光学装置
【課題】 干渉を使用することで従来の光学系より高分解能画像を得ることが可能な光学系において、安定した信号を得る。
【解決手段】 物体から出射する応答光の特定の偏光状態の光を選択し、これを二つのビームに分離する。分離された二つのビームを異なる偏光状態にし、一方のビームを像反転させた後、両者を集光かつ干渉させる。干渉光を複数に分離し、それぞれに異なる偏光フィルタを挿入し、検出する。それぞれの信号を組み合わせた処理をすることで、両ビームの位相差に影響されない安定な振幅情報を得る。
【解決手段】 物体から出射する応答光の特定の偏光状態の光を選択し、これを二つのビームに分離する。分離された二つのビームを異なる偏光状態にし、一方のビームを像反転させた後、両者を集光かつ干渉させる。干渉光を複数に分離し、それぞれに異なる偏光フィルタを挿入し、検出する。それぞれの信号を組み合わせた処理をすることで、両ビームの位相差に影響されない安定な振幅情報を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学的な分解能を要する光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学顕微鏡の分解能を向上させる技術として共焦点走査型顕微鏡がある（非特許文献１）。その光学系には反射型と透過型があるが、光学系の分かりやすい透過型を用いて説明する。図３は透過型光学系の概略図である。光源１０１からの光をピンホール２０５に照射し、点光源を得る。現実には有限の大きさのピンホールを使用するので、点光源に近い状態の光源を得ることになる。ピンホールからの光を対物レンズ２０１により２０２の観察物体上に絞り込む。ボイスコイル等による走査機構１０２により観察物体２０２は３次元方向に走査可能となっている。観察物体を透過した光は対物レンズ２０３を透過し、２０４のピンホール上に絞り込まれる。ピンホール２０４の透過光は光検出器１０３で検出され、観察物体の走査位置に対応させた画像表示を行う表示装置１０４でその信号は表示される。共焦点走査型顕微鏡の横方向の分解能は２０４のピンホールに依存することが分かっている。ピンホールの大きさを小さくすると分解能が良くなる。逆に大きくすると分解能が悪くなり、観察物体の広い範囲を照明し、対物レンズを透過した観察物体からの光により像形成を行う、走査型ではない従来の光学顕微鏡の分解能に近づく。図４に上記従来の光学顕微鏡とピンホールの大きさが極限まで小さいときの共焦点走査型顕微鏡の点像分布関数を示す。横軸vは規格化光学単位で表わされており、v = 2π・x・NA/λと定義される。ここに、NAは対物レンズ２０１および２０３の開口数を表わし、両レンズは同じNAを有するものとした。また、ｘは光軸に対して垂直な方向、すなわち横方向の座標、λは光の波長を表わす。共焦点走査型光学顕微鏡の点像分布関数１３１の方が従来型の光学顕微鏡の点像分布関数１３０より分布が狭くなっており、分解能が向上していることが分かる。
【０００３】
共焦点走査型光学顕微鏡ではピンホールを小さくすることで分解能を向上させることが可能であるが、検出光量が減少するので、信号雑音比が悪化する。この問題に対処する方法として、光の干渉効果を使用する方式が非特許文献２に記載されている。その方式に基づいた光学系の概略を図５に示す。レーザ光源１０１から出射したレーザ光をコリメータレンズ２０６で平行光に変換し、ビームスプリッタ２０７で反射する。対物レンズ２０１に入射したレーザ光は走査機構１０２で走査可能となっている２０２の観察物体上に絞り込まれ、反射光されたレーザ光が対物レンズ２０１に戻る。反射されたレーザ光はビームスプリッタ２０７を透過後、ビームスプリッタ２０８で二つのビームに分割される。ビームスプリッタを透過したビームは反射鏡２１１で反射され位相補償板２１２を透過し、ビームスプリッタ２１３に入射する。ビームスプリッタ２０８で反射されたもう一方のビームは二つの凸レンズ２０９と２１０で像が光軸に対して反転され、反射鏡２１６で反射された後、ビームスプリッタ２１３に入射する。
【０００４】
ビームスプリッタ２１３には２方向からビーム２５１と２５２が入射し、それぞれのビームは反射光と透過光に分かれて出射することになる。すなわち、干渉光が２方向に出射し、それぞれ集光レンズ２１４と２１５で１０５と１０６の検出器上に絞られる。検出器上には検出器領域を制限するピンホール２１７と２１８がそれぞれ配置されている。ここで、ビーム２５２がビームスプリッタ２１３を透過したときの位相をθ１、反射光の位相をθ２、ビーム２５２の透過光の位相をφ１、反射光の位相をφ２とする。このとき、位相間にはθ２−φ１＝θ１−φ２＋πの関係がある。ビーム２５１と２５２の間に位相差がないとし、その位相を０度としたとき（θ１＝φ１＝０）、ビームスプリッタの材質を選ぶことでθ２＝π、φ２＝０とすることができる。このような状態で位相補償板２１２を調整することで、光検出器１０５と１０６に入射するそれぞれの干渉光のうち一方はコンストラクティブな状態に、他方はデストラクティブな状態にすることが可能である。この両者の差分をとることにより、干渉光成分のみを得ることができ、この信号を用いることで高分解能な画像を得ることができる。ピンホールの大きさは共焦点走査顕微鏡ほど小さくしないので、光量の減少が少ないのがメリットなっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】C. J. R. Sheppard and A. Choudhury, "Image Formation in theScanning Microscope," Opt. Acta, Vol. 24, 1051-1073 (1977)
【非特許文献２】K. Wicker and R. Heintzmann, “Interferometric Resolution Improvement for Confocal Microscopes,” Optics Express, Vol. 15, No. 19, 12206-12216 (2007).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図５に示した方式では2本のビームを干渉させ、干渉信号を得ている。一般的に干渉光学系では、光路中の空気に揺らぎが生ずると、二つのビーム間に位相差が発生し、干渉状態が変化する。また、光学系を小型にする場合は、熱を発生する光源をその他の光学素子に近接して配置する必要がある。このため光学素子は熱の影響を受けやすくなり、干渉状態が変化してしまう。このような干渉状態の変化が生じるので、安定的な信号を得るのが難しい。図５に示す光学系でも同様に、光路差を一定に保って、二つの検出器に入射する干渉項の状態をコンストラクティブとデストラクティブな状態にしておくことは非常に難しい。即ち、画像をとっている間にコンストラクティブとデストラクティブな状態が変化する可能性があり、正確な観測が困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、偏光状態の異なる二つのビームを干渉させ、振幅の分離ができる光学系を採用する。
【０００８】
本発明は、物体への集光光学系と、物体からの反射光、透過光、あるいは蛍光などの応答光を二つに分割する分割光学系と、二つに分割された応答光を異なる偏光状態にする偏光光学素子と、一方の応答光の光路に設置された像反転光学系と、二つの応答光を重ね合わせる素子と、重ね合わせた合成応答光を複数に分割する光学素子と、それぞれ分割された合成応答光の光路に設置された異なる偏光フィルターと、分割された合成応答光をそれぞれ検出する検出器と、それぞれの検出器からの信号を処理することで振幅情報または／及び振幅情報を算出する電子回路とから実現される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、温度の影響による光路長の変化や空気の乱れによる屈折率変化で生じた干渉光における二つの光路の位相差の影響を排除することができ、安定的な高分解能の信号出力を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による光学系の一例を示す図。
【図２】本発明による光ピックアップ装置の光学系の一例を示す図。
【図３】透過型共焦点走査顕微鏡の光学系を示す図。
【図４】従来型の光学顕微鏡と共焦点走査型顕微鏡の点像分布関数を示す図。
【図５】非特許文献２に基づく光学系を示す図。
【図６】従来型の光学顕微鏡と共焦点走査型顕微鏡、本特許に基づく点像分布関数を示す図。
【図７】光ディスクに適用したときに使用する信号処理を示す図。
【図８】本発明による光学系の一例を示す図。
【図９】無偏光回折格子を示す図。
【図１０】無偏光回折格子を示す図。
【図１１】４分割直線偏光子とそれぞれの光学軸を示す図。
【図１２】４分割検出器の一例を示す図。
【図１３】検出器前にピンホールを付加した本特許に基づく光学系の一例を示す図。
【図１４】遮光板とピンホールとを併用した本特許に基づく光学系の一例を示す図。
【図１５】遮光板の形状を示す図。
【図１６】本発明による光学系の一例を示す図。
【図１７】本発明による蛍光を検出する光学系の一例を示す図。
【図１８】本発明による蛍光を検出する光学系の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の光学装置を実施するための最良の形態を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１に、本発明の光学系に基づく走査型光学顕微鏡を示す。１０１はレーザ光源であり、ｓ偏光の出射光をコリメータレンズ２０６で平行光に変換する。レーザ光源の出射光はコヒーレンス長が略５ｍm以上のものを使用しており、光路長差があっても干渉が起こりやすくしてある。これにより光路長の調整が不要になる。もし、コヒーレンス長の短いレーザ光源を使用した場合は、位相補償板等が必要になる。２０７は偏光性のビームスプリッタであり、ｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過するものとする。１０１の光源からの出射光の偏光方向はｓ偏光であるので、２０７のビームスプリッタで反射され、λ／４板２２５で円偏光に変換される。その後、対物レンズ２０１により２０２の観察物体上に絞り込まれる。観察物体は走査機構１０２で走査できるようになっている。本実施例では、光学系の複雑さを避けるために、観察物体そのものを走査する方式を採用しているが、これに限定されるものではなく、集光スポットを走査する方式でもよい。また、ここでは観察物体からの反射光を検出する顕微鏡で説明するが、観察物体を透過する方式でもよい。観察物体からの反射光は、対物レンズ２０１に戻り、２２５のλ／４板を透過することでｐ偏光になる。このｐ偏光の光はビームスプリッタ２０７を透過し、ハーフビームスプリッタ２０８で２分割される。
【００１３】
ハーフビームスプリッタ２０８で反射された光は光学軸が４５度傾いたλ／２板２２０でp偏光の光になる。その後、同じ焦点距離の２枚の凸レンズ２０９と２１０により像反転が行われ、反射鏡２１６で反射された光はハーフビームスプリッタ２１３に入射する。ハーフビームスプリッタ２０８を透過したもう一方の光は反射鏡２１１で反射され、ｓ偏光のままハーフビームスプリッタ２１３に入射する。ハーフビームスプリッタ２１３には偏光方向の異なる光が両方向から入射し、それぞれの光は２方向に分割され、２方向に干渉光が出射する。紙面上でハーフビームスプリッタ２１３の右方向に出射してくる干渉光には光学軸が２２．５度傾いた２２１のλ／２板が設置されており、集光レンズ２１５で焦点位置に置かれた検出器上に集光される。検出器前の光路中には偏光ビームスプリッタ２２３が設置されており、ｓ方向とｐ方向の成分に分解されて検出器１０６と検出器１０８で検出される。ここで、観察物体を光軸上にある点物体とする。観察物体からの反射光の複素振幅をAとし、検出器１０６と検出器１０８の差動信号をIｃとしたとき、Ｉｃ＝α｜A｜2 cos（θ）と表わされる。αは信号増幅や検出器効率等を含む係数であり、θは観察物体からの反射光を２分割した後に発生したビーム間の位相差である。また、紙面上でハーフビームスプリッタ２１３の上方向に出射する干渉光には光学軸が４５度傾いたλ／４板２２２が挿入されている。集光レンズ２１４で集光された干渉光は検出器１０５および１０７で検出される。途中に設置されている偏光ビームスプリッタ２２４によりｓ偏光とp偏光に分離されている。ここで検出器１０５と１０７の差動信号をIｓとしたとき、Ｉｓ＝α｜A｜2 sin（θ）のように表わされる。ＩｃおよびＩｓには干渉成分のみが検出されている。演算装置１０９では数式Ｉ＝√（Ｉｃ２＋Ｉｓ２）＝α｜A｜2の計算を行う。Ｉは観察物体の反射光の強度のみに比例した変数となり、ビーム間の位相差には影響されなくなる。１１０は表示装置であり、観察物体２０２の走査位置と表示位置の対応をつけた表示がなされる。本実施例では４つの検出器からの信号を使用するタイプを示したが、４個の検出器のうち３個を使用して干渉成分を算出することは可能であるが、この場合はマイクロコンピュータ等の計算機を使用した方がよい。
【００１４】
光学系の倍率をＭとし、観察物体として点物体が光軸から距離ａ離れたところにあるとしたとき、それぞれの4つの検出器上では光軸からＭａ離れた位置に点像分布が光軸を中心として２個対称に形成される。対称位置に2個点像分布が形成されるのは、２枚の凸レンズ２０９と２１０による像反転の効果によるものである。中心位置がＭｘにある通常光学系の振幅点像分布をＡ（Ｍａ）とし、中心位置が−Ｍａにある振幅点像分布をＡ（−Ｍａ）としたとき、出力信号Ｉ（ａ）はＩ（ａ）＝α｜Ａ（ａ）｜２｜∬Ａ（Ｍａ）Ａ（−Ｍａ）ｄｘｄｙ｜のように表わされる。面積分は検出器上で行われ、この積分の効果により、分解能が向上する。図６に点像分布関数を示す。横軸は規格化された光学単位で示されている。１３０の分布が通常の光学系の点像分布関数｜Ａ（ｖ）｜２である。本特許の光学系では１３２の破線のように分布が狭くなり、共焦点走査型顕微鏡（１３１の実線）よりも分解能が優れていることが分かる。また、共焦点走査顕微鏡のように検出器前にピンホールを使用しないので、光量の大幅な減少は避けられる。したがって、信号雑音比の良い状態の信号を得ることができる。さらに、得られる信号には干渉させるビームの位相差が除去されているので、両ビームの位相差の影響は現れないので、位相差が変動しても誤差の少ない安定した画像信号が得られる。
【実施例２】
【００１５】
図２に本特許の光学系を使用した光ディスク装置のピックアップ光学系を示す。本実施例の図面中の番号で図１と同じものは同じ機能を有する。レーザ光源１０１からのレーザ光はコリメータされた後、対物レンズ２０１で光ディスク２２６上に集光される。光ディスクは回転体に固定されており、回転可能となっている。光ディスクからの反射光はハーフビームスプリッタ２２７に向かい、二つに分割される。ビームスプリッタ２０８に向かう透過した光はデータ信号生成のために使用される。ビームスプリッタ２０８で分割された後の光学系は図１のものと同じであり、高分解能の信号が演算装置１０９で生成される。この信号は１１２の電子回路で処理され、データ信号となる。図７において電子回路１１２での信号処理の概略を説明する。７１１から７１４までの回路はデータを光ディスク２２６に記録するためのものである。図２に示した１１２の電子回路以外の光学系は６０の部分に相当する。７１１は誤り訂正用符号化回路であり、データに誤り訂正符号が付加される。７１２は記録符号化回路であり、１−７ＰＰ方式でデータを変調する。７１３は記録補償回路であり、マーク長に適した書込みのためのパルスを発生する。発生したパルス列に基づき、半導体レーザ駆動回路７１４により、図２のレーザ光源１０１を駆動し、対物レンズから出射したレーザ光８０を変調する。モータ５０２によって回転駆動される光ディスク５０１上にはレーザ光により反射率が異なるマーク形成される。
【００１６】
７２１から７２６の回路はデータの読み出しのためのものである。高分解能のデータ信号がイコライザー７２１に入力され、最短マーク長付近の信号雑音比が改善される。この信号は７２２のＰＬＬ回路に入力され、クロックが抽出される。また、イコライザーで処理されたデータ信号は抽出されたクロックのタイミングで７２３のＡ−Ｄ変換器でデジタル化される。７２４はＰＲＭＬ（Partial Response Maximum Likelihood）信号処理回路であり、ビタビ復号を行う。記録復号化回路７２５では１−７ＰＰ方式の変調規則に基づき復号化し、誤り訂正回路７２６でデータを復元する。
【００１７】
図２のハーフビームスプリッタ２２７で反射された光は制御信号生成光学系２２８で処理され、トラッキングエラー信号とフォーカスエラー信号が生成される。これらの信号は対物レンズの位置制御を行うアクチュエータ１１１にフィードバックされ、照射レーザ光のディスク上での位置制御が行われる。
【実施例３】
【００１８】
図８に実施例１と異なる偏光を使用する実施例を示す。レーザ光源１０１からハーフビームスプリッタ２２９まで光学系は同じである。ハーフビームスプリッタ２２９を反射した反射光はλ／４板２３０により右円偏光に変換され、２枚の凸レンズ２０９と２１０により像反転が行われる。この反射光は反射鏡２１６で反射され、円偏光ビームスプリッタ２３２に入射する。他方、ハーフビームスプリッタ２２９を透過した透過光は反射鏡２１１で反射され、λ／４板２３１で左円偏光に変換される。左円偏光状態の光は円偏光ビームスプリッタ２３２を透過し、右円偏光状態の光と干渉することになる。重ね合わされた右偏光と左偏光状態の光は無偏光回折格子２３３と２３４を透過する。図９及び図１０には無偏光回折格子２３３と２３４の溝の方向を示す。両者は溝の方向が直交しているので、±１次以上の高次の回折光の回折面は直交している。無偏光回折格子２２３と２３４の0次光回折光は発生せず、同光量の±1次光の強度が大きくなるように、回折格子の溝の深さが設定されている。また、溝のピッチは後述の検出器に入射するように設計されている。無偏光回折格子を透過した光は図８の集光レンズ２１５で４分割検出器１１３上に4分割されて集光される。ビームが4本形成されるのは、1本のビームを±１次光の２本に分ける作用がある無偏光回折格子を回折面の方向が異なるように２枚重ねた効果によるものである。検出器の前には4分割直線偏光子２３５が設置されており、それぞれの直線偏光子２４５、２４１、２４３、２４５の光学軸方向は図１１に示すように０度、４５度、９０度、−４５度である。４本に分割されたビームがそれぞれの直線偏光子を通過し、検出器１１３の４分割検出器で検出される。図１２に４分割検出器１１３の検出器の面形状を示す。検出器１２４には直線偏光子２４５を透過した光が入射し、検出器１２１には直線偏光子２４１、検出器１２３には直線偏光子２４３、検出器１２２には直線偏光子２４２を透過した光がそれぞれ入射する。検出器の中央に示した黒丸は光の集光状態を示している。検出器１２４と１２３の出力の差動信号をIｃとしたとき、Ｉｃ＝α｜A｜2 cos（θ）となり、また検出器１２１と１２２の差動信号をIｓとしたとき、Ｉｓ＝α｜A｜2 sin（θ）のように表わされる。したがって、実施例１と同様に、１０９の電子回路においてＩ＝√（Ｉｃ２＋Ｉｓ２）＝α｜A｜2の計算を行うことにより高分解能の強度信号を得ることが可能となる。この高分解の強度信号を表示装置１１０に画像として表示する。
【実施例４】
【００１９】
これまでに示した実施例の光学系では光軸方向の分解能がない。すなわち、観察物体として、たとえば反射鏡を置いたとしたとき、これを光軸方向に動かしても検出器の出力は、絞りの周辺で遮られることによる光量の減少、あるいは検出器外へのビームのはみ出し等が大きくならない限り変化しない。これは二つの干渉ビームが光軸方向の反射鏡の動きに対して同じ応答をするので、干渉効果を検出する前出の実施例の信号に影響を及ぼさないためである。
【００２０】
光軸方向の分解能を得るために、図１３に示すごとく、光検出器１０５、１０６、１０７、１０８の検出領域をピンホール２３８、２３６、２３９、２３７により制限する。ピンホールのサイズは集光レンズでビームを絞り込んだときのエアリディスク（Airy Diｓｋ）程度の大きさとする。これにより、反射鏡が光軸方向に焦点位置から外れたとき、ピンホールにより広がったビームの一部を検出することになるので検出光量が減少し、光軸方向の分解能が発生する。ピンホールを小さくし過ぎると、光学特性が共焦点走査型顕微鏡に近づいてしまい、本特許の高分解能でありかつ検出光量の減少が少ないというメリットが失われるので注意する必要がある。
【００２１】
本実施例のピンホールは図1の実施例に対して挿入する場合を提示したが、実施例２、３等にも適用できるものであり、これだけに限定されるものではない。
【実施例５】
【００２２】
さらに分解能を向上する方法として、遮光板を光路中に配置する実施例を図１４に示す。本実施例ではピンホールを挿入した実施例４の光学系に遮光板２５０が挿入されている。観察物体からの反射光を干渉のために二つに分けるビームスプリッタ２０８の入射直前に設置した。遮光板２５０の形状を図１５に示す。２５１は観察物体からの反射光のビーム形状とし、ビームの中心部を遮光するように遮光領域２５２が配置されている。これによりビームの周辺領域のみの光が干渉に関与することになり、分解能がさらに向上する。遮光領域の半径を大きくすると分解能が向上するが、逆に検出光量が低下するので信号雑音比が低下する。本実施例では遮光領域の直径はビーム径の８割程度に留めておくのがよく、この程度でも分解能は向上する。図１５に示した遮光領域は円形状にマスク等を使用してガラス板にクロムを蒸着することで作製される。
【００２３】
遮光板の設置位置は図１４のビームスプリッタ２１３を透過した後の光路でもよい。この場合は、たとえばλ／２板２２１およびλ／４板２２２の直前に置くことも可能である。また、本実施例ではピンホールと遮光板の両方を設置することにしたが、遮光板だけを設置するだけでも更に横方向の分解能は向上する。
【００２４】
更に遮光板の設置位置は観察物体への照射光の光路中に挿入してもいい。この場合は２０６のコリメータレンズの直後に置くことになる。
【００２５】
更に遮光板の設置位置は観察物体への照射光と観察物体からの反射光の両方の光路中設置してもよい。この場合はビームスプリッタ２０７と対物レンズ２０１の間に設置することになる。
【実施例６】
【００２６】
図１６に示す実施例では実施例1の像反転のために使用した２枚の凸レンズ２０９と２１０を1枚にして、光学系を簡略化している。レーザ光源１０１からのレーザ光がコリメートされ、観察物体２０２からの反射光が偏光ビームスプリッタ２０７を透過するまでは実施例１と同じである。偏光ビームスプリッタ２２０と透過したp偏光状態の光は２２０のλ／2板で偏光方向が４５度の直線偏光に変えられる。この光は偏光ビームスプリッタ２０８で二つに分けられ、p偏光状態の光が透過し、ｓ偏光状態の光が反射される。透過光はλ／４板２４６で円偏光に変えられ、反射板２１６で反射される。λ／４板２４６透過後はｓ偏光状態になり、偏光ビームスプリッタ２０８に戻る。他方、偏光ビームスプリッタ２０８で反射されたｓ偏光状態の光はλ／４板２４７を透過して円偏光となり、凸レンズ２０９により焦点面に置かれた反射鏡２１１を照射する。照射光は反射鏡２１１で反射され、凸レンズ２０９に戻り、λ／４板２４７によりp偏光状態の光となる。こちらの光は反射鏡２１６で反射された光とは異なり像反転が生じている。λ／４板２４６を透過した光はｓ偏光状態、λ／４板２４７を透過した光はｐ偏光状態であるので、偏光ビームスプリッタ２０８により両ビームは重ね合わされて、ビームスプリッタ２１３に向かう。ビームスプリッタ２１３で二つに分けられ、それぞれ波長板と集光レンズを透過後、偏光ビームスプリッタで二つに分けられる。これらの４つの検出器の信号を使用して、高分解能な観察画像を表示装置１１０に表示するのは実施例１と同様である。
【実施例７】
【００２７】
観察物体が照射光により蛍光を発する場合は、蛍光像による観察が可能となる。しかし、照射励起光の偏光方向がある一つの偏光状態であっても、発生した蛍光の偏光状態はランダムとなる場合が多い。高分解能の性能を得るためには、偏光状態を選択し、その状態を二つに分けて干渉させる必要がある。図１７に示した実施例では、実施例1の光学系においてショートカットフィルタ２６４と偏光子２６５、位相補償板２６７を付加し、偏光子２６５によりｓ偏光の蛍光だけを使用するようになっている。１０１はレーザ光源であり、出射光は観察物体２０２を照射し、蛍光を発生させる。ショートカットフィルタ２６４を透過した後は、励起光は遮断され、励起光より波長の長い蛍光だけが偏光子２６５に向かう。２６５の偏光子でｓ偏光の蛍光だけがビームスプリッタ２０８に入射する。ここで二つのビームに分割され、反射光は２２０のλ／２板でｐ偏光に変換される。その後、凸レンズ２０９と２１０により像反転され、ビームスプリッタ２１３に向かう。ビームスプリッタ２０８を透過した蛍光は位相補償板２６７を透過し、ビームスプリッタ２１３に向かう。ビームスプリッタ２１３に入った二つの光はその後の4つの検出器で検出され、表示装置１１０で画像表示される。
【００２８】
図１８では、観察物体からの蛍光の偏光状態を互いに直交する偏光状態に分けてから、干渉の処理を行う方式を示す。それぞれの蛍光の偏光状態に対してそれぞれ同じ光学処理をする必要があるので、同じ光学系を２系列設置している。
【００２９】
図１８において、半導体レーザ１０１からの出射光がビームスプリッタ２０７で反射された後、観察物体を照射励起し、蛍光を発生させる。発生した蛍光はビームスプリッタ２０７を透過し、ショートカットフィルタ２６４で励起光が取り除かれる。２６０は偏光ビームスプリッタであり、入射蛍光が透過光のｐ偏光、反射光のｓ偏光に分岐される。それぞれの偏光に対して更に２６1あるいは２０８のビームスプリッタで二つに分け、実施例1と同様な干渉を起こさせる。コヒーレンス長の短い蛍光の干渉は光路差を一致させる必要があり、これは位相補償板２６３あるいは２６２を使用して行う。それぞれの偏光方向に対してそれぞれの１１０の表示装置で画像表示可能であるが、両偏光の画像を加え合わせる等の処理をしたものの表示も表示装置１１４で可能である。
【００３０】
図１８の実施例では、ビームスプリッタ２６０で蛍光を二つの直線偏光状態に分けたが、二つの円偏光状態に分けることも可能である。この場合は、図８で示した実施例の干渉光学系をそれぞれの円偏光状態に適用することになる。ただし、この場合も位相補償板は蛍光のコヒーレンス長が短いので必要となる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、高分解能な画像を取得する装置に適用できるだけでなく、高密度な光ディスクを読み出す光ピックアップに適用可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１０１：半導体レーザ、２０１：対物レンズ、２０２：観察物体、２０７：偏光ビームスプリッタ、２０８：ビームスプリッタ、２０９：凸レンズ、２１０：凸レンズ、２１３：ビームスプリッタ、２２０：λ／２板、２２１：λ／２板、２２２：λ／４板、２２３：偏光ビームスプリッタ、２２４：偏光ビームスプリッタ、１０５：光検出器、１０６：光検出器、１０７：光検出器、１０８：光検出器、１０９：演算装置、１１０：表示装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学的な分解能を要する光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学顕微鏡の分解能を向上させる技術として共焦点走査型顕微鏡がある（非特許文献１）。その光学系には反射型と透過型があるが、光学系の分かりやすい透過型を用いて説明する。図３は透過型光学系の概略図である。光源１０１からの光をピンホール２０５に照射し、点光源を得る。現実には有限の大きさのピンホールを使用するので、点光源に近い状態の光源を得ることになる。ピンホールからの光を対物レンズ２０１により２０２の観察物体上に絞り込む。ボイスコイル等による走査機構１０２により観察物体２０２は３次元方向に走査可能となっている。観察物体を透過した光は対物レンズ２０３を透過し、２０４のピンホール上に絞り込まれる。ピンホール２０４の透過光は光検出器１０３で検出され、観察物体の走査位置に対応させた画像表示を行う表示装置１０４でその信号は表示される。共焦点走査型顕微鏡の横方向の分解能は２０４のピンホールに依存することが分かっている。ピンホールの大きさを小さくすると分解能が良くなる。逆に大きくすると分解能が悪くなり、観察物体の広い範囲を照明し、対物レンズを透過した観察物体からの光により像形成を行う、走査型ではない従来の光学顕微鏡の分解能に近づく。図４に上記従来の光学顕微鏡とピンホールの大きさが極限まで小さいときの共焦点走査型顕微鏡の点像分布関数を示す。横軸vは規格化光学単位で表わされており、v = 2π・x・NA/λと定義される。ここに、NAは対物レンズ２０１および２０３の開口数を表わし、両レンズは同じNAを有するものとした。また、ｘは光軸に対して垂直な方向、すなわち横方向の座標、λは光の波長を表わす。共焦点走査型光学顕微鏡の点像分布関数１３１の方が従来型の光学顕微鏡の点像分布関数１３０より分布が狭くなっており、分解能が向上していることが分かる。
【０００３】
共焦点走査型光学顕微鏡ではピンホールを小さくすることで分解能を向上させることが可能であるが、検出光量が減少するので、信号雑音比が悪化する。この問題に対処する方法として、光の干渉効果を使用する方式が非特許文献２に記載されている。その方式に基づいた光学系の概略を図５に示す。レーザ光源１０１から出射したレーザ光をコリメータレンズ２０６で平行光に変換し、ビームスプリッタ２０７で反射する。対物レンズ２０１に入射したレーザ光は走査機構１０２で走査可能となっている２０２の観察物体上に絞り込まれ、反射光されたレーザ光が対物レンズ２０１に戻る。反射されたレーザ光はビームスプリッタ２０７を透過後、ビームスプリッタ２０８で二つのビームに分割される。ビームスプリッタを透過したビームは反射鏡２１１で反射され位相補償板２１２を透過し、ビームスプリッタ２１３に入射する。ビームスプリッタ２０８で反射されたもう一方のビームは二つの凸レンズ２０９と２１０で像が光軸に対して反転され、反射鏡２１６で反射された後、ビームスプリッタ２１３に入射する。
【０００４】
ビームスプリッタ２１３には２方向からビーム２５１と２５２が入射し、それぞれのビームは反射光と透過光に分かれて出射することになる。すなわち、干渉光が２方向に出射し、それぞれ集光レンズ２１４と２１５で１０５と１０６の検出器上に絞られる。検出器上には検出器領域を制限するピンホール２１７と２１８がそれぞれ配置されている。ここで、ビーム２５２がビームスプリッタ２１３を透過したときの位相をθ１、反射光の位相をθ２、ビーム２５２の透過光の位相をφ１、反射光の位相をφ２とする。このとき、位相間にはθ２−φ１＝θ１−φ２＋πの関係がある。ビーム２５１と２５２の間に位相差がないとし、その位相を０度としたとき（θ１＝φ１＝０）、ビームスプリッタの材質を選ぶことでθ２＝π、φ２＝０とすることができる。このような状態で位相補償板２１２を調整することで、光検出器１０５と１０６に入射するそれぞれの干渉光のうち一方はコンストラクティブな状態に、他方はデストラクティブな状態にすることが可能である。この両者の差分をとることにより、干渉光成分のみを得ることができ、この信号を用いることで高分解能な画像を得ることができる。ピンホールの大きさは共焦点走査顕微鏡ほど小さくしないので、光量の減少が少ないのがメリットなっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】C. J. R. Sheppard and A. Choudhury, "Image Formation in theScanning Microscope," Opt. Acta, Vol. 24, 1051-1073 (1977)
【非特許文献２】K. Wicker and R. Heintzmann, “Interferometric Resolution Improvement for Confocal Microscopes,” Optics Express, Vol. 15, No. 19, 12206-12216 (2007).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図５に示した方式では2本のビームを干渉させ、干渉信号を得ている。一般的に干渉光学系では、光路中の空気に揺らぎが生ずると、二つのビーム間に位相差が発生し、干渉状態が変化する。また、光学系を小型にする場合は、熱を発生する光源をその他の光学素子に近接して配置する必要がある。このため光学素子は熱の影響を受けやすくなり、干渉状態が変化してしまう。このような干渉状態の変化が生じるので、安定的な信号を得るのが難しい。図５に示す光学系でも同様に、光路差を一定に保って、二つの検出器に入射する干渉項の状態をコンストラクティブとデストラクティブな状態にしておくことは非常に難しい。即ち、画像をとっている間にコンストラクティブとデストラクティブな状態が変化する可能性があり、正確な観測が困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、偏光状態の異なる二つのビームを干渉させ、振幅の分離ができる光学系を採用する。
【０００８】
本発明は、物体への集光光学系と、物体からの反射光、透過光、あるいは蛍光などの応答光を二つに分割する分割光学系と、二つに分割された応答光を異なる偏光状態にする偏光光学素子と、一方の応答光の光路に設置された像反転光学系と、二つの応答光を重ね合わせる素子と、重ね合わせた合成応答光を複数に分割する光学素子と、それぞれ分割された合成応答光の光路に設置された異なる偏光フィルターと、分割された合成応答光をそれぞれ検出する検出器と、それぞれの検出器からの信号を処理することで振幅情報または／及び振幅情報を算出する電子回路とから実現される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、温度の影響による光路長の変化や空気の乱れによる屈折率変化で生じた干渉光における二つの光路の位相差の影響を排除することができ、安定的な高分解能の信号出力を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による光学系の一例を示す図。
【図２】本発明による光ピックアップ装置の光学系の一例を示す図。
【図３】透過型共焦点走査顕微鏡の光学系を示す図。
【図４】従来型の光学顕微鏡と共焦点走査型顕微鏡の点像分布関数を示す図。
【図５】非特許文献２に基づく光学系を示す図。
【図６】従来型の光学顕微鏡と共焦点走査型顕微鏡、本特許に基づく点像分布関数を示す図。
【図７】光ディスクに適用したときに使用する信号処理を示す図。
【図８】本発明による光学系の一例を示す図。
【図９】無偏光回折格子を示す図。
【図１０】無偏光回折格子を示す図。
【図１１】４分割直線偏光子とそれぞれの光学軸を示す図。
【図１２】４分割検出器の一例を示す図。
【図１３】検出器前にピンホールを付加した本特許に基づく光学系の一例を示す図。
【図１４】遮光板とピンホールとを併用した本特許に基づく光学系の一例を示す図。
【図１５】遮光板の形状を示す図。
【図１６】本発明による光学系の一例を示す図。
【図１７】本発明による蛍光を検出する光学系の一例を示す図。
【図１８】本発明による蛍光を検出する光学系の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の光学装置を実施するための最良の形態を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１に、本発明の光学系に基づく走査型光学顕微鏡を示す。１０１はレーザ光源であり、ｓ偏光の出射光をコリメータレンズ２０６で平行光に変換する。レーザ光源の出射光はコヒーレンス長が略５ｍm以上のものを使用しており、光路長差があっても干渉が起こりやすくしてある。これにより光路長の調整が不要になる。もし、コヒーレンス長の短いレーザ光源を使用した場合は、位相補償板等が必要になる。２０７は偏光性のビームスプリッタであり、ｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過するものとする。１０１の光源からの出射光の偏光方向はｓ偏光であるので、２０７のビームスプリッタで反射され、λ／４板２２５で円偏光に変換される。その後、対物レンズ２０１により２０２の観察物体上に絞り込まれる。観察物体は走査機構１０２で走査できるようになっている。本実施例では、光学系の複雑さを避けるために、観察物体そのものを走査する方式を採用しているが、これに限定されるものではなく、集光スポットを走査する方式でもよい。また、ここでは観察物体からの反射光を検出する顕微鏡で説明するが、観察物体を透過する方式でもよい。観察物体からの反射光は、対物レンズ２０１に戻り、２２５のλ／４板を透過することでｐ偏光になる。このｐ偏光の光はビームスプリッタ２０７を透過し、ハーフビームスプリッタ２０８で２分割される。
【００１３】
ハーフビームスプリッタ２０８で反射された光は光学軸が４５度傾いたλ／２板２２０でp偏光の光になる。その後、同じ焦点距離の２枚の凸レンズ２０９と２１０により像反転が行われ、反射鏡２１６で反射された光はハーフビームスプリッタ２１３に入射する。ハーフビームスプリッタ２０８を透過したもう一方の光は反射鏡２１１で反射され、ｓ偏光のままハーフビームスプリッタ２１３に入射する。ハーフビームスプリッタ２１３には偏光方向の異なる光が両方向から入射し、それぞれの光は２方向に分割され、２方向に干渉光が出射する。紙面上でハーフビームスプリッタ２１３の右方向に出射してくる干渉光には光学軸が２２．５度傾いた２２１のλ／２板が設置されており、集光レンズ２１５で焦点位置に置かれた検出器上に集光される。検出器前の光路中には偏光ビームスプリッタ２２３が設置されており、ｓ方向とｐ方向の成分に分解されて検出器１０６と検出器１０８で検出される。ここで、観察物体を光軸上にある点物体とする。観察物体からの反射光の複素振幅をAとし、検出器１０６と検出器１０８の差動信号をIｃとしたとき、Ｉｃ＝α｜A｜2 cos（θ）と表わされる。αは信号増幅や検出器効率等を含む係数であり、θは観察物体からの反射光を２分割した後に発生したビーム間の位相差である。また、紙面上でハーフビームスプリッタ２１３の上方向に出射する干渉光には光学軸が４５度傾いたλ／４板２２２が挿入されている。集光レンズ２１４で集光された干渉光は検出器１０５および１０７で検出される。途中に設置されている偏光ビームスプリッタ２２４によりｓ偏光とp偏光に分離されている。ここで検出器１０５と１０７の差動信号をIｓとしたとき、Ｉｓ＝α｜A｜2 sin（θ）のように表わされる。ＩｃおよびＩｓには干渉成分のみが検出されている。演算装置１０９では数式Ｉ＝√（Ｉｃ２＋Ｉｓ２）＝α｜A｜2の計算を行う。Ｉは観察物体の反射光の強度のみに比例した変数となり、ビーム間の位相差には影響されなくなる。１１０は表示装置であり、観察物体２０２の走査位置と表示位置の対応をつけた表示がなされる。本実施例では４つの検出器からの信号を使用するタイプを示したが、４個の検出器のうち３個を使用して干渉成分を算出することは可能であるが、この場合はマイクロコンピュータ等の計算機を使用した方がよい。
【００１４】
光学系の倍率をＭとし、観察物体として点物体が光軸から距離ａ離れたところにあるとしたとき、それぞれの4つの検出器上では光軸からＭａ離れた位置に点像分布が光軸を中心として２個対称に形成される。対称位置に2個点像分布が形成されるのは、２枚の凸レンズ２０９と２１０による像反転の効果によるものである。中心位置がＭｘにある通常光学系の振幅点像分布をＡ（Ｍａ）とし、中心位置が−Ｍａにある振幅点像分布をＡ（−Ｍａ）としたとき、出力信号Ｉ（ａ）はＩ（ａ）＝α｜Ａ（ａ）｜２｜∬Ａ（Ｍａ）Ａ（−Ｍａ）ｄｘｄｙ｜のように表わされる。面積分は検出器上で行われ、この積分の効果により、分解能が向上する。図６に点像分布関数を示す。横軸は規格化された光学単位で示されている。１３０の分布が通常の光学系の点像分布関数｜Ａ（ｖ）｜２である。本特許の光学系では１３２の破線のように分布が狭くなり、共焦点走査型顕微鏡（１３１の実線）よりも分解能が優れていることが分かる。また、共焦点走査顕微鏡のように検出器前にピンホールを使用しないので、光量の大幅な減少は避けられる。したがって、信号雑音比の良い状態の信号を得ることができる。さらに、得られる信号には干渉させるビームの位相差が除去されているので、両ビームの位相差の影響は現れないので、位相差が変動しても誤差の少ない安定した画像信号が得られる。
【実施例２】
【００１５】
図２に本特許の光学系を使用した光ディスク装置のピックアップ光学系を示す。本実施例の図面中の番号で図１と同じものは同じ機能を有する。レーザ光源１０１からのレーザ光はコリメータされた後、対物レンズ２０１で光ディスク２２６上に集光される。光ディスクは回転体に固定されており、回転可能となっている。光ディスクからの反射光はハーフビームスプリッタ２２７に向かい、二つに分割される。ビームスプリッタ２０８に向かう透過した光はデータ信号生成のために使用される。ビームスプリッタ２０８で分割された後の光学系は図１のものと同じであり、高分解能の信号が演算装置１０９で生成される。この信号は１１２の電子回路で処理され、データ信号となる。図７において電子回路１１２での信号処理の概略を説明する。７１１から７１４までの回路はデータを光ディスク２２６に記録するためのものである。図２に示した１１２の電子回路以外の光学系は６０の部分に相当する。７１１は誤り訂正用符号化回路であり、データに誤り訂正符号が付加される。７１２は記録符号化回路であり、１−７ＰＰ方式でデータを変調する。７１３は記録補償回路であり、マーク長に適した書込みのためのパルスを発生する。発生したパルス列に基づき、半導体レーザ駆動回路７１４により、図２のレーザ光源１０１を駆動し、対物レンズから出射したレーザ光８０を変調する。モータ５０２によって回転駆動される光ディスク５０１上にはレーザ光により反射率が異なるマーク形成される。
【００１６】
７２１から７２６の回路はデータの読み出しのためのものである。高分解能のデータ信号がイコライザー７２１に入力され、最短マーク長付近の信号雑音比が改善される。この信号は７２２のＰＬＬ回路に入力され、クロックが抽出される。また、イコライザーで処理されたデータ信号は抽出されたクロックのタイミングで７２３のＡ−Ｄ変換器でデジタル化される。７２４はＰＲＭＬ（Partial Response Maximum Likelihood）信号処理回路であり、ビタビ復号を行う。記録復号化回路７２５では１−７ＰＰ方式の変調規則に基づき復号化し、誤り訂正回路７２６でデータを復元する。
【００１７】
図２のハーフビームスプリッタ２２７で反射された光は制御信号生成光学系２２８で処理され、トラッキングエラー信号とフォーカスエラー信号が生成される。これらの信号は対物レンズの位置制御を行うアクチュエータ１１１にフィードバックされ、照射レーザ光のディスク上での位置制御が行われる。
【実施例３】
【００１８】
図８に実施例１と異なる偏光を使用する実施例を示す。レーザ光源１０１からハーフビームスプリッタ２２９まで光学系は同じである。ハーフビームスプリッタ２２９を反射した反射光はλ／４板２３０により右円偏光に変換され、２枚の凸レンズ２０９と２１０により像反転が行われる。この反射光は反射鏡２１６で反射され、円偏光ビームスプリッタ２３２に入射する。他方、ハーフビームスプリッタ２２９を透過した透過光は反射鏡２１１で反射され、λ／４板２３１で左円偏光に変換される。左円偏光状態の光は円偏光ビームスプリッタ２３２を透過し、右円偏光状態の光と干渉することになる。重ね合わされた右偏光と左偏光状態の光は無偏光回折格子２３３と２３４を透過する。図９及び図１０には無偏光回折格子２３３と２３４の溝の方向を示す。両者は溝の方向が直交しているので、±１次以上の高次の回折光の回折面は直交している。無偏光回折格子２２３と２３４の0次光回折光は発生せず、同光量の±1次光の強度が大きくなるように、回折格子の溝の深さが設定されている。また、溝のピッチは後述の検出器に入射するように設計されている。無偏光回折格子を透過した光は図８の集光レンズ２１５で４分割検出器１１３上に4分割されて集光される。ビームが4本形成されるのは、1本のビームを±１次光の２本に分ける作用がある無偏光回折格子を回折面の方向が異なるように２枚重ねた効果によるものである。検出器の前には4分割直線偏光子２３５が設置されており、それぞれの直線偏光子２４５、２４１、２４３、２４５の光学軸方向は図１１に示すように０度、４５度、９０度、−４５度である。４本に分割されたビームがそれぞれの直線偏光子を通過し、検出器１１３の４分割検出器で検出される。図１２に４分割検出器１１３の検出器の面形状を示す。検出器１２４には直線偏光子２４５を透過した光が入射し、検出器１２１には直線偏光子２４１、検出器１２３には直線偏光子２４３、検出器１２２には直線偏光子２４２を透過した光がそれぞれ入射する。検出器の中央に示した黒丸は光の集光状態を示している。検出器１２４と１２３の出力の差動信号をIｃとしたとき、Ｉｃ＝α｜A｜2 cos（θ）となり、また検出器１２１と１２２の差動信号をIｓとしたとき、Ｉｓ＝α｜A｜2 sin（θ）のように表わされる。したがって、実施例１と同様に、１０９の電子回路においてＩ＝√（Ｉｃ２＋Ｉｓ２）＝α｜A｜2の計算を行うことにより高分解能の強度信号を得ることが可能となる。この高分解の強度信号を表示装置１１０に画像として表示する。
【実施例４】
【００１９】
これまでに示した実施例の光学系では光軸方向の分解能がない。すなわち、観察物体として、たとえば反射鏡を置いたとしたとき、これを光軸方向に動かしても検出器の出力は、絞りの周辺で遮られることによる光量の減少、あるいは検出器外へのビームのはみ出し等が大きくならない限り変化しない。これは二つの干渉ビームが光軸方向の反射鏡の動きに対して同じ応答をするので、干渉効果を検出する前出の実施例の信号に影響を及ぼさないためである。
【００２０】
光軸方向の分解能を得るために、図１３に示すごとく、光検出器１０５、１０６、１０７、１０８の検出領域をピンホール２３８、２３６、２３９、２３７により制限する。ピンホールのサイズは集光レンズでビームを絞り込んだときのエアリディスク（Airy Diｓｋ）程度の大きさとする。これにより、反射鏡が光軸方向に焦点位置から外れたとき、ピンホールにより広がったビームの一部を検出することになるので検出光量が減少し、光軸方向の分解能が発生する。ピンホールを小さくし過ぎると、光学特性が共焦点走査型顕微鏡に近づいてしまい、本特許の高分解能でありかつ検出光量の減少が少ないというメリットが失われるので注意する必要がある。
【００２１】
本実施例のピンホールは図1の実施例に対して挿入する場合を提示したが、実施例２、３等にも適用できるものであり、これだけに限定されるものではない。
【実施例５】
【００２２】
さらに分解能を向上する方法として、遮光板を光路中に配置する実施例を図１４に示す。本実施例ではピンホールを挿入した実施例４の光学系に遮光板２５０が挿入されている。観察物体からの反射光を干渉のために二つに分けるビームスプリッタ２０８の入射直前に設置した。遮光板２５０の形状を図１５に示す。２５１は観察物体からの反射光のビーム形状とし、ビームの中心部を遮光するように遮光領域２５２が配置されている。これによりビームの周辺領域のみの光が干渉に関与することになり、分解能がさらに向上する。遮光領域の半径を大きくすると分解能が向上するが、逆に検出光量が低下するので信号雑音比が低下する。本実施例では遮光領域の直径はビーム径の８割程度に留めておくのがよく、この程度でも分解能は向上する。図１５に示した遮光領域は円形状にマスク等を使用してガラス板にクロムを蒸着することで作製される。
【００２３】
遮光板の設置位置は図１４のビームスプリッタ２１３を透過した後の光路でもよい。この場合は、たとえばλ／２板２２１およびλ／４板２２２の直前に置くことも可能である。また、本実施例ではピンホールと遮光板の両方を設置することにしたが、遮光板だけを設置するだけでも更に横方向の分解能は向上する。
【００２４】
更に遮光板の設置位置は観察物体への照射光の光路中に挿入してもいい。この場合は２０６のコリメータレンズの直後に置くことになる。
【００２５】
更に遮光板の設置位置は観察物体への照射光と観察物体からの反射光の両方の光路中設置してもよい。この場合はビームスプリッタ２０７と対物レンズ２０１の間に設置することになる。
【実施例６】
【００２６】
図１６に示す実施例では実施例1の像反転のために使用した２枚の凸レンズ２０９と２１０を1枚にして、光学系を簡略化している。レーザ光源１０１からのレーザ光がコリメートされ、観察物体２０２からの反射光が偏光ビームスプリッタ２０７を透過するまでは実施例１と同じである。偏光ビームスプリッタ２２０と透過したp偏光状態の光は２２０のλ／2板で偏光方向が４５度の直線偏光に変えられる。この光は偏光ビームスプリッタ２０８で二つに分けられ、p偏光状態の光が透過し、ｓ偏光状態の光が反射される。透過光はλ／４板２４６で円偏光に変えられ、反射板２１６で反射される。λ／４板２４６透過後はｓ偏光状態になり、偏光ビームスプリッタ２０８に戻る。他方、偏光ビームスプリッタ２０８で反射されたｓ偏光状態の光はλ／４板２４７を透過して円偏光となり、凸レンズ２０９により焦点面に置かれた反射鏡２１１を照射する。照射光は反射鏡２１１で反射され、凸レンズ２０９に戻り、λ／４板２４７によりp偏光状態の光となる。こちらの光は反射鏡２１６で反射された光とは異なり像反転が生じている。λ／４板２４６を透過した光はｓ偏光状態、λ／４板２４７を透過した光はｐ偏光状態であるので、偏光ビームスプリッタ２０８により両ビームは重ね合わされて、ビームスプリッタ２１３に向かう。ビームスプリッタ２１３で二つに分けられ、それぞれ波長板と集光レンズを透過後、偏光ビームスプリッタで二つに分けられる。これらの４つの検出器の信号を使用して、高分解能な観察画像を表示装置１１０に表示するのは実施例１と同様である。
【実施例７】
【００２７】
観察物体が照射光により蛍光を発する場合は、蛍光像による観察が可能となる。しかし、照射励起光の偏光方向がある一つの偏光状態であっても、発生した蛍光の偏光状態はランダムとなる場合が多い。高分解能の性能を得るためには、偏光状態を選択し、その状態を二つに分けて干渉させる必要がある。図１７に示した実施例では、実施例1の光学系においてショートカットフィルタ２６４と偏光子２６５、位相補償板２６７を付加し、偏光子２６５によりｓ偏光の蛍光だけを使用するようになっている。１０１はレーザ光源であり、出射光は観察物体２０２を照射し、蛍光を発生させる。ショートカットフィルタ２６４を透過した後は、励起光は遮断され、励起光より波長の長い蛍光だけが偏光子２６５に向かう。２６５の偏光子でｓ偏光の蛍光だけがビームスプリッタ２０８に入射する。ここで二つのビームに分割され、反射光は２２０のλ／２板でｐ偏光に変換される。その後、凸レンズ２０９と２１０により像反転され、ビームスプリッタ２１３に向かう。ビームスプリッタ２０８を透過した蛍光は位相補償板２６７を透過し、ビームスプリッタ２１３に向かう。ビームスプリッタ２１３に入った二つの光はその後の4つの検出器で検出され、表示装置１１０で画像表示される。
【００２８】
図１８では、観察物体からの蛍光の偏光状態を互いに直交する偏光状態に分けてから、干渉の処理を行う方式を示す。それぞれの蛍光の偏光状態に対してそれぞれ同じ光学処理をする必要があるので、同じ光学系を２系列設置している。
【００２９】
図１８において、半導体レーザ１０１からの出射光がビームスプリッタ２０７で反射された後、観察物体を照射励起し、蛍光を発生させる。発生した蛍光はビームスプリッタ２０７を透過し、ショートカットフィルタ２６４で励起光が取り除かれる。２６０は偏光ビームスプリッタであり、入射蛍光が透過光のｐ偏光、反射光のｓ偏光に分岐される。それぞれの偏光に対して更に２６1あるいは２０８のビームスプリッタで二つに分け、実施例1と同様な干渉を起こさせる。コヒーレンス長の短い蛍光の干渉は光路差を一致させる必要があり、これは位相補償板２６３あるいは２６２を使用して行う。それぞれの偏光方向に対してそれぞれの１１０の表示装置で画像表示可能であるが、両偏光の画像を加え合わせる等の処理をしたものの表示も表示装置１１４で可能である。
【００３０】
図１８の実施例では、ビームスプリッタ２６０で蛍光を二つの直線偏光状態に分けたが、二つの円偏光状態に分けることも可能である。この場合は、図８で示した実施例の干渉光学系をそれぞれの円偏光状態に適用することになる。ただし、この場合も位相補償板は蛍光のコヒーレンス長が短いので必要となる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、高分解能な画像を取得する装置に適用できるだけでなく、高密度な光ディスクを読み出す光ピックアップに適用可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１０１：半導体レーザ、２０１：対物レンズ、２０２：観察物体、２０７：偏光ビームスプリッタ、２０８：ビームスプリッタ、２０９：凸レンズ、２１０：凸レンズ、２１３：ビームスプリッタ、２２０：λ／２板、２２１：λ／２板、２２２：λ／４板、２２３：偏光ビームスプリッタ、２２４：偏光ビームスプリッタ、１０５：光検出器、１０６：光検出器、１０７：光検出器、１０８：光検出器、１０９：演算装置、１１０：表示装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を物体へ集光する集光光学系と、
前記物体から検出された応答光を二つに分割する分割光学系と、
前記二つに分割された応答光を異なる偏光状態にする偏光光学素子と、
前記二つに分割された応答光のうち、一方の応答光の光路に設置された像反転光学系と、
前記像反転光学系で像反転された応答光と、他の応答光を重ね合わせ、合成応答光を生成する素子と、
前記合成応答光を複数に分割する光学素子と、
前記複数に分割された合成応答光の光路に、それぞれ設置された異なる偏光フィルターと、
前記複数に分割された合成応答光をそれぞれ検出する検出器と、
それぞれの検出器からの信号を処理することで振幅情報及び／又は位相情報を算出する回路と
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記二つに分割された応答光の偏光状態が、ｓ偏光とｐ偏光であることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記二つに分割された応答光の偏光状態が、右円偏光と左円偏光であることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記検出器前に集光された光スポットのAiryのDiskの大きさと略同等の大きさのピンホールを設置したことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項５】
前記応答光の光路中に中心部分を遮光する遮光板を設けることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項６】
前記光源のコヒーレンス長が略５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項７】
前記像反転光学系は、１枚のレンズと反射鏡により構成されることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項８】
前記応答光は蛍光であり、前記応答光の光路中に、所定の偏光状態を選択する偏光子を設けることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項９】
前記応答光は蛍光であり、前記物体からの前記蛍光の偏光状態を互いに直交する偏光状態に分割する手段を更に有し、
前記分割された偏光状態それぞれについて、少なくとも、前記分割光学系、前記偏光光学素子、前記像反転光学系、前記合成応答光を生成する素子、前記分割する光学素子、前記偏光フィルター、前記検出器を有することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１０】
光源と
前記光源からの光を観察物体へ集光する集光光学系と、
観察物体からの応答光を二つに分割する分割光学系と、
前記二つに分割された応答光を異なる偏光状態にする偏光光学素子と、
前記二つに分割された応答光のうち、一方の応答光の光路に設置された像反転光学系と、
前記像反転光学系で像反転された応答光と、他の応答光を重ね合わせ、合成応答光を生成する素子と、
前記合成応答光を複数に分割する光学素子と、
前記複数に分割された合成応答光の光路に、それぞれ設置された異なる偏光フィルターと、
前記複数に分割された合成応答光をそれぞれ検出する検出器と、
それぞれの前記検出器からの信号を処理することで振幅情報及び／又は位相情報を算出する回路と
前記回路からの出力を表示する表示装置と
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項１１】
光源と
前記光源からの光を光ディスクへ集光する集光光学系と、
光ディスクからの反射光を二つに分割する分割光学系と、
二つに分割された反射光を異なる偏光状態にする偏光光学素子と、
前記二つに分割された反射光のうち、一方の反射光の光路に設置された像反転光学系と、
前記像反転光学系で像反転された反射光と、他の反射光を重ね合わせ、合成光を生成する素子と、
前記合成光を複数に分割する光学素子と、
前記複数に分割された合成光の光路に、それぞれ設置された異なる偏光フィルターと、
前記複数に分割された合成光をそれぞれ検出する検出器と、
それぞれの前記検出器からの信号を処理する信号処理回路と、
制御信号生成光学系と、
前記制御信号生成光学系から出力されるトラッキングエラー信号とフォーカスエラー信号で前記光ディスクへの集光照射光位置を制御する制御機構と
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を物体へ集光する集光光学系と、
前記物体から検出された応答光を二つに分割する分割光学系と、
前記二つに分割された応答光を異なる偏光状態にする偏光光学素子と、
前記二つに分割された応答光のうち、一方の応答光の光路に設置された像反転光学系と、
前記像反転光学系で像反転された応答光と、他の応答光を重ね合わせ、合成応答光を生成する素子と、
前記合成応答光を複数に分割する光学素子と、
前記複数に分割された合成応答光の光路に、それぞれ設置された異なる偏光フィルターと、
前記複数に分割された合成応答光をそれぞれ検出する検出器と、
それぞれの検出器からの信号を処理することで振幅情報及び／又は位相情報を算出する回路と
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記二つに分割された応答光の偏光状態が、ｓ偏光とｐ偏光であることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記二つに分割された応答光の偏光状態が、右円偏光と左円偏光であることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記検出器前に集光された光スポットのAiryのDiskの大きさと略同等の大きさのピンホールを設置したことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項５】
前記応答光の光路中に中心部分を遮光する遮光板を設けることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項６】
前記光源のコヒーレンス長が略５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項７】
前記像反転光学系は、１枚のレンズと反射鏡により構成されることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項８】
前記応答光は蛍光であり、前記応答光の光路中に、所定の偏光状態を選択する偏光子を設けることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項９】
前記応答光は蛍光であり、前記物体からの前記蛍光の偏光状態を互いに直交する偏光状態に分割する手段を更に有し、
前記分割された偏光状態それぞれについて、少なくとも、前記分割光学系、前記偏光光学素子、前記像反転光学系、前記合成応答光を生成する素子、前記分割する光学素子、前記偏光フィルター、前記検出器を有することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１０】
光源と
前記光源からの光を観察物体へ集光する集光光学系と、
観察物体からの応答光を二つに分割する分割光学系と、
前記二つに分割された応答光を異なる偏光状態にする偏光光学素子と、
前記二つに分割された応答光のうち、一方の応答光の光路に設置された像反転光学系と、
前記像反転光学系で像反転された応答光と、他の応答光を重ね合わせ、合成応答光を生成する素子と、
前記合成応答光を複数に分割する光学素子と、
前記複数に分割された合成応答光の光路に、それぞれ設置された異なる偏光フィルターと、
前記複数に分割された合成応答光をそれぞれ検出する検出器と、
それぞれの前記検出器からの信号を処理することで振幅情報及び／又は位相情報を算出する回路と
前記回路からの出力を表示する表示装置と
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項１１】
光源と
前記光源からの光を光ディスクへ集光する集光光学系と、
光ディスクからの反射光を二つに分割する分割光学系と、
二つに分割された反射光を異なる偏光状態にする偏光光学素子と、
前記二つに分割された反射光のうち、一方の反射光の光路に設置された像反転光学系と、
前記像反転光学系で像反転された反射光と、他の反射光を重ね合わせ、合成光を生成する素子と、
前記合成光を複数に分割する光学素子と、
前記複数に分割された合成光の光路に、それぞれ設置された異なる偏光フィルターと、
前記複数に分割された合成光をそれぞれ検出する検出器と、
それぞれの前記検出器からの信号を処理する信号処理回路と、
制御信号生成光学系と、
前記制御信号生成光学系から出力されるトラッキングエラー信号とフォーカスエラー信号で前記光ディスクへの集光照射光位置を制御する制御機構と
を有することを特徴とする光学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図４】
【図６】
【図２】
【図３】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図４】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１５０３０１（Ｐ２０１２−１５０３０１Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９３６１（Ｐ２０１１−９３６１）
【出願日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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