JP6100408B1 - Optical distance measuring device - Google Patents

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重人 武田
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Abstract

【課題】面内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細胞等の厚みを持った生体試料の3次元的な情報を生きた状態でリアルタイムに得ることのできる光学的距離計測装置を提供する。【解決手段】レーザー光源21、コリメーターレンズ22、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27が並んで配置される。ビームスプリッタ27の隣に瞳伝達レンズ系30が位置し、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27の左隣にビームスプリッタ10があり、さらにビームスプリッタ11、12及び偏光子1〜4を介して、4つの受光素子群5〜8が配置される。受光素子群5〜8に測定対象物G1より反射した光が受光されこれらからの信号による情報を信号比較器33が得る。【選択図】図1[PROBLEMS] To provide real-time three-dimensional information of living specimens with a high resolution for height and refractive index distribution in and out of the plane and with a thickness of a cell or the like that cannot be obtained by a normal imaging optical system. An optical distance measuring device can be obtained. A laser light source 21, a collimator lens 22, a pupil transmission lens system 25, a two-dimensional scanning device 26, and a beam splitter 27 are arranged side by side. The pupil transfer lens system 30 is located next to the beam splitter 27, and the objective lens 31 faces the measurement object G1. The beam splitter 10 is located on the left side of the beam splitter 27, and four light receiving element groups 5 to 8 are arranged via the beam splitters 11 and 12 and the polarizers 1 to 4. The light reflected from the measurement object G1 is received by the light receiving element groups 5 to 8, and the signal comparator 33 obtains information based on signals from these lights. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、レーザー光の照射により測定対象物の表面状態のプロファイルの計測、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装置や測定対象物の偏光度を測定する装置に好適なものである。   The present invention relates to an optical distance measuring device that realizes measurement of a surface state profile of a measurement object by laser light irradiation, measurement and observation of a surface state and internal state of a cell or the like with extremely high resolution, and an optical device such as a microscope. The present invention is suitable for an apparatus for improving the resolution of an instrument and an apparatus for measuring the degree of polarization of a measurement object.

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、走査型電子顕微鏡やプローブ顕微鏡(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。   In addition to the difficulty in three-dimensional measurement with conventional optical microscopes, it has been impossible to observe and measure objects below the diffraction limit. As an alternative, devices such as scanning electron microscopes, probe microscopes (STM, AFM, NFOS, etc.), confocal microscopes, etc. have been developed and used in many fields.

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、焦点深度が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。   Since this scanning electron microscope uses a very thin beam as a scanning electron probe, the resolution is high and the depth of focus is significantly larger than that of an optical microscope. However, in order to observe a measurement object with low conductivity such as a cell, it is necessary to coat a sample that is the measurement object with platinum palladium or gold having good conductivity. For this reason, the cells themselves are often damaged, and as a matter of course, it is impossible to observe and measure living cells.

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、原子間力やトンネル電流、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。   A probe microscope measures the distance from the measurement object by using an atomic force, tunnel current, optical near field, etc. It is. However, it is difficult to move the probe at high speed, and it is difficult to handle because the distance to the object to be measured is very close, and it takes a lot of time to acquire two-dimensional information. .

一方、共焦点顕微鏡は、測定対象物にスポット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、リアルタイム性に欠けていた。   On the other hand, a confocal microscope irradiates a spot on a measurement object, and the objective lens or measurement target is set so that the amount of light received by the light receiving element disposed at the confocal position via the pinhole is maximized. By moving the object, the height information and the path difference information of the measurement object are acquired. However, in the confocal microscope, basically, if there is a phase distribution in the spot, the beam is deformed and becomes erroneous information. In particular, if the object to be measured has a wavefront that changes in phase, such as a change in refractive index of a cell or the like, the reliability of the value must be poor. Moreover, since it is necessary to move the objective lens and the measurement object so that the received light quantity becomes maximum, the real-time property is lacking.

これらの事情に対して、近年のマイクロ・ナノテクノロジー分野の発展に伴い、微細な工業製品や精密部品の3次元的な情報を高速で計測する技術に注目が集まっている。これに加え、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も高まっている。   In response to these circumstances, with the recent development of the micro / nanotechnology field, attention has been focused on a technique for measuring three-dimensional information of fine industrial products and precision parts at high speed. In addition, in biology, medicine, and agriculture, there is an increasing demand for real-time acquisition of three-dimensional profile information of a biological sample having a thickness such as a cell.

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を波長の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。
また、細胞等を無染色にて観察する一つの手段として微分干渉顕微鏡が知られているが、この微分干渉顕微鏡は、屈折率のわずかに異なる測定対象物を観察するのに適しているが、光学的距離を可視化することはできない。また、この微分干渉顕微鏡は、原理的にウォーラストンプリズムを用い2つの異なる偏光をわずかにずらせることにより測定対象物の微分画像を得ている。このために、測定対象物が複屈折性を有するようなもの、例えば、細胞のようなタンパク質を含むようなものに対しては、方向依存性が生じるとともに、偏光面がかく乱されるために、得られた情報が偽の情報となりやすい。
On the other hand, heterodyne interferometry is well known as one of means for measuring distances and thicknesses with a microscope and measuring or observing minute objects with high accuracy. . Here, the optical heterodyne method using light is described, but the same concept is applied to other electromagnetic waves. In this optical heterodyne method, two laser beams having different frequencies are caused to interfere with each other, a beat signal having a frequency difference between the two is generated, and a phase change of the beat signal is detected with a resolution of about 1/500 of a wavelength. . In other words, according to this optical heterodyne method, the distance to the measurement object is measured while measuring the change in the height direction of the surface, which is three-dimensional information, and the thickness or the like of the measurement object itself is measured or observed. I can do it.
In addition, a differential interference microscope is known as one means for observing cells and the like without staining. This differential interference microscope is suitable for observing a measurement object having a slightly different refractive index. The optical distance cannot be visualized. In addition, this differential interference microscope obtains a differential image of an object to be measured by using a Wollaston prism in principle and slightly shifting two different polarized lights. For this reason, since the object to be measured has birefringence, for example, a substance containing a protein such as a cell, direction dependency occurs and the polarization plane is disturbed. The obtained information tends to be fake information.

特開昭59−214706号公報JP 59-214706 A

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、ビームプロファイルよりも僅かに大きく2つのビームを近接させ、2つのビームプロファイル内の平均的な位相差をヘテロダイン検波で検出して、順次積分することにより、凹凸情報を得るものであった。   In Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-214706 of Patent Document 1 described above, two beams having different wavelengths are generated adjacent to each other using an acousto-optic element, a phase change between these two beams is detected, and the phase is detected. A method for accumulating changes to obtain a surface profile is disclosed. However, in this patent document 1, unevenness information is obtained by making two beams close to each other slightly larger than the beam profile, detecting an average phase difference in the two beam profiles by heterodyne detection, and integrating sequentially. It was what you get.

従って、この特許文献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なかった。このため、面内であるビームプロファイル内の分解能を高くすることは出来なかった。   Therefore, according to this Patent Document 1, the unevenness information can be measured for the measurement object that is assumed to be flat such as a semiconductor wafer, but the information in the beam profile is I couldn't pull it out. For this reason, the resolution in the beam profile that is in-plane cannot be increased.

以上より、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くすることが出来ないだけでなく、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リアルタイムに3次元的な情報を観測、計測することはできなかった。また、生体が有する複屈折に係る情報を、3次元的な情報とともに取得することはできなかった。   From the above, conventional microscopes and other technologies can not only increase the resolution within the in-plane beam profile, but also remain alive without damaging a biological sample with a thickness of cells, etc. It was not possible to observe and measure 3D information in real time. In addition, information related to birefringence possessed by a living body cannot be obtained together with three-dimensional information.

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、面内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細胞等の厚みを持った生体試料の3次元的な情報を生きた状態でリアルタイムに得ることができるだけでなく、同時に測定対象物の複屈折性に係る情報を取得することのできる光学的距離計測装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned background, and has a high resolution with respect to height and refractive index distribution in and out of the plane, and is a biological sample having a thickness of a cell or the like that cannot be obtained by a normal imaging optical system. It is an object of the present invention to provide an optical distance measuring device that can not only obtain dimensional information in real time in real time but also acquire information related to the birefringence of a measurement object.

請求項1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相互に異なる2方向にそれぞれ走査させる2次元走査素子と、
測定対象物を経由した照射光を相互に異なる4つの偏光軸に沿ってそれぞれ偏光しつつ分離する偏光光学部材と、
4つに分離された照射光をそれぞれ受光して光電変換する4つの受光素子と、
各受光素子からの信号相互間の状態から測定対象物の情報を得ると共に、この情報に基づき測定対象物についての計測値を得る計測部と、
を含む。
An optical distance measuring device according to claim 1 is a light source that emits coherent irradiation light;
A two-dimensional scanning element that scans irradiation light from a light source in two different directions, respectively;
A polarizing optical member that separates the irradiation light that has passed through the measurement object while being polarized along four different polarization axes;
Four light receiving elements that respectively receive and photoelectrically convert the irradiation light separated into four;
While obtaining information of the measurement object from the state between the signals from each light receiving element, a measurement unit for obtaining a measurement value for the measurement object based on this information,
including.

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、2次元走査素子がこの照射光を相互に異なる2方向にそれぞれ走査させて走査ビームとして測定対象物に送る。さらに、偏光光学部材が、測定対象物を経由した照射光を相互に異なる4つの偏光軸に沿ってそれぞれ偏光しつつ分離し、4つに分離された照射光を4つの受光素子がそれぞれ受光して光電変換する。そして、各受光素子で光電変換された信号相互間の状態から、計測部が測定対象物の情報を得るのに伴い、この情報に基づき光学的距離等の計測値を得ることができる。
The operation of the optical distance measuring device according to claim 1 will be described below.
In the present invention, coherent irradiation light is irradiated from the light source, and the two-dimensional scanning element scans the irradiation light in two different directions and sends it to the measurement object as a scanning beam. Further, the polarization optical member separates the irradiation light passing through the measurement object while polarizing the light along four different polarization axes, and the four light receiving elements respectively receive the four irradiation lights. To photoelectrically convert. Then, as the measurement unit obtains information on the measurement object from the state between signals photoelectrically converted by each light receiving element, a measurement value such as an optical distance can be obtained based on this information.

従って、本発明によれば、上記の偏光状態の検出系が存在することで、これらの検出系からのデータにより細胞等の測定対象物内の光学的距離を計測できるだけでなく、同時に照射されている照射光に対する偏光状態の変化を計測することができる。このために、染色することなく複屈折性を有する細胞内の構造解析や複屈折物体の3次元配向の計測等をリアルタイムに行える。   Therefore, according to the present invention, the presence of the above-described polarization state detection system allows not only the measurement of the optical distance in the measurement object such as a cell based on the data from these detection systems, but also the simultaneous irradiation. The change in the polarization state with respect to the irradiation light can be measured. For this reason, it is possible to perform, in real time, a structural analysis in a cell having birefringence and measurement of a three-dimensional orientation of a birefringent object without staining.

以上の結果として、本発明が適用された顕微鏡では、非常に高い面内分解能を有し、さらに2次元走査を一度行うことで、測定対象物についての高さや屈折率分布などの光学的距離を測定可能となる。このため、生きたままの細胞やマイクロマシンなどの状態変化などの3次元計測をリアルタイムに行うことができる。つまり、従来の2次元情報を取得し、3次元方向に積算していくようなレーザー走査型共焦点顕微鏡などとは比較にならない大きな特徴を有することとなる。
さらに、本発明を透過型の顕微鏡に適用した場合、細胞や微小生物等を生きたままかつ蛍光着色せず高い分解能で高速度に簡単な装置により可視化して、観察、計測できる。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。
As a result of the above, the microscope to which the present invention is applied has a very high in-plane resolution, and further, by performing two-dimensional scanning once, the optical distance such as the height and refractive index distribution of the measurement object can be reduced. It becomes possible to measure. For this reason, it is possible to perform a three-dimensional measurement in real time such as a state change of a living cell or a micromachine. That is, it has a large feature that cannot be compared with a conventional laser scanning confocal microscope that acquires two-dimensional information and integrates it in a three-dimensional direction.
Furthermore, when the present invention is applied to a transmission type microscope, cells, micro-organisms, etc. can be visualized and observed and measured with a simple apparatus at high resolution and high speed without being fluorescently colored. For this reason, it has the big characteristic which the electron microscope which inactivates a cell etc. and measures does not have.

また、請求項2のように、測定対象物からの照射光を受けて無偏光で2つに分離する分離素子及び、第1偏光素子と第2偏光素子による2組の偏光素子により、請求項1の偏光光学部材を構成しても良い。これに伴い、分離素子により分離された一方の照射光を第1偏光素子が、相互に直交する偏光として分離しつつ透過させることができる。また、分離素子により分離された他方の照射光を第2偏光素子が、第1偏光素子により分離された偏光に対して45°の角度を相違させて、相互に直交する偏光として分離しつつ透過させることができる。
このようにすれば、結果として相互に45°の角度ずつ相違する4つの偏光軸が存在することになり、測定対象物を経由した照射光の偏光状態をより正確に検出可能となる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a separation element that receives irradiation light from a measurement object and separates it into two parts without polarization, and two sets of polarizing elements including a first polarizing element and a second polarizing element. One polarizing optical member may be configured. Accordingly, one irradiation light separated by the separation element can be transmitted through the first polarizing element while being separated as polarized light orthogonal to each other. In addition, the second polarizing element transmits the other irradiation light separated by the separation element while separating the polarized light orthogonal to each other at a 45 ° angle with respect to the polarized light separated by the first polarizing element. Can be made.
In this way, as a result, there are four polarization axes that are different from each other by an angle of 45 °, and the polarization state of the irradiation light passing through the measurement object can be detected more accurately.

他方、請求項3のように、2組の偏光素子が、照射光を無偏光で2つに分離する分離用ビームスプリッタ及び、該分離用ビームスプリッタにより分離された各照射光を相互に異ならせた偏光状態でそれぞれ透過させる2つの偏光子とそれぞれすることとしても良い。このようにすれば、単に偏光子の偏光軸を変更するのみの簡易な操作により、必要なデータを簡単に得ることが可能となる。   On the other hand, as in claim 3, the two sets of polarizing elements separate the irradiation light into two beams with no polarization and the irradiation lights separated by the separation beam splitter are different from each other. Alternatively, two polarizers that transmit light in the polarization state may be used. In this way, it is possible to easily obtain necessary data by a simple operation simply by changing the polarization axis of the polarizer.

また、請求項4のように、計測部が、4つの受光素子によりそれぞれ取得された信号を処理して楕円偏光の長径、短径及び傾き角の値を得て、これらの値から測定対象物についての計測値を得ることとしても良い。このようにすれば、楕円偏光の状態が具体的に楕円形状として把握できるのに伴い、この楕円偏光の情報より、偏光軸において検出された光学的距離と上記した楕円偏光の情報により複屈折率を導出することができる。このように、光学的距離を偏光軸で導出し、少なくとも3つの偏光軸にて楕円偏光状態を検出することで、光学的距離、複屈折率、偏光情報等を同時に計測することができる。   According to a fourth aspect of the present invention, the measuring unit processes the signals respectively acquired by the four light receiving elements to obtain the major axis, minor axis, and inclination angle values of the elliptically polarized light, and the measurement object is obtained from these values. It is good also as obtaining the measured value about. In this way, as the state of elliptically polarized light can be grasped specifically as an elliptical shape, the birefringence is calculated from the information of the elliptically polarized light and the optical distance detected on the polarization axis and the information of the elliptically polarized light described above. Can be derived. As described above, the optical distance, the birefringence, the polarization information, and the like can be simultaneously measured by deriving the optical distance with the polarization axes and detecting the elliptical polarization state with at least three polarization axes.

一方、請求項5のように、光源からの照射光の電界振動方向にπ/2の位相差を与える1/4波長板を測定対象物の前に配置して、測定対象物に円偏光した照射光を照射することとしても良い。このようにすれば、光源による直線偏光の照射光の替わりに1/4波長板により円偏光の照射光を作り出せ、この円偏光を測定対象物に照射することで楕円偏光状態を簡易に作り出せるようになる。   On the other hand, as in claim 5, a quarter-wave plate that gives a phase difference of π / 2 in the direction of electric field oscillation of the irradiation light from the light source is arranged in front of the measurement object and circularly polarized on the measurement object. It is good also as irradiating irradiation light. In this way, instead of the linearly polarized light irradiated by the light source, circularly polarized light can be created by the quarter wavelength plate, and the elliptically polarized state can be easily created by irradiating the measurement object with this circularly polarized light. become.

さらに、請求項6のように、受光素子が、照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線として何れかの片側にずれて位置しつつ、測定対象物を経由した照射光を受光することとしても良い。このようにすれば、1つの受光素子でも確実に照射光から十分なデータが得られることになる。なお、境界線とした何れかの片側にずれて受光素子が位置することとしたのは、受光素子が光軸の中央に位置した場合には、境界線を挟んで位相が逆転するのに合わせて、照射光から十分なデータを得がたくなるからである。   Further, according to the sixth aspect, the light receiving element receives the irradiation light passing through the measurement object while being shifted to any one side with the direction perpendicular to the optical axis direction of the irradiation light as a boundary line. It is also good to do. In this way, even with a single light receiving element, sufficient data can be reliably obtained from the irradiated light. The reason why the light receiving element is shifted to one side of the boundary line is that when the light receiving element is positioned at the center of the optical axis, the phase is reversed across the boundary line. This is because it is difficult to obtain sufficient data from the irradiated light.

他方、請求項7のように、受光素子が境界線を挟んで2つ存在し、照射光をこれら2つの受光素子がそれぞれ受光することとしても良い。このように光軸の片側の領域に存在する1つの受光素子及び、この領域と逆側の領域に存在するもう1つの受光素子によって、位相が相互に反転した量として走査ビームをそれぞれ受光できる。これに伴って、これらの受光素子により、走査ビームの位相差から光学的距離を簡単に検出することができる。このため、両方の受光素子でそれぞれ位相差を独立して検出した後に、計測部で平均値を算出すれば、ノイズ等の影響を軽減してより高精度なデータを得ることもできる。   On the other hand, as in claim 7, two light receiving elements may exist with a boundary line interposed therebetween, and the two light receiving elements may receive irradiation light. In this way, the scanning beam can be received as an amount whose phases are mutually reversed by one light receiving element existing in a region on one side of the optical axis and another light receiving element present in a region opposite to this region. Accordingly, the optical distance can be easily detected from the phase difference of the scanning beam by these light receiving elements. For this reason, if the average value is calculated by the measurement unit after the phase difference is detected independently by both light receiving elements, it is possible to reduce the influence of noise and obtain more accurate data.

さらに、請求項8のように、照射光が測定対象物を経由する際に、照射光を測定対象物が反射することとすれば、請求項1の受光素子がこの反射光を受光して光電変換することになる。この場合、光源と測定対象物との間の光軸内にビームスプリッタを配置することにより、測定対象物で反射して戻ってきた照射光をこのビームスプリッタがさらに受光素子側に反射して送ることができる。また、請求項9のように、照射光が測定対象物を経由する際に、照射光が測定対象物を透過することとすれば、例えば光軸上に配置された請求項1の受光素子が、この透過光を受光して光電変換することになる。   Further, as in claim 8, if the measurement object reflects the irradiation light when the irradiation light passes through the measurement object, the light receiving element of claim 1 receives the reflected light and photoelectrically Will be converted. In this case, by arranging a beam splitter in the optical axis between the light source and the measurement object, the irradiation light reflected and returned by the measurement object is further reflected and sent to the light receiving element side. be able to. Further, as in claim 9, when the irradiation light passes through the measurement object when the irradiation light passes through the measurement object, the light receiving element of claim 1 arranged on the optical axis, for example, The transmitted light is received and photoelectrically converted.

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、測定対象物を経由した照射光を相互に異なる4つの偏光軸に沿ってそれぞれ偏光しつつ分離して4つの受光素子でそれぞれ受光して光電変換する。従って、該受光素子で光電変換された信号相互間の状態から、計測部が測定対象物の情報を得るのに伴い、定量的な光学的距離等の算出が可能になるという優れた効果を奏する。   As described above, in the optical distance measuring device of the present invention, the coherent irradiation light is irradiated from the light source, and the irradiation light passing through the measurement object is polarized along four different polarization axes. However, it is separated and received by each of the four light receiving elements to perform photoelectric conversion. Therefore, there is an excellent effect that a quantitative optical distance or the like can be calculated as the measurement unit obtains information on the measurement object from the state between the signals photoelectrically converted by the light receiving element. .

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。It is a block diagram of the apparatus of the reflective optical system used as Example 1 of the optical distance measuring device which concerns on this invention. 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。It is explanatory drawing showing the light irradiation area | region on the light receiving element of the reflective optical system of FIG. 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例2に係る反射光学系の装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the apparatus of the reflective optical system which concerns on Example 2 of the optical distance measuring device which concerns on this invention. 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例3に係る透過光学系の装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the apparatus of the transmission optical system which concerns on Example 3 of the optical distance measuring device which concerns on this invention. 受光素子群で検出される光強度と楕円偏光との関係を示すグラフを表す図である。It is a figure showing the graph which shows the relationship between the light intensity detected by a light receiving element group, and elliptically polarized light. 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例4の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of Example 4 of the optical distance measuring device which concerns on this invention. 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例5の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of Example 5 of the optical distance measuring device which concerns on this invention. 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例6の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of Example 6 of the optical distance measuring device which concerns on this invention. 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例7の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of Example 7 of the optical distance measuring device which concerns on this invention.

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7を各図面に基づき、詳細に説明する。   Embodiments 1 to 7 of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

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。   A first embodiment of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. In this embodiment, the apparatus is a reflection optical system that reflects a scanning beam by a measurement object. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a reflection optical system according to an embodiment.

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、AODドライバー24が接続されて動作が制御される音響光学素子(AOD)23との間に、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が配置されている。従って、本実施例では、レーザー光源21から出射された直線偏光のレーザー光が、コリメーターレンズ22により平行光とされる。   As shown in FIG. 1, a laser light source 21 that is a light source that emits (emits) laser light, which is coherent irradiation light, and an acousto-optic device (AOD) 23 that is controlled by an AOD driver 24 connected thereto. A collimator lens 22 whose aberration is corrected so that parallel light can be obtained from the laser light is disposed between the two. Therefore, in the present embodiment, the linearly polarized laser light emitted from the laser light source 21 is converted into parallel light by the collimator lens 22.

また、この音響光学素子23に続いて、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無偏光のビームスプリッタ27が、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。さらに、ビームスプリッタ27の下側に隣り合って、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。   Further, following this acoustooptic element 23, a pupil transmission lens system 25 comprising two groups of lenses, a two-dimensional scanning device 26 which is a two-dimensional scanning element for two-dimensionally scanning the inputted laser light, and the inputted laser light. The non-polarized beam splitter 27 is originally arranged in order to separate and emit the light. As shown in FIG. 1, the optical path of the laser beam toward the pupil transfer lens system 25 is the optical axis L. Further, adjacent to the lower side of the beam splitter 27 is a pupil transmission lens system 30 composed of two groups of lenses, and an objective lens 31 is disposed next to the objective lens 31 so as to face the object G1. That is, these members are also arranged along the optical axis L.

以上より、レーザー光源21から出射された照射光は、コリメーターレンズ22により平行光となり、AODドライバー24からの電気信号により音響光学素子23が照射光に変調を与える。この時の変調をDSB変調にした場合、周波数の相互に隣接した2つのビームを作成することができる。これに伴い、音響光学素子23によりビーム対とされたレーザー光が光軸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。   As described above, the irradiation light emitted from the laser light source 21 is converted into parallel light by the collimator lens 22, and the acoustooptic device 23 modulates the irradiation light by the electric signal from the AOD driver 24. When the modulation at this time is DSB modulation, two beams adjacent to each other in frequency can be created. Along with this, the laser light that has been beam-paired by the acoustooptic device 23 is moved along the optical axis L through the pupil transmission lens system 25, the two-dimensional scanning device 26, the beam splitter 27, the pupil transmission lens system 30, and the objective lens 31. In sequence, the measurement object G1 is irradiated. At this time, due to the operation of the two-dimensional scanning device 26, the laser beam becomes a scanning beam and is scanned two-dimensionally on the measurement object G1.

そして、レーザー光源21からの直線偏光の照射光が対物レンズ31を経て測定対象物G1に照射され、測定対象物G1でこの照射光は反射される。この際、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27の順で戻って平行光となる。   Then, linearly polarized irradiation light from the laser light source 21 passes through the objective lens 31 and is irradiated onto the measurement object G1, and the irradiation light is reflected by the measurement object G1. At this time, the scanning beam reflected by the measuring object G1 becomes diffracted light, and returns to the parallel light in the order of the objective lens 31, the pupil transfer lens system 30, and the beam splitter 27.

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無偏光のビームスプリッタ27の隣の位置には、測定対象物G1で反射した回折光を2つの方向に分けるための分離素子である無偏光のビームスプリッタ10が位置している。これに伴いビームスプリッタ27で反射して、本来の光軸Lに対して直交する反射光の光軸Lに沿ってビームスプリッタ10にこの反射光が入射される。   On the other hand, a separating element for dividing the diffracted light reflected by the measuring object G1 into two directions is a direction perpendicular to the direction in which the optical axis L passes and is adjacent to the non-polarized beam splitter 27. An unpolarized beam splitter 10 is located. As a result, the light is reflected by the beam splitter 27, and this reflected light is incident on the beam splitter 10 along the optical axis L of the reflected light orthogonal to the original optical axis L.

また、このビームスプリッタ10の図1の左側には同じく無偏光のビームスプリッタ11が位置しており、このビームスプリッタ11の左側には偏光子1及び受光素子群5が連続して配置されていて、同じくビームスプリッタ11の下側には偏光子2及び受光素子群6が連続して配置されている。但し、これら偏光子1と偏光子2とは相互に直交する偏光軸を有している。従って、ビームスプリッタ11で分離された光は、相互に直交する偏光軸を有する2つの偏光子である偏光子1と偏光子2を介して、偏光軸を直交させた光が受光素子群5と受光素子群6にそれぞれ入射される。   Also, a non-polarized beam splitter 11 is located on the left side of the beam splitter 10 in FIG. 1, and a polarizer 1 and a light receiving element group 5 are continuously arranged on the left side of the beam splitter 11. Similarly, the polarizer 2 and the light receiving element group 6 are continuously arranged below the beam splitter 11. However, the polarizer 1 and the polarizer 2 have polarization axes orthogonal to each other. Therefore, the light separated by the beam splitter 11 passes through the polarizer 1 and the polarizer 2 which are two polarizers having mutually orthogonal polarization axes, and the light having the polarization axes orthogonal to the light receiving element group 5. Each is incident on the light receiving element group 6.

さらに、このビームスプリッタ10の図1の上側には、無偏光のビームスプリッタ12が位置しており、このビームスプリッタ12の左側には偏光子3及び受光素子群7が連続して配置されていて、同じくビームスプリッタ12の上側には偏光子4及び受光素子群8が連続して配置されている。但し、これら偏光子3と偏光子4とは相互に直交する偏光軸を有している。従って、ビームスプリッタ12で分離された光は、相互に直交する偏光軸を有する2つの偏光子である偏光子3と偏光子4を介して、偏光軸を直交させた光が受光素子群7と受光素子群8にそれぞれ入射される。   Further, an unpolarized beam splitter 12 is located on the upper side of the beam splitter 10 in FIG. 1, and a polarizer 3 and a light receiving element group 7 are continuously arranged on the left side of the beam splitter 12. Similarly, the polarizer 4 and the light receiving element group 8 are continuously arranged above the beam splitter 12. However, the polarizer 3 and the polarizer 4 have polarization axes orthogonal to each other. Therefore, the light separated by the beam splitter 12 passes through the polarizer 3 and the polarizer 4 which are two polarizers having mutually orthogonal polarization axes, and the light having the polarization axes orthogonal to the light receiving element group 7. Each is incident on the light receiving element group 8.

以上より、偏光子1の偏光軸と偏光子2の偏光軸は相互に90度相違した向きとなっており、偏光子3の偏光軸と偏光子4の偏光軸も相互に偏光軸は90度相違した向きとなっている。但し、偏光子1の偏光軸と偏光子3の偏光軸とが相互に45度を有するように、これらを配置するものとする。なおここで、ビームスプリッタ11、12が分離用ビームスプリッタとされ、ビームスプリッタ11および偏光子1、2が第1偏光素子とされ、ビームスプリッタ12および偏光子3、4が第2偏光素子とされる。   As described above, the polarization axis of the polarizer 1 and the polarization axis of the polarizer 2 are in a direction different from each other by 90 degrees, and the polarization axis of the polarizer 3 and the polarization axis of the polarizer 4 are also 90 degrees. The orientation is different. However, these shall be arrange | positioned so that the polarization axis of the polarizer 1 and the polarization axis of the polarizer 3 may have 45 degree | times mutually. Here, the beam splitters 11 and 12 are separation beam splitters, the beam splitter 11 and the polarizers 1 and 2 are first polarization elements, and the beam splitter 12 and the polarizers 3 and 4 are second polarization elements. The

具体的には、測定対象物G1が複屈折性や旋光性を有する物体の場合、照射された照射光の偏光状態が測定対象物G1で変化を受けつつ反射され、対物レンズ31、瞳伝達レンズ系30を経てビームスプリッタ27に戻り、このビームスプリッタ27でビームスプリッタ10側に反射される。また、この反射された光は、ビームスプリッタ10により2つの方向に分けられ、それぞれがさらにビームスプリッタ11とビームスプリッタ12により計4つに分けられる。   Specifically, when the measurement object G1 is an object having birefringence or optical rotation, the polarization state of the irradiated light is reflected while being changed by the measurement object G1, and the objective lens 31 and the pupil transfer lens are reflected. It returns to the beam splitter 27 through the system 30 and is reflected by the beam splitter 27 toward the beam splitter 10 side. The reflected light is divided into two directions by the beam splitter 10, and each is further divided into four directions by the beam splitter 11 and the beam splitter 12.

これに伴って、ビームスプリッタ11で分離された光は、相互に直交する偏光軸を有する偏光子1と偏光子2を介して、それぞれ受光素子群5と受光素子群6に入射され、受光素子群5で強度I1の光を検出し、受光素子群6で強度I2を検出する。同様に、ビームスプリッタ12で分離された光は、相互に直交する偏光軸を有する偏光子3と偏光子4を介して、それぞれ受光素子群7と受光素子群8に入射され、受光素子群7で強度I3の光を検出し、受光素子群8で強度I4を検出する。   Accordingly, the light separated by the beam splitter 11 is incident on the light receiving element group 5 and the light receiving element group 6 via the polarizer 1 and the polarizer 2 having mutually orthogonal polarization axes, respectively. The light of intensity I1 is detected by the group 5, and the intensity I2 is detected by the light receiving element group 6. Similarly, the light separated by the beam splitter 12 is incident on the light receiving element group 7 and the light receiving element group 8 through the polarizer 3 and the polarizer 4 having mutually orthogonal polarization axes, respectively. The light having the intensity I3 is detected with the light receiving element group 8, and the light receiving element group 8 detects the intensity I4.

尚、これら各受光素子群5〜8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つの光センサである受光素子5A〜8A、5B〜8Bにより構成されている。但し、この内の受光素子群5を例として挙げれば、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5A、5B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5Aが位置し、これと境界線Sの反対側にずれて受光素子5B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5A、5Bが受光する。   The light receiving element groups 5 to 8 are not only arranged on the far field (far field) surface of the measurement object G1, but in this embodiment, the light receiving elements 5A to 8A and 5B, which are two optical sensors. ~ 8B. However, if the light receiving element group 5 is given as an example, as shown in FIG. 2, this light is on a plane substantially perpendicular to the direction along the optical axis L which is the center of the spot of the scanning beam LA. The light receiving elements 5A and 5B are arranged with a boundary line S passing through the axis L interposed therebetween. That is, the light receiving element 5A is shifted to one side of the boundary line S, and the light receiving element 5B is shifted to the opposite side of the boundary line S. The scanning beam is reflected by the measurement object G1 and passed therethrough. These light receiving elements 5A and 5B receive LA.

さらに、各受光素子5A、5B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5A、5B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。また、この各受光素子5A、5Bは、信号比較器33にそれぞれ接続されるのに伴って、信号比較器33が各受光素子5A、5Bからの信号により、各偏光軸の強度情報や測定対象物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。   Further, each of the light receiving elements 5A and 5B has a structure having a photoelectric conversion unit (not shown), and each of the light receiving elements 5A and 5B receives the scanning beam LA and performs photoelectric conversion. Further, as each of the light receiving elements 5A and 5B is connected to the signal comparator 33, the signal comparator 33 uses the signals from the light receiving elements 5A and 5B to determine the intensity information of each polarization axis and the measurement target. The phase information of the object G1 is obtained. The signal comparator 33 is connected to a data processing unit 34 that finally processes data and obtains a measured value such as a profile of the measurement object G1. For this reason, in the present embodiment, the signal comparator 33 and the data processing unit 34 are set as measurement units.

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。   The laser light source 21 is a semiconductor laser and generates coherent laser light. The laser light is converted into a parallel light beam by the collimator lens 22 and is incident on the pupil transfer lens system 25. At this time, the incident beam diameter of the laser light is optimized using a diaphragm mechanism (not shown) or the like in consideration of the pupil transmission lens system 25.

この一方、音響光学素子23にはAODドライバー24より、sin(2πfct)sin(2πfmt)のようなDSB変調信号が変調信号として加えられる。この様な変調を行うと、fc+fmとfc-fmの2つの周波数変調が加えられたことになる音響光学素子23は、ブラッグ回折格子のピッチdに相当する音波の粗密波を発生する。すなわち、超音波の速度をVa、印加する周波数をfとすると、d=Va/fとなる。具体的には、この粗密波により、音響光学素子23に入射されたレーザー光は、±1次回折光に分離され、各々の回折光は周波数fc±fmの周波数で変調される。   On the other hand, a DSB modulation signal such as sin (2πfct) sin (2πfmt) is applied to the acoustooptic device 23 from the AOD driver 24 as a modulation signal. When such modulation is performed, the acoustooptic device 23 to which two frequency modulations of fc + fm and fc-fm have been applied generates an acoustic dense wave corresponding to the pitch d of the Bragg diffraction grating. That is, if the velocity of the ultrasonic wave is Va and the applied frequency is f, d = Va / f. Specifically, the laser light incident on the acoustooptic device 23 is separated into ± first-order diffracted light by the rough wave, and each diffracted light is modulated at a frequency of fc ± fm.

ここで、音響光学素子23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27に送られるが、このビームスプリッタ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。   Here, the pupil transmission lens system 25 disposed between the acoustooptic element 23 and the two-dimensional scanning device 26 transmits the position of the exit surface of the collimator lens 22 to the next two-dimensional scanning device 26 in a conjugate manner. This is an optical system. The laser light that has passed through the pupil transmission lens system 25 is sent to the beam splitter 27 as a scanning beam via the two-dimensional scanning device 26, and the scanning beam from the beam splitter 27 is transmitted to the pupil of the objective lens 31. The light enters the objective lens 31 through the pupil transmission lens system 30 that is conjugated to the position.

次に、無偏光のビームスプリッタ10〜12及び偏光子1〜4を介して偏光された光を受光する各受光素子群5〜8に関して説明する。
各受光素子群5〜8に関しては、それぞれ両方の受光素子5A〜8A、5B〜8Bでそれぞれ受光して光電変換することもできる。但し、上記と同様に受光素子群5を例として説明が、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、各偏光軸の強度情報や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。
Next, the respective light receiving element groups 5 to 8 that receive light polarized through the non-polarized beam splitters 10 to 12 and the polarizers 1 to 4 will be described.
Regarding each of the light receiving element groups 5 to 8, the light receiving elements 5A to 8A and 5B to 8B can receive light and perform photoelectric conversion. However, as described above, the light receiving element group 5 is described as an example, but only the light receiving elements located on one side of the two-divided light receiving region with the boundary line S passing through the optical axis L shown in FIG. One feature of this embodiment is that phase information that is intensity information and phase shift information can be detected.

このように2分割受光領域の片側のみでも各偏光軸の強度情報や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5Aのみでも十分に強度情報や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5B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5A、5Bで情報を同時に検出することもできる。   As described above, the reason why the intensity information and phase information of each polarization axis can be detected only on one side of the two-divided light receiving region is that the boundary line S is a direction substantially perpendicular to the optical axis L direction of the objective lens 31 shown in FIG. The intensity information and the phase information can be sufficiently detected only by one of the light receiving elements 5A on one side divided by the boundary line S, or the phase information is also sufficiently sufficient only by the other light receiving element 5B on the other side. This is because it can be detected. Of course, information can also be detected simultaneously by both light receiving elements 5A and 5B.

ただし、測定対象物G1から回折されて各々の受光素子5A、5Bに到達する光の位相は、光軸Lを境界とする受光素子5A、5B間で逆相になる。従って、受光素子5A、5Bで光電変換された相互に逆相の各々の位相情報の信号に基づいて信号比較器33が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。   However, the phase of the light that is diffracted from the measurement object G1 and reaches each of the light receiving elements 5A and 5B is reversed between the light receiving elements 5A and 5B with the optical axis L as a boundary. Accordingly, the signal comparator 33 finally processes the data based on the signals of the phase information of the opposite phases which are photoelectrically converted by the light receiving elements 5A and 5B, and the data processing unit 34 profiles the measurement object G1. A measurement value of the optical distance such as is obtained.

つまり、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により、各偏光軸の強度情報や測定対象物G1の位相情報を各受光素子群5〜8から信号比較器33が得て、この信号比較器33と接続されたCPUやメモリ等からなるデータ処理部34にこの強度情報や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でこの強度情報や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。   That is, the signal comparator 33 obtains the intensity information of each polarization axis and the phase information of the measurement object G1 from each of the light receiving element groups 5 to 8 by a signal obtained by photoelectrically converting the scanning beam reflected by the measurement object G1. Thus, the intensity information and the phase information are sent to the data processing unit 34 including a CPU and a memory connected to the signal comparator 33. Along with this, the intensity information and phase information are recorded together with scanning information for the plane by the data processing unit 34, and a measurement value such as profile information about the surface of the measurement object G1 can be easily derived.

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細胞等の厚みを持った生体試料の3次元的な情報を生きた状態でリアルタイムに得ることのできる光学的距離計測装置が提供されるようになる。   As described above, according to the present embodiment, the in-plane resolution is high, the resolution for the height and the refractive index distribution is high outside the plane, and the thickness of the cell or the like that cannot be obtained by a normal imaging optical system is obtained. An optical distance measuring device that can obtain three-dimensional information of a living sample in real time in a living state is provided.

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や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。   Accordingly, if such an optical system is used, three-dimensional measurement data can be acquired every time two-dimensional scanning is performed. For this reason, according to the present optical system, it is possible to observe and measure the state change of the cells and microorganisms, the transient change of the surface state and the internal state accompanying the state change, etc. at high speed. Therefore, by using a commercially available autostereoscopic display or a three-dimensional display using polarized glasses, a three-dimensional stereoscopic image can be displayed, so that the apparatus is useful in education, research, and medicine. Can do.

他方、本実施例において偏光状態を検出するために少なくとも3つの無偏光のビームスプリッタ10〜12と4つの偏光子1〜4を採用したが、これらの替わりに相互に角度を相違させた複数の偏光ビームスプリッタを配置することで、無偏光のビームスプリッタ及び偏光子を採用した場合と同様な計測が可能になる。尚、ビームスプリッタ11、12自体を偏光ビームスプリッタに替えた場合、偏光子は不要になる。特に偏光ビームスプリッタを採用した場合には、相互に直交する偏光状態を作り出すことができるので、偏光ビームスプリッタを2組用意し、一方の組の偏光ビームスプリッタを他方の組の偏光ビームスプリッタに対して45°回転させることで、効率よく偏光状態の計測が行える。   On the other hand, in the present embodiment, at least three non-polarized beam splitters 10 to 12 and four polarizers 1 to 4 are used to detect the polarization state, but instead of these, a plurality of different angles are used. By disposing the polarizing beam splitter, the same measurement as when a non-polarizing beam splitter and a polarizer are employed is possible. When the beam splitters 11 and 12 themselves are replaced with polarizing beam splitters, a polarizer is not necessary. In particular, when a polarization beam splitter is employed, two orthogonal polarization beam splitters can be prepared, and one set of polarization beam splitters can be compared to the other set of polarization beam splitters. By rotating 45 °, the polarization state can be measured efficiently.

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、レゾナントミラー、回転ポリゴンミラー等を採用することができる。   In this optical system, the example using one two-dimensional scanning device 26 shown in FIG. 1 has been described. However, if the application requires simple data in only one direction, this two-dimensional scanning device is used. The same effect can be obtained even if it is replaced with a one-dimensional scanning device. As these one-dimensional scanning devices, galvanometer mirrors, resonant mirrors, rotating polygon mirrors, and the like can be employed.

また、一つの2次元走査デバイス26の替わりに、2つの独立した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。さらに、1次元走査デバイスを1つと測定対象物G1を支持する図示しないテーブルとを相互に直交する形で採用することもできる。   Also, instead of one two-dimensional scanning device 26, two independent one-dimensional scanning devices are prepared for the X direction and the Y direction orthogonal to each other, and these are arranged before and after the pupil transfer lens system 25. By doing so, the same function as the two-dimensional scanning device 26 can be realized. For example, a micromirror device using a micromachine technique may be used. As this micromirror device, both one-dimensional and two-dimensional devices are known and commercialized. Furthermore, one one-dimensional scanning device and a table (not shown) that supports the measurement object G1 can be used in a form orthogonal to each other.

尚、本実施例においては、相互に近接した2つの照射光によるDSB変調を採用したので、受光素子で検出する場合はヘテロダイン検波となるが、単一周波数変調としても良く、この場合には一つの照射光の検波となる。また、本実施例の場合、照射光は測定対象物G1に直線偏光で照射され、ビームスプリッタ27で反射された光は直線偏光主体となる。ここで、「主体」とは、測定対象物G1により偏光面が回転するものの、大きく変化することは少ないので、照射した偏光状態がわずかに変化するという意味である。   In the present embodiment, since DSB modulation using two irradiation lights close to each other is adopted, heterodyne detection is used when detecting with a light receiving element, but single frequency modulation may be used. It becomes detection of two irradiation lights. In the case of the present embodiment, the irradiation light is irradiated to the measurement object G1 with linearly polarized light, and the light reflected by the beam splitter 27 is mainly linearly polarized light. Here, “main body” means that although the polarization plane is rotated by the measurement object G1, the polarization state is slightly changed because the polarization plane is hardly changed.

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3を参照しつつ説明する。本実施例も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3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。主要な光学系は前記した装置と同じなので説明を割愛するが、本実施例では、光学系の途中で平行光束となる部位である瞳伝達レンズ系25と2次元走査デバイス26との間に1/4波長板14を配置し、この1/4波長板14によりレーザー光源21よりのレーザー光である照射光を円偏光としている。なお、本実施例においては、音響光学素子23及びAODドライバー24は必要としない。
Next, a second embodiment of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG. This embodiment is also a reflection optical system that reflects a scanning beam by a measurement object.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the reflection optical system according to the embodiment. Since the main optical system is the same as the above-described apparatus, a description thereof will be omitted. A ¼ wavelength plate 14 is arranged, and the ¼ wavelength plate 14 makes irradiation light, which is laser light from the laser light source 21, circularly polarized light. In this embodiment, the acoustooptic device 23 and the AOD driver 24 are not required.

従って、本実施例では、測定対象物G1には円偏光のレーザー光である照射光が照射される。ただし、測定対象物G1が複屈折性や旋光性を有する物体の場合、この測定対象物G1が有する複屈折性や旋光性により照射された偏光状態が変化を受けて楕円偏光として反射され、対物レンズ31、瞳伝達レンズ系30を経てビームスプリッタ27まで戻る。そして、このビームスプリッタ27にて実施例1と同様にビームスプリッタ10側に反射される。   Therefore, in this embodiment, the measurement object G1 is irradiated with irradiation light that is circularly polarized laser light. However, when the measurement object G1 is an object having birefringence or optical rotation, the polarization state irradiated by the birefringence or optical rotation of the measurement object G1 is changed and reflected as elliptically polarized light. It returns to the beam splitter 27 through the lens 31 and the pupil transmission lens system 30. Then, the beam splitter 27 reflects the beam splitter 10 side as in the first embodiment.

この結果として、ビームスプリッタ11、12及び偏光子1〜4を介して、受光素子群5〜8においては楕円偏光として回折光が実施例1と同様に検出される。尚、瞳伝達レンズ系25と2次元走査デバイス26との間に1/4波長板14を配置する替わりに、光学系の途中で平行光束となる部位である対物レンズ31の手前の部分とされる瞳伝達レンズ系25と対物レンズ31との間に、この1/4波長板14を配置しても良い。   As a result, diffracted light is detected as elliptically polarized light in the light receiving element groups 5 to 8 through the beam splitters 11 and 12 and the polarizers 1 to 4 as in the first embodiment. Instead of arranging the quarter-wave plate 14 between the pupil transfer lens system 25 and the two-dimensional scanning device 26, it is a part in front of the objective lens 31 that is a part that becomes a parallel light beam in the middle of the optical system. The quarter-wave plate 14 may be disposed between the pupil transmission lens system 25 and the objective lens 31.

以上より、本実施例も実施例1と同様に、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細胞等の厚みを持った生体試料の3次元的な情報を生きた状態でリアルタイムに得ることのできる光学的距離計測装置が提供されるようになる。   As described above, the present embodiment also has a high in-plane resolution and a high resolution with respect to height and refractive index distribution outside the surface, as well as the first embodiment, and cells that cannot be obtained by a normal imaging optical system. An optical distance measuring device capable of obtaining three-dimensional information of a biological sample having a thickness of alive in real time is provided.

尚、本実施例においては、半導体レーザーであるレーザー光源21からのレーザー光が直接変調となっていることから、当然に単一周波数変調となる。また、1/4波長板14はレーザー光源21寄りの位置となる瞳伝達レンズ系25と2次元走査デバイス26との間に配置されていることから、測定対象物G1に円偏光で照射され、ビームスプリッタ27で反射された光は円偏光主体となる。   In the present embodiment, since the laser light from the laser light source 21 which is a semiconductor laser is directly modulated, it is naturally single frequency modulated. Further, since the quarter-wave plate 14 is disposed between the pupil transmission lens system 25 and the two-dimensional scanning device 26 that are positioned closer to the laser light source 21, the measurement object G1 is irradiated with circularly polarized light, The light reflected by the beam splitter 27 is mainly circularly polarized.

次に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例3を以下に図4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4は、本実施例に係る透過光学系の装置の構成を示すブロック図である。主要な光学系は前記した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及び実施例2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。
Next, Embodiment 3 of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG. In the present embodiment, the apparatus is a transmission optical system in which a scanning beam passes through a measurement object.
FIG. 4 is a block diagram illustrating the configuration of the transmission optical system according to the present embodiment. Since the main optical system is the same as that of the reflection optical system described above, a description thereof will be omitted. However, in this transmission optical system, the light condensed by the objective lens 31 is compared with the first and second embodiments. It passes through the measurement object G2.

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と反対側における光軸Lの延長線上の位置に、測定対象物G2を透過した光を平行光とするレンズ13及びビームスプリッタ10が連続して配置されている。このため、対物レンズ31にて集光された光は測定対象物G2を透過して、レンズ13により平行光束になる。ビームスプリッタ10以降に、実施例1の反射光学系の装置で使用したビームスプリッタ11、12及び偏光子1〜4を位置関係が相違するものの同様に配置することで、実施例1及び実施例2の反射光学系の装置と同様に動作する。   Further, in this embodiment, since it is a transmission optical system, the beam splitter 27 becomes unnecessary, and in accordance with this, at a position on the extension line of the optical axis L on the side opposite to the objective lens 31 via the measurement object G2, A lens 13 and a beam splitter 10 that make the light transmitted through the measurement object G2 parallel light are sequentially arranged. For this reason, the light condensed by the objective lens 31 passes through the measurement object G2 and becomes a parallel light flux by the lens 13. The beam splitters 11 and 12 and the polarizers 1 to 4 used in the reflection optical system according to the first embodiment are disposed in the same manner after the beam splitter 10 although the positional relationship is different. The operation is the same as that of the reflection optical system.

具体的には、ビームスプリッタ10の下側にビームスプリッタ11が位置しており、このビームスプリッタ11の下側には偏光子1及び受光素子群5が連続して配置されていて、同じくビームスプリッタ11の左側には偏光子2及び受光素子群6が連続して配置されている。さらに、ビームスプリッタ10の図4の左側にビームスプリッタ12が位置しており、このビームスプリッタ12の左側には偏光子3及び受光素子群7が連続して配置されていて、同じくビームスプリッタ12の上側には偏光子4及び受光素子群8が連続して配置されている。   Specifically, a beam splitter 11 is positioned below the beam splitter 10, and a polarizer 1 and a light receiving element group 5 are continuously arranged below the beam splitter 11. On the left side of 11, a polarizer 2 and a light receiving element group 6 are arranged in succession. Further, the beam splitter 12 is located on the left side of the beam splitter 10 in FIG. 4, and the polarizer 3 and the light receiving element group 7 are continuously arranged on the left side of the beam splitter 12. The polarizer 4 and the light receiving element group 8 are continuously arranged on the upper side.

また、入射系の平行光束になる部分とされる対物レンズ31の手前の部分とされる瞳伝達レンズ系25と対物レンズ31との間に、1/4波長板14が配置されている。このようにすれば実施例2と同様に測定対象物G2に円偏光状態のレーザー光が照射される。これに伴い、本実施例においても音響光学素子23及びAODドライバー24は存在していない。   In addition, a quarter-wave plate 14 is disposed between the pupil transmission lens system 25 and the objective lens 31, which are a part in front of the objective lens 31 that is a part that becomes a parallel light beam of the incident system. If it does in this way, the laser beam of a circular polarization state will be irradiated to measurement object G2 like Example 2. Accordingly, the acoustooptic device 23 and the AOD driver 24 are not present in this embodiment.

特に、通常の顕微鏡のように対物レンズ31の直前にポートを用意し、1/4波長板14を着脱可能に挿入できるように切替機構を設けておくことが考えられる。このようにすれば、ポートに対しての1/4波長板14の着脱切り替えにより、直線偏光のレーザー光の入射と円偏光のレーザー光の入射の場合とで、測定対象物G2の偏光状態による変化をさらに詳細に解析可能ともなる。   In particular, it is conceivable that a port is prepared immediately before the objective lens 31 as in a normal microscope, and a switching mechanism is provided so that the quarter-wave plate 14 can be removably inserted. In this way, by switching the ¼ wavelength plate 14 to / from the port, the linearly polarized laser light and the circularly polarized laser light are incident depending on the polarization state of the measuring object G2. Changes can be analyzed in more detail.

なお、図3に示す実施例2の反射光学系の装置でも同様に、対物レンズ31の手前の部分に1/4波長板14を配置すれば、同様に切替機構を設けることで、この1/4波長板14を着脱可能にできる。他方、本実施例でも図3に示すように2次元走査デバイス26と瞳伝達レンズ系30の間に1/4波長板14を配置しても良い。   Similarly, in the apparatus of the reflective optical system of Example 2 shown in FIG. 3, if the quarter wavelength plate 14 is arranged in front of the objective lens 31, this switching mechanism is provided in the same manner, and this 1 / The four-wave plate 14 can be detachable. On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the quarter-wave plate 14 may be disposed between the two-dimensional scanning device 26 and the pupil transfer lens system 30.

他方、本実施例においても偏光状態を検出するために少なくとも3つの無偏光のビームスプリッタ10〜12と4つの偏光子1〜4を採用したが、実施例1と同様にこれらの替わりに相互に角度を相違させた複数の偏光ビームスプリッタを配置することで、無偏光のビームスプリッタ及び偏光子を採用した場合と同様な計測が可能になる。また、実施例1と同様に本実施例においても受光素子群5〜8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、それぞれ2つの受光素子により構成されている。   On the other hand, in this embodiment, at least three non-polarizing beam splitters 10 to 12 and four polarizers 1 to 4 are used in order to detect the polarization state. By arranging a plurality of polarizing beam splitters having different angles, it is possible to perform the same measurement as when a non-polarizing beam splitter and a polarizer are employed. Similarly to the first embodiment, in the present embodiment, the light receiving element groups 5 to 8 are not only arranged on the far field surface of the measurement object G2, but are each constituted by two light receiving elements.

従って、実施例1と同様に、受光素子群5〜8を構成する受光素子5A〜8A、5B〜8Bでそれぞれ光電変換された偏光軸の強度情報だけで無く位相情報が得られる。そして、この位相情報の信号により、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。   Accordingly, as in the first embodiment, not only the intensity information of the polarization axis photoelectrically converted by the light receiving elements 5A to 8A and 5B to 8B constituting the light receiving element groups 5 to 8, but also phase information is obtained. Then, the signal comparator 33 obtains the phase information of the measuring object G2 from the phase information signal. Finally, the data is processed, and the data processing unit 34 can obtain the measured value of the optical distance such as the profile of the measurement object G2. As a result, the present embodiment also provides an optical distance measuring device with high effective resolution and no spatial frequency loss.

特に、本実施例のように透過光学系の装置では、実施例1及び実施例2と同様な作用効果を奏するだけでなく、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や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。   In particular, the transmission optical system apparatus as in this embodiment not only has the same effects as those of the first and second embodiments, but also changes the state of cells that remain unstained and non-invasive in real time. Since it can be observed, it can play a major role in testing whether iPS and ES cells are normal, checking for the presence of cancer cells, and the like. This is a feature that is greatly different from a measuring instrument such as an electron microscope that cannot be observed unless the living body is killed even at a high magnification.

尚、本実施例においては、レーザー光源21からのレーザー光が直接変調となっていることから、当然に単一周波数変調となる。また、1/4波長板14は対物レンズ31の手前の部分とされる瞳伝達レンズ系25と対物レンズ31との間に配置されていることから、測定対象物G2に円偏光で照射され、レンズを透過した光は円偏光主体となる。   In the present embodiment, since the laser light from the laser light source 21 is directly modulated, the single frequency modulation is naturally performed. Further, since the quarter-wave plate 14 is disposed between the pupil transmission lens system 25 and the objective lens 31 which are the front part of the objective lens 31, the measurement object G2 is irradiated with circularly polarized light, The light transmitted through the lens is mainly circularly polarized.

次に、前記した実施例1〜3において光学的距離、複屈折率、偏光情報等を同時に計測できる理由を以下に説明する。
直線偏光、もしくは1/4波長板14により円偏光となったレーザー光が、測定対象物G1、G2によりビームスプリッタ11、12及び各々の偏光軸を有する偏光子1〜4を経て、受光素子群5〜8にて強度I1,I2,I3,I4の光を得ることになる。この時における受光素子群5〜8で検出される光の強度と楕円偏光との関係を図5に示すグラフを参照しつつ説明する。
Next, the reason why the optical distance, the birefringence, the polarization information, etc. can be measured simultaneously in Examples 1 to 3 will be described below.
Laser light that has been linearly polarized or circularly polarized by the quarter-wave plate 14 passes through the beam splitters 11 and 12 and the polarizers 1 to 4 having the respective polarization axes by the measuring objects G1 and G2, and the light receiving element group. Lights of intensities I1, I2, I3, and I4 are obtained at 5-8. The relationship between the light intensity detected by the light receiving element groups 5 to 8 and the elliptically polarized light at this time will be described with reference to the graph shown in FIG.

図5に示す軸Exを偏光子1の偏光軸とし、同じく軸Eyを偏光子2の偏光軸とすることで、光の電場ベクトルを設定する。この際、測定対象物G1、G2による偏光は一般的に楕円偏光となる。この楕円偏光を図5に表す楕円Dとした場合、この楕円Dの長軸Tに沿った長径をaとし、これと直交する短径をbとするのに伴い、軸Exに対する楕円Dの長軸Tの傾き角θを下記(1)式のように表すことができる。   The electric field vector of light is set by setting the axis Ex shown in FIG. 5 as the polarization axis of the polarizer 1 and the axis Ey as the polarization axis of the polarizer 2. At this time, the polarized light by the measuring objects G1 and G2 is generally elliptically polarized light. When this elliptically polarized light is an ellipse D shown in FIG. 5, the length of the ellipse D with respect to the axis Ex is set as a is the major axis along the major axis T of the ellipse D and b is the minor axis perpendicular to the major axis T. The inclination angle θ of the axis T can be expressed as the following equation (1).

Figure 0006100408
Figure 0006100408

ここで、受光素子群5で検出される強度I1は、軸Ey方向において0の値なので下記(2)式で求まる。同様に受光素子群6で検出される強度I2は、軸Ex方向において0の値なので下記(3)式で求まる。   Here, the intensity I1 detected by the light receiving element group 5 is a value of 0 in the axis Ey direction, and therefore can be obtained by the following equation (2). Similarly, the intensity I2 detected by the light receiving element group 6 is a value of 0 in the direction of the axis Ex and can be obtained by the following equation (3).

Figure 0006100408
Figure 0006100408

一方、軸Ey及び軸Exに対して45°傾いた傾斜軸Sx、 Syでは簡単な変形より、受光素子群7で検出される強度I3の値が下記(4)式で求まる。同様に受光素子群8で検出される強度I4の値が下記(5)式で求まる。ここで、軸Exに対して45°傾いた傾斜軸である偏光子3の偏光軸をSxとし、同様に軸Eyに対して45°傾いた傾斜軸である偏光子4の偏光軸をSyとする。   On the other hand, the values of the intensity I3 detected by the light receiving element group 7 can be obtained by the following equation (4) by simple deformation on the tilted axes Sx and Sy inclined by 45 ° with respect to the axes Ey and Ex. Similarly, the value of the intensity I4 detected by the light receiving element group 8 is obtained by the following equation (5). Here, the polarization axis of the polarizer 3 that is an inclination axis inclined by 45 ° with respect to the axis Ex is Sx, and similarly, the polarization axis of the polarizer 4 that is an inclination axis inclined by 45 ° with respect to the axis Ey is Sy. To do.

Figure 0006100408
Figure 0006100408

これらの式から、(2)式+(3)式の左辺の値に対して(4)式+(5)式の左辺の値は、2倍となるため、(2)式から(5)式のうち独立な方程式は3つとなる。したがって、上記式より、a,b,θの3変数が独立に求められる。これら3変数a,b,θの式を記述すると下記のようになる。なおここで、β=cosθとする。また、強度I1と強度I2の値により、2つの値がそれぞれ求まるので、大きい値を長径aとし、小さい値を短径bとする。また、下記の3変数a,b,θの式においては、I2>I1とした場合を示してあるが、I2<I1の場合には、bが長径を表し、aが短径を表すことになる。   From these expressions, since the value of the left side of the expression (4) + (5) is double the value of the left side of the expression (2) + (3), the expression (2) to (5) There are three independent equations. Therefore, the three variables a, b, and θ are obtained independently from the above formula. The expression of these three variables a, b, and θ is described as follows. Here, β = cos θ. In addition, since two values are obtained from the values of the intensity I1 and the intensity I2, a larger value is defined as the major axis a, and a smaller value is defined as the minor axis b. In the following three variables a, b, and θ, I2> I1 is shown. However, when I2 <I1, b represents the major axis and a represents the minor axis. Become.

Figure 0006100408
Figure 0006100408

次に、上記光学系において、1/4波長板14を瞳伝達レンズ系25と2次元走査デバイス26との間に挿入した場合を考える。
測定対象物G1、G2には円偏光のレーザー光が照射されるが、測定対象物G1、G2が有する複屈折性により受光素子群5〜8上では、楕円偏光として上記と同様に検出される。複屈折による楕円偏光の長径方向の位相をδa、短径方向の位相をδbとすると、位相差δは下記式により求まる。
δ=δa−δb=2π/λ d(na-nb)
ここで、dは測定対象物G1、G2の厚み、naは長径方向の屈折率、nbは短径方向の屈折率をそれぞれ表す。楕円偏光の長径と短径の比をεとすると、一般に下記式によりこの比εは求まる。
Next, consider the case where the quarter wavelength plate 14 is inserted between the pupil transfer lens system 25 and the two-dimensional scanning device 26 in the optical system.
The measurement objects G1 and G2 are irradiated with circularly polarized laser light, but are detected as elliptically polarized light in the same manner as described above on the light receiving element groups 5 to 8 due to the birefringence of the measurement objects G1 and G2. . When the phase in the major axis direction of elliptically polarized light due to birefringence is δa and the phase in the minor axis direction is δb, the phase difference δ is obtained by the following equation.
δ = δa−δb = 2π / λ d (na-nb)
Here, d represents the thickness of the measurement objects G1 and G2, na represents the refractive index in the major axis direction, and nb represents the refractive index in the minor axis direction. If the ratio of the major axis to the minor axis of elliptically polarized light is ε, this ratio ε is generally obtained by the following equation.

Figure 0006100408
Figure 0006100408

したがって、上記した手順により楕円偏光の長径と短径を計測すれば、位相差δすなわち、屈折率差を検出することができる。
また、レーザー光を測定対象物G1、G2に照射しつつ走査した場合、光軸L方向に対して垂直な境界線Sを挟んだ少なくとも片側の受光素子で取得した光の変調信号を信号比較器33等が信号処理する。このことにより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との間の位相差θ0が求められるので、この位相差θ0から光学的距離nhが得られる。
Therefore, if the major axis and minor axis of the elliptically polarized light are measured by the procedure described above, the phase difference δ, that is, the refractive index difference can be detected.
Further, when scanning is performed while irradiating the measurement objects G1 and G2 with laser light, a signal comparator is obtained by modulating a light modulation signal obtained by at least one light receiving element sandwiching a boundary line S perpendicular to the optical axis L direction. 33 etc. perform signal processing. As a result, the phase difference θ0 between the amplitude M0 of the 0th-order diffracted light and the amplitude M1 of the 1st-order diffracted light with respect to the 0th-order diffracted light is obtained, and the optical distance nh can be obtained from this phase difference θ0.

Figure 0006100408
Figure 0006100408

ここで、γ=M1/M0とした。γは0次回折光と1次回折光との光の比である。
θoは0次回折光に対する1次回折光の位相差なので、θoとγよりΘoを求める。
さらに、Θo=(2π/λ)nhより、光学的距離nhを求めることができる。
Here, γ = M 1 / M 0 was set. γ is the ratio of the light of the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light.
Since θo is the phase difference of the first-order diffracted light with respect to the 0th-order diffracted light, Θo is obtained from θo and γ.
Furthermore, the optical distance nh can be obtained from Θo = (2π / λ) nh.

例えば水及び細胞を図示しないプレパラートとカバーガラスとの間に挟んで測定するような場合、この光学的距離は、周りの既知の媒質である水の屈折率と2つの偏光軸における細胞の屈折率の差と高さの積で表される。上記楕円偏光の情報より楕円Dの傾き角θがわかるので、これに伴って偏光軸において検出された光学的距離と上記した楕円偏光の情報により複屈折率を導出することができる。このように光学的距離を2つの偏光軸で導出し、さらに、少なくとも3つの偏光軸にて楕円偏光の状態を検出することで、光学的距離、複屈折率、偏光情報等を同時に計測できる。   For example, when measuring with water and cells sandwiched between a preparation (not shown) and a cover glass, the optical distance is determined by the refractive index of water, which is a known medium, and the refractive index of the cells at two polarization axes. It is expressed as the product of the difference and height. Since the inclination angle θ of the ellipse D can be found from the information on the elliptically polarized light, the birefringence can be derived from the optical distance detected on the polarization axis and the information on the elliptically polarized light. Thus, the optical distance, birefringence, polarization information, etc. can be measured simultaneously by deriving the optical distance with two polarization axes and detecting the state of elliptically polarized light with at least three polarization axes.

しかも後程述べる本発明の各実施例によれば、これらの情報の取得が空間周波数の高い領域で可能となるので、極めて高い分解能で細胞等の動的変化を追うことができる。さらに、偏光状態の変化や複屈折率を検出することで、細胞を構成している物質を類推することも可能となる。また、複屈折率や複屈折性等をある範囲で抜き出して表示することにより、物質の動きを無染色にて視覚的かつ3次元的に表すこともできる。
すなわち、入射の偏光状態を予め固定しておけば、測定対象物G1、G2の有する旋光性や複屈折性の情報が反映する楕円偏光の状態を少なくとも相互に異なる3つの偏光軸を有する偏光子を通過した光量で同定することができる。
In addition, according to each embodiment of the present invention described later, such information can be acquired in a region having a high spatial frequency, so that dynamic changes of cells and the like can be followed with extremely high resolution. Furthermore, by detecting the change in polarization state and the birefringence, it is possible to analogize the substances constituting the cells. Further, by extracting and displaying the birefringence, birefringence, etc. within a certain range, the movement of the substance can be expressed visually and three-dimensionally without staining.
In other words, if the incident polarization state is fixed in advance, a polarizer having at least three polarization axes different from each other in the state of elliptically polarized light reflected by the optical rotation and birefringence information of the measurement objects G1 and G2. Can be identified by the amount of light that has passed through.

上記した手順は、細胞に染色が施されているといったような強度情報のみを有する場合にも適用できる。この場合、受光素子群5〜8を構成する2つの受光素子5A〜8A、5B〜8Bの両方を用いずに、光軸Lを境界とした片側の受光素子5A〜8Aで得られたデータでも良く、これら2つの受光素子5A〜8A、5B〜8Bの合算データでも良い。つまり、この強度情報のみの用途に限定するならば、受光素子は1つでも良い。ただし、この場合、染色された物質と細胞の有する物質のいずれが屈折率に影響を与えたか否かの判断はできない。   The above-described procedure can also be applied to the case where only the intensity information that the cells are stained is included. In this case, even with the data obtained by the light receiving elements 5A to 8A on one side with the optical axis L as a boundary without using both of the two light receiving elements 5A to 8A and 5B to 8B constituting the light receiving element groups 5 to 8. Alternatively, the total data of these two light receiving elements 5A to 8A and 5B to 8B may be used. That is, if it is limited to the use of only this intensity information, only one light receiving element may be used. In this case, however, it cannot be determined whether the stained substance or the substance of the cell has an influence on the refractive index.

そこで、光軸Lを境界とした片側の受光素子5A〜8A或いは受光素子5B〜8Bにて情報を取得し、無染色の細胞のように位相情報を有するものに対して、その光学的距離を可視化もしくは計測した情報と本偏光状態の解析結果の両方を考慮することが考えられる。このことにより、測定対象物G1、G2の有する複屈折を定量化し、またその光学軸を決められることが本発明の実施例における大きな特徴である。   Therefore, the information is acquired by the light receiving elements 5A to 8A or the light receiving elements 5B to 8B on one side with the optical axis L as a boundary, and the optical distance is determined for those having phase information such as unstained cells. It is conceivable to consider both the visualized or measured information and the analysis result of this polarization state. This makes it possible to quantify the birefringence of the measurement objects G1 and G2 and determine the optical axis, which is a major feature of the embodiments of the present invention.

この際、レーザー光の走査に伴う空間周波数を受光素子にて電気的信号に変換し、この電気的信号の直流成分や交流成分等を用い、信号処理により定量化するので、測定対象物G1、G2内に構造がある場合には、本発明は特に有効となる。すなわち、測定対象物G1、G2の光学的距離とともに内部の偏光状態を計測できるので、3次元的に屈折率分布等をリアルタイムの測定できることになる。また、以下の実施例において述べるが、0次回折光と空間周波数の高い1次回折光を干渉させる光学系を併用することで、光学的距離と偏光状態の解析が、従来の光学顕微鏡よりも高い分解能で実行することができる。   At this time, the spatial frequency associated with the scanning of the laser light is converted into an electrical signal by the light receiving element, and quantified by signal processing using a direct current component or an alternating current component of the electrical signal. The present invention is particularly effective when there is a structure in G2. That is, since the internal polarization state can be measured together with the optical distances of the measurement objects G1 and G2, the refractive index distribution and the like can be measured in three dimensions in real time. Further, as will be described in the following examples, by using an optical system that interferes with the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light having a high spatial frequency, the analysis of the optical distance and the polarization state is higher in resolution than the conventional optical microscope. Can be done with.

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例4を以下に図6を参照しつつ説明する。
本実施例は、0次回折光と高い空間周波数の1次回折光を合成する光学系に本発明を適用する例であり、図6はこの実施例の構成を示す概略図である。本実施例では、光を照射する光源であるレーザー光源21が図示しないコリメーターレンズ22、瞳伝達レンズ系25、30、2次元走査デバイス26等の光学系を介して、対物レンズ31と対向して配置されている。このため、このレーザー光源21が照射した光が、透過物の測定対象物G2に収束照射されている。このレーザー光源21の収束照射の照射光軸とされる光軸L上には、凸レンズとされるレンズ45が位置していて、測定対象物G2を透過して出射された光束をレンズ45が平行な光束に変換している。
A fourth embodiment of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG.
This embodiment is an example in which the present invention is applied to an optical system that combines 0th-order diffracted light and high spatial frequency 1st-order diffracted light, and FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of this embodiment. In this embodiment, a laser light source 21 that is a light source for irradiating light faces the objective lens 31 through an optical system (not shown) such as a collimator lens 22, a pupil transmission lens system 25, 30, and a two-dimensional scanning device 26. Are arranged. For this reason, the light irradiated by the laser light source 21 is converged and irradiated onto the measurement object G2 that is a transmissive material. A lens 45, which is a convex lens, is positioned on the optical axis L, which is the irradiation optical axis of the convergent irradiation of the laser light source 21, and the lens 45 is parallel to the light beam that has been transmitted through the measuring object G2. Is converted into a luminous flux.

このレンズ45の下方の光軸L上には、レンズ45から出射された平行な光束をそれぞれ左右に分割する2つのビームスプリッタ50、53が連続して配置されており、これらの下方の光軸L上には、ビームスプリッタ10〜12、偏光子1〜4、受光素子群5〜8が実施例3と同様に配置されている。このため、光軸L上の光は、これら光学素子のセットによって偏光軸の相互に異なる4つの偏光の強度情報に変換される。   On the optical axis L below the lens 45, two beam splitters 50 and 53 that divide the parallel light beams emitted from the lens 45 in the left and right directions are continuously arranged. On L, beam splitters 10 to 12, polarizers 1 to 4, and light receiving element groups 5 to 8 are arranged in the same manner as in the third embodiment. For this reason, the light on the optical axis L is converted into intensity information of four polarizations having different polarization axes by the set of these optical elements.

この一方、光軸Lに対して図6の右側に傾きを有した傾斜光軸とされる光軸L1上には、凸レンズとされるレンズ46が位置しており、このレンズ46が測定対象物G2から出射された光束を平行な光束としている。この光軸L1上には、この平行な光束を下方に反射するための反射鏡48が配置されており、また、この反射鏡48の下方には、ビームスプリッタ51が位置している。このため、レンズ46とビームスプリッタ51との間に配置される反射鏡48が、レンズ46からの出射光をビームスプリッタ51側に反射させている。他方、上記と同様の構成を有したレンズ47、反射鏡49、ビームスプリッタ52が光軸Lを挟んで対称に図6の左側にも光軸L2に沿って配置されている。   On the other hand, a lens 46, which is a convex lens, is positioned on the optical axis L1, which is an inclined optical axis having an inclination on the right side of FIG. The light beam emitted from G2 is a parallel light beam. A reflecting mirror 48 for reflecting the parallel light beam downward is disposed on the optical axis L 1, and a beam splitter 51 is positioned below the reflecting mirror 48. For this reason, the reflecting mirror 48 disposed between the lens 46 and the beam splitter 51 reflects the light emitted from the lens 46 toward the beam splitter 51 side. On the other hand, a lens 47, a reflecting mirror 49, and a beam splitter 52 having the same configuration as described above are symmetrically arranged along the optical axis L2 on the left side of FIG.

そして、レンズ45により平行光とされた測定対象物G2からの0次回折光の一部は、ビームスプリッタ50を介して、ビームスプリッタ51に送られる。光軸Lに対して斜めに配置されたレンズ46により平行光束となった1次回折光とこの0次回折光の一部とが、ビームスプリッタ51により合成される。   A part of the 0th-order diffracted light from the measurement object G <b> 2 converted into parallel light by the lens 45 is sent to the beam splitter 51 via the beam splitter 50. The beam splitter 51 combines the first-order diffracted light that has become a parallel light beam by the lens 46 disposed obliquely with respect to the optical axis L and a part of the zero-order diffracted light.

同様にレンズ45により平行光とされた測定対象物G2からの0次回折光の一部は、ビームスプリッタ53を介して、ビームスプリッタ52に送られる。光軸Lに対してレンズ46と反対側の斜めに配置されたレンズ47により平行光束となった−1次回折光とこの0次回折光の一部とが、ビームスプリッタ52により合成される。   Similarly, a part of the 0th-order diffracted light from the measurement object G <b> 2 that is converted into parallel light by the lens 45 is sent to the beam splitter 52 via the beam splitter 53. The beam splitter 52 combines the −1st order diffracted light and a part of the 0th order diffracted light, which are converted into parallel light beams by the lens 47 disposed obliquely opposite to the lens 46 with respect to the optical axis L.

本実施例においては、ビームスプリッタ51の下側には、ビームスプリッタ12、偏光子3、4、受光素子群7、8が配置されている。また、ビームスプリッタ52の下側には、ビームスプリッタ11、偏光子1、2、受光素子群5、6が配置されている。   In this embodiment, the beam splitter 12, the polarizers 3 and 4, and the light receiving element groups 7 and 8 are disposed below the beam splitter 51. A beam splitter 11, polarizers 1 and 2, and light receiving element groups 5 and 6 are arranged below the beam splitter 52.

さらに、前述の受光素子群5〜8だけでなく、受光素子群7、8や受光素子群5、6が、これら受光素子群からの信号を比較するための信号比較器33にそれぞれ接続されている。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G2のプロフィル等を得るデータ処理部34に繋がっている。このため、信号比較器33及びデータ処理部34に、光軸L上の0次回折光を受光する受光素子群5〜8、光軸Lに対して右側に位置する受光素子群7、8及び、光軸Lに対して左側に位置する受光素子群5、6からのそれぞれ偏光の強度情報が入力されてデータを処理するので、これら信号比較器33及びデータ処理部34が計測部とされる。   In addition to the light receiving element groups 5 to 8 described above, the light receiving element groups 7 and 8 and the light receiving element groups 5 and 6 are connected to a signal comparator 33 for comparing signals from these light receiving element groups, respectively. Yes. The signal comparator 33 is connected to a data processing unit 34 that finally processes the data to obtain a profile of the measurement object G2. For this reason, the signal comparator 33 and the data processing unit 34 receive light receiving element groups 5 to 8 that receive 0th-order diffracted light on the optical axis L, light receiving element groups 7 and 8 that are positioned on the right side of the optical axis L, and Since the polarization intensity information from the light receiving element groups 5 and 6 positioned on the left side with respect to the optical axis L is input and data is processed, the signal comparator 33 and the data processing unit 34 are used as the measurement unit.

具体的には、ビームスプリッタ51により合成された光は、ビームスプリッタ12、偏光子3、4及び受光素子群7、8により偏光軸の相互に異なる2つの偏光の強度情報に変換される。また、ビームスプリッタ52により合成された光は、ビームスプリッタ11、偏光子1、2及び受光素子群5、6により偏光軸の相互に異なる2つの偏光の強度情報に変換される。但し、偏光子3、4による偏光軸に対して偏光子1、2による偏光軸はそれぞれ45°傾いている。   Specifically, the light synthesized by the beam splitter 51 is converted into intensity information of two polarized light beams having different polarization axes by the beam splitter 12, the polarizers 3 and 4, and the light receiving element groups 7 and 8. The light combined by the beam splitter 52 is converted into intensity information of two polarized light beams having different polarization axes by the beam splitter 11, the polarizers 1 and 2, and the light receiving element groups 5 and 6. However, the polarization axes of the polarizers 1 and 2 are inclined by 45 ° with respect to the polarization axes of the polarizers 3 and 4, respectively.

つまり、1次回折光と0次回折光の一部及び、−1次回折光と0次回折光の一部は、偏光軸の異なる4つの偏光に分離され、受光素子群7、8及び受光素子群5、6でそれぞれ強度情報に変換される。この4つの強度情報のうち前述のように3つが独立なので、これらから楕円偏光状態を検出することができる。また、光軸L上の0次回折光に関しても、偏光軸の異なる4つの偏光に分離され、受光素子群5〜8により強度情報に変換される。   That is, a part of the 1st-order diffracted light and the 0th-order diffracted light and a part of the −1st-order diffracted light and the 0th-order diffracted light are separated into four polarized lights having different polarization axes, and the light receiving element groups 7 and 8 and the light receiving element groups 5, 6 is converted into intensity information. Since the four pieces of intensity information are independent as described above, the elliptical polarization state can be detected from them. Also, the 0th-order diffracted light on the optical axis L is also separated into four polarized lights having different polarization axes, and is converted into intensity information by the light receiving element groups 5 to 8.

この時、測定対象物G2が位相物体であれば、1次回折光と−1次回折光は位相が相互に180°異なるので、光学的距離情報は片側の2つの受光素子群で取得することができる。もちろん、光軸Lを挟んだ両側の計4つの受光素子群で光学的距離情報を取得することもできる。また、偏光に関する情報は、±1次回折光には依存しないので、両方の受光素子群で異なる偏光軸の情報を取得してもよいことになる。   At this time, if the measurement object G2 is a phase object, the first-order diffracted light and the −1st-order diffracted light are different in phase from each other by 180 °, so that optical distance information can be acquired by two light receiving element groups on one side. . Of course, the optical distance information can be acquired by a total of four light receiving element groups on both sides of the optical axis L. In addition, since the information on the polarization does not depend on the ± first-order diffracted light, the information on the polarization axes different in both light receiving element groups may be acquired.

以上のようにすれば、測定対象物G2が複屈折性や旋光性を有していた場合、例えば左側のビームスプリッタ52により合成された光から受光素子群5にて取得した光学的距離と受光素子群6にて取得した光学的距離は、相互に異なる値となって計測される。この場合、受光素子群5及び受光素子群6にて受光した2つの光は同じパスを通過しているので、異なった値は測定対象物G2の屈折率の違いを表すことになる。   As described above, when the measurement object G2 has birefringence or optical rotation, for example, the optical distance and light received by the light receiving element group 5 from the light synthesized by the left beam splitter 52. The optical distance acquired by the element group 6 is measured as different values. In this case, since the two lights received by the light receiving element group 5 and the light receiving element group 6 pass through the same path, different values represent a difference in refractive index of the measurement object G2.

この光学的距離の情報と楕円偏光の長径と短径の比等の情報より、複屈折を有する測定対象物G2の屈折率を計測可能となる。この場合、特に0次回折光と高い空間周波数を有する1次回折光が走査により変調をうけ、これを受光素子群が検出するので、高分解能を有する光学的距離情報と同時に高分解能の偏光情報を得ることができる。このように複屈折率や複屈折性等の情報から細胞等を染色せずに、1回の走査で光学的距離情報と偏光情報を同時にしかも高分解能で得ることができるので、極めて有用な装置となる。   The refractive index of the measurement object G2 having birefringence can be measured from the information on the optical distance and the information such as the ratio of the major axis to the minor axis of elliptically polarized light. In this case, in particular, the zero-order diffracted light and the first-order diffracted light having a high spatial frequency are modulated by scanning, and this is detected by the light receiving element group, so that high-resolution polarization information is obtained simultaneously with the optical distance information having high resolution. be able to. In this way, optical distance information and polarization information can be obtained at the same time with high resolution without staining cells or the like from information such as birefringence and birefringence. It becomes.

なお、4つの偏光状態を同時に取得できるような、対物レンズ31の光軸L上のビームスプリッタ10〜12、偏光子1〜4、受光素子群5〜8等よりなる光学素子のセットを各部分に配置して、ビームスプリッタ51により合成された光及び、ビームスプリッタ52により合成された光からそれぞれ強度情報を得ても良い。また、空間周波数の低い情報をそれほど必要としないならば、対物レンズ31の光軸L上の受光素子群5〜8等は省略しても良い。   It should be noted that a set of optical elements composed of the beam splitters 10 to 12 on the optical axis L of the objective lens 31, the polarizers 1 to 4, the light receiving element groups 5 to 8 and the like so that the four polarization states can be acquired simultaneously. The intensity information may be obtained from the light combined by the beam splitter 51 and the light combined by the beam splitter 52. Further, if information with a low spatial frequency is not required, the light receiving element groups 5 to 8 on the optical axis L of the objective lens 31 may be omitted.

また、本実施例においては、4種類の偏光子を採用しているが、一般的には相互に異なる偏光軸を有した偏光子であってもよい。但し、例えば偏光子1を基準に偏光子2,3,4の偏光軸を45,90,135度と等間隔に回転させることが考えられる。さらに、無偏光のビームスプリッタの替わりに偏光ビームスプリッタを2組採用し、これらの偏光ビームスプリッタを相互に回転させつつ配置しても良い。例えばP偏光とS偏光を検出する偏光ビームスプリッタとこの偏光ビームスプリッタに対して45度傾けた偏光ビームスプリッタで本実施例を代用してもよい。   In this embodiment, four types of polarizers are employed, but in general, polarizers having different polarization axes may be used. However, for example, it is conceivable to rotate the polarization axes of the polarizers 2, 3, and 4 at 45, 90, and 135 degrees with the polarizer 1 as a reference. Further, two sets of polarizing beam splitters may be employed instead of the non-polarizing beam splitter, and these polarizing beam splitters may be arranged while rotating with respect to each other. For example, this embodiment may be substituted by a polarizing beam splitter that detects P-polarized light and S-polarized light and a polarizing beam splitter that is inclined 45 degrees with respect to the polarizing beam splitter.

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例5を以下に図7を参照しつつ説明する。
本実施例は、0次回折光と高い空間周波数の1次回折光を合成して高分解能を有する別の光学系に本発明を適用する例であり、図7はこの実施例の構成を示す概略図である。
本実施例においては平行光束が対物レンズ31に入射され測定対象物G2に収束されるまでは、図6と同様となっている。つまり、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7において、コリメーターレンズ22、瞳伝達レンズ系25、30、2次元走査デバイス26等の光学系は図示を省略している。
Embodiment 5 of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG.
This embodiment is an example in which the present invention is applied to another optical system having a high resolution by synthesizing zero-order diffracted light and first spatial diffracted light, and FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of this embodiment. It is.
In this embodiment, the process is the same as that in FIG. 6 until the parallel light beam is incident on the objective lens 31 and converges on the measurement object G2. That is, the tilted optical system shown in this figure is arranged below the transmission optical system of the second embodiment. In FIG. 7, optical systems such as the collimator lens 22, the pupil transmission lens systems 25 and 30, and the two-dimensional scanning device 26 are not shown.

但し、本実施例では、対物レンズ31の光軸Lに対して実質上傾けた光軸L3上に、測定対象物G2を透過して回折された0次回折光の一部とこの0次回折光を含まない空間周波数の高い1次回折光の一部を平行光とするレンズ61を配置する。これにより、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61に取り入れることができる。   However, in this embodiment, a part of the 0th-order diffracted light transmitted through the measurement object G2 and diffracted on the optical axis L3 substantially tilted with respect to the optical axis L of the objective lens 31 and the 0th-order diffracted light. A lens 61 is disposed that uses a part of the first-order diffracted light with high spatial frequency not included as parallel light. As a result, a part of the 0th-order diffracted light and a part of the 1st-order diffracted light transmitted through the measuring object G2 are intermediate inclination angles between the optical axis L of the 0th-order diffracted light and the optical axis L1 of the 1st-order diffracted light. Can be incorporated into the lens 61 tilted by the optical axis L3.

このように0次回折光の光軸Lに対してレンズ61を傾斜して設置することで、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ることができ、これら0次回折光と1次回折光の干渉を実現している。   Thus, by installing the lens 61 so as to be inclined with respect to the optical axis L of the 0th-order diffracted light, not only a part of the 0th-order diffracted light but also a higher spatial frequency is obtained compared to the case where the same lens is used. A part of the first-order diffracted light can be taken in, and interference between the zeroth-order diffracted light and the first-order diffracted light is realized.

さらに、光軸L3上にはロンボイドプリズム62が配置されていて、レンズ61により平行光束とされた光は、このロンボイドプリズム62により上記した0次回折光の一部と0次回折光を含まない空間周波数の高い1次回折光の一部を合成する。また、ロンボイドプリズム62は、透明な面であって光を入射する為の入射面62A及びこれと対向する透明な面である出射面62Bを有する他、このロンボイドプリズム62の斜めの一面を半透鏡62Cとし、この半透鏡62Cと反対の面を半透鏡62Dとし、このロンボイドプリズム62を通過して各光束を受ける光学素子をこれらの面62B〜62Dと対向して配置する。   Further, a rhomboid prism 62 is disposed on the optical axis L3, and the light converted into a parallel light beam by the lens 61 does not include a part of the above-described 0th order diffracted light and 0th order diffracted light. A part of the first-order diffracted light having a high spatial frequency is synthesized. The rhomboid prism 62 has a light incident surface 62A for incident light and an output surface 62B that is a transparent surface opposite to the light incident surface 62A. A semi-transparent mirror 62C is provided, and a surface opposite to the semi-transparent mirror 62C is provided as a semi-transparent mirror 62D, and optical elements that pass through the rhomboid prism 62 and receive the respective light beams are disposed to face the surfaces 62B to 62D.

つまり、図7に示すように、半透鏡62Cと対向して、ビームスプリッタ11、偏光子1、2、受光素子群5、6のセットを配置し、さらに、出射面62Bと対向してビームスプリッタ10〜12、偏光子1〜4、受光素子群5〜8のセットを配置し、また、半透鏡62Dと対向して、ビームスプリッタ12、偏光子3、4、受光素子群7、8のセットを配置することで、これら各光学素子のセットに光束が導かれるようにする。   That is, as shown in FIG. 7, a set of the beam splitter 11, the polarizers 1 and 2, and the light receiving element groups 5 and 6 is arranged facing the semi-transparent mirror 62C, and further facing the exit surface 62B. 10 to 12, a set of polarizers 1 to 4 and light receiving element groups 5 to 8 are arranged, and a set of the beam splitter 12, the polarizers 3 and 4 and the light receiving element groups 7 and 8 are opposed to the semi-transparent mirror 62D. Is arranged so that the light beam is guided to the set of these optical elements.

さらに、受光素子群5〜8、受光素子群7、8及び受光素子群5、6が、これら受光素子群からの信号を比較するための信号比較器33にそれぞれ接続されている。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G2のプロフィル等を得るデータ処理部34に繋がっている。このため、光軸L3上の0次回折光の一部と1次回折光の一部をそれぞれ受光する受光素子群5〜8、受光素子群7、8及び受光素子群5、6からの偏光の強度情報が、信号比較器33及びデータ処理部34に入力されてデータを処理するので、これらが計測部とされる。   Further, the light receiving element groups 5 to 8, the light receiving element groups 7 and 8, and the light receiving element groups 5 and 6 are respectively connected to a signal comparator 33 for comparing signals from these light receiving element groups. The signal comparator 33 is connected to a data processing unit 34 that finally processes the data to obtain a profile of the measurement object G2. Therefore, the intensity of polarized light from the light receiving element groups 5 to 8, the light receiving element groups 7 and 8, and the light receiving element groups 5 and 6 that respectively receive part of the 0th order diffracted light and part of the first order diffracted light on the optical axis L3. Since information is input to the signal comparator 33 and the data processing unit 34 to process the data, these are used as the measurement unit.

ここで、半透鏡62Cと対向するビームスプリッタ11、偏光子1、2、受光素子群5、6のセットは、レンズ61の0次回折光を含む1次回折光との干渉となっているので、対物レンズ31のNAに匹敵する空間周波数まで分離できる。一方、出射面62Bと対向するビームスプリッタ10〜12、偏光子1〜4、受光素子群5〜8のセットおよび、半透鏡62Dと対向するビームスプリッタ12、偏光子3、4、受光素子群7、8のセットでは、対物レンズ31のNA以上の1次回折光を0次回折光と合成しているので、対物レンズ31のNA以上の空間周波数まで分離できることになる。   Here, the set of the beam splitter 11, the polarizers 1 and 2, and the light receiving element groups 5 and 6 facing the semi-transparent mirror 62 </ b> C interferes with the first-order diffracted light including the 0th-order diffracted light of the lens 61. A spatial frequency comparable to the NA of the lens 31 can be separated. On the other hand, a set of beam splitters 10-12, polarizers 1-4, and light receiving element groups 5-8 facing the exit surface 62B, and a beam splitter 12, polarizers 3, 4, facing the semitransparent mirror 62D, light receiving element group 7 In the set of 8, the first-order diffracted light of NA or higher of the objective lens 31 is combined with the 0th-order diffracted light, so that the spatial frequency of NA or higher of the objective lens 31 can be separated.

これらの空間周波数は、測定対象物G2にレーザー光を走査しつつ照射することにより、各受光素子群で電気的な変調信号に変換されて検出される。そして、この検出された変調信号の交流信号に基づき、高分解能の光学的距離情報と同時に高分解能の偏光状態を得ることができる。   These spatial frequencies are detected by being converted into electrical modulation signals by the respective light receiving element groups by irradiating the measuring object G2 with laser light while scanning. Based on the detected AC signal of the modulation signal, a high-resolution polarization state can be obtained simultaneously with the high-resolution optical distance information.

なお、ロンボイドプリズム62の各面62B〜62Dに対向する光学素子のいずれも、4つの偏光状態を同時に取得するビームスプリッタ10〜12、偏光子1〜4、受光素子群5〜8により構成してもよい。また、ロンボイドプリズム62の右側斜面である半透鏡62Dに偏光ビームスプリッタを貼り付ける等することで、下側に位置するビームスプリッタ10〜12等や右側に位置するビームスプリッタ12等の光学素子の替わりに、受光素子のみを直接配置することができる。   Each of the optical elements facing the surfaces 62B to 62D of the rhomboid prism 62 is composed of beam splitters 10 to 12, polarizers 1 to 4, and light receiving element groups 5 to 8 that simultaneously acquire four polarization states. May be. Further, by attaching a polarizing beam splitter to the semi-transparent mirror 62D that is the right slope of the rhomboid prism 62, the optical elements such as the beam splitters 10 to 12 positioned on the lower side and the beam splitter 12 positioned on the right side can be obtained. Instead, only the light receiving element can be directly arranged.

さらに、本実施例のロンボイドプリズム62等の光学系に相当するロンボイドプリズム等の光学系を別途追加して用意し、対物レンズ31の光軸Lを境界とした逆側に、上記した光学系と傾きが対称となるようにこのロンボイドプリズム62に対して45°傾けて、これらロンボイドプリズム等の光学系を配置することが考えられる。尚、以上のようなものは図6に示す実施例4の変形とも言える。   Furthermore, an optical system such as a rhomboid prism corresponding to the optical system such as the rhomboid prism 62 of the present embodiment is additionally prepared, and the above-described optical system is arranged on the opposite side with the optical axis L of the objective lens 31 as a boundary. It is conceivable that an optical system such as the rhomboid prism is arranged at an angle of 45 ° with respect to the rhomboid prism 62 so that the tilt is symmetrical to the system. The above can be said to be a modification of the fourth embodiment shown in FIG.

尚、無偏光のビームスプリッタの替わりに偏光ビームスプリッタを2組採用し、この偏光ビームスプリッタを回転させつつ配置しても良い。例えばP偏光とS偏光を検出する偏光ビームスプリッタとこの偏光ビームスプリッタに対して45度傾けた偏光ビームスプリッタで本実施例を代用してもよい。   Note that two sets of polarizing beam splitters may be employed instead of the non-polarizing beam splitter, and these polarizing beam splitters may be arranged while rotating. For example, this embodiment may be substituted by a polarizing beam splitter that detects P-polarized light and S-polarized light and a polarizing beam splitter that is inclined 45 degrees with respect to the polarizing beam splitter.

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例6を以下に図8を参照しつつ説明する。
本実施例は、高分解能を有するさらに別の光学系に本発明を適用する例であり、図8は、この実施例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8において、コリメーターレンズ22、瞳伝達レンズ系25、30、2次元走査デバイス26等の光学系は図示を省略している。
A sixth embodiment of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG.
The present embodiment is an example in which the present invention is applied to still another optical system having high resolution, and FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of this embodiment.
In the present embodiment, in order to process the scanning beam transmitted through the measuring object G2 while improving the lateral resolution, for example, the inclined optical system shown in this figure is arranged in the lower part of the transmission optical system of the second embodiment. To do. In FIG. 8, optical systems such as the collimator lens 22, the pupil transmission lens systems 25 and 30, and the two-dimensional scanning device 26 are not shown.

そして、本実施例では、対物レンズ31の光軸とされる0次回折光の光軸Lに対して傾斜して、測定対象物G2より回折された光を平行光とするレンズ61が設置されている。これにより、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61に取り入れることができる。   In the present embodiment, a lens 61 that is inclined with respect to the optical axis L of the 0th-order diffracted light that is the optical axis of the objective lens 31 and that collimates the light diffracted from the measurement object G2 is installed. Yes. As a result, a part of the 0th-order diffracted light and a part of the 1st-order diffracted light transmitted through the measuring object G2 are intermediate inclination angles between the optical axis L of the 0th-order diffracted light and the optical axis L1 of the 1st-order diffracted light. Can be incorporated into the lens 61 tilted by the optical axis L3.

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、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。   Thus, not only a part of the 0th-order diffracted light but also a part of the 1st-order diffracted light having a higher spatial frequency compared to the case where the same lens is used, Interference is realized. Although not shown, in the present embodiment, a similar optical system is disposed at a target position with respect to the optical axis L.

また、図8に示すように、このレンズ61を通過して光束を受ける光学素子が対向して配置されている。つまり、ビームスプリッタ10〜12、偏光子1〜4、受光素子群5〜8のセットがレンズ61と対向して配置されている。このように、レンズ61を傾けることで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61により平行光束にした回折光同士が光学素子のセットに導かれるようになっている。   Further, as shown in FIG. 8, optical elements that pass through the lens 61 and receive the light beam are arranged to face each other. That is, a set of beam splitters 10 to 12, polarizers 1 to 4, and light receiving element groups 5 to 8 is arranged to face the lens 61. In this way, by tilting the lens 61, a part of the 0th-order diffracted light and a part of the 1st-order diffracted light are acquired, and the diffracted lights converted into parallel light beams by the lens 61 are guided to the set of optical elements. Yes.

ただし、本実施例では、前記した偏光子1〜4と受光素子群5〜8間にレンズ63をそれぞれ挿入する形で配置し、受光素子群5〜8の受光面がほぼレンズ63の焦点位置となるようにする。しかし、受光素子群5〜8の受光面が測定対象物G2の結像面である必要性は必ずしもなく、デフォーカス気味でも0次回折光と1次回折光は十分に干渉するので、この場合でも問題ない。この結果として本実施例においても、前記各実施例と同様に異なる4つの偏光軸における強度情報を各受光素子群5〜8により検出することができる。   However, in this embodiment, the lens 63 is disposed between the polarizers 1 to 4 and the light receiving element groups 5 to 8, and the light receiving surfaces of the light receiving element groups 5 to 8 are substantially in the focal position of the lens 63. To be. However, it is not always necessary that the light receiving surfaces of the light receiving element groups 5 to 8 are the image forming surface of the measurement object G2, and even in the case of defocusing, the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light sufficiently interfere with each other. Absent. As a result, also in the present embodiment, intensity information on four different polarization axes can be detected by the respective light receiving element groups 5 to 8 as in the above embodiments.

以上より、本実施例も実施例1から実施例5と同様に、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細胞等の厚みを持った生体試料の3次元的な情報を生きた状態でリアルタイムに得ることのできる光学的距離計測装置が提供されるようになる。   From the above, this embodiment also has a high in-plane resolution and high resolution with respect to the height and refractive index distribution outside the surface, as in the first to fifth embodiments, and is difficult to obtain with a normal imaging optical system. An optical distance measuring device capable of obtaining in real time three-dimensional information of a biological sample having a thickness such as a possible cell is provided.

以上の様にすれば、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特性の改善が図れる。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。尚、本実施例の場合、レンズ63を用いているので、このレンズ63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は許容される。このため、高額なレンズを用いる必要性はない。   In this way, information can be obtained very easily up to a region with a high spatial frequency, and the MTF characteristics can be improved. This makes it possible to measure a highly reliable optical distance even for the measurement object G2 that requires a high lateral resolution. In this embodiment, since the lens 63 is used, a wavefront aberration that allows the phase difference between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light incident on the lens 63 to be reflected is allowed. For this reason, there is no need to use an expensive lens.

また、図4、図6、図7に示す各光学系は紙面内に描かれているが、紙面に対して垂直な方向に同様な光学系を追加して配置することとしても良い。このようにすることで、検出する偏光軸を相互に異なる4つの向きに配置できることとなり、方向性のない検出が行えるようになる。また、各偏光軸の向きについては、配置および計算を簡単にするために45°ずつ軸を相互に異ならせるようにすると良い。   Each of the optical systems shown in FIGS. 4, 6, and 7 is drawn on the paper surface, but a similar optical system may be additionally arranged in a direction perpendicular to the paper surface. By doing so, the polarization axes to be detected can be arranged in four different directions, and detection without directionality can be performed. In addition, with respect to the orientation of each polarization axis, it is preferable that the axes are different from each other by 45 ° in order to simplify the arrangement and calculation.

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例7を以下に図9を参照しつつ説明する。
図9はこの実施例の構成を示す概略図であるが、本実施例は実施例6の変形例である。 このため、実施例6で説明した内容を以下省略する。
Embodiment 7 of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of this embodiment. This embodiment is a modification of the sixth embodiment. For this reason, the content described in the sixth embodiment is omitted below.

図9に示すように、本実施例もレンズ61を通過して光束を受ける光学素子がレンズ61に対向して配置されているが、本実施例ではビームスプリッタ12、偏光子3、4、受光素子群7、8のセットがこのレンズ61と対向して配置されている。このことで、レンズ61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61により平行光束にした回折光同士が光学素子のセットに実施例6と同様に導かれるようになっている。   As shown in FIG. 9, in this embodiment, the optical element that passes through the lens 61 and receives the light beam is arranged to face the lens 61. However, in this embodiment, the beam splitter 12, the polarizers 3 and 4, the light reception A set of element groups 7 and 8 is arranged to face the lens 61. As a result, the lens 61 is tilted to acquire a part of the 0th-order diffracted light and a part of the 1st-order diffracted light, and the diffracted lights converted into parallel beams by the lens 61 are guided to the set of optical elements in the same manner as in the sixth embodiment. It has come to be.

この一方、本実施例では対物レンズ31の光軸Lに対して光軸L1と対称な位置に、−1次回折光の光軸L2がある。そして、0次回折光の光軸Lと−1次回折光の光軸L2との間の中間的な傾き角を有した光軸L4だけ傾けた状態で配置したレンズ61に、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取り入れる。そして、図9に示すように、このレンズ61を通過して光束を受ける光学素子のセットが前記と同様に対向して配置されている。但し、光軸L4上では、ビームスプリッタ11、偏光子1、2、受光素子群5、6のセットがレンズ61と対向して配置されている。このことで傾けられたレンズ61が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61により平行光束にした回折光同士が各光学素子のセットに導かれるようになっている。   On the other hand, in the present embodiment, the optical axis L2 of the −1st order diffracted light is at a position symmetrical to the optical axis L1 with respect to the optical axis L of the objective lens 31. Then, the measurement object G2 is transmitted through the lens 61 that is disposed in a state where the optical axis L4 having an intermediate inclination angle between the optical axis L of the 0th-order diffracted light and the optical axis L2 of the −1st-order diffracted light is inclined. A part of the 0th order diffracted light and a part of the −1st order diffracted light are taken in. Then, as shown in FIG. 9, sets of optical elements that pass through the lens 61 and receive the light beam are arranged opposite to each other as described above. However, on the optical axis L4, the set of the beam splitter 11, the polarizers 1 and 2, and the light receiving element groups 5 and 6 is disposed to face the lens 61. The tilted lens 61 acquires a part of the 0th-order diffracted light and a part of the −1st-order diffracted light, and the diffracted lights converted into parallel light beams by the lens 61 are guided to the set of optical elements. ing.

また、本実施例では、前記した偏光子3、4と受光素子群7、8間にレンズ63をそれぞれ挿入する形で配置し、受光素子群7、8の受光面がほぼレンズ63の焦点位置となるようにする。ただし、受光素子群7、8の受光面が測定対象物G2の結像面である必要性は必ずしもなく、デフォーカス気味でも0次回折光と1次回折光は十分に干渉するので、この場合でも問題ない。同様に偏光子1、2と受光素子群5、6間にもレンズ63をそれぞれ挿入する形で配置し、受光素子群5、6の受光面がほぼレンズ63の焦点位置となるようにする。ただし、受光素子群5、6の受光面が測定対象物G2の結像面である必要性は必ずしもなく、デフォーカス気味でも0次回折光と1次回折光は十分に干渉するので、この場合でも問題ない。   In this embodiment, the lens 63 is disposed between the polarizers 3 and 4 and the light receiving element groups 7 and 8, respectively, and the light receiving surfaces of the light receiving element groups 7 and 8 are approximately the focal position of the lens 63. To be. However, it is not always necessary that the light receiving surfaces of the light receiving element groups 7 and 8 are the imaging surface of the measurement object G2, and even in the case of defocusing, the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light sufficiently interfere with each other. Absent. Similarly, the lens 63 is also inserted between the polarizers 1 and 2 and the light receiving element groups 5 and 6 so that the light receiving surfaces of the light receiving element groups 5 and 6 are substantially at the focal position of the lens 63. However, it is not always necessary that the light receiving surfaces of the light receiving element groups 5 and 6 are the image forming surface of the measurement object G2, and even in the case of defocusing, the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light sufficiently interfere with each other. Absent.

以上の結果として本実施例においても、前記各実施例と同様に相互に異なる4つの偏光軸における強度情報を各受光素子群7、8及び受光素子群5、6が検出することができる。このため、本実施例も実施例1から実施例6と同様に、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細胞等の厚みを持った生体試料の3次元的な情報を生きた状態でリアルタイムに得ることのできる光学的距離計測装置が提供されるようになる。   As a result of the above, also in this embodiment, the light receiving element groups 7 and 8 and the light receiving element groups 5 and 6 can detect intensity information on four different polarization axes as in the above embodiments. For this reason, this embodiment also has a high in-plane resolution and a high resolution with respect to height and refractive index distribution outside the surface, as in the first to sixth embodiments, and is difficult to obtain with a normal imaging optical system. An optical distance measuring device capable of obtaining in real time three-dimensional information of a biological sample having a thickness such as a possible cell is provided.

但し、本実施例では、光軸L3上に存在する光学系のセットの偏光子3、4の偏光方向に対して光軸L4上に存在する光学系のセットの偏光子1、2の偏光方向を45度傾けている。 他方、ビームスプリッタ及び偏光子の替わりに偏光ビームスプリッタを採用することができ、この場合には、一方の偏光ビームスプリッタに対して他方の偏光ビームスプリッタを45度傾けて配置すればよい。   However, in this embodiment, the polarization directions of the polarizers 1 and 2 of the optical system set existing on the optical axis L4 with respect to the polarization directions of the polarizers 3 and 4 of the optical system set existing on the optical axis L3. Is tilted 45 degrees. On the other hand, a polarizing beam splitter can be used instead of the beam splitter and the polarizer. In this case, the other polarizing beam splitter may be disposed at an angle of 45 degrees with respect to one polarizing beam splitter.

尚、偏光に関する情報は、最低異なる3つの偏光軸を有した偏光板等の偏光子を介した光の強度を受光素子で検出すればよいので、光学素子のセットの構成は上記したものに限らない。また、図面紙面内の光学系を偏光検出ができるような上記光学系とし、図面紙面に対して垂直方向には、光学的距離の算出や観測をするだけの偏光検出をしない光学系にすることもできる。   In addition, since the information regarding polarization should just detect the intensity | strength of the light via light polarizers, such as a polarizing plate which has three different polarization axes at least, the structure of the set of an optical element is restricted to what was mentioned above. Absent. In addition, the optical system in the drawing paper should be the above optical system that can detect the polarization, and in the direction perpendicular to the drawing paper, the optical system should not detect the polarization just to calculate and observe the optical distance. You can also.

さらに、上記実施例では、各受光素子群を構成する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。   Further, in the above-described embodiment, each light receiving element constituting each light receiving element group is located on either side divided by the boundary line, but the light receiving element may be arranged across the boundary line. Even in this case, it is only necessary that the light receiving element is positioned so as to be shifted to one side of the boundary line.

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。   As mentioned above, although each Example concerning this invention was described, this invention is not limited to each above-mentioned Example, A various deformation | transformation can be implemented in the range which does not deviate from the meaning of this invention.

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。   The optical distance measuring device according to the present invention can be applied not only to the distance to the sample that is the measurement object and the shape of the sample, but also to various types of measuring instruments such as a microscope. The optical distance measuring device of the present invention can be applied not only to a microscope but also to various types of optical devices and measuring devices using electromagnetic waves having waves, and these optical devices and measuring devices using electromagnetic waves having waves. Resolution can be improved.

1〜4 偏光子(偏光光学部材)
5〜8 受光素子群(偏光光学部材)
5A〜8A 受光素子(偏光光学部材)
5B〜8B 受光素子(偏光光学部材)
10〜12 ビームスプリッタ(偏光光学部材)
14 1/4波長板
21 レーザー光源(光源)
22 コリメーターレンズ
25 瞳伝達レンズ系
26 2次元走査デバイス(2次元走査素子)
27 ビームスプリッタ
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)
D 楕円
G1、G2 測定対象物
L 光軸
LA 走査ビーム
S 境界線
T 長軸
θ 傾き角
1-4 Polarizer (polarizing optical member)
5-8 Light receiving element group (polarizing optical member)
5A-8A Light receiving element (polarizing optical member)
5B-8B Light receiving element (polarizing optical member)
10-12 Beam splitter (polarizing optical member)
14 1/4 wavelength plate 21 Laser light source (light source)
22 Collimator lens 25 Pupil transmission lens system 26 Two-dimensional scanning device (two-dimensional scanning element)
27 Beam splitter 30 Pupil transmission lens system 31 Objective lens 33 Signal comparator (measurement unit)
34 Data processing unit (measurement unit)
D Ellipse G1, G2 Measurement object L Optical axis LA Scanning beam S Boundary line T Long axis θ Tilt angle

Claims (9)

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相互に異なる2方向にそれぞれ走査させる2次元走査素子と、
測定対象物を経由した照射光を相互に異なる4つの偏光軸に沿ってそれぞれ偏光しつつ分離する偏光光学部材と、
4つに分離された照射光をそれぞれ受光して光電変換する4つの受光素子と、
各受光素子からの信号相互間の状態から測定対象物の情報を得ると共に、この情報に基づき測定対象物についての計測値を得る計測部と、
を含む光学的距離計測装置。
A light source that emits coherent illumination light;
A two-dimensional scanning element that scans irradiation light from a light source in two different directions, respectively;
A polarizing optical member that separates the irradiation light that has passed through the measurement object while being polarized along four different polarization axes;
Four light receiving elements that respectively receive and photoelectrically convert the irradiation light separated into four;
While obtaining information of the measurement object from the state between the signals from each light receiving element, a measurement unit for obtaining a measurement value for the measurement object based on this information,
An optical distance measuring device.
前記偏光光学部材が、測定対象物からの照射光を受けて無偏光で2つに分離する分離素子及び、第1偏光素子と第2偏光素子による2組の偏光素子とされ、
該分離素子により分離された一方の照射光を第1偏光素子が、相互に直交する偏光として分離しつつ透過させ、
該分離素子により分離された他方の照射光を第2偏光素子が、第1偏光素子により分離された偏光に対して45°の角度を相違させて、相互に直交する偏光として分離しつつ通過させる請求項1に記載の光学的距離計測装置。
The polarizing optical member is a separating element that receives irradiation light from a measurement object and separates it into two pieces without polarization, and two sets of polarizing elements by a first polarizing element and a second polarizing element,
The first polarizing element transmits the one irradiation light separated by the separation element while separating it as polarized light orthogonal to each other,
The second polarization element passes the other irradiation light separated by the separation element while separating the polarized light orthogonal to each other at a 45 ° angle with respect to the polarization separated by the first polarization element. The optical distance measuring device according to claim 1.
2組の偏光素子が、照射光を無偏光で2つに分離する分離用ビームスプリッタ及び、該分離用ビームスプリッタにより分離された各照射光を相互に異ならせた偏光状態でそれぞれ透過させる2つの偏光子とそれぞれされる請求項2に記載の光学的距離計測装置。   Two sets of polarizing elements separate the splitting beam splitter into two pieces of non-polarized light, and the two splitting light beams transmitted by the splitting beam splitter in different polarization states. The optical distance measuring device according to claim 2, wherein the optical distance measuring device is a polarizer. 前記計測部が、4つの受光素子によりそれぞれ取得された信号を処理して楕円偏光の長径、短径及び傾き角の値を得て、これらの値から測定対象物についての計測値を得る請求項1から請求項3の何れかに記載の光学的距離計測装置。   The measurement unit processes signals acquired by four light receiving elements to obtain major axis, minor axis, and inclination angle values of elliptically polarized light, and obtains a measurement value for a measurement object from these values. The optical distance measuring device according to any one of claims 1 to 3. 前記光源からの照射光の電界振動方向に沿ってπ/2の位相差を与える1/4波長板を測定対象物の前に配置して、測定対象物に円偏光した照射光を照射する請求項1に記載の光学的距離計測装置。   A quarter-wave plate that gives a phase difference of π / 2 along the direction of electric field vibration of irradiation light from the light source is disposed in front of the measurement object, and the measurement object is irradiated with circularly polarized irradiation light. Item 4. The optical distance measuring device according to Item 1. 前記受光素子が、照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線として何れかの片側にずれて位置しつつ、測定対象物を経由した照射光を受光する請求項1から請求項5の何れかに記載の光学的距離計測装置。   6. The light receiving element receives irradiation light passing through a measurement object while being shifted to one of the sides with a direction perpendicular to the optical axis direction of irradiation light as a boundary line. The optical distance measuring device according to any one of the above. 前記受光素子が境界線を挟んで2つ存在し、
照射光をこれら2つの受光素子がそれぞれ受光する請求項1から請求項6の何れかに記載の光学的距離計測装置。
There are two light receiving elements across the boundary,
The optical distance measuring device according to claim 1, wherein the two light receiving elements respectively receive irradiation light.
前記光源と測定対象物との間にビームスプリッタを配置し、
測定対象物で反射して測定対象物から戻ってきた照射光をこのビームスプリッタが反射することで、前記受光素子が測定対象物を経由した照射光を受光する請求項1から請求項7の何れかに記載の光学的距離計測装置。
A beam splitter is disposed between the light source and the measurement object,
The beam splitter reflects the irradiation light reflected from the measurement object and returned from the measurement object, so that the light receiving element receives the irradiation light passing through the measurement object. An optical distance measuring device according to claim 1.
前記受光素子が、測定対象物を透過することで測定対象物を経由した照射光を受光する請求項1から請求項7の何れかに記載の光学的距離計測装置。   The optical distance measuring device according to any one of claims 1 to 7, wherein the light receiving element receives irradiation light passing through the measurement object by transmitting the measurement object.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05264229A (en) * 1992-03-18 1993-10-12 Nkk Corp Ellipsoparameter measuring method and ellipsoparameter
JPH07159131A (en) * 1993-12-07 1995-06-23 Nkk Corp Measurement of ellipso-parameter and ellipsometer
JP2014071432A (en) * 2012-10-02 2014-04-21 Astro Design Inc Laser scanning microscope device
JP2015075340A (en) * 2013-10-07 2015-04-20 アストロデザイン株式会社 Optical distance measuring device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05264229A (en) * 1992-03-18 1993-10-12 Nkk Corp Ellipsoparameter measuring method and ellipsoparameter
JPH07159131A (en) * 1993-12-07 1995-06-23 Nkk Corp Measurement of ellipso-parameter and ellipsometer
JP2014071432A (en) * 2012-10-02 2014-04-21 Astro Design Inc Laser scanning microscope device
JP2015075340A (en) * 2013-10-07 2015-04-20 アストロデザイン株式会社 Optical distance measuring device

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