JP2019533839A - デジタルホログラフィック撮像および干渉法のためのファイバスプリッタデバイスならびに前記ファイバスプリッタデバイスを含む光学系 - Google Patents

Abstract

干渉する波同士の間の光路差を部分的または完全に補償してホログラムまたはインターフェログラムを生成するための長さの異なる少なくとも２つの光ファイバを含む光ファイバスプリッタデバイスが開示される。顕微鏡的およびより大きいサンプルのホログラフィックおよび干渉撮像のための装置におけるこのファイバスプリッタデバイスの様々な実施形態が記載される。

Description

本発明は、ホログラフィックおよび干渉撮像の分野に関する。

ホログラフィックまたは干渉撮像法は、位相および強度（または振幅）の両方のコントラストでサンプルを特徴付けるために使用される。位相情報は定量的であり、反射性のサンプルにおける表面トポグラフィの測定および透過性のサンプルに対する厚さまたは屈折率の測定を有効にするため、特に興味を引いている。さらに、細胞撮像では、定量位相測定（ＱＰＭ）により、細胞内濃度、チャネル活性、および他の細胞プロセスのモフォロジの変化を監視することが有効になることが実証されている。ホログラフィックおよび干渉撮像法は、光学的に生成された干渉パターンまたはホログラムのデジタル画像を提供するイメージセンサを使用することによって最適に実施され、特有の画像処理方法を適用することによって、これらの画像から定量位相コントラスト画像が生成される。

ホログラムまたはインターフェログラムを生成するには、２つのビーム：（ｉ）サンプル情報を含む物体ビーム、および（ｉｉ）試験片と相互作用していない参照ビームを組み合わせることが必須である。またこれら２つのビームは、干渉するために互いにコヒーレントでなければならないため、参照波および物体波が同じ光源から生じ、機構の別個の参照アームおよび物体アームに分割されることも必須である。加えて、光源のコヒーレンスが低い場合、干渉は、それぞれのアームを伝播する参照波および物体波の光路長が等しいとき、または干渉もしくはホログラフィック機構の分割点と再結合点との間の光源のコヒーレンス長未満しか違わないときのみ生じる。

ホログラフィックまたは干渉撮像を実施するために提案されている種々の解決策の中でも、光ファイバ送達を用いたものは、所望の光路を実施するために複雑な３次元の形状寸法が必要とされるときに特に適当であることがすでに示されている。たとえば、標準的な市販の光学顕微鏡に適用することができるモジュラデジタルホログラフィック顕微鏡検査の概念が、非特許文献１によって記載されている。また統合されたファイバスプリッタデバイスの使用によって光ファイバの送達および分割の両方を実施する固有の方法が、非特許文献２によって公開されている。

しかし、ホログラフィックおよび干渉撮像におけるファイバの分割および送達は、スプリッタから出るファイバ間の長さの差が制御されることなく、長コヒーレンスのレーザおよび標準的なファイバスプリッタを用いたものが報告されているだけである。本発明は、物体波および参照波を送達するファイバに対する長さの差が制御され、従来技術と比較するといくつかの利点を提示する、新しいファイバ分割の解決策を導入する。特に、本発明は、低コヒーレンス光源の管理を簡略化し、波面整合および軸外干渉を含む最適の干渉条件のより容易な実施を有効にする。加えて、本発明によるデバイスを使用する装置は、振動および環境の混乱に対してより頑丈であり、少ない数の要素でより迅速に作製することができる一方で、計器、特に異なる光源および／または異なる撮像モダリティを組み合わせた複雑な計器の設計において、さらなる柔軟性を提供することができる。

Ｂ．Ｋｅｍｐｅｒら、「Ｍｏｄｕｌａｒ ｄｉｇｉｔａｌ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍａｒｋｅｒ ｆｒｅｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｌｉｖｉｎｇ ｃｅｌｌｓ」（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ６１９１、２００６） Ｑｕ Ｗｅｉｊｕａｎら、「Ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ ｄｉｇｉｔａｌ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｐｈａｓｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、４９、２０１０）

本発明は、前述の不都合に対処する。本発明は、請求項１に記載の光学系および請求項１６に記載のホログラフィックまたは干渉デバイスに関する。さらに有利な構成は、従属請求項に見ることができる。

ファイバスプリッタは、光ファイバネットワークおよび光ファイバセンサで使用される受動デバイスである。本発明は、ホログラフィック撮像または２次元干渉法のための機構における最適の統合のためのそのようなファイバスプリッタデバイスの修正形態を提案する。この修正形態は、参照波を生成するために使用される光と、サンプルを照明して物体波を生成するために使用される光との間に所定の光路差を有する機構へ光を送達するために、ファイバスプリッタから出てくる２つのファイバ間の長さの差を精密に固定することからなる。ファイバ長差は、以下の要件のうちの少なくとも１つを満たすように決定される：
（ｉ）干渉してホログラムまたはインターフェログラムを生成するように再結合されるときの参照波と物体波との間の光路長（ＯＰＬ）差を最小にする。これにより、低コヒーレンス光源を使用することが有効になる。以下、この要件をＯＰＬ整合条件と呼ぶことがある。
（ｉｉ）干渉してホログラムまたはインターフェログラムを生成するように再結合されるときの参照波と物体波との間の波面整合を最適化する。これにより、平坦面が評価されるときに縞パターンがまっすぐになるという理想的な場合に可能な限り近い干渉縞を有するホログラムまたはインターフェログラムを記録することが有効になる。以下、この要件を波面整合条件と呼ぶことがある。
（ｉｉｉ）大きいサンプル体積または複数の光源の使用などの適用によって課される設計上の制約、ならびに小型さもしくは外部アクセスなどのエルゴノミクスもしくは統合上の要件、または既存の計器類への適合。
要約すると、ファイバ長差は、ホログラムまたはインターフェログラムを生成するのに最適の干渉条件を画成し、本発明のデバイスを組み込んだ計器の最適の使用を確実にするように固定される。

本発明によるファイバスプリッタデバイスは、透過および反射の両方の構成で、それぞれ透過性または反射性のサンプルを調査するために、ホログラフィックまたは干渉撮像のための様々な機構に組み込むことができる。本発明は、大きい表面の検査に専用のホログラフィックもしくは干渉計器を設計するとき、またはより一般にはセンサとサンプルとの間に長い距離が必要とされるとき、特に興味を引いている。なぜなら、通常の自由空間の実施形態と比較すると、ファイバ送達された参照波によるはるかに小型で最も簡単な方法で、ＯＰＬ整合の条件を満足させることができるからである。しかし、ほとんどすべての形態の干渉またはホログラフィック機構が、本発明によるデバイスの使用から利益を得ることができる。本発明によるファイバスプリッタデバイスを有利に使用するのに適当な装置の例として：レンズのないホログラフィック機構、デジタルホログラフィック顕微鏡、干渉顕微鏡、白色光干渉計、垂直走査干渉計、干渉光学表面プロファイラ、干渉計、位相シフト干渉計を挙げることができる。同様に、本発明によるファイバスプリッタデバイスを使用して、３次元断層撮像に干渉プロセスを使用する光学計器を作製することができる。

本発明によるデバイスを使用するホログラフィックまたは干渉装置の実施形態は、物体アームおよび参照アームの両方に、光がファイバ案内される部分と、光が自由空間を伝播する他の部分とを含む。本発明の好ましい実施形態では、ファイバ長差は、自由空間の光路差をファイバ案内される光路差によって補償するように決定される。言い換えれば、自由空間の光路差およびファイバ案内される光路差は、同じ絶対値を有するが符号は逆である。

異なるファイバ長は、たとえば光学デバイス内の自由空間内の伝播中に物体電磁波と参照電磁波との間に形成される光路差を補償する。

本発明によるファイバスプリッタデバイスを使用する計器の設計は、好ましくは、ファイバ案内部分を最大にする。なぜなら、同等の位置で光を送達するために調整可能なホルダ内にプリズムおよび／またはキューブおよび／またはミラーおよび／またはレンズを組み合わせなければならない同等の自由空間の実施形態と比較すると、ファイバ案内される光は、環境の混乱の影響を受けにくく、位置合わせの安定性に関して振動に対してより頑丈であり、作製に関して簡略化されているからである。その結果、改善された頑丈さおよび簡略化が、本発明の第１の明らかな利点であり、加えて、光ファイバ送達によって与えられる柔軟性のために計器の設計においてさらなる自由が得られ、ファイバ結合またはファイバ統合された能動または受動素子の統合がより容易になる。さらに、光ファイバを使用して光を送達することは、ホログラフィおよび干渉法において魅力的である。なぜなら、特にモノモードの偏光維持ファイバの場合、光ガイドから出てくる波面は高品質であり、収差レベルが低いからである。

本発明のいくつかの好ましい実施形態を示す添付の図面を参照する以下の説明を読めば、本発明の上記その他の目的、構成、および利点、ならびにこれらを実現する方法がより明らかになり、本発明自体が最もよく理解されよう。

本発明によるファイバスプリッタデバイスを使用するレンズのないデジタルホログラフィック撮像のための例示的な光学設計または光学系を示す図である。 広い視野による大きいサンプルのホログラフィックまたは干渉撮像のための本発明によるファイバスプリッタデバイスの例示的な実施形態を示す図である。 高い分解能によるサンプルのホログラフィックまたは干渉透過顕微鏡検査のための本発明によるファイバスプリッタデバイスの例示的な実施形態を示す図である。 透過および反射の両方におけるホログラフィックまたは干渉顕微鏡検査のための本発明による２つのファイバスプリッタデバイスを有する例示的な実施形態を示す図である。 ２つの光源によるホログラフィックまたは干渉反射顕微鏡検査のための本発明によるファイバスプリッタデバイスの例示的な実施形態を示す図である。 少なくとも２つの光源によるホログラフィックまたは干渉反射顕微鏡検査のための本発明による２つのファイバスプリッタデバイスを有する例示的な実施形態を示す図である。 サンプル体積におけるいくつかの角度投影像の収集による断層撮像のために本発明によるファイバスプリッタデバイスを使用するように装置を適用する図３の実施形態の例示的な修正形態を示す図である。

本明細書では、これらの図に共通する同一の要素を指すために、可能な限り同一の参照番号を使用する。

本発明のファイバスプリッタデバイス（ＦＳＤ）は、少なくとも３つの光ファイバを含む。第１の光ファイバ０は光源（１）によって放出された光を収集し、第２の光ファイバは物体ファイバ（３）と呼ばれ、第３の光ファイバは参照ファイバ（４）と呼ばれる。ファイバスプリッタＦＳは、光源（１）からの光を物体ファイバおよび参照ファイバに分割し、物体ファイバおよび参照ファイバは、光学機構ＯＳへ光を送達し、光学機構ＯＳは、物体ファイバおよび参照ファイバによって送達された光を再結合することによって、干渉を生成するように構成される。

干渉は、参照波（７）と物体波（６）との間に生じる。物体波（６）は、物体ファイバ（３）によって送達される光とサンプル（５）との相互作用によって生成される。参照波（７）は、参照ファイバ（４）によって送達される光から生じ、サンプルと相互作用しない。物体波（６）と参照波（７）との間の干渉により、ホログラムまたはインターフェログラムが生成され、イメージセンサ（９）によって記録される。

本発明によるファイバスプリッタデバイスを使用する装置内の参照波および物体波は、以下に定義する２つのタイプの光伝播（２つの異なる方法で伝播される）を組み合わせている：
− ファイバスプリッタＦＳと物体ファイバおよび参照ファイバの端部との間のファイバ案内伝播。
− 物体ファイバおよび参照ファイバの端部からセンサ（９）までの自由空間伝播。
本明細書では、自由空間伝播とは、レンズ、キューブ、プリズム、または光学フィルタなどの透過性または半透過性の素子を通る伝播を含めて、機構のうち光がファイバ案内されないすべての部分に対する広い定義を有すると理解される。この広い定義において、自由空間伝播はまた、ミラー、フィルタ、またはプリズムなどの反射性または半反射性の表面による反射または偏向を含む。

光路長（ＯＰＬ）または光学距離は、光がシステムを通ってたどる経路の幾何学的な長さと、光が伝播する媒体の屈折率との積である。本発明によるファイバスプリッタデバイスを使用する装置では、参照波および物体波の光路長は、以下に定義する２つのタイプの寄与を含む：
− ファイバスプリッタＦＳと物体ファイバおよび参照ファイバの端部との間のファイバ案内伝播部分内のファイバ案内ＯＰＬ。
− 物体ファイバおよび参照ファイバの端部からセンサ（９）までの自由空間伝播部分内の自由空間ＯＰＬ。
その結果、参照波のＯＰＬと物体波のＯＰＬとの間の差として定義される光路差（ＯＰＤ）はまた、次の２つのタイプの寄与を含む：
− ファイバスプリッタＦＳと物体ファイバおよび参照ファイバの端部との間のファイバ案内伝播部分内の参照波と物体波との間のＯＰＬの差に対するファイバ案内ＯＰＤ。
− 物体ファイバおよび参照ファイバの端部からセンサ（９）までの自由空間伝播部分内の参照波と物体波との間のＯＰＬの差に対する自由空間ＯＰＤ。

本発明の重要な構成は、参照ファイバ（４）および物体ファイバ（３）の長さが異なり、ファイバ案内伝播および自由空間伝播の両方に起因する全体的なＯＰＤを最小にするために、ファイバ案内ＯＰＤによって自由空間ＯＰＤを補償するように固定されることである。一実施形態によれば、ファイバ長は、ファイバスプリッタＦＳにおけるファイバの接続またはインターフェース点から案内された光がファイバを出るファイバ端部までのファイバの幾何学的（または物理的）な長さとして定義される。その結果、本発明によるファイバスプリッタデバイスＦＳＤは、参照ファイバ（４）および物体ファイバ（３）に対して異なるファイバ長を有する。以下、物体ファイバおよび参照ファイバ３、４の長さのこの差をファイバ長差と呼び、好ましい実施形態では、ファイバ長差は、ファイバ案内ＯＰＤが自由空間ＯＰＤと同じまたはほぼ／実質上同じ絶対値を有するが符号が逆になるように固定される。言い換えれば、自由空間ＯＰＬが参照波（７）より物体波（６）に対して長い場合、参照ファイバ（４）は物体ファイバ（３）より長く、逆も同様である。

好ましい実施形態では、本発明によるファイバスプリッタデバイスは、参照および物体ファイバ（３、４）に対して同じファイバタイプを使用することによって実現され、これは特に、両方のファイバが同じ屈折率を有すること、したがってファイバ案内ＯＰＤが幾何学的なファイバ長差に正比例することを意味する。しかし、本発明によるファイバスプリッタデバイスはまた、物体ファイバ（３）および参照ファイバ（４）に対して異なるファイバタイプを使用することによって実現することもできる。そのような場合、参照ファイバ（４）および物体ファイバ（３）が異なる屈折率を有する場合、本発明によるファイバスプリッタデバイスは、参照および物体ファイバ（３、４）に対して同じまたはほぼ／実質上同じ幾何学的な長さで、ゼロ以外のファイバ案内ＯＰＤを画成することができる。

本発明によるファイバスプリッタデバイスを使用する装置またはシステムは、たとえば、以下の工程を含む手順に従って設計することができる：
ａ）イメージセンサ（９）および少なくとも１つの光源（１）を選択する。
ｂ）物体波（６）の自由空間伝播に対する光学設計または構成。所望の横分解能および視野（ＦＯＶ）に応じて、物体波が伝播する物体波の自由空間部分は、サンプル（５）の拡大または縮小像を生成するために、少なくとも１つの撮像レンズを含むことができる。また、サンプル（５）の適切な照明のために物体ファイバ（３）によって送達される光を成形するための追加のレンズ、ならびにサンプルおよび／またはイメージセンサ（９）で光を偏向させるための反射性または部分的に反射性の表面を追加することができる。ホログラフィック撮像の教示によれば、物体波のこの自由空間部分はまた、撮像レンズから除くことができ、ホログラフィック顕微鏡検査の教示によれば、焦点外記録のためにイメージセンサ（９）から特定の距離をあけてサンプルの拡大または縮小像を形成することができる。
ｃ）参照波（７）の自由空間伝播に対する光学設計または構成。好ましい実施形態では、参照波（７）は、軸外干渉を生成するように画成され、これは、その伝播方向が、イメージセンサ（９）から見たとき、物体波（６）の伝播方向に対して角度を形成することを意味する。しかし、たとえば位相シフト干渉法または垂直走査干渉法で知られている平行な物体波および参照波によるインラインの実施形態も可能である。参照波（７）の自由空間光学設計は、光をイメージセンサ（９）の方へ適切な軸外角度で偏向させるために、反射性もしくは部分的に反射性の表面または光学プリズムを含むことができる。参照波（７）の自由空間光学設計はまた、理論上は波面整合条件を満たすイメージセンサ（９）の適切な照明のために参照ファイバ（４）によって送達される光を成形するためのレンズを含むことができ、これは、軸外干渉に必要とされる潜在的な傾斜および／または潜在的な水平せん断を除いて、平坦なサンプルに対して参照波（７）の波面が物体波の波面に密接に整合することを意味し、密接な整合とは、物体波面および参照波面が少なくとも２次で類似の曲率を有し、したがってまっすぐまたはほぼまっすぐな縞が、平坦なサンプルに対する参照波（７）および物体波（６）の重畳に起因する干渉パターンを構成することを意味する。
ｄ）物体波および参照波を重畳させてイメージセンサ（９）上に干渉パターンを生成する組合せ手段を含む、物体波および参照波の両方に共通する自由空間伝播に対する光学設計。たとえば、ほとんどの場合、十分に位置決めおよびサイズ設定されたキューブビームスプリッタ（８）がこの動作にとって十分であるが、平板またはダイクロイックスプリッタも使用することができ、ならびにより高度な解決策は、プリズムおよび／または反射性もしくは半反射性の表面を含む。組合せ手段はまた、参照波および物体波が適切な干渉能力なくイメージセンサ（９）に到達するように設計されている場合に削除することができる。
ｅ）物体波および参照波の自由空間ＯＰＬを精密に計算し、関連する自由空間ＯＰＤを計算する。これには、自由空間伝播において物体波および参照波が交差する幾何学的な長さおよび材料の屈折率の両方の知識が必要とされる。これは、自由空間の波伝播をシミュレートする理論モデルを使用することによって、たとえばＺｅｍａｘもしくはＯｐｔｉｃｓ Ｓｔｕｄｉｏ、またはＯｓｌｏ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｏｒ Ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）、またはＣｏｄｅ Ｖなどの光学設計ソフトウェアツールを用いて行うことができる。実験的検証も実行することができるが、光学素子の厚さおよび屈折率の知識に基づく簡単なモデル化に基づく幾何学的な光学規則で概ね十分である。
ｆ）自由空間ＯＰＤを補償する、すなわち同じまたはほぼ同じ絶対値であるが逆の符号を有するファイバ案内ＯＰＤを画成するために必要とされるファイバ長差を決定する。これには、ファイバの屈折率の知識が必要とされる。
ｇ）場合により、参照波（７）の自由空間ＯＰＬおよび／または物体波（６）の自由空間ＯＰＬを微調整するために、調整手段を追加する。これは、参照ファイバ（４）の端部および／または物体ファイバ（３）の端部を並進運動させるための少なくとも１つの（機械）デバイス（たとえば、並進運動ステージ）を追加することによって行うことができる。場合により、この並進運動はまた、たとえば並進運動されるファイバ端部の直後に位置する少なくとも１つのレンズなど、自由空間設計の他の光学素子を含むことができる。また場合により、物体波または参照波の経路内に、適当な厚さおよび屈折率を有するガラス板を追加することができる。
ｈ）場合により、参照波（７）および／または物体波（６）が同一の偏光で最適に干渉するように、参照波（７）および／または物体波（６）の偏光を制御するために、調整手段を追加する。これは、参照ファイバまたは物体ファイバのうちの少なくとも１つの端部を回転させるための少なくとも１つの（機械）デバイス（たとえば、ファイバ端部ローテータ）を追加することによって行うことができる。場合により、機構のファイバ案内部分上に、ファイバ偏光コントローラを含んで使用することができる。また場合により、機構の自由空間部分内に、２分の１もしくは４分の１波長板、偏光子、または偏光ビームスプリッタなどの偏光制御光学系を挿入することができる。

本発明によるファイバスプリッタデバイスＦＳＤを使用する例示的な装置またはシステムは、ファイバスプリッタＦＳにファイバ結合された少なくとも１つの光源（１）を含む。光源（１）とファイバスプリッタＦＳとの間のファイバ結合は、光源（１）がたとえばファイバに直接ピグテイルされ、ファイバの反対側の端部がファイバスプリッタＦＳに入ることを意味する直接結合とすることができ、またはファイバ接続のために追加のファイバを用いること、および／もしくは自由空間放出光源がファイバ結合されることを意味する間接結合とすることができる。光源（１）は、有利には、低コヒーレンス光源であっても、長コヒーレンス光源であってもよい。使用することができる光源（１）の例としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、レーザダイオード、レーザ、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、ピグテイル形ダイオード、パルス光源、安定化レーザ、安定化レーザダイオード、ファイバレーザ、活性ナノ構造化ファイバレーザ、ダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザ、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザ、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）レーザダイオード、体積ホログラフィックグレーティング（ＶＨＧ）レーザ、および波長可変光源が挙げられる。

後述するように、様々な波長および／またはパワーおよび／または偏光状態における干渉またはホログラフィック情報の同時または順次取得のために、異なる波長および／またはパワーおよび／または偏光状態のいくつかの異なる光源を同じ計器によって使用することができる。

同様に、利用可能な屈折力を増大させるために、場合によりファイバカプラの使用によって、少なくとも２つの同一の光源を結合することができる。加えて、ファイバ送達のため、光源または光源の組合せは、その光源を使用する計器から長い距離をあけて位置することができ、加えて同じ光源または同じ光源の組合せからの光をいくつかの別個の計器へ送達するようにファイバ分割することができる。

光ファイバ技術における一般的な表現によれば、本発明によるデバイスによって使用されるファイバスプリッタＦＳは、ファイバカプラまたはファイバコンバイナと呼ぶこともできる。ファイバスプリッタＦＳおよびその接続ファイバは、単モードタイプであっても多モードタイプであってもよい。ファイバスプリッタＦＳおよびその接続ファイバは、偏光維持（ＰＭ）タイプであってもなくてもよい。種々の分割比をファイバスプリッタＦＳによって適用することができるが、物体波および参照波に対して類似の屈折力レベルを画成する比が好ましい。

少なくとも１つのファイバから到達する光を少なくとも２つのファイバに分割する限り、溶融バイコニカルテーパ（ＦＢＴ）スプリッタおよびプレーナ光波回路（ＰＬＣ）スプリッタ、ならびにあらゆる均等物を使用することができる。

また、キューブビームスプリッタおよび集束または視準レンズを含む少なくとも３つのファイバ結合ポートを含む機構を使用することができる。多波長の組合せの場合、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）を使用することもできる。たとえばいくつかの光源が組み合わされているとき、または所望の測定により２つ以上の物体波（６）および／もしくは２つ以上の参照波（７）が必要とされるとき、４つ以上のファイバを有する２つ以上のファイバスプリッタＦＳを使用することもできる。同様に、追加の分割および／または組合せの目的で、ファイバスプリッタをカスケード接続することができ、これは、別のファイバスプリッタから出るファイバの端部に少なくとも１つの追加のファイバスプリッタを挿入することができることを意味する。未使用のファイバを有するファイバスプリッタを実施することもできる。

参照および物体ファイバ（３、４）に対する異なる長さの設定は、ファイバスプリッタＦＳデバイスの製造プロセスにおいて、たとえばファイバコネクタをファイバスプリッタＦＳから異なるファイバ長で固定することによって、またはファイバスプリッタＦＳから出る少なくとも１つのファイバにファイバ間接続によってプラグ接続された少なくとも１つのファイバ延長部を用いて行うことができる。ファイバ長に関しては、正確には、ファイバの絶対的な長さに関わらず、本発明によるデバイスの重要な仕様がファイバ長差であることが重要である。潜在的には、光源（１）およびファイバスプリッタＦＳは、ホログラフィックまたは干渉計器から離れて位置することができる。

本発明によるファイバスプリッタＦＳデバイスに出入りするファイバは、ファイバ結合またはファイバ統合された能動または受動タイプの光学デバイスを挿入するために、場合により経路に沿って遮ることができる。これにより、完全に自由空間の設計よりはるかに簡単かつ頑丈な方法で、たとえば電気光学または音響光学変調器などの変調器を組み込むホログラフィックまたは干渉計器が可能になる。本発明によるファイバスプリッタデバイスを使用する計器のファイバ案内部分に沿って有利に組み込むことができるファイバ結合またはファイバ統合されたデバイスの例としては、ファイバカプラ、ファイバサーキュレータ、ファイバアイソレータ、ファイバ減衰器、ファイバ偏光子、ファイバ偏光コントローラ、光学スイッチ、光ファイバ増幅器、ファイバブラッググレーティング、分布ブラッグ反射器、または振幅変調器もしくは位相変調器もしくは偏光変調器などの変調器が挙げられる。加えて、ファイバ結合またはファイバ統合されたデバイスは、ファイバコリメータ、屈折率分布レンズ、ピグテイル形レンズ、ピグテイル形ファラデーミラー、光ファイバ再帰反射器、またはファイバ終端器など、ファイバスプリッタＦＳに出入りするファイバの端部でプラグ接続することができる。

デジタルホログラフィック撮像のいわゆるレンズのない機構に対する第１の実施形態の例が、図１に与えられている。図１の自由空間光学デバイスまたは設計ＯＳは、サンプル（５）とイメージセンサ（９）との間に位置するビームスプリッタキューブ（８）、好ましくは単一のビームスプリッタキューブ（８）から構成され、非常に小型のセンサまたはシステムを画成し、その全体的な構造は、ファイバスプリッタＦＳおよび光源（１）を含み、光ファイバ送達のために大きな柔軟性で設計することができる。干渉パターンを記録するためのイメージセンサ９は、たとえば、デジタルカメラなどのカメラとすることができる。

図１の実施形態では、図面の平面において物体ファイバ（３）の端部Ｅ３より高い物体ファイバ３の端部Ｅ３に対する参照ファイバ（４）の端部Ｅ４の（わずかな）垂直並進運動による軸外構成が表されている。すなわち、ファイバ４の端部Ｅ４は、図１に示す方向Ｖに沿って、センサ９の光検出平面により近い。参照ファイバ（４）の端部Ｅ４はまた、図面の平面に直交する軸（図１に示す軸Ｈに沿ってセンサ９の光検出平面に対して平行な方向）に沿って並進運動させることができ、場合により、軸外構成において最適のビームの中心合わせを確実にするために、角度調整の可能性を有する方向付け可能なマウントに取り付けることができる。

図１の機構では、物体波（６）の自由空間伝播は、再結合ビームスプリッタキューブ（８）のガラス厚を２回交差するのに対して、参照波（７）は１回だけ交差する。波面整合条件を満たすために、イメージセンサ（９）へのファイバ端部間の幾何学的な距離は、参照アームより物体アームにおいてキューブ（８）のサイズの約３分の１だけ長くしなければならない。キューブサイズの３分の１というこの推定は、発散ビームが屈折率１．５の厚いガラス板を交差するときに見られるいわゆる焦点シフトの計算に対する標準的な近似から得られる。その結果、この場合もキューブに対する屈折率が１．５であると仮定して、図１による自由空間ＯＰＤは、キューブ（８）のサイズの５／６になると計算することができる。

物体波に対する自由空間ＯＰＬの方が長いため、参照ファイバ（４）は、物体ファイバ（３）より長くしなければならず、この場合もファイバに対する屈折率が１．５であると仮定して、ファイバ長差はキューブサイズの５／９に等しい。したがって、参照ファイバ４の方が長い。当然ながら、ファイバ長差、自由空間ＯＰＤおよびＯＰＬは、より精密に評価することができ、対応する波長における屈折率に対するより正確な値を用いて、自由空間の波伝播をシミュレートするより厳密なモデルを使用することによって、たとえばＺｅｍａｘもしくはＯｐｔｉｃｓ Ｓｔｕｄｉｏ、またはＯｓｌｏ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｏｒ Ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）、またはＣｏｄｅ Ｖなどの光学設計ソフトウェアツールを用いて、波面整合を最適化することができる。実際には、物体光路長はまた、試験片を上下に（イメージセンサ（９）に向かう方またはイメージセンサ（９）から離れる方へ）並進運動させることによって、微調整することができる。

別法として、物体波に対するより長い自由空間ＯＰＬは、物体ファイバ（３）に対して異なる材料タイプ（異なる屈折率）から構成されたファイバを使用することによって補償することができる。これはまた、別法として、参照ファイバ（４）に対して異なる材料タイプ（異なる屈折率）から構成されたファイバを使用することによって実現することもできる。

たとえば、ファイバに沿って光が伝播するファイバコア材料は、異なる材料タイプ（異なる屈折率）とすることができる。

別法として、物体ファイバまたは参照ファイバは、第１の屈折率の材料から構成された第１の長さの第１の区分と、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率の材料から構成された第２の長さの第２の区分とを含むことができる。第１および第２の区分は、たとえばファイバコネクタによってともに接続することができる。

そのような場合、物体ファイバ３および参照ファイバ４は、同じ幾何学的な長さ（または実質上同じ幾何学的な長さ）を有しても、異なる幾何学的な長さを有してもよい。

図１に提示するレンズのない機構では、所与のイメージセンサのサイズおよび分解能に対して、光学横分解能および視野（ＦＯＶ）は、物体ファイバ（３）によって端部Ｅ３で放出される光の発散を変化させることによって修正することができる。発散が大きければ大きいほど、視野および横分解能は小さくなる。その結果、分解能の恩恵を得るには大きい開口数（ＮＡ）を有するファイバが好ましく、より大きいＦＯＶの恩恵を得るには小さい開口数（ＮＡ）を有するファイバが好ましい。理想的なファイバＮＡが利用可能でない場合、発散を増大または減少させるために、ファイバ端部Ｅ４、Ｅ３またはファイバ端部Ｅ４、Ｅ３付近に位置するレンズを使用することができ、場合によりファイバ端部Ｅ４、Ｅ３に直接結合されたピグテイル形レンズまたは屈折率分布（ＧＲＩＮ）レンズを使用することができる。

図１の実施形態から、別の実施形態によれば、物体ファイバ（３）または端部Ｅ３をイメージセンサ（９）の前のサンプル５の下に簡単に位置決めすることによって、透過性サンプルの観察のためのレンズのない透過機構またはシステムを容易に導出することができる。この場合、自由空間ＯＰＤは、サンプルの光学的厚さによって制限される。したがって、レンズのない透過機構に対するファイバ長差は、デフォルトまたは事前定義されたサンプルＯＰＬに対して固定することができ、参照自由空間ＯＰＬは、参照ファイバ（４）の端部Ｅ４をビームスプリッタキューブ（８）に向かう方またはビームスプリッタキューブ（８）から離れる方へ並進運動させることによって微調整することができる。

いわゆるレンズのないマイケルソンまたはマッハツェンダ構成に基づく非ファイバの同等機構と比較すると、図１に示す本発明によるファイバスプリッタデバイスＦＳの使用にはいくつかの利点がある。まず主として、いかなるミラーまたはレンズも使用することなく、イメージセンサ（９）の最適の軸外設定および最適の照明で参照波を生成することができることが顕著である。次いで、光源（１）は、有利には、いかなる複雑さも加えることなく、大きい距離をあけても、機構の周りに非常に自由に位置することができる。最後に、ファイバ距離およびキューブ（８）サイズの簡単な変倍によって、たとえば対角線１インチ以上の大きいイメージセンサを容易に統合することができ、デジタルホログラフィ機構内に高分解能のイメージセンサを統合するための魅力的な低コストの解決策を提供することができる。

図１に提示するレンズのない機構は、典型的には、サイズがイメージセンサ（９）のチップサイズの約１／３〜２／３であるサンプル、すなわち典型的にはミリメートルサイズであり典型的な横分解能が数ミクロンである物体を撮像するようによく適合されている。図１にあるレンズのない機構における作業距離はまた、典型的には数ミリメートルの範囲内である。

イメージセンサ（９）のチップより大きい試験片、および／またはイメージセンサ（９）から大きい距離をあけて位置する試験片の場合、撮像光学系を使用して、サンプルの縮小サイズ像を形成しなければならない。そのような場合、物体自由空間ＯＰＬを長くすることができ、本発明によるファイバスプリッタデバイスＦＳＤは、物体ファイバ（３）を参照ファイバ（４）より短くして、長いファイバ長差を簡単に画成することによって、参照波の自由空間部分に対して非常に小型で簡単な光学設計でＯＰＬ整合条件を満たすことが有効になるため、特に興味を引く。

大きい視野を有効にするさらなる例示的な実施形態が、図２に示されている。ここでは、対物レンズ（１０）と呼ばれる第１のレンズが、サンプル（５）によって反射された光を収集し、撮像レンズ（１１）と呼ばれる第２のレンズが、像を形成する。干渉の実施形態の場合、像はイメージセンサ（９）上に形成され、ホログラフィックの実施形態の場合、像は焦点外記録のためにイメージセンサ（９）の前または後ろに形成される。撮像レンズ１１および対物レンズ１０の間では、キューブビームスプリッタなどの半透過性の表面（２２）（部分的に反射性であり部分的に透過性である）が、サンプル（５）の共軸照明のために物体ファイバ（３）によって送達される光を反射し、撮像レンズ（１１）の後にキューブビームスプリッタ（８）が挿入され、物体波（６）を参照波（７）と組み合わせて、イメージセンサ（９）上にホログラムまたはインターフェログラムを形成する。

参照波（７）は、参照ファイバ（４）によって送達される光を視準することによって、軸外参照波として提供される。場合により、参照ファイバ端部Ｅ４とビームスプリッタキューブ（８）との間に、参照波を軸外角度で反射するように、ミラーを追加することができる。また場合により、参照波（７）は、位相シフトまたは垂直走査干渉法のためにインラインで提供することができる（平行な物体波および参照波）。

図２に概略的に示すように、参照ファイバ（４）の長さは、提示する配置に起因する大きい自由空間の光路差を補償するために、物体ファイバ（３）の長さよりはるかに長い。この場合、本発明によるファイバスプリッタデバイスＦＳＤを使用することが非常に有利である。なぜなら、同等の完全に自由空間の実施形態でＯＰＬ整合条件を満たす参照波では、光源をセンサ上に誘導するために、大きい幾何学的な距離およびいくつかのビーム偏向が必要になるはずであるからである。図２に提示する本発明の解決策により、同じ視野を有する簡単な同等の非干渉撮像システムとほぼ同じ体積で、大きい視野の干渉計またはホログラフィック計器を実現することができる。

図２の機構では、対物レンズ１０の焦点距離ｆｏは、撮像レンズ１１の焦点距離ｆｉより長く、２つのレンズ間の距離がｆｏ＋ｆｉに等しい場合、拡大係数は比ｆｉ／ｆｏによって与えられ、１より小さく、これはイメージセンサ（９）のチップサイズより視野が大きくなることを意味する。焦点距離の比および必要とされる場合はレンズの直径を変倍するだけで、数ミリメートルから全ウェーハ撮像に対する最大数インチまでの様々な視野を、図２に示す機構で実現することができる。

必要とされる場合、たとえば光源（１）が短コヒーレンスであるとき、サンプル（５）を光学配置に対して上下に（センサ９に向かう方またはセンサ９から離れる方へ）並進運動させることによって、自由空間ＯＰＤを微調整することができる。場合により、参照ファイバ端部Ｅ４および次の視準レンズＣＬから構成されたアンサンブル（１５）を、参照波（７）の軸に沿って並進運動させることもできる。さらなる実施形態では、図２の機構はまた、物体ファイバ（３）または端部Ｅ３をサンプル５の下に位置決めし、場合により対物レンズ（１０）をサンプル５の下に２重にすることによって、透過性または半透過性の試験片の透過撮像に適用することができる。

テレセントリック視覚システムと呼ばれることのある非干渉の視覚システム、またはビーム拡大器視覚システム、または望遠鏡、またはズームレンズ、または単にカメラレンズを、本発明の構成を含むように適用することができる。単位１Ｘの倍率を含む様々な拡大係数および数ミリメートル〜数メートルの様々な作業距離をもたらす様々な設計または構成が利用可能である。そのような視覚システムは、多くの場合、２重レンズまたは３重レンズなどの多素子レンズを含む３つ以上のレンズ、および開口絞り、ならびに場合によりリレーレンズを組み合わせる。本発明によるファイバスプリッタデバイスＦＳＤを含むことによって、そのようなシステムを干渉またはホログラフィック撮像に適用することが可能である。図２および対応する説明の教示に従って、以下の適用が必要とされることを見ることができる：
− 共軸照明のために半（部分的に）反射性の表面（２２）を追加する。
− 参照ファイバ（４）に対するポートを含む参照波（７）に対するポートを追加する。
− 物体波および参照波の再結合のためにビームスプリッタキューブ（８）または同等のデバイスを追加する。
− 参照波および物体波の両方に対して評価される自由空間ＯＰＬに応じてファイバ長差を寸法設定する。

図３は、透過ホログラフィックまたは干渉顕微鏡検査に対する本発明によるファイバスプリッタデバイスＦＳＤのさらなる実施形態を提示する。図３の機構では、顕微鏡対物レンズ（１２）がサンプル（５）の拡大像を形成し、この拡大像は結像レンズ（１３）によって集束される。干渉顕微鏡検査の実施形態の場合、拡大像はイメージセンサ（９）上に集束され、デジタルホログラフィック顕微鏡検査の実施形態の場合、像は焦点外記録のためにイメージセンサ９の後ろまたは前に集束される。対物レンズ（１２）が無限補正されていない場合、結像レンズ（１３）を削除することができる。図３で、サンプル（５）の照明は、物体ファイバ（３）から出てくる光を簡単に視準することによって透過的に実行されるが、収束または発散照明も可能であり、ならびに対物レンズ（１２）と物体ファイバ（３）の長さとの間に追加のレンズおよび／または反射性のインターフェースを追加することも可能である。追加のレンズなしで物体ファイバ（３）によって直接行われるサンプル照明も可能である。

図３の実施形態では、参照波（７）は、まず参照ファイバ（４）によって送達される光を第１のレンズで視準し、次いでその光を第２のレンズで再び集束することによって提供される。第２のレンズの焦点および位置は、波面整合条件によって決定される。図３で、有利には、ビームスプリッタキューブ（８）による再結合後に軸外参照波（７）を反射するようにミラー（１８）を傾斜させて位置決めすることができるが、位相シフト干渉法ではインライン参照波（７）を実施することもできる。場合により、参照アーム内のミラー（１８）を削除することができ、参照波（７）は図面の平面に対して垂直に実施することができる。

場合により、参照自由空間ＯＰＬを微調整するために、参照ファイバ（４）の端部Ｅ４および参照波（７）の第１の視準レンズから構成されたアンサンブル（１５）を、図面の平面に対して水平に（軸Ｈに沿って第２のレンズもしくはミラー１８に向かう方または第２のレンズもしくはミラー１８から離れる方へ）並進運動させることができる。アンサンブル（１５）を並進運動させることは、サンプル（５）の異なる光学的厚さまたは異なる対物レンズ倍率にＯＰＬ整合条件を適用するのに有用である。参照波（７）および物体波（６）を提供する自由空間の光学設計は、図３に提示する実施形態より簡単に行うことができる。レンズ、ならびにプリズムまたはミラーまたはフィルタを削除または追加することができる。同様に、結像レンズ（１３）は、ビームスプリッタキューブ（８）の前に位置することができる。

図３の機構では、物体波（６）は、対物レンズ（１２）の直後に反射性の素子（１４）によって反射される。有利には、この反射性の素子（１４）は、特に光源（１）の波長を反射し、他の光学波長は可能な限り広く透過するダイクロイックミラーまたはスプリッタとすることができる。そのようなダイクロイック素子１４を使用することで、ホログラフィックまたは干渉の顕微鏡検査機構上に追加のポート（１６）を画成することが有効になり、追加のポート（１６）を使用して、他の測定または撮像モダリティを実施することができる。たとえば、外部ポート（１６）を使用して、この機構を別のカメラに接続し、標準的な明視野または位相コントラストまたは蛍光顕微鏡検査を有効にすることができる。これらの追加のモダリティのうちの１つによって必要とされる場合、透過照明のために物体ファイバ（３）とサンプル（５）との間に挿入されたダイクロイック素子の使用によって、少なくとも１つの追加の光源を結合することができる。少なくとも１つの追加の光源はまた、反射照明のために追加のポート（１６）を介して結合することができる。蛍光顕微鏡検査の場合、蛍光光源を反射し、蛍光放出像を追加のカメラの方へ透過するために、ダイクロイック素子（１４）の下に蛍光キューブが挿入されると仮定して、追加のポート（１６）を介して励起および放出の両方の蛍光信号を透過することができる。

図３の機構では、自由空間ＯＰＤは、図２の機構の場合より小さく、図３の本発明によるファイバスプリッタデバイスＦＳＤを使用する重要な利点は、参照および物体ファイバが、短い自由空間ＯＰＬで所望の干渉条件を生成するように最適に画成された離れた位置で光を送達することができることである。明らかに、機構の反対側の隅で送達される参照および物体ビームでＯＰＬ整合条件を満たす図３の機構の完全に自由空間の形態を実施するには、正確に位置決めおよび調整されたミラーによるいくつかの反射を必要とするはずであり、これはシステム構成および機械設計の複雑さが増し、計器の作製により時間がかかることを意味する。

図３に関して留意すべき重要な点は、参照波（７）の光学系が対物レンズ（１２）と同じ高さに位置する状態で、対物レンズ（１２）に平行な参照アームを画成することによって、類似の機構の完全に自由空間の実施形態を簡略化することができることである。しかしこの場合、サンプル（５）を保持および位置決めするために利用可能な体積が大幅に低減されるはずであり、これは、改善されたエルゴノミクスでホログラフィックまたは干渉計器を設計する本発明のかなりの別の利点を示す。エルゴノミクスの考慮に関してさらに一歩進むと、図３の３次元の実施形態では、有利には、ビームスプリッタキューブ（８）を含む参照アームをイメージセンサ（９）に直交する軸Ｈの周りで９０度回転させて、イメージセンサ（９）上に中心合わせすることができるということは興味深い。実際には、そのような回転により、図３で細い破線（参照番号ＢＢ）によって取り囲まれたすべての素子をイメージセンサ（９）と同じ水平平面にすることが有効になり、ホログラフィックまたは干渉計器下で広い自由空間を画成するという利益が得られ、これは外部ポート（１６）をより柔軟に利用することができることを意味する。

本発明によるファイバスプリッタデバイスＦＳＤはまた、計器の設計においてカスケード接続することができ、図４は、反射および透過の両方のホログラフィックまたは干渉の顕微鏡検査を有効にするそのような実施形態の一例を提示する。図４で、第１のファイバスプリッタＦＳが、ファイバ結合された光源（１）を、参照ファイバ（４）および第２のファイバＦＢに分割し、第２のファイバＦＢは、第２のファイバスプリッタ（２ｂ）に結合される。第２のファイバスプリッタ（２ｂ）は、第１のファイバスプリッタＦＳによって送達される光を、第１の物体ファイバ（３ａ）および第２の物体ファイバ（３ｂ）に分割する。第１の物体ファイバ（３ａ）は、透過顕微鏡検査のための照明を提供し、第２の物体ファイバ（３ｂ）は、顕微鏡対物レンズ（１２）を介した反射照明によって、反射顕微鏡検査のための照明を提供する。

図４で、参照波（７）は軸外であり、図３と同様に２つのレンズによって提供されるが、図４では、場合によりミラー反射を追加することができる。図４の参照波（７）はまた、インライン干渉のための軸外角度なしに提供することができる。図４では、結像レンズ（１３）が、顕微鏡対物レンズ（１２）によって収集される像を集束し、結像レンズ（１３）からイメージセンサ（９）までの距離を調整することによって、焦点内または焦点外の両方の像の記録が可能になる。場合により、対物レンズ（１２）が無限補正されていない場合、結像レンズ（１３）を削除することができる。場合により、参照ファイバ端部Ｅ４および参照光を視準する第１のレンズから構成されたアンサンブル（１５）を、参照自由空間ＯＰＬの微調整のために並進運動させることができる。

図４の機構により、参照波（７）と物体波（６）との間の干渉によって、ホログラムまたはインターフェログラムが生成され、これらのホログラムまたはインターフェログラムは、２つの異なる方法：（ｉ）透過性もしくは半透過性のサンプル（５）を第１の物体ファイバ（３ａ）で照明することによって透過的に、および／または（ｉｉ）反射性もしくは半反射性のサンプル（５）を第２の物体ファイバ（３ｂ）で照明することによって反射的に生成することができる。透過モードから反射モードへの切り替えは、たとえばシャッタで未使用のチャネルを閉じることによって実現することができるが、ホログラムまたはインターフェログラムはまた、透過された物体波（６）および反射された物体波（６）を組み合わせて記録することができる。同様に、参照波（７）のチャネルを閉じることによって、透過された物体波と反射された物体波との間に干渉を生成することができる。

図４の機構の変形形態が、単一のファイバスプリッタを使用して、透過モードから反射モードへの切り替えのために、同じ物体ファイバを機構の２つの異なる位置に単にプラグ接続することによって実施される。図５または図６の教示に基づく別の変形形態は、単一のイメージセンサ（９）による同時透過および反射撮像のために２つの参照波で、場合により参照ファイバ（４）上に第３のファイバスプリッタをカスケード接続することによって実施することができる。同時反射および透過顕微鏡検査を有効にする別の変形形態は、場合により波長の異なる２つの異なる光源で実施することができる。当然ながら、図４に提示する機構の直立型または反転型の実施形態が、どちらも１８０度の回転によって可能である。

図４に同等の機構の完全に自由空間の実施形態が、多くの追加の構成要素を追加することによってのみ可能であるため、本発明によるファイバスプリッタを使用する利点が、この場合も図４によってよく示されており、明確なファイバ長を有するファイバスプリッタデバイスを使用することによって、革新的な干渉データをもたらす複雑な装置をはるかに効率的に実現することができることが実証される。

図５は、２つ以上の波長による干渉またはホログラフィック顕微鏡検査を有効にする機構における本発明によるファイバスプリッタデバイスの別の実施形態を示す。図５で、ファイバスプリッタＦＳは、２つのファイバ結合された光源（１ａ）および（１ｂ）を、物体ファイバ（３）および参照ファイバ（４）に分割する。参照および物体ファイバがどちらも、第１の光源（１ａ）からの光および第２の光源（１ｂ）からの光を組み合わせており、好ましい実施形態では、２つの光源は異なる波長を有する。

物体ファイバ（３）からの光は、まず第１のレンズによって視準され、次いで顕微鏡対物レンズ（１２）の後焦点面に近接している第２のレンズによって集束され、顕微鏡対物レンズ（１２）は、この光を透過してサンプル（５）を照明する。物体波（６）は、サンプル（５）によって反射された光を顕微鏡対物レンズ（１２）で収集することによって生成され、物体波（６）が２つの光源からの光を組み合わせているため、結像レンズ（１３）は、各光源から１つずつ、２つの重畳された像を、イメージセンサ（９）上に、または焦点外記録のためにイメージセンサ（９）に近接して集束する。

図５の参照アームでは、参照ファイバ（４）によって送達される光は、ダイクロイック素子（１７）によって分割され、ダイクロイック素子（１７）は、第２の光源（１ｂ）からの光を反射し、第１の光源（１ａ）からの光を透過し、２つの別個の参照波が生成され：（ｉ）第１の参照波（７ａ）は第１の光源（１ａ）の波長を有し、（ｉｉ）第２の参照波（７ｂ）は第２の光源（１ｂ）の波長を有する。

たとえば「Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｄｕａｌ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｇｉｔａｌ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｈｏｌｏｇｒａｍ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ」（Ｊ．Ｋｕｈｎら、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ． １５、Ｎｏ． １２、２００７、７２３１頁）という出版物の教示に従って、参照波７ａおよび７ｂは、イメージセンサ（９）の方へ異なる軸外角度で反射され、その結果、イメージセンサ（９）によって取得される単一のフレームが、各光源に１つずつ、同時に２つの重畳されたホログラムまたはインターフェログラムを記録し、これらのホログラムまたはインターフェログラムを再構築して、２波長干渉またはホログラフィック情報を提供することができる。

２波長干渉またはホログラフィック測定はまた、図６の機構を使用して実現することができ、その原理は図５の場合と同じであるが、各光源（１ａ）および（１ｂ）に対して１つずつ、２つの別個のファイバスプリッタ（ＦＳａ）および（ＦＳｂ）が使用され、２つの物体ファイバ（３ａ）および（３ｂ）と、２つの参照ファイバ（４ａ）および（４ｂ）とが設けられる。

図６の実施形態では、物体アーム内で、２つの物体ファイバ３ａ、３ｂによって放出される光を組み合わせるために、ダイクロイック素子（１７）が使用される。場合により、ダイクロイック素子１７は、２つの物体ファイバ３ａ、３ｂを単一の物体ファイバに組み合わせるファイバカプラに置き換えることができる。図５と同様に、図６の参照アーム内で、第１の参照波（７ａ）を透過し、第２の参照波（７ｂ）を反射するために、ダイクロイック素子（１７ｂ）も使用される。図６の実施形態では、アンサンブル（１５ａ）および／またはアンサンブル（１５ｂ）の並進運動によって、参照自由空間ＯＰＬの微調整を各参照波に対して別個に実現することができる。図５の実施形態では、物体ファイバ（３）の端部Ｅ３および第１の視準レンズを含むアンサンブル（１５）の並進運動によって、物体自由空間ＯＰＬの微調整を実現することができる。

２波長干渉またはホログラフィック測定はまた、すべての提示される実施形態で実現することができる。図１のレンズのない機構では、大きい視野に対する図２の機構と同様に、第２の参照ファイバを既存のファイバに直交して追加し、ダイクロイック素子によって組み合わせることができる。透過顕微鏡検査の場合、図３に表すファイバの下に第２の参照ファイバを追加し、この場合もダイクロイック素子の使用によって組み合わせることができる。透過および反射顕微鏡検査の場合、図４に表されているファイバに直交して、第２の参照ファイバを追加することができる。この最後の場合、単一の取得によって同時の反射および吸収コントラストを提供するために、２つの光源が同じ波長を有することができる。

図５および図６と同様に、または他の実施形態に関して直前の段落に記載したように、２つの参照波を含む実施形態はまた、２つの参照波に対して２つの交差する偏光を画成することによって、偏光および複屈折測定に使用することができる。この場合、単一の光源で十分であり、または２つの同一の光源を使用することもできる。

場合により、図６の機構に示すように、少なくとも１つのファイバスプリッタ（ＦＳａ）および／または（ＦＳｂ）が、少なくとも１つの追加の入口ファイバを含むことができ、この入口ファイバは、少なくとも１つの追加の光源（１ｃ）および／または（１ｄ）に接続される。この場合、ファイバスプリッタごとに１つの光源における切り替えにより、最大４つの異なる２波長の組合せを生成することが有効になる。追加のファイバカプラをカスケード接続することによって、またはマルチプレクサを使用することによって、さらに多くの光源を追加することもできる。また、実現可能な波長の組合せの範囲を広くするために、波長可変光源を使用することもできる。いくつかの光源を同じ計器に組み合わせることを有効にするそのようなファイバベースの多重化の可能性はまた、２波長測定を順次実現することができる単一の参照波による機構を含むすべての他の提示する実施形態に適用することができる。そのような多光源の実施形態は、光ファイバカプラおよびスプリッタがなければ管理するのがはるかに複雑になるはずであり、この場合も、本発明によるファイバスプリッタデバイスを使用する利益を示す。

本発明によるファイバスプリッタデバイスを含んで使用する干渉またはホログラフィック装置を使用する方法は、イメージセンサ（９）によって提供されるデジタルホログラムまたはインターフェログラムを処理して、サンプル５を描写する強度および／または定量位相コントラスト像を再構築する。たとえば欧州特許第１１１９７９８号または米国特許第７６４９１６０号に記載されているデジタルホログラフィ方法が、焦点外の物体の寄与により記録された軸外デジタルホログラムを再構築するのに好ましい。軸外で焦点内のインターフェログラムまたは干渉パターンは、フーリエ縞パターン分析などの縞分析または縞処理方法の使用によって処理することができ、インライン干渉パターンまたはホログラムは、位相シフト技法を使用することによって処理することができる。垂直走査干渉法はまた、サンプルを垂直に並進運動させかつ／または参照自由空間ＯＰＬの所与の範囲を走査しながら記録されたインラインまたは軸外像スタックを処理するために適用することができる。本発明によるファイバスプリッタデバイスを使用する装置を使用して得られるホログラムまたは干渉パターンは、類似の結果を提供する他の同等の方法によって再構築することができ、または当該の応用例によって必要とされない場合はまったく再構築されない可能性もあるため、本段落の方法の一覧は網羅的ではなく、本発明の範囲の限定を表すことはできない。

本発明によるファイバスプリッタデバイスＦＳＤはまた、ホログラフィックまたは干渉装置を３次元（３Ｄ）断層撮像または光回折断層撮像を実行するために使用することができるように、これらの装置を適用するのに有用である。断層撮像を有効にするそのような修正形態の一般的な原理は、いわゆる角度投影像を提供するためにサンプル（５）が斜めに照明され、異なる照明角度を生成するために機構内で物体ファイバ端部（Ｅ３）を動かすことによってサンプル（５）のいくつかの異なる角度投影像を生成することができるように、物体ファイバの端部（Ｅ３）が機構内に位置することができることである。

図７で、図３に記載する実施形態の適用が提示されており、この適用により、透過ホログラフィックまたは干渉顕微鏡検査機構の使用によって、３次元（３Ｄ）断層撮像が有効になる。図７に記載する適用は、図３のサブアンサンブルＣＣの修正された配置を示し、この配置は、端部Ｅ３を有する物体ファイバ（３）、集光レンズまたは集光器（１９）と呼ばれるレンズ、サンプル（５）、および対物レンズ（１２）から構成される。図３では、これらの素子はすべて静的であり、同じ垂直軸上で中心合わせされる。図７では、物体ファイバの端部（Ｅ３）は、対物レンズ（１２）の中心に対して軸方向に中心合わせされておらず、静的ではなく、集光レンズの半径に近い（または実質上等しい）径方向距離（回転円半径）をあけて、集光器（１９）の後焦点面内で円（２０）に沿って回転している。その結果、図７に示すように、サンプル体積（５）が斜めに照明され、顕微鏡対物レンズ（１２）は、いわゆる角度投影像を収集し、角度投影像は後に物体波（６）として作用し、ホログラムまたはインターフェログラムを生成する。ファイバ端部（Ｅ３）が円（２０）に沿って回転するにつれて、異なる角度投影像（または異なる照明角度）に対応するいくつかのホログラムまたはインターフェログラムを、イメージセンサ（９）によって記録することができ、これらの異なるホログラムまたはインターフェログラムから再構築される情報を組み合わせることによって、サンプル体積（５）の３Ｄ断層像を得ることができる。

当然ながら、図７に記載する断層撮像に対する適用は、ファイバ端部Ｅ３を回転させるために、ホログラフィックまたは干渉機構内に、電動式回転ステージなどのファイバ端部変位ステージが含まれることを示唆している。同様に、画成された角度間隔でホログラムまたはインターフェログラムが取得されるように、イメージセンサ（９）およびファイバ端部変位ステージが同期されることも示唆している。

興味深いことに、この断層像は定量的であり、サンプル体積（５）内の屈折率の３Ｄ分布を提供することができる。

断層像はまた、ほぼ集束された光点が対物レンズ１２自体の後焦点面に近接して回転するように画成された平面内で、物体ファイバ３の端部Ｅ３を場合により視準光学系とともに回転させることによって、反射的に収集することができる。

図７の集光レンズ（１９）を取り除き、物体ファイバ３の端部Ｅ４を傾斜させることによって斜めの照明を生成することもでき、たとえばレンズのない構成で角度投影像の収集が有効になる。

同様に、回転以外の運動を物体ファイバ（３）の端部Ｅ３に適用することもでき、線形並進運動によって、または楕円形もしくは螺旋形の軌道などのより複雑な軌道を介して、集光レンズ（１９）の後焦点面（２０）を走査することができる。

本発明によるファイバスプリッタデバイスＦＳＤを使用する利点は、対応する顕微鏡検査または撮像構成の場合と同じであるが、重要な補足の利点がある。なぜなら、他の断層撮影法の実施形態と比較すると、同等の自由空間の実施形態では互いに慎重に位置合わせされたいくつかの反射が必要とされるのに対して、物体波ファイバ（３）の使用によるファイバ送達により、点光源を機構の回転部上に直接配置することが有効になるからである。

さらに、追加の鎖線によって図７に概略的に示すさらなる実施形態では、物体ファイバ（３）を分割して複数の追加の物体ファイバ３ｘ、３ｙを提供することで、少なくとも１つの追加の角度および／または径方向および／または軸方向の位置に、少なくとも１つの追加の物体ファイバの端部Ｅ３ｘ、Ｅ３ｙを配置することによって、少なくとも１つの追加の照明角度を追加することが有効になり、したがって同時に利用可能な少なくとも１つのさらなる角度投影像を追加して、全角度に必要とされる回転を低減させることが有効になる。複数の照明角度は、追加の角度および／または径方向および／または軸方向の位置に、追加の物体ファイバ３ｘ、３ｙの複数の端部Ｅ３ｘ、Ｅ３ｙを配置することによって実現される。興味深いことに、最大百以上の出口ファイバによってファイバスプリッタを実現することができるため、必要とされる角度投影像をすべて回転なしで実現することができ、システムは代わりに、複数の物体ファイバ３、３ｘ、３ｙをレンズ１９に対して位置決めするために、１つまたはそれ以上のファイバホルダを含む。物体ファイバ（３）を分割する代わりに、本発明によるファイバスプリッタデバイスＦＳＤを２重にし、場合により光源も２重にすることによって、追加の角度投影像を追加することもできる。

興味深いことに、別の実施形態では、追加の角度投影像（物体ファイバ３、３ｘ、３ｙ）のうちの１つは、対物レンズ１２の光軸上に対物レンズ１２の光軸に平行に中心合わせされ、断層撮像モードと標準的な顕微鏡検査モードとの間の簡単な変換が有効になる。

最後に、本発明は、干渉またはホログラフィック装置を構築するための汎用のファイバスプリッタデバイスＦＳＤを記載していることを明示することが重要である。本明細書に記載する例示的な実施形態は、本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、例示的な実施形態を示し、特定の状況における本発明の関連する利点を説明するために提供される。

本発明について、特定の好ましい実施形態を参照して開示したが、本発明の領域および範囲から逸脱することなく、記載する実施形態に対する多数の修正形態、変形形態、および変更形態、ならびにそれらの均等物が可能である。したがって、本発明は、記載した実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の言語によって最も広い範囲の妥当な解釈が与えられることが意図される。

参照文献
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Claims (22)

1. 光学系であって：
   第１の出力ファイバ端部（Ｅ３）へ電磁波を伝播する第１の光ファイバ（３）、および第２の出力ファイバ端部（Ｅ４）へ電磁波を伝播する第２の光ファイバ（４）を含む少なくとも１つのファイバスプリッタデバイス（ＦＳＤ）と；
   （ｉ）第１の出力ファイバ端部（Ｅ３）から放出される電磁波とサンプル（５）との相互作用によって生成される少なくとも１つの物体電磁波（６）と、（ｉｉ）第２の出力ファイバ端部（Ｅ４）によって提供される少なくとも１つの参照電磁波（７）との間に光学干渉を生成するように構成された光学デバイス（ＯＳ）とを含み；
   ここで、第１の光ファイバ（３）および第２の光ファイバ（４）は、異なるファイバ長；または同じファイバ長を有し、第１の光ファイバ（３）の光伝播材料の屈折率は、第２の光ファイバ（４）の光伝播材料の屈折率とは異なる、前記光学系。
2. ファイバスプリッタデバイス（ＦＳＤ）の第１のファイバ（３）および第２のファイバ（４）は、前記ファイバスプリッタデバイス（ＦＳＤ）のファイバスプリッタ（ＦＳ）から出る第１の光ファイバ（３）と第２の光ファイバ（４）との間の長さの差として画成されたファイバ長差を有し、前記ファイバ長差は、最適の干渉条件を有効にするように画成される、請求項１に記載の光学系。
3. 前記最適の干渉条件とは、前記ファイバ長差が、干渉する参照波（７）および物体波（６）の両方に対して同一の光路長を画成するように固定されることを意味する、請求項２に記載の光学系。
4. 前記最適の干渉条件とは、前記ファイバ長差が、参照波（７）と物体波（６）との間で生じる干渉に対する波面整合条件を満たすように画成されることを意味する、請求項２または３に記載の光学系。
5. ホログラフィックまたは干渉撮像システムである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学系。
6. 少なくとも１つのファイバスプリッタデバイス（ＦＳＤ）は、光源からの光を第１の物体光ファイバ（３）および第２の参照光ファイバ（４）に分割するように構成され、
   システムは：
   少なくとも１つの物体波（６）と少なくとも１つの参照波（７）との間に干渉によって生成されるホログラムまたは干渉パターンまたはインターフェログラムを記録するためのイメージセンサ（９）を含み、ファイバ長差が、少なくとも１つの参照ファイバ（４）と少なくとも１つの物体ファイバ（３）との間の長さの差を特徴付ける：
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学系。
7. 少なくとも１つの物体ファイバ（３）によって送達される光を反射または透過して少なくとも１つの物体波（６）を生じさせるサンプルをさらに含み、
   少なくとも１つの参照波は、少なくとも１つの参照ファイバ（４）によって送達される光から生成される：
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学系。
8. 少なくとも１つの物体波（６）は、前記イメージセンサ（９）と少なくとも１つの物体ファイバ（３）の端部（Ｅ３）との間に位置する第１の光学系によって生成され、前記第１の光学系は、前記サンプル（５）の像を生成するように構成され、前記像は、前記サンプル（５）の拡大像または前記サンプル（５）の縮小サイズ像であり、前記像は、前記イメージセンサ（９）上に集束され、または集束されない、請求項６に記載の光学系。
9. 少なくとも１つの参照波は、前記イメージセンサ（９）と少なくとも１つの参照ファイバ（４）の端部（Ｅ４）との間に位置する第２の光学系によって生成され、前記第２の光学系は、軸外またはインライン干渉条件を画成し、これは、少なくとも１つの参照波（７）が、少なくとも１つの物体波（６）に対して傾斜または平行して伝播することを意味する、請求項６〜８のいずれか１項に記載の光学系。
10. 少なくとも２つの異なるファイバスプリッタデバイスに結合される、または複数の入口ファイバ（０）を含む同じファイバスプリッタデバイスに結合される少なくとも２つの光源を含む、請求項６〜９のいずれか１項に記載の光学系。
11. 互いにカスケード接続された少なくとも２つのファイバスプリッタデバイスを含み、これは、少なくとも１つのファイバスプリッタデバイスが、別のファイバスプリッタデバイスから出る少なくとも１つのファイバを分割することを意味する、請求項６〜１０のいずれか１項に記載の光学系。
12. 少なくとも２つの入口ファイバおよび少なくとも１つの出口ファイバを含む少なくとも１つのファイバカプラを含み、前記ファイバカプラは、２つの光源を組み合わせるために使用され、または光源およびファイバを組み合わせるために使用され、または２つのファイバを組み合わせるために使用される、請求項６〜１１のいずれか１項に記載の光学系。
13. 異なる波長および／または偏光状態に対応する少なくとも２つの異なる参照波を含む、請求項６〜１２のいずれか１項に記載の光学系。
14. 異なる波長および／または偏光状態および／またはサンプル照明方向に対応する少なくとも２つの異なる物体波を含み、サンプル照明方向は、少なくとも透過照明または反射照明を含む、請求項６〜１３のいずれか１項に記載の光学系。
15. 少なくとも１つの物体ファイバ（３）の端部（Ｅ３）は、前記物体波（６）が前記サンプル（５）の角度投影像になるように位置し、システムは、前記サンプル体積のいくつかの異なる角度投影像を取得するために前記物体ファイバ（３）の端部（Ｅ３）を動かす変位手段をさらに含み；および／またはシステムは、端部（Ｅ３ｘ、Ｅ３ｙ）が異なる位置にある追加の物体ファイバ（３ｘ、３ｙ）を含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光学系。
16. ホログラフィックまたは干渉デバイスであって：
    少なくとも１つの入力光ファイバ（０）と、第１の出力ファイバ端部（Ｅ３）へ電磁波を伝播する第１の出力光ファイバ（３）と、第２の出力ファイバ端部（Ｅ４）へ電磁波を伝播する第２の出力光ファイバ（４）とを含むファイバスプリッタ（ＦＳ）を含み；
    ここで、第１の出力光ファイバ（３）および第２の出力光ファイバ（４）は、異なるファイバ長；または同じファイバ長を有し、第１の出力光ファイバ（３）の光伝播材料の屈折率は、第２の出力光ファイバ（４）の光伝播材料の屈折率とは異なる、前記ホログラフィックまたは干渉デバイス。
17. 第１のファイバ（３）および第２のファイバ（４）は、前記ファイバスプリッタ（ＦＳ）から出る第１の光ファイバ（３）と第２の光ファイバ（４）との間の長さの差として画成されたファイバ長差を有し、前記ファイバ長差は、ホログラフィックまたは干渉撮像のための装置内で最適の干渉条件を有効にするように画成される、請求項１６に記載のホログラフィックまたは干渉デバイス。
18. 前記最適の干渉条件とは、前記ファイバ長差が、ホログラフィックまたは干渉撮像のための装置内で干渉する参照波（７）および物体波（６）の両方に対して同一の光路長を画成するように固定されることを意味する、請求項１７に記載のホログラフィックまたは干渉デバイス。
19. 前記最適の干渉条件とは、前記ファイバ長差が、ホログラフィックまたは干渉撮像のための装置内で参照波（７）と物体波（６）との間で生じる干渉に対する波面整合条件を満たすように画成されることを意味する、請求項１７または１８に記載のホログラフィックまたは干渉デバイス。
20. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光学系を使用する方法であって：
    請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光学系を提供する工程と；
    前記イメージセンサ（９）によって取得された少なくとも１つのホログラムまたは１つのインターフェログラムまたは１つの干渉パターンを処理することによって、前記サンプルの強度および／または定量位相コントラスト像を提供する工程とを含み、ここで、前記処理は、デジタルホログラフィで使用される処理方法または干渉もしくは位相シフト干渉法で使用される縞処理方法を含む、前記方法。
21. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光学系を使用する方法であって：
    請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光学系を提供する工程と；
    垂直走査干渉法を実行する工程とを含み、ここで、前記サンプル（５）の表面トポグラフィまたは前記サンプル（５）の厚さが、前記サンプルを垂直に動かしながら前記イメージセンサ（９）によって取得されたホログラムもしくはインターフェログラムもしくは干渉パターンのスタックを処理することによって、または参照波光路長を走査することによって撮像および測定され、前記スタックは、垂直走査干渉法で使用されるインターフェログラム分析のための方法の使用によって処理される、前記方法。
22. 請求項１５に記載の光学系を断層撮像のために使用する方法であって：
    請求項１５に記載の光学系を提供する工程と；
    断層撮像を実行する工程とを含み、ここで、ホログラムまたはインターフェログラムまたは干渉パターンが、いくつかの角度投影像に対して取得され、前記サンプル（５）の３次元断層像を計算するように処理される、前記方法。

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