JP2018200250A - Interferometry device and interferometry method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、干渉計測装置および干渉計測方法に関する。 The present invention relates to an interference measurement apparatus and an interference measurement method.
従来から知られる干渉計測装置の１つとして、低コヒーレンス光源を測定光に用いて被測定物体の内層形状を計測する、リニク型の干渉計測装置がある（例えば、特許文献１参照）。図６は、特許文献１に記載された干渉計測装置２００を示す概略図である。干渉計測装置２００は、低コヒーレンス光源である光源１０５と、光源１０５から出射された出射光を参照光と物体光とに分割するビームスプリッタ１０７と、物体光を計測対象物１０４に照射する第１のアーム１０１と、参照光を参照ミラー１０３に照射する第２のアーム１０２と、参照ミラー１０３で反射した参照光と計測対象物１０４で反射した物体光との干渉光を検出するカメラ１０８と、参照光と物体光の相対的な光路長を変化させることによって、干渉光の位相を変調するピエゾステージ１１１とを備える。 As one of conventionally known interference measurement apparatuses, there is a linic type interference measurement apparatus that measures the inner layer shape of an object to be measured using a low-coherence light source as measurement light (see, for example, Patent Document 1). FIG. 6 is a schematic diagram showing the interference measurement apparatus 200 described in Patent Document 1. As shown in FIG. The interference measurement apparatus 200 includes a light source 105 that is a low-coherence light source, a beam splitter 107 that divides outgoing light emitted from the light source 105 into reference light and object light, and a first object that irradiates the measurement target 104 with object light. A second arm 102 that irradiates the reference mirror 103 with reference light, a camera 108 that detects interference light between the reference light reflected by the reference mirror 103 and the object light reflected by the measurement object 104, A piezo stage 111 that modulates the phase of the interference light by changing the relative optical path length of the reference light and the object light.
図６に示されるように、第１のアーム１０１には、計測対象物１０４が設置されており、第１のアーム１０１は、物体側光路を構成する。また、第２のアーム１０２には、参照ミラー１０３が設置されており、第２のアーム１０２は、参照側光路を構成する。第１のアーム１０１と第２のアーム１０２との光学的差異を極小化するために、双方の光路には同じ光学的仕様のレンズ１０９、レンズ１１０が設けられている。 As shown in FIG. 6, the measurement target 104 is installed on the first arm 101, and the first arm 101 constitutes an object-side optical path. A reference mirror 103 is installed on the second arm 102, and the second arm 102 constitutes a reference side optical path. In order to minimize the optical difference between the first arm 101 and the second arm 102, a lens 109 and a lens 110 having the same optical specifications are provided in both optical paths.
光源１０５から出射した出射光１０６は、ビームスプリッタ１０７で分割される。分割された後の、第１のアーム１０１側および第２のアーム１０２側のそれぞれの光路長が等しくなる状態において、それぞれの光路での反射光同士による光の干渉が発生し、カメラ１０８により干渉縞の画像が得られる。光源１０５には低コヒーレンス光源を用いているので、第１のアーム１０１と第２のアーム１０２の光路長が等しくなる位置を中心とした近傍においてのみ干渉縞の画像が得られる。 The outgoing light 106 emitted from the light source 105 is split by a beam splitter 107. In the state where the optical path lengths on the first arm 101 side and the second arm 102 side after the division are the same, light interference occurs due to the reflected lights in the respective optical paths, and the camera 108 interferes. A fringe image is obtained. Since a low-coherence light source is used as the light source 105, an interference fringe image can be obtained only in the vicinity of the position where the optical path lengths of the first arm 101 and the second arm 102 are equal.
干渉計測装置２００においては、ピエゾステージ１１１が参照ミラー１０３を光軸方向に周波数ｆで正弦波振動させることにより、物体側光路と参照側光路との光路長の差を微小に変化させると、干渉光の位相が変調する。ピエゾステージ１１１が干渉光の位相を変調させるとともに、カメラ１０８が周波数ｆ’＝ｎｆ（ｎは２以上の整数）で干渉光の画像を取得する。ここで得られたｎ枚の干渉光の画像をデジタル処理することにより、参照側光路と光路長が一致する物体側光路の光路長に対応する深さの計測対象物１０４の断層画像を得ることができる。 In the interference measuring apparatus 200, when the piezo stage 111 vibrates the reference mirror 103 with a frequency sine wave in the optical axis direction to slightly change the optical path length difference between the object side optical path and the reference side optical path, The phase of light is modulated. The piezo stage 111 modulates the phase of the interference light, and the camera 108 acquires an image of the interference light at a frequency f ′ = nf (n is an integer of 2 or more). The tomographic image of the measuring object 104 having a depth corresponding to the optical path length of the object side optical path whose optical path length matches the reference side optical path is obtained by digitally processing the n interference light images obtained here. Can do.
この断層画像は、計測対象物１０４の特定の深さに反射または散乱する物体や界面があれば明るく表示され、反射または散乱する物体や界面がなく均一な部分は暗く表示される。さらに、計測対象物１０４を光軸方向に移動させて上述のとおり各断面の断層画像を得ることを繰り返すことによって、干渉計測装置２００は、計測対象物１０４の三次元の内層形状を計測することができる。 This tomographic image is displayed brightly if there is an object or interface that reflects or scatters at a specific depth of the measurement object 104, and a uniform portion that does not have an object or interface that reflects or scatters is displayed darkly. Furthermore, the interference measurement apparatus 200 measures the three-dimensional inner layer shape of the measurement object 104 by repeatedly moving the measurement object 104 in the optical axis direction and obtaining the tomographic image of each cross section as described above. Can do.
しかしながら、カメラ１０８には、計測対象物１０４の三次元の内層形状を計測するのに必要である観察対象断面からの反射光とともに、ノイズとして作用するそれ以外の光が入射する。図７は、生体組織の計測時に生じる観察対象断面からの反射光とそれ以外の光とを示す図である。図７に示されるように、計測対象物１０４が生体組織である場合、カメラ１０８には、計測対象物１０４の観察対象断面からの反射光の他に、計測対象物１０４の観察対象断面以外からの反射光や散乱光が入射する。観察対象断面からの反射光の光量は、観察対象断面以外からの反射光や散乱光の光量と比較して１％以下であり、非常に小さい。したがって、観察対象断面からの反射光の検出感度を高めるのが困難であり、計測対象物１０４の深い部分の計測が困難になるという課題がある。 However, other light that acts as noise is incident on the camera 108 together with the reflected light from the cross section of the observation target that is necessary for measuring the three-dimensional inner layer shape of the measurement object 104. FIG. 7 is a diagram illustrating reflected light from a cross section to be observed that occurs during measurement of a biological tissue and other light. As shown in FIG. 7, when the measurement target 104 is a living tissue, the camera 108 receives from the observation target cross section other than the observation target cross section of the measurement target 104 in addition to the reflected light from the observation target cross section of the measurement target 104. Reflected light or scattered light is incident. The amount of reflected light from the observation target cross section is 1% or less compared to the amount of reflected light or scattered light from other than the observation target cross section, which is very small. Therefore, there is a problem that it is difficult to increase the detection sensitivity of reflected light from the observation object cross section, and it becomes difficult to measure a deep portion of the measurement object 104.
本発明の目的は、計測対象物のより深い部分の内層形状を正確に計測するための、改善された干渉計測装置および干渉計測方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide an improved interference measuring apparatus and interference measuring method for accurately measuring an inner layer shape of a deeper portion of a measurement object.
上記目的を達成するために、本開示に係る干渉計測装置は、低コヒーレンス光源と、前記低コヒーレンス光源から出射された出射光を参照光と物体光とに分割する光束分割素子と、前記物体光を計測対象物に照射する物体光学系と、前記参照光を参照面に照射する参照光学系と、前記参照面で反射した参照光と前記計測対象物で反射した物体光との干渉光を検出する二次元センサと、前記参照光と前記物体光との光路長の差を変化させることによって、前記干渉光の位相を変調する位相変調機構と、を備える干渉計測装置であって、前記計測対象物の撮影範囲において照射パターンを結像するように、前記出射光を変換するパターン生成部と、前記二次元センサが検出した前記干渉光に基づいて、前記撮影範囲のうち前記照射パターンを結像する部分領域に対応する前記計測対象物の断層画像を抽出する信号処理部と、前記照射パターンを前記パターン生成部に設定する制御部と、を備え、前記制御部は、複数の前記照射パターンから逐次に前記照射パターンを設定し、前記複数の前記照射パターンのそれぞれを結像する複数の前記部分領域は、前記撮影範囲の全体を覆い、前記信号処理部は、逐次に設定される前記照射パターンに対応して抽出された前記断層画像を合成して、前記撮影範囲の全体に対応する前記計測対象物の断層画像を生成する、構成を採る。 In order to achieve the above object, an interference measurement apparatus according to the present disclosure includes a low-coherence light source, a light beam splitting element that splits outgoing light emitted from the low-coherence light source into reference light and object light, and the object light. An object optical system that irradiates a measurement object, a reference optical system that irradiates a reference surface with the reference light, and interference light between the reference light reflected by the reference surface and the object light reflected by the measurement object An interference measurement apparatus comprising: a two-dimensional sensor that performs a phase modulation mechanism that modulates a phase of the interference light by changing a difference in optical path length between the reference light and the object light, the measurement target Based on the interference light detected by the two-dimensional sensor and a pattern generation unit that converts the emitted light so that an irradiation pattern is imaged in the imaging range of the object, the irradiation pattern is imaged in the imaging range A signal processing unit that extracts a tomographic image of the measurement object corresponding to the partial region to be measured, and a control unit that sets the irradiation pattern in the pattern generation unit, and the control unit includes a plurality of the irradiation patterns. The irradiation pattern is sequentially set, the plurality of partial regions that form images of the plurality of the irradiation patterns cover the entire imaging range, and the signal processing unit is configured to sequentially set the irradiation pattern The tomographic images extracted corresponding to the above are combined to generate a tomographic image of the measurement object corresponding to the entire imaging range.
上記目的を達成するために、本開示に係る干渉計測方法は、低コヒーレンス光源から出射された出射光を参照光と物体光とに分割する工程と、前記物体光を計測対象物に照射する工程と、前記参照光を参照面に照射する工程と、前記参照面で反射した参照光と前記計測対象物で反射した物体光との干渉光を検出する工程と、前記参照光と前記物体光との光路長の差を変化させることによって、前記干渉光の位相を変調する工程と、を備える位相変調方式の干渉計測方法であって、計測対象物の撮影範囲において照射パターンを結像するように、光源から出射された出射光を変換する工程と、前記干渉光に基づいて、前記撮影範囲のうち前記照射パターンを結像する部分領域に対応する前記計測対象物の断層画像を抽出する工程と、前記照射パターンを設定する工程と、をさらに備え、前記設定する工程において、複数の前記照射パターンから逐次に前記照射パターンが設定され、前記複数の前記照射パターンのそれぞれを結像する複数の前記部分領域は、前記撮影範囲の全体を覆い、逐次に設定される前記照射パターンに対応して抽出された前記断層画像を合成して、前記撮影範囲の全体に対応する前記計測対象物の断層画像を生成する工程をさらに備える、構成を採る。 In order to achieve the above object, an interference measurement method according to the present disclosure includes a step of dividing outgoing light emitted from a low-coherence light source into reference light and object light, and a step of irradiating the measurement target with the object light Irradiating a reference surface with the reference light; detecting interference light between the reference light reflected by the reference surface and the object light reflected by the measurement object; and the reference light and the object light. A phase modulation type interference measurement method comprising: modulating the phase of the interference light by changing a difference in optical path length of the measurement object, so that an irradiation pattern is imaged in the imaging range of the measurement object A step of converting the emitted light emitted from the light source, and a step of extracting a tomographic image of the measurement object corresponding to a partial region where the irradiation pattern is imaged in the imaging range based on the interference light, , The irradiation path A plurality of the partial areas in which, in the setting step, the irradiation patterns are sequentially set from the plurality of irradiation patterns, and each of the plurality of the irradiation patterns is imaged. Covers the entire imaging range and generates the tomographic image of the measurement object corresponding to the entire imaging range by synthesizing the tomographic images extracted corresponding to the irradiation patterns set sequentially. The structure which further comprises the process to perform is taken.
本開示の干渉計測方法および干渉計測装置によれば、計測対象物のより深い部分の内層形状を正確に計測することができる。 According to the interference measurement method and the interference measurement device of the present disclosure, it is possible to accurately measure the inner layer shape of a deeper portion of the measurement object.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
（第１の実施の形態）
図１は、本開示の第１の実施の形態における干渉計測装置１００の概略図である。図１に示される、第１のアーム１０１（物体光学系）、第２のアーム１０２（参照光学系）、参照ミラー１０３、計測対象物１０４、ビームスプリッタ１０７（光束分割素子）、カメラ１０８（二次元センサ）、レンズ１０９、レンズ１１０、およびピエゾステージ１１１（位相変調機構）については、図６を参照して上述したものと略同様であり、説明を省略する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram of an interference measurement apparatus 100 according to the first embodiment of the present disclosure. A first arm 101 (object optical system), a second arm 102 (reference optical system), a reference mirror 103, a measurement object 104, a beam splitter 107 (light beam splitter), and a camera 108 (two) shown in FIG. The dimension sensor), the lens 109, the lens 110, and the piezo stage 111 (phase modulation mechanism) are substantially the same as those described above with reference to FIG.
干渉計測装置１００は、光源１０５（低コヒーレンス光源）、集光レンズ１１２、空間変調素子１１３（パターン生成部）、コリメートレンズ１１４、結像レンズ１１５、光量調整機構１１６（光量調整部）、Ｚステージ１１７、信号処理部１１８、および制御部１１９を備える。 The interference measurement apparatus 100 includes a light source 105 (low coherence light source), a condensing lens 112, a spatial modulation element 113 (pattern generation unit), a collimator lens 114, an imaging lens 115, a light amount adjustment mechanism 116 (light amount adjustment unit), a Z stage. 117, a signal processing unit 118, and a control unit 119.
光源１０５は、低コヒーレンス光を出射する低コヒーレンス光源である。ここで、低コヒーレンス光とは、コヒーレント光よりもコヒーレンス性が低く、インコヒーレント光よりもコヒーレンス性が高い光であって、出射光として用いられた場合に、参照光と物体光との干渉縞が生成される光である。低コヒーレンス光源は、例えば、ハロゲン光源、ＬＥＤ光源、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）光源、スーパーコンティニューム光源である。一例において、光源１０５の波長スペクトルの半値幅が２０ｎｍ以上であることが、光軸方向の分解能を確保する上で好ましい。 The light source 105 is a low coherence light source that emits low coherence light. Here, low-coherence light is light that has lower coherence than coherent light and higher coherence than incoherent light, and when used as outgoing light, interference fringes between reference light and object light Is the generated light. The low coherence light source is, for example, a halogen light source, an LED light source, an SLD (super luminescent diode) light source, or a super continuum light source. In one example, the half width of the wavelength spectrum of the light source 105 is preferably 20 nm or more in order to ensure the resolution in the optical axis direction.
集光レンズ１１２は、図１に示されるように、光源１０５から出射された出射光を適切な径の略平行光にする。略平行光は、空間変調素子１１３へ照射される。 As shown in FIG. 1, the condensing lens 112 turns the emitted light emitted from the light source 105 into substantially parallel light having an appropriate diameter. The substantially parallel light is applied to the spatial modulation element 113.
空間変調素子１１３は、計測対象物１０４の撮影範囲において照射パターンを結像するように、出射光を変換する。照射パターンについては、図２を参照して後述する。一例において、空間変調素子１１３は、照射パターンを結像する位置を移動させることができる。空間変調素子１１３は、例えば、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）、液晶の空間変調素子である。本開示においては、空間変調素子１１３は、広帯域の光源を均一に反射することができ、偏光方向の影響を受けないＤＭＤであるのが好ましい。 The spatial modulation element 113 converts the emitted light so that an irradiation pattern is imaged in the imaging range of the measurement object 104. The irradiation pattern will be described later with reference to FIG. In one example, the spatial modulation element 113 can move the position where the irradiation pattern is imaged. The spatial modulation element 113 is, for example, a DMD (digital mirror device) or a liquid crystal spatial modulation element. In the present disclosure, the spatial modulation element 113 is preferably a DMD that can uniformly reflect a broadband light source and is not affected by the polarization direction.
コリメートレンズ１１４は、空間変調素子１１３で反射された光を略平行光にする。略平行光は、ビームスプリッタ１０７へ入射する。 The collimating lens 114 turns the light reflected by the spatial modulation element 113 into substantially parallel light. The substantially parallel light is incident on the beam splitter 107.
結像レンズ１１５は、入射した光をカメラ１０８に結像する。 The imaging lens 115 focuses the incident light on the camera 108.
空間変調素子１１３、参照ミラー１０３、計測対象物１０４の観察対象断面、およびカメラ１０８とは、共役の関係になっている。具体的には、コリメートレンズ１１４およびレンズ１１０は、空間変調素子１１３に設定された照射パターンを、特定の倍率で参照ミラー１０３に結像する。レンズ１１０および結像レンズ１１５は、参照ミラー１０３で反射された光を、カメラ１０８に結像する。同様に、コリメートレンズ１１４とレンズ１０９は、空間変調素子１１３に設定された照射パターンを、計測対象物１０４の観察対象断面に結像する。レンズ１０９および結像レンズ１１５は、計測対象物１０４の観察対象断面で反射した光を、カメラ１０８に結像する。即ち、これらの光学系は、空間変調素子１１３に設定された照射パターンを、カメラ１０８に結像する。 The spatial modulation element 113, the reference mirror 103, the observation object cross section of the measurement object 104, and the camera 108 have a conjugate relationship. Specifically, the collimating lens 114 and the lens 110 form an image of the irradiation pattern set in the spatial modulation element 113 on the reference mirror 103 at a specific magnification. The lens 110 and the imaging lens 115 image the light reflected by the reference mirror 103 on the camera 108. Similarly, the collimating lens 114 and the lens 109 form an image of the irradiation pattern set in the spatial modulation element 113 on the observation object cross section of the measurement object 104. The lens 109 and the imaging lens 115 image the light reflected from the observation target section of the measurement target 104 on the camera 108. That is, these optical systems image the irradiation pattern set in the spatial modulation element 113 on the camera 108.
光量調整機構１１６は、第２のアーム１０２側に設けられ、参照光の光量を調整する。一例において、光量調整機構１１６は、カメラ１０８が検出する物体光と参照光との光量の差を低減するように、参照光の光量を調整する。光量調整機構１１６は、例えば、参照光の減衰率を変更するための複数のＮＤフィルタを備える。一例において、光量調整機構１１６は、複数のＮＤフィルタを自動的に切り替える機構を備える。他の一例において、光量調整機構１１６は、複数のＮＤフィルタを手動で切り替えるための機構を備える。 The light amount adjustment mechanism 116 is provided on the second arm 102 side and adjusts the light amount of the reference light. In one example, the light amount adjustment mechanism 116 adjusts the light amount of the reference light so as to reduce the difference in light amount between the object light detected by the camera 108 and the reference light. The light quantity adjustment mechanism 116 includes, for example, a plurality of ND filters for changing the attenuation rate of the reference light. In one example, the light amount adjustment mechanism 116 includes a mechanism for automatically switching a plurality of ND filters. In another example, the light amount adjustment mechanism 116 includes a mechanism for manually switching a plurality of ND filters.
Ｚステージ１１７は、計測対象物１０４を設置する台である。Ｚステージ１１７は、計測対象物１０４を光軸方向に移動させることができる。 The Z stage 117 is a table on which the measurement object 104 is installed. The Z stage 117 can move the measurement object 104 in the optical axis direction.
信号処理部１１８は、カメラ１０８が検出した干渉光の画像に基づいて、計測対象物１０４の撮影範囲のうち照射パターンを結像する部分領域に対応する計測対象物１０４の断層画像を抽出する。 Based on the interference light image detected by the camera 108, the signal processing unit 118 extracts a tomographic image of the measurement target 104 corresponding to a partial region in which an irradiation pattern is formed in the imaging range of the measurement target 104.
制御部１１９は、複数の照射パターンから逐次に照射パターンを空間変調素子１１３に設定する制御を行う。ここで、複数の照射パターンのそれぞれが結像する計測対象物１０４の複数の部分領域によって、撮影範囲の全体が覆われるように、複数の照射パターンが形成されている。次いで、信号処理部１１８は、逐次に設定される照射パターンに対応して抽出された計測対象物１０４の断層画像を合成して、撮影範囲の全体に対応する計測対象物１０４の断層画像を生成する。 The control unit 119 performs control to set the irradiation pattern in the spatial modulation element 113 sequentially from the plurality of irradiation patterns. Here, the plurality of irradiation patterns are formed so that the entire imaging range is covered with the plurality of partial regions of the measurement object 104 on which each of the plurality of irradiation patterns forms an image. Next, the signal processing unit 118 synthesizes the tomographic images of the measurement object 104 extracted corresponding to the sequentially set irradiation patterns, and generates the tomographic image of the measurement object 104 corresponding to the entire imaging range. To do.
その他、制御部１１９は、上述した光量調整機構１１６の減衰率の設定値を調整する制御を行う。また、制御部１１９は、光源１０５の出力を調整する制御を行う。さらに、制御部１１９は、Ｚステージ１１７を移動させる制御を行う。いずれの制御の内容についても、図３を参照して詳細を後述する。 In addition, the control unit 119 performs control to adjust the set value of the attenuation rate of the light amount adjustment mechanism 116 described above. The control unit 119 performs control to adjust the output of the light source 105. Further, the control unit 119 performs control to move the Z stage 117. The details of any control will be described later with reference to FIG.
＜空間変調素子に設定される照射パターン＞
図２は、本開示の第１の実施の形態における空間変調素子１１３に設定される照射パターンＰ１〜Ｐ５を示す図である。
<Irradiation pattern set in spatial modulation element>
FIG. 2 is a diagram illustrating irradiation patterns P1 to P5 set in the spatial modulation element 113 according to the first embodiment of the present disclosure.
空間変調素子１１３に設定される照射パターンは、例えば、照射パターンＰ１〜Ｐ４のようなスリット形状である。図２において、白い部分は、光をコリメートレンズ１１４方向へ反射する部分を表す。反射された光は、参照ミラー１０３および計測対象物１０４へ照射される。一方、黒い部分は光をコリメートレンズ１１４以外の方向へ反射する部分を表す。反射された光は、計測対象物１０４の計測には寄与しない。 The irradiation pattern set in the spatial modulation element 113 is, for example, a slit shape like the irradiation patterns P1 to P4. In FIG. 2, the white portion represents a portion that reflects light toward the collimating lens 114. The reflected light is applied to the reference mirror 103 and the measurement object 104. On the other hand, the black portion represents a portion that reflects light in a direction other than the collimating lens 114. The reflected light does not contribute to the measurement of the measurement object 104.
空間変調素子１１３に設定される照射パターンにおいて、スリットの位置を、例えば、照射パターンＰ１から始めて、照射パターンＰ２、照射パターンＰ３で示されるように移動させることができる。さらに、計測対象物１０４や計測したい条件に応じて、照射パターンＰ４のようにスリットの幅を変化させる、或いは照射パターンＰ５のように全面で反射させることができる。ここで、スリット形状の開口率が小さいほど、計測できる計測対象物１０４の深さは増大するが、計測時間も増大する。スリット形状の開口率は、例えば、５％以上５０％以下である。 In the irradiation pattern set in the spatial modulation element 113, the position of the slit can be moved as indicated by the irradiation pattern P2 and the irradiation pattern P3, for example, starting from the irradiation pattern P1. Furthermore, according to the measurement object 104 and the conditions to be measured, the width of the slit can be changed as in the irradiation pattern P4, or the entire surface can be reflected as in the irradiation pattern P5. Here, as the aperture ratio of the slit shape is smaller, the depth of the measurement object 104 that can be measured increases, but the measurement time also increases. The aperture ratio of the slit shape is, for example, 5% or more and 50% or less.
＜内層形状を計測する手順＞
図３は、本開示の第１の実施の形態における干渉計測方法の処理フロー図である。図４は、本開示の第１の実施の形態における干渉計測方法で設定される照射パターンＸ（１）〜Ｘ（Ｎ）と抽出される断層画像Ｙ（１）〜Ｙ（Ｎ）を示す図である。以下において、空間変調素子１１３に設定される照射パターンを変化させつつ照射することにより計測対象物１０４の内層形状を計測する手順を、図３および図４を参照しながら説明する。
<Procedure for measuring inner layer shape>
FIG. 3 is a process flow diagram of the interference measurement method according to the first embodiment of the present disclosure. FIG. 4 is a diagram illustrating irradiation patterns X (1) to X (N) and extracted tomographic images Y (1) to Y (N) set by the interference measurement method according to the first embodiment of the present disclosure. It is. Hereinafter, a procedure for measuring the inner layer shape of the measurement object 104 by irradiating while changing the irradiation pattern set in the spatial modulation element 113 will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
ステップＳ１において、干渉計測装置１００のＺステージ１１７上に計測対象物１０４が設置されていない状態で、制御部１１９は、参照ミラー１０３から反射してカメラ１０８で検出される光量の平均検出値Ａ１（ｘ）を、光量調整機構１１６の減衰率の設定値ｘ毎に記録する。 In step S1, in a state where the measurement object 104 is not installed on the Z stage 117 of the interference measurement apparatus 100, the control unit 119 reflects the light from the reference mirror 103 and is detected by the camera 108 as an average detected value A1. (X) is recorded for each set value x of the attenuation rate of the light amount adjusting mechanism 116.
ステップＳ２において、制御部１１９は、干渉計測装置１００のＺステージ１１７上に計測対象物１０４が設置されるまで待機する。 In step S <b> 2, the control unit 119 waits until the measurement object 104 is installed on the Z stage 117 of the interference measurement apparatus 100.
ステップＳ３において、制御部１１９は、Ｚステージ１１７を初期位置へ移動させる。 In step S3, the control unit 119 moves the Z stage 117 to the initial position.
ステップＳ４において、制御部１１９は、空間変調素子１１３に照射パターンを設定する。例えば、スリットの位置は、照射パターンＰ２（図２参照）で示されるように、計測範囲の中心付近とする。 In step S <b> 4, the control unit 119 sets an irradiation pattern on the spatial modulation element 113. For example, the position of the slit is set near the center of the measurement range as indicated by the irradiation pattern P2 (see FIG. 2).
ステップＳ５において、制御部１１９は、光量調整機構１１６の減衰率の設定値を調整する。例えば、光量調整機構１１６の減衰率の設定値は、信号処理部１１８から取得したカメラ１０８で検出される光量の平均検出値Ａ２（ｘ）が平均検出値Ａ１（ｘ）の２倍に最も近づくように調整される。 In step S <b> 5, the control unit 119 adjusts the set value of the attenuation factor of the light amount adjustment mechanism 116. For example, as for the set value of the attenuation rate of the light amount adjusting mechanism 116, the average detection value A2 (x) of the light amount detected by the camera 108 acquired from the signal processing unit 118 is closest to twice the average detection value A1 (x). To be adjusted.
ここで、平均検出値Ａ１（ｘ）で特徴づけられる参照光の光量と、平均検出値Ａ２（ｘ）で特徴づけられる物体光の光量との最適な比について考察する。反射した参照光の光量をＩｒ、観察対象断面から反射した物体光の光量をＩｏ１、観察対象断面以外から反射した物体光の光量をＩｏ２とすると、干渉光の光量Ｉｆは、次の（式１）のように表される。 Here, an optimum ratio between the light amount of the reference light characterized by the average detection value A1 (x) and the light amount of the object light characterized by the average detection value A2 (x) will be considered. If the reflected light amount of the reference light is I r , the light amount of the object light reflected from the observation target section is I o1 , and the light amount of the object light reflected from other than the observation target cross section is I o2 , then the interference light amount If is (Equation 1).
ここで、φは参照光と物体光の位相差である。このとき、Ｉｆ（φ）は、φ＝０のときに最大、φ＝πのときに最小となるため、干渉縞のコントラストＣは、次の（式２）のように表される。 Here, φ is the phase difference between the reference beam and the object beam. At this time, I f (φ) is the maximum when φ = 0 and the minimum when φ = π, and therefore the contrast C of the interference fringes is expressed by the following (Equation 2).
ここで、Ｉｏ１とＩｏ２との比は、計測対象物１０４に入射する光量に関わらず一定であることから、Ｉｏ１＝α・Ｉｏ、Ｉｏ２＝（１−α）・Ｉｏ、０≦α≦１と表される。ここで、Ｉｏは観察対象断面とそれ以外との双方を含む、計測対象物１０４から反射した光量の総量である。これにより、（式２）は次のように変形される。 Here, since the ratio between I o1 and I o2 is constant regardless of the amount of light incident on the measurement object 104, I o1 = α · I o , I o2 = (1−α) · I o , It is expressed as 0 ≦ α ≦ 1. Here, Io is the total amount of light reflected from the measurement object 104, including both the observation object cross section and the others. Thereby, (Formula 2) is deform | transformed as follows.
（式３）から、Ｉｒ＝Ｉｏ、つまり、参照光と物体光とが等しくなるときに、干渉縞のコントラストＣが最大となることが判る。一方、Ｉｏの値は空間変調素子１１３で設定される照射パターンにより変化するため、それに応じて光量調整機構１１６が参照光と物体光との光量の比または差を調整することで、干渉縞のコントラストＣを最大化し、干渉計測装置１００の感度を向上することができる。 From (Equation 3), it can be seen that when I r = I o , that is, when the reference light and the object light are equal, the contrast C of the interference fringes is maximized. On the other hand, since the value of Io changes depending on the irradiation pattern set by the spatial modulation element 113, the light amount adjusting mechanism 116 adjusts the ratio or difference between the light amounts of the reference light and the object light accordingly, thereby causing interference fringes. Contrast C can be maximized, and the sensitivity of the interference measuring apparatus 100 can be improved.
ステップＳ６において、制御部１１９は、光源１０５の出力を調整する。例えば、光源１０５の出力は、カメラ１０８の飽和光量に対し、平均検出値Ａ２（ｘ）が５０％以上かつ８０％以内になるように調整される。 In step S <b> 6, the control unit 119 adjusts the output of the light source 105. For example, the output of the light source 105 is adjusted so that the average detection value A2 (x) is 50% or more and within 80% with respect to the saturated light amount of the camera 108.
ステップＳ７において、変数ｉを１に設定する。ここで、変数ｉは、空間変調素子１１３で生成される照射パターンの個数Ｎに対して、１からＮまでの整数値をとるカウンタ変数である。 In step S7, the variable i is set to 1. Here, the variable i is a counter variable that takes an integer value from 1 to N with respect to the number N of irradiation patterns generated by the spatial modulation element 113.
ステップＳ８において、制御部１１９は、空間変調素子１１３に照射パターンＸ（ｉ）を設定する。図４から判るように、各照射パターンＸ（１）〜Ｘ（Ｎ）に含まれる白い部分が覆う領域は、撮影範囲の全体に対応する。言い換えると、照射パターンＸ（１）〜Ｘ（Ｎ）のそれぞれを結像する計測対象物１０４における複数の部分領域は、カメラ１０８の撮影範囲の全体を覆う。 In step S <b> 8, the control unit 119 sets the irradiation pattern X (i) in the spatial modulation element 113. As can be seen from FIG. 4, the area covered by the white portion included in each of the irradiation patterns X (1) to X (N) corresponds to the entire imaging range. In other words, the plurality of partial regions in the measurement object 104 that forms an image of each of the irradiation patterns X (1) to X (N) covers the entire imaging range of the camera 108.
ステップＳ９において、制御部１１９は、ピエゾステージ１１１が光路長を変調させながら、カメラ１０８が検出した複数の干渉光の画像に基づいて、照射パターンＸ（ｉ）に対応した部分領域の断層画像Ｙ（ｉ）（図４参照）を信号処理部１１８に抽出させる。 In step S9, the control unit 119 modulates the optical path length of the piezo stage 111, and based on the plurality of interference light images detected by the camera 108, the tomographic image Y of the partial region corresponding to the irradiation pattern X (i). (I) The signal processing unit 118 extracts (see FIG. 4).
ステップＳ１０において、制御部１１９は、変数ｉに１を加える。 In step S10, the control unit 119 adds 1 to the variable i.
ステップＳ１１において、制御部１１９は、変数ｉの値と個数Ｎの値とを比較する。変数ｉの値がＮ以下であれば、再度ステップＳ７へ戻る。変数ｉがＮより大きければステップＳ１２へ進む。 In step S11, the control unit 119 compares the value of the variable i with the value of the number N. If the value of the variable i is N or less, the process returns to step S7 again. If the variable i is larger than N, the process proceeds to step S12.
ステップＳ１２において、制御部１１９は、信号処理部１１８に断層画像Ｙ（１）〜Ｙ（Ｎ）を合成させる。これにより、計測対象物１０４の撮影範囲の全体の断層画像Ｙｓｙｎが得られる。 In step S12, the control unit 119 causes the signal processing unit 118 to synthesize tomographic images Y (1) to Y (N). Thereby, a tomographic image Ysyn of the entire imaging range of the measurement object 104 is obtained.
ここで、制御部１１９は、Ｚステージ１１７の位置を順次変え、ステップＳ７〜ステップＳ１２を繰り返すことで、計測対象物１０４の撮影範囲の全体について、三次元の内層形状を計測することができる。 Here, the control unit 119 can measure the three-dimensional inner layer shape of the entire imaging range of the measurement object 104 by sequentially changing the position of the Z stage 117 and repeating Step S7 to Step S12.
次に、本開示の第１の実施の形態に係る干渉計測装置１００が有する利点について説明する。 Next, advantages of the interference measurement apparatus 100 according to the first embodiment of the present disclosure will be described.
発明が解決しようとする課題の欄において、図７を参照して上述したように、生体組織においては、観察対象断面以外からの反射光の光量が、観察対象断面からの反射光の光量と比較して大きい。それ故、観察対象断面からの反射光の検出感度を高めるのが困難である。これに対して、第１の実施の形態に係る干渉計測装置１００によれば、照射パターンを計測対象物１０４に結像し、カメラ１０８での撮像時に照射パターンに対応する領域の断層画像を抽出する。これにより、計測対象物１０４の観察対象断面からの反射光の光量を確保しつつ、照射パターンに対応するカメラ１０８の結像位置へ反射する散乱光の光量を大幅に削減することができる。したがって、計測対象物１０４の観察対象断面からの反射光の検出感度を向上することができる。 In the column of the problem to be solved by the invention, as described above with reference to FIG. 7, in the living tissue, the amount of reflected light from other than the observation target section is compared with the amount of reflected light from the observation target section. And big. Therefore, it is difficult to increase the detection sensitivity of reflected light from the observation object cross section. On the other hand, according to the interference measuring apparatus 100 according to the first embodiment, the irradiation pattern is imaged on the measurement object 104, and the tomographic image of the region corresponding to the irradiation pattern is extracted when the camera 108 captures the image. To do. Thereby, while ensuring the light quantity of the reflected light from the observation object cross section of the measurement object 104, the light quantity of the scattered light reflected to the imaging position of the camera 108 corresponding to an irradiation pattern can be reduced significantly. Therefore, the detection sensitivity of the reflected light from the observation object cross section of the measurement object 104 can be improved.
第１の実施の形態に係る干渉計測装置１００によれば、照射パターンに応じて干渉縞のコントラストが最大となるように光量調整機構１１６が参照光と物体光との光量の比を最適化する。これにより、計測対象物１０４の観察対象断面からの反射光の検出感度が向上し、干渉計測装置１００は、計測対象物１０４のより深い部分まで正確に計測することができる。 According to the interference measuring apparatus 100 according to the first embodiment, the light amount adjusting mechanism 116 optimizes the ratio of the light amount of the reference light and the object light so that the contrast of the interference fringes is maximized according to the irradiation pattern. . Thereby, the detection sensitivity of the reflected light from the observation object cross section of the measurement object 104 is improved, and the interference measurement apparatus 100 can accurately measure a deeper portion of the measurement object 104.
また、第１の実施の形態に係る干渉計測装置１００によれば、例えば、従来の干渉計測装置と比較して、計測対象物の内層形状を正確に計測できる深さを３０％以上拡大することができ、計測対象物１０４の三次元の内層形状を正確に計測することができる。 In addition, according to the interference measurement apparatus 100 according to the first embodiment, for example, compared to a conventional interference measurement apparatus, the depth at which the inner layer shape of the measurement target can be accurately measured is increased by 30% or more. The three-dimensional inner layer shape of the measurement object 104 can be accurately measured.
なお、厚みを有する試料を測定する顕微鏡の１つとして、共焦点顕微鏡が知られている。しかしながら、共焦点顕微鏡においては、光の照射領域の大きさが光軸方向の分解能に影響する。したがって、光軸方向の分解能を確保するためには、試料における光の照射領域の大きさを非常に小さくする必要があるので、本開示で用いる照射パターンは、共焦点顕微鏡には適さない。これに対して、干渉計測装置においては、光軸方向の分解能は、光源１０５の波長幅に依存する。したがって、試料における光の照射領域の大きさを小さくしなくても、光軸方向の分解能を確保することができる。また、照射パターンが規定する試料における光の照射領域の大きさを小さくすると、より多くの計測時間を必要とする。したがって、観察対象断面以外からの反射光による影響を除去することができる程度において、照射パターンが規定する試料における光の照射領域の大きさは、大きい方が好ましい。 A confocal microscope is known as one of the microscopes for measuring a sample having a thickness. However, in the confocal microscope, the size of the light irradiation region affects the resolution in the optical axis direction. Accordingly, in order to ensure the resolution in the optical axis direction, it is necessary to make the size of the light irradiation region in the sample very small, so the irradiation pattern used in the present disclosure is not suitable for a confocal microscope. On the other hand, in the interference measuring apparatus, the resolution in the optical axis direction depends on the wavelength width of the light source 105. Therefore, the resolution in the optical axis direction can be ensured without reducing the size of the light irradiation region in the sample. Further, if the size of the light irradiation region in the sample defined by the irradiation pattern is reduced, more measurement time is required. Therefore, it is preferable that the size of the light irradiation region in the sample defined by the irradiation pattern is large to the extent that the influence of the reflected light from other than the observation target cross section can be removed.
（他の実施の形態）
第１の実施の形態においては、照射パターンを生成する機構としてＤＭＤ等の空間変調素子１１３が用いられている。これに代えて、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、ライン状の照明を照射パターンとして用いる実施の形態も考えられる。
(Other embodiments)
In the first embodiment, a spatial modulation element 113 such as DMD is used as a mechanism for generating an irradiation pattern. Instead of this, as shown in FIG. 5A and FIG. 5B, an embodiment using line-like illumination as an irradiation pattern is also conceivable.
図５Ａは、パターン生成部の他の一例を示す図である。図５Ｂは、図５Ａに示されるスリット１２１の一例を示す図である。レンズ１２０とスリット１２１により形成されたライン状の照明を、コリメートレンズ１１４により略平行光にした後、角度可変ミラー１２２により反射する。これにより、計測対象物１０４の観察対象断面にライン状の照明を結像することができる。さらに、角度可変ミラー１２２の角度を変化させることにより、ライン状の照明を結像する位置を任意に変化させることができる。さらに、カメラ１０８の露光時間中に角度可変ミラー１２２の角度を変化させると、スリット１２１のスリット幅を広げるのと同様の結果を得ることができる。したがって、計測対象物１０４や計測条件に応じて、ライン状の照明の位置およびライン幅を変化させることができる。 FIG. 5A is a diagram illustrating another example of the pattern generation unit. FIG. 5B is a diagram showing an example of the slit 121 shown in FIG. 5A. The line-shaped illumination formed by the lens 120 and the slit 121 is converted into substantially parallel light by the collimating lens 114 and then reflected by the angle variable mirror 122. Thereby, a line-shaped illumination can be imaged on the observation object cross section of the measurement object 104. Furthermore, by changing the angle of the variable angle mirror 122, the position where the line-shaped illumination is imaged can be arbitrarily changed. Further, when the angle of the angle variable mirror 122 is changed during the exposure time of the camera 108, the same result as that of widening the slit width of the slit 121 can be obtained. Therefore, the position and line width of the line-shaped illumination can be changed according to the measurement object 104 and measurement conditions.
レンズ１２０は、例えば、シリンドリカルレンズと通常のレンズを組み合わせたレンズである。光源１０５から出射した光は、可能な限りスリット１２１の開口部において結像するのが好ましい。角度可変ミラー１２２は、例えば、ガルバノミラー、ＭＥＭＳスキャナである。 The lens 120 is, for example, a lens that combines a cylindrical lens and a normal lens. The light emitted from the light source 105 is preferably imaged at the opening of the slit 121 as much as possible. The variable angle mirror 122 is, for example, a galvanometer mirror or a MEMS scanner.
本開示に係る干渉計測装置および干渉計測方法は、皮膚や細胞などの内層構造を非侵襲で測定する生体計測等の用途に適している。 The interference measurement device and the interference measurement method according to the present disclosure are suitable for uses such as biological measurement for non-invasively measuring an inner layer structure such as skin and cells.
１０１ 第１のアーム
１０２ 第２のアーム
１０３ 参照ミラー
１０４ 計測対象物
１０５ 光源
１０６ 出射光
１０７ ビームスプリッタ
１０８ カメラ
１０９ レンズ
１１０ レンズ
１１１ ピエゾステージ
１１２ 集光レンズ
１１３ 空間変調素子
１１４ コリメートレンズ
１１５ 結像レンズ
１１６ 光量調整機構
１１７ Ｚステージ
１１８ 信号処理部
１１９ 制御部
１２０ レンズ
１２１ スリット
１２２ 角度可変ミラー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 1st arm 102 2nd arm 103 Reference mirror 104 Measurement object 105 Light source 106 Output light 107 Beam splitter 108 Camera 109 Lens 110 Lens 111 Piezo stage 112 Condensing lens 113 Spatial modulation element 114 Collimating lens 115 Imaging lens 116 Light quantity adjustment mechanism 117 Z stage 118 Signal processing unit 119 Control unit 120 Lens 121 Slit 122 Angle variable mirror
Claims (9)
前記低コヒーレンス光源から出射された出射光を参照光と物体光とに分割する光束分割素子と、
前記物体光を計測対象物に照射する物体光学系と、
前記参照光を参照面に照射する参照光学系と、
前記参照面で反射した参照光と前記計測対象物で反射した物体光との干渉光を検出する二次元センサと、
前記参照光と前記物体光との光路長の差を変化させることによって、前記干渉光の位相を変調する位相変調機構と、
を備える干渉計測装置であって、
前記計測対象物の撮影範囲において照射パターンを結像するように、前記出射光を変換するパターン生成部と、
前記二次元センサが検出した前記干渉光に基づいて、前記撮影範囲のうち前記照射パターンを結像する部分領域に対応する前記計測対象物の断層画像を抽出する信号処理部と、
前記照射パターンを前記パターン生成部に設定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、複数の前記照射パターンから逐次に前記照射パターンを設定し、
前記複数の前記照射パターンのそれぞれを結像する複数の前記部分領域は、前記撮影範囲の全体を覆い、
前記信号処理部は、逐次に設定される前記照射パターンに対応して抽出された前記断層画像を合成して、前記撮影範囲の全体に対応する前記計測対象物の断層画像を生成する、干渉計測装置。 A low coherence light source,
A light beam splitting element that splits outgoing light emitted from the low-coherence light source into reference light and object light;
An object optical system for irradiating the measurement object with the object light;
A reference optical system for irradiating a reference surface with the reference light;
A two-dimensional sensor for detecting interference light between the reference light reflected by the reference surface and the object light reflected by the measurement object;
A phase modulation mechanism that modulates the phase of the interference light by changing a difference in optical path length between the reference light and the object light;
An interference measuring device comprising:
A pattern generation unit that converts the emitted light so as to form an irradiation pattern in the imaging range of the measurement object;
Based on the interference light detected by the two-dimensional sensor, a signal processing unit that extracts a tomographic image of the measurement object corresponding to a partial region that forms the irradiation pattern in the imaging range;
A control unit for setting the irradiation pattern in the pattern generation unit;
With
The control unit sequentially sets the irradiation pattern from a plurality of the irradiation patterns,
The plurality of partial regions that form images of the plurality of the irradiation patterns cover the entire imaging range,
The signal processing unit synthesizes the tomographic images extracted corresponding to the irradiation patterns set sequentially to generate a tomographic image of the measurement object corresponding to the entire imaging range. apparatus.
前記物体光を計測対象物に照射する工程と、
前記参照光を参照面に照射する工程と、
前記参照面で反射した参照光と前記計測対象物で反射した物体光との干渉光を検出する工程と、
前記参照光と前記物体光との光路長の差を変化させることによって、前記干渉光の位相を変調する工程と、
を備える位相変調方式の干渉計測方法であって、
計測対象物の撮影範囲において照射パターンを結像するように、光源から出射された出射光を変換する工程と、
前記干渉光に基づいて、前記撮影範囲のうち前記照射パターンを結像する部分領域に対応する前記計測対象物の断層画像を抽出する工程と、
前記照射パターンを設定する工程と、
をさらに備え、
前記設定する工程において、複数の前記照射パターンから逐次に前記照射パターンが設定され、
前記複数の前記照射パターンのそれぞれを結像する複数の前記部分領域は、前記撮影範囲の全体を覆い、
逐次に設定される前記照射パターンに対応して抽出された前記断層画像を合成して、前記撮影範囲の全体に対応する前記計測対象物の断層画像を生成する工程をさらに備える、干渉計測方法。 Dividing the emitted light emitted from the low coherence light source into reference light and object light;
Irradiating the measurement object with the object light; and
Irradiating a reference surface with the reference light; and
Detecting interference light between the reference light reflected by the reference surface and the object light reflected by the measurement object;
Modulating the phase of the interference light by changing a difference in optical path length between the reference light and the object light; and
A phase modulation type interference measurement method comprising:
Converting the emitted light emitted from the light source so as to form an irradiation pattern in the imaging range of the measurement object;
Extracting a tomographic image of the measurement object corresponding to a partial region that forms the irradiation pattern in the imaging range based on the interference light; and
Setting the irradiation pattern;
Further comprising
In the step of setting, the irradiation pattern is sequentially set from a plurality of the irradiation patterns,
The plurality of partial regions that form images of the plurality of the irradiation patterns cover the entire imaging range,
An interference measurement method, further comprising: synthesizing the tomographic images extracted corresponding to the irradiation patterns set sequentially to generate a tomographic image of the measurement object corresponding to the entire imaging range.
The interference measurement method according to claim 8, wherein in the adjusting step, the light amount of the reference light is adjusted so as to reduce a difference in light amount between the reference light and the object light.
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