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技術 光学的距離計測装置

出願人 アストロデザイン株式会社
発明者 武居利治鈴木茂昭武田重人有馬龍穂
出願日 2018年12月26日 (2年1ヶ月経過) 出願番号 2018-242983
公開日 2020年7月9日 (7ヶ月経過) 公開番号 2020-106304
状態 未査定
技術分野 光学的手段による材料の調査、分析 顕微鏡、コンデンサー
主要キーワード 主周波数成分 出射面位置 信号比較器 測定用ステージ 開口半径 変調信号周波数 次積分 光近接場
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (12)

課題

細胞等の透明な測定対象物に関する屈折率差分布を簡易に表示し、屈折率差分布から測定対象物の化学的組成類推可能な光学的距離計測装置を得る。

解決手段

レーザー光源21、2次元走査デバイス26、ビームスプリッター27が並んで配置され、対物レンズ31が測定対象物G1と対向する。ビームスプリッター27の左隣に受光素子群29が配置される。2次元走査デバイス26がレーザー光源21からの照射光走査させて測定対象物G1に送ることで変調される。対物レンズ31の近傍に、対物レンズ31を上下方向に移動するためのモータが配置されると共に、対物レンズ31の上下方向位置を正確に取得可能とするリニアスケールが配置される。対物レンズ31をモータにより等間隔で複数回移動して測定対象物G1を複数回観察し、位相情報から屈折率差の値を得る。

概要

背景

従来の光学的顕微鏡では、3次元計測が困難であることに加え、回折限界以下の測定対象物観測したり計測したりすることが出来なかった。これに代わるものとして、走査型電子顕微鏡プローブ顕微鏡STM,AFM,NFOS等)、共焦点顕微鏡等の装置が開発され、多くの分野で使われている。

この走査型電子顕微鏡は、走査電子プローブとしてきわめて細いビームを用いているので、分解能が高く、焦点深度光学顕微鏡に比べて著しく大きい。しかしながら、細胞のように導電性の低い測定対象物の観測には、測定対象物である試料に導電性のよい白金パラジウムや金をコートする必要性がある。このため、細胞自体の破損を伴うことが多く、当然のことながら生きたままの細胞を観測、計測することは、不可能であった。

また、プローブ顕微鏡は、測定対象物に対して近接して配置されたプローブをさらに接近させ、原子間力トンネル電流光近接場等を利用して、測定対象物との距離を計測するものである。しかしながら、プローブを高速に移動させることは困難であり、かつ、測定対象物との距離が非常に近いので取り扱いが難しく、さらに2次元的な情報を取得するまでに時間が膨大に必要であった。

一方、共焦点顕微鏡は、測定対象物にスポット光照射しそのスポットに対してピンホールを介して共焦点位置に配置した受光素子にて受光した光量が最大になるように対物レンズ、または測定対象物を動かすことにより、測定対象物の高さ情報や行路差情報を取得するものである。ところが、共焦点顕微鏡では、基本的にスポット内に位相分布があるとビームが変形し誤情報となる。特に測定対象物が細胞等の屈折率変化など波面が位相的に変化するようなものに対しては、その値の信頼性は乏しいと言わざるを得ない。また、受光した光量が最大になるように対物レンズや測定対象物を動かす必要性があるので、リアルタイム性欠けていた。

これらの事情に対して、生物学、医学農学において、細胞のように厚みを持った生体試料の3次元プロファイル情報を生きた状態でリアルタイムに取得したいという要求が高まっている。

この一方、顕微鏡を用いて、距離や厚みを高精度に測定したり、微少なものを高精度に測定したり観察したりする手段の一つとしては、へテロダイン干渉法がよく知られている。ここでは、光を用いた光ヘテロダイン法について述べるが、他の電磁波においても同様な考え方で実施されている。この光ヘテロダイン法は、周波数の異なる2つのレーザー光干渉させて、その差の周波数のビート信号を作成し、このビート信号の位相変化波長の1/500程度の分解能で検出するものである。つまり、この光ヘテロダイン法によれば、3次元的な情報である表面の高さ方向の変化を計測しつつ測定対象物までの距離を測定したり、被測定物自体の厚み等を測定や観察したりできる。

概要

細胞等の透明な測定対象物に関する屈折率差分布を簡易に表示し、屈折率差分布から測定対象物の化学的組成類推可能な光学的距離計測装置を得る。レーザー光源21、2次元走査デバイス26、ビームスプリッター27が並んで配置され、対物レンズ31が測定対象物G1と対向する。ビームスプリッター27の左隣に受光素子群29が配置される。2次元走査デバイス26がレーザー光源21からの照射光を走査させて測定対象物G1に送ることで変調される。対物レンズ31の近傍に、対物レンズ31を上下方向に移動するためのモータが配置されると共に、対物レンズ31の上下方向位置を正確に取得可能とするリニアスケールが配置される。対物レンズ31をモータにより等間隔で複数回移動して測定対象物G1を複数回観察し、位相情報から屈折率差の値を得る。

目的

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、細胞等の透明な測定対象物に関する光学的距離を基にして、測定対象物の厚みおよび、周り媒質屈折率と測定対象物の屈折率との間の屈折率差分布を簡易に表示し、屈折率差分布から測定対象物の化学的組成を類推可能な光学的距離計測装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

コヒーレント照射光照射する光源と、光源からの照射光を走査させて測定対象物に送る走査素子と、測定対象物との距離を変更可能とされつつ、走査素子からの照射光を測定対象物に直接送る対物レンズと、走査に伴い測定対象物を経由して変調された照射光を受光して光電変換する少なくとも2つの受光素子と、対物レンズから測定対象物までの距離を等間隔で変更することで、該受光素子で光電変換された信号から測定対象物の複数の位相情報を得ると共に、複数の位相情報のうちの隣り合う位相情報の値間の変化の最大となる箇所における位相情報から、測定対象物の厚み情報の値を得るのに伴い既知媒体との間の屈折率差の値を得る計測部と、を含む光学的距離計測装置

請求項2

計測部が、位相情報の値間の変化の最大となる箇所の前後における位相情報と厚み情報の値から屈折率差の値をそれぞれ算出し、これらの値の平均値を真の屈折率差の値とする請求項1に記載の光学的距離計測装置。

請求項3

計測部がメモリを有し、複数の位相情報をそれぞれメモリに一旦記憶し、厚み情報の値を得る際に、これら位相情報をメモリから読み出して厚み情報の値を算出するのに伴い屈折率差の値を得る請求項1又は請求項2に記載の光学的距離計測装置。

請求項4

計測部が、測定対象物により照射光を回折した0次回折光と1次回折光との位相差を有した光を受光素子で光電変換された信号から測定対象物の複数の位相情報を得る請求項1から請求項3の何れかに記載の光学的距離計測装置。

請求項5

コヒーレントな照射光を照射する光源と、光源からの照射光を走査させて測定対象物に送る走査素子と、測定対象物との距離を変更可能とされつつ、走査素子からの照射光を測定対象物に直接送る対物レンズと、走査に伴い測定対象物を経由して変調された照射光を受光して光電変換する少なくとも2つの受光素子と、対物レンズから測定対象物までの距離の変更量を対物レンズの焦点深度以下として、計測の際の規準点の高さに対するこの変更の前後の高さ位置で隣接した位相情報をそれぞれ得ると共に、これら位相情報から測定対象物の厚み情報の値を得るのに伴い既知の媒体との間の屈折率差の値を得る計測部と、を含む光学的距離計測装置。

請求項6

計測部が、受光素子で光電変換された信号から直流成分と交流成分を抽出し、得られた交流成分の微分信号ヒルベルト変換した信号に基づき、変調された信号の主周波数成分を算出し、この周波数と測定対象物の有する空間周波数と対比する請求項1から請求項5の何れかに記載の光学的距離計測装置。

技術分野

0001

本発明は、レーザー光照射により測定対象物表面状態プロファイル計測細胞等の表面状態および内部状態の計測や観察を極めて高い分解能で実現させるだけでなく、屈折率差分布から測定対象物の化学的組成類推可能な光学的距離計測装置に関し、顕微鏡等の光学機器の分解能を向上させるとともに、測定した光学的距離を厚みと屈折率差に分離する装置に好適なものである。

背景技術

0002

従来の光学的顕微鏡では、3次元の計測が困難であることに加え、回折限界以下の測定対象物を観測したり計測したりすることが出来なかった。これに代わるものとして、走査型電子顕微鏡プローブ顕微鏡STM,AFM,NFOS等)、共焦点顕微鏡等の装置が開発され、多くの分野で使われている。

0003

この走査型電子顕微鏡は、走査電子プローブとしてきわめて細いビームを用いているので、分解能が高く、焦点深度光学顕微鏡に比べて著しく大きい。しかしながら、細胞のように導電性の低い測定対象物の観測には、測定対象物である試料に導電性のよい白金パラジウムや金をコートする必要性がある。このため、細胞自体の破損を伴うことが多く、当然のことながら生きたままの細胞を観測、計測することは、不可能であった。

0004

また、プローブ顕微鏡は、測定対象物に対して近接して配置されたプローブをさらに接近させ、原子間力トンネル電流光近接場等を利用して、測定対象物との距離を計測するものである。しかしながら、プローブを高速に移動させることは困難であり、かつ、測定対象物との距離が非常に近いので取り扱いが難しく、さらに2次元的な情報を取得するまでに時間が膨大に必要であった。

0005

一方、共焦点顕微鏡は、測定対象物にスポット光を照射しそのスポットに対してピンホールを介して共焦点位置に配置した受光素子にて受光した光量が最大になるように対物レンズ、または測定対象物を動かすことにより、測定対象物の高さ情報や行路差情報を取得するものである。ところが、共焦点顕微鏡では、基本的にスポット内に位相分布があるとビームが変形し誤情報となる。特に測定対象物が細胞等の屈折率変化など波面が位相的に変化するようなものに対しては、その値の信頼性は乏しいと言わざるを得ない。また、受光した光量が最大になるように対物レンズや測定対象物を動かす必要性があるので、リアルタイム性欠けていた。

0006

これらの事情に対して、生物学、医学農学において、細胞のように厚みを持った生体試料の3次元プロファイル情報を生きた状態でリアルタイムに取得したいという要求が高まっている。

0007

この一方、顕微鏡を用いて、距離や厚みを高精度に測定したり、微少なものを高精度に測定したり観察したりする手段の一つとしては、へテロダイン干渉法がよく知られている。ここでは、光を用いた光ヘテロダイン法について述べるが、他の電磁波においても同様な考え方で実施されている。この光ヘテロダイン法は、周波数の異なる2つのレーザー光を干渉させて、その差の周波数のビート信号を作成し、このビート信号の位相変化波長の1/500程度の分解能で検出するものである。つまり、この光ヘテロダイン法によれば、3次元的な情報である表面の高さ方向の変化を計測しつつ測定対象物までの距離を測定したり、被測定物自体の厚み等を測定や観察したりできる。

先行技術

0008

特開昭59−214706号公報
特開2017−116925号公報

発明が解決しようとする課題

0009

上記した特許文献1の特開昭59−214706号公報には、音響光学素子を用いて異なる波長からなる2つのビームを隣接して発生させ、これら2ビーム間の位相変化を検出し、その位相変化を累積して表面プロファイルを得る方法が開示されている。ただし、この特許文献1は、2つのビームプロファイル内の平均的な位相差ヘテロダイン検波で検出して、順次積分することにより、単に凹凸情報を得るものであった。
また、特許文献2の特開2017−116925号公報には、ビームを走査することで、空間周波数を取得して測定対象物の有する空間周波数情報再現して分解能を高める技術が開示されている。

0010

さらに、特許文献1によれば、半導体ウェハーのようなフラットであることが前提となるような測定対象物に対して、その凸凹情報を計測することは出来たが、ビームプロファイル内の情報を引き出すことはできず、細胞等の測定対象物内の化学的組成を類推することはできなかった。また、特許文献2によっても、測定対象物の分解能を高めることはできるものの、同様に測定対象物内の化学的組成を類推することができなかった。

0011

上より、従来の顕微鏡等の技術では、面内であるビームプロファイル内の分解能を高めるだけでなく、細胞等の厚みを持った生体試料を破損することなく生きた状態のままで観測、計測することで、細胞等の内部の化学的組成を類推することができなかった。

0012

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、細胞等の透明な測定対象物に関する光学的距離を基にして、測定対象物の厚みおよび、周り媒質屈折率と測定対象物の屈折率との間の屈折率差分布を簡易に表示し、屈折率差分布から測定対象物の化学的組成を類推可能な光学的距離計測装置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

0013

請求項1に係る光学的距離計測装置は、コヒーレント照射光を照射する光源と、
光源からの照射光を走査させて測定対象物に送る走査素子と、
測定対象物との距離を変更可能とされつつ、走査素子からの照射光を測定対象物に直接送る対物レンズと、
走査に伴い測定対象物を経由して変調された照射光を受光して光電変換する少なくとも2つの受光素子と、
対物レンズから測定対象物までの距離を等間隔で変更することで、該受光素子で光電変換された信号から測定対象物の複数の位相情報を得ると共に、複数の位相情報のうちの隣り合う位相情報の値間の変化の最大となる箇所における位相情報から、測定対象物の厚み情報の値を得るのに伴い既知媒体との間の屈折率差の値を得る計測部と、
を含む。

0014

請求項1に係る光学的距離計測装置の作用を以下に説明する。
本発明においては、コヒーレントな照射光が光源から照射されると共に、対物レンズにより回折限界付近まで絞られたこの照明光が測定対象物に送られるが、この際、走査素子により照明光が測定対象物に対して走査される。これに伴い、光軸境界とした両方にそれぞれ一つの合計2つ配置した受光素子により、測定対象物を経由して測定対象物により更に変調された照射光を受光して光電変換することで、これら少なくとも2つの受光素子が和信号を取得すると共に差信号で位相である光学的距離を取得する。

0015

そして、対物レンズから測定対象物までの距離を等間隔で変更するのに伴い、受光素子で光電変換された信号によって、計測部で測定対象物の複数の位相情報が得られる。これに合わせてこれら複数の位相情報間の変化の最大となる箇所における位相情報が得られるようになる。

0016

従って、本発明によれば、特別な変調素子を用いて光源からの照射光を変調したり、或いは一つの照射光を音響光学素子により2つの周波数の光に分離したりすることなく、測定対象物の像を得るための走査素子による照射光の走査によって、照射光を変調可能となった。つまり、特別な装置や素子を用いること無く、測定対象物にこの照射光を照射することで簡易に変調可能になることで、光学的距離計測装置の低コスト化が図れる。

0017

また、照射光を測定対象物に送る際の対物レンズから測定対象物までの距離を等間隔で変更することで、上記のように複数の位相情報が得られる。これに伴って、これら複数の位相情報のうちの隣り合う位相情報の値間の変化の最大となる箇所における位相情報から、測定対象物の厚み情報の値が得られ、更にこの厚み情報の値が得られるのに合わせて既知の媒体との間の屈折率差の値が算出して得られる。

0018

以上より、本発明に係る光学的距離計測装置によれば、光学的距離情報である位相情報から厚みや高さ分布と屈折率差分布を容易に分離可能となる。この結果として、例えば透明体等の細胞に関する内部の屈折率差分布を表示できるだけでなく、測定対象物の周囲の媒体の屈折率が分かっていれば、測定対象物自体の屈折率分布を容易に算出することができる。特に細胞等においては、どのようなたんぱく質が存在しているかは予めわかっているので、測定対象物の屈折率から測定対象物の化学的組成を類推できる。

0019

したがって、本発明の光学的距離計測装置は、染色や蛍光物質等を付与する必要がなく、また、ラマン顕微鏡のように微弱光分光する必要がないので、細胞や微小生物等の可視化において簡単に生きたまま測定対象物の化学的組成を類推することが可能となる。このため、細胞等を不活性化して計測する電子顕微鏡にはない大きな特徴を有することとなる。

0020

一方、請求項2のように、計測部が、位相情報の値間の変化の最大となる箇所の前後における位相情報と厚み情報の値から屈折率差の値をそれぞれ算出し、これらの値の平均値を真の屈折率差の値とすることとしても良い。このようにすれば、より正確に屈折率差の値が得られる。

0021

また、請求項3のように、計測部がメモリを有し、複数の位相情報をそれぞれメモリに一旦記憶し、厚み情報の値を得る際に、これら位相情報をメモリから読み出して厚み情報の値を算出するのに伴い、屈折率差の値を得ることとしても良い。このようにすれば算出および比較の処理を計測部内で順時する必要がなくなり、メモリで一定量データを蓄えてまとめてから算出および比較の処理ができるので、データを取得するプロセスと算出するプロセスを分離することができて、より高速に計測可能になる。

0022

さらに、請求項4のように、計測部が、測定対象物により照射光を回折した0次回折光と1次回折光との位相差を有した光を受光素子で光電変換された信号から測定対象物の複数の位相情報を得ることとしても良い。
つまり、測定対象物の像を得るための走査された光を走査素子が作り出すが、この走査された光に基づき、測定対象物が有する位相差の空間周波数を電気的な信号に変換することで、0次回折光と1次回折光との位相差である光学的距離を定量的に算出し、これに伴い定量的な光学的距離等の算出が可能になる。このことで計測部において測定対象物の正確な位相情報が得られるのに伴い、測定対象物を経由する際に照射光に生じる変調の量をより正確且つ確実に得ることが可能となった。

0023

請求項5に係る光学的距離計測装置は、コヒーレントな照射光を照射する光源と、
光源からの照射光を走査させて測定対象物に送る走査素子と、
測定対象物との距離を変更可能とされつつ、走査素子からの照射光を測定対象物に直接送る対物レンズと、
走査に伴い測定対象物を経由して変調された照射光を受光して光電変換する少なくとも2つの受光素子と、
対物レンズから測定対象物までの距離の変更量を対物レンズの焦点深度以下として、計測の際の規準点の高さに対するこの変更の前後の高さ位置で隣接した位相情報をそれぞれ得ると共に、これら位相情報から測定対象物の厚み情報の値を得るのに伴い既知の媒体との間の屈折率差の値を得る計測部と、
を含む。

0024

請求項5に係る光学的距離計測装置の作用を以下に説明する。
本請求項は請求項1とほぼ同様に対物レンズから測定対象物までの距離を変更するが、対物レンズから測定対象物までの距離の変更量を対物レンズの焦点深度以下として、計測部が、計測の際の規準点の高さに対するこの変更の前後の高さ位置で隣接した画像間における位相情報をそれぞれ得るのに伴い、屈折率差の値を求めることとした。

0025

以上より、本発明に係る光学的距離計測装置によれば、請求項1と同様に、光学的距離情報である位相情報から厚みや高さ分布と屈折率差分布を容易に分離可能となり、測定対象物の屈折率から測定対象物の化学的組成を類推できる。さらに、対物レンズの焦点深度内においては、コヒーレントな照射光はほぼ平面波とみなせるので、本請求項のように変更量を対物レンズの焦点深度以下とすれば、簡易に屈折率差の値を得ることができるので、より高速に計測可能になる。

0026

他方、請求項6のように、計測部が、受光素子で光電変換された信号から直流成分と交流成分を抽出し、得られた交流成分の微分信号ヒルベルト変換した信号に基づき、変調された信号の主周波数成分を算出し、この周波数と測定対象物の有する空間周波数と対比することとしても良い。これに伴い、走査された信号の主周波数成分を算出し、この周波数と測定対象物の有する空間周波数と対比することで、光学系の有するMTF値補正が可能となる。
このことで計測部において測定対象物の正確な位相情報が得られるのに伴い、測定対象物を経由する際に照射光に生じる変調の量をより正確且つ確実に得ることが可能となった。

発明の効果

0027

上記に示したように、本発明の光学的距離計測装置は、コヒーレントな照射光が光源から照射されると共に、走査素子がこの照射光を走査させて走査ビームとして測定対象物に送ることで変調する。さらに、少なくとも1つの受光素子が測定対象物を経由した照射光を受光して光電変換する。これに伴って、細胞等の透明な測定対象物に関する屈折率差分布を簡易に表示し、屈折率差分布から測定対象物の化学的組成が類推可能となるという優れた効果を奏する。

図面の簡単な説明

0028

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例1とされる反射光学系の装置のブロック図である。
図1の反射光学系の受光素子上における光照射領域を表す説明図である。
本発明に係る光学的距離計測装置の実施例1の装置における対物レンズおよび測定対象物の周囲の拡大詳細図である。
レーザー光の繰り返し走査を説明する斜視図である。
複数の位相情報の変化と計測位置との関係を表す概念図である。
測定対象物の画像を形成する1ライン単位の屈折率変化のグラフを表す図である。
変形例に係る2つの位相情報の変化と計測位置との関係を表す概念図である。
本発明に係る光学的距離計測装置の実施例2とされる透過光学系の装置のブロック図である。
実施例2の変形例とされる透過光学系の装置のブロック図である。
本発明の光学的距離計測装置において受光素子で得られる空間周波数のMTF曲線を示す図である。
本発明に係る光学的距離計測装置の実施例3の光学系を表す概略図である。

0029

以下に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例1から実施例3を各図面に基づき、詳細に説明する。

0030

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例1を以下に図1及び図2を参照しつつ説明する。本実施例は、走査ビームを測定対象物で反射する反射光学系の装置とされている。図1は、実施例に係る反射光学系の装置の構成を示すブロック図である。

0031

この図1に示すように、コヒーレントな照射光であるレーザー光が照射(出射)される光源であるレーザー光源21と、このレーザー光から平行光を得られるように収差補正されたコリメーターレンズ22とが順に配置されている。従って、本実施例では、レーザー光源21から出射されたレーザー光が、コリメーターレンズ22により平行光とされる。

0032

また、このコリメーターレンズ22に対して、2群のレンズからなる瞳伝達レンズ系25、入力されたレーザー光を2次元走査する2次元走査素子である2次元走査デバイス26、入力されたレーザー光を本来的には分離して出射するためのものであるビームスプリッター27が、さらに順に並んで配置されている。そして、図1に示すように瞳伝達レンズ系25に向かう側のレーザー光の光路を光軸Lとしている。なお、この2次元走査デバイス26には、レーザー光を2次元走査する走査範囲や走査速度を調整する電圧等を変更するための制御手段であるコントローラ23が接続されている。

0033

さらに、ビームスプリッター27に隣り合って、2群のレンズからなる瞳伝達レンズ系30が位置し、この隣に対物レンズ31が例えば微生物や細胞等からなる測定対象物G1と対向して配置されている。つまり、これら部材も光軸Lに沿って並んでいることになる。以上より、レーザー光がこの光軸Lに沿って、瞳伝達レンズ系25、2次元走査デバイス26、ビームスプリッター27、瞳伝達レンズ系30、対物レンズ31を順に経て、測定対象物G1に照射される。この際、2次元走査デバイス26の動作により、このレーザー光が走査ビームとなって測定対象物G1上で2次元的に走査される。

0034

他方、光軸Lが通過する方向に対して直交する方向であってビームスプリッター27の隣の位置には、複数の光センサにより構成される受光素子群29が配置されている。そして、図1に示す測定対象物G1にて反射した走査ビームは回折光となり、対物レンズ31、瞳伝達レンズ系30及びビームスプリッター27の順で戻って平行光となる。これに伴いこのビームスプリッター27で反射して、本来の光軸Lに対して直交する照射光の光軸Lに沿って受光素子群29に入射される。

0035

尚、この受光素子群29は、測定対象物G1のファーフィールド遠視野)面に配置されているだけでなく、本実施例では2つの受光素子29A、29Bにより構成されている。但し、図2に示すように、走査ビームLAのスポットの中心となる光軸Lに沿った方向に対して略垂直な面上であってこの光軸Lを通る境界線Sを挟んで、これら受光素子29A、29Bがそれぞれ配置されている。つまり、境界線Sの片側にずれて受光素子29Aが位置し、これと境界線Sの反対側にずれて受光素子29Bが位置していて、測定対象物G1で反射することで経由した走査ビームLAをこれら各受光素子29A、29Bが受光する。

0036

さらに、各受光素子29A、29Bは図示しない光電変換部を有した構造とされていて、各受光素子29A、29Bが走査ビームLAを受光してそれぞれ光電変換することになる。
この各受光素子29A、29B及び、2次元走査デバイス26の動作を操作する前述のコントローラ23は、信号比較器33にそれぞれ接続されている。これに伴って、信号比較器33が各受光素子29A、29Bからの信号及びコントローラ23からの信号により測定対象物G1の位相情報を得ることになる。そして、この信号比較器33が、最終的にデータを処理して測定対象物G1のプロフィル等の計測値を得るデータ処理部34に繋がっている。このため、本実施例では、これら信号比較器33及びデータ処理部34が計測部とされている。

0037

他方、測定対象物G1である微生物や細胞等は、本実施例に係る光学的距離計測装置の図3に示す測定用ステージ64上おいて、スライドグラス66Aとカバーグラス66Bとの間により挟まれた状態で観察される。ただし、この観察の際に、測定対象物G1の周りには水等の屈折率(例えば水の屈折率は1.33)が予め知られた媒体Mが存在している。このため、水等の媒体Mの屈折率と測定対象物G1自体の屈折率との間には屈折率差が生じることになる。

0038

また、図3に示すように対物レンズ31を支持する支持筒31Aの近傍には、ラック70Aおよび歯車70Bを介して対物レンズ31を上下方向に移動するためのモータ68が配置されると共に、対物レンズ31の上下方向位置を正確に取得可能とするリニアスケール72が配置された構造なっている。なお、ここで言う上下方向は、測定用ステージ64上に載せた測定対象物G1の厚み方向に合致する。

0039

さらに、データ処理部34内には、対物レンズ31の移動量および移動先の位置を決定するための制御ユニット60が設けられており、この制御ユニット60がリニアスケール72により対物レンズ31の移動量を検出したデータを受けつつ、モータ68の回転量を制御することになる。このため、この制御ユニット60で対物レンズ31の移動量および移動先の位置を正確に決定できるので、例えば対物レンズ31を等間隔で複数回移動して、測定対象物G1を複数回観察可能となる。そして、データ処理部34内には、このような観察にて得られた種々の情報を記憶させるメモリ62をも備えられている。

0040

以上に伴い、対物レンズ31の焦点が合うような予め定められた上下方向位置上にある測定対象物G1を受光素子群29により検出し、この測定対象物G1の像を表す画像データを基にして、測定対象物G1の位相画像(位相情報)である2π△nd/λを得ることにする。

0041

また、レーザー光源21は半導体レーザーであり、コヒーレントなレーザー光を発生する。このレーザー光をコリメーターレンズ22により平行光束にし、瞳伝達レンズ系25に入射させる。このとき、レーザー光の入射ビーム径は、瞳伝達レンズ系25との兼ね合いより、絞り機構(図示せず)等を用いて適正化しておくことにする。

0042

ここで、コリメーターレンズ22と2次元走査デバイス26との間に配置されている瞳伝達レンズ系25は、コリメーターレンズ22の出射面位置を次の2次元走査デバイス26に共役に伝達するための光学系である。この瞳伝達レンズ系25を通過したレーザー光は、2次元走査デバイス26を経由して走査ビームとなってビームスプリッター27に送られるが、このビームスプリッター27からの走査ビームは、対物レンズ31の瞳位置に共役にする瞳伝達レンズ系30を介して対物レンズ31に入射する。

0043

以上より、本実施例では、変調されていない状態のレーザー光がレーザー光源21より照射されるものの、2次元走査デバイス26により走査ビームとされたレーザー光が測定対象物G1に入射されて実質的に変調されると共に反射されて、受光素子群29で走査ビームにより測定対象物G1の有する空間周波数情報であるフーリエ変換変調信号を最終的に検出する。

0044

また、2次元走査デバイス26は、図4に示すように水平方向Xに沿ってレーザー光を繰り返して光軸Lを移動しつつ測定対象物G1上で走査する。但し、この繰り返しに際して図4における1、2、3、4・・・のように垂直方向Yに沿って順次走査位置を変更していくことで、2次元走査を可能としている。そして、この2次元走査デバイス26の動作を調整するコントローラ23は、本装置視野範囲を変更可能としている。つまり、コントローラ23が2次元走査デバイス26の水平方向の走査範囲をコントロールする電圧を変更したり、垂直方向の走査範囲を変更したりすることで、自由に3次元画像拡大縮小して視野範囲を調整可能となる。尚この際、コントローラ23は横分解能を一定に保ったまま、視野範囲だけを変更できる。

0045

ただし、上記のように2次元走査デバイス26により光軸Lを水平方向Xおよび垂直方向Yにレーザー走査して移動する替わりに、1次元走査デバイスにより例えば水平方向Xのみのレーザー走査とすると共に、これと直交する垂直方向Yに前述の測定用ステージ64をステージ移動する1次元走査デバイスを測定用ステージ64に設置しても良い。さらに、測定用ステージ64側に2次元走査デバイスを設置して、この測定用ステージ64を水平方向Xおよび垂直方向Yにステージ移動することとしても良い。これらの場合も、当然にコントローラ23で視野範囲を調整することになる。

0046

他方、対物レンズ31側にモータ68やリニアスケール72等を配置する替わりに、測定対象物G1を載せた測定用ステージ64自体をモータにより上下方向の位置を微調整可能にすると共に、この測定用ステージ64の上下動をリニアスケールで取得可能とする構造としても良い。

0047

そして、以上のようにレーザー光源21からの変調されていないレーザー光が、2次元走査デバイス26により走査され、実質的にこのレーザー光に印加される変調の基となる信号と測定対象物G1で反射して変調を受けた走査ビームの有する変調信号との位相差を電気的な変調信号周波数差の位相ずれとして、信号比較器33により検出できる。この時の位相ずれは、後述するが0次回折光と高次回折光との位相差に相当する。この時、もちろん両方の受光素子29A、29Bでそれぞれ受光して光電変換することもできるが、図2に示す光軸Lを通る境界線Sを境界とした2分割受光領域の片側に位置する受光素子のみでも、位相ずれの情報である位相情報を検出できることが、本実施例の一つの特徴である。

0048

このように2分割受光領域の片側のみでも位相情報を検出できる理由としては、図2に示す対物レンズ31の光軸L方向に対して略垂直な方向を境界線Sとし、この境界線Sで区分けされた片側にある一方の受光素子29Aのみでも十分に位相情報を検出でき、または、他の片側にある他方の受光素子29Bのみでも同じく十分に位相情報を検出できるからである。もちろん、両方の受光素子29A、29Bで情報を同時に検出することもできる。ただし、測定対象物G1から回折されて各々の受光素子29A、29Bに到達する光の位相は、光軸Lを境界とする受光素子29A、29B間で逆相になる。

0049

従って、受光素子29A、29Bで光電変換された相互に逆相の各々の位相情報の信号とコントローラ23からの信号とを信号比較器33が比較し、最終的にデータを処理してデータ処理部34が測定対象物G1のプロフィル等の光学的距離の計測値を得ることになる。
つまり、走査ビームの受光素子群29で光電変換された信号とコントローラ23からの2次元走査デバイス26による走査の基準となる信号とを基にした測定対象物G1の位相情報から、定量的に光学的距離を算出することができる。
具体的には、レーザー光による走査ビームが測定対象物G1を走査すると、測定対象物G1の有する空間周波数がフーリエ変換面に配置した受光素子29A、29Bにて電気的な周波数信号に変換される。この時、測定対象物G1の有する位相情報である光学的距離は同時に、0次回折光と1次回折光の位相差である電気的な信号強度に変換されている。

0050

次に、本実施例に係る光学的距離計測装置により測定対象物G1の光学的距離情報(△nd) である位相情報から厚みや高さ寸法分布と前述の屈折率差分布を得る手順について説明する。まず、位相情報は、厚みや高さ寸法と上記屈折率差との積であるので、この位相情報を厚み等の情報と屈折率差の情報とに分離する例について、以下に述べる。

0051

まず、信号比較器33が、前述の測定対象物G1で反射された走査ビームを光電変換した信号と走査ビームの基となるコントローラ23の走査を指示する信号により測定対象物G1の位相情報を得て、この信号比較器33と接続されたCPU等からなるデータ処理部34にこの位相情報を送り込むことになる。これに伴い、データ処理部34でこの位相情報を平面に対する走査情報とともに記録していき、測定対象物G1の表面についてのプロファイル情報等の計測値を簡単に導くことができる。ただしこの際、位相情報のMTFフラット化を後述のように行っておくことにする。

0052

本実施例の具体的な測定およびデータ処理部34による算出の手順は以下のようになる。
まず、レーザー光源21からの照射光が最終的に対物レンズ31を介して測定対象物G1に送られるが、前述のレーザー走査またはステージ移動により測定対象物G1上を走査して、最小計測単位である画素単位毎に受光素子群29で得た位相情報のデータをデータ処理部34が信号比較器33を介して取得する。

0053

さらに、対物レンズ31をモータ68の回転により例えば1ミクロン単位図3に示す上下方向Zに順次複数回移動して、対物レンズ31から測定対象物G1までの距離を等間隔で複数回変更することで、受光素子群29で測定対象物G1の画像を都度得る。これに伴い、図5に示す測定対象物G1の位相情報を表す情報曲線Hを各ラインdA〜dIで区切ったデータからなる複数の位相情報をデータ処理部34がそれぞれ得る。ただし、この図5におけるX1は画像の1画素当たりの情報を表す。

0054

この際、対物レンズ31が上下方向に順次移動して得られた複数の位相情報をそれぞれデータ処理部34内のメモリ62に順次一旦記憶させることにする。この後、これら位相情報をメモリ62からまとめて読み出して、データ処理部34内において、複数の位相情報間の値をそれぞれ求めるのに伴って、複数の位相情報間の変化点を算出する。つまり、複数の位相情報間の差の変化が最も大きい点が位相のコントラストが大きい箇所であり、測定対象物G1に対してフォーカスが合っている上下方向の位置となる。
上記の例であれば、下記式の関係が成り立つことになるので、位相情報の変化点の大きい点が厚みの位置となる。
dB-dA=dC-dB=・・・・=dH-dG≒a
dI-dH<a

0055

そして、これら複数の位相情報間のうちの隣り合う位相情報の値間の変化の最大となる箇所における位相情報から、測定対象物G1の厚み情報の値をそれぞれ得るのに伴い屈折率差の値をそれぞれ算出し、これら2つの屈折率差の値の平均値を真の屈折率差の値とする。尚、測定対象物G1の画像を形成する水平方向Xに沿った1ライン当たりの屈折率は図6に示すようになる。この際、n1が媒体Mの屈折率であり、nxが測定対象物G1内の屈折率の変化を表す。このnxからn1を差し引いた値が屈折率差の値となる。

0056

例えば、対物レンズ31が微少量上下動して上下方向の2位置でそれぞれ画像を取得する場合について、以下に説明する。つまり、これらの2位置での画像をA画像とB画像とすれば、それぞれの位相情報は以下のようになる。ここでθA、θBは各位置における位相情報であり、△nは屈折率差であり、d1、d2は予め定められた規準点からの各位置における高さ寸法であり、λはレーザー光の波長である。
A画像:θA=2π△nd1/λ
B画像:θB=2π△nd2/λ

0057

そしてこの際、以下の関係式が成り立つことになる。なお、δdは微小変位であり、δ(Δn)は屈折率差の変化であり、これらにより光学的距離の変位δ(△nd)が生じる。
δ(△nd)=δ(△n)d+△nδd
ただし、受光素子群29によるA画像とB画像の画像取得の際の対物レンズ31の上下方向の移動量が小さい場合、その間の屈折率変化は非常に小さいと見なすことができるので、下記式も成り立つことになる。
δ(△nd)≒△nδd

0058

これに伴ってA画像とB画像との間の位相差は、下記式で表される。
θA-θB=2π△n(d1-d2)/λ
なお、d1-d2は、リニアスケール72で取得した検出量差である移動量であり、この移動量から上記θA-θB を演算して屈折率差(△n)を算出する。この位相θAは、0次回折光と1次回折光の位相差に関係して得られることは、後述する。

0059

また、上記A画像やB画像等の画面取得の処理を対物レンズ31から測定対象物G1までの距離を等間隔で変更しつつ繰り返すことで、多数の画像が得られるのに伴い、データ処理部34のメモリ62内に複数の位相情報も記憶される。そして、上記のようにこれら複数の位相情報をメモリ62から読み出して、複数の位相情報の変化の最大となる箇所における位相情報を算出する。さらに、これら複数の位相情報間の変化の最大となる箇所の前後における2つの位相情報から、測定対象物G1の2つの厚み情報の値をそれぞれ得ると共に2つの屈折率差の値をそれぞれ算出し、最終的に上記2つの屈折率差の値の平均値を算出して得るようにする。

0060

したがって、本実施例に係る光学的距離計測装置によれば、位相情報から厚みや高さ分布および屈折率差分布を容易に分離できる。この結果として、測定対象物G1を透明体等の細胞とした場合、これら透明体等の内部に関する屈折率差分布を表示できるだけでなく、測定対象物G1の周囲の屈折率が分かっていれば、測定対象物G1自体の屈折率を算出することができる。特に細胞であれば、どのようなたんぱく質が存在しているかは予めわかっているので、測定対象物G1の屈折率から測定対象物G1の化学的組成を類推できる。

0061

以上より、本実施例によれば、面内の分解能が高く、しかも面外において高さや屈折率分布に対する分解能が高く、また、通常の結像光学系では取得不可能な空間周波数を取得して測定対象物G1の有する空間周波数情報を正確に再現することで、実効上分解能が高く空間周波数の欠損のない光学的距離計測装置が提供されるようにもなる。

0062

これに伴って、このような本光学系を用いれば、2次元走査を行うたびに3次元計測データを取得することが可能となる。このため、本光学系によれば、細胞や微生物の状態変化や、この状態変化に伴うこれらの表面状態および内部状態の過渡的な変化等を、高速に観察、計測することができる。従って、製品化されている裸眼立体ディスプレイ偏光めがねを使用した3次元ディスプレイ等を用いることにより、3次元立体画像を表示することもできるので、教育や研究、医療において、有用な装置とすることができる。

0063

尚、本光学系においては、図1に示す一つの2次元走査デバイス26を用いた例で説明をしたが、単純な一方向だけのデータが必要なアプリケーションであれば、この2次元走査デバイスを1次元走査デバイスに置き換えても同様な効果が得られることになる。これらの1次元走査デバイスとして、ガルバノミラー、レゾナンミラー回転ポリゴンミラー等を採用することができる。

0064

また、一つの2次元走査デバイス26の替わりに、独立した1次元走査デバイスを、相互に直交したX方向用とY方向用の計2つ用意し、これらを瞳伝達レンズ系25の前後に配置することによっても2次元走査デバイス26と同様の機能を実現できる。なお、例えばマイクロマシーンの技術を用いたマイクロミラーデバイスを用いても良い。このマイクロミラーデバイスとしては、1次元用、2次元用ともに知られ製品化されている。

0065

次に、本実施例に係る光学的距離計測装置の変形例ついて説明する。
予め測定対象物G1に対して対物レンズ31の焦点を合わせておいて、この対物レンズ31から測定対象物G1までの距離の変更量Z1(図7に示す)を対物レンズ31の焦点深度以下としておくことにする。

0066

計測の際に、リニアスケール72の予め定められた規準点の高さに対して、この2点間に合わせた変更量になるように、対物レンズ31をモータ68の回転により上下方向に移動する。このことで、データ処理部34が、測定対象物G1の隣接した画像間における位相情報をそれぞれ得るのに伴い、前述と同様に厚み情報の値および屈折率差の値が求まる。つまり、図7に示す測定対象物G1の位相情報を表す情報曲線Hを変更量Z1の上下2つのラインdA、dBで区切ったデータからなる2つの位相情報をデータ処理部34がそれぞれ得ることになる。

0067

本変形例の場合、対物レンズ31を前述の実施例のように細かく多数回移動させる必要がなく、焦点深度の半分程度とされる焦点深度以下の移動量で連続的に各2つの情報である厚み情報の値および屈折率差の値のデータを取得できる。このため、前述の実施例と比較して若干精度は低下するものの、対物レンズ31を移動させてデータを取得する時間を実質上大幅に低減できる結果として、動きが速い微生物等の測定対象物G1に対して非常に有効となる。

0068

次に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例2を以下に図8を参照しつつ説明する。本実施例は、走査ビームが測定対象物を透過する透過光学系の装置とされている。
図8は、本実施例に係る透過光学系の装置を示すブロック図である。主要な光学系は前記反射光学系の装置と同じなので説明を割愛するが、この透過光学系の装置では、実施例1と比較して対物レンズ31で集光された光が測定対象物G2を透過することになる。

0069

また、本実施例では、透過光学系であることからビームスプリッター27が不要になり、これに合わせて測定対象物G2を介した対物レンズ31と反対側の位置に、受光素子群29が配置されている。但し、実施例1と同様にこの受光素子群29は、測定対象物G2のファーフィールド面に配置されているだけでなく、2つの受光素子29A、29Bにより構成されている。

0070

つまり、透過光学系の本装置の場合、図8に示すように対物レンズ31の光軸Lの延長線上に受光素子群29が配置されている。さらに、実施例1と同様に、走査ビームLAのスポットの中心となる光軸Lに沿った方向に対して略垂直な面上であってこの光軸Lを通る境界線Sを挟んで、受光素子29A、29Bがそれぞれ位置している。このことから、境界線Sの片側にずれて受光素子29Aが位置し、これと境界線Sの反対側にずれて受光素子29Bが位置していることになる。これに伴い、図8の透過光学系の装置でも、図1の反射光学系の装置と同様に受光素子群29上において空間的にほぼ等位相になる。

0071

従って、実施例1と同様に、受光素子群29を構成する受光素子29A、29Bでそれぞれ光電変換された位相情報の信号及び、コントローラ23からの2次元走査デバイス26による走査の基準となる信号により、信号比較器33が測定対象物G2の位相情報を得ることになる。最終的にデータを処理してデータ処理部34が測定対象物G2のプロフィル等の光学的距離の計測値を得ることができる。この結果として、本実施例によっても、実効上分解能が高く空間周波数の欠損のない光学的距離計測装置が提供されるようになる。

0072

さらに、本実施例においても、測定対象物G2である微生物や細胞等の周囲に図示しないものの水等の媒体Mが存在しつつ、測定用ステージ64上おいてスライドグラス66Aとカバーグラス66Bとの間にこの測定対象物G2が挟まれている。また、実施例1と同様に、モータ68やリニアスケール72が対物レンズ31に配置され、データ処理部34内の制御ユニット60がリニアスケール72により対物レンズ31の移動量を検出したデータを受けつつ、モータ68の回転量を制御し、メモリ62が種々の情報を記憶することになる。

0073

したがって、本実施例に係る光学的距離計測装置においても実施例1と同様な処理により、位相情報から厚みや高さ分布および屈折率差分布を容易に分離できる。この結果として、本実施例においても測定対象物G2自体の屈折率を算出することができる。特に測定対象物G2が細胞であれば、どのようなたんぱく質が存在しているかは予めわかっているので、測定対象物G2の屈折率から測定対象物G2の化学的組成を類推できる。

0074

そして、本実施例のように透過光学系の装置では、無染色、非侵襲で生きたままの細胞の状態変化をリアルタイムに観察できるので、iPS、ES細胞の正常かどうかの検査がん細胞の有無検査等に大きな役割を果たすことができる。これは、電子顕微鏡のような高倍率であっても生体を殺した状態でないと観測できない測定器とは大きく異なる特徴である。

0075

他方、本実施例の変形例として、測定対象物G2を挟んで対物レンズ31と反対側となる測定対象物G2の背後であって受光素子群29の手前にレンズ40を図9に示すように配置することが考えられる。つまり、測定対象物G2からの回折光となる走査ビームをこのレンズ40にて平行光としたのち、受光素子群29に導く形となる。このため、本変形例では、図9に示すように測定対象物G2を透過した走査ビームのフーリエ変換パターンがレンズ40により平行光とされて受光素子群29で受光される。但し、このレンズ40により集光して受光素子群29に走査ビームを導いてもよい。

0076

次に、測定対象物を透過した走査ビームがどのような情報をもたらすかを説明する。
説明を簡単にするために、試料である測定対象物が高さhでピッチdの正弦波状の形状をしているものとすれば、光学的な位相θが以下の式で表される。
θ=2π(h/λ)sin(2πx/d−θ0)・・・・・(1)式
測定対象物から回折された光の振幅Eは、焦点距離fだけ離れた面においては、(1)式のフーリエ変換と対物レンズ31の開口とのコンボリューションとして、与えられるので、以下のように表される。ただし、(1)式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は±1次まで取るものとする。

0077

0078

この(2)式を一般化して考えることができる。すなわち、位相パターンは、上記したピッチdがさまざまなピッチの集合体と考えられるので、0次回折光の振幅M0とこの0次回折光に対する1次回折光の振幅M1の位相差をθ0とした場合、光の振幅Eは以下のように与えられる。空間周波数の正の領域では、下記(3)式で光の振幅Eが表され、また、空間周波数の負の領域では、下記(4)式で光の振幅Eが表される。

0079

0080

これは、測定対象物で回折された光の±1次回折光が0次回折光に対して、定性的に常に逆位相同士となるからである。ここで、(3)式、(4)式の回折光は、光軸Lに沿った方向に対して略垂直な面上でこの光軸Lを通る境界線Sを挟んで2分割された領域にそれぞれ配置された受光素子群29の各受光素子29A、29Bでそれぞれ受光されることになる。

0081

ここで、上記実施例では、半導体レーザーとされるレーザー光源21を一定光量発振させたレーザー光が、2次元走査デバイス26により速度vを有する走査ビームとして、測定対象物G1、G2上で走査されつつ照射されることになる。この測定対象物G1、G2の部分での回折光により、受光素子群29の何れか片側の例えば受光素子29Aでは以下の式のようにEを表すことができる。ここで、E0は光の振幅である。また、本説明では受光素子29Aを用いるが、受光素子29Bでも同様のことが言える。

0082

0083

したがって、受光素子群29の例えば受光素子29Aで観測される強度Iは下記(5)式で表される。ここで、I0は照射された光強度である。

0084

0085

また、測定対象物G1、G2に対して走査ビームは速度vで走査されるので、初期位相θ0はθ0=2πvt/d=2πftとなる。受光素子29Aで受光され光電変換された信号は、測定対象物G1、G2の有する空間周波数1/dが電気的な周波数fに変換されたことになる。

0086

次に、この光電変換された電気信号の強度Iの(5)式を実質的に直流成分と交流成分に分離する。この分離は、コンデンサによる平滑処理等で行ってもよいし、A/D変換したのちにデジタル的な処理により行ってもよい。この結果として下記(6)式、(7)式より直流成分DCと交流成分ACが得られる。

0087

0088

通常の細胞や透明体を測定対象物G1、G2とした場合、周りの媒質と測定対象物G1、G2との間の屈折率差が非常に小さいので、0次回折光に比較して1次回折光を含む高次の回折光の強度は、非常に小さい。このため、M0>M1とみなせるのに伴って、(6)式、(7)式は下記(8)式、(9)式となる。

0089

0090

次に、交流成分ACに2つの演算を施す。
具体的には、受光素子29Aから得た電気信号を90度の位相シフターの素子を介するか、或いはA/D変換したのちにヒルベルト変換を行うことなどにより、下記(10)式が得られる。また、交流成分ACの信号を微分回路に通すか、或いはデジタル的な差分を取ることにより、下記(11)式が得られる。

0091

0092

そして、(10)式の信号と(11)式の信号の比を取ることにより、ε=2πfを得ることができる。さらに、Achの信号を微分回路に通すか、或いはデジタル的な差分を取ることにより、下記(12)式が得られる。

0093

0094

他方、(12)式の信号と(9)式の信号の比を取ることによっても、同様にε=2πfを得ることができる。ただし、この時、2つのεは分母正弦関数余弦関数となるために、いずれかで計算した場合、値が無限大になることがある。このため、分母がより0に近いほうを採用しないなどの手法により、発散する問題を避けて計算精度を高めることができる。
以上より、改めて(1)式の位相情報を表記すると、下記(13)式となる。

0095

0096

ここでΘ=2πx/d-θ0であり、θ0は初期位相を表しているのでこのθ0を無視すると、Θ=2πftのように書くことができる。この際、f=v/dと表わされるので、周波数fと空間周波数1/dが比例関係となる。
以上に対して、求めたいのは(13)式に基づいて下記(14)式による値である。

0097

0098

上記したように、通常の細胞や透明体を測定対象物G1、G2とした場合、周りの媒質と測定対象物G1、G2との屈折率差が非常に小さいので、0次回折光に比較して1次回折光を含む高次の回折光の強度は、非常に小さい。これは(13)式の位相項において、0次のベッセル関数が大きな値となり、2次以降の値を無視できることに相当する。したがって、この(14)式のように書くことができ、この(14)式に基づき下記式が求まる。

0099

0100

ここで、単一の空間周波数ではなく、いろいろな空間周波数よりなる測定対象物G1、G2を考えた場合、(3)式、(4)式のようにこの式を一般化することができる。
すなわち、最終的に下記(15) 式の位相を求めればよいことになる。

0101

0102

そして、θ=(2π/λ)nhの式より光学的距離nhを算出することができる。ここで、nは屈折率を表し、hは厚み或いは高さを表す。例えば(8)式及び(10)式を基にして(15)式を計算して求めることができる。これらの演算は、ヒルベルト変換を複数回行ったり、或いは微分や差分を複数回行ったりすることでも、可能である。

0103

上記のように数学的には(15)式を求めることができるが、光学的にはM0とM1はレンズによって取得できる空間周波数が制限を受ける。対物レンズ31の光軸Lを境界とした片側に例えば受光素子29Aが配置されているが、カットオフ周波数の半分の空間周波数を中間周波数(a/λf)と定義すると、この受光素子29Aで得られる空間周波数は、いわゆるMTF曲線を表す図10に示すグラフの実線A1のようになる。具体的には、空間周波数が0の低域から中間周波数(a/λf)に向かうにつれて空間周波数は増加し、中間周波数から空間周波数が2a/λfの高域に向かうにつれて空間周波数は減少することになる。

0104

これは、0次回折光と1次回折光の干渉のみが変調度に寄与するからである。つまり、低域から中間周波数までは、0次回折光と±1次回折光が重なる部分が生じるが、この部分では変調度に寄与せず、中間周波数から高域までは、0次回折光と1次回折光の重なる部分が減少していくからである。ここで、aは対物レンズ31の開口半径を表し、fは対物レンズ31の焦点距離を表し、また、λはレーザー光の波長を表す。さらに、上記したようにεより周波数が算出されるが、走査速度は予めわかっているので、この算出された周波数はパターンを構成している空間周波数の総体を表していることになる。したがって、空間周波数の逆数であるパターンの主要なピッチを走査方向に沿ってリアルタイムに計測することもできる。

0105

ここで、測定対象物G1、G2にレーザー光を速度vで走査しつつ照射して情報を取得すると、前述したように走査に伴い周波数変調をうけることで、これが空間周波数と比例関係になる。したがって、εとして算出した周波数は、走査している空間周波数を表していることになり、レンズ等の光学系で取得できなかった周波数を図10のMTF曲線に当てはめ、このMTF曲線を実線B1のようにフラットにするような変換を取得データごとに行っていくこととする。

0106

具体的には、前述のように信号比較器33が測定対象物G1の位相情報を得て、この信号比較器33から最終的にデータを処理して測定対象物G1のプロフィル等の計測値を得るデータ処理部34に信号を順次出力することで、時系列にこの信号がこのデータ処理部34に入力される。これに伴ってこの信号が測定対象物G1の画像を形成する少なくとも図4の水平方向Xに沿った1ライン単位で、位相情報の信号からなるまとまったデータを一旦ヒルベルト変換した後にフーリエ変換する。このことで位相情報のMTFが得られる。

0107

さらに、この位相情報のMTFの基となるデータが計測された空間周波数に対応する加重値をデータ処理部34にて係数として乗じて付加することで、MTFを図10に示すようにフラット化し、フラット化されたこの位相情報に対して逆フーリエ変換をする。

0108

以上より、測定対象物G1の有する真の光学的距離の分布を正しく算出でき、2つの受光素子29A、29Bの出力から求まる測定対象物G1についての和信号と差信号の計測値が得られる。そして、この結果として、取得された空間周波数のゲインを随時変更することになり、本手法によりリアルタイムに正しい光学的距離を算出できるようになる。

0109

一方、横分解能を向上させる目的で、対物レンズ31の光軸Lに対して、傾けた光学系を配置し、0次回折光の一部と高い空間周波数を有する1次回折光をこの傾けた光学系において重ね合わせることで、MTFの改善を図る手法が例えば特開2015−4643等の公報により、知られている。この手法においても、MTF曲線がどのようになるかが予め分かっているので、上記手法によりさらに高い空間周波数まで修正が可能となる。このことで、横分解能を高くする必要のあるような測定対象物G1、G2に対しても、信頼度の高い光学的距離を測定することが可能となる。

0110

他方、周波数の測定が走査画素ごとに行えるので、測定対象物G1、G2を観察する観察者が強調したい空間周波数等を簡単に設定でき、見たい部分の強調や背景に隠れてしまうような部分を表示することができる。このように空間周波数を簡単にフレキシブルに変更できるのに伴い、空間周波数の帯域をいくつかに分け、それぞれの帯域において観察者がゲインを手動等で設定できるようにしておくことにより、画像に対して一種イコライザーを自由に行うことがきるようになる。

0111

また、光学系の有する横分解能の限界は検出できる周波数の上限にあたるので、この上限の周波数よりも十分に高い周波数でサンプリングし、このサンプリングしたデータに基づき、時系列で流れてくるデータを加算することで、ランダムノイズを軽減することができる。この結果として、計測データの精度の向上および3次元画像の表示の際におけるノイズの軽減につながる。さらに、走査速度は一定なので、加算のデータ数を変更することにより、実質的に画像を表示する範囲を変更することが可能となる。したがって、照射に使用した対物レンズのNAを実質的に変更することなく、視野範囲をある程度任意に拡大縮小することが可能となる。

0112

すなわち、本手法によれば、横分解能を一定に保ったまま、視野範囲だけを変更することができるという大きな特徴を有する。さらに、走査素子であるMEMSや共振ミラー等に対して、水平走査方向の走査範囲をコントロールする電圧を変更して走査範囲を変更する機能と併用すれば、さらに自由に3次元画像の拡大縮小が、横分解能を変えることなく行うことができる。

0113

なお、一般的には屈折率差が非常に小さいのでM1<M0としたが、より具体的には(9)式、(10)式の比を算出し、2πftの量を(7)式に代入し、(6)式、(7)式よりM1/M0を求めてもよい。さらに、走査によりレーザー光とされる照射光を変調することにより、測定対象物G1、G2から離れたファーフィールドに配置し且つ光軸Lに沿った方向に対して略垂直な面上でこの光軸Lを通る境界線Sを挟み区分けされた片側の領域において受光素子29Aによりこの走査ビームを受光して検出(光電変換)することで、測定対象物G1、G2の光学的距離を簡単に検出できる。

0114

この一方、前記境界線Sで区分けされた領域と逆側の領域では、受光素子29Bにより位相が反転した量として走査ビームを受光して検出(光電変換)できる。このため、両方の領域の位相情報を独立して検出した後にこれら位相情報の平均値を算出すれば、ノイズ等の影響を軽減することができる。

0115

特に、細胞のように屈折率がわずかに異なるような物質で構成されるような物体を可視化するには、極めて微弱検出信号となり、ノイズは極力抑え、信号を増幅しなくてはならない。このような場合、ノイズの帯域からできるだけ離れた周波数領域で信号を取得することが必要となる。

0116

以上のように、走査に基づく信号と受光素子29Aや受光素子29Bで検出された信号とにより、簡単に位相物体を可視化することができる。また、この信号を適正に処理することで、計測値を算出するとともに、取得した空間周波数を同定できる。これに基づき、測定対象物が本来有する空間周波数を再現し、より正確に測定対象物の光学的距離を算出することができる。

0117

また、透過光学系の場合には、前述の実施例により細胞や微小生物等の可視化を簡単な装置で実現できるので、ミクロな3次元デジタイザーとして教育やホビーで利用することができる。このようにすると、昨今の3次元プリンタと前述の実施例による装置とを組み合わせて使用することにより、生きたままの状態で染色等の処理をせずに、簡単に細胞分裂の経過や微小生物の細胞内部の器官の3次元立体像を、3次元模型として表すことができるようになる。

0118

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例3について図11を参照しつつ、以下に説明する。
図11は、本実施例の光学的距離計測装置の構成を示す概略図である。本実施例は測定対象物G2を透過した走査ビームに対して横分解能を向上させつつ処理するために、例えば実施例2の透過光学系の装置の下部にこの図に示す傾けた光学系を配置するものである。尚、図11において、瞳伝達レンズ系25、30、2次元走査デバイス26、信号比較器33及びデータ処理部34等の光学系は図示を省略し、また、受光素子群29の替わりに受光素子50を採用している。

0119

そして、本実施例では、対物レンズ31の光軸Lとされる0次回折光の光軸に対して、レンズ36を傾斜して設置している。具体的には、測定対象物G2を透過した0次回折光の一部と1次回折光の一部とを、0次回折光の光軸Lと1次回折光の光軸L1との間の中間的な傾き角を有した光軸L3だけ傾けた状態のレンズ36に取り入れる。このことで、0次回折光の一部だけでなく、同じレンズを用いた場合に比較してより高い空間周波数を有した1次回折光の一部を取り入れて、結像光学系にてこれら0次回折光と1次回折光の干渉を実現している。なお、図示しないものの、本実施例においては、光軸Lに対して対象な位置に同様な光学系が配置されている。

0120

さらに本実施例では、レンズ36を傾けて0次回折光の一部と1次回折光の一部を取得し、このレンズ36により平行光束にした回折光同士をレンズ52にて集光する。このレンズ52により回折光同士が焦点近傍で重なり合って、実質的に干渉する。ただし、0次回折光と±1次回折光との干渉ではないので、測定対象物G2自体の結像とは異なる。

0121

さらに、レンズ52の実効的な焦点距離を長くすることで、干渉縞のピッチを広げることができる。もし、レンズ36とレンズ52の焦点距離が同じであれば、当然等倍となり、測定対象物G2の空間周波数となる。これに対して、他方の−1次回折光の光学系にて干渉された結果は、ピッチがずれた干渉縞となる。しかしながら、干渉縞のピッチに対して受光素子が大きいと、±1次回折光を受光する素子の位置あわせが困難になる。

0122

そこで、拡大光学系53により干渉縞自体を拡大し、受光素子50の大きさにほぼ等しくすれば、±1次回折光で自然と逆位相となるので、0次回折光がバイアスになるような形で明暗が逆になる。この様にすれば、極めて簡単に空間周波数の高い領域まで、情報を取得することができ、MTFの改善が図れる。このことで、横分解能を高くする必要のあるような測定対象物G2に対しても、信頼度の高い光学的距離を測定することが可能となる。本実施例の場合、レンズ52を用いているので、このレンズ52に入射される0次回折光と1次回折光の位相差がそのまま反映される程度の波面収差許容される。したがって、高額なレンズを用いる必要性はない。また、詳細には述べないが、拡大光学系53を省略し、レンズ52の焦点からずらせたデフォーカス位置に受光素子50を配置してもよい。この時、2次の波面の波面ひずみより干渉縞のコントラストを低下させることができ、実質的に0次回折光とそれ以外の回折光を重ね合わせた効果をもたらすことができる。

0123

ここで、具体的に受光素子の調整方法を簡単に述べる。
測定対象物G2から抽出される情報が位相情報である場合、1次回折光と0次回折光との間及び、−1次回折光と0次回折光との間の2系統で行い、一方の受光素子が最大光量のときに他方の受光素子でほぼ0になるように、受光素子を調整する。測定対象物G2から抽出される情報が強度情報である場合には、1次回折光と0次回折光との間及び、−1次回折光と0次回折光との間の2系統で行い、一方の受光素子が最大光量のときに他方の受光素子でも最大になるように、受光素子を調整する。

0124

なお、本実施例においては、焦点距離が多少異なるレンズであっても、お互いの受光素子の受けとる光量に大きな変化がなく、レンズ面内の波面収差が大きくなければ、干渉縞のピッチが多少変わる程度なので、そのまま用いることができる。また、取得できる空間周波数の限界は、1.5倍程度となる。この光学系は、レンズ系だけを用いて構成しているので、非常にシンプルで、外乱に対しても強い。

0125

さらに、上記実施例では、各受光素子が境界線で区画された何れかの側に位置しているが、境界線を跨いで受光素子を配置しても良い。この場合でも、境界線の片側にずれた形で受光素子が位置していれば良い。

実施例

0126

以上、本発明に係る各実施例を説明したが、本発明は前述の各実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

0127

本発明の光学的距離計測装置は、測定対象物である試料との間の距離や試料の形状を計測できるだけでなく、顕微鏡等のさまざまな種類の測定機器に適用可能となる。また、本発明の光学的距離計測装置は、顕微鏡だけでなく、さまざまな種類の光学機器や波動を有する電磁波を用いた計測機に適用でき、これら光学機器や波動を有する電磁波を用いた計測機の分解能を向上することができるものである。

0128

21レーザー光源(光源)
22コリメーターレンズ
23コントローラ
25 瞳伝達レンズ系
26 2次元走査デバイス(走査素子、2次元走査素子)
27ビームスプリッター
29受光素子群
29A、29B受光素子
30 瞳伝達レンズ系
31対物レンズ
33信号比較器(計測部)
34データ処理部(計測部)
60制御ユニット
62メモリ
64測定用ステージ
68モータ
72リニアスケール
G1、G2測定対象物
L光軸
LA走査ビーム
M媒体
S 境界線

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