JP2005537518A - High-speed direct digital holography acquisition of objects off-axis illuminated by multiple illumination sources - Google Patents
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Abstract
融合された軸外被照直接デジタルホログラフィーを高速に取得するためのシステムおよび方法を説明する。複数の軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムを記録するための方法であって、軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムは、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含み、当該方法は、干渉計の第1の照明源(120)を用いて、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む第1の軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録することと、干渉計の第2の照明源(120)を用いて、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む第2の軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録することとを含む。A system and method for fast acquisition of fused off-axis illuminated direct digital holography is described. A method for recording a plurality of off-axis object illuminated spatial heterodyne holograms, wherein the off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram includes a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis, the method comprising: Using a first illumination source (120) to digitally record a first off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram including a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis, and a second illumination source of the interferometer (120) and digitally recording a second off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram including a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis.
Description
(発明の背景)
(発明の分野)
本出願は、一般的に、直接デジタルホログラフィー(インターフェロメトリー)の分野に関する。より特定的には、本発明は、直接デジタルホログラフィーのための軸外照明ホログラムの高速取得に関する。
(Background of the Invention)
(Field of Invention)
The present application relates generally to the field of direct digital holography (interferometry). More specifically, the present invention relates to high-speed acquisition of off-axis illumination holograms for direct digital holography.
(関連出願の説明)
先行技術である直接デジタルホログラフィー(DDH)は、直接デジタルインターフェロメトリーと呼ばれることもあるが、当業者に周知である。例えば、図1は、DDHシステムの一概略実施形態を示す。レーザ源105からの光は、ビーム拡大器/空間フィルタ110によって拡大されて、レンズ115を通って進む。その後、拡大かつフィルタリングされた光は、ビームスプリッタ120に向かって進む。ビームスプリッタ120は、部分的に反射してもよい。ビームスプリッタ120から反射された光の部分は、対象物130に向かって進む対象物ビーム125を構成する。対象物ビーム125の部分は、対象物130によって反射され、ビームスプリッタ120を通って、集束レンズ145に向かって進む。その後、この光は、集束レンズ145を通って、電荷結合素子(CCD)カメラ(図示せず)に向かって進む。
(Description of related applications)
Prior art direct digital holography (DDH), sometimes referred to as direct digital interferometry, is well known to those skilled in the art. For example, FIG. 1 shows one schematic embodiment of a DDH system. Light from
ビームスプリッタ120を通るレンズ115からの光の部分は、参照ビーム135を構成する。参照ビーム135は、小さな角度でミラー140から反射される。その後、ミラーから反射された参照ビーム135は、ビームスプリッタ120に向かって進む。その後、ビームスプリッタ120から反射される参照ビーム135の部分は、集束レンズ145を通って進み、CCDカメラ(図示せず)に向かって進む。集束レンズ145からの対象物ビーム125および集束レンズ145からの参照ビーム135は、複数の対物および参照波150を構成して、CCDにおいて干渉して、米国特許第6078392号に記載のホログラムの干渉パターン特性を生じさせる。
The portion of light from
図1において、対象物ビーム125は、光軸127と平行かつ一致する。この種のDDH設定は、軸上照明と称することができる。
In FIG. 1, the
この技術の制約は、DDHシステムの撮像解像度がシステムの光学部品によって制限されることにあった。光学部品の最も顕著な制約は、開口絞りであって、収差による画質の劣化を防ぐために必要なものである。2次元フーリエ平面に関して、半径q0の円内の対象物の空間周波数のみが送信可能である。軸上照明の場合、半径q0の開口は、ゼロ空間周波数(q=0)を中心としているように見える。したがって、半径q0の円外の空間周波数を送信することを可能にする取り組みが必要である。 The limitation of this technology was that the imaging resolution of the DDH system was limited by the optical components of the system. The most notable limitation of optical components is the aperture stop, which is necessary to prevent image quality deterioration due to aberrations. For the two-dimensional Fourier plane, only the spatial frequency of the object in the circle with the radius q0 can be transmitted. For axial illumination, the aperture with radius q0 appears to be centered on zero spatial frequency (q = 0). Therefore, an effort is needed to enable transmission of spatial frequencies outside the circle of radius q0.
(発明の概要)
本発明の以下の局面が必要とされている。当然ながら、本発明は、これらの局面に制限されない。
(Summary of Invention)
The following aspects of the present invention are needed. Of course, the present invention is not limited to these aspects.
本発明の一局面によれば、複数の軸外被照空間ヘテロダインホログラムを記録する処理であって、各軸外被照空間ヘテロダインホログラムは、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含み、当該処理は、干渉計の第1の照明源を用いて、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む第1の軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録することと、干渉計の第2の照明源を用いて、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む第2の軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録することとを含む。 According to one aspect of the present invention, a process for recording a plurality of off-axis illuminated spatial heterodyne holograms, each off-axis illuminated spatial heterodyne hologram includes a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis, the process comprising: Digitally recording a first off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram including a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis using a first illumination source of the interferometer; and a second illumination of the interferometer Digitally recording a second off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram including a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis using the source.
本発明の他の局面によれば、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む複数の軸外被照空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録するように動作可能な機械であって、当該機械は、複数の照明源と、複数の照明源に光学的に結合されたビームスプリッタと、ビームスプリッタに光学的に結合された参照ビームミラーと、参照ビームミラーに光学的に結合された集束レンズと、集束レンズに光学的に結合されたデジタルレコーダと、フーリエ変換を行い、デジタルフィルタを適用し、逆フーリエ変換を行うコンピュータとを備え、参照ビームが非標準角で参照ビームミラーに入射し、対象物ビームが集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物に入射し、参照ビームおよび対象物ビームは、集束レンズによってデジタルレコーダの焦点面に集束されて、デジタルレコーダによって記録されるフーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムを形成し、コンピュータは、空間ヘテロダインフリンジを含む記録された軸外被照空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換して、参照ビームおよび対象物ビーム間の角度によって規定されたヘテロダイン搬送周波数の上端に位置するようにし、逆フーリエ変換を行う前に元の原点の周囲の信号をカットオフする。 According to another aspect of the present invention, a machine operable to digitally record a plurality of off-axis illuminated spatial heterodyne holograms including spatial heterodyne fringes for Fourier analysis, the machine comprising a plurality of An illumination source, a beam splitter optically coupled to the plurality of illumination sources, a reference beam mirror optically coupled to the beam splitter, a focusing lens optically coupled to the reference beam mirror, and a focusing lens An optically coupled digital recorder and a computer that performs Fourier transform, applies digital filters, and performs inverse Fourier transform, the reference beam is incident on the reference beam mirror at a non-standard angle, and the object beam is focused The object is incident on the object at an angle with respect to the optical axis defined by the lens, and the reference beam and object beam are An off-axis illuminated spatial heterodyne hologram containing a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis that is focused on the focal plane of the tall recorder and recorded by a digital recorder, and the computer records a recorded off-axis containing the spatial heterodyne fringe The axis of the illuminated space heterodyne hologram is transformed into Fourier space so that it is located at the top of the heterodyne carrier frequency defined by the angle between the reference beam and the object beam, and before the inverse Fourier transform is performed, Cut off surrounding signals.
本発明のこれらおよび他の局面は、以下の説明および添付の図面に関連して考慮すればよりよく認識および理解されるであろう。しかしながら、以下の説明は、本発明の様々な実施形態および多くの具体的な詳細が示されているものの、限定的なものではない。多くの代替、修正、追加、および/または再構成が、本発明の範囲内においてその精神を逸脱することなく行われてもよい。本発明は、そのようなすべての代替、修正、追加、および/または再構成を含む。 These and other aspects of the invention will be better appreciated and understood when considered in conjunction with the following description and the accompanying drawings. The following description, however, is not intended to be limiting, although various embodiments of the invention and many specific details are set forth. Many alternatives, modifications, additions, and / or reconfigurations may be made within the scope of the present invention without departing from the spirit thereof. The present invention includes all such alternatives, modifications, additions and / or reconfigurations.
本明細書の部分を構成する添付の図面は、本発明のある局面を図示するために含まれている。本発明のより明確な概念、および本発明に備えられたシステムの構成要素および動作は、図面に示された例でありしたがって非限定的な実施形態を参照することによって、より容易に明らかになるであろう。本発明は、1つ以上のこれらの図面を明細書に提示された説明と組み合わせて参照することによって、よりよく理解されるであろう。なお、図面に示された特徴は、必ずしも一律の縮尺に従っていない。 The accompanying drawings, which form a part of this specification, are included to illustrate certain aspects of the present invention. The clearer concepts of the present invention, and the components and operations of the systems provided by the present invention, will be more readily apparent by reference to non-limiting embodiments, which are examples shown in the drawings. Will. The invention will be better understood by reference to one or more of these drawings in combination with the description presented in the specification. Note that the features shown in the drawings do not necessarily follow a uniform scale.
(好ましい実施形態の説明)
本発明およびその様々な特徴および利点は、添付の図面に図示され以下の説明で詳述される非限定的な実施形態を参照することによって、より完全に説明される。周知の初期材料、処理技術、構成要素、および装置は、本発明を不必要に詳細に不明確にしないようにするために、省略されている。しかしながら、詳細な説明および具体例は、本発明の好ましい実施形態を示してはいるものの、例示であり、制限的なものではないことが理解されるべきである。基礎をなす発明的な概念の精神および/または範囲内にある様々な代替、修正、追加、および/または再構成は、本開示によって、当業者にとって明らかになるであろう。
(Description of Preferred Embodiment)
The invention and its various features and advantages are more fully described by reference to the non-limiting embodiments that are illustrated in the accompanying drawings and detailed in the following description. Well-known initial materials, processing techniques, components, and apparatus have been omitted so as not to obscure the present invention in unnecessary detail. However, it should be understood that the detailed description and specific examples, while indicating the preferred embodiment of the invention, are exemplary and not restrictive. Various alternatives, modifications, additions and / or rearrangements within the spirit and / or scope of the underlying inventive concept will become apparent to those skilled in the art from this disclosure.
本願内には、いくつかの刊行物が括弧付きアラビア数字によって参照されている。これらおよび他の刊行物の完全な引用は、本明細書の末尾であってクレームの直前にある参照という見出しの段落の後に見受けられるものもある。これらのすべての刊行物全体の開示は、発明の背景を示しかつ技術の現状を例示する目的で、本明細書に明示的に引用されるものとする。 Within this application, several publications are referenced by Arabic numerals in parentheses. Full citations for these and other publications may be found after the paragraph titled Reference at the end of the specification and immediately preceding the claims. The entire disclosures of all these publications are hereby expressly cited for the purpose of providing a background to the invention and illustrating the state of the art.
一般的に、本発明の関連背景は、デジタルデータを取得、記憶、および/または再生することを含みうる。本発明の関連背景は、画像を表すデジタルデータを処理することを含みうる。また、本発明の関連背景は、データを複数の画像から合成画像へ変換することを含みうる。 In general, the relevant background of the present invention may include acquiring, storing, and / or reproducing digital data. The relevant background of the present invention may include processing digital data representing an image. Also, relevant background of the present invention may include converting data from multiple images to a composite image.
本発明は、改良された解像度のホログラフィック画像を、軸外照明を用いる直接デジタルホログラフィーシステムから取得する方法を含みうる。また、本発明は、改良された解像度のホログラフィック画像を、軸外照明を用いる直接デジタルホログラフィー(DDH)システムで取得するための装置を含みうる。 The present invention may include a method for obtaining an improved resolution holographic image from a direct digital holography system using off-axis illumination. The present invention may also include an apparatus for acquiring improved resolution holographic images in a direct digital holography (DDH) system using off-axis illumination.
一般的に、観察(画像化)される対象物は、照明源に1つ以上の光学構成要素を介して光学的に結合される。図1に関して説明したように、照明ビームは、典型的には、対象となる対物レンズ(すなわち、レンズシステム)の中心を通って、光軸に沿って、よって光軸に平行に通過する。この種類のDDHの構成は、「軸上照明」と称することができ、この構成により、対象物の空間周波数(q)を、対物レンズの開口によって決定されるある限度(q0)まで取得することができる。 In general, an object to be observed (imaged) is optically coupled to an illumination source via one or more optical components. As described with respect to FIG. 1, the illumination beam typically passes through the center of the objective lens of interest (ie, the lens system) along the optical axis and thus parallel to the optical axis. This type of DDH configuration can be referred to as “on-axis illumination”, and this configuration obtains the spatial frequency (q) of the object to a certain limit (q0) determined by the aperture of the objective lens. Can do.
本発明は、「軸上照明」のシナリオを含みうる。そこでは、中心から外れているが光軸に平行に対象物用対物レンズをビームが通るように、照明源を水平方向に配置する。対物レンズの集束効果により、照明は、光軸に対してある角度を有して対象物に入射する。この偏心照明により、軸上照明におけるよりも高い対象物の空間周波数(q>q0)が、対物レンズの開口を通過することができ、よってそれが観察できる。このことは、本発明の重要な利点である。 The present invention may include an “on-axis illumination” scenario. In this case, the illumination source is disposed in the horizontal direction so that the beam passes through the objective lens parallel to the optical axis but off the center. Due to the focusing effect of the objective lens, the illumination is incident on the object at an angle with respect to the optical axis. With this eccentric illumination, a higher spatial frequency (q> q0) of the object than in the on-axis illumination can pass through the aperture of the objective lens and can therefore be observed. This is an important advantage of the present invention.
本発明は、同一の対象物の軸上および1以上の軸外被照ホログラムをデジタル的に取り込むようにした、拡張されたDDHシステム(装置)を含みうる。また、本発明は、デジタル的に取り込まれたデータを分析および/または処理(融合)することを含みうる。結果得られた融合画像は、いずれの元のホログラムにおけるよりも広範囲の空間周波数を包含し、よって、軸外被照データが利用不可能な場合に比べて、システムの公称画像化解像度を著しく高める。 The present invention may include an extended DDH system (apparatus) adapted to digitally capture on-axis and one or more off-axis illuminated holograms of the same object. The present invention may also include analyzing and / or processing (fusion) digitally captured data. The resulting fusion image encompasses a wider range of spatial frequencies than in any original hologram, thus significantly increasing the nominal imaging resolution of the system compared to when off-axis illumination data is unavailable. .
上記のように、基本DDHシステムの画像化解像度は、光学部品、とりわけ、収差による画質の劣化を防ぐために必要な開口絞りによって制限される。このことは、DDHシステムの光学部品は、半径q0の円内の対象物の空間周波数のみが送信可能であることを意味する。軸上照明の場合、半径q0の開口は、0空間周波数(q=0)に中心をおいて現れる。軸外照明の場合、半径q0の開口は、周波数領域においてずれて(例えば、左に)現れる。このことは、開口がずれている方向に、q>q0の空間周波数が送信されることを示唆する。欠点として、qがq0に近い空間周波数が反対方向に「失われる」ことがある。照明が反対方向にずれた第2の画像を取得することにより、開口はずれて(例えば、右に)現れ、よって、第1の画像から「失われた」空間周波数は、q0以上の付加周波数を有して回復される。2つの画像からの情報を融合した結果、よりよい解像度の1つの画像となる。DDHは、位相情報を合成画像波上に記録するので、双方(またはそれより多くの)画像からの情報は融合されて、驚くほど有利な結果をもたらす。本発明は、一般的な対象物構造の解像度を、向きに関係なく改善する。 As noted above, the imaging resolution of the basic DDH system is limited by the optical components, particularly the aperture stop required to prevent image quality degradation due to aberrations. This means that the optical component of the DDH system can only transmit the spatial frequency of the object in the circle with the radius q0. In the case of on-axis illumination, an opening of radius q0 appears centered at 0 spatial frequency (q = 0). In the case of off-axis illumination, the opening with the radius q0 appears shifted (for example, on the left) in the frequency domain. This suggests that a spatial frequency of q> q0 is transmitted in the direction in which the aperture is shifted. The disadvantage is that spatial frequencies where q is close to q0 are “lost” in the opposite direction. By acquiring a second image in which the illumination is offset in the opposite direction, the aperture appears off (eg, to the right), so the “lost” spatial frequency from the first image has an additional frequency of q0 or higher. To be recovered. As a result of fusing information from two images, one image with better resolution is obtained. Since DDH records phase information on the composite image wave, the information from both (or more) images is fused to yield surprisingly advantageous results. The present invention improves the resolution of general object structures regardless of orientation.
本発明は、軸上および軸外被照ホログラムの両方を自動的に取り込むための基本的なDDHシステムの拡張を含みうる。また、本発明は、これらのホログラムの結果を分析および融合して、観察された対象物を、従来のDDH技術において利用可能なものよりも高い空間解像度で表示させるための方法を含みうる。 The present invention may include an extension of the basic DDH system to automatically capture both on-axis and off-axis illuminated holograms. The present invention may also include a method for analyzing and fusing the results of these holograms so that the observed object is displayed at a higher spatial resolution than is available in conventional DDH technology.
図1において明らかなように、対象物ビーム125は、光軸127に平行である。上述したように、この設定は、軸上照明と称することができる。一方、軸外照明は、対象物ビーム125が、光軸127に対してある角度で対象物130に入射する場合をいう(その例は、図3に示す対象物チーム215および305によって図示されている)。軸外照明を実現するための方法は数多くある。以下に提示された取り組みは、代表的なものに過ぎず、したがって、限定的な例ではないことが意図されている。
As can be seen in FIG. 1, the
図2および3を参照して、軸外照明DDH装置の一実施形態を例示する。図2および3においては、図1から主要な修正点が2つある。第1の修正点は、レーザ源105、ビーム拡大器/空間フィルタ110、およびレンズ115が、コンピュータによって制御された可動筐体205にグループ化されている点である。筐体205は、光軸127に実施的に平行な軸に沿って移動可能である。より詳細には、筐体205は、ビームスプリッタ120の法線と実質的に同一平面状にある軸に沿って移動可能である。
With reference to FIGS. 2 and 3, one embodiment of an off-axis illumination DDH apparatus is illustrated. 2 and 3, there are two major corrections from FIG. The first correction is that the
図2および3をさらに参照して、第2の修正点は、対象物用対物レンズ210が追加されている点である。図2において、レーザ源筐体205は、対象物ビーム125がビームスプリッタ120から反射して対象物用対物レンズ210の中心を通るように、配置されている。その後、対象物ビーム125は、対象物用対物レンズ210を離れて、光軸127を中心として対象物130に入射する。この構成において、軸上照明が実現され、図2のシステムは図1と効果的に同一である。
With further reference to FIGS. 2 and 3, the second correction point is that an
しかしながら、図3においては、レーザ源筐体205は、対象物ビーム125が対象物用対物レンズ210をその中心から外れて通るように、(この特定の構成では上に)ずれている。当然ながら、代わりに、レーザ源筐体205は、下にずれることも可能である。対象物用対物レンズ210の集束特性により、対象物用対物レンズ210を離れる対象物ビーム215は、光軸127に対してある角度で対象物130に入射するので、軸外照明が実現される。よって、対象物ビーム215は、光軸127に実質的に平行でない対象物に入射することができる。対象物から反射された対象物ビーム305は、対象物用対物レンズ210をその中心から外れて再度通るにもかかわらず、対象物用対物レンズ210および集束レンズ150の光学特性により、CCD(図示せず)上に焦点を結ぶ。軸外照明の場合は、回折特性(1)は、対象物ビーム305および参照ビーム135の干渉によってCCDに形成されたホログラムが、軸上照明では観察されない対象物の空間周波数をいくらか含むことを示唆する。
However, in FIG. 3, the
よって、本発明は、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録するように動作可能な装置を含みうる。本装置は、レーザと、レーザに光学的に結合されたビームスプリッタと、ビームスプリッタに光学的に結合された参照ビームミラーと、ビームスプリッタに光学的に結合された対象物と、参照ビームミラーおよび対象物の両方に光学的に結合された集束レンズと、集束レンズに光学的に結合されたデジタルレコーダと、フーリエ変換を行い、デジタルフィルタを適用し、逆フーリエ変換を行うコンピュータとを備え、参照ビームが非標準角で参照ビームミラーに入射し、対象物ビームが集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物に入射し、参照ビームおよび対象物ビームは、複数の同時参照および対象物波を構成し、集束レンズによってデジタルレコーダの焦点面に集束されて、デジタルレコーダによって記録されるフーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムを形成し、コンピュータは、空間ヘテロダインフリンジを含む記録された空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換して、参照ビームおよび対象物ビーム間の角度によって規定されたヘテロダイン搬送周波数の上端に位置するようにし、逆フーリエ変換を行う前に元の原点の周囲の信号をカットオフする。本装置は、ビームスプリッタおよび対象物間に光学的に結合された対象物用対物レンズを含みうる。本装置は、対象物および集束レンズ間に結合された開口絞りを含みうる。ビームスプリッタ、参照ビームミラー、およびデジタルレコーダは、マイケルソン形状を規定しうる。ビームスプリッタ、参照ビームミラー、およびデジタルレコーダは、マッハ‐ツェンダー形状を規定しうる。本装置は、フーリエ変換を行い、デジタルフィルタを適用し、逆フーリエ変換を行うコンピュータに結合されるデジタル記憶媒体を含みうる。デジタルレコーダは、ピクセルを規定するCCDカメラ350を含みうる。本装置は、レーザおよびビームスプリッタ間に光学的に結合された拡大器/空間フィルタ230を含みうる。参照ビームおよび対象物ビーム間の角度および集束レンズによって与えられた拡大率は、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムの特徴をデジタルレコーダが分解するように選ばれうる。デジタルレコーダがある特徴を分解するために、1フリンジにつき2ピクセルを有する2つのフリンジを提供することができる。本発明は、上述の装置によって作成され、コンピュータが読み取り可能な媒体上に実現された空間ヘテロダインホログラムを含みうる。 Thus, the present invention can include an apparatus operable to digitally record spatial heterodyne holograms including spatial heterodyne fringes for Fourier analysis. The apparatus includes a laser, a beam splitter optically coupled to the laser, a reference beam mirror optically coupled to the beam splitter, an object optically coupled to the beam splitter, a reference beam mirror, and A focusing lens optically coupled to both of the objects, a digital recorder optically coupled to the focusing lens, a computer that performs Fourier transform, applies a digital filter, and performs inverse Fourier transform, see The beam is incident on the reference beam mirror at a non-standard angle, the object beam is incident on the object at an angle with respect to the optical axis defined by the focusing lens, and the reference beam and object beam include a plurality of simultaneous reference and object waves. And is recorded by the digital recorder after being focused on the focal plane of the digital recorder by the focusing lens Forming a spatial heterodyne hologram containing a spatial heterodyne fringe for analysis, and the computer converts the axis of the recorded spatial heterodyne hologram containing the spatial heterodyne fringe to Fourier space, depending on the angle between the reference beam and the object beam It is positioned at the upper end of the specified heterodyne carrier frequency, and the signal around the original origin is cut off before performing the inverse Fourier transform. The apparatus may include an object objective lens optically coupled between the beam splitter and the object. The apparatus can include an aperture stop coupled between the object and the focusing lens. The beam splitter, reference beam mirror, and digital recorder can define a Michelson shape. The beam splitter, reference beam mirror, and digital recorder can define a Mach-Zehnder shape. The apparatus may include a digital storage medium coupled to a computer that performs a Fourier transform, applies a digital filter, and performs an inverse Fourier transform. The digital recorder may include a CCD camera 350 that defines pixels. The apparatus can include a magnifier / spatial filter 230 optically coupled between the laser and the beam splitter. The angle between the reference beam and the object beam and the magnification given by the focusing lens can be chosen so that the digital recorder resolves the features of the spatial heterodyne hologram including the spatial heterodyne fringe for Fourier analysis. Two fringes with two pixels per fringe can be provided to resolve certain features of the digital recorder. The present invention may include a spatial heterodyne hologram created by the above-described apparatus and implemented on a computer readable medium.
したがって、本発明は、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムを記録する方法を含みうる。本方法は、レーザビームを参照ビームおよび対象物ビームに分離することと、参照ビームを非標準角で参照ミラーから反射させることと、対象物ビームを集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物から反射させることと、複数の同時参照および対象物波を構成する、参照ビームおよび対象ビームを、デジタルレコーダの焦点面において集束させて、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムを形成することと、記録された空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換して、参照ビームおよび対象物ビーム間の角度によって規定されたヘテロダイン搬送周波数の上端に位置するようにすることによって、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムを分析することと、元の原点の周囲の信号をカットオフするようにデジタルフィルタを適用することと、その後、逆フーリエ変換を行うこととを含む。本方法は、対象物ビームを集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物から反射させることの前と、対象物ビームを集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物から反射させることの後とに、対象物ビームを対象物用対物レンズによって回折させることを含みうる。記録された空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換するステップは、拡張されたフーリエ変換で変換することを含みうる。デジタル的に記録するステップは、ピクセルを規定するCCDカメラでビームを検出することを含みうる。軸外被照空間ヘテロダインホログラムは、軸外被照空間低周波数ヘテロダインホログラムであってもよい。低周波数という句は、基本フリンジ空間周波数がナイキストサンプリング限度よりも低いことを示唆する。また、本方法は、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムを記憶することを含みうる。また、本方法は、フーリエ分析された空間ヘテロダインホログラムを再生することを含みうる。また、本方法は、フーリエ分析された空間ヘテロダインホログラムを送信することを含みうる。また、本方法は、上記方法によって作成され、コンピュータが読み取り可能な媒体上で実施された空間ヘテロダインホログラムを含みうる。 Thus, the present invention can include a method of recording a spatial heterodyne hologram including a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis. The method separates the laser beam into a reference beam and an object beam, reflects the reference beam from the reference mirror at a non-standard angle, and targets the object beam at an angle relative to the optical axis defined by the focusing lens. A spatial heterodyne hologram including a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis is created by focusing the reference beam and the object beam, which constitute a plurality of simultaneous reference and object waves, in the focal plane of the digital recorder. Fourier analysis by forming and transforming the axis of the recorded spatial heterodyne hologram to Fourier space so that it is located at the top of the heterodyne carrier frequency defined by the angle between the reference beam and the object beam Spatial heterodyes including spatial heterodyne fringes for Includes analyzing the hologram, and applying a digital filter to cut off the signals around the original origin, then, and performing an inverse Fourier transform. The method includes reflecting the object beam from the object at an angle relative to the optical axis defined by the focusing lens and reflecting the object beam from the object at an angle relative to the optical axis defined by the focusing lens. And diffracting the object beam by an object objective lens. Transforming the axis of the recorded spatial heterodyne hologram to Fourier space can include transforming with an extended Fourier transform. The step of digitally recording can include detecting the beam with a CCD camera that defines the pixels. The off-axis illuminated space heterodyne hologram may be an off-axis illuminated space low frequency heterodyne hologram. The phrase low frequency suggests that the fundamental fringe spatial frequency is below the Nyquist sampling limit. The method may also include storing a spatial heterodyne hologram that includes a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis. The method may also include reconstructing a Fourier analyzed spatial heterodyne hologram. The method may also include transmitting a Fourier analyzed spatial heterodyne hologram. The method may also include a spatial heterodyne hologram produced by the above method and implemented on a computer readable medium.
(高速取得)
図3において、照明源筐体120は、対象物ビーム130が対象物用対物レンズ135をその中心から外れて通るように、機械的に移動されている。単一の対象物照明源のみを用いるならば、このことは、連続的に異なるように照明されたホログラムを取り込むには対象物照明源の機械的に移動させる必要があることを示唆する。そのような機械的な移動は、非常に遅くなりうる。照明源の機械的の移動により、時間制約があるシナリオでの軸外技術の適用が制限されうる。したがって、高速軸外照明性能の必要性に対応する取り組みが必要である。
(High speed acquisition)
In FIG. 3, the
本発明は、直接デジタルホログラフィー(DDH)システムにおいて複数の異なるように照明されたホログラムの結果を合成することによって、改良された解像度のホログラフィック画像を、従来技術よりもはるかに速い速度で取得するための装置および方法を含みうる。本発明は、複数の照明源を用いる。本発明は、複数の照明条件を実現するために物理的に配置された複数の照明源を含みうる。本発明は、すばやく連続してオフおよびオンに切り替えられる、コンピュータ制御された複数の源を含みうる。照明の物理的な配置およびそれに関連する時間コストを削減することによって、本発明は、軸外照明およびそれに関連する画像化解像度の改良を、かつては適用できなかった時間的制約のある環境においても適用可能にする。 The present invention acquires improved resolution holographic images at a much faster rate than the prior art by combining the results of multiple differently illuminated holograms in a direct digital holography (DDH) system. Apparatus and method can be included. The present invention uses a plurality of illumination sources. The present invention may include a plurality of illumination sources that are physically arranged to achieve a plurality of illumination conditions. The present invention may include a plurality of computer controlled sources that are quickly and sequentially switched off and on. By reducing the physical placement of lighting and the associated time costs, the present invention allows for off-axis lighting and the associated imaging resolution improvements, even in time-constrained environments that were not previously applicable. Make applicable.
図4を参照して、本発明は、複数の照明源120を含みうる。なお、図4は、5つの源を、代表例としてのみ用いている。明らかなように、照明源の数は、具体的な必要性によって異なりうる。複数の照明源は、すばやく連続してオフおよびオンに切り替えられるようにコンピュータ制御できてもよく、それにより、何らかの構成要素を物理的に移動させずに、異なるように照明された複数のホログラムを取り込むことができる。その結果、はるかに時間の節約になる。なぜならば、(当業者に周知である)照明源を高速に切り替えるための方法は、物理的な移動よりもはるかに時間がかからないからである。しかしながら、本システムは、さらに柔軟性を持たせるために、物理的な移動能力を維持したままであってもよい。照明源をすばやく作動させることによって時間を節約することで、本発明は、複数に照射する軸外照明(およびその後の解像度の改良)を、単一照射による画像化のみがかつては適用可能であった、時間的制約のあるシナリオに対して、適用することができる。
With reference to FIG. 4, the present invention may include
図4に示す実施形態は、複数の軸外照明角度をすばやく切り替える機能を行うための構造として、互い違いに配列されたレーザの平面アレイを示しているが、複数の軸外照明角度をすばやく切り替える機能を行うための構造は、複数の軸外照明角度をすばやく切り替える機能を行うことが可能な他の構造であってもよく、そのような構造には、例えば、平行(平面)アレイ、放射状(平面)アレイ、または多角形(平面)アレイが含まれる。 The embodiment shown in FIG. 4 shows a planar array of alternately arranged lasers as a structure for performing a function of quickly switching a plurality of off-axis illumination angles, but a function of quickly switching a plurality of off-axis illumination angles. The structure for performing can be other structures capable of quickly switching between multiple off-axis illumination angles, such as parallel (planar) arrays, radial (planar) ) Arrays, or polygonal (planar) arrays.
対象物ビームが対象物用対物レンズの中心を通るようにまたはその中心から外れて通るように、源、ビーム拡大器/空間フィルタ、およびレンズを並べる機能を行う構造として、開示された実施形態のうちの1つは、コンピュータ制御された可動筐体を示すが、源、ビーム拡大器/空間フィルタ、およびレンズを並べる機能を行う構造は、対象物ビームが対象物用対物レンズの中心を通るようにまたはその中心から外れて通るように、対象物ビームを揃える機能を行うことができる他の構造であってもよく、そのような構造には、例えば、ビームスプリッタ、ミラー、対象物用対物レンズ、対象物、集束レンズ、およびCCDカメラを、源、ビーム拡大器/空間フィルタ、およびレンズを基準として配置する可動プラットフォーム、または他の例として一連の可動光学部品(例えば、ミラー)、または他の例として可撓性光ファイバおよび/またはケーブルが含まれる。 The structure of the disclosed embodiment as a structure that functions to align the source, beam expander / spatial filter, and lens so that the object beam passes through or off the center of the object objective lens. One of them shows a computer-controlled movable housing, but the structure that performs the function of aligning the source, beam expander / spatial filter, and lens allows the object beam to pass through the center of the object objective lens. Or other structures that can perform the function of aligning the object beam so that it passes through or off its center, such as a beam splitter, mirror, object objective lens, etc. Movable platforms that position objects, focusing lenses, and CCD cameras relative to the source, beam expander / spatial filter, and lens, or others A series of movable optical component (e.g., a mirror) as an example, or as another example includes a flexible optical fiber and / or cable.
本明細書で用いられる「aおよびan」という用語は、1つまたは1つ以上として規定される。本明細書で用いられる「複数(plurality)」という用語は、2つまたは2つ以上として規定される。本明細書で用いられる「他の(another)」という用語は、2つ目またはそれ以上として規定される。本明細書で用いられる「含む(including)」および/または「有する(having)」という用語は、「備える(comprising)」(すなわち、オープンな言語)として規定される。本明細書で用いられる「結合された(coupled)」という用語は、「接続された(connected)」としてきていされるが、それは必ずしも直接的ではなく、機械的でもない。本明細書で用いられる「約(approximately)」という用語は、少なくとも所定の値に近い(例えば、好ましくは10%以内、より好ましくは1%以内、最も好ましくは0.1%以内)として規定される。本明細書で用いられる「実施的に(substantially)」という用語は、「ほとんど(largely)」として規定されるが、必ずしも特定された全体的であるとは限らない。本明細書で用いられる「一般的に(generally)」という用語は、少なくとも所定の状態に近いとして規定される。本明細書で用いられる「配備する(deploying)」という用語は、「設計する(designing)」、「構築する(builiding)」、「輸送する(shipping)」、「設置する(installing)」、および/または「動作する(operating)」として規定される。本明細書で用いられる「手段(means)」という用語は、結果を実現するためのハードウェア、ファームウェア、および/またはソフトウェアとして規定される。本明細書で用いられる「プログラム(program)」という用語または「コンピュータプログラム(computer program)」という句は、コンピュータシステム上で実行するように設計された命令のシーケンスとして規定される。プログラムまたはコンピュータプログラムは、サブルーチン、関数、プロシージャ、オブジェクトメソッド、オブジェクト実装、事項可能なアプリケーション、アプレット、サーブレット、ソースコード、オブジェクトコード、共有ライブラリ/ダイナミックロードライブラリ、および/またはコンピュータシステム上で実行するように設計された命令の他のシーケンスを含んでもよい。本明細書で用いられる「低周波数(low−frequency)」という用語は、基本的なフリンジ空間周波数がナイキストサンプリング限度よりも低いことを示唆しているとして規定されうる。 The terms “a and an” as used herein are defined as one or more. As used herein, the term “plurality” is defined as two or more. As used herein, the term “another” is defined as a second or more. As used herein, the terms “including” and / or “having” are defined as “comprising” (ie, an open language). As used herein, the term “coupled” has been referred to as “connected”, but it is not necessarily direct or mechanical. As used herein, the term “approximately” is defined as at least close to a predetermined value (eg, preferably within 10%, more preferably within 1%, most preferably within 0.1%). The As used herein, the term “substantially” is defined as “largely”, but is not necessarily the entire specified. As used herein, the term “generally” is defined as at least close to a predetermined state. As used herein, the term “deploying” refers to “designing”, “building”, “shipping”, “installing”, and And / or defined as “operating”. As used herein, the term “means” is defined as hardware, firmware, and / or software for achieving a result. The term “program” or “computer program” as used herein is defined as a sequence of instructions designed to execute on a computer system. A program or computer program executes on a subroutine, function, procedure, object method, object implementation, potential application, applet, servlet, source code, object code, shared / dynamic load library, and / or computer system May include other sequences of instructions designed for. As used herein, the term “low-frequency” may be defined as implying that the basic fringe spatial frequency is below the Nyquist sampling limit.
(本発明の実際の応用)
科学技術において価値のある本発明の実際の応用には、測定学がある。本発明は、半導体検査ためなどのマイクロエレクトロニクス(機械的な)製造に関連して有用である。また、本発明は、ナノ可視化またはナノ測定などのナノテクノロジー研究、開発、および製造に関連して有用である。本発明は、例えば、電子ホログラフィーに基づく直接デジタルホログラフィーツールなどのデジタル処理および/またはデジタルデータ取得を用いる干渉計に関連して有用である。本発明の利用法は事実上無数にあり、そのすべてをここで詳述する必要はない。
(Actual application of the present invention)
A practical application of the present invention that is valuable in science and technology is metrology. The present invention is useful in connection with microelectronic (mechanical) manufacturing, such as for semiconductor testing. The present invention is also useful in connection with nanotechnology research, development, and manufacturing, such as nanovisualization or nanomeasurement. The present invention is useful in connection with interferometers that use digital processing and / or digital data acquisition, such as, for example, direct digital holography tools based on electronic holography. There are virtually countless uses of the present invention, all of which need not be detailed here.
(本発明の利点)
本発明の一実施形態を表す方法、装置、および/またはコンピュータプログラムは、少なくとも以下の理由で、費用効果があり有利でありうる。本発明は、複数の照明源を提供する。本発明は、異なるように照明された複数のホログラムの高速取得を提供する。本発明は、対象物照明のコンピュータ制御を提供しうる。本発明は、複数のホログラムからの結果を融合することを提供しうる。本発明は、はるかに高められた画像化解像度を提供しうる。本発明は、以前の取り組みに比べて、品質を改良し、コストを下げるものである。
(Advantages of the present invention)
A method, apparatus, and / or computer program that represents an embodiment of the present invention may be cost-effective and advantageous for at least the following reasons. The present invention provides a plurality of illumination sources. The present invention provides for fast acquisition of multiple holograms that are illuminated differently. The present invention can provide computer control of object illumination. The present invention can provide for fusing results from multiple holograms. The present invention can provide much higher imaging resolution. The present invention improves quality and lowers costs compared to previous efforts.
本明細書に開示された発明の開示された実施形態はすべて、開示に照らして不当な実験を行うことなく、実行および用いることができる。本発明は、本明細書に記載された理論上の記述によって限定されない。発明者によって検討された本発明を実行する最良の形態を開示しているが、本発明の実施は、それに限定されない。したがって、本発明は本明細書において具体的に記載されているのとは違ったように実施されてもよいことは、当業者に認識されるであろう。 All disclosed embodiments of the invention disclosed herein can be made and used without undue experimentation in light of the disclosure. The present invention is not limited by the theoretical description provided herein. Although the best mode for carrying out the present invention examined by the inventors has been disclosed, the practice of the present invention is not limited thereto. Thus, it will be appreciated by one skilled in the art that the present invention may be practiced otherwise than as specifically described herein.
さらに、各構成要素は、開示された構成に組み合わせる必要はないが、事実上すべての構成に組み合わせることが可能であろう。さらに、本明細書に記載されたた、ステップまたは方法を含むステップのシーケンスにおいて、変更を行ってもよい。さらに、本明細書に記載された装置は別個のモジュールであってもよいが、本装置は関連するシステムに一体化されてもよいことは明らかであろう。さらに、開示された各実施形態の開示された構成要素および特徴のすべては、互いに相容れない場合を除いて、他の開示されたそれぞれの実施形態の開示された構成要素および特徴に組み合わせるか、または取って代わることができる。 Further, each component need not be combined with the disclosed configuration, but could be combined with virtually any configuration. Further, changes may be made in the sequence of steps including the steps or methods described herein. Further, although the devices described herein may be separate modules, it will be apparent that the devices may be integrated into the associated system. Moreover, all disclosed components and features of each disclosed embodiment may be combined with or taken from the disclosed components and features of each of the other disclosed embodiments, except where incompatible with each other. Can be replaced.
本発明の特徴の様々な代替、修正、追加、および/または再構成が、基礎をなす発明概念の精神および/または範囲から逸脱することなく行われてもよいことは明らかであろう。添付の請求項およびそれに対応するものによって規定されるような基礎をなす発明概念の精神および/または範囲は、そのようなすべての代替、修正、追加、および/または再構成を対象として含んでいるとみなされる。 It will be apparent that various substitutions, modifications, additions and / or reconfigurations of features of the invention may be made without departing from the spirit and / or scope of the underlying inventive concept. The spirit and / or scope of the underlying inventive concept as defined by the appended claims and their equivalents covers all such alternatives, modifications, additions, and / or rearrangements. Is considered.
添付の請求項は、ミーンズプラスファンクションの限定が「ための手段(means for)」および/または「ためのステップ(step for)」という句を用いて所定の請求項に明示的に記載されていない限り、そのような限定を含むとして解釈されるものではない。本発明の従属的な実施形態は、添付の独立請求項およびそれに対応するものによって詳述されている。本発明の特定の実施形態は、添付の独立請求項およびそれに対応するものによって互いに区別されている。 The appended claims are not expressly stated in a particular claim with the phrase “means for” and / or “step for” as a means plus function limitation It is not to be construed as including such limitation. Dependent embodiments of the present invention are detailed in the appended independent claims and their equivalents. Particular embodiments of the present invention are distinguished from one another by the attached independent claims and the equivalents.
(参考文献) (References)
Claims (20)
干渉計の第1の照明源を用いて、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む第1の軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録することと、
干渉計の第2の照明源を用いて、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む第2の軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録することとを含む、方法。 A method of recording a plurality of off-axis illuminated spatial heterodyne holograms, each off-axis illuminated spatial heterodyne hologram including a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis,
Digitally recording a first off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram including a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis using a first illumination source of the interferometer;
Digitally recording a second off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram including a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis using a second illumination source of the interferometer.
干渉計の第2の照明源を用いて、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む第2の軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録することは、対象物ビームを集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物から反射させることの前に、対象物ビームを対象物用対物レンズによって回折させることと、対象物ビームを集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物から反射させることの後に、対象物ビームを対象物用対物レンズによって回折させることとを含む、請求項1に記載の方法。 Using a first illumination source of an interferometer to digitally record a first off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram including a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis, the object beam is defined by a focusing lens The object beam is diffracted by the object objective lens before being reflected from the object at an angle with respect to the measured optical axis, and the object beam is separated from the object at an angle with respect to the optical axis defined by the focusing lens. Diffracting the object beam by an object objective lens after reflecting,
Using a second illumination source of the interferometer to digitally record a second off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram including a spatial heterodyne fringe for Fourier analysis, the object beam is defined by a focusing lens. The object beam is diffracted by the object objective lens before being reflected from the object at an angle with respect to the measured optical axis, and the object beam is separated from the object at an angle with respect to the optical axis defined by the focusing lens. The method of claim 1, comprising diffracting an object beam by an object objective lens after reflecting.
空間ヘテロダインフリンジを含む第2の記録された軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換して、参照ビームおよび対象物ビーム間の角度として規定されたヘテロダイン搬送周波数の上端に位置するようにすることによって、空間ヘテロダインフリンジを含む第2の記録された軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムをフーリエ分析することと、元の原点の周囲の信号をカットオフするようにデジタルフィルタを適用することと、その後、逆フーリエ変換を行うこととをさらに含む、請求項1に記載の方法。 Convert the axis of the first recorded off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram containing the spatial heterodyne fringe to Fourier space and position it at the top of the heterodyne carrier frequency defined as the angle between the reference beam and the object beam By doing a Fourier analysis of the first recorded off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram containing a spatial heterodyne fringe, and a digital filter to cut off the signal around the original origin Applying, and then performing an inverse Fourier transform,
Convert the axis of the second recorded off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram containing the spatial heterodyne fringe to Fourier space and position it at the top of the heterodyne carrier frequency defined as the angle between the reference beam and the object beam By doing a Fourier analysis of the second recorded off-axis object illuminated spatial heterodyne hologram containing the spatial heterodyne fringe, and a digital filter to cut off the signal around the original origin The method of claim 1, further comprising applying and then performing an inverse Fourier transform.
複数の照明源と、
複数の照明源に光学的に結合されたビームスプリッタと、
ビームスプリッタに光学的に結合された参照ビームミラーと、
参照ビームミラーに光学的に結合された集束レンズと、
集束レンズに光学的に結合されたデジタルレコーダと、
フーリエ変換を行い、デジタルフィルタを適用し、逆フーリエ変換を行うコンピュータとを備え、
参照ビームが非標準角で参照ビームミラーに入射し、対象物ビームが集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物に入射し、参照ビームおよび対象物ビームは、集束レンズによってデジタルレコーダの焦点面に集束されて、デジタルレコーダによって記録されるフーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムを形成し、コンピュータは、空間ヘテロダインフリンジを含む記録された軸外被照空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換して、参照ビームおよび対象物ビーム間の角度によって規定されたヘテロダイン搬送周波数の上端に位置するようにし、逆フーリエ変換を行う前に元の原点の周囲の信号をカットオフする、装置。 An apparatus operable to digitally record a plurality of off-axis illuminated spatial heterodyne holograms including spatial heterodyne fringes for Fourier analysis,
Multiple illumination sources;
A beam splitter optically coupled to a plurality of illumination sources;
A reference beam mirror optically coupled to the beam splitter;
A focusing lens optically coupled to a reference beam mirror;
A digital recorder optically coupled to a focusing lens;
A computer that performs a Fourier transform, applies a digital filter, and performs an inverse Fourier transform,
The reference beam is incident on the reference beam mirror at a non-standard angle, the object beam is incident on the object at an angle with respect to the optical axis defined by the focusing lens, and the reference beam and the object beam are focused by the focusing lens on the digital recorder. An off-axis illuminated spatial heterodyne hologram containing spatial heterodyne fringes for Fourier analysis focused on a surface and recorded by a digital recorder is formed, and the computer records a recorded off-axis illuminated spatial heterodyne containing spatial heterodyne fringes The hologram axis is transformed into Fourier space so that it is located at the upper end of the heterodyne carrier frequency defined by the angle between the reference beam and the object beam, and the signal around the original origin is transformed before performing the inverse Fourier transform. A device that cuts off.
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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