JP2007524807A - 球形光散乱及び遠視野位相の測定 - Google Patents

Abstract

遠視野測定装置（１０、５０、１５０）は、五角形状に加工され測地線球形状に配置した複数の結像レンズ（１４、４０）を備える。これらレンズは、測定される散乱光（２６）の光源（Ｓ）に焦点を合わせた共通の視野を備えている。非球面レンズ（４０）を用いて入射角が大きい散乱光を容易にコリメートする。例えばカメラのような測定モジュール（１２、７８）を各レンズの裏側に用いる。測定モジュールは干渉計又はシャック−ハートマン型波面センサ（７４）とすることができ、散乱光（２６）の強度及び位相を測定できる。

Description

関連出願

本出願は、２００３年２月２６日付けで提出された米国仮出願第６０／４５０，１８５号及び２００３年３月５日付けで提出された米国仮出願第６０／４５２，３００号に基づく。

技術分野
本発明は光波散乱計測に関わる。詳細には、本発明は、半球形及び／又は球形光錯乱並びに位相測定技術を用いた反射散乱波面又は透過散乱波面の同時測定を伴う遠視野測定に関する。

関連技術の説明

特定物質又は表面がどのように光を球形（「散乱」）放射で反射又は透過するかを測定することによる光源や物質特性の分析には、光波散乱計測が用いられている。例えばＬＥＤなどのように表面が自分自身の光を放射していなければ、その表面に角度を付けてレーザーのような光源を向け、入射点から散乱光を発生させることができる。この表面が鏡面であるか或いは一方向に入射光を放射する場合、全ての光は単一ビームとしてこの表面から反射される。そうでなければ、反射光は、試験表面上方の半球体全体にわたり散乱且つ放射されるはずである。散乱光に関する科学的知識体系及び数学は既に確立している。例えば、J. C. Stoverの「光散乱：測定と分析（Optical Scattering: Measurement and Analysis）」、McGraw-Hill社刊、ニューヨーク（１９９０）を参照されたい。

典型的なスキャッタメーターは、試験表面にビームを照らすレーザーと、被照射点の周りを１８０度の円弧にわたり機械的に走査される単一の検出器を含む。この検出器の視界は、視角に関わらず被照射点上に維持される。各視角において光の強度が測定され、従って散乱光の空間的分布を出力する。この走査円弧上の分布は、物質の種類、表面粗さ、反射率、色、表面構造、表面下損傷などを含む試験表面の特性に依存する。

単一の検出器の走査は、半球体全体などの大きな範囲にわたる散乱の測定能力や、強度の大きなダイナミックレンジの測定能力を大きく制限してきた。更に、半球体全体を走査するには長時間を要する。従って、試験表面上の多くの点にわたる走査を測定することは単一の検出器では極めて非現実的であった。多数の測定位置で動的事象を測定することは、このアプローチでは不可能であった。

こうした限界を克服するため、単一の検出素子を備えた、大きな半球形領域に分布させた多数の検出器が使用されてきた。例えば、限られた数の検出器（１０個から１２０個までの検出器）を円弧に沿って配置するものがあり、この構成では円弧の中心が測定点となる。散乱視野（或いは、本明細書で定義した遠視野パターン）が均一であれば、このアプローチは効果的だが、遠視野パターンが不規則であったり、高周波を含んでいたりすると上手く機能しない。

別の従来技術のアプローチとしては、レーザービームを、半透明ドームの穴を介してこのドームの中心に位置決めした試験試料を照射するものがある。すると試験試料からの散乱光がドーム内表面を照らす。ドーム内表面は半透明なので、カメラを使用してドームの外側面から散乱光を観察できる。このアプローチは、一定の基本的な用途には十分な機能を果たす。しかし、光はドームの内側表面と外側表面との間で横方向に散乱可能なので、不正確な測定結果をもたらしてしまう。又、この方法では、カメラの表面に対して垂直方向から９０度近い角度で散乱する光（すなわち、半球形ドームの縁部）を容易に測定できない。

半球形散乱光を測定する別の方法が、米国特許第５，３１３，５４２号、第５，４７５，６１７号、第５，６１５，２９４号、第５，６４０，２４６号、及び第５，７２９，６４０号に記載されている。このアプローチは、光ファイバの束を用いた半球体の一部の三次元測定に基づいている。これは、光ファイバの束のテーパ部を球形状に切ることにより行う。光ファイバ束の反対側端部は非常に小さい直径までテーパさせ、カメラに接続する。この方法により、半球体の一部における極めて高い分解能での測定が可能となる。しかし、このアプローチの主たる不利な点は、ダイナミックレンジが低いこと、光ファイバ束の費用、光がファイバ中を移動する際に位相情報が失われること、半球体全体を測定する際の機械的な走査要件である。

従って、これら従来技術の全ての方法は、遠視野範囲及び角測定分解能の程度において共通した限界がある。更に、これら方法では位相を測定できない。従って、本発明の分野では、単一測定器を用いて実時間で球形散乱及び位相を測定可能なシステムが非常に望まれており、前例のない医学的診断能力をもたらすはずである。本発明は、従来技術装置の多くの問題を解決し、これまでは不可能であった速さでより多くの測定データを獲得可能とする。更に、散乱光からの球形及び位相情報を同時に得ることができる。

発明の概要
本発明は、試料光源から、強度及び位相を測定するように適合された一組の測定モジュールに発せられる光を結像するよう設計された独自のレンズを利用する。結果として、本発明は、半球体又は全球体にわたり、その球体の中央に位置した光源から収集された散乱又は放射光を高い解像度で測定可能とする。こうして得られる測定は、光源を、３６０度の視点から全てを高解像度で且つ同時に観察する人間の目に三次元で映る像に類似した像を形成する。更に、位相も同時に測定できるので、強度測定からだけでは得られない有意義な物質特性を解明するのに好適に利用できるデータも提供する。

本発明の一局面によれば、好適な実施形態は、五角形状に加工され測地線球形状に配置された複数の結像レンズを備えた遠視野測定装置からなる。この五角形状によって、これらレンズ全てが測地線ドームパターンに嵌合可能となり、このドームパターンでは、全てのレンズは測定対象となる光の光源に概ね焦点を合わせた共通の視野を備えている。このレンズ構成により、点光源から半径方向に照射する全ての光の収集が可能となり、従って、測定領域において不感帯を生じる円形の収集光学素子を用いる従来技術に比べて大きな利点となる。他の非円形状レンズも可能だが、五角形状が、画像の質と、レンズの数と、ドームのサイズと、遠視野測定範囲との間で最適なバランスをもたらすことが分かっている。全てのレンズは共通の視野を備えており、レンズが概ね半球形又は球形構成で配された場合、この共通視野は対応する測地線ドームの中心となる。

球形構造体の作製に必要なレンズの数を減らすためには各レンズはかなり大型でなくてはならないが、大型レンズは波面にかなりの収差をもたらしてしまう。従って、本発明の別の局面によれば、それぞれの五角形状結像レンズは、波面収差を減少させるため設計された多要素の光学素子からなる。例えば、こうした光学素子は、第１下位要素が非球面の五角形状レンズである典型的なズームレンズからなるものとしてよい。本発明の分野では周知のように、非球面設計とすることで、収差の補正に必要な下位レンズの数を最小限に抑える一方で、散乱光の入射角を大きくできる。非球面レンズの代わりに、非球面設計をシミュレートするフレネルレンズを用いてもよい。フレネルレンズの形成する像は低品質だが、このレンズはかなり薄くて軽量である。従って、実際の用途の要件に従って、非球面レンズ又はフレネルレンズを用いて本発明を実施できる。五角形状レンズの裏側には、付加的な下位レンズを使用して、波面を測定モジュール内のカメラに結像する準備として波面をコリメートし平坦化する。好適なこの実施形態では、各モジュールは、非球面五角形状レンズ、コリメータレンズ、フィールド・フラットナーレンズ、及びモジュール結像レンズを含む。要件がそれほど厳しくない用途では、単要素の五角形レンズを用いることができる。

例えばカメラのような測定モジュールを各他要素レンズの裏側に用いる。本発明の一実施形態では、測定モジュールはシャック−ハートマン型波面センサからなり、検出した波面の強度及び位相を測定できる。別の実施形態では、測定モジュールは、外部基準波面に対する入射波面の移相を必要とする干渉計である。本実施形態の好適な形式は、各測定モジュール内に点回折干渉計を備えている。点回折干渉計は、遠視野波面からそれ自身の基準ビームを形成するので、強度及び位相両方の測定が可能である。シアリング干渉計を含む他の種類の干渉計を使用してもよい。

各測定モジュールは、情報を処理すると共に好適には結果を表示するコンピュータと従来の様態でインターフェース接続する。同時データ獲得用に各測定モジュールを電子的に同期化することで、動的事象を獲得できる。情報が大量になるので、後の分析に供するために、ビデオ又はＤＶＤレコーダを用いて実時間でデータを記録できる。ニューラルネットワークが、本発明の測定モジュールから得られる生データ処理に大きな役割を果たすことも期待されている。得られるデータを用いて、平滑面及び粗面、半導体、浮遊微粒子、生体材料、気体、液体、並びに分子構造を含む多くの物質及び材料の特性を決定できる。

本発明の他の様々な目的及び利点は、本明細書の次の記載と添付の特許請求の範囲で詳しく示した新規の特徴とから明かになるはずである。しかし、こうした図面及び記載は、本発明を実施可能な様々な様態の一部を開示したものにすぎない。

発明の詳細な説明

本発明の要旨は、非球面レンズ系と、隣接配置した光検出器からなる対応した系とを組み合わせて、試料上の点光源から散乱した全ての光を同時に捕捉し、測定することにある。更に、適切な検出器を使用することで、散乱光の位相分布も同様に測定できる。

本明細書では、「遠視野パターン」及び「散乱光」という用語は交換可能に用いられており、点光源から半径方向パターンで放射する光を指す。「球形」及び「半球形」という用語はこうした幾何学的形状と、球形の形状を備えたそれらの部分（例えば、球上の図形の幾何学的形状）を指す。「赤道面」は、こうした球形の幾何学的形状を備えた構造体の均分円と同一平面上の平面として定義する。最後に、「測地線」という用語は、互いに連結した平面を備えた多面構造体で、こうした平面の辺が所与表面（例えば半球）の二点間で最短距離となるように好適には（必須ではないが）構成された多面構造体を指すために用いる。

図面を参照すると、図１Ａ及び１Ｂは本発明を、それぞれ断面図と平面図で示した概ね半球形の構成体１０で示す。測定モジュール１２及び対応するレンズ１４が半球形の支持構造体１６に取り付けられ、半球形状の表面のほぼ全域を覆っている。本発明の実施には、上述のように五角形状レンズ及び対応する測定モジュールが好ましいが、図示の便宜上、図面では小型の正方形要素を用いた。事実、構造体１６の球形曲率を実現するには、各モジュール１２及びレンズ１４が正確な正方形の形状から逸脱しないと、隙間無しで構造体１６を覆うことはできないことが明確に知られている。図１Ａのこの設計には多くのレンズ１４が必要であり、それによって高解像度の測定が可能となるが、対応する数のモジュール１２を設けるため非常にコスト高となる。

レーザー源（図示しない）が発した光ビームＬは、半球構造体１６のアパーチャ１８を介して所望の角度αで試験試料Ｓに向けて投射される。角度αは、試料表面への垂線に対して０度から９０度の間をとりうる。ビームＬは、本発明の半球体内部に設けた小型の光源から発生させることも可能である。試料表面Ｓが特に鏡面なら、光Ｌの一部分はこの表面に反射し、半球形構造体１６の第２アパーチャ２０を介して外部へ放射される。反射ビームが確実にアパーチャ２０を通過して外部へ投射されるように、手動又は電動ステージ２２を設けて（図１Ｂで概略的に示した）角度αを適切に変更可能とする。この特徴は、ビームＬがレンズ１４に反射して試料表面Ｓに戻ってしまうことが望ましくない測定では重要である。或いは、幅が狭く長いスリットを、ビームＬの反射面に位置した線２４に沿って半球形構造体１６に切り込んで、ビームＬが任意所望の角度で進入しても、構造体から確実に出られるようにしてもよい。試料表面Ｓが非鏡面であれば、全ての光Ｌは半球形構造体内部で散乱するので、アパーチャ２０及びステージは随意選択であり必ずしも必要ない。こうした場合は、アパーチャ２０の代わりに付加的な測定モジュールを使用できる。

何れの場合でも、図１Ａの矢印２６で示したように、ビームＬは、レンズ１４系に向かって半径方向に試料表面Ｓから散乱する。本発明によれば、この散乱光全ては、データ分析のためにレンズ１４系を用いて同時に収集される。図２Ａ及び２Ｂに示したように、試料表面から放射された遠視野パターンの一部分２８は、各レンズ１４を通過する。レンズ１４を配したのは、球形状の遠視野パターン２８をコリメートし平坦化するためである。得られる処理済み遠視野パターンすなわち波面３０は、次に測定モジュール１２に向かう。ここでは、測定モジュール１２は、強度測定用のカメラ又は強度及び位相測定用の干渉計でよい。図２Ｂは、モジュール１２が、強度及び位相を測定するためのシャック−ハートマン型波面センサの形式であることを示す。

レンズ１４は、単要素レンズでも多要素レンズでよい。当業者なら容易に理解するはずだが、測定モジュール１２に向かう波面３２の質はレンズ１４に依存する。レンズが小さい場合は、単要素レンズとして実装して高品位波面を実現できるが、多くの測定モジュールが必要となるため、高価で実用的でなくなることがある。レンズ１４が大型の場合は、必要となる測定モジュールが少なくてよいが、レンズ１４の縁部における散乱光の入射角βが大きくなるので高品位の波面を得るのが困難となる。又、事実上すべての従来型レンズは円形状である。従って、従来の円形レンズを碁盤目状に並べて配置した場合、多くの隙間が残って情報が欠落してしまう。従って、本発明を実現するには、レンズ１４の数と、レンズ形状の複雑さと、波面３２の質とを慎重に釣り合わせるようなレンズ設計を選択するのが好ましい。

図３Ａ及び３Ｂは、本発明による五角形状レンズ４０をそれぞれ側面図及び正面図で示す。円形レンズ４２は、このレンズの周囲に５つの高精度切り欠きを行って五角形に加工する。五角形では、２辺間の角度γ（図３Ｂ）は１０８度である。好適なこの実施形態では、五角形面４６に対する各切り欠き４４の角度δ（図３Ａ）は約５８．３度に調節し、複数レンズの加工と取り付けを容易にしている。６枚の五角形レンズ４０を用いれば、図４Ａ及び４Ｂに示したように測地線ドーム５０を作製できる。レンズ４０の五角形面４６を含む円５４の直径を変更することで、異なるサイズのドームを作製できる。この好適な実施形態では、レンズ４０の直径５２は７８．９４ｍｍで、五角形の辺５６は４０．４３ｍｍである。この寸法を採用すると、直径が概ね２６４．８ｍｍのドーム５０（図４Ｂ）となる。

レンズ４０は様々な種類から選択できるが、本発明の好適な実施形態では非球面設計のものを用いる。こうすることで、レンズ４０が大型となっても大きな角度β（図２Ａを参照）で入射する散乱光をなお測定できる。本発明の分野では周知だが、レンズ４０の表面５８及び五角形面４６の正確な形状は、非球面レンズの設計には極めて重要な要素である。それは、これら２つの表面の質がレンズの全体的な性能と最終的な遠視野測定の質を左右するからである。

典型的な非球面レンズ設計は次の式により決定される。
曲率= c = 1/R, 及び
SAG = Z = (c*r²) / (1+ (1- (1+k) c² r²)^1/2)+ a₂r² + a₄r⁴ + a₆r⁶ + a₈r⁸ +... + a_nrⁿ
上記式において、ｃは曲率、Ｒは半径、Ｚはサジタル高さ、ａ_ｎは定数、ｒ^ｎは半径値である。非球面４６及び５８は、許容可能な波面の質に従って様々な形状としてよい。この好適な実施形態では、表面４６は平坦であり、非球面５８の式の変数は次の通りである。
R = 35.1657
k =-0.9532
a₂ = 0
a₄ = 1.2065 E-6
a₆ = 1.7981 E-10
a₈ = 4.86192E-14
a₁₀ = -2.9165 E-18
これらの式の変数を用いると、非球面レンズ４０の高さ６０は３３ｍｍとなる。

非球面レンズの別の利点は、これが多要素レンズ設計で必要な下位要素の数をかなり減少できることである。例えば、図５に示したような多要素レンズ６２は、下位要素レンズを用いて非球面レンズ４０が遠視野パターンに導入する収差を減少可能である。これは、最終的な遠視野測定における誤差を最小化させられるので重要である。これを達成可能な様々なレンズの下位要素が存在する。この好適な実施形態では、３枚の付加的なレンズが使用されている。図５に示したように、コリメータ６４、フィールド・フラットナー６６、及び結像レンズ６８を用いた。結像レンズ６８自体も多要素レンズとしてよい。従って、遠視野パターン２８はレンズ４０に入り、レンズ６４、６６、及び６８を通過してから測定モジュール７０に到着する。測定モジュール７０は、強度測定用のカメラ、位相及び強度測定用の干渉計、又は位相及び強度測定用のシャック−ハートマン型の波面センサでよい。半球にわたって遠視野パターンの位相と強度の両方を測定する能力は、光波散乱計測の分野における大きな進歩である。

従って、強度（図２Ａで波面３０として表した）の測定に加え、本発明は、波面の位相（図２Ａで波面３２として表した）を測定するように実現できる。これを実現するには、図２Ａでモジュール１２として示したような干渉計又は図２Ｂで示したようにシャック−ハートマン型センサ７４を用いればよい。その図面で示したように、シャック−ハートマン型センサはマイクロレンズ・アレイ７６を用いて、コリメートした光３０をカメラ７８に焦点を結ばせる。レンズ１４は随意選択で必ずしも必要でなく、遠視野パターン２８をマイクロレンズ・アレイ７６にコリメートするために使用する。概して、Ｎ×Ｎ個のカメラ画素が各マイクロレンズによりマッピングされる。従って、位相の特定には、格子状配列のカメラ画素における焦点スポット８０の正確な画素位置を使用できる。本発明を実現するには、ミクロレンズ毎に１５×１５個のカメラ画素が好ましい。シャック−ハートマン型センサを用いることで、図１Ａに示した反射ビームＬ’と散乱光２６との位相及び強度情報を両方とも得ることができることが分かる。

図６Ａ及び６Ｂに示したように、位相を測定するには本発明の半球形ドームに導入された入力光に影響する干渉構成を用いてもよい。比較的幅が広い基準収束ビームＲ及び比較的幅が狭い試験ビームＴを、基準磨き面Ｍ及びその上に載せたより小型の試験試料Ｓにそれぞれ同時に投射する。この開示の目的では、表面Ｍ及びＳは空間的に概ね同一の広がりを持つ（原語：coextensive）と考えられる。従って、２つのビームＲ及びＴは、これらビームがテスト及び基準表面から反射した後に重なる領域８２において干渉縞を発生させる。又、この干渉縞は干渉センサ８４で結像し測定できる。基準ビームＲを試験ビームＴに対して一時的に移相させることにより、従来の位相分析に必要な一連のインターフェログラムが得られる。例えば、図６Ｃ及び６Ｄは、図１Ａのスキャッタメーターの試料表面を照射するのに用いる基準ビーム及び試験ビームを発生し、移相するのに適した２つのアプローチを示す。

図６Ｃの移相装置は、従来の圧電素子８６を用いている。収束レーザー光ビームＬ（光源は図示されていない）は、非偏光ビームスプリッタ８８を介して試験ビームＴ及び基準ビームＲに分割する。試験ビームＴは、ビームスプリッタを通過し且つ試験試料Ｓに向けられた元となるビームＬからなる（図６Ｂを参照）。基準ビームＲは、ビームＬを凸面鏡９２に向かうようにスプリッタ表面９０に反射させることで発生させる。凸面鏡９２は、この光をビームスプリッタを通過させて、圧電素子８６に作用的に接続された鏡９４に当てる。凸面鏡９２はレーザービームＬの集束率を減少するために用いて、得られる基準ビームＲが試験試料Ｓにおいて試験ビームＴよりも大きくなるようにする（図６Ｂに示した）。光Ｒは鏡９４に反射され、ビームスプリッタ８８を通過した試験ビームＴと再結合され、次に、鏡９４に取り付けた圧電素子８６に電圧を印加することで移相される。鏡９２の凸曲率は、図６Ｂに示したように、基準ビームＲが基準表面Ｍを照らすために必要な低い集束を実現する。この独自の設計により、平滑な基準表面Ｍを、試験及び基準ビームＴ、Ｒの同一光学通路において試験試料Ｓの下に配置することが可能となる。基準ビームＲは、基準鏡Ｍから確実に反射されるようにより大きくしてある。

更に、移相は、基準及び試験ビームを図６Ｄに示したように直交偏光させることにより固体モードで実行できる。偏光ビームスプリッタ９６を用いて、入射ビームＬを直線直交偏光ビームである試験及び基準ビームＴ、Ｒに分割する。四分の一波長板９８を各ビームの通路に沿って配置して、これらビームがそれぞれの鏡１００及び１０２に向かって移動する際に直線偏光を円偏光に変換する。反射したビームがこれらミラーからそれぞれの四分の一波長板を通過して戻る際に、これらビームは、元々の直線偏光から９０度回転した直線偏光に変換されるので、これら２つのビームはスプリッタ９６により試料物体へ適切に方向付けられる。図６Ｂに示したように、再結合されたビームは、次に基準及び試験表面Ｍ、Ｓに反射される。次に、偏光移相干渉計を干渉センサ８４で用いて、これら２つのビームを３つ以上の移相インターフェログラムに従来の方法で変換し、分析に供する。

図６Ａのスキャッタメーターを用いた干渉アプローチを採用することで、反射ビームＴ’、Ｒ’を意図的にドーム内部から干渉センサ８４まで到達させる。この目的は、散乱光がセンサから表面Ｍまで戻ることによる影響を最小限（測定誤差の原因となる）に抑えることである。図６Ａの方法は、ドームを囲むモジュール１２がカメラであり、モジュール８４が干渉計であるという事実によって制限を受ける。従って、位相測定を遠視野パターン全体にわたって行うことはできない。更に、試験及び基準表面Ｓ、Ｍを同一位置に配置することは、多くの用途において実用的でない。更に、機械的圧電装置を使用すると、振動、環境変化、及び試験試料の経時的変化により様々な制限が生じる。同様に、図６Ｄの干渉法は、ビームＲ及びＴの偏光状態が表面Ｓ及びＭの散乱特性により不規則に変化しないことを想定している。様々な表面及び材料に関してこのように想定することはできない。更に、これら２つの干渉法は、試料物体Ｓが自発光源であれば機能しない。最後に、図２Ｂのシャック−ハートマンのアプローチではこうした制限が少ないが、干渉法よりも角測定解像度が低いという欠点がある。

こうした制限により、図７Ａ及び７Ｂに概略的に示した点回折干渉アプローチが好まれる。点回折干渉計は、図７Ｃに示したように試験波面Ｔからそれ自身の基準波面Ｒを発生する。試験波面Ｔは、ピンホール１１２を備えた四分の一波長板１１０を通過する。波面Ｔの波長板１１０を通過する部分Ｔ’は、その偏光が９０度回転している。波面Ｔのピンホール１１２を通過する部分は、その元々の偏光状態を維持しつつ球形波面Ｒに変換される。従って、変化した２つの波面Ｔ’及びＲは、ビームＴの元々の試験遠視野位相パターンを回復するために処理可能な干渉縞を生成する。

２つの種類の点回折干渉計が使用できる。図７Ａに示した干渉計１２０は、クリスタル・リターダ１２２と直線偏光子１２４とを用いて基準波面Ｒを試験波面Ｔ’に対して移相する。得られる移相された干渉像はカメラ１２６に結像される。図７Ｂの干渉計１３０は、偏光に基づく同時移相モジュール１３２を用いて同じ機能を果たす。干渉計１２０も１３０も、レンズ１３４、１３６、１３８、及び１４０を使って波面を正確に測定モジュール１２６及び１３６に結像する。

図８Ａ及び８Ｂは、６つの測定ポート１５２を備えた本発明に従って作製したドーム構造体１５０を示す。好適なこの実施形態では、各ポートは、多要素レンズ（図５に示した種類のレンズ６２）と干渉モジュール（図７Ｂに示した種類のモジュール１３０）とを備えている。図示を単純化するため、１つのポート１５２のみが完全なレンズ並びに測定モジュール６２及び１３０を具備していることを示す。図８Ｂに示したドーム１５０の底面図には、６枚の五角形非球面レンズ４０が見えている。ドーム１５０と全く同じものを２つ組み合わせて、三次元で３６０度の全範囲にわたり遠視野パターンを測定するための完全な球体を作製できる。試験試料Ｓが透過的（原語：transmissive）であったり、全球体にわたって光を放射したりする場合は、本発明のこの実施形態が好ましい。それ以外では、本発明の教示による光波散乱計測を実施するには単一のドーム１５０しか必要ない。

全球体にわたる強度及び位相情報を測定する利点には、ＤＮＡ分析、生物質（原語：bio-matter）、ポリマー、プラスチックなどの用途に用いる半透明材からの完全な三次元放射光を測定する能力がある。更に、測定は全て実時間で実行可能であり、動的事象が監視できる。

レンズの設計が何れであれ、様々な方法を用いて測定モジュールを球形構造体に取り付けできる。例えば、図２Ａのモジュールを参照すると、球形構造体に設けた各穴に１つのモジュール１２を取り付けできる。別法としては、ガラス製の半球形又は球形構造体を、レンズ１４とセンサ・モジュール１２とを取り付けて、固着するための型として用いてもよい。この型はレンズを取り付けた後で外してもよいし、外さなくてもよい。使用するレンズは様々な形状が可能である。しかし、レンズ１４がこの設計において単要素レンズであれば、一つの容易な方法は、球体に一致した背面曲率と、球体中央から放射される光をコリメートするよう設計された前面曲率とを備えたバイオ凸（原語：bio-convex）レンズを用いることである。

レンズ１４が単要素レンズからなる場合の別の好適なアプローチは、半球体又は球体形状の単一のモノリシック・マクロレンズ・アレーを用いることである。こうした構造体は、ガラス、プラスチック、又はレンズアレーに適した他の材料でよい。何れの場合でも、反射防止膜をレンズ表面に用いてもよい。何れの場合でも、この測定システムは強度及び／又は位相の測定に用いることができる。

従って、本発明が、球体全体にわたって散乱光の遠視野パターンを測定するのに適した測定器を提供することを示した。加えて、この測定器は、隙間（盲点）なく、高解像度でこうした散乱光を半球形及び球形構成で測定でき、しかも散乱視野（原語：scattered field）の歪みは許容範囲にとどまる。最後に、光の強度も位相も全球体にわたって遠視野パターンで測定できる。

図９Ａに略図で示したように、検出器モジュール１２又は７８（図２Ａ及び２Ｂを参照）内部のカメラからの測定データは電気信号１６０に変換され、従来のコンピュータ１６４のプロセッサ１６２に送信され、干渉分析に供される。或いは、図９Ｂに示したように、電気信号１６０はビデオ又はＤＶＤレコーダ１６６に送信してもよい。モジュール１２又は７８内部のカメラは、同一事象を同時に見ることができるように同期化してもよい。この特徴は、動的事象を測定する際には大きな利点となり、好適な動作モードである。複数カメラ使用の別の利点は、各カメラがそれ自身の別個の自動シャッター及び露出設定を持ちうることである。これによって、強度が高い光（反射ビームに近い）及び光の散乱が最小となる低レベル光を同時に獲得できる。

更に重要なことに、ビームＬを発する光源の出力を制御して、散乱光の広い範囲にわたる明るい領域及び暗い領域を測定できることが図１Ａから理解できる。光源の出力を低くすれば、本発明のモジュールは散乱光の明るい領域を見ることができ、次に出力を高めれば、モジュールによる分散光の暗い領域を測定できる。別の大きな利点は、市販のＣＣＤ及びＣＭＯＳカメラの小型化と価格低下が進んでいることである。従って、低コストのＣＭＯＳカメラを使用することで、球形パターン全体の測定に適した比較的安価な測定モジュールを作製できる。更に、個別画素を飽和状態に達した時点でクリアできる画素プロセッサを内蔵したＣＭＯＳカメラを使用してもよい。これによって、隣接する画素が潜在的な焦点ぼけにより影響を受けることがない。

又、ビデオ信号を多数の検出器モジュールから同時に獲得可能な単一画像獲得デバイス１６２（図９Ａ）を使用することもできる。図８Ｂから分かるように、処理すべき多くの測定モジュール信号が存在する。従って、これら信号をできるだけ速く処理すると有利である。これは、各測定モジュールに単一のプロセッサを設けるか、各測定モジュールを連続処理用のマルチプレクサに送り込めばよい。この好適な実施形態では、６つの測定モジュールを使用して半球を有効範囲に含み、１２個のモジュールを用いて球形全体を有効範囲に含める。従って、平行獲得（原語：parallel acquisition）能力が好ましい。

カラーカメラ及び白色光源を用いることで、上述以外の改良及び利点を本発明から得ることができる。又、カラーカメラ及び複数のレーザーを使用することで多スペクトル散乱光結像を得ることもできる。シャック−ハートマン・モードでは、非干渉性光源を用いて光散乱強度及び位相を測定できる。

当業者であれば、本発明の上述した代表的な実施形態は、本発明の範囲に入ると考慮される多くの代替物及び修正の基礎を提供することは理解するはずである。例えば、検出器モジュール１２及びレンズ１４の代わりに、複数の光検出器からなる単一の半球面又は球面を用いてもよい。こうした半球面又は球面は、可撓性材料に可撓性カメラ回路を埋め込むか印刷することで形成できる。位相のみを測定するモジュールと強度のみを測定するモジュールとの組合せを同一の半球形又は球形構造体で用いると、散乱野の特定領域の強度のみを測定可能とする一方、同一散乱野の他の部分においては強度と位相の両方の測定が可能となる。

従って、本明細書では、本発明の最も実用的で好適な実施形態と思われる例を記載し、図示してきたが、当業者であればこれらの例を発展さられるはずである。従って、本発明は開示した詳細に限定されるものでなく、あらゆる等価の装置及び方法を包含するように完全な特許請求の範囲を与えられるべきである。

図１Ａは本発明による測定モジュールで内部を被覆した略半球形ドームの断面を示す略側面図である。 図１Ｂは図１Ａのドームの略平面図である。 図２Ａは測定モジュール上に結像した遠視野光を示す拡大略図である。 図２Ｂはシャック−ハートマン波面センサ上に結像した遠視野光を示す拡大略図である。 図３Ａは本発明による五角形状レンズの側面図である。 図３Ｂは図３Ａの五角形状レンズの正面図である。 図４Ａは図３Ｂに示した五角形状レンズ６枚からなる略半球形ドームの斜視図である。 図４Ｂは図４Ａの構造体の平面図である。 図５は多要素レンズ及びカメラを備えた測定モジュールの略図である。 図６Ａは図１Ａのドームであって、本発明による結像を行うためその内部に入射させた光の散乱を示し、干渉法を用いた位相測定を行う装置を含むドームを示す図である。 図６Ｂは図６Ａの干渉装置の動作を示す。 図６Ｃは集束率が異なる共線の試験及び基準ビームを発生するよう設計された圧電干渉装置の略図である。 図６Ｄは集束率が異なる共線の試験及び基準ビームを発生するよう設計された偏光干渉装置の略図である。 図７Ａは位相をずらすためクリスタル・リターダを使用する、本発明を実施するのに適した点回折干渉計の略図である。 図７Ｂは同時移相を行う別の点回折干渉計の略図である。 図７Ｃは試験波面から基準波面を発生させる点回折干渉計要素を示す。 図８Ａは本発明の複数の測定モジュールを含む半球構造体の斜視図である。 図８Ｂは本発明の五角形状レンズの半球形の測地線構成を示す、図８Ａの構造体の底面図である。 図９Ａは測定モジュールにおけるカメラを、画像プロセッサ及びコンピュータとインターフェース接続させた構成を概略的に示す。 図９Ｂは測定モジュールにおけるカメラを、ビデオ・レコーダとインターフェース接続させた構成を概略的に示す。

Claims (29)

1. 試料表面における点光源から伝搬した光を測定するための装置であって、
   前記試料表面を保持するためのステージと、
   前記試料表面における前記点光源から半径方向に伝搬した光の区分の強度値を測定するように適合された複数の多画素センサと、
   前記光の区分の所定部分を前記複数の多画素センサの１つに向けてコリメートするための光学系であって、光の区分の前記部分それぞれが、前記複数の多画素センサの前記１つにおける対応する組の画素に受光されるようにする、光学系とを含む、装置。
2. 前記光学系が非球面レンズを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の多画素センサが球形形状の支持構造体上に分散されており、前記試料表面が該支持構造体の赤道面上に位置している、請求項１に記載の装置。
4. 試験ビームで前記試料表面を所定の入射角で照らして、前記試料表面における前記点光源から伝搬する前記光を発するように適合された試験光源を更に含む、請求項１に記載の装置。
5. 基準表面を照らすように適合された基準光源と、前記点光源から伝搬する前記光と前記基準光源が発する基準ビームとの干渉から生じる複数のインターフェログラムを測定するように適合された干渉計とを更に含む、請求項４に記載の装置。
6. 前記基準表面が、前記試料表面の一部と空間的に概ね同一の広がりを持つ、請求項５に記載の装置。
7. 前記試験ビームが集束ビームであり、前記干渉計が、前記試験ビームの一部分を凸レンズから反射することによって且つ前記基準ビーム及び試験ビームを共線的に前記試料表面に向けることによって、前記試験ビームから前記基準ビームを発生するように適合された移相干渉計である、請求項６に記載の装置。
8. 前記干渉計が、前記試料表面へ共線的に向けられた直交偏光された基準ビーム及び試験ビームを発生するための手段と、偏光移相干渉計とを含む、請求項６に記載の装置。
9. 前記複数の多画素センサが、前記試料表面における前記点光源から半径方向に伝搬する前記光の区分の位相値を測定するように適合された複数の位相センサを含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記位相センサがシャック−ハートマン型センサである、請求項９に記載の装置。
11. 前記複数の多画素センサが、前記試料表面における前記点光源から半径方向に伝搬する前記光の区分の位相値を測定するように適合された複数の位相センサを含む、請求項５に記載の装置。
12. 前記位相センサがシャック−ハートマン型センサである、請求項１１に記載の装置。
13. 試料表面における点光源から半径方向に散乱した光を測定するための装置であって、
    赤道面を画定する概ね半球形の構造体と、
    前記試料表面を概ね前記赤道面上の位置に保持するためのステージと、
    前記試料表面を所定の入射角で照らすように適合された試験光源と、
    前記概ね半球形の構造体の内表面の離散的部分に向けて半径方向に散乱する光の区分の強度値を測定するように適合された複数の多画素センサとを含む、装置。
14. 前記試験光源が、前記概ね半球形の構造体におけるオリフィスを介して前記試料表面を照らす、請求項１３に記載の装置。
15. 前記複数の多画素センサが、前記概ね半球形の構造体の前記内表面の概ね全体に向けて散乱する光の区分の強度値を測定するように適合されている、請求項１３に記載の装置。
16. 前記光の区分の一部分を前記複数の多画素センサの１つに向けてコリメートするための光学系であって、前記光の区分の前記一部分が、前記複数の多画素センサの前記１つにおける対応する組の画素に受光されるようにする、光学系を更に含む、請求項１３に記載の装置。
17. 前記光学系が非球面レンズを含む、請求項１６に記載の装置。
18. 基準表面を照らすように適合された基準光源と、前記点光源から散乱する前記光と前記基準光源が発する基準ビームとの干渉から生じる複数のインターフェログラムを測定するように適合された干渉計とを更に含む、請求項１３に記載の装置。
19. 前記基準表面が、前記試料表面の一部分と空間的に概ね同一の広がりを持つ、請求項１８に記載の装置。
20. 前記複数の多画素センサが、前記試料表面における前記点光源から半径方向に散乱する前記光の区分の位相値を測定するように適合された複数の位相センサを含む、請求項１３に記載の装置。
21. 前記位相センサがシャック−ハートマン型センサである、請求項２０に記載の装置。
22. 前記複数の多画素センサが、前記試料表面における前記点光源から半径方向に散乱する前記光の区分の位相値を測定するように適合された複数の位相センサを含む、請求項１６に記載の装置。
23. 前記位相センサがシャック−ハートマン型センサである、請求項２２に記載の装置。
24. 前記赤道面の反対側に位置した第２の概ね半球形の構造体と、前記第２の概ね半球形の構造体の内表面の離散的部分に向けて散乱する透過光の区分の強度値を測定するように適合された複数の第２多画素センサとを更に含む、請求項１３に記載の装置。
25. 前記複数の第２多画素センサが、前記第２の概ね半球形の構造体の前記内表面の概ね全体へ向けて散乱する前記透過光の区分の強度値を測定するように適合されている、請求項２４に記載の装置。
26. 前記透過光の区分の一部分を前記複数の第２多画素センサの１つに向けてコリメートするための光学系であって、透過光の区分の前記一部分が、前記複数の第２多画素センサの前記１つにおける対応する組の画素に受光されるようにする、光学系を更に含む、請求項２５に記載の装置。
27. 前記光の区分を前記複数の多画素センサにコリメートするための、非球面レンズを含んだ光学系を更に含む、請求項１３に記載の装置。
28. 前記複数の多画素センサが６つであり、前記光学系が、前記概ね半球形の構造体上に測地線構成で連結された６枚の対応する五角形状非球面レンズを含む、請求項２７に記載の装置。
29. 前記複数の多画素センサが、前記概ね半球形の構造体に隣接した平面の数を決定する多面構成で配置されており、前記光学系が対応する数の非球面レンズを含む、請求項２７に記載の装置。

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