JP2022522746A - 高コントラスト撮像のための装置、装置の使用、及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は高コントラスト撮像のための、特に着目する動く物体、例えばガス噴射又は物質内の物理的又は化学的又は生物学的プロセスから拡がるガスの撮像に適した装置、装置の使用、及び方法に関する。高コントラスト撮像のための装置は、ビーム（１）を探査ビーム（３）と基準ビーム（７）に分割するためのビームスプリッタ（２１）であって、前記探査ビーム（３）は物体（６）に向けられる、ビームスプリッタ（２１）と；前記探査ビーム（３）を前記物体（６）から受光し、前記物体（６）をその物体上に結像する自己結像システム（３０）であって、好適な実施形態では、該システム（３０）は反射された探査ビーム（３１）の分散を防ぐ、自己結像システム（３０）と；前記探査ビーム（３１）を前記スプリッタ（２１）から受光する検出手段（１１）とを備える。前記ビーム（３）及び（３１）は前記物体（６）と少なくとも２度相互作用し、前記反射された探査ビーム（３１）は最後の相互作用後に更に前記スプリッタ（２１）に向けられる。

Description

本開示は、光学器械、特に光学探査のための装置及び方法に関し、好ましくは、それだけではないが、ガス噴射特性評価のために光学手段を使用する方法及び装置に関する。より具体的には、本発明は高コントラスト撮像のための装置及び方法に関する。

ガス標的は、高出力レーザーとガス媒質の相互作用、特にレーザー航跡場加速器のために頻繁に使用される。各ガス標的は異なる密度で有り得、ノズルの上方の密度分布を評価するのが特に困難である。ガス密度は異なってもよいが、通常１０^１６原子／ｃｍ^３と１０^１９原子／ｃｍ^３の間であり、標的長さはミリメートル未満から数センチメートルまでの範囲である。また、代表的なガス（大抵、希ガスが使用される）の屈折率は１に非常に近い。従って、小さな寸法の低密度ガス噴射の場合、高精度で密度分布を測定する又はガス噴射の特性をパラメータ化することは難しい課題である。

１０ＧｅＶに達するエネルギーを持つ電子などの２次粒子（２次放射線）を供給するレーザー駆動加速器を得るために、レーザービームがその中を伝播しうる均一密度ガス媒質（又は周知の密度プロファイルを持つガス媒質）が必要である。従って、このようなガス標的を特性評価するための装置及び方法が必要である。確立された最新の方法によれば、ガス密度分布は干渉分光法によって単一投影又は断層撮影構成で測定され、計算流体力学を使用して確証されうる。第２の確立された方法は探査ビームの吸収を使用して密度分布を評価することである。

一般に、最新の干渉分光法は図１に示すようにマイケルソン干渉計を採用する。探査レーザー源からの光ビーム１は、図１に示すようにビームスプリッタ２を使ってほぼ等しい振幅を持つ２つの部分３及び７に分割される。これらのビームは２つの鏡８で反射されてスプリッタ２に戻る。物体６が、その屈折特性を測定するために、干渉計のアームの１つ内に置かれ、ビームが物体を２度通過する。干渉計の出力は２つのアームを進む光線間の位相差に依存する。干渉縞中の空間変位は高速光ダイオード又は光電子増倍管を使用して電圧変化として、又は領域検出器（例えば、ＣＣＤカメラ）によって検出される強度変調変化として測定されうる。上記の解決策では、探査ビームが媒質を２度通過し、ビームへの物体の影響を増加させる。しかし、これは適切な結像を可能にしないので、空間分布に関する情報が失われる。

これを避けるために、マッハ・ツェンダー干渉計を検出器上に物体を結像しながら使用できる。しかし、探査ビームは物体を１度だけ通過可能で、かなり低い測定感度になる。マッハ・ツェンダー干渉計では、図２に示すように、探査ビームは異なる経路３及び７を通った後、再結合する。これは観察される干渉縞の解釈を簡単にすることがあるが、探査ビームは着目する物体を１度だけ通過する。

特許文献１は管又は容器から漏れたガスを撮像するためのシステムを開示する。このシステムは光放射源と後方散乱された光放射を検出する検出器とを備える。レーザー源はガスを照らし、次に、光放射が吸収された場合、ガスは視覚化される。特に、ガスが撮像場面内の固形物体からの後方散乱放射戻りを減衰させる場合、ガス画像が生成される。特許文献１はまた、信号対ノイズ比に関する欠点を開示する。特に、戻り信号の信号対ノイズ比が１：１０であれば、ガスによる減衰は戻り信号を減少させ、信号はノイズレベルと等しくなり、従って、検出不能になる。

信号対ノイズ比に関する類似の技術問題が特許文献２に説明されている。この問題への解決策は、赤外線ビームを波長に関して２部分に分割できるフィルターを備えた装置として提示されている。第１部分は基準ビーム波長として働き、第２部分はガスを探査するために働く。しかし、この解決策は、少なくとも２つの検出器（赤外線ビデオカメラ及び可視光ビデオカメラ）と対応する電子回路とをガスの得られた画像を視覚化するために必要とするなどの欠点を有する。また、波長はガスの吸収又は透過特徴に対応しなければならない。従って、その装置及び方法を適用しうるある組のガスだけを人は期待しなければならない。

米国特許第６６９０４７２号明細書 米国特許第５６５６８１３号明細書

上記の従来技術に関して本発明が解決しようとする技術課題は、低コントラスト（吸収、位相シフト、又は偏光変化において）の物体を増加した感度（コントラスト）で探査し撮像できる装置及び方法を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、高コントラスト撮像のための装置が提供される。この装置は入射ビームを探査ビームと基準ビームに分割するビームスプリッタを備える。探査ビームは着目する物体に向けられる。基準ビームは、ある実施形態ではビームダンプに向けられ、別の実施形態では、平面鏡に向けられる。この装置は探査ビームを物体から受光し、好ましくはビームの分散を防ぎながら、物体をその物体上に結像できる自己結像システムを更に備える。従って、探査ビームは物体と少なくとも２度相互作用する。１度目の相互作用は探査ビームがスプリッタから自己結像システムへ伝播する間に発生する。２度目の相互作用はビームが自己結像システムからビームスプリッタへ反射された時に発生する。

従って、探査ビームは物体と少なくとも２度相互作用し（例えば、物体を通過する）、物体は自身上に結像される。従って、空間情報は２度の相互作用構成において保存される。本装置は検出手段を更に備え、検出手段は最も簡単な形態では結果の探査ビームを分析する検出器でありうる。

本発明は、下記に説明する、特性評価の空間分解能を保ったまま向上した感度で調査対象の物体の構造的特性を分析するための装置及び方法を提供する。

ある実施形態では、ビームは電磁放射ビーム、例えば可視光ビーム、マイクロ波放射、ＩＲ、ＮＩＲ、ＵＶ、又はＥＵＶ放射ビームでありうる。別の実施形態によれば、ビームはまた、質量粒子、例えば電子のビームでありうる。光ビームは、物質内の自然現象を撮像するためにガス標的などの光学的に透明な物質又は金属や生物膜などの光学的に反射性の物質の密度分布を撮像するために有利に使用されうる。自然現象は、例えばバイオ技術分離プロセス及び制御された薬剤投与において発生する輸送現象でありうる。一方、電子ビームは、試料を透過するか又は反射された電子ビームの位相分布を使用するホログラフィーに使用され、干渉顕微鏡写真として表示されうる。

ビームスプリッタは部分反射ミラー又は偏光ビームスプリッタ又は回折格子でありうる。好適な実施形態では、ビームスプリッタは探査ビームと基準ビームに分割しそれらを再結合するように働く。光放射の場合、ビームスプリッタは光学スプリッタ、例えば部分反射する金属又は透明基板上の誘電体膜でありうる。電子などの荷電粒子のビームの場合、スプリッタはメーレンシュテット型電子複プリズムでありうる。更に別の実施形態では、質量粒子放射の場合、ビームスプリッタは印加磁界に従ってビームを分割するものであってもよい。

物体から探査ビームを受光する自己結像システムは、物体をその物体上に結像できる一方、好適な実施形態では、該システムはビームの分散を防ぐ。このシステムはレンズなどの結像素子を備えることができ、結像素子は粒子又は波のビームの第１部分を凹面反射器の前に集束させ、着目する物体の像をその反射器上に作る。反射器は探査ビームを反射し結像システム及びビームスプリッタへ戻す。着目する物体はビームスプリッタとレンズの間に置かれる。別の実施形態では、自己結像システムは複数のレンズを備えうる。別の実施形態では、自己結像システムは、ビームを受光し前記凹面反射器へ送る複数の曲面鏡を備えうる。

着目する物体は本書で幾何光学的な物体を指す。用語「幾何光学的な物体」は当業者の一般常識である。しかし、標準定義によれば、物体は見られている任意の物であると理解されるであろう。例えば、人がレンズを通して、ミラーで、又は他の光学素子で木を見る時、その木は光学的対象と呼ばれる。幾何光学と並行して、物体はまた、質量粒子を求めて観察される又は分析される任意の物であると理解されるであろう。従って、物体は特定の物質などの質量試料、又は電場や磁場などの場でさえありうる。

更により好適な実施形態によれば、着目する物体は透明な物体である。透明な物体はガス噴射から拡がりレーザー物体相互作用に適したガスでありうる。特別な実施形態はガスの密度分布の特性評価を許す。

幾つかの実施形態では、レンズは光学的放射用のレンズでありうる。他の実施形態では、レンズは荷電粒子用の磁気又は電気レンズでありうる。更に他の実施形態では、レンズは中性子ビーム用の磁気レンズでありうる。

検出手段は領域アレイ検出器（カメラ）又は波面センサー又はシンチレーター又は質量粒子用の任意の適切な固体放射検出器でありうる。検出手段は、単一ビームの干渉縞又は波面、特に波面収差（基準ビームを使用しない場合）を記録するために再結合されたビームを検出できる。検出手段はそれら記録の数学演算を提供するコンピュータ装置に更に接続されうる。数学演算は、物体の領域検出器上の適切な結像がされない場合、波伝搬アルゴリズムを使用する数値物体再構成法；物体が円筒対称であると考えられる場合、単一物体投影のアベル逆変換；又は円筒対称性を持たない物体の数回の投影を使用する任意のコンピュータ断層撮影法でありうる。

好適な実施形態では、物体の数値結像がされない場合、検出手段は物体平面を検出器上に結像するためのレンズとその検出器とを備えうる。

別の実施形態によれば、着目する物体は反射性表面である。反射性物質はその欠陥（粗さ、表面形状）が特性評価される光学鏡でありうる。この実施形態の利点は保たれた空間分解能の多重反射である。

別の実施形態によれば、本装置はビームスプリッタと物体の間に配置された４分の１波長板を更に備える。これは物体を円偏光の光で探査するのを可能にする。

別の実施形態によれば、本装置はビームスプリッタと物体の間に配置された半波長板を更に備える。この実施形態は物体の光学異方性（物体により引き起こされ探査ビームの直線偏光方向に依存する探査ビームの位相シフト）を探査するのを許す。

本発明の別の目的は、探査ビームは物体と少なくとも４度相互作用する高コントラスト撮像のための装置を提供することである。この装置は上記記載のビームスプリッタを備える。この装置はビームスプリッタからビームを受光する偏光ビームスプリッタを更に備える。偏光ビームスプリッタはビームをその偏光に従って物体へ透過させる。この装置は物体から探査ビームを受光する４分の１波長板と、前記４分の１波長板から前記ビームを受光し、前記ビームを反射して前記４分の１波長板に戻す第１自己結像システムと、前記物体及び偏光ビームスプリッタとを含む第１枝路を更に備える。この装置は、第２自己結像システムを含み前記第１枝路から前記ビームを受光する第２枝路を更に備える。この装置は上記記載の検出手段を更に備える。

より好適な実施形態では、ビームスプリッタはビームを探査ビームと基準ビームに分割し、検出器は干渉縞を検出する。

本実施形態は、探査ビームの偏光状態を変えない物体の特性測定の信号対ノイズ比を増加させるために特に有用である。

本発明の別の目的は、探査ビームは着目する物体とｎ回相互作用する装置を提供することである（ｎは自然数）。高コントラスト撮像のためのこの装置は上記記載のビームスプリッタを備える。この装置は上記記載の偏光ビームスプリッタを更に備える。また、この装置は、偏光ビームスプリッタからビームを受光し着目する物体へ前記ビームを透過させるポッケルス・セルと、着目する物体から前記ビームを受光し、前記ビームを反射して前記物体に戻す第１自己結像システムと、前記ポッケルス・セル及び偏光ビームスプリッタとを含む第１枝路を備える。この装置は、上記記載の第２枝路と検出手段とを更に備える。

上記記載の実施形態は、探査ビームの物体との複数回の相互作用により、物体の自己結像により空間情報を保ちながら感度（又は信号対ノイズ比）を増加させる可能性を提供する。この実施形態は特に探査ビームの偏光を変えない物体を探査するために有用である。

本発明の別の態様によれば、高コントラスト撮像のための方法が提供される。この方法は、
ａ．ビームスプリッタに向けられた入射ビームを供給するステップであって、前記ビームスプリッタは前記ビームを探査ビームと基準ビームに分割し、前記探査ビームは物体に向けられる、ステップと、
ｂ．前記探査ビームの物体との１度目の相互作用をさせるステップと、
ｃ．物体の像をその物体上に結像するステップであって、好ましくは前記探査ビームの分散を防ぎながら、反射された探査ビームは前記物体と少なくとも２度相互作用する、ステップと、
ｄ．最後の相互作用後に前記反射された探査ビームを前記ビームスプリッタに向けるステップと、
ｅ．前記ビームを検出するステップと、
を含む。

好適な実施形態によれば、前記ステップｃは
ｆ．前記探査ビームを結像システムによって集束させるステップと、
ｇ．前記探査ビームを凹面鏡で反射し、反射された探査ビームを供給するステップと、
ｈ．前記反射された探査ビームを結像システム及び物体に向けて戻すステップと
を更に含む。

別の好適な実施形態によれば、この方法は
ｉ．干渉縞を再結合されたビームにより検出するステップ
を更に含む。

好適な実施形態では、前記探査ビームの物体との相互作用は透過又は反射であり、前記物体は前記探査ビームの振幅、位相、又は偏光に影響を及ぼす。

別の好適な実施形態では、この方法は、ステップｂの前に前記探査ビームを円偏光にするステップを含む。

別の好適な実施形態では、この方法は、ステップｂの前に前記探査ビームの直線偏光を回転させるステップを更に含む。

本発明の別の好適な実施形態は、少なくとも４度の相互作用のための方法を提供することである。この方法は次の順に
ｊ．前記探査ビームを偏光ビームスプリッタに更に向けるステップと、
ｋ．前記探査ビームをその偏光に従って分割するステップであって、前記探査ビームは物体に向けられる、ステップと、
ｌ．４分の１波長板を２度透過させることで偏光を変えるステップと、
ｍ．前記探査ビームを前記物体の第１自己結像システムに集束させ反射させるステップと、
ｎ．前記偏光ビームスプリッタを透過するか又は反射されるステップと、
ｏ．前記探査ビームを前記物体の第２自己結像システムに集束させ反射させるステップと、
ｐ．前記偏光ビームスプリッタを透過するか又は反射されるステップと、
ｑ．前記４分の１波長板を２度透過させることで偏光を変えるステップと、
ｒ．前記探査ビームを前記物体の第１自己結像システムに集束させ反射させるステップと、
ｓ．前記偏光ビームスプリッタによって反射されるか又は透過するステップと
を更に含む。

本発明の別の好適な実施形態は、少なくともｎ回の相互作用のための方法を提供することである（ｎは自然数）。この方法は次の順に
ｔ．前記探査ビームを偏光ビームスプリッタに更に向けるステップと、
ｕ．前記探査ビームをその偏光に従って分割するステップであって、前記探査ビームは物体に向けられる、ステップと、
ｖ．ポッケルス・セルを透過させることで偏光を変えるステップと、
ｗ．前記探査ビームを前記物体の第１自己結像システムに集束させ反射させるステップと、
ｘ．前記偏光ビームスプリッタを透過するか又は反射されるステップと、
ｙ．前記探査ビームを前記物体の第２自己結像システムに集束させ反射させるステップと、
ｚ．前記偏光ビームスプリッタを透過するか又は反射されるステップと、
ａａ．前記ポッケルス・セルによって偏光を変えるステップと、
ｂｂ．前記探査ビームを前記物体の第１自己結像システムに集束させ反射させるステップと、
ｃｃ．前記偏光ビームスプリッタによって反射されるか又は透過するステップと
を更に含む。

物体の探査ビームへの影響は複数回の相互作用によって増大する一方、空間情報は保存される。

電磁波が探査ビームとして使用される場合、人は次のものを測定できる。

１）物体の空間分解された吸収率又は反射率。複数回の相互作用により吸収率（反射率）コントラストを増加させる、
２）物体により引き起こされた探査ビームの空間分解された位相シフト。単一の相互作用に対して位相シフトを増大させる、又は
３）空間分解された光学的異方性。複数回の相互作用により探査ビームの偏光への物体の影響を増加させる。

マイケルソン干渉計に基づく最新技術に係る実施形態を例示する。 マッハ・ツェンダー干渉計に基づく最新技術に係る実施形態を例示する。 本発明に係る第１実施形態を例示する。 本発明に係る第１実施形態の好適な実施形態を例示する。 本発明に係る第１実施形態の、物体の像を検出器上に作る集束系を更に備える好適な実施形態を例示する。 本発明に係る第２実施形態を例示する。 本発明に係る第３実施形態を例示する。 本発明に係る第４実施形態を例示する。 本発明に係る第５実施形態を例示する。 本発明に係る第６実施形態を例示する。 左列はマッハ・ツェンダー干渉計（図２）の最新の実施形態に係る記録された位相マップを、図５に示す実施形態（右列）と比較して示す。物体は超音速アルゴンガス噴射であり、４０５ｎｍレーザービームにより探査された。バルブの２つの異なる背圧３バール（上行）及び１５バール（下行）を使用した。 探査ビームの位相への物体の影響を分析するために結像レンズ及び波面センサーを使用する（基準ビームを使用せず）図３に示した実施形態に係る記録された位相マップを示す。物体は超音速アルゴンガス噴射であり、４０５ｎｍレーザービームにより探査された。バルブの２つの異なる背圧３バール（上行）及び１５バール（下行）を使用した。

図３は本発明の第１実施形態を示す。第１実施形態では、光学的放射の入射ビーム１がビームスプリッタ２１に向けられる。ビームスプリッタ２１は入射ビーム１を探査ビーム３と基準ビーム７に分割する。探査ビーム３は更に調査対象の物体（例えば、ガス標的）６に向けられる。ガスは、例えばガス噴射から出ることがある。探査ビーム３は更に物体６から探査ビーム３を受光するための自己結像システム３０に向けられる。自己結像システム３０は物体６をその物体上に結像できる。好適な実施形態では、システム３０は反射ビーム３１の分散を防ぐ。好適な実施形態では、システム３０は、探査ビーム３を凹面鏡５の前に集束させ物体６の像６’を鏡５上に作るレンズ４を備える。鏡５は探査ビーム３を反射してレンズ４へ戻し反射探査ビーム３１を供給する。好適な実施形態では、凹面鏡５は反射探査ビーム３１の焦点をレンズ４が作る探査ビーム３の焦点と同じ位置に作る。レンズ４は物体６の像６’をその物体上に結像する。ビーム３及び３１は同じ物体６を探査しガスと２度目の相互作用をする。第１実施形態では、基準ビーム７は、例えばビームダンプ（図３に不図示）に向けられうる。

反射探査ビーム３１の物体６との第２の相互作用後、反射探査ビーム３１はビームスプリッタ２１に向けられ、ビームスプリッタ２１は反射探査ビーム３１を検出手段１１に向け直す。向け直された探査ビーム３１は、例えば物体６によって引き起こされた波面の乱れに関する情報を提供しうる。検出手段１１は、集束光学素子、例えば集束レンズ９と波面センサー又はビームの診断に適切な別の撮像素子とを有する領域検出器１１０（例えば、ＣＣＤカメラ）でありうる。検出手段１１からの記録は計算ユニットによって数学的方法を使用して更に処理され、物体の特性、例えばガスの密度分布（図３に不図示）を評価することができる。

より有利な実施形態では、図４に示すように、ビームスプリッタ２１は入射ビーム１を少なくとも２つの部分に分割する。第１部分は探査ビーム３として働き、調査対象の物体（例えば、ガス標的）６に向けられる。ビームの第２部分は平面鏡８に向けられ、基準ビーム７として働く。反射探査ビーム３１の物体との第２の相互作用後、探査ビーム３１はビームスプリッタ２１に向けられ、ビームスプリッタ２１はビームを検出手段１１に向け直す。ビーム１’は向け直された探査ビーム３１と基準ビーム７が再結合したビームである。検出手段１１は、集束光学素子を有する領域検出器（例えば、ＣＣＤカメラ）でありうる。検出器は干渉縞を記録でき、干渉縞は計算ユニットによって数学的方法を使用して更に処理され、物体の特性、例えばガスの密度分布（図４に不図示）を評価することができる。

別の有利な実施形態では、図５に示すように、第２の相互作用後の反射探査ビーム３１或いは再結合ビーム１’は結像システム９（例えば、レンズ）によって更に集束され、物体６の像１０を分析のために提供しうる。結像システム９は検出器１１０と共に検出手段１１を構成する。

上記の配置によって提供される技術的効果は、光学探査方法（吸収分析のための撮像、位相シフト分析のための干渉分光法、及び／又は物体の偏光効果を評価する方法）の感度の２倍の増加である。

図６は第２実施形態を表す。第２実施形態によれば、光学入射ビーム１はビームスプリッタ２１に向けられる。ビームスプリッタ２１はビーム１を２つの部分に分割する。第１部分は探査ビーム３として働き、探査ビーム３を反射しうる着目する物体６に向けられる。第２部分は平面鏡８に向けられ、基準ビーム７として働く。

第２実施形態によれば、着目する物体６は探査ビーム３を反射する物質であり得、例えば分析の対象である。探査ビーム３は次に結像システム４に向けられ、凹面鏡５によって反射され結像システム４へ戻される。反射探査ビーム３１は物体６に向けられ、その物質構造の２度目の探査をする。反射探査ビーム３１はその物質と２度目の相互作用をした後、ビームスプリッタ２１に向けられ、ビームスプリッタ２１は反射探査ビーム３１を検出手段１１に向ける。検出器は物体によって引き起こされた探査ビームの光学的乱れを、振幅、位相、及び／又は偏光状態を評価することで分析する。

より有利な実施形態では、再結合ビーム１’は第２結像システム９によって更に集束され、干渉縞を像平面において提供しうる。

本発明の第２実施形態は、反射界面の調査に適しうる。反射界面ではそれらの影響が探査ビームの振幅、位相、及び／又は偏光に刻印されうる。人は空間分解された反射率、表面形状、及び／又は、例えば表面張力により引き起こされた異方性に関する情報を評価できる。

図７は第３実施形態を表す。第３実施形態によれば、直線偏光入射ビーム１はビームスプリッタ２１に向けられ、ビームスプリッタ２１はビーム１を探査ビーム３と基準ビーム７とに分割する。基準ビーム７は平面鏡８に向けられる。探査ビーム３は４分の１波長板λ／４に向けられる。４分の１波長板λ／４において、ビーム３の直線偏光は円偏光に変わる。円偏光の利点は、例えばキラル化合物の空間分布の調査のために使用されうる。探査ビーム３が着目する物体６を探査した後、結像システム４によって集束され、凹面鏡５により反射され結像システム４へ戻されるので、物体６は自身の上に結像される。円偏光反射探査ビーム３１の反射部分は物体６の２度目の探査を行いスプリッタ２１に戻される。スプリッタ２１は反射探査ビーム３１を検出手段１１に向け、再結合ビーム１’は検出手段１１に向けられる。得られた再結合ビーム１’は標準光学方法（撮像、干渉分光法、波面検知、偏光分析法／偏光解析法）によって更に特性評価されうる。

図８は第４実施形態を表す。第４実施形態は、偏光スプリッタ２１に向けられた直線偏光入射ビーム１の光源を備える。スプリッタ２１は直線偏光ビーム１を直交偏光する２つの部分に分割し、第１部分は探査ビーム３として働き、第２部分は基準ビーム７として働く。

第１部分３は半波長板λ／２に向けられ、そこで偏光ベクトルは任意に回転させられる。分析される物体６は半波長板λ／２と結像システム４の間に配置される。探査ビーム３は物体６を通過する。次に、探査ビーム３は凹面鏡５から反射後に物体６に２度目に向けられる。反射探査ビーム３１は半波長板λ／２に更に向けられ、半波長板λ／２は偏光を回転して元の方向（物体によって影響されていなければ）に戻し、反射探査ビーム３１はスプリッタ２１に向けられ、スプリッタ２１は再結合ビーム１’を検出手段１１へ放つ。

本実施形態は光学的異方性を示す物体を分析するのに特に適している。光学的異方性は自然に存在するか又は、例えば物質張力によって引き起こされうる。

図示しない他の実施形態では、電子ビームを使用できる。

電子ビームを使用する実施形態は、電子結像及び分光法技術を可能にする電子ホログラフィー干渉法に特に適しうる。可干渉性電子ビームを供給する電子銃によって放出されうる電子ビームはスプリッタに向けられる。スプリッタは電子ビームを第１部分と第２部分に分割するように構成される。電子ビームスプリッタは現在知られた最新のスプリッタ、例えばメーレンシュテット型電子複プリズム又は印加磁界に従ってビームを分割する原理に基づくスプリッタであってもよい。

電子ビームの第１部分は、電子ビームの位相を変えうる分析対象の物体に向けられる。分析対象の物体は、例えば従来の方法による分析には弱すぎる外部磁界又は電界であってもよい。物体はメーレンシュテット型電子複プリズムと電子レンズの間に配置される。レンズは第１部分電子ビームを電子反射器、例えば凹状物体上の帯電層の前に集束させる。同時に物体は反射器上に結像される。第２部分電子ビームは基準ビーム７として働く。

ビームの両部分の再結合後に、検出器（シンチレーター又は撮像光学器械を備えたガス検出器）は結果の画像を検出する。結果の画像は電子ホログラムとして記録された干渉縞パターンであってもよい。

図９は本発明に係る第５実施形態を示す。第５実施形態は、物体６を少なくとも４回探査するのを可能にする。第５実施形態に係る装置はビームスプリッタ２１に入射する入射ビーム１を含む。ビームスプリッタ２１はビーム１を２つの部分に分割する。第１部分は探査ビーム３として働き、第２部分は基準ビーム７として働く。基準ビーム７は平面鏡８などの平面反射器に向けられ、平面鏡８は基準ビーム７を反射しスプリッタ２１に戻す。第１部分は偏光ビームスプリッタ２２に更に向けられ、スプリッタ２２は探査ビーム３を偏光に従って分割する。透過可能な偏光を有する探査ビーム３は次に図９の右側に示された第１枝路に向けられる。第１枝路は物体６及び４分の１波長板λ／４を含む。４分の１波長板λ／４はそれを通過する光波の偏光状態を変え、特に４分の１波長板λ／４は直線偏光の光を円偏光の光に変換する。第１枝路は４分の１波長板λ／４から探査ビーム３を受光するように構成された第１自己結像システム３０を更に含む。自己結像システムは第１結像システム４と結像システム４からの探査ビーム３を反射し、好ましくはシステム４の焦点をそれ自身上に結像するように構成された第１凹面鏡５とを備える。凹面鏡５は探査ビーム３を結像システム４に反射し、従って、システム３０はビームを反射し４分の１波長板λ／４へ戻し、探査ビーム３と物体６の２度目の相互作用が発生し、物体の自己結像を保証する（より好ましくはビーム分散を防ぎながら）。探査ビーム３１は次に図９の左側に示された第２枝路に向けられる。第２枝路は、物体の第２自己結像システム３０及びビーム３の反射を実質的に提供する第２結像システム４及び第２凹面鏡５を含む。ビーム３は次に再び第１枝路に向けられ物体６との３度目及び４度目の相互作用が発生する。４分の１波長板λ／４は、探査ビームの物体との２度目の相互作用の前に探査ビーム３の偏光を９０度回転するのを保証し、偏光ビームスプリッタ２２を透過するのを保証する。ビームが４分の１波長板λ／４を４度目に通過後、偏光は回転され元の方向に戻り、探査ビーム３の偏光ビームスプリッタ２２による反射を保証しビーム３１を供給する。ビーム３１は更にビームスプリッタ２１に向けられ、ビームスプリッタ２１はそれを検出器１１へ反射する。検出器１１は物体の探査ビームへの光学的影響（その振幅又は位相）を分析する。

本実施形態は探査ビームの物体との４回の相互作用によって、空間分解能を保ちながら
測定の感度（信号対ノイズ比）を増加させ、光学的に等方性の物体に特に有利である。

図１０は本発明に係る第６実施形態を示す。第６実施形態は、物体６をｎ回探査するのを可能にする。ｎは自然数である。第６実施形態に係る装置はビームスプリッタ２１を備える。入射ビーム１はビームスプリッタに入射するパルスレーザー放射であり、ビームスプリッタは入射ビーム１を探査ビーム３と基準ビーム７に分割する。探査ビーム３は偏光ビームスプリッタ２２に更に向けられる。偏光ビームスプリッタ２２は探査ビーム３を偏光に従って第１枝路へ反射する。第１枝路はポッケルス・セル１２を含み、ポッケルス・セル１２はそれを通過するビーム３の偏光を印加電圧に従って回転するように構成される。偏光回転の時点、即ち電圧パルス遅延は、物体６との相互作用の所望の数に従って選択される。探査ビーム３はポッケルス・セル１２から物体６及び自己結像システム３０へ続く。自己結像システムは結像システム４及び凹面鏡５を備える。反射探査ビーム３１はこの枝路を通って第５実施形態で説明したのとほぼ同じ第２枝路へ進む。ｎ番目の相互作用の後、反射探査ビーム３１は反射されてビームスプリッタ２１に戻り、少なくとも部分反射し、検出手段１１へ続く。本実施形態は探査ビームへの物体の影響の多倍増加において特に有用である。

第５及び第６実施形態における物体６は、本発明の第２実施形態の記載に係る反射性の界面でありうることは理解されよう。

本開示は、図３及び５に示された実施形態に従って実行された実験の結果を図１１及び１２に更に開示する。

上記実施形態に関する本発明は、特定の用途を光学撮像、干渉分光法、ホログラフィー、偏光分析法、及び／又は偏光解析法に見つける。

１ 探査ビーム、例えば光ビームなどの電磁放射、例えば可視レーザー、ＩＲ、ＵＶ、ＸＵＶ、又は質量粒子ビーム、例えば電子、陽子、中性子ビーム
１’ 再結合ビーム
２１ ビームスプリッタ
２２ 偏光ビームスプリッタ
３ 第１部分ビーム（探査ビーム）
３０ 物体をその物体上に結像する手段（ビームの分散を防ぎながら）
３１ 反射された第１部分ビーム
４ 結像システム（例えば、レンズ）
５ 凹面反射器、例えば凹面鏡
６ 物体（幾何光学的な）
６’ 物体（６）の像
７ 第２部分ビーム（基準ビーム）
８ 平面反射器、例えば平面鏡
９ 物体平面を検出器上に結像するためのシステム、例えばレンズ
１０ 物体（６）の像（検出に適した）
１１ 検出器、例えば結像レンズ、波面センサー、又はビーム特性の空間マッピングを可能にする別の検出素子を有する領域アレイ検出器（例えば、ＣＣＤカメラ）
１１０ 領域アレイ検出器（例えば、ＣＣＤカメラ）
１２ ポッケルス・セル
λ／４ ４分の１波長板
λ／２ 半波長板

Claims (21)

1. 高コントラスト撮像のための装置であって、
   ビーム（１）を探査ビーム（３）と基準ビーム（７）に分割するためのビームスプリッタであって、前記探査ビーム（３）は物体（６）に向けられる、ビームスプリッタ（２１）と、
   前記探査ビーム（３）を前記物体（６）から受光し、前記物体（６）をその物体上に結像する自己結像システム（３０）であって、
   該システム（３０）は好ましくは反射された探査ビーム（３１）の分散を防ぎ、
   前記ビーム（３）及び（３１）は前記物体（６）と少なくとも２度相互作用し、
   前記反射された探査ビーム（３１）は最後の相互作用後に更に前記スプリッタ（２１）に向けられる、自己結像システム（３０）と、
   前記反射された探査ビーム（３１）を前記スプリッタ（２１）から受光する検出手段（１１）と
   を備える装置。
2. 前記自己結像システム（３０）は結像素子、好ましくはレンズ（４）と、前記探査ビーム（３）を前記物体（６）との１度目の相互作用から受光する凹面鏡（５）とを備え、前記凹面鏡は前記探査ビーム（３）を反射し前記結像素子、好ましくはレンズ（４）に戻し、前記反射された探査ビーム（３１）を供給する、請求項１記載の装置。
3. 前記ビームスプリッタ（２１）は部分反射するミラー又は偏光ビームスプリッタ（２２）又は回折格子である、先行する請求項のいずれかに記載の装置。
4. 前記基準ビーム（７）は平面鏡（８）によって反射されて前記スプリッタ（２１）に戻され、前記反射された探査ビーム（３１）と再結合され、前記検出手段（１１）は干渉縞を検出する、先行する請求項のいずれかに記載の装置。
5. 着目する前記物体（６）は透明な物体であり、好ましくはガスである、先行する請求項のいずれかに記載の装置。
6. 着目する前記物体（６）は反射性の界面である、請求項１～４のいずれかに記載の装置。
7. 前記ビームスプリッタ（２１）と前記物体（６）の間に配置された４分の１波長板（λ／４）を更に備える先行する請求項のいずれかに記載の装置。
8. 前記ビームスプリッタ（２１）と前記物体（６）の間に配置された半波長板（λ／２）を更に備える先行する請求項のいずれかに記載の装置。
9. 前記検出手段（１１）は、ビーム（１’）及び前記ビーム（３１）を検出器（１１０）上に集束させるための結像システム（９）、好ましくはレンズを更に備える、先行する請求項のいずれかに記載の装置。
10. 高コントラスト撮像のための装置であって、
    請求項１に記載のビームスプリッタ（２１）と、
    前記スプリッタ（２１）から前記探査ビーム（３）を受光し前記探査ビーム（３）をその偏光に従って物体（６）に向ける偏光ビームスプリッタ（２２）であって、前記ビーム（３）は電磁放射ビーム、好ましくはレーザービームである、偏光ビームスプリッタ（２２）と、
    第１枝路と、
    第２自己結像システム（３０）を含み前記第１枝路から前記探査ビーム（３）を受光する第２枝路と、
    請求項１に記載の検出手段（１１）と
    を備え、
    前記第１枝路は、
    前記物体（６）から前記探査ビーム（３）を受光する４分の１波長板（λ／４）と、
    前記４分の１波長板（λ／４）から前記ビームを受光し、前記ビームを反射して前記４分の１波長板（λ／４）に戻す第１自己結像システム（３０）と、
    前記物体（６）及び偏光ビームスプリッタ（２２）と
    を含む、装置。
11. 基準ビームは平面鏡（８）によって反射され前記スプリッタ（２１）に戻され、前記反射された探査ビーム（３１）と再結合され、前記検出手段（１１）は干渉縞を検出する、請求項１０記載の装置。
12. 高コントラスト撮像のための装置であって、
    請求項１に記載のビームスプリッタ（２１）と、
    請求項１０に記載の偏光ビームスプリッタ（２２）と、
    第１枝路と、
    請求項１０に記載の第２枝路と、
    請求項１に記載の検出手段（１１）と
    を備え、
    前記ビーム（１）はパルスレーザー放射ビームであり、
    前記第１枝路は、
    前記スプリッタ（２２）から前記ビーム（３）を受光し着目する物体（６）からの前記ビーム（３）を透過させるポッケルス・セル（１２）と、
    前記着目する物体（６）から前記ビーム（３）を受光し、前記ビーム（３）を反射して前記ポッケルス・セル（１２）に戻す第１自己結像システム（３０）と、
    前記物体（６）及び前記偏光ビームスプリッタ（２２）と
    を含む、装置。
13. 光学的に透明な物体の密度分布分析のための先行する請求項のいずれかに記載の装置の使用であって、前記物体は好ましくはガス噴射又はプラズマから拡がるガスである、装置の使用。
14. 高コントラスト撮像のための方法であって、
    ａ．ビームスプリッタ（２１）に向けられた入射ビーム（１）を供給するステップであって、前記ビームスプリッタ（２１）は前記ビーム（１）を探査ビーム（３）と基準ビーム（７）に分割し、前記探査ビーム（３）は物体（６）に向けられる、ステップと、
    ｂ．前記探査ビーム（３）の物体（６）との１度目の相互作用をさせるステップと、
    ｃ．物体（６）の像をその物体上に結像するステップであって、好ましくは前記探査ビーム（３）の分散を防ぎながら、反射された探査ビーム（３１）は前記物体（６）と少なくとも２度相互作用する、ステップと、
    ｄ．最後の相互作用後に前記反射された探査ビーム（３１）を前記ビームスプリッタ（２１）に向けるステップと、
    ｅ．前記ビーム（３１）を検出するステップと、
    を含む方法。
15. 前記ステップｃは
    ｆ．前記探査ビーム（３）を結像システム（４）によって集束させるステップと、
    ｇ．前記探査ビーム（３）を凹面鏡（５）で反射し、反射された探査ビーム（３１）を供給するステップと、
    ｈ．前記反射された探査ビーム（３１）を結像システム（４）及び物体（６）に向けて戻すステップと
    を更に含む、請求項１４記載の方法。
16. ｉ．干渉縞を再結合されたビーム（１’）により検出するステップ
    を更に含む請求項１４又は１５記載の方法。
17. 前記探査ビーム（３）の物体（６）との相互作用は透過又は反射であり、前記物体（６）は前記探査ビーム（３）及び（３１）の振幅、位相、又は偏光に影響を及ぼす、請求項１４～１６のいずれかに記載の方法。
18. ステップｂの前に前記探査ビーム（３）を円偏光にするステップを含む請求項１４～１６のいずれかに記載の方法。
19. ステップｂの前に前記探査ビーム（３）の偏光ベクトルを回転させるステップを更に含む請求項１４～１６のいずれかに記載の方法。
20. 前記ビーム（１）は電磁放射ビーム、好ましくはレーザービームであり、次の順に
    ｊ．前記探査ビーム（３）を偏光ビームスプリッタ（２２）に更に向けるステップと、
    ｋ．前記探査ビーム（３）をその偏光に従って分割するステップであって、前記探査ビーム（３）は物体（６）に向けられる、ステップと、
    ｌ．４分の１波長板（λ／４）を２度透過させることで偏光を変えるステップと、
    ｍ．前記探査ビーム（３）を前記物体（６）の第１自己結像システム（３０）に集束させ反射させるステップと、
    ｎ．前記偏光ビームスプリッタ（２２）を透過するか又は反射されるステップと、
    ｏ．前記探査ビーム（３）を前記物体（６）の第２自己結像システム（３０）に集束させ反射させるステップと、
    ｐ．前記偏光ビームスプリッタ（２２）を透過するか又は反射されるステップと、
    ｑ．前記４分の１波長板（λ／４）を２度透過させることで偏光を変えるステップと、
    ｒ．前記探査ビーム（３）を前記物体（６）の第１自己結像システム（３０）に集束させ反射させるステップと、
    ｓ．前記偏光ビームスプリッタ（２２）によって反射されるか又は透過するステップと
    を更に含む請求項１６記載の方法。
21. 前記ビーム（１）はパルスレーザー放射であり、次の順に
    ｔ．前記探査ビーム（３）を偏光ビームスプリッタ（２２）に更に向けるステップと、
    ｕ．前記探査ビーム（３）をその偏光に従って分割するステップであって、前記探査ビーム（３）は物体（６）に向けられる、ステップと、
    ｖ．ポッケルス・セル（１２）を透過させることで偏光を変えるステップと、
    ｗ．前記探査ビーム（３）を前記物体（６）の第１自己結像システム（３０）に集束させ反射させるステップと、
    ｘ．前記偏光ビームスプリッタ（２２）を透過するか又は反射されるステップと、
    ｙ．前記探査ビームを前記物体（６）の第２自己結像システム（３０）に集束させ反射させるステップと、
    ｚ．前記偏光ビームスプリッタ（２２）を透過するか又は反射されるステップと、
    ａａ．前記ポッケルス・セル（１２）によって偏光を変えるステップと、
    ｂｂ．前記探査ビーム（３）を前記物体（６）の第１自己結像システム（３０）に集束させ反射させるステップと、
    ｃｃ．前記偏光ビームスプリッタ（２２）によって反射されるか又は透過するステップと
    を更に含む請求項１６記載の方法。

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