JP2007132761A - Confocal type signal light detection device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体内部に被測定部位が存在し、共焦点状態においてこの被測定部位に測定光を照射した場合に被測定部位から生じた信号光情報だけを抽出する共焦点型信号光検出装置および共焦点型信号光検出方法に関するものである。 The present invention provides a confocal signal light detection device that extracts only signal light information generated from a measurement site when the measurement site exists inside the object and the measurement beam is irradiated with the measurement light in a confocal state. And a confocal signal light detection method.
従来から、共焦点型信号光検出装置は、物体の表面形状を非接触で計測する走査型共焦点顕微鏡等に利用されている(例えば特許文献1参照)。この特許文献1に記載の走査型共焦点顕微鏡は、光ファイバに光を入射させる入射光学系と、光ファイバ端面から出射する光を試料面上に集光させると同時に該試料面上からの反射光を上記光ファイバ端面に集光させ、該光ファイバに戻す共焦点型光学系と、この出射光および反射光を集束するレンズと、上記反射光を光ファイバから取り出す分岐光学系と、上記取出光を光検出器で電気信号に変換し信号処理する電気系を有し、上記分岐光学系から取り出される光量に基づいて、上記共焦点光学系の焦点位置に対する前記試料面のずれを検出する共焦点顕微鏡において、上記共焦点型光学系に面する前記光ファイバ端面を光軸方向に移動させるアクチュエータ手段を備え、このアクチュエータ手段によって光ファイバだけを光軸方向に移動させることにより、光ファイバ端面から出射される光の焦点合わせを行い、試料面の表面形状や段差等を観察するものとなされている。 2. Description of the Related Art Conventionally, confocal signal light detection devices have been used in scanning confocal microscopes and the like that measure the surface shape of an object in a non-contact manner (see, for example, Patent Document 1). The scanning confocal microscope described in Patent Document 1 includes an incident optical system for making light incident on an optical fiber, and condensing the light emitted from the end face of the optical fiber on the sample surface and at the same time reflecting it from the sample surface. A confocal optical system that collects light on the end face of the optical fiber and returns it to the optical fiber, a lens that focuses the emitted light and reflected light, a branching optical system that extracts the reflected light from the optical fiber, and the extraction An electric system that converts light into an electric signal by a photodetector and performs signal processing, and detects a deviation of the sample surface with respect to the focal position of the confocal optical system based on the amount of light extracted from the branch optical system. The focusing microscope includes actuator means for moving the end face of the optical fiber facing the confocal optical system in the optical axis direction, and only the optical fiber is moved in the optical axis direction by the actuator means. By performs focusing of the light emitted from the optical fiber end face, it has been made as to observe the surface shape or step or the like of the sample surface.
このように顕微鏡として共焦点型信号光検出装置を用いた場合には、試料の表面上に出射光の焦点が合ったときに光検出器で最も強く反射光を受光することができるので、非常に高分解能で表面形状を計測することができるという点で優れている。
しかしながら、上記この特許文献1に記載の共焦点顕微鏡では、物体(試料)の表面形状等を観察する上では優れているものの、物体内部の状態、例えば亀裂等を観察するのは難しいという問題があった。すなわち、この共焦点顕微鏡では、光ファイバからの出射光は物体内部に進入したとき散乱により大きく減衰するとともに被測定部位での反射係数が僅かであることなどから観察対象である信号光が極めて小さくなり、しかも上記出射光が物体内部で拡散して物体表面にこの拡散光が表れ、上記信号光とともに光ファイバの端面に入光し、この入光した反射光のうち、信号光が拡散光に埋没して的確に信号光を測定することができないという問題があった。 However, although the confocal microscope described in Patent Document 1 is excellent in observing the surface shape or the like of an object (sample), there is a problem that it is difficult to observe a state inside the object, such as a crack. there were. That is, in this confocal microscope, the emitted light from the optical fiber is greatly attenuated by scattering when entering the inside of the object, and the signal light to be observed is very small because the reflection coefficient at the measurement site is small. In addition, the emitted light diffuses inside the object, the diffused light appears on the object surface, and enters the end face of the optical fiber together with the signal light. Of the incident reflected light, the signal light becomes diffused light. There was a problem that the signal light could not be measured accurately after being buried.
本発明は、この被測定部位から生じる信号光を的確に抽出し、相対的な信号光強度を測定可能な共焦点型信号光検出装置等を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a confocal signal light detection device and the like that can accurately extract signal light generated from the measurement site and measure relative signal light intensity.
本発明者は、鋭意研究の結果、測定光の照射位置とレンズとの相対位置を固定した状態で光軸方向に上記照射位置を移動させても、物体表面に表れる拡散光強度がほとんど変わらないことを知見するに至り、この知見に着目して本発明を完成するに至ったものである。 As a result of earnest research, the present inventor hardly changes the intensity of diffused light appearing on the object surface even if the irradiation position is moved in the optical axis direction with the relative position of the measurement light irradiation position and the lens fixed. It came to know this, and it came to complete this invention paying attention to this knowledge.
すなわち、上記課題を解決するために、本発明に係る共焦点型信号光検出装置は、物体内部の被測定部位に測定光を照射してこの測定光によって被測定部位から生じる信号光の情報だけを検出する共焦点型信号光検出装置であって、一端から上記被測定部位に対して上記測定光を照射するとともに当該一端から上記信号光を含めた反射光を受光する光ファイバと、上記測定光および上記反射光を集束するレンズと、上記光ファイバの一端および上記レンズとの相対位置を固定することにより共焦点を保持するホルダーと、上記ホルダーを光軸方向に所定の距離移動させることにより上記光ファイバによる測定光の焦点位置を変更する移動手段と、上記光ファイバの反射光の光強度を測定する光検出器とを備え、上記測定光の焦点位置を光軸方向に移動させた場合の反射光の光強度変化に基づいて上記信号光の相対的な光強度を抽出する信号光抽出手段が設けられていることを特徴とするものである。 That is, in order to solve the above-described problem, the confocal signal light detection device according to the present invention irradiates measurement light to a measurement site inside an object, and only information on signal light generated from the measurement site by the measurement light. A confocal signal light detecting device that detects the reflected light including the signal light from one end and irradiating the measurement site from one end with the measurement light, and the measurement A lens that focuses light and the reflected light, a holder that holds the confocal by fixing the relative position of one end of the optical fiber and the lens, and the holder is moved by a predetermined distance in the optical axis direction. A moving means for changing the focal position of the measurement light by the optical fiber; and a photodetector for measuring the light intensity of the reflected light of the optical fiber, wherein the focal position of the measurement light is determined in the optical axis direction. It is characterized in that the signal light extracting means for extracting the relative light intensity of the signal light is provided on the basis of a change in light intensity of the reflected light when moving to.
この発明によれば、上記ホルダーによって光ファイバの一端および上記レンズの相対位置が固定されているので、このホルダーを光軸方向に移動させても略同一条件の共焦点状態を維持することができる。このように略同一条件の共焦点状態を維持した場合には、物体表面から放射される拡散光の光強度はこのホルダーの移動前後で略同一と考えられる。このため、上記測定光の焦点位置を光軸方向に移動させた場合の反射光の光強度変化に基づいて、すなわち光軸方向にずれた2点での光強度の差分や光強度の連続的変化の変化率を算出することにより、光ファイバの一端から受光される反射光の光強度から上記拡散光に基づく光強度成分を除去することができ、信号光に関する情報だけを抽出することができる。 According to the present invention, since the relative position of the one end of the optical fiber and the lens is fixed by the holder, a confocal state under substantially the same condition can be maintained even if the holder is moved in the optical axis direction. . In this way, when the confocal state under substantially the same conditions is maintained, the light intensity of the diffused light emitted from the object surface is considered to be substantially the same before and after the movement of the holder. Therefore, based on the change in the light intensity of the reflected light when the focal position of the measurement light is moved in the optical axis direction, that is, the difference in light intensity at two points shifted in the optical axis direction or the continuous light intensity. By calculating the rate of change, the light intensity component based on the diffused light can be removed from the light intensity of the reflected light received from one end of the optical fiber, and only the information related to the signal light can be extracted. .
すなわち、光ファイバで信号光を受信していない場合には、反射光内に信号光成分を含まないので、上記差分や変化率は0となる。一方、光ファイバで信号光を受信する境界では、移動手段によって共焦点状態を維持したまま焦点位置を移動させると、拡散光の光強度が略一定であるため、信号光成分だけによる影響が反射光の光強度に現れる。しかしながら、この信号光成分は微小であるため、このままでは拡散光成分に埋没して信号光に関する情報を抽出することができない。そこで、移動手段によるホルダーの移動前後での反射光の光強度の差分或いは微分(変化率)を算出することにより、拡散光成分が除去(ないしは無視)され、信号光の変化分或いは変化率が算出されて信号光の相対的光強度を抽出することができる。 That is, when the signal light is not received by the optical fiber, the difference or change rate is 0 because the signal light component is not included in the reflected light. On the other hand, at the boundary where the signal light is received by the optical fiber, if the focal position is moved while the confocal state is maintained by the moving means, the light intensity of the diffused light is substantially constant, so the influence of only the signal light component is reflected. Appears in the light intensity. However, since this signal light component is very small, it is not possible to extract information on the signal light as it is buried in the diffused light component. Therefore, by calculating the difference or derivative (change rate) of the light intensity of the reflected light before and after the movement of the holder by the moving means, the diffused light component is removed (or ignored), and the change or change rate of the signal light is The relative light intensity of the signal light that has been calculated can be extracted.
つまり、この発明によれば、物体内部の被測定部位についても信号光の相対的光強度を抽出することができ、物体内部の形状等の状態を的確に把握することができる。 That is, according to the present invention, the relative light intensity of the signal light can be extracted also from the measurement site inside the object, and the state of the shape and the like inside the object can be accurately grasped.
具体的には、例えば上記信号光抽出手段は、上記測定光の焦点位置を所定位置に合わせた場合における反射光の光強度と、上記測定光の焦点位置をこの所定位置から光軸方向に所定の距離だけ外れた位置に合わせた場合における反射光の光強度との差分に基づいて、上記信号光の相対的な光強度を抽出するように構成され、或いは、上記信号光抽出手段は、上記測定光の反射光の光強度の変化率を算出することにより上記信号光の相対的な光強度を抽出するように構成されているのがよい(請求項2,請求項3)。
Specifically, for example, the signal light extraction unit determines the light intensity of the reflected light when the focus position of the measurement light is set to a predetermined position and the focus position of the measurement light from the predetermined position in the optical axis direction. Is configured to extract the relative light intensity of the signal light based on the difference from the light intensity of the reflected light when adjusted to a position deviated by the distance, or the signal light extraction means, It is preferable that the relative light intensity of the signal light is extracted by calculating the rate of change of the light intensity of the reflected light of the measurement light (
上記信号光抽出手段は、上記信号光の相対的光強度をそのまま抽出してもよいが、抽出された信号光の相対的光強度を増幅するように構成されているのが好ましい(請求項4)。 The signal light extraction means may extract the relative light intensity of the signal light as it is, but is preferably configured to amplify the relative light intensity of the extracted signal light. ).
すなわち、上記信号光の相対的光強度を抽出することができても、この相対的光強度は微小であるためこのままではノイズ等によって的確な測定が困難になる虞がある。ここで、この発明では信号光の相対的な光強度だけが抽出されるので、この信号光成分だけを増幅することができる。したがって、この信号光成分だけを増幅することによって、より的確に信号光の光強度に関する情報だけを抽出することができる。 That is, even if the relative light intensity of the signal light can be extracted, since the relative light intensity is very small, accurate measurement may be difficult due to noise or the like. Here, in the present invention, since only the relative light intensity of the signal light is extracted, only this signal light component can be amplified. Therefore, by amplifying only this signal light component, only information relating to the light intensity of the signal light can be extracted more accurately.
この移動手段による上記ホルダーの移動距離は、特に限定されるものではなく、例えば上記測定光を被測定対象物の表面に照射した場合の点像応答関数における略半値半幅等であってもよいが、上記移動手段による上記ホルダーの移動距離は、上記測定光を被測定対象物の表面に照射した場合の点像応答関数における略半値全幅であるのが好ましい(請求項5)。 The moving distance of the holder by the moving means is not particularly limited, and may be, for example, a substantially half value half width in a point image response function when the measurement light is irradiated on the surface of the object to be measured. The moving distance of the holder by the moving means is preferably substantially full width at half maximum in the point image response function when the measurement light is irradiated onto the surface of the object to be measured (Claim 5).
このように構成すれば、被測定部位以外の物体内部の部位に基づく反射光等の影響を抑制することができ、しかも物体内の減衰による影響を抑制しつつ、より正確な信号光の相対的光強度を検出することができる。 With this configuration, it is possible to suppress the influence of reflected light or the like based on the part inside the object other than the part to be measured, and to suppress the influence due to the attenuation in the object, and more accurate relative signal light. The light intensity can be detected.
この発明において、上記移動手段は、光軸方向に沿った微小範囲で上記ホルダーを振動させるとともに、この振幅中心と被測定対象物との相対距離を光軸方向に上記微小範囲を超えて変更するように構成されているのが好ましい(請求項6)。なお、上記移動手段はホルダーを振動させる振動手段と、上記微小範囲を超えてホルダーを移動させるスライド手段とを一体で構成されるものであってもよいし、別体として構成されるものであってもよい。 In this invention, the moving means vibrates the holder in a minute range along the optical axis direction, and changes the relative distance between the center of amplitude and the object to be measured beyond the minute range in the optical axis direction. It is preferable to be configured as described above (claim 6). The moving means may be configured integrally with the vibrating means for vibrating the holder and the sliding means for moving the holder beyond the minute range, or may be configured as a separate body. May be.
このように構成すれば、微小振動させながら物体内部の各深さ(光軸方向の長さ)における信号光の相対的光強度を抽出することができ、信号光を発する被測定部位の物体表面からの深さを測定することができる。 With this configuration, it is possible to extract the relative light intensity of the signal light at each depth (length in the optical axis direction) inside the object while microvibrating, and the object surface of the measurement site that emits the signal light The depth from can be measured.
上記レンズの開口数は特に限定されるものではないが、レンズの開口数は、0.5以上に設定されるのが好ましい(請求項7)。 The numerical aperture of the lens is not particularly limited, but the numerical aperture of the lens is preferably set to 0.5 or more (Claim 7).
このように構成すれば、半値全幅を狭くすることができ、移動手段によるホルダーの移動距離を短くしつつ、可及的大きな信号光の相対的光強度を抽出することができる。 If comprised in this way, the full width at half maximum can be narrowed, and the relative light intensity of signal light as large as possible can be extracted while shortening the moving distance of the holder by the moving means.
また、この発明に係る共焦点型信号光検出方法は、物体内部の被測定部位に測定光を照射してこの測定光によって被測定部位から生じる信号光の情報だけを上記測定光による物体内部の反射光の中から抽出する共焦点型信号光検出方法であって、共焦点状態における上記測定光の焦点位置を所定位置に合わせた場合における反射光の光強度を測定する第1の反射光測定ステップと、この第1の反射光測定ステップにおける共焦点状態を維持しながら上記測定光の焦点位置を、この所定位置から光軸方向に所定の距離だけ外れた位置に合わせた場合における反射光の光強度を測定する第2の反射光測定ステップと、上記第1および第2の反射光測定ステップによって測定された反射光の光強度の光強度変化に基づいて上記信号光の相対的な光強度を抽出する信号光抽出ステップとを含むことを特徴とするものである(請求項8)。 Further, the confocal signal light detection method according to the present invention irradiates the measurement site inside the object with the measurement light, and only the information of the signal light generated from the measurement site by the measurement light is obtained inside the object by the measurement light. A confocal signal light detection method for extracting from reflected light, the first reflected light measurement for measuring the light intensity of reflected light when the focus position of the measurement light in a confocal state is set to a predetermined position Step and the focus position of the measurement light while maintaining the confocal state in the first reflected light measurement step, the reflected light in the case where the focal position of the measurement light is adjusted to a position deviated from the predetermined position in the optical axis direction by a predetermined distance. A relative reflected light intensity of the signal light based on a second reflected light measurement step for measuring the light intensity and a change in the light intensity of the reflected light measured by the first and second reflected light measurement steps. It is characterized in that and a signal light extracting a (claim 8).
これらの発明によっても、上記共焦点型信号光検出装置と同様に、信号光の相対的な光強度を確実に抽出することができる。 Also according to these inventions, the relative light intensity of the signal light can be reliably extracted as in the confocal signal light detection device.
具体的には、上記信号光抽出ステップでは、上記第1の反射光測定ステップによって測定された光強度と上記第2の反射光測定ステップによって測定された光強度との差分に基づいて、上記信号光の相対的な光強度を抽出したり(請求項9)、或いは、上記第1および第2の反射光測定ステップとの間で上記共焦点状態を保ったまま上記反射光の測定を連続的に行い、上記信号光抽出ステップでは、上記測定光の焦点位置を移動させた場合の反射光の光強度変化率を算出することにより上記信号光の相対的な光強度を抽出したりする(請求項10)ことにより行う。 Specifically, in the signal light extraction step, the signal is based on a difference between the light intensity measured by the first reflected light measurement step and the light intensity measured by the second reflected light measurement step. The relative light intensity of light is extracted (claim 9), or the reflected light is continuously measured while maintaining the confocal state between the first and second reflected light measurement steps. In the signal light extraction step, the relative light intensity of the signal light is extracted by calculating the light intensity change rate of the reflected light when the focus position of the measurement light is moved (claim) Item 10).
本発明の共焦点型信号光検出装置等によれば、移動手段によるホルダーの移動に伴う測定光の焦点位置の移動前後で略同一条件の共焦点状態を維持することができ、これによりこの移動前後における拡散光等の信号光以外の光の光強度を略一定にすることができる。したがって、この移動前後の反射光の光強度変化に基づいて拡散光等による光強度成分を除去等することができ、信号光に関する情報だけを抽出することができるという利点がある。このため、例えばこの共焦点型信号光検出装置を共焦点顕微鏡として利用すれば、この相対的光強度に基づき、物体内部の被測定部位、例えば内部亀裂等を観察することができる。 According to the confocal type signal light detection apparatus and the like of the present invention, it is possible to maintain the confocal state under substantially the same condition before and after the movement of the focus position of the measurement light accompanying the movement of the holder by the moving means. The light intensity of light other than signal light such as diffused light before and after can be made substantially constant. Accordingly, there is an advantage that the light intensity component due to the diffused light or the like can be removed based on the change in the light intensity of the reflected light before and after the movement, and only the information related to the signal light can be extracted. For this reason, if this confocal signal light detection device is used as a confocal microscope, for example, a measurement site inside the object, such as an internal crack, can be observed based on the relative light intensity.
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図1は、共焦点型信号光検出装置を示す概略図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a confocal signal light detection device.
共焦点型信号光検出装置3は、物体内部の被測定部位に測定光を照射してこの測定光が被測定部位で反射されることによって生じる信号光の情報(相対的な光強度)だけを拡散光を含めた反射光から抽出するものである。当実施形態では、被測定対象物A内に測定光を照射して亀裂などの被測定部分A1で反射された信号光を検出することによってこの被測定部分A1の位置を検出するための位置検出装置として構成されている。 The confocal type signal light detection device 3 irradiates measurement light to the measurement site inside the object and reflects only the signal light information (relative light intensity) generated by the measurement light being reflected by the measurement site. Extracted from reflected light including diffused light. In the present embodiment, position detection for detecting the position of the measurement target portion A1 by irradiating the measurement target object A with the measurement light and detecting the signal light reflected by the measurement target portion A1 such as a crack. It is configured as a device.
具体的には、この共焦点型信号光検出装置3は、被測定対象物Aを載置固定する台座部4と、被測定対象物Aに対して測定光を照射するとともに共焦点状態においてこの測定光による反射光を受光する共焦点光学システム5と、この共焦点光学システム5によって検出された反射光を測定するとともにこの反射光の光強度に基づいて信号光の相対的強度を抽出する測定装置7とを備える。
Specifically, the confocal signal light detection device 3 irradiates the measurement object A with measurement light on the pedestal 4 for placing and fixing the measurement object A, and in the confocal state A confocal
台座部4は、移動装置9に支持され、前後左右に移動可能に構成されるとともに、上下に昇降可能に構成されている。したがって、移動装置9を駆動させることによりこの台座部4を移動させることができ、これにより、測定光の焦点位置を図1におけるX,Y方向だけでなくZ方向(光軸方向)にも移動させることができる。すなわち、この移動装置9は、被測定対象物Aとホルダー57の相対距離および位置を各軸に沿って変更するものであり、その移動距離は後述する焦点深度よりも大きく設定されている。
The pedestal portion 4 is supported by the moving
共焦点光学システム5は、上記測定光を被測定対象物Aに照射するとともに、この測定光による反射光を上記測定光の照射位置で受光するように構成され、この照射・受光部が後述する光ファイバ51の一端面で構成されることにより共焦点状態が形成され、測定光の焦点位置での受光量が大きくなるように構成されている。具体的には、この共焦点光学システム5は、カプラ55を介在させることによって分岐形成された光ファイバ51と、この光ファイバ51の一端部51aに配設されたヘッド52と、光ファイバ51の分岐端部の一方51bに接続された光源部53とを備え、光ファイバ51の分岐端部の他方51cに測定装置7が接続されている。そして、共焦点光学システム5は、光源部53において生じた測定光が光ファイバ51を通じてその一端部51aの端面から上記被測定対象物Aに照射されるとともに、この測定光による反射光を当該光ファイバ51の一端部51aの端面において受光しカプラ55で分光されて測定装置7に導くものとなされている。
The confocal
光ファイバ51は、コアの周囲にクラッド層および被覆部が設けられた公知の可撓性を有するファイバである。この光ファイバ51は、図1において省略されているが、比較的長尺に形成されている。したがって、この光ファイバ51の一端部51aに設けられたヘッド52は、光源部53や測定装置7に対して比較的自由に移動できるように構成されている。この光ファイバ51の一端部51aは、ヘッド52の後述するハウジング56の上面壁を貫通して端面がその内部に配置された状態でヘッド52の後述するホルダー57にその一端面を下方(被測定対象物A方向)に指向させた状態で固定されている。
The
ヘッド52は、光ファイバ51の一端部51aを保持するとともに、この光ファイバ51から照射される測定光およびこの測定光による反射光を集束させるための対物レンズ58を保持するものであり、この光ファイバ51の一端部51aの端面と対物レンズ58との相対位置を固定した状態で両者51,58を測定光の上下方向に、すなわち光軸方向に沿って振動させる振動機構59が設けられている。
The
具体的には、ヘッド52は、光軸方向の一方側(図1では下方)が開口された有底円筒状のハウジング56と、ハウジング56の上面壁に配設された振動機構59と、この振動機構59によって光軸方向に振動されるホルダー57と、このホルダー57に保持された対物レンズ58とを備え、ホルダー57に光ファイバ51の端部51aが固定されることによりこの光ファイバ51と対物レンズ58との相対位置が固定されて共焦点状態が維持されるとともに、このホルダー57を後述する所定の振幅(位置F1と位置F2との間)で振動機構59によって振動させることにより上記共焦点状態を維持したまま振動させるように構成されている。なお、図1ではこの振幅は、説明の便宜上比較的大きく記載されているが、実際は後述のように微小距離に設定されている。
Specifically, the
ホルダー57は、断面略U字状に形成され、上部に光ファイバ51の一端部51aが挿通固定されるとともに、この光ファイバ51の一端部51aの端面から離間させた状態で、その側部の内周で対物レンズ58が保持されている。このホルダー57は、ハウジング56の上面壁に光軸方向(図1では下方)に突出するガイドレール60に上下移動可能に支持されている。なお、このガイドレール60は適宜省略することができるが、ホルダー57を光軸方向に沿って的確に振動させるためには該ガイドレール60が設けられるのが好ましい。
The
対物レンズ58は、上記したように、光ファイバ51の一端部51aの端面から照射される測定光を集束するとともに、この測定光による反射光を集束して光ファイバ51の一端部51aの端面に受光させるものである。この対物レンズ58の開口数は、特に限定されるものではないが、このレンズ58によって集束される測定光による信号光の点像応答関数の半値全幅を狭くするには、0.5以上に設定されるのが好ましく、一方、この開口数が大きすぎると焦点深度も浅くなることから、例えば0.5〜1.0の範囲内で設定されるのが好ましい。このように信号光の半値全幅を狭くすると、次述する振動機構59の振幅も小さくすることができ、この振動機構59をコンパクトに形成することができる。
As described above, the
振動機構59は、圧電素子を用いてプローブ(不図示)を上下(光軸方向)に振動させるように構成されるとともに、このプローブがホルダー57に接続されることにより該ホルダー57をガイドレール60に沿って一定の周期で光軸方向に沿って振動させるように構成されている。このホルダー57が振動すると、図2に示すように、測定光の焦点位置Fも振動する。この焦点位置Fの振幅中心Zpは、上記移動装置9によって台座部4が上下方向に移動することにより光軸に沿って移動する。すなわち、この測定光の焦点位置Fは振幅中心Zpの移動に伴って移動するとともに、この振幅中心Zpの移動に伴って移動する最上点F1と最下点F2との間をホルダー57が振動するものとなされている。
The
この振動機構59によるホルダー57の振動周期は、特に限定されるものではないが、後述する増幅器72としてロックインアンプを用いるために適当な範囲に設定されている。また、この振動機構59による振幅aは、焦点深度df(図2参照)を考慮して適宜設定される。すなわち、後述するように、この測定装置7ではこの振幅aにおける最上点F1と最下点F2(図2参照)とにおける反射光の光強度の差分に基づいて信号光の相対的な光強度を抽出するように構成されている。したがって、この振幅aを大きくして反射光に信号光が含まれる点と反射光に信号光が全く含まれない点との光強度の差分を算出すれば、この差分が顕著に表れる。しかしながら、この差分を大きくとるために、振動機構59による振幅を大きくし過ぎると、被測定対象物Aの内部の部位A1以外の部分に測定光が反射されて信号光が生じる場合があり、また測定光の減衰による影響を受けやすくなる虞がある。したがって、この振幅aは、測定光の焦点深度afを僅かに上回る値に設定されるのが好ましい。
The vibration period of the
なお、図示していないが、ヘッド52は、反射光の測定時は接地されて地面に対する相対位置が固定されるように構成されている。このようにヘッド52を固定することにより被測定対象物Aとホルダー57との相対位置を可及的正確に変化させることができ、これにより的確に反射光の測定が可能となる。
Although not illustrated, the
光源部53は、光源により発生した測定光を光ファイバ51に入光させることができるように構成された公知の光源部である。例えば、この光源部53は、発光ダイオードや各種レーザ等によって構成された光源から測定光を発生させて干渉フィルタ等を通過させ、集光レンズで光ファイバ51の分岐端部の一方51bに入光させるように構成されている。この光源部53は、例えばHe−Neレーザ光が照射されるように構成されている。なお、この光源部53は、出力する測定光の波長を調整可能に構成されているものであってもよく、この場合には、被測定対象物Aの素材等に応じて測定光の波長を適宜変更することができる。
The
一方、測定装置7は、光信号を電気信号に変換するフォトディテクタ(光検出器)71と、この電気信号を増幅する増幅器72と、この増幅された信号から信号光に関する情報だけを抽出する信号光抽出装置75とを備え、光ファイバ51の分岐端部の他方51cから入光した反射光がフォトディテクタ71で電気信号に変換され、この電気信号が増幅器72で増幅されるように構成されている。増幅器72は、いわゆるロックインアンプ機能を有し、微弱信号を拾いこの信号を増幅可能に構成されている。
On the other hand, the measuring device 7 includes a photodetector (light detector) 71 that converts an optical signal into an electrical signal, an
この増幅器72には、上記したように、増幅された電気信号から信号光に関する情報だけを抽出する信号光抽出装置75が接続されている。この信号光抽出装置75は、図示を省略するが、CPU、メモリ、インターフェース、並びにこれらのユニットを接続するバスを有している。この信号光抽出装置75のメモリには、各種データやプログラム等が記憶されており、CPUがこれらのデータやプログラム等を実行することによって、上記移動装置9を制御して台座部4を移動させるとともに、振動機構59を作動させて互いに異なる位相(当実施形態では最上点と最下点)における反射光の光強度をメモリに記憶して、両者の差分を算出することにより信号光の相対的な光強度を抽出するように構成されている。すなわち、この信号光抽出装置75は、移動装置9の制御手段と、振動機構59の制御手段と、信号光の相対的な光強度を算出するための算出手段とを機能的に有している。
As described above, the
なお、この信号光抽出装置75は、これらの各機能を発揮するために必要な各種センサ等が接続されている。また、信号光抽出装置75は、各種設定やデータを入力するためのキーボード等の入力手段(図示省略)が設けられているとともに、信号光の相対的な光強度に関する情報を表示するための表示手段76(例えば液晶ディスプレイ、CRT等)が設けられている。
The signal
具体的には、信号光抽出装置75は、振動機構59によってホルダー57を振動させてこの振幅の最上点および最下点における反射光の光強度を測定装置7から読み出して、各光強度をメモリに記憶させる。そして、この信号光抽出装置75は、上記メモリに記憶されている各光強度を呼び出して両者の差分を算出するように構成され、振幅中心が所定の位置(深さ)にある場合のこの振幅中心における信号光の相対的な光強度を抽出するように構成されている。
Specifically, the signal
また、この信号光抽出装置75は、移動装置9および振動機構59の動作を制御するように構成され、移動装置9による台座部4の移動と、振動機構59によるホルダー57との振動とを同期させるように構成されている。すなわち、信号光抽出装置75は、振動機構59を動作せるとともに、この振動機構59の動作に伴って移動装置9を駆動して、台座部4を光軸方向に移動させるように構成されている。
The signal
そして、移動装置9によって台座部4がZ軸方向に移動されることにより、被測定対象物Aの深さ方向(光軸方向)にわたって信号光の相対的強度分布を測定するように構成されている。この信号光抽出装置75の具体的作用は、信号光抽出方法とともに次述する。
The pedestal 4 is moved in the Z-axis direction by the moving
次に、上記構成の共焦点型信号光検出装置3を用いて信号光の相対的な光強度を検出する信号光検出方法について、図3および図4を用いて説明する。図3は、測定光の点像応答関数を示すグラフである。また、図4(a)は被測定対象物内の反射率を、測定光の点像応答関数とともに示すグラフであり、図4(b)は測定装置で検出される光強度であって、上記測定光の焦点位置を所定位置(位置F1)に合わせた場合における反射光の光強度と、上記測定光の焦点位置をこの所定位置から光軸方向に外れた位置(位置F2)に合わせた場合における反射光の光強度との光軸方向の各変化を示すグラフであり、図4(c)は上記各反射光の光強度の差分値を示すグラフである。 Next, a signal light detection method for detecting the relative light intensity of the signal light using the confocal signal light detection device 3 having the above configuration will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a graph showing a point image response function of measurement light. FIG. 4A is a graph showing the reflectance in the measurement object together with the point image response function of the measurement light, and FIG. 4B is the light intensity detected by the measurement device, When the light intensity of the reflected light when the focus position of the measurement light is set to a predetermined position (position F1) and the focus position of the measurement light are set to a position (position F2) deviating from the predetermined position in the optical axis direction FIG. 4C is a graph showing the difference between the light intensities of the reflected lights.
ところで、上記のように被測定対象物A内に測定光を照射すると、この対象物A内で測定光はそのほとんどが散乱されて散乱光としての迷光を生じるとともに、直進光が被測定部分A1で反射されて信号光を生じる。この信号光は、上記散乱光とともに被測定対象物Aの表面に表れ、当該散乱光とともに光ファイバ51の一端部51aの端面に入光される。この信号光は上記迷光に比べて極めて小さいので、このままでは信号光を抽出するのは困難である。そこで、上記共焦点型信号光検出装置3を用いてこの信号光の相対的な光強度を抽出するようにしている。
By the way, when the measurement light is irradiated into the object A to be measured as described above, most of the measurement light is scattered in the object A to generate stray light as scattered light, and the straight light is to be measured A1. Is reflected to produce signal light. This signal light appears on the surface of the object A to be measured together with the scattered light, and enters the end surface of the one
具体的には、まず台座部4に被測定対象物Aを配置して固定する。そして、移動装置9を駆動して被測定部分A1が光ファイバ51の光軸上に配置されるように台座部4をXY平面内で移動させる。次に、移動装置9を駆動して台座部4をZ軸方向に移動し、測定光の焦点位置Fの振動機構59による振幅中心Zpを被測定対象物Aの所定深さz0に配置する。これらの一連の作業においては、目視により、或いはこれらの操作に必要な情報が表示手段76に表示されることにより行われる。
Specifically, first, the object A to be measured is arranged and fixed on the pedestal portion 4. Then, the moving
上記準備が完了して信号光検出装置3の測定開始スイッチ(不図示)を押圧することにより、光源部53から光ファイバ51にレーザ光としての測定光が照射され、この測定光が光ファイバ51の一端部51aの端面から被測定対象物Aに対して照射される。また、同時に光ファイバ51の一端部51aおよび対物レンズ58を保持しているホルダー57が振動機構59によって振動され往復運動を始める。この振動機構59の往復運動により、図2に示すように、測定光の焦点位置Fも所定位置Zpを中心に位置F1と位置F2との間を振幅aで往復運動し、図3に示すように、この測定光による点像応答関数も関数h1と関数h2との間で光軸方向に沿ってスライド往復する。ここで、点像応答関数h1は、ホルダー57が最上点F1にある場合の測定光の点像応答関数であり、点像応答関数h2は、ホルダー57が最下点F2にある場合の測定光の点像応答関数である。なお、この図3(a)では、点像応答関数の縦軸が光強度ではなく、減衰率等を含めた光強度を示した検出効率として示されている。
When the above preparation is completed and a measurement start switch (not shown) of the signal light detection device 3 is pressed, measurement light as laser light is irradiated from the
この被測定対象物Aに入射された測定光は、図4(a)に示すように、所定の反射率で反射される。この反射率は被測定部分A1が存在する、位置z2から位置z4の間で大きくなっている。すなわち、測定光は、その焦点位置Fが被測定部分A1にある場合に、一部が信号光として反射されるとともに、大半が被測定対象物A内に進入することにより拡散され、一方、その焦点位置Fが被測定部分A1から外れている場合に、被測定対象物A内に進入することにより拡散される。これらの信号光および拡散光は、反射光として被測定対象物A内の表面に表れ、この反射光が光ファイバ51の端面に入光し、測定装置7でその光強度が検出される。
The measurement light incident on the measurement target A is reflected with a predetermined reflectance as shown in FIG. This reflectance is large between the position z2 and the position z4 where the portion to be measured A1 exists. That is, when the focus position F is in the measured portion A1, the measurement light is partially reflected as signal light and most of the measurement light is diffused by entering the measurement target A, while When the focal position F is deviated from the measured portion A1, it is diffused by entering the measured object A. These signal light and diffused light appear as reflected light on the surface of the object A to be measured, the reflected light enters the end face of the
より具体的には、振動機構59による振動が開始されると、測定装置7において反射光の光強度を連続的に測定し、測定光の焦点位置が最上点F1にある場合の反射光の光強度を信号光抽出装置75が測定装置7から読み出して、この信号光抽出装置75のメモリにその光強度を記憶させる(第1の反射光測定ステップ)。例えば、測定光の焦点位置Fの振幅中心Zpが、図4(a)に示す位置z2にある場合に、図4(b)に示すように、反射光の光強度はP1で示される値になり、この値P1を信号光抽出装置75のメモリに記憶させる。
More specifically, when the vibration by the
続いて、測定光の焦点位置が最下点F2にある場合の反射光の光強度を信号光抽出装置75が測定装置7から読み出して、この信号光抽出装置75のメモリにその光強度を記憶させる(第2の反射光測定ステップ)。例えば、測定光の焦点位置Fの振幅中心Zpが、図4(a)に示す位置z2にある場合に、図4(b)に示すように、反射光の光強度はP2で示される値になり、この値P2を信号光抽出装置75のメモリに記憶させる。なお、第1の反射光測定ステップと第2の反射光測定ステップとが時系列的に逆になってもよいことはいうまでもない。
Subsequently, the signal
そして、この信号光抽出装置75において、上記最上点F1の反射光の光強度P1と、最下点F2の反射光の光強度P2との差分を算出して信号光の相対的な光強度を抽出する(信号光抽出ステップ)。上記例では、図4(c)に示されるように、信号光抽出装置75が差分値(P2−P1)を算出し、この値(P2−P1)を信号光抽出装置75のメモリに記憶させる。
In the signal
一方、信号光検出装置3は、振動機構59によるホルダー57の振動が開始されると、同時に移動装置9が駆動して台座部4を上昇させ、これにより測定光の焦点位置FがZ軸方向に移動するように構成されている。したがって、移動装置9を駆動させることにより、測定光の焦点位置Fの振幅中心Zpが位置z0からz6方向に移動し、振幅中心Zpが被測定対象物Aの深さ方向の各点(z0〜z6)にある場合の最上点F1の反射光の光強度および最下点F2の反射光の光強度がそれぞれ測定されるとともに、これらの差分値が算出される。この反射光の光強度変化は図4(b)に示す。この図4(b)において、焦点位置Fが最上点F1にある場合の光強度の変化を実線で示し、焦点位置Fが最下点F2にある場合の光強度の変化を二点鎖線で示している。
On the other hand, when the vibration of the
この図4(b)では、説明の便宜上光強度変化を明確に示しているが、実際は極めて微小であり、これだけでは信号光による変化が拡散光に埋没してその測定は極めて困難である。ここで、この信号光抽出装置75では、共焦点状態を維持したままホルダー57を振動させているので、反射光の光強度に含まれる拡散光成分は振動経路のどの点でも略一定であると考えられる。したがって、共焦点状態を維持しつつホルダー57を振動させて、図4(c)に示すように各反射光の光強度の差分を算出することにより、拡散光による光強度成分を除去することができ、信号光の光強度変化、すなわち、信号光の相対的な光強度だけを抽出することができる。そして、この相対的な光強度だけを増幅すれば、この信号光の相対的な光強度だけを明確に測定することができる。
In FIG. 4B, the light intensity change is clearly shown for convenience of explanation. However, the change is actually very small, and the change due to the signal light is buried in the diffused light, and the measurement is very difficult. Here, in the signal
すなわち、上記共焦点型信号光検出装置3および信号光検出方法によれば、ホルダー57によって光ファイバ51の一端および対物レンズ58の相対位置が固定されているので、このホルダー57を光軸方向に移動させても略同一条件の共焦点状態を維持することができる。このように略同一条件の共焦点状態を維持した場合には、被測定対象物Aの表面から放射される拡散光の光強度はこのホルダー57の移動前後で略同一と考えられる。このため、上記測定光の焦点位置Fを光軸方向に振動させた場合の光強度変化に基づき、すなわち測定光の焦点位置Fが位置F1にある場合の反射光の光強度と、測定光の焦点位置Fが位置F2にある場合の反射光の光強度との差分を算出することにより、光ファイバ51の一端から受光される反射光の光強度から拡散光に基づく光強度成分を除去することができ、信号光に関する情報だけを抽出することができる。
That is, according to the confocal signal light detection device 3 and the signal light detection method, since the relative position of the one end of the
すなわち、光ファイバ51で信号光を受信していない場合には、反射光内に信号光成分を含まないので、上記差分は図4(c)に示すように、0となる。一方、光ファイバ51で信号光を受信する境界では、振動機構59によって焦点位置Fを移動させると、共焦点状態を維持しているため、信号光成分だけによる影響が反射光の光強度に現れる。しかしながら、この信号光成分は微小であるため、このままでは拡散光成分に埋没して信号光に関する情報を抽出することができない。そこで、ホルダー57の移動前後での反射光の光強度の差分を算出することにより、拡散光成分が除去され、信号光の変化分が算出されて信号光の相対的光強度を抽出することができる。
That is, when the signal light is not received by the
つまり、この装置3および方法によれば、物体内部の被測定部分A1についても信号光の相対的光強度を抽出することができ、これにより被測定対象物A内の亀裂等を的確に把握することができる。 That is, according to the apparatus 3 and the method, the relative light intensity of the signal light can be extracted also from the measurement target part A1 inside the object, thereby accurately grasping the crack or the like in the measurement target A. be able to.
また、ヘッド52が光ファイバ51を介して測定装置7や光源部53に接続されているので、ヘッド52を大きく移動させる場合であってもその移動を容易に行うことができる。
In addition, since the
なお、以上に説明した共焦点型信号光検出装置3は、本発明に係る装置の一実施形態であって、装置の具体的構成等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であり、変形例を以下に説明する。 The confocal signal light detection device 3 described above is an embodiment of the device according to the present invention, and the specific configuration of the device can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. A modification will be described below.
(1)上記実施形態では、振動機構59によってホルダー57を振動させ、測定光の焦点位置Fが位置F1と位置F2とにある場合の反射光の光強度を測定、抽出してこの反射光の光強度の差分に基づいて信号光の相対的な光強度を算出するものとなされているが、例えば上記光強度変化のいずれか一方の光強度変化の微分値を算出することにより、信号光の相対的な光強度を算出することができる。この場合、上記振動機構59を省略して、移動装置9によって台座部4を所定の振幅で反復運動させることにより、ロックインアンプ方式で反射光の光強度を測定することができる。
(1) In the above embodiment, the
(2)上記実施形態では、移動装置9によって台座部4を移動させることにより、ヘッド52と被測定対象物Aとの相対位置を変更するものとなされているが、移動装置によってヘッド52をX,Y,Z軸に沿って移動させるものであってもよい。
(2) In the above embodiment, the relative position between the
(3)上記実施形態では、測定光を照射して被測定部分A1によって反射された反射光を信号光としているが、被測定対象物Aによっては測定光として励起光を照射し、被測定対象部分によって生じた蛍光を信号光とするものであってもよい。この場合には、図5に示すように、光ファイバ51の分岐端部の一方51bの途中であって、光源部とカプラ55との間に特定波長の励起光だけを測定光として抽出する励起フィルタ65が設けられるとともに、光ファイバ51の分岐端部の他方51cの途中であって、測定装置とカプラ55との間に蛍光だけを透過する吸収フィルタ66が設けられる。
(3) In the above embodiment, the reflected light reflected by the measurement target portion A1 by irradiating the measurement light is used as the signal light. However, depending on the measurement target A, the excitation light is irradiated as the measurement light, and the measurement target. Fluorescence generated by the portion may be signal light. In this case, as shown in FIG. 5, in the middle of one of the branch ends 51b of the
A 被測定対象物
A1 被測定部分
3 共焦点型信号光検出装置
5 共焦点光学システム
7 測定装置
9 移動装置(移動手段の一例に相当)
51 光ファイバ
52 ヘッド
53 光源部
57 ホルダー
58 対物レンズ
59 振動機構(移動手段の一例に相当)
71 フォトディテクタ
72 増幅器
75 信号光抽出装置
A object to be measured A1 part to be measured 3 confocal
51
71
Claims (10)
一端から上記被測定部位に対して上記測定光を照射するとともに当該一端から上記信号光を含めた反射光を受光する光ファイバと、
上記測定光および上記反射光を集束するレンズと、
上記光ファイバの一端および上記レンズとの相対位置を固定することにより共焦点を保持するホルダーと、
上記ホルダーを光軸方向に所定の距離移動させることにより上記光ファイバによる測定光の焦点位置を変更する移動手段と、
上記光ファイバの反射光の光強度を測定する光検出器とを備え、
上記測定光の焦点位置を光軸方向に移動させた場合の反射光の光強度変化に基づいて上記信号光の相対的な光強度を抽出する信号光抽出手段が設けられていることを特徴とする共焦点型信号光検出装置。 A confocal signal light detection device that irradiates a measurement site inside an object with measurement light and detects only the information of the signal light generated from the measurement site by this measurement light,
An optical fiber that irradiates the measurement light from one end to the measurement site and receives reflected light including the signal light from the one end;
A lens that focuses the measurement light and the reflected light;
A holder for holding a confocal by fixing a relative position between one end of the optical fiber and the lens;
Moving means for changing the focal position of the measurement light by the optical fiber by moving the holder a predetermined distance in the optical axis direction;
A photodetector for measuring the light intensity of the reflected light of the optical fiber,
Signal light extraction means for extracting the relative light intensity of the signal light based on the light intensity change of the reflected light when the focal position of the measurement light is moved in the optical axis direction is provided. A confocal signal light detection device.
共焦点状態における上記測定光の焦点位置を所定位置に合わせた場合における反射光の光強度を測定する第1の反射光測定ステップと、この第1の反射光測定ステップにおける共焦点状態を維持しながら上記測定光の焦点位置を、この所定位置から光軸方向に所定の距離だけ外れた位置に合わせた場合における反射光の光強度を測定する第2の反射光測定ステップと、上記第1および第2の反射光測定ステップによって測定された反射光の光強度の光強度変化に基づいて上記信号光の相対的な光強度を抽出する信号光抽出ステップとを含むことを特徴とする共焦点型信号光検出方法。 A confocal signal light detection method that irradiates the measurement site inside the object with measurement light and extracts only the information of the signal light generated from the measurement site by the measurement light from the reflected light inside the object by the measurement light. There,
A first reflected light measurement step for measuring the light intensity of the reflected light when the focus position of the measurement light in the confocal state is set to a predetermined position, and maintaining the confocal state in the first reflected light measurement step. However, a second reflected light measurement step for measuring the light intensity of the reflected light when the focus position of the measurement light is adjusted to a position deviated from the predetermined position by a predetermined distance in the optical axis direction; A confocal type including a signal light extraction step of extracting a relative light intensity of the signal light based on a light intensity change of the light intensity of the reflected light measured by the second reflected light measurement step. Signal light detection method.
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