JP2004528586A - 対象物の干渉顕微鏡による高速度画像形成の方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、二波長干渉計の各々のアームに光束が送られる干渉顕微鏡による、対象物の画像取得の方法および装置に関する。アームの一つ（７）には、解析対象物（９）を配する。周波数ｆの正弦波形において位相が変調される。干渉計の集合部（１６）の機械的発振に起因して、信号の変調が行われる。干渉信号（Ｓ）が、この位相変位の間について、マルチチャンネル検出器（１５）により積分される。
コンピュータ（１９）が、各分数１／ｎ周期間に得られた干渉信号の積分Ｓを記録し、さらに対象物の画像の算出を可能にする。
薄層および表面の特性取得について、考えられる適用例は、マイクロエレクトロニック構成部の制御、立体蓄積データの解読、例として生物学における生体条件下においての時間的に一定しない対象物に対して。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の干渉顕微鏡による高速度画像形成の方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振幅分離干渉システムは、実用面で多大な重要性をもつことが知られている。前記システムは、二波長間からもたらされる位相差を計測する。例として、工業分野においては、微細な距離を精密に測定するために、マイケルソン干渉計が用いられる。０．１μｍのオーダーの距離は、この方法により標準的に測定される。位相変調はすでに周知の技術である（Ｃｒｅａｔｈ［ｉｎ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｅ． Ｗｏｌｆ． ｅｄ． Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｎｅｗ−Ｙｏｒｋ； ２６ （１９８８） ３４９］およびＳｃｈｗｉｄｅｒ［ｉｎ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｅ． Ｗｏｌｆ． ｅｄ． Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｎｅｗ−Ｙｏｒｋ； ２８ （１９９０） ２７１］）。位相変調干渉計には二つの種類がある。これらは、位相が連続的に変調される（位相の積分をともなう干渉分光法）か、不連続（位相の飛びをともなう干渉分光法）か、により区別される。
【０００３】
位相の積分をともなう干渉分光法では、位相は連続した様々な値をとり、干渉信号はこの変位の間に積分される。通常この連続した位相変位は、線形変位と呼ばれる。この方式は、位相の飛びをともなう方式に比べて、速度的に有利である。ただしここには、積分時間に生じうるずれおよび、機械的な慣性による制限が残される。
【０００４】
また他方の、マイケルソン型干渉計に基いた装置は、位相の線形変調を示さずに、正弦波変調を示す。これは圧電セラミックの使用により、参照鏡が発振することに起因して取得される（Ｓａｓａｋｉ 他， ［Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ．； ２５ （１９８６） ３１３７］および［Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ．； ２６ （１９８７） １０８９］）。解析対象物は干渉計の他方のアームに配置される。かくしてこの技術により、対象物の位相画像の取得が可能になる。ただしこの技術はミロー（Ｍｉｒａｕ）顕微鏡および、参照鏡が利用不可能なマイケルソンけ顕微鏡については適用可能ではない。またリニック（Ｌｉｎｎｉｋ）顕微鏡についても適用できない。
【０００５】
光弾性複屈折モジュレータの実施についても、提案がなされている。光弾性複屈折モジュレータは、位相の正弦波変調および変調周波数を、カメラの周波数と互換性をもつように変換するストロボスコープ光源の正弦波変調のための装置である（Ｂｅａｕｒｅｏａｉｒｅ他， ［Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔ．， ２３ （１９９８） ２４４］， Ｄｕｂｏｉｓ 他， ［Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔ．， ２４ （１９９９） ３０９］）。ただしこれは偏光された光源を必要とするもので、かつ発光源は高い価（数キロヘルツ）に変調されていなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、二波長干渉計および位相の正弦波変調とを組合せた、設計および操作方法が単純な、干渉顕微鏡による画像形成の方法と装置とを提示することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、対象物の干渉顕微鏡の画像形成の方法に関わる本発明においては、
‐発光源から発せられた光束が、二波長干渉計の各々のアームに送られ、アームの一つに解析対象物を備え、
‐周波数ｆの正弦波変調からなる干渉信号内に、連続的な位相変位がもたらされ（Ｓ）、
‐干渉信号（Ｓ）がマルチチャンネル検出器により、この位相変位の間に積分される。
【０００８】
本発明によれば、
‐干渉信号（Ｓ）の変調が、干渉計の集合部の機械的発振によるものであり、振幅ψおよび同期位相θを有し、
‐マルチチャンネル検出器が周波数ｆ’（ただしｆ’＝ｎｆとし、かつｎは２以上の整数とする）で作動し、
‐干渉信号の積分が、変調周期の分数１／ｎ周期について実行され、
‐積分された干渉信号が画像を算出すべくデジタル処理される。
【０００９】
本発明はまた、対象物の干渉顕微鏡の画像形成の装置に関わるものであり、以下を備える。
‐光束を発生する発光源
‐周波数ｆの正弦波位相変調を生じる二波長干渉計
‐二波長干渉計のアームの一つ上に配置される、解析対象物
‐ビームスプリッタを経過した光束の焦点を対象物に絞る光学系
‐干渉信号（Ｓ）を積分するマルチチャンネル検出器
【００１０】
本発明によれば、
‐機械式オッシレータが干渉計集合部を振動し、干渉信号（Ｓ）を変調し、
‐マルチチャンネル検出器が周波数ｆ’（ただしｆ’＝ｎｆとし、かつｎは２以上の整数とする）で作動し、さらに干渉信号（Ｓ）の積分が、変調周期の分数１／ｎ周期について実行され、
‐コンピュータが、各分数１／ｎ周期間に得られた干渉信号（Ｓ）の積分を行い、さらに対象物の画像の算出を可能にする。
【００１１】
各々の特有の利点を有し、技術的に可能な多数の組合わせと互換性を有する別々の特有の実施形態においては、
・機械式オッシレータが圧電セラミック系である。
・発光源が準単色光源である。
・発光源が短コヒーレンス長を示す。
・リニック（Ｌｉｎｎｉｋ）型の干渉計において、発振系集合部は、参照レンズおよび、レンズが焦点を絞る参照鏡および、ビームスプリッタおよび、レンズ対象物およびその他の位相散逸板を備えた、リニック（Ｌｉｎｎｉｋ）干渉計それ自体である。
・リンニック（Ｌｉｎｎｉｋ）型の干渉計において、発振系集合部は、単独の参照鏡のみに限定されてもよい。
・ミロー（Ｍｉｒａｕ）型の干渉計において、発振系集合部は、ミロー（Ｍｉｒａｕ）レンズそれ自体である。
・マイケルソン型の干渉計において、発振系集合部は、レンズおよび、参照鏡およびビームスプリッタを備え、この組立部はマイケルソン・レンズと呼ばれる。
以下、添付図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。
【００１２】
【実施例】
本発明による、対象物の干渉顕微鏡による画像形成の方法および装置は、あらゆる二波長干渉顕微鏡に対して広汎に適用されるうるものである。図１および２はそれぞれ本発明に基づいた、リンニック（Ｌｉｎｎｉｋ）干渉計を用いた干渉顕微鏡による画像形成装置の一例の様式である。発光源１は光束２に担持された光信号を発する。従来技術による装置と異なり、ストロボ発光源を必要とせず、また光源光を偏光させる必要もない。光束２は キューブ型セパレイタ４を備えたビームスプリッタ３に、もしくは光束２の入射面に対し４５°に設置された補償板に連結された半透明分離板に送られる。これにより前記光束２は、同一の振幅をもつ光束部分５および６に分離される。光束部分５および６は、干渉計のそれぞれのアームに送られる。干渉計の第一のアーム７上には、レンズ８および解析対象物９が配置されている。光束５の焦点はレンズ８により対象物９上に合せられている。干渉計の第二のアーム１０上には、レンズ１１および、レンズ１１により焦点を合せられている参照鏡１２が配置されている。レンズ１１および参照鏡１２は、圧電セラミック１３上に取り付けられており、そのエレクトリック励振源１４は、マルチチャンネル検出装置１５に対して同期されている。圧電セラミック１３は機械式オッシレータとして働く。それは図１においては、レンズ１１および参照鏡１２を備えた発振系集合部１６を変位させる。ただし、発振系集合部１６（図２）とは、単独の参照鏡１２のみに限定されてもよく（組立部１６１）、もしくはレンズ１１および参照鏡１２およびセパレーティング・キューブ３を備える部分（組立部１６２）とすることもできる。同様に、解析対象物９の単体のみに限定されてもよく（組立部１６３）、あるいはレンズ１１および参照鏡１２およびキューブ型セパレイタ４およびレンズ８を備えた部分（組立部１６４）とすることもできる。
【００１３】
マイケルソン干渉計を用いた場合（図３）では、発振系集合部１６は、レンズ１１および参照鏡１２およびビームスプリッタ３を備える。この組立部はマイケルソン・レンズと呼ばれる。この発振系集合部は、解析対象物９のみについて限定されてもよい（組立部１６１）。
【００１４】
ミロー（Ｍｉｒａｕ）干渉計を用いた場合（図４）では、レンズ１１および参照鏡１２およびビームスプリッタ３を備えた集合部はミロー（Ｍｉｒａｕ）レンズと呼ばれ、発振系集合部１６は、ミロー（Ｍｉｒａｕ）レンズを備える。この発振系集合部は、解析対象物９のみについて限定されてもよい（組立部１６１）。
【００１５】
集合部１６が正弦波生成において発振することに起因し、位相変調が捕捉される。ここで、発振振幅は可調である。次に、変調された干渉信号（周期性を有するが正弦波ではない）は、マルチチャンネル検出系１５の変調周期Ｔの分数１／ｎ周期間について連続的に積分される。ただしｎは２以上の整数である。マルチチャンネル検出器１５は周波数ｆ（ただしｆ＝ｎｆとする）において作動する。マルチチャンネル検出系１５は、カメラＣＣＤ１８上に焦点を絞る光学系１７を備える。次に、フィールド内の多数の測点について、カメラＣＣＤ１８のピクセルが、干渉に後続の信号を検出する。カメラＣＣＤ１８は、機械発振を制御する正弦波信号に同期される。対象物の画像ノイズを低減するためには、この同期の位相は可調とする。その価はおよそ１ラジアン（ｒａｄ）である。コンピュータ１９は、各分数１／ｎ周期間に取得されたデータを、例えばバッファメモリ内に記録し、次いで対象物の画像を算出する。画像の作成周期は、カメラ１８の動作速度に依存する。しかしながらコンピュータ１９は次の一連の画像を捕捉するまでの期間に、メモリに貯蔵された一連の画像以外にも、画像を算出する時間的余裕を必然的に有する。
【００１６】
断層画像を取得し、かつ偽干渉の出現を回避するには、短コヒーレンス長を示す発光源であることを要する。この発光源により、放射窓の周縁を局限することが可能となる。この窓の幅は、コヒーレンス長に準じるものとする。
【００１７】
準単色光源により、コヒーレンス長と同程度の範囲で、高い三次元高の可視化が可能となる。この準単色光源には、前面に干渉フィルターを取付けた白色（ハロゲン）光源を用いることができる。
【００１８】
二波長干渉計により、フィールドの各点にもたらされる干渉信号は、次の式で表される：

ここでＩは強度であり、φは光学的位相であり、Ａは干渉周縁の振幅である。前述のように、レンズ１１および参照鏡１２（マイケルソン顕微鏡およびミロー（Ｍｉｒａｕ）顕微鏡については、さらにビームスプリッタ３を包含する）を振動させることにより、振幅がψで同期位相がθかつ周期Ｔ＝２π／ωである正弦波変調がもたらされる。ここにおいて信号の強度は時間的にも調整され、周期性を有するが、正弦波形を示すものではない：

【００１９】
図１に示した装置において、カメラ１８は２００Ｈｚで作動し、機械発振１６は５０Ｈｚである。これにより、四つのシリーズの画像を連続的に取得することができる。
次に信号ｌ（ｔ）は、変調周期Ｔの四分の一周期間に連続的に積分される。これらの四つの画像は、

と数学的に表される。
【００２０】
第１種ベッセル関数Ｊｎの直列的展開ｌ（ｔ）に従うと、画像の積分は以下のように表される。

ここで

である。
【００２１】
ここに、次の方程式より位相φが導かれる。

また振幅Ａは次の式により与えられる。

【００２２】
従って上記は、四つの画像の捕捉によって、対象物からの光波の振幅と位相とを、完全に確定することが可能となることを示したものである。ただし、上記の相関は、パラメータΓ_ＣおよびΓ_Ｓに導かれた、振幅ψおよび正弦波変調の同期位相θに完全に従うものである。上記の式を簡略化するため、これらのパラメータは、有利に調整しうる。例えば変調振幅ψ＝２．４５ラジアン（ｒａｄ）かつ同期位相θ＝０．９８ラジアン（ｒａｄ）の場合に簡略化が可能であり、次の式が得られる。

および

である。
図２に位相画像の取得例を示す。各中間画像Ｅ_ｐ （ｐ＝１．２．３．４） は変調周期Ｔ（５ａ）の四分の一周期間について連続的に捕捉されている。上述に証明が行われた公式に基づく、位相の算出が、即時的に実行される（５ｂ）。解析対象物（９）の２π（またはπ）を法として、位相画像がコンピュータ（１９）により生成される（５ｃ）。次に、精密な画像を取得するために、位相が展開される。位相の展開は、２π（またはπ）の位相シフトを加算（もしくは減算）することによる。
【００２３】
【発明の効果】
本対象物の干渉顕微鏡による画像形成の方法および装置は、マイクロエレクトロニクス構成部を制御することにより、薄層および表面の特性取得において有利に適用されうる。本画像形成方法はまた、高速での制御および検査のフレームワーク内においても適用されうる。例として生物学分野においては、時間的に一定しない対象物（例として生体条件下での蠕動現象）、あるいは環境的に一定しない対象物（例として振動あるいは偏流の存在する環境下における）についても適用されうるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による、干渉計による画像形成装置の概略図である。
【図２】
本発明による、リンニック（Ｌｉｎｎｉｋ）型の干渉計のフレームワーク内での、発振系集合部の概略図である。
【図３】
本発明による、マイケルソン型の干渉計のフレームワーク内での、発振系集合部の概略図である。
【図４】
本発明による、ミロー（Ｍｉｒａｕ）型の干渉計のフレームワーク内での、発振系集合部の概略図である。
【図５】
本発明による、位相画像形成の連続した三段階５ａ）、５ｂ）、および５ｃ）を示した一例である。

Claims (10)

1. 光源（１）からの光束（２）を、二波長干渉計の各アームに送り、対象物（９）は前記アームの一つ（７）に配され、
   干渉信号（Ｓ）に、周波数ｆの正弦波変調から成る連続的な位相の変化をもたらし、
   この位相の変化中に、干渉信号（Ｓ）をマルチチャンネル検出器（１５）によって積分する
   ことを特徴とする対象物（９）の干渉顕微鏡による画像形成方法において、
   干渉計の集合部（１６）における機械的発振により干渉信号（Ｓ）を変調し、前記変調が振幅ψおよび同期位相θを有し、
   マルチチャンネル検出器（１５）を周波数ｆ’（ただしｆ’＝ｎｆとし、かつｎは２以上の整数である）で作動し、干渉信号（Ｓ）を変調周期の１／ｎ周期間について積分し、
   干渉信号（Ｓ）の積分が画像を算出すべくデジタル処理する
   ことを特徴とする画像形成方法。
2. 変調振幅ψおよび機械的発振の同期位相が可調であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 光束（２）を発生する発光源（１）、
   周波数ｆの正弦波位相変調を生じる二波長干渉計、
   二波長干渉計のアームの一つ（７）上に配置される解析対象物（９）、
   ビームスプリッタ（３）を経過した光束（５）の焦点を対象物（９）に絞る光学系（８）、および
   干渉信号（Ｓ）を積分するマルチチャンネル検出器（１５）を備えた
   対象物（９）の干渉顕微鏡による画像化装置において、
   機械式オッシレータが干渉計集合部を移動することによって干渉信号（Ｓ）を変調し、
   前記マルチチャンネル検出器（８）が、変調周期の１／ｎ周期間において、周波数ｆ’（ただしｆ’＝ｎｆとし、かつｎは２以上の整数である）において作動し、干渉信号（Ｓ）を積分し、
   コンピュータ（１９）は、各周期１／ｎの間に得られた積分干渉信号を記録し、そして対象物の画像を算出する
   ことを特徴とする対象物（９）の干渉顕微鏡による画像化装置。
4. 前記機械式オッシレータ（１３）が圧電セラミックであることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記発光源（１）が準単色光源であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
6. 発光源（１）が短コヒーレンス長を示す発光源であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
7. リンニック（Ｌｉｎｎｉｋ）型の干渉計において、発振系集合部（１６）が、参照レンズおよび、レンズが焦点を絞る参照鏡および、ビームスプリッタおよび、レンズ対象物およびその他のディフェージング・プレートを備えた、リンニック（Ｌｉｎｎｉｋ）干渉計それ自体であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
8. リンニック（Ｌｉｎｎｉｋ）型の干渉計において、発振系集合部（１６）が、単独の参照鏡のみに限定されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
9. ミロー（Ｍｉｒａｕ）型の干渉計において、発振系集合部（１６）が、ミロー（Ｍｉｒａｕ）レンズそれ自体であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
10. マイケルソン型の干渉計において、発振系集合部（１６）が、レンズおよび、参照鏡およびビームスプリッタを備え、この組立部はマイケルソン・レンズと呼ばれることを特徴とする、請求項３に記載の装置。