JP2013224845A - Distance measurement system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a distance measurement system that exhibits an excellent resolving power of an in-plane, and what's more, an excellent resolving power to a height or a refractive index distribution in an out-of-plane and exhibits an excellent resolving power of a distance.SOLUTION: Transmission antennas 11 and 12 mounted onto an aircraft 10 transmit transmission waves of Asin(2π(fc+fm)t) and Asin(2π(fc-fm)t) based on a carrier signal frequency fc and a modulation frequency fm to a measurement target G on the ground. The transmission waves are irradiated to the measurement object G with irradiation areas A and B almost overlapped with each other but slightly shifted by a center distance Δx. Reception antennas 13 and 14 are disposed on an extension of a part letting an almost center of overlapped irradiation areas A and B of the transmission waves be a boundary. When a sum signal or a difference signal of signals received by the reception antennas 13 and 14 is used to detect a phase shift, height information about irradiation areas A and B. When the difference signal is used, in contrast to the sum signal, only a part at which a phase difference occurs contributes to the phase difference and thus, the resolving power becomes high and sensitivity becomes extremely high.

Description

本発明は、電磁波によって測定対象物までの距離を正確に計測する距離計測システムに関する。 The present invention relates to a distance measurement system that accurately measures the distance to a measurement object using electromagnetic waves.

従来の光学的顕微鏡では、回折限界以下の測定対象物を観測したり計測したりすることが出来なかった。これに代わるものとして、プローブ顕微鏡(STM,AFM,NFOS等)や走査型電子顕微鏡等が開発され、多くの分野で使われている。この走査型電子顕微鏡は、走査電子プローブとしてきわめて細いビームを用いているので、分解能が高く、焦点深度が光学顕微鏡に比べて著しく大きい。しかしながら、細胞のように導電性の低い測定対象物の観測には、測定対象物である試料に導電性のよい白金パラジウムや金をコートする必要性があり、細胞自体の破損を伴うことが多く、当然のことながら生きたままの細胞を観測、計測することは、不可能であった。   With a conventional optical microscope, it was impossible to observe or measure a measurement object below the diffraction limit. As an alternative, probe microscopes (STM, AFM, NFOS, etc.) and scanning electron microscopes have been developed and used in many fields. Since this scanning electron microscope uses a very thin beam as a scanning electron probe, the resolution is high and the depth of focus is significantly larger than that of an optical microscope. However, observation of a measurement object with low conductivity such as a cell requires that the sample that is the measurement object is coated with platinum palladium or gold having good conductivity, and often involves damage to the cell itself. Obviously, it was impossible to observe and measure living cells.

また、プローブ顕微鏡は、測定対象物に対して近接して配置されたプローブをさらに接近させ、原子間力やトンネル電流、光近接場等を利用して、測定対象物との距離を計測するものである。しかしながら、プローブを高速に移動させることは困難であり、かつ、測定対象物との距離が非常に近いので取り扱いが難しく、さらに2次元的な情報を取得するまでに時間が膨大に必要であった。   A probe microscope measures the distance from the measurement object by using an atomic force, tunnel current, optical near field, etc. It is. However, it is difficult to move the probe at high speed, and it is difficult to handle because the distance to the object to be measured is very close, and it takes a lot of time to acquire two-dimensional information. .

この一方、レーダーのように電磁波を照射し、測定対象物からの反射電磁波を検出し、基本的には送信時と受信時の時間差で測定対象物までの距離を測定するシステムを応用することも考えられるが、このようなシステムでは、様々な信号処理アルゴリズムが必要となり煩雑であり、また検出できる測定対象物の大きさが限定されていた。   On the other hand, it is also possible to apply a system that radiates electromagnetic waves like a radar, detects reflected electromagnetic waves from the measurement object, and basically measures the distance to the measurement object by the time difference between transmission and reception. Though conceivable, such a system requires various signal processing algorithms and is complicated, and the size of the measurement object that can be detected is limited.

他方、距離を高精度に測定するには、へテロダイン干渉法がよく知られている。ここでは、光を用いた光ヘテロダイン法について述べるが、他の電磁波においても同様な考え方で実施されている。この光ヘテロダイン法は、周波数の異なる2つのレーザー光を干渉させて、その差の周波数のビート信号を作成し、このビート信号の位相変化を波長の1/500程度の分解能で検出することで、表面の高さ方向の変化を計測しつつ測定対象物までの距離を測定するものである。   On the other hand, heterodyne interferometry is well known for measuring distances with high accuracy. Here, the optical heterodyne method using light is described, but the same concept is applied to other electromagnetic waves. In this optical heterodyne method, two laser beams with different frequencies are made to interfere, a beat signal of the difference frequency is created, and the phase change of this beat signal is detected with a resolution of about 1/500 of the wavelength, The distance to the measurement object is measured while measuring the change in the height direction of the surface.

そして、下記特許文献1の特開昭59−214706号公報には、音響光学素子を用いて異なる波長からなる2つのビームを隣接して発生させ、これら2ビーム間の位相変化を検出し、その位相変化を累積して表面プロファイルを得る方法が開示されている。ただし、この特許文献1は、ビームプロファイルよりも僅かに大きく2つのビームを近接させ、2つのビームプロファイル内の平均的な位相差をヘテロダイン検波で検出して、順次積分することにより、凹凸情報を得るものであった。   In Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-214706 of Patent Document 1 below, two beams having different wavelengths are generated adjacent to each other using an acousto-optic device, and a phase change between these two beams is detected. A method for accumulating phase changes to obtain a surface profile is disclosed. However, in this patent document 1, unevenness information is obtained by making two beams close to each other slightly larger than the beam profile, detecting an average phase difference in the two beam profiles by heterodyne detection, and integrating sequentially. It was what you get.

従って、この特許文献1によれば、半導体ウェハーのようなフラットであることが前提となるような測定対象物に対して、その凸凹情報を計測することは出来たが、ビームプロファイル内の情報を引き出すことはできず、面内であるビームプロファイル内の分解能を高くすることは出来なかった。
なお、通常の電磁波の分解能はいわゆるアッべの理論の限界により制限されている。この限界は、波動の有する回折現象の結果であり、越えることの出来ない理論限界とされていた。
Therefore, according to this Patent Document 1, the unevenness information can be measured for the measurement object that is assumed to be flat such as a semiconductor wafer, but the information in the beam profile is It could not be extracted, and the resolution in the in-plane beam profile could not be increased.
Note that the resolution of ordinary electromagnetic waves is limited by the limits of so-called Abbe's theory. This limit was a result of the diffraction phenomenon of waves, and was regarded as a theoretical limit that could not be exceeded.

特開昭59−214706号公報JP 59-214706 A

以上のように、従来のヘテロダイン検波を用いた距離測定器においては、与える電磁波の波長以下の分解能で、距離を測定することは出来なかった。従って、電磁波の照射領域を波長以下に小さくしても、波長と同程度以上の領域の平均的な距離を算出することしか出来なかった。   As described above, in the distance measuring device using the conventional heterodyne detection, the distance cannot be measured with a resolution equal to or lower than the wavelength of the applied electromagnetic wave. Therefore, even if the electromagnetic wave irradiation region is made smaller than the wavelength, it was only possible to calculate the average distance of the region that is equal to or greater than the wavelength.

同じように従来のヘテロダイン検波を用いた光測定器においても、半導体ウェハーのようなフラットに近いものを主な測定対象としていた。このため、面内の分解能を高くするには、電子顕微鏡やAFM(原子間力顕微鏡)等の近接場を用いざるを得なかった。
しかし、電子顕微鏡に関しては、特に生物や細胞等に対して加工処理する必要性があるので、生きたままの観察や屈折率分布の測定は不可能であった。他方、AFMは、処理速度が十分でないことから、リアルタイムに状態の変化を見ることが出来ないので、生物、細胞の観測には不向きであり、また、測定対象物に対してプローブを近接させなくてはならず、使い勝手も悪かった。
Similarly, in a conventional optical measuring device using heterodyne detection, a main object to be measured is a flat surface such as a semiconductor wafer. For this reason, in order to increase the in-plane resolution, a near field such as an electron microscope or an AFM (atomic force microscope) must be used.
However, with respect to the electron microscope, it is necessary to process living organisms, cells, and the like in particular, so it has been impossible to observe living and measure the refractive index distribution. On the other hand, AFM is not suitable for observation of living organisms and cells because the processing speed is not sufficient, so it is not possible to see changes in state in real time. It was not easy to use.

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、面内の分解能が高く、しかも面外において高さや屈折率分布に対する分解能が高く距離の分解能が高い距離計測システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above background, and an object of the present invention is to provide a distance measurement system that has high in-plane resolution, high resolution with respect to height and refractive index distribution, and high distance resolution.

上記目的を達成させるために、請求項1に係る距離計測システムの発明は、相互に異なる周波数にされたコヒーレントな2つの電磁波を測定対象物上に同一の領域を有しつつ一部ずらして照射する照射手段と、
前記ずらした方向に対して略垂直な方向に伸びる境界線を挟んだ測定対象物における少なくとも2つ以上の領域からの電磁波をそれぞれ検出する電磁波検出手段と、
前記境界線を挟んで対称な位置において電磁波検出手段で検出された電磁波の各々の出力の差信号や和信号を作成する信号作成手段と、
この差信号や和信号の位相差あるいは強度差を求めて計測値を得る計測手段と、
を含む距離計測システムよりなるものである。
In order to achieve the above-mentioned object, the distance measuring system according to claim 1 irradiates two coherent electromagnetic waves having different frequencies from each other while having the same region on the object to be measured. Irradiating means to perform,
Electromagnetic wave detecting means for detecting electromagnetic waves from at least two regions in the measurement object across a boundary line extending in a direction substantially perpendicular to the shifted direction;
A signal creation means for creating a difference signal or a sum signal of the outputs of the electromagnetic waves detected by the electromagnetic wave detection means at symmetrical positions across the boundary line;
A measuring means for obtaining a measured value by calculating a phase difference or an intensity difference of the difference signal or the sum signal; and
It consists of a distance measurement system including

本請求項の作用を以下に説明する。
僅かに異なる周波数を有するコヒーレントな2つの電磁波を、照射領域のほとんどが重なりつつ一部ずれるように分離して測定対象物に照射手段により照射する。測定対象物から反射し、または測定対象物を透過した電磁波を、照射した電磁波に適合したディテクタである電磁波検出手段にて検出する。この時、照射した電磁波のずらした方向に対して略垂直な方向に伸びる境界線を挟んだ少なくとも2つ以上の領域の電磁波をそれぞれ検出可能なように、2分割以上のディテクタが、測定対象物に対してファーフィールドとみなせる距離に配置されていれば、これらのディテクタが電磁波をそれぞれ検出して、以下のようになる。
The operation of this claim will be described below.
Two coherent electromagnetic waves having slightly different frequencies are separated so that most of the irradiation areas are overlapped and partially offset, and the measurement object is irradiated by the irradiation means. An electromagnetic wave reflected from the measurement object or transmitted through the measurement object is detected by an electromagnetic wave detection means that is a detector adapted to the irradiated electromagnetic wave. At this time, two or more detectors are to be measured so that the electromagnetic waves in at least two regions sandwiching a boundary line extending in a direction substantially perpendicular to the direction in which the irradiated electromagnetic waves are shifted can be detected. If the detectors are arranged at a distance that can be regarded as a far field, the detectors detect electromagnetic waves, respectively, as follows.

上記2分割以上されたディテクタのすべての和信号や、境界線を挟んだディテクタ同士の差信号を信号作成手段が作成し、これらの信号を基にして僅かに異なる周波数差(ビート信号)を検出して、入力した信号との位相ずれを計測できるようにする。計測手段において、全ディテクタの出力の和信号に基づけば、実効上、2つの電磁波が照射された領域の分離度に応じた位相差の照射面積に相当する領域の積分値を与え、微分干渉顕微鏡と同様な原理により、ほぼ波長の数分の一程度の分解能が得られるのに伴い、この分解能でディテクタと測定対象物との間の距離が得られることになる。
さらに、分解能を高くするには、計測手段において、上記した境界線を挟んだディテクタ同士の差信号を用い、実効上、2つの電磁波が照射された領域の分離度に応じた位相差の微分の照射面積に相当する領域の積分値を与える。この場合には、和信号の場合と比較して、位相差の生じている部分のみが位相差に寄与するので、感度が著しく高くなる。
The signal creation means creates all the sum signals of the above-mentioned detectors divided into two or more and the difference signal between the detectors across the boundary, and detects a slightly different frequency difference (beat signal) based on these signals Thus, the phase shift from the input signal can be measured. In the measuring means, based on the sum signal of the outputs of all detectors, an integrated value of the region corresponding to the irradiation area of the phase difference according to the separation degree of the region irradiated with the two electromagnetic waves is effectively given, and the differential interference microscope According to the same principle as described above, a resolution of about a fraction of the wavelength can be obtained, and the distance between the detector and the measurement object can be obtained with this resolution.
Further, in order to increase the resolution, the measurement means uses the difference signal between the detectors with the boundary line between them, and effectively, the differential of the phase difference according to the degree of separation between the areas irradiated with the two electromagnetic waves is obtained. The integral value of the region corresponding to the irradiation area is given. In this case, compared with the sum signal, only the portion where the phase difference occurs contributes to the phase difference, so the sensitivity is remarkably increased.

以上より、ビームの分離度に応じた分解能に匹敵する横分解能の向上が図れる。これは、通常のヘテロダイン検波による距離計測には見られない際立った特長となる。この結果、波長で支配されている横分解能よりもはるかに高い横分解を得ることが出来る。なお、ビート信号の強度によっても、上記と同様な効果が得られる。   From the above, it is possible to improve the lateral resolution comparable to the resolution according to the degree of beam separation. This is an outstanding feature that is not seen in distance measurement by normal heterodyne detection. As a result, a lateral resolution much higher than the lateral resolution dominated by the wavelength can be obtained. The same effect as described above can be obtained depending on the intensity of the beat signal.

以上のことから、高さや屈折率分布に対する分解能が高く距離の分解能を波長の1/500程度にでき、また、面内の分解能も著しく高い距離計測システムを得ることが出来る。また、異なる周波数を有する2つの電磁波を発生させる場所を近接させることが出来るので、殆ど行路を共有化できる。このため、外部的な環境変化、振動等に著しく強い距離計測システムとなる。   From the above, it is possible to obtain a distance measuring system that has a high resolution with respect to height and refractive index distribution, a distance resolution of about 1/500 of a wavelength, and a remarkably high in-plane resolution. Further, since the places where two electromagnetic waves having different frequencies are generated can be brought close to each other, the path can be almost shared. For this reason, it becomes a distance measurement system remarkably resistant to external environmental changes, vibrations, and the like.

たとえば、周波数の僅かに異なる2つのマイクロ波や電波を発生させる送信アンテナを2基用意するとともに、上記したような配置になるように受信アンテナを複数用意して、これらを航空機に搭載すれば、送信アンテナは測定対象物から見て、ほとんど点源となり、大気中の電波も同じ光路を進むので、航空機の揺れ等があっても正しい距離測定が可能となる。   For example, if two transmitting antennas that generate two microwaves and radio waves having slightly different frequencies are prepared, and a plurality of receiving antennas are prepared so as to be arranged as described above, and these are mounted on an aircraft, The transmitting antenna is almost a point source when viewed from the object to be measured, and radio waves in the atmosphere travel on the same optical path, so that correct distance measurement is possible even if there is an aircraft shake or the like.

また、上記目的を達成させるために、請求項2に係る距離計測システムの発明は、コヒーレントな光を出射する光源と、
該光源から出射された光を、相互に異なる周波数に変調させつつ相互に近接した状態に分離して照射される2つの光とする第1の手段と、
前記2つの光を1次元走査あるいは2次元走査する第2の手段と、
前記2次元走査された2つの光を測定対象物に照射する第3の手段と、
前記2つの光が分離された方向に対して略垂直な方向を境界線とし、該境界線を挟んで測定対象物からの反射光あるいは透過光を少なくとも2つ以上に分けて受光する第4の手段と、
前記境界線を挟んだ領域において第4の手段で受光される光の各々の出力の差信号や和信号を作成する第5の手段と、
この差信号や和信号の位相差あるいは強度差を求めて計測値を得る第6の手段と、
を含む距離計測システムなるものである。
Moreover, in order to achieve the said objective, invention of the distance measuring system which concerns on Claim 2 has a light source which radiate | emits coherent light,
A first means that converts the light emitted from the light source into two light beams that are separated and irradiated in a state of being close to each other while being modulated to different frequencies;
A second means for one-dimensionally scanning or two-dimensionally scanning the two lights;
A third means for irradiating the measurement object with the two light beams scanned two-dimensionally;
A direction substantially perpendicular to the direction in which the two lights are separated is defined as a boundary line, and the reflected light or transmitted light from the measurement object is received in at least two parts across the boundary line. Means,
A fifth means for creating a difference signal or a sum signal of outputs of light received by the fourth means in a region sandwiching the boundary line;
A sixth means for obtaining a measured value by obtaining a phase difference or an intensity difference of the difference signal or the sum signal;
A distance measurement system including

本発明に係わる前記第1の手段は、音響光学素子または空間変調器とされ、これら音響光学素子または空間変調器に2つの変調信号を加えたものが好適である。
本発明にかかわる前記第2の手段の2次元走査には、1次元走査素子を2つ組み合わせてなるものあるいは、2次元走査素子を用いるものが好適である。
本発明にかかわる前記第3の手段が測定対象物に照射させる光は、平行光、収束光または発散光であるものが好適である。
また、本発明にかかわる前記第6の手段は、変調された2つの周波数の差に基づくヘテロダイン検波を用いたものが好適である。
The first means according to the present invention is an acousto-optic element or a spatial modulator, and the acousto-optic element or the spatial modulator is preferably obtained by adding two modulation signals.
The two-dimensional scanning of the second means according to the present invention is preferably a combination of two one-dimensional scanning elements or one using a two-dimensional scanning element.
The light that the third means according to the present invention irradiates the measurement object is preferably parallel light, convergent light, or divergent light.
Further, the sixth means according to the present invention is preferably one using heterodyne detection based on a difference between two modulated frequencies.

つぎに、これら請求項の作用を以下に説明する。
これら請求項に係る距離計測システムでは、請求項1で電磁波とされたものを光に適用したものである。
これら請求項においては、光源からの光を音響光学素子や空間光変調器等の第1の手段でDSB変調し、周波数と出射方向の僅かに異なる2つの光であるビームを作るようにする。この2つのビームを変調周波数とは無関係な1次元もしくは2次元の走査光学素子である第2の手段により、第3の手段である対物レンズに向けて走査することで、この対物レンズを介して測定対象物上を2つの近接したビームが走査することになる。
Next, the operation of these claims will be described below.
In the distance measuring system according to these claims, the electromagnetic wave according to claim 1 is applied to light.
In these claims, the light from the light source is DSB-modulated by a first means such as an acousto-optic element or a spatial light modulator to produce a beam that is two lights having slightly different frequencies and emission directions. By scanning these two beams toward the objective lens which is the third means by the second means which is a one-dimensional or two-dimensional scanning optical element independent of the modulation frequency, Two adjacent beams will scan over the measurement object.

測定対象物が反射物体である場合には、音響光学素子とほぼ共役な位置に配置された第4の手段である受光素子により、ビームの僅かに異なる周波数差(ビート信号)を検出して、2つのビート信号を取得することができる。また、測定対象物が透過物体である場合には、ファーフィールドではあるが、測定対象物からあまり離れていない位置に配置した同じく受光素子により、これら2つのビート信号を検出することができる。   When the object to be measured is a reflective object, the light receiving element which is the fourth means arranged at a position almost conjugate with the acousto-optic element detects a slightly different frequency difference (beat signal) of the beam, Two beat signals can be acquired. Further, when the measurement object is a transmission object, these two beat signals can be detected by the same light receiving element arranged at a position not far from the measurement object, although it is a far field.

そして、受光素子として、ビームの分離方向に対して垂直な方向に延びる分割線を挟んで2つ以上に分割されている受光素子を用いた場合、受光素子のすべての和信号や、境界線を挟んだ受光素子同士の差信号を第5の手段が作成し、これら信号を基にして僅かに異なる周波数差(ビート信号)を検出して、入力した信号との位相ずれを計測する。第6の手段において、例えば全受光素子の出力の和信号に基づき、実効上、対物レンズで集光された2つのビームの分離度に応じた位相差のビーム径に相当する領域の積分値を与えるので、微分干渉顕微鏡とほぼ等価な分解能を得るのに伴い、この分解能で受光素子と測定対象物との間の距離が得られることになる。   When a light receiving element that is divided into two or more with a dividing line extending in a direction perpendicular to the beam separating direction is used as the light receiving element, all the sum signals and boundary lines of the light receiving element are The fifth means creates a difference signal between the sandwiched light receiving elements, detects a slightly different frequency difference (beat signal) based on these signals, and measures a phase shift from the input signal. In the sixth means, for example, based on the sum signal of the outputs of all the light receiving elements, the integral value of the region corresponding to the beam diameter of the phase difference according to the separation degree of the two beams condensed by the objective lens is effectively obtained. Therefore, as the resolution substantially equivalent to that of the differential interference microscope is obtained, the distance between the light receiving element and the measurement object can be obtained with this resolution.

さらに分解能を高くするには、2以上に分割された各受光素子の内の隣り合った位置にある受光素子同士の差信号を取得すると、実効上、対物レンズで集光された2つのビームの分離度に応じた位相差の微分のビーム径に相当する領域の積分値を与える。この場合には、和信号と比較して、位相差の生じている部分のみが位相差に寄与するので、感度が著しく高くなる。従って、ビームの分離度に応じた分解能に匹敵する横分解能の向上が図れる。これは、通常の微分干渉顕微鏡には見られない際立った特長となる。この結果、波長で支配されている横分解能よりもはるかに高い横分解を得ることが出来る。   In order to further increase the resolution, if the difference signal between the light receiving elements adjacent to each other among the light receiving elements divided into two or more is acquired, the two beams condensed by the objective lens are effectively obtained. An integral value of a region corresponding to the differential beam diameter of the phase difference according to the degree of separation is given. In this case, as compared with the sum signal, only the portion where the phase difference occurs contributes to the phase difference, and thus the sensitivity is remarkably increased. Accordingly, it is possible to improve the lateral resolution comparable to the resolution according to the beam separation degree. This is a distinguishing feature that is not found in ordinary differential interference microscopes. As a result, a lateral resolution much higher than the lateral resolution dominated by the wavelength can be obtained.

以上をまとめると、本発明によれば、高さや屈折率分布に対する分解能を高くして距離の測定精度が高く、面内の分解能も高い距離計測システムを与えることが出来る。
また、本発明を顕微鏡に適用した場合、非常に高い面内分解能を有し、さらに2次元走査を一度行うことで、高さや屈折率分布を測定することが出来るので、生きたままの細胞やマイクロマシンなどの状態変化などの3次元計測をリアルタイムに行うことができる。このため、従来の2次元情報を取得し、3次元方向に積算していくようなレーザー走査型共焦点顕微鏡などとは比較にならない大きな特徴を有することとなる。
さらに、本発明を透過型の顕微鏡に適用した場合、生物や細胞を生きたままかつ高い分解能で観察、計測できる。このため、細胞等を不活性化して計測する電子顕微鏡にはない大きな特徴を有することとなる。
In summary, according to the present invention, it is possible to provide a distance measurement system with high resolution for height and refractive index distribution, high distance measurement accuracy, and high in-plane resolution.
In addition, when the present invention is applied to a microscope, it has a very high in-plane resolution, and further, by performing two-dimensional scanning once, the height and refractive index distribution can be measured. Three-dimensional measurement such as a change in the state of a micromachine or the like can be performed in real time. For this reason, it has the big characteristic which cannot be compared with the laser scanning confocal microscope etc. which acquire the conventional 2-dimensional information and integrate | accumulate in a 3-dimensional direction.
Furthermore, when the present invention is applied to a transmission microscope, living organisms and cells can be observed and measured with high resolution. For this reason, it has the big characteristic which the electron microscope which inactivates a cell etc. and measures does not have.

上記に示したように、本発明の距離計測システムでは、僅かに周波数の異なる2つの電磁波を近接して測定対象物に投射し、その反射波あるいは透過波を用いて、測定対象物に投射した電磁波領域の重なる部分の中心にある境界線を挟んで2つ以上のディテクタを配置し、これら2つ以上のディテクタからの和信号または差信号より得たヘテロダイン信号より位相差あるいは強度差を検出する。   As described above, in the distance measurement system according to the present invention, two electromagnetic waves having slightly different frequencies are projected close to each other and projected onto the measurement object using the reflected wave or the transmitted wave. Two or more detectors are arranged across the boundary line at the center of the overlapping portion of the electromagnetic wave region, and the phase difference or intensity difference is detected from the heterodyne signal obtained from the sum signal or difference signal from these two or more detectors. .

この様にすると、回折限界以上の面内分解能で、測定対象物の表面プロファイルや透過物体の厚み、屈折率分布等を正確に観察、計測することが可能となる。特に、差信号を用いると、この効果は大きくなる。このため、細胞や微生物の状態変化や表面状態の過渡的な変化等を、観察、計測することができる。   In this way, it is possible to accurately observe and measure the surface profile of the measurement object, the thickness of the transmission object, the refractive index distribution, and the like with an in-plane resolution that is greater than the diffraction limit. In particular, when a difference signal is used, this effect is increased. For this reason, it is possible to observe and measure changes in the state of cells and microorganisms, transient changes in the surface state, and the like.

他方、製品化されている裸眼立体ディスプレイや偏光めがねを使用した3次元ディスプレイ等を用いれば、ビデオレートの3次元立体画像を表示することもできるので、教育や研究、医療において、有用な装置とすることができる。また、非常に近接したほぼ同一の行路を通る2つのビームを用いているので、外乱等の影響を受けにくい観察や測定ができる。 On the other hand, if you use a commercially available autostereoscopic display or a 3D display using polarized glasses, you can also display 3D 3D images at video rates, which is useful in education, research, and medicine. can do. In addition, since two beams passing through almost the same path that are very close to each other are used, observation and measurement that are not easily affected by disturbance or the like can be performed.

本発明の距離計測システムに係る実施例1を示す概略図である。It is the schematic which shows Example 1 which concerns on the distance measurement system of this invention. 本発明の距離計測システムに係る実施例1による地上における照射領域を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the irradiation area | region on the ground by Example 1 which concerns on the distance measurement system of this invention. 本発明の距離計測システムに係る実施例1を示すブロック図である。It is a block diagram which shows Example 1 which concerns on the distance measurement system of this invention. 本発明の距離計測システムに係る実施例2を示す光学系のブロック図である。It is a block diagram of the optical system which shows Example 2 which concerns on the distance measurement system of this invention. 図4の対物レンズおよび測定対象物周辺部分を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the objective lens of FIG. 4, and a measurement object peripheral part. 本発明の距離計測システムに係る実施例3を示す光学系のブロック図である。It is a block diagram of the optical system which shows Example 3 which concerns on the distance measurement system of this invention. 本発明の距離計測システムに係る実施例4に適用される空間変調器を示す図であって、(A)は空間変調器の模式図であり、(B)は空間変調器に印加される電圧、電流のパターンを示す図である。It is a figure which shows the spatial modulator applied to Example 4 which concerns on the distance measurement system of this invention, Comprising: (A) is a schematic diagram of a spatial modulator, (B) is the voltage applied to a spatial modulator. FIG. 3 is a diagram showing a current pattern.

以下に、本発明に係る距離計測システムの実施例1から実施例4を各図面に基づき、詳細に説明する。   Embodiments 1 to 4 of the distance measurement system according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

本発明に係る距離計測システムの実施例1を、以下に図面を参照しつつ説明する。
図1は、本実施例の距離計測システムの構成を示す概略図である。この図1に示す飛行機10の両端部には、それぞれマイクロ波のパラボラアンテナである送信アンテナ11および送信アンテナ12が搭載されている。
Embodiment 1 of a distance measurement system according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the distance measurement system of the present embodiment. A transmitting antenna 11 and a transmitting antenna 12 which are microwave parabolic antennas are mounted on both ends of the airplane 10 shown in FIG.

そして、このように飛行機10に搭載されたマイクロ波の送信アンテナ11と送信アンテナ12は、キャリア信号周波数fcおよび変調周波数fmに基づくAsin(2π(fc+fm)t)とAsin(2π(fc−fm)t)の送信波を、地上の立体形状である地形等の測定対象物Gに対して、それぞれ相互にほぼ同一大きさの円錐形状に広がるように、送信する。それぞれの送信波は、パラボラアンテナを傾斜させることで、図1及び図2に示すように、例えば地上の測定対象物Gに対して照射領域A,Bがほぼ重なるものの僅かに中心距離Δxだけずらして照射されるようになっている。   The microwave transmission antenna 11 and the transmission antenna 12 mounted on the airplane 10 in this way are Asin (2π (fc + fm) t) and Asin (2π (fc−) based on the carrier signal frequency fc and the modulation frequency fm. The transmission wave of fm) t) is transmitted to the measurement object G such as the landform which is a three-dimensional shape on the ground so as to spread in a cone shape having the same size. As shown in FIGS. 1 and 2, each transmitted wave is slightly shifted by the center distance Δx although the irradiation areas A and B substantially overlap the measurement object G on the ground, for example, by tilting the parabolic antenna. It comes to be irradiated.

他方、飛行機10における送信アンテナ11と送信アンテナ12の間の部分であって、 各々の送信波の重なった照射領域A,Bのほぼ中央を境界とする部分の延長上には、同じくそれぞれパラボラアンテナである少なくとも2つの受信アンテナ13と受信アンテナ14が配置されている。   On the other hand, on the extension of the portion of the airplane 10 between the transmission antenna 11 and the transmission antenna 12 and having the boundary at the approximate center of the irradiation areas A and B where the respective transmission waves overlap, At least two receiving antennas 13 and 14 are arranged.

すなわち、2つの受信アンテナ13および受信アンテナ14は、測定対象物Gから反射されたマイクロ波の空間周波数ゼロから照射領域A,Bのずれた2方向の空間周波数のマイクロ波をそれぞれ受信できるようになっている。このため、ぞれぞれの受信アンテナ13,14で受信した信号は、測定対象物Gから反射された2つの周波数を有するマイクロ波が干渉された結果、周波数2fmのビート信号になる。   That is, the two receiving antennas 13 and 14 can receive the microwaves having spatial frequencies in two directions shifted from the spatial frequency zero of the microwave reflected from the measurement object G to the irradiation areas A and B, respectively. It has become. For this reason, the signals received by the respective receiving antennas 13 and 14 become beat signals having a frequency of 2 fm as a result of interference of microwaves having two frequencies reflected from the measurement object G.

さらに、図3に示す飛行機10内には、上記マイクロ波を送信アンテナ11,12から送信するための図示しない発信器等を有するだけでなく、受信アンテナ13,14で受信した信号に基づき和信号や差信号を作成するための信号作成手段である信号作成装置16、これら信号の位相ずれから飛行機10の高さ等を計測する計測手段である計測機器17および、高さデータ等を蓄積するハードディスクドライブ等のメモリ18が搭載されている。   Furthermore, the airplane 10 shown in FIG. 3 has not only a transmitter (not shown) for transmitting the microwaves from the transmission antennas 11 and 12 but also a sum signal based on the signals received by the reception antennas 13 and 14. A signal generating device 16 that is a signal generating means for generating a difference signal, a measuring device 17 that is a measuring means for measuring the height of the airplane 10 from the phase shift of these signals, and a hard disk that stores height data and the like A memory 18 such as a drive is mounted.

ここで、これら受信アンテナ13および受信アンテナ14により受信した信号の和信号や差信号を用いて、位相ずれを検出すると、2つの照射領域A,Bの高さ情報が得られる。具体的には、上記受信アンテナ13,14の和信号や、受信アンテナ13,14同士の差信号を信号作成装置16が作成し、これら信号を基にして僅かに異なる周波数差(ビート信号)を求めて、入力した信号との位相ずれを計測機器17により計測することにする。   Here, when the phase shift is detected using the sum signal or difference signal of the signals received by the receiving antenna 13 and the receiving antenna 14, height information of the two irradiation areas A and B is obtained. Specifically, the signal generating device 16 generates a sum signal of the receiving antennas 13 and 14 and a difference signal between the receiving antennas 13 and 14, and based on these signals, a slightly different frequency difference (beat signal) is generated. Thus, the phase shift from the input signal is measured by the measuring device 17.

そして、計測機器17において、和信号によりほぼ波長の数分の一程度の分解能を得るのに伴い、この分解能で受信アンテナ13,14を有した飛行機10と測定対象物Gとの間の距離である高さ情報が得られる。また、計測機器17において差信号を用いれば、和信号の場合と比較して、位相差の生じている部分のみが位相差に寄与するので、分解能が高くなって感度が著しく高くなる。   As the measuring instrument 17 obtains a resolution of about a fraction of the wavelength from the sum signal, the distance between the airplane 10 having the receiving antennas 13 and 14 and the measurement object G is obtained with this resolution. Some height information is obtained. Further, if the difference signal is used in the measuring instrument 17, only the portion where the phase difference is generated contributes to the phase difference as compared with the sum signal, so that the resolution is increased and the sensitivity is remarkably increased.

なお、上記受信アンテナを本実施例では2つとしたが、受信アンテナを3つ以上設置しても良い。また、信号作成装置16、計測機器17およびメモリ18の替わりに、送信機を搭載すれば、これら信号作成装置16、計測機器17およびメモリ18を地上に設置しても良い。   In the present embodiment, two reception antennas are used. However, three or more reception antennas may be installed. Further, if a transmitter is mounted instead of the signal creation device 16, the measurement device 17 and the memory 18, the signal creation device 16, the measurement device 17 and the memory 18 may be installed on the ground.

以下、この距離計測システムの動作原理について詳細に説明する。
図2に示す2つのマイクロ波の照射領域A,B間の中心距離Δxをこれらのマイクロ波が有する回折限界以下に設定したとする。この場合、各々のマイクロ波の照射領域A,Bは、アッべの理論の回折限界以下にはならないが、わずかにずらした各々別の周波数のマイクロ波であるために、ヘテロダイン検波をすることにより、微分情報を取得することができる。この時、受信アンテナ13と受信アンテナ14の和信号を用いると、実質的に光学顕微鏡の一種の微分干渉顕微鏡と等価になり、これらの差信号を用いると、微分干渉顕微鏡よりはるかに高い横分解能が得られる。
Hereinafter, the operation principle of this distance measurement system will be described in detail.
Assume that the center distance Δx between the two microwave irradiation areas A and B shown in FIG. 2 is set to be equal to or less than the diffraction limit of these microwaves. In this case, the microwave irradiation areas A and B do not fall below the diffraction limit of Abbe's theory, but are microwaves of different frequencies that are slightly shifted, so that heterodyne detection is performed. , Differential information can be obtained. At this time, if the sum signal of the receiving antenna 13 and the receiving antenna 14 is used, it is substantially equivalent to a kind of differential interference microscope of an optical microscope, and if these difference signals are used, the lateral resolution is much higher than that of the differential interference microscope. Is obtained.

簡単のために1次元で考える。まず、地上や海上にある測定対象物Gのプロファイルd(x)の位相分布をAejθ(x)とおく。ここで、θ(x)=2πd(x)/λである。本実施例のように反射の場合には、行路差は2倍になるので、観測されるθ(x)の半分を高さ情報とすればよい。
さて、上記のように測定対象物G上での2つのマイクロ波の照射領域A,B間の中心距離をΔxとし、地上もしくは海上でのマイクロ波の複素振幅分布をu(x)とする。この場合、測定対象物Gに比較して十分離れた場所では、測定対象物Gのプロファイルとビームプロファイルの積のフーリエ変換となる。
Think in one dimension for simplicity. First, let Ae jθ (x) be the phase distribution of the profile d (x) of the measurement object G on the ground or the sea. Here, θ (x) = 2πd (x) / λ. In the case of reflection as in the present embodiment, the path difference is doubled, so half of the observed θ (x) may be used as height information.
Now, as described above, the center distance between the two microwave irradiation areas A and B on the measurement object G is Δx, and the microwave complex amplitude distribution on the ground or the sea is u (x). In this case, in a place sufficiently away from the measuring object G, the Fourier transform of the product of the profile of the measuring object G and the beam profile is performed.

本距離計測システムにおいては、一方の受信アンテナで受信されるマイクロ波は、ej(ωc-ωm)tで変調を受けていることになり、中心距離Δxだけ離れた他方の受信アンテナで受信されるマイクロ波は、ej(ωc+ωm)tで変調を受けていることになる。
従って、受信アンテナ13,14上の複素振幅分布Eは、以下のようになる。
E=∫(Aejθ(x) u(x)ejkxdx・ej(ωc-ωm)t+Aejθ(x+Δx) u(x)ejkxdx・ej(ωc+ωm)t
In this distance measurement system, the microwave received by one receiving antenna is modulated by ej (ωc-ωm) t and is received by the other receiving antenna separated by the center distance Δx. The microwave is modulated by ej (ωc + ωm) t .
Therefore, the complex amplitude distribution E on the receiving antennas 13 and 14 is as follows.
E = ∫ (Ae jθ (x) u (x) e jkx dx · e j (ωc-ωm) t + Ae jθ (x + Δx) u (x) e jkx dx · e j (ωc + ωm) t )

これら受信アンテナ13,14により強度Iの検出を行うと、I=EE*、さらに、2ωmのヘテロダイン検波を行うので、以下の(1)式のようになる。
I(k)=A2∫ej(θ(x)-θ(x'+Δx') u(x) u(x’) ejk(x-x')dxdx’e-j2ωmt
+A2∫e-j(θ(x)-θ(x'+Δx') u(x) u(x’) ejk(x-x')dxdx’ej2ωmt・・・・・(1)式
When the intensity I is detected by these receiving antennas 13 and 14, since I = EE * and further heterodyne detection of 2ωm, the following equation (1) is obtained.
I (k) = A 2 ∫e j (θ (x) −θ (x ′ + Δx ′) u (x) u (x ′) e jk (x−x ′) dxdx′e −j2ωmt
+ A 2 ∫e −j (θ (x) −θ (x ′ + Δx ′) u (x) u (x ′) e jk (x−x ′) dxdx′e j2ωmt (1)

そして、2つのマイクロ波の重なっている照射領域A,Bのほぼ中心を図1、図2の境界線Cとし、この境界線Cを挟んだ位置であって、各々の照射領域A,Bの分離方向に沿った位置に対応して2つの受信アンテナ13,14を測定対象物から離して配置する。ここでまず、2つの受信アンテナ13,14で受信した信号の和信号がどのようになるかを考える。測定対象物から離れた位置では、フーリエ変換面であると考えられるので、受信アンテナで受信できる最大空間周波数をKmaxとすると、和信号では強度Iが下記式から求められる。
I=∫I(k)dk(積分範囲は-KmaxからKmax)
=A2∫cos(θ(x)−θ(x’+Δx’)−2ωmt) u(x) u(x’)sin(Kmax(x-x’))/(x-x’)dxdx’
2 and the boundary line C in FIGS. 1 and 2, and a position sandwiching the boundary line C between the irradiation areas A and B. The two receiving antennas 13 and 14 are arranged away from the measurement object corresponding to the position along the separation direction. First, let us consider how the sum signal of the signals received by the two receiving antennas 13 and 14 will be. Since it is considered to be a Fourier transform plane at a position away from the object to be measured, if the maximum spatial frequency that can be received by the receiving antenna is Kmax, the intensity I can be obtained from the following equation for the sum signal.
I = ∫I (k) dk (integration range is -Kmax to Kmax)
= A 2 ∫cos (θ (x) −θ (x ′ + Δx ′) − 2ωmt) u (x) u (x ′) sin (Kmax (x−x ′)) / (x−x ′) dxdx ′

受信アンテナを大きくして広い空間周波数まで受信するように配置すると、
sin(Kmax(x-x’))/(x-x’)=Kδ(x-x’)となるので、以下の(2)式のようになる。
I=A2∫cos(θ(x) −θ(x+Δx) −2ωmt) u(x)2dx・・・・・(2)式
If the receiving antenna is enlarged and arranged to receive up to a wide spatial frequency,
Since sin (Kmax (x−x ′)) / (x−x ′) = Kδ (x−x ′), the following equation (2) is obtained.
I = A 2 ∫cos (θ (x) −θ (x + Δx) −2ωmt) u (x) 2 dx (2)

すなわち、2つのマイクロ波の分離位置の位相差をマイクロ波のプロファイルのウェイトで積分したことになる。
(2)式を変形すると下記の式を得る。
Iq=A2∫cos(θ(x)−θ(x+Δx) u(x)2dx・cos(2ωmt)
Ii=A2∫sin(θ(x)−θ(x+Δx) u(x)2dx・sin(2ωmt)
That is, the phase difference between the separation positions of the two microwaves is integrated by the weight of the microwave profile.
When the equation (2) is modified, the following equation is obtained.
Iq = A 2 ∫cos (θ (x) −θ (x + Δx) u (x) 2 dx · cos (2ωmt)
Ii = A 2 ∫sin (θ (x) −θ (x + Δx) u (x) 2 dx · sin (2ωmt)

従って、直交変換により、観測される位相差Θは以下の(3)式のようになる。
Θ=tan-1(∫sin(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx/∫cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx)・・・・・(3)式
Accordingly, the observed phase difference Θ is represented by the following equation (3) by orthogonal transformation.
Θ = tan −1 (∫sin (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx / ∫cos (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx) ... (3)

この一方、2つの受信アンテナ13,14の差信号を考えると、和信号の場合と同様にして下記の式が得られる。
I=∫I(k)dk(積分範囲は0からKmax)−∫I(k)dk(積分範囲は−Kmaxから0)
=A2∫sin(θ(x)−θ(x’+Δx’)−2ωmt) u(x) u(x’)( cos(Kmax(x-x’)-1)/(x-x’)dxdx’
On the other hand, when the difference signal between the two receiving antennas 13 and 14 is considered, the following equation is obtained in the same manner as the sum signal.
I = ∫I (k) dk (integration range is 0 to Kmax) −∫I (k) dk (integration range is −Kmax to 0)
= A 2 ∫sin (θ (x) −θ (x ′ + Δx ′) − 2ωmt) u (x) u (x ′) (cos (Kmax (x−x ′) − 1) / (x−x ′ dxdx '

受信アンテナを大きくして広い空間周波数まで受信するように配置すると、
(cos(Kmax(x-x’)-1)/(x-x’)=δ’(x-x’)+1/x(δ(x)-1)となるので、下記(4)式のようになる。
I=A2∫d/dx(sin(θ(x)―θ(x+Δx)―2ωmt) )u(x)2dx・・・・・(4)式
さらに、この(4)式を変形すると、下記のようになる。
Iq=A2∫d/dx(sin(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx・cos(2ωmt)
Ii=−A2∫d/dx(cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx・sin(2ωmt)
If the receiving antenna is enlarged and arranged to receive up to a wide spatial frequency,
Since (cos (Kmax (x−x ′) − 1) / (x−x ′) = δ ′ (x−x ′) + 1 / x (δ (x) −1), the following equation (4) become that way.
I = A 2 ∫d / dx (sin (θ (x) −θ (x + Δx) −2ωmt)) u (x) 2 dx (4) Equation (4) Then, it becomes as follows.
Iq = A 2 d / dx (sin (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx · cos (2ωmt)
Ii = −A 2 ∫d / dx (cos (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx · sin (2ωmt)

従って、直交変換により観測される位相差Θは以下の(5)式のようになる。
Θ=tan-1(−∫d/dx(cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx/∫d/dx(sin(θ(x)−θ(x+Δx))u(x)2dx)・・・・・(5)式
Therefore, the phase difference Θ observed by the orthogonal transformation is expressed by the following equation (5).
Θ = tan −1 (−∫d / dx (cos (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx / ∫d / dx (sin (θ (x) −θ (x + Δx )) u (x) 2 dx) (5)

ここで、(3)式と(5)式の比較を行う。定性的には、以下の点がわかる。
まず、(3)式では、照射領域A,Bの中心距離Δxだけ離れた2点の位相差をu(x)の重み関数で、平滑化した結果として得られる位相差を示しているので、照射領域A,B内の平均的な位相差を示している。これは、微分干渉顕微鏡と等価な処理である。
他方、(5)式では、照射領域A,Bの中心距離Δxだけ離れた2点の位相差の微分に対して、u(x)の重み関数で平滑化しているので、おおよそ元の関数を復元していることになる。
従って、飛行機10が飛行すると照射領域A,Bの分離度に相当する横分解能で、位相差および位置情報を取得することが可能となる。
Here, the expressions (3) and (5) are compared. The following points are qualitatively understood.
First, the equation (3) shows the phase difference obtained as a result of smoothing the phase difference between two points separated by the center distance Δx between the irradiation areas A and B with the weight function of u (x). The average phase difference in the irradiation areas A and B is shown. This is a process equivalent to a differential interference microscope.
On the other hand, in the expression (5), the differential of the phase difference between the two points separated by the center distance Δx between the irradiation areas A and B is smoothed by the weight function of u (x). It will be restored.
Therefore, when the airplane 10 flies, it is possible to acquire phase difference and position information with a lateral resolution corresponding to the degree of separation between the irradiation areas A and B.

ここでは、2つの受信アンテナを配置した場合を記述したが、照射領域A,Bの重なった領域の中心付近に、2つのマイクロ波の分離方向に沿って複数のアレイアンテナを測定対象物Gから離して配置した場合も同様になる。特に、差出力を得る場合には、照射領域A,Bの重なった部分の中心付近に対応して配置した複数のアレイアンテナのうちの、対応する複数のアレイアンテナ間同士で差演算を行うようにすれば良い。
また、複数のアレイアンテナの和出力だけを用いるのであれば、実質上1つの受信アンテナを用いることで、同様のことが実現できることになる。
Although the case where two receiving antennas are arranged is described here, a plurality of array antennas are arranged from the measuring object G along the separation direction of two microwaves in the vicinity of the center of the region where the irradiation regions A and B overlap. The same applies when they are arranged apart. In particular, when a difference output is obtained, a difference calculation is performed between a plurality of corresponding array antennas among a plurality of array antennas arranged corresponding to the vicinity of the center of the overlapping portion of the irradiation areas A and B. You can do it.
Further, if only the sum output of a plurality of array antennas is used, the same can be realized by using one receiving antenna substantially.

尚、説明を簡単にするために取得する空間周波数が広い場合を想定して式を簡略化したが、取得できる空間周波数が大きくない場合には、式中のδ関数の部分がコンボリューションになるだけで、本質的に分解能が向上することに変わりはない。この場合には、測定対象物Gのプロファイル等に多少のボケが生じることになる。   In order to simplify the explanation, the formula is simplified assuming that the spatial frequency to be acquired is wide. However, when the spatial frequency that can be acquired is not large, the δ function portion in the formula becomes a convolution. However, the resolution is essentially improved. In this case, a slight blur occurs in the profile or the like of the measurement object G.

上記説明においては位相に関して詳述したが、強度についても同様なことが言える。特に、照射領域A,Bよりも小さいプロファイルの変化に対しては、照射されている領域のフーリエ変換の0次回折波と1次回折波との干渉により形成された干渉縞のファーフィールドにおけるパターンが2つの受信アンテナ13,14で異なるので、受信アンテナ13,14の差信号はプロファイルの傾きに反映した強度差となってあらわれる。
以上述べたように、ヘテロダイン検波を用い、フーリエ変換面にて空間周波数情報を処理することにより、特に差演算では非常に高い横分解能の向上をもたらすことができる。
In the above description, the phase has been described in detail, but the same can be said for the intensity. In particular, for a profile change smaller than that of the irradiation regions A and B, a pattern in the far field of interference fringes formed by interference between the zeroth-order diffracted wave and the first-order diffracted wave of the Fourier transform of the irradiated region. Is different between the two receiving antennas 13 and 14, the difference signal between the receiving antennas 13 and 14 appears as an intensity difference reflected in the slope of the profile.
As described above, by using heterodyne detection and processing spatial frequency information on the Fourier transform plane, it is possible to bring about a very high improvement in lateral resolution, particularly in the difference calculation.

本発明に係る距離計測システムの実施例2の概念を以下に説明する。
レーザーのようなコヒーレントな光源から出射された光を、第1の手段である音響光学素子や空間変調器により実質上2つの異なる周波数の光に変調させる。この時、例えば音響光学素子を用いると、この音響光学素子の表面弾性波と光の相互作用により、回折縞が変調を受ける。ドップラーシフトを受けた光は、周波数変調を受けるとともに、±1次の回折光となって出射される。他方、空間光変調器を用いる場合には、この空間光変調器に書き込んだ回折縞を変調させることでも、同様な効果をもたらす。
The concept of Example 2 of the distance measurement system according to the present invention will be described below.
Light emitted from a coherent light source such as a laser is modulated into light of substantially two different frequencies by an acousto-optic device or a spatial modulator as the first means. At this time, for example, when an acoustooptic element is used, the diffraction fringes are modulated by the interaction between the surface acoustic wave of the acoustooptic element and light. The light that has undergone Doppler shift undergoes frequency modulation and is emitted as first-order diffracted light. On the other hand, when a spatial light modulator is used, the same effect can be obtained by modulating the diffraction fringes written in the spatial light modulator.

このようにして、周波数変調を受けた光が相互に近接した2つの光に分離されつつ第1の手段から出射される。この2つの光を第2の手段である瞳伝達光学系等により2次元に走査し、第3の手段である対物レンズ等で測定対象物に照射させる。この測定対象物から離れた距離であって、2つの光の分離方向に沿って2以上に分割されて配置された第4の手段である受光素子が、測定対象物から反射し、あるいは測定対象物を透過した光を、2つの光の分離方向に対して略垂直な方向に伸びる境界線を挟んだ光として、それぞれ受光する。   In this way, the light subjected to frequency modulation is emitted from the first means while being separated into two lights close to each other. These two lights are scanned two-dimensionally by a pupil transmission optical system or the like as the second means, and irradiated onto the measurement object with an objective lens or the like as the third means. A light receiving element as a fourth means, which is a distance away from the measurement object and is divided into two or more along the separation direction of the two lights, reflects from the measurement object or is measured The light transmitted through the object is received as light sandwiching a boundary line extending in a direction substantially perpendicular to the separation direction of the two lights.

この様にして受光素子で受光された光は光電変換され、第5の手段において2つの光の分離方向に対して略垂直な方向を境界線として対称な位置にある各々の出力の差信号または和信号を作成する。この差信号または和信号を第6の手段においてヘテロダイン検波することにより、位相差の検出をし、あるいは強度差の検出をする。   In this way, the light received by the light receiving element is photoelectrically converted, and in the fifth means, the difference signal between the outputs at the symmetrical positions with the direction substantially perpendicular to the separation direction of the two lights as the boundary line or Create a sum signal. The difference signal or sum signal is subjected to heterodyne detection in the sixth means to detect a phase difference or an intensity difference.

この検出された位相差や強度差は、反射の場合には測定対象物表面のプロファイルの高さ情報を示し、透過の場合には厚みや屈折率分布等の情報を示す。この際、実施例1で述べたマイクロ波の照射領域A,Bを対物レンズで絞った回折限界スポット径と考えればよい。すなわち、光電変換されたそれぞれの信号の和信号に基づくヘテロダイン検波では、2つの光であるビームの中心距離だけ離れた2点の位相差をu(x)の重み関数で、平滑化した結果として得られる位相差を示している。このため、この和信号に基づくヘテロダイン検波は、ビーム内の平均的な位相差を示していることになるが、これは微分干渉顕微鏡と等価な処理である。   The detected phase difference or intensity difference indicates height information of the profile of the surface of the measurement object in the case of reflection, and indicates information such as thickness and refractive index distribution in the case of transmission. At this time, the microwave irradiation areas A and B described in the first embodiment may be considered as a diffraction limited spot diameter narrowed by the objective lens. That is, in the heterodyne detection based on the sum signal of each photoelectrically converted signal, as a result of smoothing the phase difference between two points separated by the center distance of the two light beams with a weight function of u (x) The obtained phase difference is shown. For this reason, the heterodyne detection based on this sum signal indicates an average phase difference in the beam, which is a process equivalent to a differential interference microscope.

この一方、光電変換されたそれぞれの信号の差信号に基づくヘテロダイン検波では、ビームの中心距離だけ離れた2点の位相差の微分に対して、u(x)の重み関数で平滑化しているので、おおよそ元の関数を復元していることになる。
以上より、ビームを瞳伝達光学系により走査した場合、ビーム分離度に相当する横分解能で、位相差および位置情報を取得することが可能となる。
On the other hand, in the heterodyne detection based on the difference signal between the photoelectrically converted signals, the differential of the phase difference at two points separated by the center distance of the beam is smoothed by the weight function of u (x). , Roughly restoring the original function.
As described above, when the beam is scanned by the pupil transmission optical system, the phase difference and the position information can be acquired with the lateral resolution corresponding to the beam separation degree.

上記においては、光軸を境界線として2分割された受光素子を適用した場合を記述したが、ビームの分離方向に沿って複数の受光素子を測定対象物から離して配置した場合も同様になる。特に、差出力を得る場合には、境界線を挟んで隣り合う受光素子間同士で行うようにすれば良い。また、複数の受光素子の和出力だけを用いるのであれば、実質上1つの受光素子を用いることで、同様のことが実現できることになる。   In the above description, the case where the light receiving element divided into two with the optical axis as the boundary line is applied is described, but the same applies to the case where a plurality of light receiving elements are arranged away from the measurement object along the beam separation direction. . In particular, when a difference output is obtained, it may be performed between adjacent light receiving elements across a boundary line. If only the sum output of a plurality of light receiving elements is used, the same can be realized by using one light receiving element.

そして、測定対象物に関し、ビーム内にプロファイルの傾きがあれば、定性的には光が反射または透過する方向が異なるので、2つの受光素子に強度としての差出力が与えられる。具体的に説明すると、ビーム径よりも小さいプロファイルの変化があれば、光が照射されている領域のフーリエ変換の0次回折波と1次回折波との干渉により形成された干渉縞のファーフィールドにおけるパターンが、2つの受光素子間で異なるので、これら2つの受光素子の差信号は、プロファイルの傾きを反映した強度差となって表れることになる。   With respect to the measurement object, if there is an inclination of the profile in the beam, the direction in which light is reflected or transmitted qualitatively differs, so that a difference output as intensity is given to the two light receiving elements. More specifically, if there is a profile change smaller than the beam diameter, the far field of interference fringes formed by the interference between the zeroth-order diffracted wave and the first-order diffracted wave of the Fourier transform in the region irradiated with light. Since the pattern at 2 differs between the two light receiving elements, the difference signal between the two light receiving elements appears as an intensity difference reflecting the inclination of the profile.

以下、本発明に係る距離計測システムの実施例2を図面を用いて具体的に説明する。
図4は、本実施例に係る距離計測システムの構成を示すブロック図である。この図4に示すように、レーザー光が出射される光源であるレーザー21と、AODドライバー24が接続されて動作が制御される音響光学素子(AOD)23との間に、コリメーターレンズ22が配置されている。また、この音響光学素子23に対して、2枚のレンズからなる瞳伝達拡大レンズ系25、入力されたレーザー光を2次元走査する2次元走査デバイス26、入力されたレーザー光を分離して出射する偏光ビームスプリッター27が順に並んで配置されている。
A second embodiment of the distance measuring system according to the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
FIG. 4 is a block diagram illustrating the configuration of the distance measurement system according to the present embodiment. As shown in FIG. 4, a collimator lens 22 is provided between a laser 21 that is a light source from which laser light is emitted and an acousto-optic device (AOD) 23 to which an operation is controlled by connecting an AOD driver 24. Has been placed. The acoustooptic device 23 also includes a pupil transmission magnifying lens system 25 comprising two lenses, a two-dimensional scanning device 26 for two-dimensionally scanning the input laser light, and separating and emitting the input laser light. The polarizing beam splitters 27 are arranged in order.

さらに、この偏光ビームスプリッター27に隣り合って、2枚のレンズからなる瞳伝達レンズ系30が位置し、この隣に対物レンズ31が測定対象物G1と対向して配置されている。つまり、これら部材が光軸Lに沿って並んでいることになる。他方、光軸Lが通過する方向に対して直交する方向であって偏光ビームスプリッター27の両隣の位置には、それぞれセンサである受光素子28及び受光素子29が配置されている。これら受光素子28、29が、これら受光素子28、29からの信号を比較する信号比較器33にそれぞれ接続され、この信号比較器33が、最終的にデータを処理して測定対象物G1のプロフィル等を得るデータ処理部34に繋がっている。   Further, a pupil transmission lens system 30 composed of two lenses is located adjacent to the polarization beam splitter 27, and an objective lens 31 is arranged next to the object G1 for measurement. That is, these members are arranged along the optical axis L. On the other hand, a light receiving element 28 and a light receiving element 29, which are sensors, are disposed at positions adjacent to the polarization beam splitter 27 in a direction orthogonal to the direction in which the optical axis L passes. The light receiving elements 28 and 29 are connected to a signal comparator 33 that compares signals from the light receiving elements 28 and 29, respectively. The signal comparator 33 finally processes the data and the profile of the measurement object G1. Etc. are connected to a data processing unit 34 for obtaining the above.

また、このレーザー21は、He-Ne等のガスレーザー、もしくは、半導体レーザー、固体レーザーであり、コヒーレントなレーザー光を発生する。このレーザー光をコリメーターレンズ22により平行光束にし、音響光学素子23に入射させる。このとき、レーザー光の入射ビーム径は、後段の瞳伝達拡大レンズ系25との兼ね合いより、絞り機構(図示せず)等を用いて適正化しておくことにする。さらに、この音響光学素子23には、AODドライバー24より、sin(2πfct)sin(2πfmt)のようなDSB変調信号が変調信号として加えられる。   The laser 21 is a gas laser such as He—Ne, a semiconductor laser, or a solid laser, and generates coherent laser light. The laser light is converted into a parallel light beam by the collimator lens 22 and is incident on the acoustooptic device 23. At this time, the incident beam diameter of the laser light is optimized using a diaphragm mechanism (not shown) or the like in consideration of the pupil transmission magnifying lens system 25 in the subsequent stage. Further, a DSB modulation signal such as sin (2πfct) sin (2πfmt) is applied as a modulation signal to the acoustooptic device 23 from the AOD driver 24.

この様な変調を行うと、fc+fmとfc-fmの2つの周波数変調が加えられたことになる音響光学素子23は、ブラッグ回折格子のピッチdに相当する音波の粗密波を発生する。すなわち、超音波の速度をVa、印加する周波数をfとすると、d=Va/fとなる。具体的には、この粗密波により、音響光学素子23に入射されたレーザー光であるビームは、±1次回折光に分離され、各々の回折光は周波数fc±fmの周波数で変調される。たとえば、音響光学素子23の材料としてTeO2が用いられるが、この材料の音速は、660m/sである。 When such modulation is performed, the acoustooptic device 23 to which two frequency modulations of fc + fm and fc-fm have been applied generates an acoustic dense wave corresponding to the pitch d of the Bragg diffraction grating. That is, if the velocity of the ultrasonic wave is Va and the applied frequency is f, d = Va / f. Specifically, the beam, which is laser light incident on the acoustooptic device 23, is separated into ± first-order diffracted light by the dense waves, and each diffracted light is modulated at a frequency of frequency fc ± fm. For example, TeO 2 is used as the material of the acoustooptic device 23, and the sound velocity of this material is 660 m / s.

キャリアー周波数の周波数fcとして40MHzを選択すると、d=16.5μmとなり、He-Neレーザーをレーザー21に用いた場合、回折角θは2.19791度程度の角度になる。図4においては、光軸Lが変化していないように図示してあるが、実際には音響光学素子23以降の光学系を回折角θだけ傾けておくか、2次元走査デバイス26にバイアスを付与して、回折角θの傾きを実効上与えておくことにする。   When 40 MHz is selected as the frequency fc of the carrier frequency, d = 16.5 μm, and when the He—Ne laser is used for the laser 21, the diffraction angle θ is about 2.19791 degrees. In FIG. 4, the optical axis L is illustrated as not changing, but in practice, the optical system after the acousto-optic element 23 is tilted by the diffraction angle θ or a bias is applied to the two-dimensional scanning device 26. In this case, the inclination of the diffraction angle θ is effectively given.

このキャリアー周波数に10KHz程度の周波数fmを加えると、±1次回折光はθ=2.19847度とθ=2.19737度となり、40.01MHzと39.99MHzでそれぞれ変調されることになる。この角度を維持したまま、対物レンズ31にレーザー光を入射させた場合、対物レンズ31の焦点距離を2mm、NA0.9とすると、ビームの中心距離は、0.6μm程度になり、この時の回折限界はw=0.857μmとなる。つまり、このように回折限界系よりもビームの分離度を小さくしておくことにする。   When a frequency fm of about 10 kHz is added to this carrier frequency, the ± first-order diffracted light becomes θ = 2.19847 degrees and θ = 2.19737 degrees, and is modulated at 40.01 MHz and 39.99 MHz, respectively. When laser light is incident on the objective lens 31 while maintaining this angle, if the focal length of the objective lens 31 is 2 mm and NA 0.9, the center distance of the beam is about 0.6 μm, and the diffraction at this time The limit is w = 0.857 μm. That is, the beam separation degree is made smaller than that of the diffraction limited system.

尚、ビームの中心距離であるビーム分離度をより小さくすれば、分解能を向上させることが出来るが、ヘテロダイン検波の周波数を低下させると、処理スピードが遅くなってしまう。この場合、より音速の早い音響光学素子を使用すれば、ブラッグの回折格子ピッチdを大きくすることが出来るので、処理速度を向上させることが出来る。実際、音速Vaが4.2E+3m/s程度のものも知られ、市販されている。   If the beam separation, which is the center distance of the beam, is further reduced, the resolution can be improved. However, if the frequency of the heterodyne detection is lowered, the processing speed becomes slow. In this case, if an acoustooptic device having a higher sound speed is used, the Bragg diffraction grating pitch d can be increased, and the processing speed can be improved. In fact, one with a sound velocity Va of about 4.2E + 3 m / s is also known and commercially available.

ここで、音響光学素子23と偏光ビームスプリッター27との間に配置されている瞳伝達拡大レンズ系25は、音響光学素子23の出射面位置を次の2次元走査デバイス26に共役に伝達するための光学系であり、この瞳伝達拡大レンズ系25を通過した光は2次元走査デバイス26に送られるが、対物レンズ31の瞳位置に共役にする瞳伝達レンズ系30により、この2次元走査デバイス26からの光は、角度差を有した±1次回折光として対物レンズ31に入射する。このようにして、図5の実線で示すビームLAおよび点線で示すビームLBのように、非常に接近して相互に同一径とされる2つのビームを得ることができる。   Here, the pupil transmission magnifying lens system 25 disposed between the acoustooptic element 23 and the polarization beam splitter 27 transmits the position of the exit surface of the acoustooptic element 23 to the next two-dimensional scanning device 26 in a conjugate manner. The light that has passed through the pupil transmission magnifying lens system 25 is sent to the two-dimensional scanning device 26, and this two-dimensional scanning device is provided by the pupil transmission lens system 30 that is conjugated to the pupil position of the objective lens 31. 26 enters the objective lens 31 as ± first-order diffracted light having an angular difference. In this way, two beams that are very close to each other and have the same diameter can be obtained, such as a beam LA indicated by a solid line and a beam LB indicated by a dotted line in FIG.

また、これら2つのビームLA、LBの有する周波数は、「光の振動数+キャリア周波数fc±変調周波数fm」となる。2つの接近したビームの中心距離を上記したように回折限界以下に設定した場合、各々のビームは、アッべの理論の回折限界以下にはならないが、わずかにずらした各々別の周波数の光であるために、ヘテロダイン検波をすることにより、微分情報を取得することができる。さらに、図4に示す受光素子29を2分割以上の受光素子とし、光軸Lを境界線Cとして、この境界線Cを挟んでビームの分離方向に対して垂直な方向に暗線を有するように、これら受光素子を配置し、その和信号あるいは差信号より、ビート信号を取得させる。この時、和信号を用いると、実質的に微分干渉顕微鏡と等価になり、差信号を用いるとはるかに高い横分解能が得られる。   The frequency of the two beams LA and LB is “light frequency + carrier frequency fc ± modulation frequency fm”. When the center distance between two close beams is set below the diffraction limit as described above, each beam does not fall below the diffraction limit of Abbe's theory, but with slightly shifted light at different frequencies. Therefore, differential information can be acquired by performing heterodyne detection. Further, the light receiving element 29 shown in FIG. 4 is divided into two or more light receiving elements, the optical axis L is a boundary line C, and a dark line is formed in a direction perpendicular to the beam separation direction across the boundary line C. These light receiving elements are arranged, and a beat signal is obtained from the sum signal or difference signal thereof. At this time, if a sum signal is used, it is substantially equivalent to a differential interference microscope, and if a difference signal is used, a much higher lateral resolution can be obtained.

ここで、測定対象物G1に送られる光の性質について具体的に説明する。対物レンズ31で絞られた光は、図5に示すように近接した2つのビームLA、LBとなり、測定対象物G1に送られる。なお、ビームLAの複素振幅EaおよびビームLBの複素振幅Ebは、下記式のようになる。
Ea=Aexpj(2π(fo+fc+fm)t)
Eb=Bexpj(2π(fo+fc-fm)t+δ)
この複素振幅Ebの式のδは、ビームLAを基準としたビームLBの高さ方向の位相差を表わし、foは光の周波数を表す。なお、前述したようにこの2つのビームの間隔は、音響光学素子23に加えた変調周波数fmによって決定されるので、走査速度とは無関係である。
Here, the property of the light transmitted to the measuring object G1 will be specifically described. The light narrowed down by the objective lens 31 becomes two adjacent beams LA and LB as shown in FIG. 5, and is sent to the measurement object G1. Note that the complex amplitude Ea of the beam LA and the complex amplitude Eb of the beam LB are expressed by the following equations.
Ea = Aexpj (2π (fo + fc + fm) t)
Eb = Bexpj (2π (fo + fc-fm) t + δ)
Δ in the expression of the complex amplitude Eb represents the phase difference in the height direction of the beam LB with respect to the beam LA, and fo represents the frequency of light. Note that, as described above, the interval between the two beams is determined by the modulation frequency fm applied to the acoustooptic device 23, and is thus independent of the scanning speed.

図4および図5に示す測定対象物G1で反射されたこの2つのビームLA、LBは、対物レンズ31、瞳伝達レンズ系30および偏光ビームスプリッター27を介して、受光素子29に導かれる。この受光素子29を2次元走査デバイス26の位置と共役な位置に配しておくと、2つのビームLA、LBは同じ位置に戻るので、2つのビームLA、LBの位相差δがビート信号として検出される。   The two beams LA and LB reflected by the measurement object G1 shown in FIGS. 4 and 5 are guided to the light receiving element 29 via the objective lens 31, the pupil transfer lens system 30, and the polarization beam splitter 27. If the light receiving element 29 is arranged at a position conjugate with the position of the two-dimensional scanning device 26, the two beams LA and LB return to the same position, so that the phase difference δ between the two beams LA and LB becomes a beat signal. Detected.

すなわち、この受光素子29は図示しない光電変換部を有した構造とされているので、受光素子29上における2つのビームLA、LBの強度Iは、下記式に基づく値で受光素子29の光電変換部により検出され、信号比較器33に送られる。
I=(Ea+Eb)(Ea+Eb)*=A2+B2+2ABcos(2π*2fmt+δ)
これに伴い、図4に示す信号比較器33を用いて、周波数2fmのヘテロダイン検波の位相比較を行うことにより、位相差δを測定することができる。このようにして、位相情報を取得する。
That is, since the light receiving element 29 has a structure having a photoelectric conversion unit (not shown), the intensity I of the two beams LA and LB on the light receiving element 29 is a value based on the following formula and the photoelectric conversion of the light receiving element 29 is performed. Is sent to the signal comparator 33.
I = (Ea + Eb) (Ea + Eb) * = A 2 + B 2 + 2ABcos (2π * 2fmt + δ)
Accordingly, the phase difference δ can be measured by performing phase comparison of heterodyne detection at a frequency of 2 fm using the signal comparator 33 shown in FIG. In this way, phase information is acquired.

ところで、受光素子29と偏光ビームスプリッター27を挟んで対向して配置されている受光素子28も図示しない光電変換部を有した構造とされているが、音響光学素子23で生じる回折光の入射ビームのビート信号がこの受光素子28に入射されて、受光素子28の光電変換部により検出される。つまり、音響光学素子23までに光学系等で生じた位相差を受光素子28の光電変換部により検出することになるので、この受光素子28は位相の基準を与える役割をしている。   By the way, the light receiving element 28 disposed opposite to the light receiving element 29 with the polarization beam splitter 27 is also configured to have a photoelectric conversion unit (not shown), but an incident beam of diffracted light generated by the acoustooptic element 23 is used. The beat signal enters the light receiving element 28 and is detected by the photoelectric conversion unit of the light receiving element 28. That is, since the phase difference generated in the optical system or the like up to the acoustooptic device 23 is detected by the photoelectric conversion unit of the light receiving device 28, the light receiving device 28 serves to provide a phase reference.

この一方、前述のように受光素子29では、ビームLAとビームLBの2つのビーム間の位相差情報を加えたビート信号が受光素子29内の光電変換部により検出され、信号比較器33に送られる。したがって、信号比較器33においてこの2つの位相比較を行うことにより、真の位相差δが検出されることになる。この真の位相差δは、ビームLAとビームLBの平均の位相差、すなわち、平均の高さhの差情報であるδh=λδ/4πとなる。ここで、λはレーザー21の波長を表す。   On the other hand, in the light receiving element 29 as described above, a beat signal obtained by adding phase difference information between the two beams LA and LB is detected by the photoelectric conversion unit in the light receiving element 29 and sent to the signal comparator 33. It is done. Therefore, the true phase difference δ is detected by performing the two phase comparisons in the signal comparator 33. The true phase difference δ is δh = λδ / 4π, which is the average phase difference between the beam LA and the beam LB, that is, difference information of the average height h. Here, λ represents the wavelength of the laser 21.

信号比較器33と接続されたCPUやメモリ等からなるデータ処理部34にこれらの情報を送り込めば、データ処理部34でこの情報を平面の走査情報とともに記録していき、測定対象物G1の表面のプロファイル情報を簡単に導くことができる。また、さらに高速なデータを取得するには、できるだけ速度Vaの大きい音響光学素子23を用いれば実現できる。   If these pieces of information are sent to a data processing unit 34 composed of a CPU, a memory, etc. connected to the signal comparator 33, the data processing unit 34 records this information together with the plane scanning information, and the measurement object G1 is recorded. Surface profile information can be easily derived. Further, it is possible to obtain even higher speed data by using the acoustooptic device 23 having a speed Va as high as possible.

以上より、このような本実施例の距離計測システムの光学系を用いれば、2次元走査を行うたびに3次元計測データを取得することが可能となる。このため、本実施例の距離計測システムによれば、細胞や微生物の状態変化や表面状態の過渡的な変化等を、高速に観察、計測することができる。   As described above, by using the optical system of the distance measurement system of this embodiment, it is possible to acquire three-dimensional measurement data every time two-dimensional scanning is performed. For this reason, according to the distance measurement system of the present embodiment, it is possible to observe and measure a change in the state of cells and microorganisms, a transient change in the surface state, and the like at high speed.

また、製品化されている裸眼立体ディスプレイや偏光めがねを使用した3次元ディスプレイ等を用いることにより、3次元立体画像を表示することもできるので、教育や研究、医療において、有用な装置とすることができる。この際、2つのビームの重なりの程度をビーム径よりも小さくしてあるので、2つのビームの行路差はほとんど生じていない。このことから、外乱や振動の影響も2つのビームで同時に生じるので、これらの影響が相殺される。   In addition, since a 3D stereoscopic image can be displayed by using a commercially available autostereoscopic display or a 3D display using polarized glasses, the apparatus should be useful in education, research, and medicine. Can do. At this time, since the degree of overlap of the two beams is made smaller than the beam diameter, the path difference between the two beams hardly occurs. For this reason, the influences of disturbances and vibrations are generated simultaneously by the two beams, and these influences are offset.

他方、本実施例では、ビームの分離度を個々のビーム径よりも非常に小さくした例を示したが、変調周波数を高くすることにより、ビームの分離度が大きくなり、かつ、ビーム径程度の分離度が必要となる場合にも、本発明の光学系が有用であることになる。   On the other hand, in the present embodiment, an example in which the beam separation degree is much smaller than the individual beam diameters has been shown. However, by increasing the modulation frequency, the beam separation degree is increased and the beam diameter is approximately equal to the beam diameter. The optical system of the present invention is also useful when a degree of separation is required.

尚、本実施例においては、2次元走査デバイスを用いた例で説明をしたが、単純な一方向だけのデータが必要なアプリケーションであれば、この2次元走査デバイスを1次元走査デバイスに置き換えても同様な効果が得られることになる。これらの1次元走査デバイスとして、ガルバノミラー、レゾナントミラー、回転ポリゴンミラー等を採用することができる。また、2次元走査デバイスは、上記した1次元走査デバイスをX方向用とY方向用の2つを用意し、瞳伝達レンズ系を介すことにより、実現できる。また、マイクロマシーンの技術を用いたマイクロミラーデバイスを用いても良い。このマイクロミラーデバイスとしては、1次元用、2次元用ともに知られ製品化されている。   In this embodiment, an example using a two-dimensional scanning device has been described. However, if the application requires simple data in only one direction, the two-dimensional scanning device is replaced with a one-dimensional scanning device. The same effect can be obtained. As these one-dimensional scanning devices, galvanometer mirrors, resonant mirrors, rotating polygon mirrors, and the like can be employed. In addition, the two-dimensional scanning device can be realized by preparing two one-dimensional scanning devices for the X direction and the Y direction and passing through the pupil transfer lens system. Further, a micromirror device using a micromachine technique may be used. As this micromirror device, both one-dimensional and two-dimensional devices are known and commercialized.

以上述べたように、フーリエ変換面にて空間周波数情報を処理することにより、特に差演算では非常に高い横分解能の向上をもたらすことができる。また、前述したように強度差信号がプロファイルデーターの高さを反映したデータであることも同様である。   As described above, by processing the spatial frequency information on the Fourier transform plane, it is possible to bring about a very high lateral resolution improvement, particularly in the difference calculation. Similarly, as described above, the intensity difference signal is data reflecting the height of the profile data.

本実施例においては、実施例2で述べた反射光学系を透過光学系に置き換えた場合の実施例を示す。
図6は、本実施例に係る透過型の光学系を用いた距離計測システムを示すブロック図である。主要な光学系は実施例2と同じなので説明を割愛するが、本実施例では、図6に示すように、対物レンズ31で集光された光が測定対象物G2を透過することになるので、受光素子49は測定対象物G2を挟んで対物レンズ31と反対側に配置されていることが特徴である。 つまり、本実施例の場合、受光素子として、対物レンズ31の光軸Lの延長線上に2つのビームの分離方向に対して垂直方向に暗線が伸びる形で分割された受光素子49が配置されている。
In this embodiment, an embodiment in which the reflection optical system described in Embodiment 2 is replaced with a transmission optical system will be described.
FIG. 6 is a block diagram showing a distance measuring system using a transmission type optical system according to the present embodiment. Since the main optical system is the same as that of the second embodiment, a description thereof will be omitted. However, in this embodiment, as shown in FIG. 6, the light collected by the objective lens 31 is transmitted through the measurement object G2. The light receiving element 49 is characterized in that it is disposed on the opposite side of the objective lens 31 with the measurement object G2 interposed therebetween. That is, in the case of the present embodiment, the light receiving element 49 divided in such a manner that the dark line extends in the direction perpendicular to the separation direction of the two beams is arranged on the extended line of the optical axis L of the objective lens 31 as the light receiving element. Yes.

以上より、本実施例によれば、反射型の光学系に比較し、測定対象物G2に近接して受光素子49を配置できるので、取得できる空間周波数を非常に高く設定することが可能となる。 この結果、測定対象物G2の有する空間周波数の再現性が良くなるので、横分解能の更なる向上が可能となる。特に、生きたままの状態で、生物や細胞等の観察や計測を非常に高分解能で実施できる。これは、電子顕微鏡のような高倍率であっても生体を殺した状態でないと観測できない測定器とは大きく異なる特徴である。   As described above, according to the present embodiment, the light receiving element 49 can be arranged close to the measuring object G2 as compared with the reflection type optical system, so that the obtainable spatial frequency can be set very high. . As a result, since the reproducibility of the spatial frequency of the measurement object G2 is improved, the lateral resolution can be further improved. In particular, observation and measurement of living organisms and cells can be performed with very high resolution in the state of being alive. This is a feature that is greatly different from a measuring instrument such as an electron microscope that cannot be observed unless the living body is killed even at a high magnification.

本実施例においては、変調を加えるための部材として、音響光学素子23の代替に空間変調器を用いることが特徴である。
図7は、本実施例の空間変調器を示した概念図である。この図7(A)に示すような空間変調器53を構成する磁性ガーネット膜53Aを各ピクセルごとに電圧または電流により駆動できるように、電極(図示せず)を付して、この空間変調器53を図4における音響光学素子23の位置に配置する。そして、磁性ガーネット膜53Aの各ピクセルに電圧、電流を印加することで、磁気光学効果によって各ピクセルの偏光面が回転するが、この偏光面の回転の程度は、印加する電圧、電流の大きさにより決定される。このような構造の空間変調器53として、ピクセル数が128×128であり、15nsの応答速度を有しているものがある。
This embodiment is characterized in that a spatial modulator is used instead of the acousto-optic element 23 as a member for applying modulation.
FIG. 7 is a conceptual diagram showing the spatial modulator of this embodiment. The magnetic garnet film 53A constituting the spatial modulator 53 as shown in FIG. 7A is provided with electrodes (not shown) so that each pixel can be driven by voltage or current, and the spatial modulator 53 is arranged at the position of the acoustooptic device 23 in FIG. By applying voltage and current to each pixel of the magnetic garnet film 53A, the polarization plane of each pixel is rotated by the magneto-optic effect. The degree of rotation of this polarization plane depends on the magnitude of the applied voltage and current. Determined by. As a spatial modulator 53 having such a structure, there is a spatial modulator 53 having 128 × 128 pixels and a response speed of 15 ns.

さらに、図4の偏光ビームスプリッター27を通過した光の強度または位相が、短冊状の正弦格子となるように、この空間変調器53の走査方向に対して垂直方向に、図7(B)に示す形で電圧または電流を各ピクセルに印加する。この際、各ピクセルに対して位相のずれた周波数fm=±2πv/dの単振動をさせることで、速度vでこの格子を移動させることができる。   Further, in FIG. 7B, the intensity or phase of the light that has passed through the polarization beam splitter 27 in FIG. 4 is perpendicular to the scanning direction of the spatial modulator 53 so that it becomes a strip-like sine grating. A voltage or current is applied to each pixel in the manner shown. At this time, the lattice can be moved at a speed v by causing a single vibration of a frequency fm = ± 2πv / d out of phase with respect to each pixel.

つまり、この正弦波状の格子のピッチをd、移動速度をvとすると、下記式となる。
Acos{2π/d(x−vt)}=A/2(expj{2π/d(x−vt)}+expj{−2π/d(x−vt)})
このため、±1次回折光がfm=±2πv/dの変調周波数を有することになる。尚、強度の場合には、0次の直流成分が生じるが、DC成分なので、ビート信号に影響はない。
That is, when the pitch of the sine wave lattice is d and the moving speed is v, the following equation is obtained.
Acos {2π / d (x−vt)} = A / 2 (expj {2π / d (x−vt)} + expj {−2π / d (x−vt)})
For this reason, ± 1st-order diffracted light has a modulation frequency of fm = ± 2πv / d. In the case of intensity, a zero-order DC component is generated, but since it is a DC component, there is no influence on the beat signal.

ここで、±1次回折光は、実施例2と同様に正弦格子のピッチと瞳伝達拡大レンズ系の倍率により、ビームが所望の程度重なる程度とする。また、変調周波数fmが8MHz程度になるように速度vを決めれば、実施例2と同様な効果を得ることができる。空間変調器53の応答速度は15nsとしたが、現状の空間変調器はデジタル的に2値となっている。   Here, the ± first-order diffracted light is set to a degree that the beams overlap to a desired extent according to the pitch of the sine grating and the magnification of the pupil transmission magnifying lens system as in the second embodiment. Further, if the speed v is determined so that the modulation frequency fm is about 8 MHz, the same effect as in the second embodiment can be obtained. The response speed of the spatial modulator 53 is 15 ns, but the current spatial modulator is digitally binary.

しかしながら、アナログ的に変調することは可能であり、そのときの応答速度も1桁程度悪化する可能性がある程度であり、瞳伝達拡大レンズ系と併用することにより、十分に8MHz以上の変調周波数を得ることは可能である。この場合、実施例2と比較すると、瞳伝達拡大レンズ系が簡素になる。なぜならば、変調周波数は、デバイスの応答速度で決まるが、格子のピッチをできるだけ大きくすると、ビームの分離度は小さくすることができる。   However, analog modulation is possible, and the response speed at that time may be deteriorated by about an order of magnitude. By using it in combination with the pupil transfer magnifying lens system, a modulation frequency of 8 MHz or more can be sufficiently obtained. It is possible to get. In this case, the pupil transmission magnifying lens system is simplified as compared with the second embodiment. This is because the modulation frequency is determined by the response speed of the device, but the beam separation can be reduced by increasing the grating pitch as much as possible.

したがって、最小の分離度は、デバイスの大きさによって決まるので、適正に選択すれば、高速な走査を行うことが可能となる。なお、上記した空間変調器53のピクセル自体を図7に示した短冊状にすることにより、駆動回路等を簡素化することもできる。   Therefore, since the minimum degree of separation is determined by the size of the device, high-speed scanning can be performed if selected appropriately. Note that the drive circuit and the like can be simplified by making the pixels of the spatial modulator 53 described above into strips as shown in FIG.

なお、音響光学素子23においても、ラマンナス回折を生じるような素子を用いれば、変調周波数をfmとすることで、下記式より±1次回折光がfmの変調周波数を有するようにすることができる。
Acos(2πfmt)=A/2((expj{2πfmt)}+expj{−2π/fmt})
この場合、DSB変調のような変調よりも単純な変調信号で同様の効果をもたらすことができる。
In the acoustooptic device 23, if an element that causes Ramanus diffraction is used, the modulation frequency is fm, so that ± 1st-order diffracted light can have a modulation frequency of fm according to the following equation.
Acos (2πfmt) = A / 2 ((expj {2πfmt)} + expj {−2π / fmt})
In this case, the same effect can be obtained with a simple modulation signal rather than modulation such as DSB modulation.

尚、上記実施例2から実施例4において受光素子28を用いたが、この受光素子28を省略し、測定対象物G1,G2がないか、対物レンズ31を大きくデフォーカスしておいて2次元走査を行い、2次元走査情報とともにデータ処理部34のメモリに位相情報を蓄えておくようにすることが考えられる。この位相情報は、光学系、電気系の有する位相ずれであるので、これを基準値として、測定対象物G1のある場合の位相情報を補正することにより真の位相情報を取得することができる。このようにすれば、受光素子28が不要になるとともに、測定対象物G1を観測する前に補正値を求めておくことができ、精度の高い計測が可能となる。   The light receiving element 28 is used in the second to fourth embodiments. However, the light receiving element 28 is omitted, and there is no measurement object G1, G2, or the objective lens 31 is largely defocused and two-dimensional. It is conceivable to perform scanning and store the phase information in the memory of the data processing unit 34 together with the two-dimensional scanning information. Since this phase information is a phase shift of the optical system and the electrical system, true phase information can be acquired by correcting the phase information in the case where the measuring object G1 exists, using this as a reference value. In this way, the light receiving element 28 is not necessary, and a correction value can be obtained before observing the measurement object G1, thereby enabling highly accurate measurement.

このように測定対象物G1,G2を観測する前に補正値を求めておくことで、特に実施例3においては、マイクロ流路に細胞等を流す場合のモニターや細胞形状の判断を行った後に細胞を種わけする等の応用に、絶大な効果をもたらすようになる。   Thus, by obtaining the correction value before observing the measuring objects G1 and G2, in particular in Example 3, after performing the monitor or the cell shape determination when flowing cells or the like through the microchannel. It will have a tremendous effect on applications such as seeding cells.

すなわち、マイクロ流路は一方向に細胞等を流す素子であるので、実施例2、3の2次元走査デバイス26の代わりに流路の方向に垂直な方向に走査する1次元走査デバイスを用意すればよい。この様にすれば、基準位相は1次元走査方向のみの非常に少ない点に関する位相をメモリーしておけばよいことになるし、光学系も簡素になる。なお、強度情報を取得しても同様な効果が得られることは前述したことと同様なので、省略する。   That is, since the microchannel is an element that allows cells or the like to flow in one direction, a one-dimensional scanning device that scans in a direction perpendicular to the direction of the channel is prepared instead of the two-dimensional scanning device 26 of the second and third embodiments. That's fine. In this way, it is only necessary to store the phase relating to very few points only in the one-dimensional scanning direction, and the optical system is simplified. Since obtaining the same effect even if the intensity information is obtained is the same as described above, the description thereof will be omitted.

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。   The embodiments according to the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明は、測定対象物との間の距離や測定対象物の形状を計測できるだけでなく、顕微鏡等のさまざまな種類の測定機器に適用可能となる。   The present invention can be applied not only to the distance to the measurement object and the shape of the measurement object, but also to various types of measurement equipment such as a microscope.

10 飛行機
11,12 送信アンテナ
13,14 受信アンテナ
16 信号作成装置
17 計測機器
21 レーザー
22 コリメーターレンズ
23 音響光学素子
24 AODドライバー
25 瞳伝達拡大レンズ系
26 2次元走査デバイス
27 偏光ビームスプリッター
28,29 受光素子
30 瞳伝達レンズ系
31 対物レンズ
33 信号比較器
34 データ処理部
49 受光素子
53 空間変調器
G 測定対象物
G1 測定対象物
G2 測定対象物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Airplane 11,12 Transmission antenna 13,14 Reception antenna 16 Signal preparation apparatus 17 Measurement equipment 21 Laser 22 Collimator lens 23 Acoustooptic element 24 AOD driver 25 Pupil transmission magnification lens system 26 Two-dimensional scanning device 27 Polarizing beam splitter 28, 29 Light receiving element 30 Pupil transmission lens system 31 Objective lens 33 Signal comparator 34 Data processing unit 49 Light receiving element 53 Spatial modulator G Measurement object G1 Measurement object G2 Measurement object

Claims (6)

相互に異なる周波数にされたコヒーレントな2つの電磁波を測定対象物上に同一の領域を有しつつ一部ずらして照射する照射手段と、
前記ずらした方向に対して略垂直な方向に伸びる境界線を挟んだ測定対象物における少なくとも2つ以上の領域からの電磁波をそれぞれ検出する電磁波検出手段と、
前記境界線を挟んで対称な位置において電磁波検出手段で検出された電磁波の各々の出力の差信号や和信号を作成する信号作成手段と、
この差信号や和信号の位相差あるいは強度差を求めて計測値を得る計測手段と、
を含む距離計測システム。
Irradiation means for irradiating two coherent electromagnetic waves having different frequencies with each other while having the same region on the object to be measured;
Electromagnetic wave detecting means for detecting electromagnetic waves from at least two regions in the measurement object across a boundary line extending in a direction substantially perpendicular to the shifted direction;
A signal creation means for creating a difference signal or a sum signal of the outputs of the electromagnetic waves detected by the electromagnetic wave detection means at symmetrical positions across the boundary line;
A measuring means for obtaining a measured value by calculating a phase difference or an intensity difference of the difference signal or the sum signal; and
Distance measuring system including.
コヒーレントな光を出射する光源と、
該光源から出射された光を、相互に異なる周波数に変調させつつ相互に近接した状態に分離して照射される2つの光とする第1の手段と、
前記2つの光を1次元走査あるいは2次元走査する第2の手段と、
前記2次元走査された2つの光を測定対象物に照射する第3の手段と、
前記2つの光が分離された方向に対して略垂直な方向を境界線とし、該境界線を挟んで測定対象物からの反射光あるいは透過光を少なくとも2つ以上に分けて受光する第4の手段と、
前記境界線を挟んだ領域において第4の手段で受光される光の各々の出力の差信号や和信号を作成する第5の手段と、
この差信号や和信号の位相差あるいは強度差を求めて計測値を得る第6の手段と、
を含む距離計測システム。
A light source that emits coherent light;
A first means that converts the light emitted from the light source into two light beams that are separated and irradiated in a state of being close to each other while being modulated to different frequencies;
A second means for one-dimensionally scanning or two-dimensionally scanning the two lights;
A third means for irradiating the measurement object with the two light beams scanned two-dimensionally;
A direction substantially perpendicular to the direction in which the two lights are separated is defined as a boundary line, and the reflected light or transmitted light from the measurement object is received in at least two parts across the boundary line. Means,
A fifth means for creating a difference signal or a sum signal of outputs of light received by the fourth means in a region sandwiching the boundary line;
A sixth means for obtaining a measured value by obtaining a phase difference or an intensity difference of the difference signal or the sum signal;
Distance measuring system including.
前記第1の手段は、音響光学素子または空間変調器とされ、これら音響光学素子または空間変調器に2つの変調信号を加えた請求項2に記載の距離計測システム。   The distance measuring system according to claim 2, wherein the first means is an acousto-optic element or a spatial modulator, and two modulation signals are added to the acousto-optic element or the spatial modulator. 前記第2の手段の2次元走査には、1次元走査素子を2つ組み合わせてなるものあるいは、2次元走査素子を用いる請求項2または請求項3に記載の距離計測システム。   The distance measuring system according to claim 2 or 3, wherein the two-dimensional scanning of the second means uses a combination of two one-dimensional scanning elements or a two-dimensional scanning element. 前記第3の手段が測定対象物に照射させる光は、平行光、収束光または発散光である請求項2から請求項4のいずれかに記載の距離計測システム。   The distance measurement system according to any one of claims 2 to 4, wherein the light that the third means irradiates the measurement object is parallel light, convergent light, or divergent light. 前記第6の手段は、変調された2つの周波数の差に基づくヘテロダイン検波を用いたものである請求項2から請求項5のいずれかに記載の距離計測システム。   6. The distance measuring system according to claim 2, wherein the sixth means uses heterodyne detection based on a difference between two modulated frequencies.
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