JP2017083259A - 光学的距離計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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、また、通常の結像光学系では取得不可能な空間周波数を取得して測定対象物の有する空間周波数情報を正確に再現することで、実効上分解能の高い光学的距離計測装置を提供する。【解決手段】ドライブ回路２３がレーザー光源２１の照射光の変調量を調整する。コリメーターレンズ２２、瞳伝達レンズ系２５、２次元走査デバイス２６、ビームスプリッター２７が並んで配置される。ビームスプリッター２７の隣に瞳伝達レンズ系３０が位置し、対物レンズ３１が測定対象物Ｇ１と対向する。ビームスプリッター２７の隣の受光素子群２９は光軸Ｌを通る境界線を挟んで配置される受光素子２９Ａ、２９Ｂにより構成される。信号比較器３３が何れかの受光素子からの信号及びドライブ回路２３からの信号により位相情報を得て、最終的に測定対象物Ｇ１のプロフィル等をデータ処理部３４が得る。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光の照射により測定対象物の表面状態のプロファイルの計測、細胞等の表面状態および内部状態の計測や観察を極めて高い分解能で実現させる光学的距離計測装置に関し、顕微鏡等の光学機器の分解能を向上させる装置に好適なものである。

従来の光学的顕微鏡では、３次元の計測が困難であることに加え、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、走査型電子顕微鏡やプローブ顕微鏡（STM,AFM,NFOS等）、共焦点顕微鏡等の装置が開発され、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る。このため、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。

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。

一方、共焦点顕微鏡は、測定対象物にスポットを照射しそのスポットに対してピンホールを介して共焦点位置に配置した受光素子にて受光した光量が最大になるように対物レンズ、または測定対象物を動かすことにより、測定対象物の高さ情報や行路差情報を取得するものである。ところが、共焦点顕微鏡では、基本的にスポット内に位相分布があるとビームが変形し誤情報となる。特に測定対象物が細胞等の屈折率変化など波面が位相的に変化するようなものに対しては、その値の信頼性は乏しいと言わざるを得ない。また、受光した光量が最大になるように対物レンズや測定対象物を動かす必要性があるので、リアルタイム性に欠けていた。

これらの事情に対して、近年のマイクロ・ナノテクノロジー分野の発展に伴い、微細な工業製品や精密部品の３次元的な情報を高速で計測する技術に注目が集まっている。これに加え、生物学、医学、農学において、細胞のように厚みを持った生体試料の３次元プロファイル情報を生きた状態でリアルタイムに取得したいという要求も高まっている。

この一方、顕微鏡を用いて、距離や厚みを高精度に測定したり、微少なものを高精度に測定したり観察したりする手段の一つとしては、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ものである。つまり、この光ヘテロダイン法によれば、３次元的な情報である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したり、被測定物自体の厚み等を測定や観察したりできる。

特開昭５９−２１４７０６号公報

上記した特許文献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。

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なかった。このため、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。

以上より、従来の顕微鏡等の技術では、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が出来ないだけでなく、細胞等の厚みを持った生体試料を破損することなく生きた状態のままでリアルタイムに３次元的な情報を観測、計測することはできなかった。

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、また、通常の結像光学系では取得不可能な空間周波数を取得して測定対象物の有する空間周波数情報を正確に再現することで、実効上分解能が高く空間周波数の欠損のない光学的距離計測装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る光学的距離計測装置は、コヒーレントな照射光を照射する光源と、
光源から照射される照射光を変調する変調素子と、
照射光を２次元走査する２次元走査素子と、
照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線として何れかの片側にずれて位置し、かつ、測定対象物を経由した照射光を受光して光電変換する受光素子と、
該受光素子で光電変換された信号及び変調素子の変調を指示する信号により測定対象物の位相情報を得ると共に、この位相情報に基づき測定対象物についての計測値を得る計測部と、を含む。

請求項１に係る光学的距離計測装置の作用を以下に説明する。
本発明においては、コヒーレントな照射光が光源から照射されると共に、変調素子がこのコヒーレントな照射光を変調するだけでなく、この照射光を２次元走査素子が２次元走査して走査ビームとして測定対象物に送る。また、照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線として何れかの片側にずれて位置する１つの受光素子が、測定対象物を経由した照射光を受光して光電変換する。

なお、境界線とした何れかの片側にずれて受光素子が位置することとしたのは、受光素子が光軸の中央に位置した場合には、境界線を挟んで位相が逆転するのに合わせて、照射光から十分なデータを得がたくなるからである。そして、該受光素子で光電変換された信号及び変調素子の変調を指示する信号によって、計測部が測定対象物の位相情報を得るのに伴い、この位相情報に基づき光学的距離等の計測値を得ることができる。

この際、請求項２のようにこの照射光の光軸方向に対して垂直な方向に沿った境界線とこの境界線に対して照射光の光軸上で交差する交差境界線とで区画された何れかの領域内に、受光素子を配置することとしても良い。このようにすれば、合計４つの区画に区分された領域内のいずれかにのみ受光素子を位置することになる。この結果として、より小型で低コストの受光素子を採用しても良くなり、この小型の受光素子が受光した僅かな位相情報であっても、計測部が必要な計測値を得ることが可能となる。

以上の結果として、本発明が適用された顕微鏡では、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、測定対象物についての高さや屈折率分布などの光学的距離を測定することが出来る。このため、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。つまり、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蛍光着色せず高い分解能で高速度に観察、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。

以上より、本発明によれば、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、また、通常の結像光学系では取得不可能な空間周波数を取得して測定対象物の有する空間周波数情報を正確に再現することで、実効上分解能が高く空間周波数の欠損のない光学的距離計測装置が提供されるようになる。

以下に請求項３から請求項７に係る光学的距離計測装置の作用を説明する。
請求項１の変調素子が光源の動作を操作して光源に加える変調信号を例えば正弦波的な単一周波数の信号とする替わりに、実質的に２つの正弦波の和で変調したことに相当するようなＤＳＢ変調による変調信号を採用することができる。この場合、これら２つの正弦波のビート信号に相当する周波数で検波すれば、上記した信号処理を同様に行うことができる。

他方、請求項１の受光素子が２つ存在し、これら２つの受光素子が走査ビームをそれぞれ受光することで、光軸の片側の領域に存在する１つの受光素子及び、この領域と逆側の領域に存在するもう１つの受光素子によって、位相が相互に反転した量として走査ビームをそれぞれ受光できる。これに伴って、これらの受光素子により、走査ビームの位相差から光学的距離を簡単に検出することができる。このため、両方の受光素子でそれぞれ位相差を独立して検出した後に、計測部で平均値を算出すれば、ノイズ等の影響を軽減してより高精度なデータを得ることもできる。

さらに、照射光が測定対象物を経由する際に、照射光を測定対象物が反射することとすれば、請求項１の光学素子がこの反射光を受光して光電変換することになる。この場合、光源と測定対象物との間の光軸内にビームスプリッターを配置することにより、測定対象物で反射して戻ってきた照射光をこのビームスプリッターがさらに受光素子側に反射して送ることができる。また、照射光が測定対象物を経由する際に、照射光が測定対象物を透過することとすれば、例えば光軸上に配置された請求項１の光学素子が、この透過光を受光して光電変換することになる。

上記に示したように、本発明の光学的距離計測装置は、変調素子が照射光を変調しつつ、コヒーレントな照射光が光源から照射される。そして、照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線とした片側にずれて位置する受光素子が、測定対象物を経由した照射光を受光して光電変換する。従って、該受光素子で光電変換された信号及び変調素子の変調を指示する信号によって、計測部が測定対象物の位相情報を得るのに伴い、定量的な光学的距離等の算出が可能になるという優れた効果を奏する。

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例１とされる反射光学系の装置のブロック図である。 図１の反射光学系の受光素子上における光照射領域を表す説明図である。 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例２とされる透過光学系の装置のブロック図である。 実施例２の変形例とされる透過光学系の装置のブロック図である。 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例３とされる装置の受光素子上における光照射領域を表す説明図である。 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例４とされる反射光学系の装置のブロック図である。 図６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。

以下に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例１から実施例４を各図面に基づき、詳細に説明する。

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例１を以下に図１及び図２を参照しつつ説明する。本実施例は、走査ビームを測定対象物で反射する反射光学系の装置とされている。図１は、実施例に係る反射光学系の装置の構成を示すブロック図である。

この図１に示すように、コヒーレントな照射光であるレーザー光が照射（出射）される光源であるレーザー光源２１と、このレーザー光から平行光を得られるように収差補正されたコリメーターレンズ２２とが順に配置されている。レーザー光源２１には、このレーザー光源２１の動作を操作する変調素子であるドライブ回路２３が接続されていて、このドライブ回路２３がレーザー光源２１から照射されて照射光とされるレーザー光の変調量を調整することになる。従って、本実施例では、レーザー光源２１から変調されつつ出射されたレーザー光が、コリメーターレンズ２２により平行光とされる。

また、このコリメーターレンズ２２に対して、２群のレンズからなる瞳伝達レンズ系２５、入力されたレーザー光を２次元走査する２次元走査素子である２次元走査デバイス２６、入力されたレーザー光を本来的には分離して出射するためのものであるビームスプリッター２７が、さらに順に並んで配置されている。そして、図１に示すように瞳伝達レンズ系２５に向かう側のレーザー光の光路を光軸Ｌとしている。

さらに、ビームスプリッター２７に隣り合って、２群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、これら部材も光軸Ｌに沿って並んでいることになる。以上より、レーザー光がこの光軸Ｌに沿って、瞳伝達レンズ系２５、２次元走査デバイス２６、ビームスプリッター２７、瞳伝達レンズ系３０、対物レンズ３１を順に経て、測定対象物Ｇ１に照射される。この際、２次元走査デバイス２６の動作により、このレーザー光が走査ビームとなって測定対象物Ｇ１上で２次元的に走査される。

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ビームスプリッター２７の隣の位置には、複数の光センサにより構成される受光素子群２９が配置されている。そして、図１に示す測定対象物Ｇ１にて反射した走査ビームは回折光となり、対物レンズ３１、瞳伝達レンズ系３０及びビームスプリッター２７の順で戻って平行光となる。これに伴いこのビームスプリッター２７で反射して、本来の光軸Ｌに対して直交する照射光の光軸Ｌに沿って受光素子群２９に入射される。

尚、この受光素子群２９は、測定対象物Ｇ１のファーフィールド（遠視野）面に配置されているだけでなく、本実施例では２つの受光素子２９Ａ、２９Ｂにより構成されている。但し、図２に示すように、走査ビームＬＡのスポットの中心となる光軸Ｌに沿った方向に対して略垂直な面上であってこの光軸Ｌを通る境界線Ｓを挟んで、これら受光素子２９Ａ、２９Ｂがそれぞれ配置されている。つまり、境界線Ｓの片側にずれて受光素子２９Ａが位置し、これと境界線Ｓの反対側にずれて受光素子２９Ｂが位置していて、測定対象物Ｇ１で反射することで経由した走査ビームＬＡをこれら各受光素子２９Ａ、２９Ｂが受光する。

さらに、各受光素子２９Ａ、２９Ｂは図示しない光電変換部を有した構造とされていて、各受光素子２９Ａ、２９Ｂが走査ビームＬＡを受光してそれぞれ光電変換することになる。
この各受光素子２９Ａ、２９Ｂ及び、レーザー光源２１の動作を操作する前述のドライブ回路２３は、信号比較器３３にそれぞれ接続されている。これに伴って、信号比較器３３が各受光素子２９Ａ、２９Ｂからの信号及びドライブ回路２３からの信号により測定対象物Ｇ１の位相情報を得ることになる。そして、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のプロフィル等の計測値を得るデータ処理部３４に繋がっている。このため、本実施例では、これら信号比較器３３及びデータ処理部３４が計測部とされている。

また、レーザー光源２１は半導体レーザーであり、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、瞳伝達レンズ系２５に入射させる。このとき、レーザー光の入射ビーム径は、瞳伝達レンズ系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。そして、このレーザー光源２１に接続されたドライブ回路２３がレーザー光源２１の動作を操作して、レーザー光源２１から照射される照射光の変調量を調整する。つまり、本実施例では、半導体レーザーとされるレーザー光源２１がドライブ回路２３により直接変調される。

ここで、コリメーターレンズ２２と２次元走査デバイス２６との間に配置されている瞳伝達レンズ系２５は、コリメーターレンズ２２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る。この瞳伝達レンズ系２５を通過したレーザー光は、２次元走査デバイス２６を経由して走査ビームとなってビームスプリッター２７に送られるが、このビームスプリッター２７からの走査ビームは、対物レンズ３１の瞳位置に共役にする瞳伝達レンズ系３０によって対物レンズ３１に入射する。

他方、ドライブ回路２３が変調する際には、単一のキャリア周波数ｆｃによる正弦波的な信号を用いることが考えられる。ただし、キャリア周波数ｆｃ及び変調周波数ｆｍのＤＳＢ変調された信号をドライブ回路２３からレーザー光源２１に入力することもできるのに伴い、極めて接近した周波数のビート信号で変調することも可能である。この際、このビート信号の周波数は、「光の振動数＋キャリア周波数ｆｃ±変調周波数ｆｍ」となる。

以上より、本実施例では、ドライブ回路２３により調整された変調量を有するレーザー光がレーザー光源２１より照射されるものの、２次元走査デバイス２６により走査ビームとされたレーザー光が測定対象物Ｇ１で反射されて、最終的に受光素子群２９で走査ビームのフーリエ変換パターンの変調信号を検出する。

このことにより、ドライブ回路２３により調整された変調量を有するレーザー光が有するが、このレーザー光に印加された変調信号と測定対象物Ｇ１で反射して変調を受けた走査ビームの有する変調信号との位相差を電気的な変調信号周波数差の位相ずれとして信号比較器３３により検出できる。この時の位相ずれは、後述するが０次回折光と高次回折光との位相差に相当する。この時、もちろん両方の受光素子２９Ａ、２９Ｂでそれぞれ受光して光電変換することもできるが、図２に示す光軸Ｌを通る境界線Ｓを境界とした２分割受光領域の片側に位置する受光素子のみでも、位相ずれの情報である位相情報を検出できることが、本実施例の一つの特徴である。

このように２分割受光領域の片側のみでも位相情報を検出できる理由としては、図２に示す対物レンズ３１の光軸Ｌ方向に対して略垂直な方向を境界線Ｓとし、この境界線Ｓで区分けされた片側にある一方の受光素子２９Ａのみでも十分に位相情報を検出でき、または、他の片側にある他方の受光素子２９Ｂのみでも同じく十分に位相情報を検出できるからである。もちろん、両方の受光素子２９Ａ、２９Ｂで情報を同時に検出することもできる。ただし、測定対象物Ｇ１から回折されて各々の受光素子２９Ａ、２９Ｂに到達する光の位相は、光軸Ｌを境界とする受光素子２９Ａ、２９Ｂ間で逆相になる。従って、受光素子２９Ａ、２９Ｂで光電変換された相互に逆相の各々の位相情報の信号に基づいて信号比較器３３がドライブ回路２３からの信号とを比較し、最終的にデータを処理してデータ処理部３４が測定対象物Ｇ１のプロフィル等の光学的距離の計測値を得ることになる。

つまり、信号比較器３３が、前述の測定対象物Ｇ１で反射された走査ビームを光電変換した信号と走査ビームの基となるドライブ回路２３の変調を指示する信号により測定対象物Ｇ１の位相情報を得て、この信号比較器３３と接続されたＣＰＵやメモリ等からなるデータ処理部３４にこの位相情報を送り込むことになる。これに伴い、データ処理部３４でこの位相情報を平面に対する走査情報とともに記録していき、測定対象物Ｇ１の表面についてのプロファイル情報等の計測値を簡単に導くことができる。

以上より、本実施例によれば、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、また、通常の結像光学系では取得不可能な空間周波数を取得して測定対象物Ｇ１の有する空間周波数情報を正確に再現することで、実効上分解能が高く空間周波数の欠損のない光学的距離計測装置が提供されるようになる。

これに伴って、このような本光学系を用いれば、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、本光学系によれば、細胞や微生物の状態変化や、この状態変化に伴うこれらの表面状態および内部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。従って、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。

尚、本光学系においては、図１に示す一つの２次元走査デバイス２６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、一つの２次元走査デバイス２６の替わりに、２つの独立した１次元走査デバイスを相互に直交したＸ方向用とＹ方向用の２つ用意し、これらを瞳伝達レンズ系２５の前後に配置することによっても２次元走査デバイス２６と同様の機能を実現できる。なお、例えば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。さらに、１次元走査デバイスを１つと測定対象物Ｇ１を支持する図示しないテーブルとを相互に直交する形で採用することもできる。

以上述べたように、走査ビームの光電変換された信号と基準ビームの基となるドライブ回路の変調を指示する信号により測定対象物の位相情報から、定量的に光学的距離を算出することができる。

次に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例２を以下に図３を参照しつつ説明する。本実施例は、走査ビームが測定対象物を透過する透過光学系の装置とされている。
図３は、本実施例に係る透過光学系の装置を示すブロック図である。主要な光学系は前記反射光学系の装置と同じなので説明を割愛するが、この透過光学系の装置では、実施例１と比較して対物レンズ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。

また、本実施例では、透過光学系であることからビームスプリッター２７が不要になり、これに合わせて測定対象物Ｇ２を介した対物レンズ３１と反対側の位置に、受光素子群２９が配置されている。但し、実施例１と同様にこの受光素子群２９は、測定対象物Ｇ２のファーフィールド面に配置されているだけでなく、２つの受光素子２９Ａ、２９Ｂにより構成されている。

つまり、透過光学系の本装置の場合、図３に示すように対物レンズ３１の光軸Ｌの延長線上に受光素子群２９が配置されている。さらに、実施例１と同様に、走査ビームＬＡのスポットの中心となる光軸Ｌに沿った方向に対して略垂直な面上であってこの光軸Ｌを通る境界線Ｓを挟んで、受光素子２９Ａ、２９Ｂがそれぞれ位置している。このことから、境界線Ｓの片側にずれて受光素子２９Ａが位置し、これと境界線Ｓの反対側にずれて受光素子２９Ｂが位置していることになる。これに伴い、図３の透過光学系の装置でも、図１の反射光学系の装置と同様に受光素子群２９上において空間的にほぼ等位相になる。

従って、実施例１と同様に、受光素子群２９を構成する受光素子２９Ａ、２９Ｂでそれぞれ光電変換された位相情報の信号及び、ドライブ回路２３からの変調信号により、信号比較器３３が測定対象物Ｇ２の位相情報を得ることになる。最終的にデータを処理してデータ処理部３４が測定対象物Ｇ２のプロフィル等の光学的距離の計測値を得ることができる。この結果として、本実施例によっても、実効上分解能が高く空間周波数の欠損のない光学的距離計測装置が提供されるようになる。

特に、本実施例のように透過光学系の装置では、無染色、非侵襲で生きたままの細胞の状態変化をリアルタイムに観察できるので、ｉＰＳ、ＥＳ細胞の正常かどうかの検査やがん細胞の有無検査等に大きな役割を果たすことができる。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。

他方、本実施例の変形例として、測定対象物Ｇ２を挟んで対物レンズ３１と反対側となる測定対象物Ｇ２の背後であって受光素子群２９の手前にレンズ４０を図４に示すように配置することが考えられる。つまり、測定対象物Ｇ２からの回折光となる走査ビームをこのレンズ４０にて平行光としたのち、受光素子群２９に導く形となる。このため、本変形例では、図４に示すように測定対象物Ｇ２を透過した走査ビームのフーリエ変換パターンがレンズ４０により平行光とされて受光素子群２９で受光される。但し、このレンズ４０により集光して受光素子群２９に走査ビームを導いてもよい。

次に、測定対象物を透過した走査ビームがどのような情報をもたらすかを説明する。
説明を簡単にするために、試料である測定対象物が高さｈでピッチdの正弦波状の形状をしているものとすれば、光学的な位相θが以下の式で表される。
θ＝2π(h/λ)sin(2πx/d−θ０)・・・・・（１）式
測定対象物から回折された光の振幅Ｅは、焦点距離ｆだけ離れた面においては、（１）式のフーリエ変換と対物レンズ３１の開口とのコンボリューションとして、与えられるので、以下のように表される。ただし、（１）式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は±１次まで取るものとする。

この（２）式を一般化して考えることができる。すなわち、位相パターンは、上記したピッチｄがさまざまなものの集合体と考えられるので、０次回折光の振幅M₀とこの０次回折光に対する１次回折光の振幅M₁の位相差をθ₀とした場合、光の振幅Ｅは以下のように与えられる。空間周波数の正の領域では、下記（３）式で光の振幅Ｅが表され、また、空間周波数の負の領域では、下記（４）式で光の振幅Ｅが表される。

これは、測定対象物で回折された光の±１次回折光が０次回折光に対して、定性的に常に逆位相同士となるからである。ここで、（３）式、（４）式の回折光は、光軸Ｌに沿った方向に対して略垂直な面上でこの光軸Ｌを通る境界線Ｓを挟んで２分割された領域にそれぞれ配置された受光素子群２９の各受光素子２９Ａ、２９Ｂでそれぞれ受光されることになる。

ここで、半導体レーザーとされるレーザー光源２１をある直流成分をバイアスとして、周波数f1で変調することが考えられる。この場合、レーザー光源２１からの照射光は、ある強度を中心とした変調周波数f1を有する走査ビームとして測定対象物Ｇ１、Ｇ２に照射されるが、その照射された位置は走査に伴い動いている。この照射された部分での回折光により、受光素子群２９上の何れか片側の領域では、振幅変調の変調度をｍとすると、下記の（５）式で表すことができる。

したがって、受光素子群２９の片側領域で観測される強度Iは、下記の（６）式により得られる。

また、レーザー光源２１に印加した周波数f1で直交検波を行うと、下記の（７）式、（８）式を得ることができる。
I∝2M₀M₁cos(θ0) ・・・・・（７）式
Q∝2M₀M₁sin(θ0) ・・・・・（８）式

そこで、I信号とQ信号の比を測定することにより、tanΘ＝sin(θo)/cos(θo)の式より、位相Θを検出することが可能となる。ただし、レーザー光源２１を変調する信号に対して、検出する際の電気信号の位相遅延等により検出される位相信号は、一定の位相ずれが付加される。しかしながら、この値は光路長や電気的な回路が決まれば一定となるので、検出された位相差は補正することができる。また、位相差θoの取得方法は、様々な信号処理にて可能である。例えば、位相検波とフィルタやヒルベルト変換等の信号処理を利用することができる。したがって、以下のようにして、位相差から光学的距離nhを求めることができる。

ここで、γ＝M₁/M₀とした。γは０次回折光と１次回折光の光の比である。
θoは０次回折光に対する１次回折光の位相差なので、θoとγよりΘoを求める。
さらに、Θo=(２π/λ)nhより、光学的距離nhを求めることができる。上記（３）式、（４）式はM_o>M₁とした近似であるので、厳密な考察を行うと多少複雑な式になるが、煩雑になるので割愛する。ただし、基本的には光軸Ｌを境界とした片側の領域の情報を取得し演算することに関しては、同様である。

次に、走査ビームの性質について説明する。
走査ビームは、所定の走査速度で移動しつつ測定対象物Ｇ１、Ｇ２に照射される。これに伴い、受光素子群２９で検出されて光電変換された走査ビームは、測定対象物Ｇ１、Ｇ２の空間周波数に比例した電気的な変調を受けていることになる。

空間周波数が０となるフラットな部分では、走査による変調信号は０となる。よって、フラットな部分では、ドライブ回路２３により基準周波数で変調されつつレーザー光源２１から照射された光の有する変調信号と走査ビームの有する変調信号との間の周波数差であるヘテロダイン周波数が０となる。この一方、走査ビームが被測定物の凹凸部分や屈折率の異なる部分等を通過した場合、空間周波数に応じた電気的な変調を受ける。このため、この場合の基準周波数で変調された走査ビームの有する変調周波数には、走査に伴う電気的な変調からの変動が加算される。

したがって、受光素子群２９で検出し光電変換された信号のうち、例えば基準周波数の周波数だけを切り出すノッチフィルタにより、M₁ ²+M₀ ²に相当する光量が検出できるだけでなく、受光素子群２９で検出された全周波数からこのノッチフィルタで切り出された周波数を差し引くことで、2M₀M₁cosθoに相当する光量を検出できる。これにより、２つの未知数であるM₁とM₀の比を導出できる。すなわち、（６）式に係る２次方程式の解となるが、M₀>M₁となるのが一般的なので、具体的な解を得ることができる。このほか、基準信号と変調信号を分離する手段により、同様に２次方程式の解を得ることもできる。

さらに、光軸Ｌ上の光量の一部と０次回折光の広がりの外側の光量との光量比を検出して、何れかが大きいかの比較を行えば、上記M0>M1の不等号についての情報を正解に得ることもできる。他方、この光量比を算出することで、上記（６）式の２次方程式から導いた光量比と比較して、より精度を向上させた演算を行うこともできる。この結果として正確にγを算出可能となる。なお、上記した式は、１次近似であるが、高次の回折光については、上記した１次回折光の部分に組み入れることによって、同様な議論ができる。すなわち、上記した１次回折光を０次回折光以外と解釈すればよい。

この一方、光に印がついているわけではないので、光学的な手法のみでは０次回折光と１次回折光等の０次回折光以外の回折光を通常区別できない。しかし、上記実施例によれば、測定対象物Ｇ１、Ｇ２の空間周波数を走査ビームの走査により電気的周波数に変換できるので、容易かつ正確に０次回折光成分と０次回折光以外の回折光成分を抽出可能となる。これに伴いΘoも正確に導出することができる。

また、信号比較器３３に入力される位相情報は、走査ビームの０次回折光と走査ビームの１次回折光の重なり部分からの情報となるので、重なり部分の広さが空間周波数に伴い減少する。これはレンズのＭＴＦと関係しているが、空間周波数と走査に伴う電気的周波数とは一義的に対応しているので、検出された電気的信号に適正なハイパスフィルタの適用により、ＭＴＦの補正を行うことができる。このようにして、正確な測定対象物Ｇ１、Ｇ２のプロフィル等の光学的距離を検出することができる。

このように半導体レーザー等のレーザー光源２１を直接変調することにより、測定対象物Ｇ１、Ｇ２から離れたファーフィールドに配置し且つ光軸Ｌに沿った方向に対して略垂直な面上でこの光軸Ｌを通る境界線Ｓを挟み区分けされた片側の領域において受光素子２９Ａによりこの走査ビームを受光して検出（光電変換）することで、測定対象物Ｇ１、Ｇ２の光学的距離を簡単に検出できる。この一方、前記区分けされた領域と逆側の領域では、受光素子２９Ｂにより位相が反転した量として走査ビームを受光して検出（光電変換）できる。このため、両方の領域の位相情報を独立して検出した後にこれら位相情報の平均値を算出すれば、ノイズ等の影響を軽減することができる。

他方、半導体レーザー等のレーザー光源２１に加える変調信号を正弦波的な信号ではなく、ＤＳＢ変調による変調信号としてもよい。この場合、実質的に２つの正弦波の和で変調したことに相当するが、これらの２つの正弦波によるビート信号に相当する周波数で検波すれば、上記した信号処理を行うことができる。この際、２つの正弦波が同時に受けるノイズ成分は、さらにビート信号の形で検波することによって、軽減することができる。

また、上記実施例に高い空間周波数情報と０次回折光を実質上お互いに平行シフトして重ねることにより、実質的に解像度を向上させる技術を適用することもできる。このように、レーザー光源２１を直接変調することにより、外乱光や走査デバイス等を駆動する電源ノイズの影響を受けない。そして、音響光学素子等の外部変調素子を用いることも必要なくなるので、位相情報を有した物体を簡単に可視化することが可能となる。

特に、細胞のように屈折率がわずかに異なるような物質で構成されるような物体を可視化するには、極めて微弱な検出信号となり、ノイズは極力抑え、信号を増幅しなくてはならない。このような場合、ノイズの帯域からできるだけ離れた周波数領域で信号を取得することが必要となる。

このために、変調を行い、検出信号部分を増幅することによりＳＮ比の良好な信号を得ることができるようになる。また、透過光学系の場合には、細胞や微小生物等の可視化を簡単な装置で実現できるので、ミクロな３次元デジタイザーとして教育やホビーで利用することができる。このようにすると、昨今の３次元プリンタと前述の実施例による装置とを組み合わせて使用することにより、生きたままの状態で染色等の処理をせずに、簡単に細胞分裂の経過や微小生物の細胞内部の器官の３次元立体像を、３次元模型として表すことができるようになる。

次に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例３を以下に図５を参照しつつ説明する。本実施例は、反射光学系の装置及び透過光学系の装置に適用できるものである。

実施例１、２では、受光素子群２９を構成する受光素子２９Ａ、２９Ｂが、走査ビームＬＡの光軸Ｌに沿った方向に対して略垂直な面上であってこの光軸Ｌを通る境界線Ｓを挟んで、２分割された領域にそれぞれ位置されている。これに対して本実施例では、測定対象物Ｇ１、Ｇ２の面内の水平方向及び垂直方向でそれぞれの情報を取得可能なように、図５に示す４分割された受光素子２９Ａ〜２９Ｄとした。

つまり、境界線Ｓとこの境界線Ｓに対して照射光の光軸Ｌ上で交差する交差境界線ＫＳとで区画された各領域内に受光素子２９Ａ〜２９Ｄを配置することとした。そして、測定対象物Ｇ１、Ｇ２の面内の水平方向及び垂直方向それぞれの情報をこれら４つの受光素子２９Ａ〜２９Ｄで個々に取得することにより、より詳細なデータが得られることになる。さらにこれだけで無く、これらの内のいずれか１つの受光素子でも位相情報を十分に取得する事が可能となる。これに伴い、より小型で低コストの受光素子を採用しても良くなり、この小型の受光素子が受光した僅かな位相情報であっても、計測部が必要な計測値を得ることができる。尚、本実施例では４分割の領域に分けたが、４分割以上の領域に分けて４つ以上の受光素子を採用した構造としても良い。

次に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例４を以下に図６及び図７を参照しつつ説明する。本実施例は、２つの走査ビームを走査する反射光学系の装置とされている。図６は、本実施例に係る反射光学系の装置を示すブロック図である。
この図６に示すように、本実施例においても、実施例１とほぼ同様の光学系とされている。具体的には、実施例１と同様に、レーザー光源２１、コリメーターレンズ２２、瞳伝達レンズ系２５、２次元走査デバイス２６、ビームスプリッター２７等が順に配置されている。

但し、この図６に示すように、本実施例では、コリメーターレンズ２２と瞳伝達レンズ系２５との間に、音響光学素子（ＡＯＤ）４３が配置されている。また、この音響光学素子４３にＡＯＤドライバー４４が接続されて音響光学素子４３の動作がこのＡＯＤドライバー４４により制御されている。この一方、本実施例では、レーザー光源２１に図１に示すドライブ回路２３が接続されていないことから、レーザー光源２１から照射される照射光が変調されることがない。そして、音響光学素子４３及びＡＯＤドライバー４４が本実施例では変調素子となる。

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受光素子群２９と反対側の偏光ビームスプリッター２７の隣の位置には、受光素子群２８が配置されている。この受光素子群２８も２つの受光素子２８Ａ及び受光素子２８Ｂにより構成されている。そして、受光素子群２９からの信号を比較する信号比較器３３にこの受光素子群２８も接続され、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。

この一方、この音響光学素子４３には、ＡＯＤドライバー４４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。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４３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４３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４３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。

ここで、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４３は、相互に周波数の異なる２つのビームを生じさせ、瞳伝達拡大レンズ系２５を通過し２次元走査デバイス２６に送られる。さらに、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２つのビームが走査ビームＬＡ、ＬＢとされ、これら走査ビームＬＡ、ＬＢ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７の実線で示す走査ビームＬＡおよび点線で示す走査ビームＬＢのように、非常に接近して相互に同一径とされる２つの走査ビームを得ることができる。

図６および図７に示す測定対象物Ｇ１で反射されたこの２つの走査ビーム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、受光素子群２９を構成する受光素子２９Ａ、２９Ｂに導かれる。この受光素子群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つの走査ビームＬＡ、ＬＢは同じ位置に戻るので、２つの走査ビームＬＡ、ＬＢの位相差δがビート信号として検出される。

また、受光素子群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群２８の受光素子２８Ａ、２８Ｂも図示しない光電変換部を有した構造とされている。このため、音響光学素子４３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群２８に入射されて、受光素子２８Ａ、２８Ｂの光電変換部により検出される。つまり、音響光学素子４３までに光学系等で生じた位相差を受光素子２８Ａ、２８Ｂの光電変換部により検出することになるので、この受光素子群２８は位相の基準を与える役割をしている。

従って、第１実施例と同様に、受光素子２９Ａ、２９Ｂでそれぞれ光電変換された各々の位相情報の信号及び、受光素子２８Ａ、２８Ｂでそれぞれ光電変換された各々の基準信号に基づいて信号比較器３３がこれら信号を比較し、最終的にデータを処理してデータ処理部３４が測定対象物Ｇ１のプロフィル等の光学的距離の計測値を得る。但し、本実施例においても前記実施例と同様に、境界線で区分けされた片側にある一方の受光素子２９Ａのみ或いは他方の受光素子２９Ｂのみでも位相情報を検出できるので、受光素子は一つであっても良い。

以上より、本実施例によっても、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、また、通常の結像光学系では取得不可能な空間周波数を取得して測定対象物Ｇ１の有する空間周波数情報を正確に再現することで、実効上分解能が高く空間周波数の欠損のない光学的距離計測装置が提供されるようになる。尚、本実施例では、反射光学系の装置の例で説明したが、反射光学系の装置だけでなく、透過光学系の装置にも適用できるものである。

さらに、上記実施例では、各受光素子が境界線で区画された何れかの側に位置しているが、境界線を跨いで受光素子を配置しても良い。この場合でも、境界線の片側にずれた形で受光素子が位置していれば良い。また、半導体レーザーとされるレーザー光源２１を直接変調するかわりに、上述した音響光学素子４３を用いて２つの走査ビームが走査することで、図３、図４に示す透過光学系に準じたものとしてもよい。

他方、繰り返しとなるが、前述の実施例１、２のようにドライブ回路２３によりレーザー光源２１を直接変調する場合には、レーザー光源２１を半導体レーザーとすれば良く、照射光は１つとなる。この際、変調は単一周波数による変調やＤＳＢ変調が可能である。また、実施例４のように音響光学素子（ＡＯＤ）４３によりレーザー光源２１を外部変調する場合には、レーザー光源２１を半導体レーザー、ガスレーザー、固体レーザー等とすれば良く、音響光学素子４３を通過した照射光は１つ又は２つとなる。すなわち、単一変調であれば照射光は１つであり、ＤＳＢ変調であれば照射光は非常に相互に接近した２つとなる。さらに、図示しない電気光学変調素子によりレーザー光源２１を外部変調することも考えられる。この場合には、レーザー光源２１を半導体レーザー、ガスレーザー、固体レーザー等とすれば良く、電気光学変調素子を通過した照射光は１つとなる。この際も、変調は単一周波数による変調やＤＳＢ変調が可能である。

なお、上記の各場合において、前述したように１つの照射光の有する周波数は、「光の振動数＋キャリア周波数ｆｃ」であり、２つの照射光の有する周波数は、「光の振動数＋キャリア周波数ｆｃ±変調周波数ｆｍ」となる。

以上、本発明に係る各実施例を説明したが、本発明は前述の各実施例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。

本発明の光学的距離計測装置は、測定対象物である試料との間の距離や試料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。また、本発明の光学的距離計測装置は、顕微鏡だけでなく、さまざまな種類の光学機器や波動を有する電磁波を用いた計測機に適用でき、これら光学機器や波動を有する電磁波を用いた計測機の分解能を向上することができるものである。

２１ レーザー光源（光源）
２２ コリメーターレンズ
２３ ドライブ回路（変調素子）
２５ 瞳伝達レンズ系
２６ ２次元走査デバイス（２次元走査素子）
２７ ビームスプリッター
２８ 受光素子群
２８Ａ、２８Ｂ 受光素子
２９ 受光素子群
２９Ａ〜２９Ｄ 受光素子
３０ 瞳伝達レンズ系
３１ 対物レンズ
３３ 信号比較器（計測部）
３４ データ処理部（計測部）
４３ 音響光学素子（変調素子）
４４ ＡＯＤドライバー（変調素子）
Ｇ１、Ｇ２ 測定対象物
Ｌ 光軸
Ｓ 境界線

Claims (7)

1. コヒーレントな照射光を照射する光源と、
   光源から照射される照射光を変調する変調素子と、
   照射光を２次元走査する２次元走査素子と、
   照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線として何れかの片側にずれて位置し、かつ、測定対象物を経由した照射光を受光して光電変換する受光素子と、
   該受光素子で光電変換された信号及び変調素子の変調を指示する信号により測定対象物の位相情報を得ると共に、この位相情報に基づき測定対象物についての計測値を得る計測部と、
   を含む光学的距離計測装置。
2. 前記受光素子が、境界線に対して照射光の光軸上で交差する交差境界線とこの境界線とで区画された何れかの領域内に位置する請求項１に記載の光学的距離計測装置。
3. 前記変調素子が、光源の動作を操作して変調信号を加えることとし、この変調信号を単一周波数の信号またはＤＳＢ変調による信号とする請求項１又は請求項２に記載の光学的距離計測装置。
4. 前記受光素子が境界線を挟んで少なくとも２つ存在し、
   照射光をこれら２つの受光素子がそれぞれ受光する請求項１から請求項３の何れかに記載の光学的距離計測装置。
5. 前記受光素子が、測定対象物を反射することで測定対象物を経由した照射光を受光する請求項１から請求項４の何れかに記載の光学的距離計測装置。
6. 前記光源と測定対象物との間にビームスプリッターを配置し、
   このビームスプリッターが測定対象物から戻ってきた照射光を反射して前記受光素子に送る請求項５に記載の光学的距離計測装置。
7. 前記受光素子が、測定対象物を透過することで測定対象物を経由した照射光を受光する請求項１から請求項４の何れかに記載の光学的距離計測装置。

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