JP2017116925A - 光学的距離計測装置 - Google Patents
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Abstract
Description
光源からの照射光を走査させて測定対象物に送る走査素子と、
走査に伴い測定対象物を経由して変調され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走査素子による走査の基準とな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。
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、走査素子がこの照射光を走査させて走査ビームとして測定対象物に送る。さらに、少なくとも1つの受光素子が測定対象物を経由して変調された照射光を受光して光電変換する。そして、該受光素子で光電変換された信号及び走査素子による走査の基準となる信号によって、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。
さらに、本発明を透過型の顕微鏡に適用した場合、細胞や微小生物等の可視化において、生きたままかつ蛍光着色せず高い分解能で高速度に簡単な装置で観察、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。
併せて、ミクロな3次元デジタイザーとして教育やホビーにて本発明を利用することもできる。例えば、昨今の3次元プリンタと本発明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。
例えば、計測部に内蔵された信号処理回路がアナログ信号処理でなく、デジタル信号処理することとする。そして、受光素子よりの走査に伴う変調信号から直流成分と交流成分を抽出する。このように直流成分と交流成分を抽出するのに合わせて、交流成分の周波数を検出することができる。
この各受光素子29A、29B及び、2次元走査デバイス26の動作を操作する前述のコントローラ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からの信号及びコントローラ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。
図4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。
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。
具体的には、受光素子29Aから得た電気信号を90度の位相シフターの素子を介するか、或いはA/D変換したのちにヒルベルト変換を行うことなどにより、下記(10)式が得られる。また、交流成分ACの信号を微分回路に通すか、或いはデジタル的な差分を取ることにより、下記(11)式が得られる。
以上より、改めて(1)式の位相情報を表記すると、下記(13)式となる。
以上に対して、求めたいのは(13)式に基づいて下記(14)式による値である。
すなわち、最終的に下記(15) 式の位相を求めればよいことになる。
具体的には、空間周波数が0の低域から中間周波数(a/λf)に向かうにつれて空間周波数は増加し、中間周波数から空間周波数が2a/λfの高域に向かうにつれて空間周波数は減少することになる。
これは、0次回折光と1次回折光の干渉のみが変調度に寄与するからである。つまり、低域から中間周波数までは、0次回折光と±1次回折光が重なる部分が生じるが、この部分では変調度に寄与せず、中間周波数から高域までは、0次回折光と1次回折光の重なる部分が減少していくからである。ここで、aは対物レンズ31の開口半径を、fは対物レンズ31の焦点距離を、また、λはレーザー光の波長を表す。
また、上記したようにεより周波数が算出されるが、走査速度はあらかじめわかっているので、この算出された周波数はパターンを構成している空間周波数の総体を表していることになる。したがって、空間周波数の逆数であるパターンの主要なピッチが走査方向に沿ってリアルタイムに計測することもできる。
図8は、本実施例の光学的距離計測装置の構成を示す概略図である。本実施例は測定対象物G2を透過した走査ビームに対して横分解能を向上させつつ処理するために、例えば実施例2の透過光学系の装置の下部にこの図に示す傾けた光学系を配置するものである。尚、図8において、瞳伝達レンズ系25、30、2次元走査デバイス26、信号比較器33及びデータ処理部34等の光学系は図示を省略し、また、受光素子群29の替わりに受光素子50を採用している。
測定対象物G2から抽出される情報が位相情報である場合、1次回折光と0次回折光との間及び、−1次回折光と0次回折光との間の2系統で行い、一方の受光素子が最大光量のときに他方の受光素子でほぼ0になるように、受光素子を調整する。測定対象物G2から抽出される情報が強度情報である場合には、1次回折光と0次回折光との間及び、−1次回折光と0次回折光との間の2系統で行い、一方の受光素子が最大光量のときに他方の受光素子でも最大になるように、受光素子を調整する。
22 コリメーターレンズ
23 コントローラ
25 瞳伝達レンズ系
26 2次元走査デバイス(走査素子、2次元走査素子)
27 ビームスプリッター
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)
G1、G2 測定対象物
L 光軸
LA 走査ビーム
S 境界線
Claims (10)
- コヒーレントな照射光を照射する光源と、
光源からの照射光を走査させて測定対象物に送る走査素子と、
走査に伴い測定対象物を経由して変調され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走査素子による走査の基準とな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。 - 前記受光素子が、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つつ、測定対象物を経由した照射光を受光する請求項1に記載の光学的距離計測装置。
- 前記受光素子が境界線を挟んで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又は請求項2に記載の光学的距離計測装置。 - 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又は請求項2に記載の光学的距離計測装置。
- 前記走査素子が、照射光を相互に直交する2方向にそれぞれ走査させる2次元走査素子とされ、この2方向の内の少なくとも1方向の走査により測定対象物に照射された照射光が変調される請求項1から請求項4の何れかに記載の光学的距離計測装置。
- 前記走査素子にコントローラを接続し、このコントローラが走査素子の動作を操作して走査速度及び走査範囲を調整する請求項1から請求項4の何れかに記載の光学的距離計測装置。
- 前記計測部が、前記受光素子で光電変換された信号から直流成分と交流成分を抽出し、得られた交流成分の微分信号やヒルベルト変換した信号に基づき、変調された信号の主周波数成分を算出し、この周波数と測定対象物の有する空間周波数と対比する請求項1から請求項6の何れかに記載の光学的距離計測装置。
- 前記計測部が、該受光素子で光電変換された信号の交流成分をデジタル化したデータとし、このデータの加算量を変更することで、測定対象物についての計測値を得る範囲を調整する請求項1から請求項7の何れかに記載の光学的距離計測装置。
- 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、
測定対象物で反射して測定対象物から戻ってきた照射光をこのビームスプリッターが反射することで、前記受光素子が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8の何れかに記載の光学的距離計測装置。 - 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8の何れかに記載の光学的距離計測装置。
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