JP2021184033A - Optical modulator and phase measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光変調素子及び位相計測装置に関し、特に、コヒーレント或いはインコヒーレントな電磁波(特に、光)を空間的に変調する光学素子、及び、干渉計等の位相計測装置に関する。 The present invention relates to a light modulation element and a phase measuring device, and more particularly to an optical element that spatially modulates a coherent or incoherent electromagnetic wave (particularly light), and a phase measuring device such as an interferometer.
物体で反射、回折、或いは透過し、伝搬してきた電磁波、特に光の位相分布を検出することができれば、その物体の3次元形状、3次元位置、屈折率分布等を計測することが可能となる。このことから、工業、医療、映像分野それぞれで、実用的な位相計測技術の開発が求められている。さまざまな位相計測技術が提案されている中で、波の性質である干渉・回折の現象を利用した干渉計測の技術或いはデジタルホログラフィの技術は、高精度な位相計測が可能であるため着実に実用化が進められ、さまざまな分野で導入が進んでいる。 If an electromagnetic wave that is reflected, diffracted, or transmitted by an object and propagated, especially the phase distribution of light, can be detected, it will be possible to measure the three-dimensional shape, three-dimensional position, refractive index distribution, etc. of the object. .. For this reason, the development of practical phase measurement technology is required in each of the industrial, medical, and video fields. While various phase measurement technologies have been proposed, interference measurement technology or digital holography technology that utilizes the phenomenon of interference / diffraction, which is the nature of waves, is steadily practical because it enables highly accurate phase measurement. It is becoming more and more popular and is being introduced in various fields.
干渉計測或いはデジタルホログラフィでは、物体から伝搬してきた電磁波(光)である物体光と、参照光との干渉縞を撮像素子により撮影し、その干渉縞に対してコンピュータを用いて演算を適用することにより位相分布を計測することができる。さらに、この位相分布に対して、伝搬に基づく演算を適用することにより、物体の3次元情報や屈折率分布を再構成することができる。一般的に、位相分布を高精度に計測するためには、物体光又は参照光の位相をシフトさせて、3枚もしくは4枚の縞の明暗の位置が異なる干渉縞を撮影し、これら複数枚の干渉縞に対して、位相シフト法のアルゴリズムに基づく演算を行う必要がある。これまでに逐次的に位相をシフトさせて干渉縞を撮影する干渉系が多く提案されているが、この方法では動的な現象・物体の撮影が困難である。 In interference measurement or digital holography, the interference fringes between the object light, which is the electromagnetic wave (light) propagating from the object, and the reference light are photographed by the image pickup element, and the calculation is applied to the interference fringes using a computer. Can measure the phase distribution. Further, by applying an operation based on propagation to this phase distribution, it is possible to reconstruct the three-dimensional information and the refractive index distribution of the object. Generally, in order to measure the phase distribution with high accuracy, the phase of the object light or the reference light is shifted, and interference fringes in which the light and dark positions of three or four fringes are different are photographed, and a plurality of these fringes are photographed. It is necessary to perform an operation based on the phase shift algorithm for the interference fringes of. Many interference systems have been proposed in which the phase is sequentially shifted to photograph interference fringes, but it is difficult to photograph dynamic phenomena / objects by this method.
この問題を解決するために、位相計測に必要な複数の干渉縞を同時に撮影可能なシングルショットの位相シフト法が提案されている。特許文献1,2及び非特許文献1では、偏光子アレイを用いたシングルショット位相シフト法が提案されている。例えば、特許文献3,4に記載されているように、偏光子アレイは、撮像素子の画素サイズと対応するように画素構造を有しており、隣接する画素毎に、透過軸が0度、45度、90度、135度、の異なる4種類の偏光子が配置されている。この偏光子アレイは、主に偏光状態の計測に用いられるが、以下に述べるように位相計測にも応用できる。物体光と参照光の偏光状態を互いに直交する円偏光とし、これらを偏光子アレイに入射させることにより、偏光子の透過軸に対応した位相シフト量が異なる4種類の干渉縞が得られる。この干渉縞に対して、デモザイク処理を適用することで、位相シフト量が異なる4枚の干渉縞が得られる。特許文献1及び非特許文献1では、コヒーレント光を撮影対象とした場合の干渉系が記載されており、特許文献2では、インコヒーレント光を光源として用いた場合の干渉系が記載されている。
In order to solve this problem, a single-shot phase shift method has been proposed that can simultaneously capture a plurality of interference fringes required for phase measurement.
例えば、非特許文献1では、1枚の市松状回折格子と4領域分割移相子と直線偏光子を用いたシングルショット位相シフト法が提案されている。特別に設計された3つの光学素子を組み合わせることで、コヒーレント光を光源とした光を4方向に分割し、位相シフト量が異なる4枚の干渉縞の形成を可能としている。
For example, Non-Patent
また、特許文献5では、2枚の市松状回折格子を用いたシングルショット位相シフト法が提案されている。この技術では、2枚の市松状回折格子を面内方向に適切にずらして配置させることにより、4種類の異なる位相シフト量が与えられた4枚の干渉縞を得ることができる。したがって、特許文献1,2と同様に、1回の撮影で複数の干渉縞を取得することができる。
Further, Patent Document 5 proposes a single-shot phase shift method using two checkered diffraction gratings. In this technique, by appropriately shifting the two checkered diffraction gratings in the in-plane direction, it is possible to obtain four interference fringes to which four different phase shift amounts are given. Therefore, as in
特許文献1,2の偏光子アレイを用いる従来技術では、隣接画素間で、測定対象の物体からの光の波面の変化量は十分に小さいとみなすことで、位相シフト法を適用することができ、1回の撮影で立体情報を再構成するために必要な位相情報を得ることができる。しかし、この手法では、隣接画素間で光の波面の変化量が微小である必要があるため、撮影される干渉縞の分解能が撮像素子の分解能よりも低くなり、結果的に再構成像の分解能が低下する。例えば、4種類の位相シフト量0,π/2,π,3/2π [rad]を与える場合には、干渉縞の分解能が撮像素子の分解能の1/4倍程度(縦方向に1/2×横方向に1/2)となってしまう。また、撮像素子の各画素に直線偏光子の役割をもたせる必要があるため、画素ピッチの微細化と光利用効率の改善を両立することが困難であるだけでなく、適用可能な撮像素子の仕様に制限がある。
In the prior art using the polarizing element arrays of
また、非特許文献1の技術では、市松状回折格子、4領域分割移相子、及び直線偏光子の3つの素子を用いる方法が提案されているが、4枚の干渉縞を取得するために少なくとも3つの素子が必要であり、光学系が大型になる原因となる。また、素子の数が増えることで、各素子に光が入射する際に、必ずフレネル反射による光の損失、及び吸収が生じ、光利用効率が低下する。さらに、各素子で光の入射角に応じた複雑な収差が発生し、これが、位相計測精度を低下させてしまう。
Further, in the technique of Non-Patent
また、特許文献5の2枚の市松状回折格子を用いた従来技術では、2枚の素子を配置するために、高精度な位置合わせ技術が必要であり、光学系の構築の難易度が非常に高い。さらに、2枚の回折光学素子を用いる必要があるため、基本的に2光路の干渉計を用いる必要があり、干渉縞撮影時に空気の揺らぎや振動の影響を受けやすく、位相情報の検出精度が低下する課題がある。また、特許文献5の技術はインコヒーレントな光を用いた場合にしか用いることができない。 Further, in the conventional technique using the two checkered diffraction gratings of Patent Document 5, a highly accurate alignment technique is required for arranging the two elements, and the difficulty of constructing the optical system is extremely high. High. Furthermore, since it is necessary to use two diffractive optical elements, it is basically necessary to use a two-optical path interferometer, which is easily affected by air fluctuations and vibrations during interference fringe photography, and the detection accuracy of phase information is high. There is a problem to be reduced. Further, the technique of Patent Document 5 can be used only when incoherent light is used.
従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、従来、複数の光学素子の組み合わせで実現していた機能を単一素子で実現することのできる光変調素子を提供することにある。また、光学素子の数を減らすことで光の反射・吸収・収差等の発生を抑制でき、高精度でかつ小型な位相計測装置を提供することにある。なお、ここで位相計測装置とは、干渉計及びホログラム(干渉縞)撮影装置を含む、位相を検出・計測する任意の装置である。 Therefore, an object of the present invention made in view of the above-mentioned problems is to provide a light modulation element capable of realizing a function conventionally realized by a combination of a plurality of optical elements with a single element. It is in. Further, by reducing the number of optical elements, it is possible to suppress the generation of light reflection / absorption / aberration and the like, and it is an object of the present invention to provide a highly accurate and compact phase measuring device. Here, the phase measuring device is an arbitrary device that detects and measures the phase, including an interferometer and a hologram (interference fringe) photographing device.
上記課題を解決するために本発明に係る光変調素子は、4×4の16の領域を繰り返し単位とし、各領域に45度ずつ回転角度が異なる4種類の移相子を4個ずつ割り当て、前記繰り返し単位を面内方向に周期的に配置することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the light modulation element according to the present invention has 16 regions of 4 × 4 as repeating units, and four types of phase shifters having different rotation angles of 45 degrees are assigned to each region. The repeating unit is periodically arranged in the in-plane direction.
また、前記光変調素子は、4種類の移相子をA,B,C,Dとした時に、4×4の領域の1列目がA,B,C,D、2列目がB,A,D,C、3列目がC,D,A,B、4列目がD,C,B,Aとなるように移相子を割り当てることが望ましい。 Further, in the light modulation element, when the four types of phase shifters are A, B, C, and D, the first row of the 4 × 4 region is A, B, C, D, and the second row is B. It is desirable to assign the phase shifters so that the third column is C, D, A, B and the fourth column is D, C, B, A.
また、前記光変調素子は、4×4の面内方向の一方向の領域の長さの比が1:1:1:1であり、前記方向と直交する方向の領域の長さの比が1:3:1:3であることが望ましい。 Further, in the light modulation element, the ratio of the lengths of the regions in one direction in the in-plane direction of 4 × 4 is 1: 1: 1: 1, and the ratio of the lengths of the regions in the direction orthogonal to the direction is 1: 1: 1: 1. It is desirable that it is 1: 3: 1: 3.
また、前記光変調素子は、前記移相子が、プラズモニック金属又は誘電体を材料とする異方的な形状の構造体を、周期的に配置して構成されることが望ましい。 Further, it is desirable that the light modulation element is configured such that the phase shifter is formed by periodically arranging an anisotropically shaped structure made of a plasmonic metal or a dielectric as a material.
また、前記光変調素子は、前記プラズモニック金属が、金、銀、アルミニウムのいずれか一つであり、前記誘電体が、シリコン、SiO2、TiO2、アモルファスシリコンのいずれか一つであることが望ましい。 Further, in the light modulation element, the plasmonic metal is one of gold, silver, and aluminum, and the dielectric is one of silicon, SiO 2 , TiO 2 , and amorphous silicon. Is desirable.
上記課題を解決するために本発明に係る位相計測装置は、前記光変調素子と、前記光変調素子で変調された光が透過する直線偏光子と、前記直線偏光子を透過した光の画像を撮像する撮像素子とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the phase measuring device according to the present invention captures an image of the light modulation element, a linear polarizing element through which the light modulated by the light modulation element is transmitted, and light transmitted through the linear polarizing element. It is characterized by being provided with an image pickup element for taking an image.
また、前記位相計測装置は、コヒーレントな光による物体光と参照光を前記光変調素子に入射させることが望ましい。 Further, it is desirable that the phase measuring device causes the object light and the reference light due to the coherent light to be incident on the light modulation element.
また、前記位相計測装置は、インコヒーレントな光を第1分割光と第2分割光に分割し、前記第1分割光と前記第2分割光に互いに異なる位相分布を付与し、前記第1分割光と前記第2分割光を前記光変調素子に入射させることが望ましい。 Further, the phase measuring device divides the incoherent light into the first divided light and the second divided light, imparts different phase distributions to the first divided light and the second divided light, and gives the first divided light different phases to each other. It is desirable that the light and the second divided light be incident on the light modulation element.
また、前記位相計測装置は、前記撮像素子により撮像された画像データから4枚の干渉縞を抽出し、前記4枚の干渉縞から位相シフト法により複素振幅分布を求めることが望ましい。 Further, it is desirable that the phase measuring device extracts four interference fringes from the image data captured by the image pickup element and obtains a complex amplitude distribution from the four interference fringes by a phase shift method.
本発明の光変調素子によれば、従来、複数の光学素子の組み合わせで実現していた機能を単一素子で実現することができる。また、本発明の位相計測装置によれば、光の反射・吸収・収差等の発生を抑制でき、高精度の位相検出と小型化を実現することができる。 According to the light modulation element of the present invention, a function conventionally realized by a combination of a plurality of optical elements can be realized by a single element. Further, according to the phase measuring apparatus of the present invention, it is possible to suppress the generation of light reflection / absorption / aberration and the like, and it is possible to realize highly accurate phase detection and miniaturization.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
図1は、本発明の光変調素子の一例を示す図である。光変調素子1は、移相子を周期的に配置した移相子アレイの構造を有している。図1の右側が光変調素子の全体図であり、左側がその一部の拡大図であって、繰り返し単位である4×4の16の移相子の領域を示している。
FIG. 1 is a diagram showing an example of the light modulation element of the present invention. The
光変調素子1は互いに異なる偏光変換特性を有する4種類の移相子から構成されており、4種類の移相子をA,B,C,Dとした時に、4×4の領域の1列目がA,B,C,D、2列目がB,A,D,C、3列目がC,D,A,B、4列目がD,C,B,Aとなるように移相子を割り当てる。各移相子の領域の1辺の大きさは、使用する電磁波の波長にも依存するが、数百nm〜数十μm程度である。
The
各移相子の偏光変換特性は、ジョーンズ行列が次式(1)で表される移相子を基準として、45度ずつ回転角度をずらした式(2)〜(4)のジョーンズ行列の4種類の特性となるように構成するのが望ましい。なお、式(1)は、位相Δの移相板に対し、前後にφの回転行列を掛けたものである。 The polarization conversion characteristics of each phase shifter are 4 of the Jones matrix of equations (2) to (4) in which the Jones matrix is shifted by 45 degrees with respect to the phase shifter represented by the following equation (1). It is desirable to configure it so that it has the characteristics of the type. In addition, the equation (1) is obtained by multiplying the phase shift plate of phase Δ by the rotation matrix of φ before and after.
ここで、αは素子の厚さ・屈折率・吸収係数等で定まる複素数の定数、iは虚数、φは基準となる任意の回転角度、Δは波長λにおける位相のずれ量である。例えば、図1中のA,B,C,Dの特性はそれぞれ、Jφ+0,Jφ+45,Jφ+90,Jφ+135に対応している。なお、A→B→C→Dの順番で、45度ずつ回転角度がずれた移相子が割り当てられればよいため、A,B,C,Dをそれぞれ、Jφ+135,Jφ+90,Jφ+45,Jφ+0や、Jφ+90,Jφ+135,Jφ+180(=Jφ+0),Jφ+135(=Jφ+45)と割り当ててもよい。 Here, α is a complex number constant determined by the thickness, refractive index, absorption coefficient, etc. of the element, i is an imaginary number, φ is an arbitrary rotation angle as a reference, and Δ is a phase shift amount at the wavelength λ. For example, the characteristics of A, B, C, and D in FIG. 1 correspond to J φ + 0 , J φ + 45 , J φ + 90 , and J φ + 135 , respectively. Since it is sufficient to assign phase shifters whose rotation angles are deviated by 45 degrees in the order of A → B → C → D, A, B, C, and D are assigned to J φ + 135 and J φ + 90, respectively. , J φ + 45 , J φ + 0 , J φ + 90 , J φ + 135 , J φ + 180 (= J φ + 0 ), J φ + 135 (= J φ + 45 ). ..
図1の各領域のx方向、y方向の大きさは、任意に設定可能であるが、本実施形態においては、x方向の大きさをLxで一定とし、y方向の大きさに関してはLy,3Lyの繰り返しとする。なお、x方向とy方向が転置してもよい。すなわち、4×4の面内方向の一方向の領域の長さの比が1:1:1:1であり、これと直交する方向の領域の長さの比が1:3:1:3である。この設定は、2種類の市松状移相板(位相変化を与える領域が市松状に配置された光学素子)を、x方向に1マスの1/2、y方向に1マスの1/4ずらして重ねた構造と等価である。
The size of each region in FIG. 1 in the x-direction and the y-direction can be arbitrarily set, but in the present embodiment, the size in the x-direction is fixed by Lx, and the size in the y-direction is Ly,
以上の設定にすることで、光変調素子1は、入射した直交する2つの偏光をそれぞれ均等に4方向に分割し、さらに、2つの偏光に互いに反対の位相シフト(例えば、+45°と−45°)を与えることにより、4方向の分割光にπ/2ずつずれた4種類の位相シフト量を与えることができる。なお、本実施形態の設定からずれた場合であっても4種類の位相シフト量に分割することは可能であるが、位相シフト量のずれがπ/2と異なる値となったり、分割方向が均等でなくなったりするため、後の解析を効率的に行うためには、本実施形態の設定値が望ましい。
With the above settings, the
移相子を実現する材料物質としては、金、銀、アルミニウムなどのプラズモニクスの分野でよく用いられる金属(プラズモニック金属という。)、或いはシリコン、SiO2、TiO2、アモルファスシリコンなどの誘電体、もしくは液晶分子などの有機材料を用いる。金属材料を用いた場合は、反射型の光変調素子1を作製することができる。また、誘電体又は有機材料を用いた場合は、透過型の光変調素子1を作製することができる。
Materials that realize phase shifters include metals often used in the field of plasmonics such as gold, silver, and aluminum (called plasmonic metals), or dielectrics such as silicon, SiO 2 , TiO 2 , and amorphous silicon. Alternatively, an organic material such as a liquid crystal molecule is used. When a metal material is used, the reflection type
具体的には、それぞれの物質から、楕円、長方形、V字など、x方向とy方向との間に対称性がない、つまり(円形や正方形、八角形ではない)異方的な形状を有する構造体を、ナノインプリント、電子線描画装置等、リソグラフィの技術により形成し、構造複屈折或いは、メタサーフェスとして移相子を作製する。液晶などの有機高分子材料の場合には、配向方向をそろえて膜圧を適切に調整し、偏光回折光学素子として作製する。なお、構造体と移相子の偏光変換特性の関係は、例えば、非特許文献2等に記載されるように公知である。
Specifically, each substance has no symmetry between the x-direction and the y-direction, such as an ellipse, a rectangle, and a V-shape, that is, it has an anisotropic shape (not a circle, a square, or an octagon). The structure is formed by a lithography technique such as nanoimprint and electron beam lithography, and a phase shifter is produced as a structural birefringence or a metasurface. In the case of an organic polymer material such as a liquid crystal display, the film pressure is appropriately adjusted by aligning the orientation direction, and the object is manufactured as a polarizing diffraction optical element. The relationship between the polarization conversion characteristics of the structure and the phase shifter is known as described in, for example,
以上によりJφ+0,Jφ+45,Jφ+90,Jφ+135の各移相子を実現できる。なお、光利用効率の観点からΔ=π+2nπ(nは整数)となるように材料の選定及び構造を設計することが望ましい。 From the above, each phase shifter of J φ + 0 , J φ + 45 , J φ + 90 , and J φ + 135 can be realized. From the viewpoint of light utilization efficiency, it is desirable to select materials and design the structure so that Δ = π + 2nπ (n is an integer).
上述の4種類の移相子を周期的に配列した光変調素子1により、従来は複数の光学素子を用いていた、2つの偏光を4種類の位相シフト量で4方向に分割する機能を、1つの素子で実現することができる。
The
図2は、図1の光変調素子1を用いた、本発明の位相計測装置の概念図である。移相子を周期的に配置した光変調素子1の背後(光の進行方向を基準に後側)に、直線偏光子2を配置する。これらの素子は、密着して設置してもよいし、密着していなくてもよい。光変調素子1と直線偏光子2を接着し、一体化した素子として取り扱うこともできる。光高効率の観点からは接着させて、密着させた素子を用いる方が望ましい。直線偏光子2は、光変調素子1で変調された光が透過する。位相計測装置は、さらに、直線偏光子2を透過した光の画像(位相差画像)を撮像する撮像素子3を備える。なお、受光した画像データを解析する演算装置4をさらに備えてもよい。
FIG. 2 is a conceptual diagram of the phase measuring device of the present invention using the
コヒーレントな光源を用いる場合、測定対象である物体光5、それに加えて参照光6を光変調素子1に入射させる。物体光5と参照光6の偏光状態は直交しているのが望ましい。上述の光学素子1,2を通過した後、物体光5と参照光6がそれぞれ4方向に分割されて伝搬し、撮像素子3の撮像面上で位相シフト量が0,π/2,π,3π/2 [rad]の4枚の干渉縞が形成される(なお、図2では、光が上下方向の2方向に分割されているが、実際には、左右方向にも分割され、4つの像が生じる。図14参照。)。これを1枚の画像として撮像素子3により撮影し、この干渉縞を演算装置4に入力する。1枚の撮影画像から、4枚の干渉縞を抽出し、4ステップ位相シフト法のアルゴリズムに基づく演算を適用することで、位相分布を計測することができる。撮影対象物体の3次元情報を再構成したい場合には、伝搬計算を適用すればよい。
When a coherent light source is used, the object light 5 to be measured and the
インコヒーレントな光源を用いる場合には、上述の物体光5と参照光6をそれぞれ、自己干渉に用いる第1分割光、第2分割光に置き換えて考えれば、物体の3次元情報を再構成するために必要な位相分布が、上述と同様の手順で検出できる。
When an incoherent light source is used, if the above-mentioned object light 5 and
本発明の位相計測装置は、特許文献1,2の従来技術と異なり、撮像素子の分解能で干渉縞を取得でき、比較的に高い分解能で立体像を再構成することができる。また、偏光子アレイが必要ではないため、空間解像度の優先、フレームレートの優先、階調数の優先というように、目的、撮影対象に応じて、所望の仕様を満たす撮像素子を自由に、かつ容易に選定・変更することができる。
Unlike the prior arts of
また、本発明の位相計測装置は、特許文献5や非特許文献1の従来技術と異なり、移相子を周期的に配置した1枚の光変調素子1と1枚の偏光子2で光学系を構築でき、小型化に有効であることはもちろん、収差の発生を抑制でき、光学素子での反射・吸収の抑制により、光利用効率を改善することができる。
Further, unlike the prior arts of Patent Document 5 and
以上から、本発明は、移相子を周期的に配置した光変調素子1により、実用的な位相計測装置を提供することができる。
From the above, the present invention can provide a practical phase measuring device by the
次に、本発明の移相子を周期的に配置した光変調素子1を実施するための素子構造について説明する。
Next, an element structure for carrying out the
図3は、光変調素子1の移相子を実現するための構造体の例である。各構造体は、光の波長より小さいサイズで形成される微細構造体である。(1)式のジョーンズ行列を実現する構造体としては種々のものがあり、図3(a)のように周期的な溝を有しているものや、図3(b)のような長方形のもの、図3(c)のような楕円形のもの、図3(d)のようなL字もしくはV字のもの、または図3(e)のように2つの長方形で構成されるものがある。使用波長や、材料、加工プロセスにより、構造体の具体的な大きさは様々に変化する。材料としては、金、銀、アルミニウムなどのプラズモニック金属、或いはシリコン、SiO2、TiO2、アモルファスシリコンなどの誘電体、もしくは液晶分子などの有機高分子材料を用いる。
FIG. 3 is an example of a structure for realizing a phase shifter of the
なお、各構造体を設計通りに加工できることが光利用効率の観点から望ましいが、加工精度上の課題で、構造物の角の再現性等が悪く、アスペクト比が設計値からずれることが起こり得る。しかし、構造体の形状の誤差は本発明の移相子を周期的に配置した光変調素子の機能を損なうものではなく、面内方向で異方的な形状が加工できていれば、位相検出技術に応用可能である。 It is desirable to be able to process each structure as designed from the viewpoint of light utilization efficiency, but due to the problem of processing accuracy, the reproducibility of the corners of the structure may be poor and the aspect ratio may deviate from the design value. .. However, the error in the shape of the structure does not impair the function of the light modulation element in which the phase shifters of the present invention are periodically arranged, and if an anisotropic shape can be processed in the in-plane direction, phase detection is performed. It can be applied to technology.
図4に、図3(a)の構造体を用いる場合における、図1のA,B,C,Dの各領域の移相子の例を示す。各領域で45度間隔で構造物が回転していることがわかる。この構造により、A→B→C→Dの順番で、45度ずつ回転角度がずれた移相子が実現される。 FIG. 4 shows an example of a phase shifter in each region of A, B, C, and D in FIG. 1 when the structure of FIG. 3A is used. It can be seen that the structure rotates at intervals of 45 degrees in each region. With this structure, a phase shifter whose rotation angle is deviated by 45 degrees is realized in the order of A → B → C → D.
また、図5は、図4のA,B,C,Dの移相子を用いて、図1の光変調素子1を構成したときの、4×4の領域(繰り返し単位)の概念図である。
Further, FIG. 5 is a conceptual diagram of a 4 × 4 region (repeating unit) when the
図6に、図3(b)の構造体を用いる場合における、図1のA,B,C,Dの各領域の移相子の例を示す。構造体を図6のように正方格子状に配置させ、各領域間で45度ずつ構造物を回転させることでA,B,C,Dの移相子を構成する。 FIG. 6 shows an example of a phase shifter in each region of A, B, C, and D in FIG. 1 when the structure of FIG. 3 (b) is used. The structures are arranged in a square grid as shown in FIG. 6, and the structures are rotated by 45 degrees between each region to form A, B, C, and D phase shifters.
また、図7に、図3(b)の構造体を用いる場合における、A,B,C,Dの各領域の移相子の別の例を示す。構造体を図7のように六方格子状に配置させ、各領域間で45度ずつ構造物を回転させることでA,B,C,Dの移相子を構成してもよい。 Further, FIG. 7 shows another example of the phase shifter in each region of A, B, C, and D when the structure of FIG. 3 (b) is used. The structures may be arranged in a hexagonal grid as shown in FIG. 7, and the phases A, B, C, and D may be configured by rotating the structure by 45 degrees between each region.
図3(c)、図3(d)、図3(e)の各構造体を用いた場合でも、図6又は図7のように配置することで、4種類の移相子として用いることができる。 Even when the structures of FIGS. 3 (c), 3 (d), and 3 (e) are used, they can be used as four types of phase shifters by arranging them as shown in FIGS. 6 or 7. can.
光変調素子1を用いた、本発明の位相計測装置の光学系の構成例について説明する。図8、図9に、コヒーレント光を用い、透過型の光変調素子を用いた位相計測装置の光学系の例を示す。光学系は、光変調素子1、直線偏光子(以下、単に「偏光子」という。)2、撮像素子3に加えて、レーザ光源7、スペイシャルフィルタ8、レンズ9、偏光ビームスプリッタ10、4分の1波長板11、ミラー13を備えている。
An example of a configuration of an optical system of the phase measuring device of the present invention using the
図8の光学系では、レーザ光源7から出力されたレーザ光の偏光状態を、偏光子2により、45°の直線変調とし、これをスペイシャルフィルタ8とレンズ9により平面波とする。平面波を偏光ビームスプリッタ10により2つに分割する。これにより物体光と参照光の偏光状態が直交した直線偏光となる。物体光は偏光ビームスプリッタ10で反射し、4分の1波長板11を通過して、撮影対象物体12に向かって進む。図8では、物体光は撮影対象物体12で反射し、物体の位相情報を得て、再び4分の1波長板11を通過して、偏光ビームスプリッタ10に入射する。一方、参照光は偏光ビームスプリッタ10を透過し、4分の1波長板11を通過して、ミラー13で反射し、再び4分の1波長板11を通過して、偏光ビームスプリッタ10に入射する。物体12からの物体光は偏光ビームスプリッタ10を透過し、ミラー13からの参照光は偏光ビームスプリッタ10で反射し、両者は合波されて光変調素子(移相子を周期的に配置した素子)1に進む。物体光と参照光は、光変調素子1によりそれぞれ4方向に分割されると共に、方向ごとに異なる位相差を有する光波の組となり、さらに偏光子2で偏光方向が揃えられて、撮像素子3の撮像面に、4つの干渉縞を生じる。
In the optical system of FIG. 8, the polarization state of the laser light output from the
図8の例では、4分の1波長板11に2回光波が通過するようにしており、結果的に2分の1波長板として機能し、物体光と参照光のそれぞれの直線偏光を90°回転させる。このことにより偏光ビームスプリッタ10で合波する際に、光の不要な透過や反射を低減し、光のエネルギーの損失を少なくしている。
In the example of FIG. 8, the light wave passes through the quarter wave plate 11 twice, and as a result, the light wave functions as the half wave plate, and the linearly polarized light of the object light and the reference light is 90. ° Rotate. As a result, unnecessary transmission and reflection of light are reduced when the light is combined by the
図9の光学系では、レーザ光源7から出力されたレーザ光の偏光状態を、偏光子2により、45°の直線変調とし、これをスペイシャルフィルタ8とレンズ9により平面波とする。平面波を第1の偏光ビームスプリッタ10により2つに分割する。これにより物体光と参照光の偏光状態が直交した直線偏光となる。物体光は第1の偏光ビームスプリッタ10で反射し、ミラー13で反射し、撮影対象物体12を透過し、物体の位相情報を得て、第2の偏光ビームスプリッタ10に入射する。一方、参照光は第1の偏光ビームスプリッタ10を透過し、ミラー13で反射し、第2の偏光ビームスプリッタ10に入射する。物体12からの物体光は第2の偏光ビームスプリッタ10で反射し、ミラー13からの参照光は第2の偏光ビームスプリッタ10を透過し、両者は合波されて光変調素子1に進む。最後に、光変調素子(移相子を周期的に配置した素子)1と偏光子2により物体光と参照光をそれぞれ変調することで、それぞれ異なる位相差を有する4方向の物体光と参照光の組を生成し、撮像素子3の撮像面上で4つの干渉縞を形成する。これらの干渉縞を解析することにより、位相分布を計測することができる。
In the optical system of FIG. 9, the polarization state of the laser light output from the
図10に、コヒーレント光を用い、反射型の光変調素子1を用いた位相計測装置の光学系の例を示す。図9の光学系と比較すると、さらにビームスプリッタ15(偏光ビームスプリッタ10ではない偏光に無依存のもの)を配置し、光変調素子1を反射型として構成した点が異なっている。
FIG. 10 shows an example of an optical system of a phase measuring device using coherent light and using a reflection type
レーザ光源7から出力されたレーザ光が、偏光子2、スペイシャルフィルタ8、レンズ9を通過し、第1の偏光ビームスプリッタ10で分割され、ミラー13を経由し、撮影対象物体12を透過した物体光と、参照光が第2の偏光ビームスプリッタ10に入射するまでは図9と同じである。第2の偏光ビームスプリッタ10で合波された物体光と参照光は、偏光に無依存のビームスプリッタ15を透過し、移相子を周期的に配置した反射型の光変調素子1に入射し、反射する。このとき、物体光及び参照光は、光変調素子1によりそれぞれ4方向に分割されると共に、方向ごとに異なる位相差を有する光波の組となって反射し、ビームスプリッタ15により撮像素子3の方向に反射され、さらに偏光子2で偏光方向が揃えられて、撮像素子3の撮像面に、4つの干渉縞を生じる。このように、反射型の光変調素子1で変調された場合も、反射された光波により撮像素子3で干渉縞の検出が可能である。
The laser light output from the
図11は、インコヒーレント光を用い、透過型の光変調素子1を用いた位相計測装置の光学系の例である。本光学系では、図8、図9の例とは異なり、物体光と参照光の区別は存在しない。光学系は、レンズ9、バンドパスフィルタ16、偏光子2、偏光回折光学素子17、光変調素子1、偏光子2、及び撮像素子3を備える。撮影対象物体12からの反射光、透過光、或いは回折光等、インコヒーレントな光は、レンズ9とバンドパスフィルタ16を透過する。バンドパスフィルタ16は、インコヒーレントな光波の特定の帯域の光のみを透過させ、時間的コヒーレンスを向上させる。透過する光の波長幅は、例えば、1nm〜100nmであり、透過波長幅が狭い方が望ましい。バンドパスフィルタ16を透過した光は偏光子2により直線偏光となって、偏光回折光学素子17に入射する。
FIG. 11 is an example of an optical system of a phase measuring device using incoherent light and using a transmissive
偏光回折光学素子17は、入射された直線偏光を第1分割光と第2分割光に分割する光学素子であり、本実施形態では、「偏光ディレクトフラットレンズ」又は「偏光回折レンズ」と呼ばれるものを使用する。偏光回折光学素子17は、入射光の偏光状態に応じて焦点距離が変化するレンズであって、直線偏光を入射させることによって、偏光状態が円偏光で焦点距離がfdの収束球面波と、この光波と逆回りの円偏光で焦点距離が−fdの発散球面波を同時に生成することができる。偏光状態が右回り円偏光のものを第1分割光L1、左回り円偏光のものを第2分割光L2とする。偏光回折光学素子17は、第1分割光L1と第2分割光L2にそれぞれ符号が逆の曲率を有する球面位相を付与する。したがって、第1分割光L1と第2分割光L2は互いに異なる位相分布となる。これらの光波(L1,L2)を、光変調素子1に入射させる。
The polarized diffraction
光変調素子(移相子を周期的に配置した素子)1により、第1分割光L1と第2分割光L2はそれぞれ4方向に分割されると共に、方向ごとに異なる位相差を有する光波の組となり、さらに偏光子2で変調することで、撮像素子3の撮像面に、4つの干渉縞を生じる。これらの干渉縞を解析することにより、位相分布を計測することができる。
The first divided light L1 and the second divided light L2 are each divided into four directions by the light modulation element (element in which the phase shifters are periodically arranged) 1, and a set of light waves having different phase differences in each direction. Further, by further modulating with the
なお、インコヒーレント光源を用い、反射型の光変調素子1を用いた場合の光学系については、図10と同様に、ビームスプリッタ15を用いることで光学系を構築できる。
As for the optical system when the incoherent light source is used and the reflection type
以上のように、使用する光源や光学系が異なっていても、移相子を周期的に配置した光変調素子1、偏光子2、撮像素子3の配置は固定であり、本発明の適用可能な光学系は上述のものに限定されない。干渉系の位相測定装置であれば、本発明を適用可能である。
As described above, even if the light source and the optical system used are different, the arrangement of the
(像再構成処理及びその検証)
図11に示すインコヒーレント光の光学系に基づき、本発明の位相計測装置によって干渉縞を撮影し、像を再構成した結果を以下に示す。図2の演算装置4が、撮像素子3で得られた干渉縞の画像データに基づいて、像再構成処理を行う。
(Image reconstruction process and its verification)
Based on the optical system of the incoherent light shown in FIG. 11, the results of photographing the interference fringes by the phase measuring apparatus of the present invention and reconstructing the image are shown below. The arithmetic unit 4 of FIG. 2 performs image reconstruction processing based on the image data of the interference fringes obtained by the
光源の中心波長は633nmとし、移相子を実現する構造としては非特許文献2に記載の直方体構造とした。図12に直方体の構造体のパラメータ(設計値)の例を示す。SiO2の材料の370nm×370nmの領域に、105nm×145nm×320nmのSiの直方体を形成させた。本構造は、電子線描画装置等により作製可能である。この構造を図6のように正方格子状に配置することで、図1の移相子を周期的に配置した光変調素子1を作製した。なお、Lx=12μm、Ly=3μmとした。
The central wavelength of the light source was 633 nm, and the structure for realizing the phase shift was a rectangular parallelepiped structure described in
図13に、測定対象物体とした“1”,“2”,“3”の物体とそれらの位置関係を示す。“1”,“2”,“3”の物体の大きさはそれぞれ、90μm×150μm、108μm×150μm、108μm×150μmである。“1”の物体を基準(原点)とすると、“2”,“3”の物体の面内方向の中心位置は、それぞれ(x=−336μm,y=306μm)、(x=66μm,y=336μm)である。また、物体“1”と“2”の間、物体“2”と“3”の間の奥行(z)方向の距離は、それぞれ30mmである。なお、図13の各画面は概念的なものであり、物体“1”,“2”,“3”が上記の位置で光を反射又は発光し、他の領域(黒で示されている。)は透光性であればよい。これらを3次元物体として、本発明の位相計測装置で撮影・計測した。以下、各図の画像は、シミュレーションで作成した。 FIG. 13 shows the objects “1”, “2”, and “3” as the objects to be measured and their positional relationships. The sizes of the objects "1", "2", and "3" are 90 μm × 150 μm, 108 μm × 150 μm, and 108 μm × 150 μm, respectively. Assuming that the object of "1" is the reference (origin), the center positions of the objects of "2" and "3" in the in-plane direction are (x = -336 μm, y = 306 μm) and (x = 66 μm, y =, respectively). 336 μm). Further, the distance between the objects "1" and "2" and between the objects "2" and "3" in the depth (z) direction is 30 mm, respectively. It should be noted that each screen of FIG. 13 is conceptual, and the objects "1", "2", and "3" reflect or emit light at the above positions, and are shown in other regions (black). ) May be translucent. These were photographed and measured by the phase measuring device of the present invention as a three-dimensional object. Below, the images of each figure were created by simulation.
撮像素子3で撮影した画像データ(強度画像)を図14に示す。図14より、縞の明暗の位置が異なる4つの干渉縞(ホログラム)が形成されていることがわかる。演算装置4より、図14の強度画像から4枚の干渉縞を抽出する。この際に、4枚の干渉縞に面内ずれが生じないように、正確に抽出する必要がある。このため、干渉縞の位置関係を正確に把握するために、位相限定相関の演算を用いる。図14の4つの干渉縞の内、任意の1つの干渉縞を、ケラレが生じないように切り出し、これをテンプレート画像t(x,y)とする。図14の強度画像をi(x,y)とすると、位相限定相関の演算は、次の(5)式で与えられる。
FIG. 14 shows image data (intensity image) taken by the
ここで、I(u,v)、T(u,v)はそれぞれi(x,y)、t(x,y)のフーリエスペクトルであり、*は複素共役を示す。FT[…]はフーリエ変換演算子である。なお、(5)式においては、逆フーリエ変換を行っても、実質的に同等である。演算の結果、p(x,y)には、4つ各干渉縞の中心位置に明確なピークが生じる。p(x,y)のピーク位置から、4つの干渉縞の相対的な位置情報を取得する。この位置情報を参照することにより、面内ずれを十分に抑制でき、4枚の個別の干渉縞を正確に抽出することができる。 Here, I (u, v) and T (u, v) are Fourier spectra of i (x, y) and t (x, y), respectively, and * indicates a complex conjugate. FT [...] is a Fourier transform operator. In addition, in the equation (5), even if the inverse Fourier transform is performed, it is substantially the same. As a result of the calculation, a clear peak is generated at the center position of each of the four interference fringes in p (x, y). The relative position information of the four interference fringes is acquired from the peak position of p (x, y). By referring to this position information, in-plane deviation can be sufficiently suppressed, and four individual interference fringes can be accurately extracted.
得られた4枚の干渉縞は、それぞれ、位相シフト量が0、π/2、π、3π/2 [rad]の干渉縞(ホログラム)の画像である。以降の画像処理においては、例えば、各画像の中心を原点として、位置合わせされた各画像の(x,y)座標に基づいて処理を行う。 The four interference fringes obtained are images of interference fringes (holograms) having phase shift amounts of 0, π / 2, π, and 3π / 2 [rad], respectively. In the subsequent image processing, for example, the processing is performed based on the (x, y) coordinates of each aligned image with the center of each image as the origin.
これらの干渉縞の干渉パターン強度Iに対して、4ステップの位相シフト法のアルゴリズムである、次式(6)を適用することにより、複素振幅分布U(x,y)を求める。 The complex amplitude distribution U (x, y) is obtained by applying the following equation (6), which is an algorithm of the four-step phase shift method, to the interference pattern intensity I of these interference fringes.
ここで、I0、Iπ/2、Iπ、I3π/2はそれぞれ、位相シフト量が0、π/2、π、3π/2 [rad]の干渉縞である。U(x,y)には、撮影対象物体12の3次元情報を再構成するために必要な位相分布が含まれている。 Here, I 0 , I π / 2 , I π , and I 3 π / 2 are interference fringes having phase shift amounts of 0, π / 2, π, and 3π / 2 [rad], respectively. U (x, y) contains a phase distribution necessary for reconstructing the three-dimensional information of the object to be photographed 12.
図15に、求められたU(x,y)の(a)振幅分布と(b)位相分布をそれぞれ示す。このU(x,y)に対して、伝搬計算を適用することにより任意のz面における光分布を再構成することができる。伝搬計算は次式(7)により与えられる。 FIG. 15 shows the obtained U (x, y) (a) amplitude distribution and (b) phase distribution, respectively. By applying the propagation calculation to this U (x, y), the light distribution in any z-plane can be reconstructed. The propagation calculation is given by the following equation (7).
ここでFT-1[…]は逆フーリエ変換演算子である。λは光源の波長である。撮影対象物体の奥行方向の配置位置zsが既知の場合に、撮影対象物体にフォーカスが合った像を得るためには、(7)式のzrを以下の(8)式に従うように設定すればよい。 Here, FT -1 [...] is an inverse Fourier transform operator. λ is the wavelength of the light source. When the placement position z s in the depth direction of the object to be photographed is known, in order to obtain an image in focus on the object to be photographed, z r of Eq. (7) is set according to the following Eq. (8). do it.
ここで、fdは偏光回折光学素子(偏光回折レンズ)の焦点距離、zhは偏光回折光学素子と撮像素子の間の距離であり、zdは、次の(9)式により与えられる。 Here, f d is the focal length of the polarized diffraction optical element (polarized diffraction lens), z h is the distance between the polarized diffraction optical element and the image pickup element, and z d is given by the following equation (9).
f0はレンズ9の焦点距離であり、dはレンズ9と偏光回折光学素子17の間の距離である。図11の光学系を用いた本実施例では、f0=200[mm]、d=0[mm]、fd=200[mm]、zh=300[mm]としている。“1”,“2”,“3”の配置位置zs=270,300,330[mm]の情報を参照し、(7)式を適用して対象物体を再構成した結果を図16に示す。
f 0 is the focal length of the
図16を参照すると、“1”,“2”,“3”の物体のそれぞれにフォーカス位置を合わせることに成功していることがわかる。物体“1”にフォーカス位置を合わせた場合には、物体“2”と物体“3”の像がぼやける。同様に、物体“2”、物体“3”のそれぞれにフォーカス位置を合わせた場合には、フォーカス位置と異なる面に配置された物体の像がぼやける。以上のように、本発明により従来より少ない光学素子により光学系を実現でき、一度の撮影で3次元情報を撮影・再構成することが可能である。 With reference to FIG. 16, it can be seen that the focus position has been successfully adjusted to each of the objects “1”, “2”, and “3”. When the focus position is adjusted to the object "1", the images of the object "2" and the object "3" are blurred. Similarly, when the focus position is adjusted to each of the object "2" and the object "3", the image of the object arranged on the surface different from the focus position is blurred. As described above, according to the present invention, it is possible to realize an optical system with fewer optical elements than before, and it is possible to capture and reconstruct three-dimensional information in one shooting.
上記の実施形態では、位相計測装置の構成と動作について説明したが、本発明はこれに限らず、位相計測方法及び像再構成方法として構成されてもよい。 In the above embodiment, the configuration and operation of the phase measuring device have been described, but the present invention is not limited to this, and may be configured as a phase measuring method and an image reconstruction method.
なお、上述した位相計測装置の演算装置4として機能させるためにコンピュータを好適に用いることができ、そのようなコンピュータは、演算装置4の各演算手順を実現する処理内容を記述したプログラムを該コンピュータの記憶部に格納しておき、該コンピュータのCPUによってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。なお、このプログラムは、コンピュータ読取り可能な記録媒体に記録可能である。 A computer can be suitably used to function as the arithmetic unit 4 of the above-mentioned phase measuring device, and such a computer has a program describing processing contents for realizing each arithmetic procedure of the arithmetic unit 4. This can be realized by storing the program in the storage unit of the computer and reading and executing this program by the CPU of the computer. This program can be recorded on a computer-readable recording medium.
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の複数の構成要素を1つに組み合わせたり、あるいは1つの構成要素を分割したりすることが可能である。 Although the above embodiments have been described as representative examples, it will be apparent to those skilled in the art that many modifications and substitutions can be made within the spirit and scope of the invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited by the above-described embodiments, and various modifications and modifications can be made without departing from the scope of claims. For example, it is possible to combine the plurality of components described in the embodiment into one, or to divide one component.
本発明は、立体映像のカメラとして用いることができ、蛍光3次元顕微鏡など、干渉計測・分析装置等に応用可能である。 The present invention can be used as a camera for stereoscopic images, and can be applied to interference measurement / analysis devices such as a fluorescent three-dimensional microscope.
1 光変調素子
2 直線偏光子
3 撮像素子
4 演算装置
5 物体光
6 参照光
7 レーザ光源
8 スペイシャルフィルタ
9 レンズ
10 偏光ビームスプリッタ
11 4分の1波長板
12 撮影対象物体
13 ミラー
15 ビームスプリッタ
16 バンドパスフィルタ
17 偏光回折光学素子
1
Claims (9)
In the phase measuring apparatus according to any one of claims 6 to 8, four interference fringes are extracted from the image data captured by the image pickup element, and the complex amplitude is obtained from the four interference fringes by a phase shift method. A phase measuring device characterized by finding a distribution.
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