方、光学機器２１０は上述のとおり、光渦発生素子２０５と、集光レンズ２０６と、フォトディテクタ２０７とから構成され、反射光の発散角を検出することが可能である。
【００８８】
制御部２０９は、コンピュータ端末であり、フォトディテクタ２０７からの電気信号を出力し、フォトディテクタ２０７で検出した光量をモニタすることができる。また、被照射物２０３が置かれたステージ２０８は、光学機器２１０によって被照射物２０３の焦点位置を検出し、自動制御される。
【００８９】
以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の広範囲な趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施形態に係る光学機器の構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る光学機器の構成図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る光学機器の構成図である。
【図４】エルミートガウシアン光の模式図である。
【図５】光渦発生素子の模式図である。
【図６】光渦発生素子の構成図である。
【図７】反射型光渦発生素子を用いた光学機器の構成図である。
【図８】ラゲールガウシアン光の模式図である。
【図９】ラゲールガウシアン光のモードの次数による強度分布を示す図である。
【図１０】ラゲールガウシアン光のモードの次数による強度分布を示す図である。
【図１１】ラゲールガウシアン光の最大位相差による強度分布を示す図である。
【図１２】発散角度を持った入射光が光学機器に入射した際の模式図である。
【図１３】光学機器への入射光を平行光とする際の構成図である。
【図１４】フォトディテクタの検出面に照射されたエルミートガウシアン光とラゲールガウシアン光との比較図である。
【図１５】入射光の検出位置の違いによる光量の測定結果を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る光学装置の構成図である。
【図１７】本発明の他の実施形態に係る光学装置の構成図である。
【図１８】従来のレーザ走査型顕微鏡における構成図である。
【図１９】レーザ光の光路図である。
【図２０】従来の光ディスクの駆動装置における構成図である。
【図２１】フォトディテクタの４分割受光面にレーザ光を受光させたときの模式図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０１    入射光
１０２    光渦発生素子
１０３    集光手段
１０４    検出手段
１０５    外部接続機器
１０６    ピンホール
１０７    集光光渦発生素子
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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