JP3594878B2

JP3594878B2 - Method and apparatus for measuring cross-sectional image of measurement sample

Info

Publication number: JP3594878B2
Application number: JP2000162054A
Authority: JP
Inventors: 学佐藤; 直弘丹野
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: JP2001343321A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定試料の断面画像測定方法及びそのための装置に係り、特にヘテロダイン検出法を用いた空間干渉信号処理による断面画像測定に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては以下に開示されるようなものがあった。
【０００３】
既知の空間干渉を用いた断層画像測定方法は、干渉強度パターンのエンベローブ形状測定から試料内での反射点の同定を行い、断層画像を測定するようにしている。つまり、干渉強度パターンのエンベローブの形状測定より、反射点の同定をしており、エンベローブの幅が空間分解能となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来は、干渉強度パターンのエンベローブの形状測定より、反射点の同定をしており、エンベローブの幅が空間分解能となっており、分解能が低いといった問題があった。
【０００５】
つまり、従来の光波コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）では、コヒーレンス長が空間分解能の限界であった。
【０００６】
本発明は、上記問題点を除去し、光軸方向の空間分解能を向上させ、高感度化・高空間分解能化を図ることができる測定試料の断面画像測定方法及びそのための装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、
〔１〕光軸方向の後方散乱光強度プロファイルの測定と光軸に対する横方向走査とを交互に行うことによる測定試料の断面画像測定方法において、ヘテロダイン検出方式を用いて空間干渉強度分布測定を行い、前記空間干渉強度値をＮ乗し、その半値全幅をほぼ１／√Ｎに狭くし、光軸方向の空間分解能をほぼ√Ｎ倍に向上させることを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載の測定試料の断面画像測定方法において、前記空間干渉強度値を４乗とし、光軸方向空間分解能を４．７μｍとすることを特徴とする。
【０００９】
〔３〕光軸方向の後方散乱光強度プロファイルの測定と光軸に対する横方向走査とを交互に行うことによる測定試料の断面画像測定装置において、光源と、この光源からの光波がビームスプリッター及び対物レンズを通って照射される測定試料と、この測定試料からの後方散乱光である信号光が前記対物レンズ、前記ビームスプリッター及びバイプリズムを通って入射するとともに、参照光が前記ビームスプリッター、ヘテロダイン検出のための位相変調器を通過後、ミラー及び前記バイプリズムを介して入射し、前記信号光と参照光のなす角２θにより、空間干渉強度パターンを生ぜしめる１次元アレイ光検出装置と、前記位相変調器の変調周波数をｆとして、前記空間干渉強度パターンを時間的に周波数ｆで変化させるとともに、ビート振幅の１次元分布として記憶させるメモリを有する信号処理装置と、前記空間干渉強度値をＮ乗し、その半値全幅をほぼ１／√Ｎに狭くし、光軸方向の空間分解能をほぼ１／√Ｎに向上させる手段とを具備することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明の実施例を示すヘテロダイン検出法を用いた空間干渉信号処理による断面画像測定装置の模式図である。
【００１２】
この図において、１は光源、２はレンズ、３はビームスプリッター（ＢＳ）、４は対物レンズ（ＯＢＪ）、５は測定試料（Ｓ）、６は位相変調器（ＰＭ）、７は第１のミラー（Ｍ１）、８は第２のミラー（Ｍ２）、９はバイプリズム（ＢＰ）、１０は１次元アレイ光検出装置（ＡＤ）、１１は走査装置（ＳＳ）、１２は検波＋フィルタ装置（ＲＦ）、１３は信号処理装置（ＰＣ）である。
【００１３】
以下、本発明の基本原理を図１に基づいて説明する。
【００１４】
光源１からの光波は、ビームスプリッター（ＢＳ）３、対物レンズ（ＯＢＪ）４を通って、測定試料５に照射される。測定試料５からの後方散乱光である信号光２１は、再度、対物レンズ（ＯＢＪ）４、ビームスプリッター（ＢＳ）３、バイプリズム（ＢＰ）９を通って１次元アレイ光検出装置（ＡＤ）１０へ入射する。
【００１５】
一方、参照光２２は、ビームスプリッター（ＢＳ）３、ヘテロダイン検出のための位相変調器（ＰＭ）６を通過後、第１のミラー（Ｍ１）７、第２のミラー（Ｍ２）８、バイプリズム（ＢＰ）９を介して１次元アレイ光検出装置（ＡＤ）１０に入射する。
【００１６】
そこで、信号光２１と参照光２２のなす角２θにより、１次元アレイ光検出装置（ＡＤ）１０上に空間干渉強度パターンが生ずる。位相変調器（ＰＭ）６の変調周波数をｆとすると、強度パターンは時間的に周波数ｆで変化する。１次元アレイ光検出装置（ＡＤ）１０は、光検出器が１次元上にＭ個並んだアレイ状光検出器である。走査装置（ＳＳ）１１は、まず１チャンネル目の光検出器に接続する。その際、光検出器からの周波数ｆのヘテロダインビート信号を検波＋フィルタ装置（ＲＦ）１２を介して信号処理装置（ＰＣ）１３へ入力・記憶されてから、走査装置（ＳＳ）１１は、次の光検出器に接続を行い、順次繰り返すことにより各チャンネルごとに全ての光検出器を接続し、１次元の空間干渉強度パターンをビート振幅の１次元分布として信号処理装置（ＰＣ）１３のメモリ上に実現する。
【００１７】
例えば、参照光路と等しい光路となるサンプル内の基準点ａ点とΔＺ離れたｂ点とによる空間干渉パターンは、後述の式（１）〜（３）で示され、図２（ａ）に示すように直流成分を有する２つの波束となる。
【００１８】
なお、この図２（ａ）において、ｌ_Ｃ＝４ｌ_ｎ ^２λ^２／πΔλ、
２ｘ_０＝ｌ_Ｃ／２ｓｉｎθ、ｘ_Ｓ＝Δｚ／ｓｉｎθ、λ′＝λ／２ｓｉｎθである。
【００１９】
【数１】

【００２０】
【数２】

【００２１】
【数３】

【００２２】
ただし、
Ｉ_Ｒ：参照光強度、Ｉ_Ｓａ：ａ点からの後方散乱光強度、Ｉ_Ｓｂ：ｂ点からの後方散乱光強度、ω_０＝２πｃ／λ：光の角周波数、δ＝πｃΔλ／√（２ｌ_ｎ ^２）λ^２：スペクトル拡がりパラメータ、φ_０：位相変調の変調指数、ｆ：位相変調周波数、Δｚ：基準点ａ点からΔＺ離れたｂ点までの距離、ｘ：１次元アレイ光検出装置上中心位置からの距離である。
【００２３】
ここで、λ′、２ｘ_０、ｘ_Ｓはそれぞれ、干渉の周期、波束の幅、基準点と任意の散乱点との距離による波束のシフトに対応する。
【００２４】
検波＋フィルタ装置（ＲＦ）１２を介して測定されるヘテロダインビート信号の振幅分布は、図２（ｂ）に示すように、バックグラウンドが除去されたエンベローブであり、サンプル内からのコヒーレントな散乱光信号のみを表している。この時の波束の幅は、２ｘ_０であり、空間分解能は、コヒーレント長の半分である。
【００２５】
この振幅分布情報が、信号処理装置（ＰＣ）１３のメモリに記憶されているため、この強度信号値をＮ乗する。Ｎ乗した際の強度分布は、図２（ｃ）に示すようになり、半値全幅がほぼ１／√Ｎに狭くなり、これは光軸方向の空間分解能がほぼ√Ｎ倍向上したことになる。
【００２６】
以上の方法により、光軸方向の後方散乱光強度プロファイルの測定と光軸に対する横方向走査とを交互に行うことにより、断層画像を測定することができる。
【００２７】
具体例としては、光源波長：０．８μｍ、スペクトル幅：３０ｎｍ、アレイ検出器ピッチ：２５μｍ、アレイ長：２５．６ｍｍとする。この時、コヒーレンス長は１８．８μｍとなり、光軸方向の空間分解能は、９．４μｍとなる。サンプリング定理から干渉パターンの周期は５０μｍとなるので、信号光と参照光とのなす各２θは、１．８°となる。この時、サンプル内の測定範囲は、４１０μｍで、４乗の信号処理を仮定すると、光軸方向空間分解能は、４．７μｍとなる。
【００２８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３０】
（Ａ）測定試料の断面画像測定にあたり、空間干渉強度分布測定にヘテロダイン検出方式を用いて高感度かつダイナミックレンジを実現し、Ｎ乗の信号処理により、ほぼ√Ｎ倍の空間分解能の向上を図ることができる。
【００３１】
（Ｂ）高い空間分解能を有する断層画像計測が可能になり、医学分野では新しい臨床診断が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すヘテロダイン検出法を用いた空間干渉信号処理による断面画像測定装置の模式図である。
【図２】本発明の実施例を示すヘテロダイン検出法を用いた空間干渉信号処理による断面画像測定装置による波束を示す図である。
【符号の説明】
１光源
２レンズ
３ビームスプリッター（ＢＳ）
４対物レンズ（ＯＢＪ）
５測定試料（Ｓ）
６位相変調器（ＰＭ）
７第１のミラー（Ｍ１）
８第２のミラー（Ｍ２）
９バイプリズム（ＢＰ）
１０１次元アレイ光検出装置（ＡＤ）
１１走査装置（ＳＳ）
１２検波＋フィルタ装置（ＲＦ）
１３信号処理装置（ＰＣ）
２１信号光
２２参照光[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring a cross-sectional image of a measurement sample and an apparatus therefor, and more particularly to a cross-sectional image measurement by spatial interference signal processing using a heterodyne detection method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there have been techniques disclosed in the following as techniques in such a field.
[0003]
In the tomographic image measurement method using the known spatial interference, a reflection point in the sample is identified from the measurement of the envelope shape of the interference intensity pattern, and the tomographic image is measured. That is, the reflection point is identified by measuring the shape of the envelope of the interference intensity pattern, and the width of the envelope is the spatial resolution.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventionally, the reflection point is identified by measuring the shape of the envelope of the interference intensity pattern, and there is a problem that the width of the envelope has a spatial resolution and the resolution is low.
[0005]
That is, in the conventional lightwave coherence tomography (OCT), the coherence length is the limit of the spatial resolution.
[0006]
An object of the present invention is to provide a method and a device for measuring a cross-sectional image of a measurement sample, which can eliminate the above problems, improve the spatial resolution in the optical axis direction, and achieve high sensitivity and high spatial resolution. Aim.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to achieve the above object,
[1] In a cross-sectional image measurement method of a measurement sample by alternately performing measurement of a backscattered light intensity profile in an optical axis direction and scanning in a lateral direction with respect to an optical axis, a spatial interference intensity distribution measurement is performed using a heterodyne detection method. The spatial interference intensity value is raised to the Nth power, the full width at half maximum is reduced to approximately 1 / √N, and the spatial resolution in the optical axis direction is improved to approximately √N times.
[0008]
[2] The method for measuring a cross-sectional image of a measurement sample according to [1], wherein the spatial interference intensity value is a fourth power, and the spatial resolution in the optical axis direction is 4.7 μm.
[0009]
[3] In an apparatus for measuring a cross-sectional image of a measurement sample by alternately performing measurement of a backscattered light intensity profile in the optical axis direction and scanning in the lateral direction with respect to the optical axis, a light source, a light wave from the light source, a beam splitter and an objective A measurement sample irradiated through a lens, and signal light that is backscattered light from the measurement sample enters through the objective lens, the beam splitter, and the biprism, and a reference light is emitted from the beam splitter, heterodyne detection. After passing through the phase modulator for the first and second mirrors, the light enters through the mirror and the biprism, and generates a spatial interference intensity pattern based on an angle 2θ between the signal light and the reference light. Assuming that the modulation frequency of the modulator is f, the spatial interference intensity pattern is temporally changed at the frequency f, and the beat A signal processing device having a memory for storing the width as a one-dimensional distribution, and raising the spatial interference intensity value to the Nth power, reducing the full width at half maximum to approximately 1 / √N, and increasing the spatial resolution in the optical axis direction to approximately 1 / √N. And means for increasing the value to N.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0011]
FIG. 1 is a schematic view of a cross-sectional image measuring apparatus using spatial interference signal processing using a heterodyne detection method according to an embodiment of the present invention.
[0012]
In this figure, 1 is a light source, 2 is a lens, 3 is a beam splitter (BS), 4 is an objective lens (OBJ), 5 is a measurement sample (S), 6 is a phase modulator (PM), and 7 is a first modulator. Mirror (M1), 8 is second mirror (M2), 9 is biprism (BP), 10 is one-dimensional array photodetector (AD), 11 is scanning device (SS), 12 is detection + filter device ( RF) and 13 are signal processing devices (PCs).
[0013]
Hereinafter, the basic principle of the present invention will be described with reference to FIG.
[0014]
The light wave from the light source 1 passes through the beam splitter (BS) 3 and the objective lens (OBJ) 4 and irradiates the measurement sample 5. The signal light 21, which is the backscattered light from the measurement sample 5, passes through the objective lens (OBJ) 4, the beam splitter (BS) 3, and the biprism (BP) 9 again, and the one-dimensional array light detection device (AD) 10. Incident on.
[0015]
On the other hand, the reference light 22 passes through a beam splitter (BS) 3 and a phase modulator (PM) 6 for heterodyne detection, and then a first mirror (M1) 7, a second mirror (M2) 8, and a biprism. The light enters a one-dimensional array photodetector (AD) 10 via (BP) 9.
[0016]
Accordingly, a spatial interference intensity pattern is generated on the one-dimensional array photodetector (AD) 10 by the angle 2θ formed by the signal light 21 and the reference light 22. Assuming that the modulation frequency of the phase modulator (PM) 6 is f, the intensity pattern temporally changes at the frequency f. The one-dimensional array photodetector (AD) 10 is an array photodetector in which M photodetectors are arranged one-dimensionally. The scanning device (SS) 11 is first connected to the photodetector of the first channel. At that time, after the heterodyne beat signal of the frequency f from the photodetector is input and stored in the signal processing device (PC) 13 through the detection + filter device (RF) 12, the scanning device (SS) 11 , And sequentially repeats to connect all the photodetectors for each channel, and converts the one-dimensional spatial interference intensity pattern into a one-dimensional distribution of beat amplitudes in the memory of the signal processing device (PC) 13. Realize on top.
[0017]
For example, a spatial interference pattern by a reference point a in a sample having an optical path equal to the reference optical path and a point b separated by ΔZ is represented by the following equations (1) to (3), and is shown in FIG. Thus, there are two wave packets having a DC component.
[0018]
In FIG. 2 (a), l _C = 4l _n ² λ ² / πΔλ,
2x ₀ = l _C / 2 sin θ, x _S = Δz / sin θ, and λ ′ = λ / 2 sin θ.
[0019]
(Equation 1)

[0020]
(Equation 2)

[0021]
(Equation 3)

[0022]
However,
I _R : reference light intensity, I _Sa : backscattered light intensity from point a, I _Sb : backscattered light intensity from point b, ω ₀ = 2πc / λ: angular frequency of light, δ = πcΔλ / √ (2l _n ² ) λ ² : spectrum spreading parameter, φ ₀ : modulation index of phase modulation, f: phase modulation frequency, Δz: distance from reference point a to point b away from reference point a, x: on one-dimensional array photodetector This is the distance from the center position.
[0023]
_{Here, λ ', 2x 0, x} S , respectively, the period of the interference, the width of the wave packet, corresponding to the shift of the wave packet due to the distance between the reference point and an arbitrary scattering point.
[0024]
As shown in FIG. 2B, the amplitude distribution of the heterodyne beat signal measured via the detection + filter device (RF) 12 is an envelope from which the background has been removed, and the coherent scattered light from inside the sample. Only signals are shown. At this time, the width of the wave packet is 2 × ₀ , and the spatial resolution is half the coherent length.
[0025]
Since this amplitude distribution information is stored in the memory of the signal processing device (PC) 13, this intensity signal value is raised to the Nth power. The intensity distribution when raised to the Nth power is as shown in FIG. 2C, and the full width at half maximum is reduced to approximately 1 / ほぼ N, which means that the spatial resolution in the optical axis direction has been improved by approximately √N times. .
[0026]
By the above method, the tomographic image can be measured by alternately performing the measurement of the backscattered light intensity profile in the optical axis direction and the lateral scanning with respect to the optical axis.
[0027]
As a specific example, the light source wavelength is 0.8 μm, the spectral width is 30 nm, the array detector pitch is 25 μm, and the array length is 25.6 mm. At this time, the coherence length is 18.8 μm, and the spatial resolution in the optical axis direction is 9.4 μm. Since the period of the interference pattern is 50 μm from the sampling theorem, each 2θ formed by the signal light and the reference light is 1.8 °. At this time, the measurement range in the sample is 410 μm, and assuming fourth-order signal processing, the spatial resolution in the optical axis direction is 4.7 μm.
[0028]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0030]
(A) In measuring a cross-sectional image of a measurement sample, a heterodyne detection method is used for spatial interference intensity distribution measurement to achieve high sensitivity and a dynamic range, and an N-th power signal processing is used to improve the spatial resolution by approximately ΔN times. be able to.
[0031]
(B) It becomes possible to measure tomographic images with high spatial resolution, and new clinical diagnosis is expected in the medical field.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a cross-sectional image measurement apparatus using spatial interference signal processing using a heterodyne detection method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a wave packet by a cross-sectional image measuring apparatus by spatial interference signal processing using a heterodyne detection method according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 light source 2 lens 3 beam splitter (BS)
4 Objective lens (OBJ)
5 Measurement sample (S)
6 phase modulator (PM)
7 First mirror (M1)
8 Second mirror (M2)
9 Biprism (BP)
10 One-dimensional array photodetector (AD)
11 Scanning device (SS)
12 Detection + filter device (RF)
13. Signal processing device (PC)
21 signal light 22 reference light

Claims

In the method for measuring the cross-sectional image of the measurement sample by alternately performing the measurement of the backscattered light intensity profile in the optical axis direction and the lateral scanning with respect to the optical axis,
(A) Performing spatial interference intensity distribution measurement using a heterodyne detection method,
(B) A method for measuring a cross-sectional image of a measurement sample, wherein the spatial interference intensity value is raised to the Nth power, and the full width at half maximum is reduced to approximately 1 / √N, thereby improving the spatial resolution in the optical axis direction.

2. The method according to claim 1, wherein the spatial interference intensity value is a fourth power and the spatial resolution in the optical axis direction is 4.7 [mu] m.

In the cross-sectional image measurement apparatus of the measurement sample by alternately performing the measurement of the backscattered light intensity profile in the optical axis direction and the lateral scanning with respect to the optical axis,
(A) a light source;
(B) a measurement sample irradiated with a light wave from the light source through a beam splitter and an objective lens;
(C) signal light, which is backscattered light from the measurement sample, enters through the objective lens, the beam splitter, and the biprism, and reference light passes through the beam splitter and a phase modulator for heterodyne detection. After that, a one-dimensional array light detection device that enters through a mirror and the biprism and generates a spatial interference intensity pattern by an angle 2θ between the signal light and the reference light,
(D) a signal processing device having a memory for changing the spatial interference intensity pattern over time with the frequency f, where f is the modulation frequency of the phase modulator, and for storing a one-dimensional distribution of beat amplitudes;
(E) means for raising the spatial interference intensity value to the Nth power, narrowing the full width at half maximum thereof to approximately 1 / √N, and improving spatial resolution in the optical axis direction. measuring device.