特許 6742207 光束分割素子及び顕微鏡装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6742207

(24)【登録日】2020年7月30日

(45)【発行日】2020年8月19日

(54)【発明の名称】光束分割素子及び顕微鏡装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/00 20060101AFI20200806BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20200806BHJP

   G02F 1/13357 20060101ALN20200806BHJP

【ＦＩ】

   G02B21/00

   G02F1/13 505

   !G02F1/13357

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-181795(P2016-181795)

(22)【出願日】2016年9月16日

(65)【公開番号】特開2018-45187(P2018-45187A)

(43)【公開日】2018年3月22日

【審査請求日】2019年5月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001960

【氏名又は名称】シチズン時計株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100133835

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 努

(72)【発明者】

【氏名】松本 健志

【審査官】 岡田 弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０６１６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０８８５４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２６７９０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ １９／００−２１／００

Ｇ０２Ｂ ２１／０６−２１／３６

Ｇ０２Ｆ １／１３

Ｇ０２Ｆ １／０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、当該液晶層に印加される電圧分布に応じて、当該液晶層を透過する直線偏光を第１の光束と第２の光束に分割するとともに、前記第１の光束に対して前記第２の光束を設定された偏向方向に沿って第１の偏向角で偏向させる第１の液晶素子と、
前記配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、当該液晶層に印加される電圧分布に応じて、当該液晶層を透過する前記第１の光束に対して、当該液晶層を透過する前記第２の光束を第２の偏向角で偏向させる第２の液晶素子と、
前記偏向方向、前記第１の偏向角及び前記第２の偏向角に応じて前記第１の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布及び前記第２の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布を制御する制御部と、
を有し、
前記第１の液晶素子は、前記液晶層を挟んで対向する第１の透明電極と第２の透明電極とを有し、
前記第１の透明電極は、第１の方向に沿って配列される複数の部分電極を有し、当該複数の部分電極のうちの互いに隣接する部分電極は抵抗子を介して接続され、
前記第２の透明電極は、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って配列される複数の部分電極を有し、当該複数の部分電極のうちの互いに隣接する部分電極は抵抗子を介して接続され、
前記制御部は、前記第１の透明電極が有する複数の部分電極のうちの一端の部分電極と他端の部分電極間、及び、前記第２の透明電極が有する複数の部分電極のうちの一端の部分電極と他端の部分電極間に前記偏向方向及び前記第１の偏向角に応じた電圧を印加する
光束分割素子。

【請求項2】

前記制御部は、前記第１の光束と前記第２の光束とが前記第２の液晶素子から所定の距離の位置にて交差するように、前記第１の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布と前記第２の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布とを制御する、請求項１に記載の光束分割素子。

【請求項3】

前記制御部は、前記第１の偏向角に対して前記第２の偏向角が逆向きとなり、かつ、前記第１の偏向角よりも前記第２の偏向角が大きくなるように、前記第１の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布と前記第２の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布とを制御する、請求項２に記載の光束分割素子。

【請求項4】

前記制御部は、前記配向方向と平行な前記直線偏光の成分に対する屈折率が前記偏向方向に沿って変化するように、前記第１の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布と前記第２の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布とを制御する、請求項３に記載の光束分割素子。

【請求項5】

直線偏光を発する光源と、
前記直線偏光を設定された偏向方向に沿って並ぶ第１の光束と第２の光束とに分割し、かつ、設定されるシア量に応じて第１の光束に対して第２の光束を傾ける光束分割素子と、
前記第１の光束と前記第２の光束とを前記シア量に応じた間隔でサンプルに向けるレンズと、
前記サンプルを経た前記第１の光束及び前記第２の光束を合わせた一つの光束により、前記サンプルを撮像する撮像部と、を有し、
前記光束分割素子は、
所定の配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、当該液晶層に印加される電圧分布に応じて、当該液晶層を透過する前記直線偏光を前記第１の光束と前記第２の光束に分割するとともに、前記第１の光束に対して前記第２の光束を前記偏向方向に沿って前記シア量に応じた第１の偏向角で偏向させる第１の液晶素子と、
前記配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、当該液晶層に印加される電圧分布に応じて、当該液晶層を透過する前記第１の光束に対して、当該液晶層を透過する前記第２の光束を前記シア量に応じた第２の偏向角で偏向させることで、前記第１の光束及び前記第２の光束を前記レンズの前側焦点位置で交差させる第２の液晶素子と、
前記偏向方向、前記第１の偏向角及び前記第２の偏向角に応じて前記第１の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布及び前記第２の液晶素子の前記液晶層に印加する電圧分布を制御する制御部と、
を有し、
前記光束分割素子の前記第１の液晶素子は、前記液晶層を挟んで対向する第１の透明電極と第２の透明電極とを有し、
前記第１の透明電極は、第１の方向に沿って配列される複数の部分電極を有し、当該複数の部分電極のうちの互いに隣接する部分電極は抵抗子を介して接続され、
前記第２の透明電極は、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って配列される複数の部分電極を有し、当該複数の部分電極のうちの互いに隣接する部分電極は抵抗子を介して接続され、
前記光束分割素子の前記制御部は、前記第１の透明電極が有する複数の部分電極のうちの一端の部分電極と他端の部分電極間、及び、前記第２の透明電極が有する複数の部分電極のうちの一端の部分電極と他端の部分電極間に前記偏向方向及び前記第１の偏向角に応じた電圧を印加する
顕微鏡装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光束を分割する光束分割素子、及びそのような光束分割素子を利用する顕微鏡装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、サンプルの互いに近接した位置を透過する二つの光束の干渉により、透明なサンプルの構造を視覚化できる微分干渉法、及び微分干渉法の原理に基づいた顕微鏡（以下、微分干渉顕微鏡と呼ぶ）が知られている（例えば、特許文献１及び２を参照）。

【0003】

微分干渉法及び微分干渉顕微鏡では、光源からの光束を二つの光束に分割するため、及び、サンプルを透過した二つの光束を一つに合わせるために、ノマルスキープリズムが用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平９−２８１４０１号公報

【特許文献2】特開２００３−５０８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

微分干渉法及び微分干渉顕微鏡では、二つの光束がサンプルを透過する際の光束間の距離（シア量と呼ばれる）に応じて、サンプルの像のコントラスト及び解像度が変化する。一般に、シア量が大きくなるほどコントラストは向上し、解像度は低下する。逆に、シア量が小さくなるほどコントラストは低下し、解像度は向上する。したがって、サンプルの種類及びサンプルの観察目的に応じて、適切なシア量は変化する。一方、使用するノマルスキープリズムに応じて、発生するシア量は決定される。そのため、例えば、観察対象となるサンプルが取り替えられる度に、微分干渉顕微鏡に取り付けられるノマルスキープリズムも、そのサンプルに応じた適切なシア量を生じさせることができるものに交換することが要求される。

【0006】

また、サンプルに応じて、シア量を生じさせる方向、すなわち、サンプルを透過する際に二つの光束が並ぶ方向も異なる。すなわち、二つの光束の干渉により、サンプルの構造を視覚化するためには、それら二つの光束間にサンプルの構造に応じた位相差が生じる必要がある。そのため、例えば、サンプルの厚さまたは屈折率が変化する方向に沿って二つの光束が並ぶことが好ましい。そこで、従来では、二つの光束が並ぶ方向を適切に設定するために、サンプルを回転させる必要があった。しかし、サンプルを回転させると、その回転軸以外のところは、サンプルの回転により視野から外れてしまうことがある。このように、従来では、シア量及びシア量を生じさせる方向をサンプルに応じて適切に設定するためには、煩雑な機械的な作業が必要となる。

【0007】

そこで、本発明は、機械的な作業を必要とせずに、光束を分割する方向及び分割された光束の間隔を調節可能な光束分割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】

【0008】

本発明の一つの側面によれば、光束分割素子が提供される。この光束分割素子は、所定の配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、その液晶層に印加される電圧分布に応じて、その液晶層を透過する直線偏光を第１の光束と第２の光束に分割するとともに、第１の光束に対して第２の光束を設定された偏向方向に沿って第１の偏向角で偏向させる第１の液晶素子と、その配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、その液晶層に印加される電圧分布に応じて、その液晶層を透過する第１の光束に対して、その液晶層を透過する第２の光束を第２の偏向角で偏向させる第２の液晶素子と、偏向方向、第１の偏向角及び第２の偏向角に応じて第１の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布及び第２の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布を制御する制御部とを有する。

【0009】

またこの光束分割素子において、制御部は、第１の光束と第２の光束とが第２の液晶素子から所定の距離の位置にて交差するように、第１の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布と第２の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布とを制御することが好ましい。

【0010】

さらに、この光束分割素子において、第１の液晶素子は、液晶層を挟んで対向する第１の透明電極と第２の透明電極とを有し、第１の透明電極は、第１の方向に沿って配列される複数の部分電極を有し、その複数の部分電極のうちの互いに隣接する部分電極は抵抗子を介して接続され、第２の透明電極は、第１の方向と直交する第２の方向に沿って配列される複数の部分電極を有し、その複数の部分電極のうちの互いに隣接する部分電極は抵抗子を介して接続され、制御部は、第１の透明電極が有する複数の部分電極のうちの一端の部分電極と他端の部分電極間、及び、第２の透明電極が有する複数の部分電極のうちの一端の部分電極と他端の部分電極間に偏向方向及び第１の偏向角に応じた電圧を印加することが好ましい。

【0011】

また、制御部は、第１の偏向角に対して第２の偏向角が逆向きとなり、かつ、第１の偏向角よりも第２の偏向角が大きくなるように、第１の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布と第２の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布とを制御することが好ましい。

【0012】

さらに、制御部は、配向方向と平行な直線偏光の成分に対する屈折率が偏向方向に沿って変化するように、第１の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布と第２の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布とを制御することが好ましい。

【0013】

本発明の他の側面によれば、顕微鏡装置が提供される。この顕微鏡装置は、直線偏光を発する光源と、直線偏光を設定された偏向方向に沿って並ぶ第１の光束と第２の光束とに分割し、かつ、設定されるシア量に応じて第１の光束に対して第２の光束を傾ける光束分割素子と、第１の光束と第２の光束とをそのシア量に応じた間隔でサンプルに向けるレンズと、サンプルを経た第１の光束及び第２の光束を合わせた一つの光束により、サンプルを撮像する撮像部とを有する。そして光束分割素子は、所定の配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、その液晶層に印加される電圧分布に応じて、液晶層を透過する直線偏光を第１の光束と第２の光束に分割するとともに、第１の光束に対して第２の光束を所定の偏向方向に沿ってシア量に応じた第１の偏向角で偏向させる第１の液晶素子と、所定の配向方向に沿って配向された液晶分子が含まれる液晶層を有し、その液晶層に印加される電圧分布に応じて、その液晶層を透過する第１の光束に対して、その液晶層を透過する第２の光束をシア量に応じた第２の偏向角で偏向させることで、第１の光束及び第２の光束をレンズの前側焦点位置で交差させる第２の液晶素子と、偏向方向、第１の偏向角及び第２の偏向角に応じて第１の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布及び第２の液晶素子の液晶層に印加する電圧分布を制御する制御部とを有する。

【発明の効果】

【0014】

本発明に係る光束分割素子は、機械的な作業を必要とせずに、光束を分割する方向及び分割された光束の間隔を調節できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一つの実施形態に係る光束分割素子を有する顕微鏡装置の概略構成図である。

【図2】光束分割素子の概略構成図である。

【図3】（ａ）は、第１の液晶素子の概略正面図であり、（ｂ）は、（ａ）の矢印Ａ、Ａ’で示される線における、第１の液晶素子の概略側面断面図である。

【図4】第１の液晶素子が有する各透明電極の配置を示す図である。

【図5】各透明電極の両端の部分電極間に印加される電圧と、一方の透明電極に印加される電圧と他方の透明電極に印加される電圧の関係を示す図である。

【図6】（ａ）は、光束分割素子の各液晶素子及びコンデンサレンズの位置関係と、光軸に対する異常光線の傾き及びシア量との関係を説明する図であり、（ｂ）は、コンデンサレンズの焦点距離と、各液晶素子による異常光線の偏向角及びシア量との関係を表すテーブルの一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図を参照しつつ、一つの実施形態による光束分割素子について説明する。この光束分割素子は、光軸に沿って並べられた二つの液晶素子を有する。そして、各液晶素子は、それぞれ、液晶層を挟んで対向する二つの透明電極の一方が第１の方向に沿って配列される複数の部分電極を有し、透明電極の他方が第１の方向と直交する第２の方向に沿って配列される複数の部分電極を有する。そしてこの光束分割素子は、各透明電極の両端の部分電極間に印加する電圧を調整することで与えられる、液晶層に印加される電圧分布に応じて、各液晶素子を透過する直線偏光を二つの光束に分割するとともに、その二つの光束が並ぶ偏向方向、及び、二つの光束間の角度を制御する。

【0017】

図１は、本発明の一つの実施形態に係る光束分割素子を有す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、顕微鏡装置１００は、微分干渉顕微鏡であり、顕微鏡装置１００が有する光学系の光軸に沿って順に、光源１と、本実施形態による光束分割素子２−１と、コンデンサレンズ３と、対物レンズ４と、本実施形態による光束分割素子２−２と、撮像部５とを有する。そしてコンデンサレンズ３と対物レンズ４の間にサンプル１０が配置される。なお、顕微鏡装置１００は、光路上に、球面収差用補償光学系など、各種の補償光学系を有していてもよい。さらに、顕微鏡装置１００は、光源１と光束分割素子２−１の間に、光源１から発した光を平行光にするためのコリメート光学系などを有していてもよい。また、サンプル１０により反射された光によりサンプル１０を観察する場合には、光束分割素子２−２は省略されてもよい。また、コンデンサレンズ３の代わりに、対物レンズが配置される。そしてこの場合には、例えば、光束分割素子２−１光源１との間にビームスプリッタ（図示せず）が配置される。そしてサンプル１０により反射された光は、対物レンズ及び光束分割素子２−１を透過した後、ビームスプリッタにより対物レンズの光軸方向と直交する方向に反射されて撮像部５に入射するように、撮像部５は配置される。

【0018】

光源１は、所定の偏光面を持つ直線偏光である照明光を出力する。そのために、光源１は、例えば、半導体レーザを有する。あるいは、光源１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。あるいはまた、光源１は、例えば、水銀灯、キセノンアークランプまたは白熱電球といった、直線偏光でない光を発光する発光素子と、そのような発光素子から発した光のうちの所定の偏光面を持つ成分だけを透過させて直線偏光にする偏光板とを有してもよい。

【0019】

さらに、光源１は、互いに異なる波長の光を出力する複数の発光素子を有していてもよい。この場合、光源１は、コントローラ（図示せず）からの制御信号に従って、何れか一つの発光素子に照明光を出力させる。

【0020】

光束分割素子２−１は、光源１とコンデンサレンズ３との間に配置される。そして光束分割素子２−１は、光源１から出力された照明光を所定の偏向方向に沿って並ぶ二つの光束に分割し、その二つの光束をコンデンサレンズ３の前側焦点位置で交差させる。
なお、光束分割素子２−１の詳細については後述する。

【0021】

コンデンサレンズ３は、光束分割素子２−１から出射した二つの光束のそれぞれをサンプル１０上に集光する。上記のように、光束分割素子２−１から出射した二つの光束は、コンデンサレンズ３の前側焦点位置で交差するので、コンデンサレンズ３により、その二つの光束は互いに平行となってサンプル１０に達する。また、コンデンサレンズ３の前側焦点位置でのその二つの光束間の角度が大きくなるほど、サンプル１０を透過する際のその二つの光束間の距離（すなわち、シア量）は大きくなる。

【0022】

対物レンズ４は、コンデンサレンズ３から出射し、サンプル１０を透過した二つの光束を集光する。その際、その二つの光束は、対物レンズ４を透過することにより、対物レンズ４の後側焦点位置にて、対物レンズ４のパワーに応じた角度で互いに交差する。

【0023】

光束分割素子２−２は、対物レンズ４の後側焦点位置よりも対物レンズ４から離れた位置に配置され、対物レンズ４を出射した二つの光束を一つの光束にする。これにより、その二つの光束間に、サンプル１０の構造に起因する干渉が生じる。

【0024】

撮像部５は、例えば、複数のCCDまたはC-MOSなどの個体撮像素子がアレイ状に配列されたイメージセンサを有する。さらに、撮像部５は、イメージセンサ上にサンプル１０の像を結像する結像光学系を有していてもよい。そして撮像部５は、対物レンズ４及び光束分割素子２−２を介して得られた光束において生じる干渉により得られるサンプル１０の画像を生成し、その画像をコントローラへ出力する。

【0025】

以下、本実施形態による、光束分割素子２−１、２−２の詳細について説明する。なお、光束分割素子２−１と光束分割素子２−２とは、同一の構成とすることができるので、以下では、光束分割素子２−１について説明する。

【0026】

図２は、光束分割素子２−１の概略構成図である。光束分割素子２−１は、第１の液晶素子２１と、第２の液晶素子２２と、制御回路２３とを有する。第１の液晶素子２１及び第２の液晶素子２２は、顕微鏡装置１００が有する光学系の光軸ＯＡに沿って光源１側から順に配置される。

【0027】

光束分割素子２−１に入射した照明光は、制御回路２３が第１の液晶素子２１が有する液晶層に印加される電圧分布を制御することにより、液晶層内の液晶分子の配向方向と直交する偏光面を持つ光束（すなわち、常光線）と、その配向方向と平行な偏光面を持つ光束（すなわち、異常光線）とに分割される。常光線（第１の光束）は、光軸ＯＡに平行な光束として第１の液晶素子２１から出射する。一方、異常光線（第２の光束）は、制御回路２３による第１の液晶素子２１の液晶層に印加される電圧分布の制御に応じて、光軸ＯＡに対して任意の偏向方向に、かつ、所定の偏向角度で第１の液晶素子２１から出射する。

【0028】

第１の液晶素子２１から出射した常光線及び異常光線は第２の液晶素子２２に入射する。そして制御回路２３が第２の液晶素子２２が有する液晶層に印加する電圧分布を制御することにより、異常光線の偏向角が調整される。その結果として、異常光線は、コンデンサレンズ３の前側焦点位置へ向かうように出射する。一方、常光線は、第２の液晶素子２２を透過した後も、光軸ＯＡに沿って直進する。そのため、常光線と異常光線とは、コンデンサレンズ３の前側焦点位置にて交差する。

【0029】

以下、光束分割素子２−１が有する各液晶素子の詳細について説明する。なお、第１の液晶素子２１と第２の液晶素子２２とは、同一の構成とすることができるので、以下では、第１の液晶素子２１について説明する。

【0030】

図３（ａ）は、第１の液晶素子２１の概略正面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の矢印Ａ、Ａ’で示される線における、第１の液晶素子２１の概略側面断面図である。また図４は、第１の液晶素子２１が有する各透明電極の配置を示す図である。

【0031】

第１の液晶素子２１は、液晶層３０と、光軸ＯＡに沿って液晶層３０を挟んで対向するように略平行に配置された二つの透明基板３１、３２を有する。また第１の液晶素子２１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に含まれる液晶分子３７は、透明基板３１及び３２と、シール部材３８との間に封入されている。また液晶層３０は、第１の液晶素子２１が透過する照明光のうちの異常光線に所定の偏向角を与えるのに十分な厚さ、例えば、10μm〜20μmを有する。

【0032】

透明基板３１、３２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、光源１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。これら配向膜３５、３６は、液晶分子３７を所定の方向に配向させる。

【0033】

液晶層３０に封入された液晶分子３７は、例えば、ホモジニアス配向される。そして液晶分子３７の配向方向は、矢印３１１に示されるように、入射する照明光の偏光面３１２に対して0度（すなわち、平行）より大きく、かつ、90度（すなわち、直交）未満の所定の角度に設定される。これにより、液晶素子２１は、照明光を常光線と異常光線とに分割することが可能となる。なお、常光線の強度と異常光線の強度が等しくなるように、液晶分子３７の配向方向と入射する照明光の偏光面３１２とのなす角は、略45度に設定されることが好ましい。

【0034】

図４に示されるように、本実施形態では、透明電極３３は、光軸ＯＡに直交する面において第１の方向４０１に沿って等間隔で分割された複数の線状の部分電極３３−１〜３３−ｍ（ｍは２以上の整数）を有する。そして複数の部分電極３３−１〜３３−ｍにより、液晶分子３７が駆動されるアクティブ領域全体が覆われる。一方、透明電極３４は、光軸ＯＡに直交する面において第１の方向４０１と直交する第２の方向４０２に沿って等間隔で分割された複数の線状の部分電極３４−１〜３４−ｍ（ｎは２以上の整数）を有する。なお、図４において、部分電極間のギャップは線で示されている。なお、第１の方向４０１及び第２の方向４０２は、液晶分子３７の配向方向に対して独立に設定されてよい。また、第１の方向４０１及び第２の方向４０２は、第１の液晶素子２１と第２の液晶素子２２とで同じであってもよく、あるいは、異なっていてもよい。さらに、第１の方向４０１及び第２の方向４０２は、入射光の偏光面に対して独立に設定されてよい。

【0035】

透明電極３３において、隣接する二つの部分電極同士は、同一の電気抵抗を持つ電極（抵抗子）によって接続される。そして制御回路２３により、部分電極３３−１〜３３−ｍのうちの一端の部分電極３３−１と他端の部分電極３３−ｍとの間に電圧が印加される。具体的に、各部分電極は、長さに応じた抵抗値を持つ高抵抗配線に対して等間隔で接続され、その高抵抗配線の両端間に、制御回路２３から電圧が印加される。したがって、第１の方向に沿って、ステップ状に印加される電圧が変化する。同様に、透明電極３４において、隣接する二つの部分電極同士は、同一の電気抵抗を持つ電極によって接続される。そして制御回路２３により、部分電極３４−１〜３４−ｎのうちの一端の部分電極３４−１と他端の部分電極３４−ｎとの間に電圧が印加される。したがって、第２の方向に沿って、ステップ状に印加される電圧が変化する。

【0036】

ここで、透明電極３３と透明電極３４との間、すなわち、液晶層３０に電圧Vが印加されると、その電圧Vに応じて、電圧が印加された方向（すなわち、光軸ＯＡに沿った方向）に対して液晶分子３７の長軸方向が平行に近づくように傾く。このとき、液晶分子３７が配向された方向と平行な偏光成分（すなわち、異常光線）に対する液晶分子の屈折率をn_ψ(V)とすると、n_o≦n_ψ(V)≦n_eとなる。ただし、n_oは液晶分子の配向方向に直交する偏光成分（すなわち、常光線）に対する屈折率であり、n_eは液晶分子の長軸方向に平行な偏光成分に対する屈折率である。

【0037】

したがって、上記のように透明電極３３に電圧が印加されることで、液晶層３０に印加される電圧が第１の方向に沿って変化するために、部分電極３３−１と部分電極３３−ｍ間の電圧に応じて、異常光線に対する屈折率が第１の方向に沿って変化する。同様に、上記のように透明電極３４に電圧が印加されることで、液晶層３０に印加される電圧が第２の方向に沿って変化するため、部分電極３４−１と部分電極３４−ｎ間の電圧に応じて、異常光線に対する屈折率が第２の方向に沿って変化する。したがって、制御回路２３が、部分電極３３−１と部分電極３３−ｍ間の電圧と、部分電極３４−１と部分電極３４−ｎ間の電圧を調整することで、光軸ＯＡに直交する面内の任意の方向に沿って、異常光線に対する液晶層３０の屈折率を変化させることができる。その結果、異常光線は、液晶層３０の屈折率の変化方向に沿って光軸ＯＡから傾いて液晶層３０内を伝搬する。すなわち、液晶層３０の屈折率の変化方向が偏向方向となる。また、常光線に対して異常光線がなす角である偏向角は、液晶層３０の屈折率の勾配の大きさに応じた角度となる。すなわち、第１の方向を基準とする異常光線の偏向方向A及び常光線に対する異常光線の偏向角Rと、電極３３−１と部分電極３３−ｍ間の電圧ΔVU及び部分電極３４−１と部分電極３４−ｎ間の電圧ΔVLとの間に、次式が成立する。

【数1】

ここで、φは第１の方向と液晶分子３７の配向方向とがなす角を表す。したがって、ΔVU及びΔVLが適切に調節されることで、光軸ＯＡに直交する面における、異常光線の偏向方向が所望の方向に設定され、かつ、常光線と異常光線間の偏向角が調整可能な範囲内で所望の角度に設定される。

【0038】

さらに、透明電極３３及び透明電極３４の一方に印加される電圧の最小値が、透明電極３３及び透明電極３４の他方に印加される電圧の最大値よりも高くなるように、各透明電極に印加される電圧が設定される。これにより、二つの透明電極間においてもある程度以上の電圧が印加されることとなり、液晶層３０に含まれる液晶分子３７を駆動することが可能となる。

【0039】

図５は、各透明電極の両端の部分電極間に印加される電圧と、一方の透明電極に印加される電圧と他方の透明電極に印加される電圧の関係を示す図である。図５に示されるように、この例では、透明電極３３の部分電極３３−１に印加される電圧VUminよりも、部分電極３３−ｍに印加される電圧VUmaxの方が高いものとする。同様に、透明電極３４の部分電極３４−１に印加される電圧VLminよりも、部分電極３４−ｎに印加される電圧VLmaxの方が高いものとする。さらに、電圧VLmaxよりも、電圧VUminの方が高く、その差(VUmin-VLmax)は、透明電極３３と透明電極３４間の電圧のオフセットLminよりも大きくなるように、各電圧は設定される。

【0040】

また、図５に示されるグラフにおいて、横軸は電圧を表し、縦軸は異常光線に対する屈折率を表す。そして曲線５００は、液晶層３０に印加される電圧と異常光線に対する屈折率との関係を表す。

【0041】

図５に示されるように、電圧の変化に対する、屈折率の変化が線形となる電圧の範囲Vrange内に電圧ΔVU及び電圧ΔVLが含まれるように、電圧ΔVU及び電圧ΔVLは調節される。すなわち、次式に示される条件が満たされる範囲で、電圧ΔVU及び電圧ΔVLは調節される。

【数2】

【0042】

さらに、Vrangeの中点をVcとすると、VUmin及びVLmaxは、以下の条件を満たすように設定されることが好ましい。

【数3】

ただし、αは正の定数であり、VUmin-VLmax+2α=Lminとなる。

【0043】

制御回路２３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、第１の液晶素子２１及び第２の液晶素子２２を駆動するための駆動回路とを有する。そして制御回路２３は、第１の液晶素子２１及び第２の液晶素子２２のそれぞれの液晶層に印加される電圧分布を制御することで、異常光線の偏光方向及び偏向角を可変に制御する。

【0044】

本実施形態では、制御回路２３は、サンプル１０を常光線と異常光線とが透過する際に、光軸ＯＡと直交する面において常光線と異常光線とが並ぶ方向と偏向方向とが一致し、かつ、常光線と異常光線間のシア量に応じた角度で異常光線が光束分割素子２−１を出射するように、第１の液晶素子２１及び第２の液晶素子２２のそれぞれの液晶層に印加する電圧分布を制御する。なお、シア量と、コンデンサレンズ３の前側焦点位置における、光軸ＯＡと異常光線とがなす角（すなわち、常光線と異常光線とがなす角）とは、１対１に対応する。すなわち、シア量が大きくなるほど、コンデンサレンズ３の前側焦点位置における、常光線と異常光線とがなす角も大きくなる。

【0045】

図６（ａ）は、光束分割素子２−１の各液晶素子及びコンデンサレンズ３の位置関係と、光軸ＯＡに対する異常光線の傾き及びシア量との関係を説明する図である。また図６（ｂ）は、コンデンサレンズ３の焦点距離と、各液晶素子による異常光線の偏向角及びシア量との関係を表すテーブルの一例を示す図である。

【0046】

図６（ａ）に示されるように、異常光線６０１は、第１の偏向角である偏向角θ1を液晶素子２１により与えられることにより、光軸ＯＡに対して角度θ1をなして出射する。そして異常光線６０１は、液晶素子２２により、液晶素子２１から出射するときに対して逆側へ向けられる。その際、液晶素子２２は、液晶素子２１による偏向角θ1とは逆向きに、異常光線６０１に対して(θ1+θ2)の偏向角を与える。その結果、異常光線６０１は、第２の偏向角であるθ2にて光軸ＯＡ（すなわち、常光線）に対して傾くように液晶素子２２を出射する。その後、異常光線６０１は、光軸ＯＡに沿って距離y1だけ進んだ位置にある、コンデンサレンズ３の前側焦点位置で光軸ＯＡと交差する。その後、異常光線６０１は、焦点距離fを持つコンデンサレンズ３により、光軸ＯＡに対して平行化され、サンプル１０に達する。

【0047】

図６（ｂ）に示されるように、テーブル６００では、行ごとに、シア量に対する、各液晶素子により異常光線に与えられる偏向角などが示される。なお、テーブル６００において、偏向角は、光軸ＯＡに対する異常光線の波面の進行方向の傾きとして表される。テーブル６００では、左から順に、第１の液晶素子２１による異常光線の偏向角（すなわち、θ1）、第２の液晶素子２２による異常光線の偏向角（すなわち、θ1+θ2）、第２の液晶素子２２から出射する際の光軸ＯＡに対する異常光線の傾き角θ2、コンデンサレンズ３の焦点距離f、シア量、第２の液晶素子２２からコンデンサレンズ３の前側焦点位置までの距離y1が示される。テーブル６００に示されるように、距離y1が一定であれば、シア量が大きいほど、各液晶素子が異常光線に与える偏向角が大きくなる。また、シア量が一定であれば、距離y1が大きくなるほど、各液晶素子が異常光線に与える偏向角が大きくなる。さらに、コンデンサレンズ３の前側焦点位置にて異常光線を光軸ＯＡと交差させるために、第２の液晶素子２２が異常光線に与える偏向角(θ1+θ2)は、第１の液晶素子２１が異常光線に与える偏向角θ1よりも大きく、かつ、逆向きとなる。

【0048】

制御回路２３は、（１）式及び上記のテーブルに示された関係に従って、偏向方向とシア量に応じて各液晶素子の二つの透明電極の両端間に印加される電圧ΔVU、ΔVLを設定する。例えば、コンデンサレンズ３の焦点距離ごとに、偏向方向及びシア量と、各液晶素子の二つの透明電極の両端間に印加される電圧ΔVU、ΔVLとの関係を示す参照テーブルが、制御回路２３が有する半導体メモリに予め保存される。そして制御回路２３は、例えば、外部の機器（図示せず）から入力され、通信インターフェース（図示せず）を介して受け取ったコンデンサレンズ３の焦点距離に基づいてその焦点距離に対応する参照テーブルを選択し、選択した参照テーブルを参照することにより、外部の機器から入力され、通信インターフェース（図示せず）を介して受け取った偏向方向及びシア量に対応する各液晶素子の二つの透明電極の両端間に印加される電圧ΔVU、ΔVLを決定する。制御回路２３は、決定した電圧ΔVU、ΔVLとなるように駆動回路を制御する。

【0049】

さらに、制御回路２３は、液晶層３０に印加される電圧の大きさを調節することで、観察されるサンプル１０の像の背景を明るくしたり、あるいは暗くすることができる。例えば、サンプル１０に依存しない、常光線と異常光線との間の位相差が2kπ(ただし、kは整数)となる場合、背景部分では常光線と異常光線とが干渉により強調されるので、背景は明るくなる。逆に、サンプル１０に依存しない、常光線と異常光線との間の位相差が(2k+1)πとなる場合、背景部分では常光線と異常光線とが干渉により弱められるので、背景は暗くなる。そして、液晶層３０に印加される電圧、例えば、{(VUmin+VUmax)/2-(VLmax+VLmin)/2}を適宜調節することで、常光線と異常光線間の位相変調量は変化するので、制御回路２３は、この電圧を調節することで、サンプル１０の像の背景の明るさを調節できる。

【0050】

なお、駆動回路から各液晶素子が有する二つの透明電極に対して印加される駆動電圧は、例えば、パルス高さ変調（ＰＨＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧であってもよい。さらに、駆動回路は、各液晶素子が有する二つの透明電極に印加する電圧をオーバードライブによって駆動することで各液晶素子の応答を速めてもよい。

【0051】

なお、光束分割素子２−２については、サンプル１０側に第２の液晶素子２２が位置し、かつ、撮像部５側に第１の液晶素子２１が位置するように、各液晶素子が配置されることで、制御回路２３は、光束分割素子２−１の各液晶素子の液晶層に対する電圧分布の制御と同様の制御を行うことで、サンプル１０を透過し、対物レンズ４により集光された常光線及び異常光線を一つの光束に合わせることができる。

【0052】

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光束分割素子は、光軸に沿って並べられた二つの液晶素子を有し、各液晶素子は、互いに直交する方向に沿って配列された複数の部分電極を有する二つの透明電極間に挟まれた液晶層を有する。そのため、この光束分割素子は、各液晶素子において、二つの透明電極のそれぞれの両端の部分電極間に印加する電圧を適切に調節することで、常光線に対する異常光線の偏向方向、及び、常光線に対する異常光線の偏向角を制御することができる。そのため、微分干渉顕微鏡装置において、この光束分割素子をノマルスキープリズムの代わりに用いることで、機械的な操作を行わずに、シア量またはサンプルを透過する際の二つの光束の並び方向を調節することが可能となる。

【0053】

なお、変形例によれば、一つの制御回路２３により、複数の光束分割素子が有する各液晶素子が駆動されてもよい。また、制御回路２３は、顕微鏡装置１００のコントローラと兼用されてもよい。

【0054】

さらに他の変形例によれば、光束分割素子は、光軸に沿って並べて配置される、３個以上の液晶素子を有していてもよい。この場合も、各液晶素子は、上記の実施形態による液晶素子と同様の構成を有するものとすることができる。この場合には、光束分割素子は、偏向角の調整範囲をより広くすることができる。また、制御回路は、光束分割素子から出射する常光線と異常光線とが互いに平行となるように、光束分割素子の各液晶素子に印加する電圧を調整してもよい。

【0055】

さらに他の変形例によれば、光束分割素子が有する各液晶素子の二つの透明電極のうち、一方はマトリクス状に形成された複数の部分電極を有し、他方は一つの透明電極でアクティブ領域全体を覆うように形成されてもよい。この場合、制御回路が、各部分電極に対して独立に印加する電圧を制御できるよう、部分電極同士は互いに絶縁され、かつ、各部分電極と制御回路とが接続されてもよい。この場合も、制御回路は、上記の実施形態と同様に、第１の方向及び第２の方向のそれぞれについての電圧と、二つの透明電極間の電圧を決定すればよい。

【0056】

また、上記の実施形態または変形例による光束分割素子は、顕微鏡以外の装置に利用されてもよい。

【0057】

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】

【0058】

１００ 顕微鏡装置
１ 光源
２−１、２−２ 光束分割素子
３ コンデンサレンズ
４ 対物レンズ
５ 撮像部
１０ サンプル
２１ 第１の液晶素子
２２ 第２の液晶素子
２３ 制御回路
３０ 液晶層
３１、３２ 透明基板
３３、３４ 透明電極
３３−１〜３３−ｍ、３４−１〜３４−ｎ 部分電極
３５、３６ 配向膜
３７ 液晶分子
３８ シール部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】