JP5856440B2 - Observation device - Google Patents

Observation device Download PDF

Info

Publication number
JP5856440B2
JP5856440B2 JP2011241626A JP2011241626A JP5856440B2 JP 5856440 B2 JP5856440 B2 JP 5856440B2 JP 2011241626 A JP2011241626 A JP 2011241626A JP 2011241626 A JP2011241626 A JP 2011241626A JP 5856440 B2 JP5856440 B2 JP 5856440B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
frequency
unit
fourier transform
observation apparatus
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2011241626A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2013096918A (en
Inventor
秀直 岩井
秀直 岩井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Priority to JP2011241626A priority Critical patent/JP5856440B2/en
Publication of JP2013096918A publication Critical patent/JP2013096918A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5856440B2 publication Critical patent/JP5856440B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

本発明は、対象物の像を観察する装置に関するものである。   The present invention relates to an apparatus for observing an image of an object.

移動する対象物の像を観察して定量的情報を得る技術として、特許文献1や非特許文献1に記載された位相シフト法を用いたものが知られている。これらの位相シフト法に拠る観察装置では、光源から出力された波長λの光が2分岐され、一方の分岐光が対象物を透過して物体光とされ、他方の分岐光が参照光とされて、これら物体光と参照光との干渉による2次元像が撮像される。そして、参照光の光路長がλ/4ずつ異なるものとされて4枚の2次元画像が得られ、これら4枚の2次元画像について所定の演算が行われて、対象物の振幅像及び位相像が得られる。ここで、特許文献1や非特許文献1に記載の装置では、空間的画素構造を2次元に持つ2次元光検出器を用いて2次元画像を得ている。   As a technique for obtaining quantitative information by observing an image of a moving object, one using a phase shift method described in Patent Document 1 or Non-Patent Document 1 is known. In the observation apparatus based on these phase shift methods, the light of wavelength λ output from the light source is branched into two, one branched light is transmitted through the object as object light, and the other branched light is used as reference light. Thus, a two-dimensional image is captured by the interference between the object light and the reference light. Then, the optical path length of the reference light is changed by λ / 4 to obtain four two-dimensional images, and a predetermined calculation is performed on these four two-dimensional images to obtain the amplitude image and phase of the object. An image is obtained. Here, in the apparatuses described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, a two-dimensional image is obtained using a two-dimensional photodetector having a spatial pixel structure in two dimensions.

特許第3471556号公報Japanese Patent No. 3471556

F. Le Clerc, et al, "Numerical heterodyne holography withtwo-dimensional photodetector arrays," Optics Letters, Vol.25, No.10, pp.716-718,(2000).F. Le Clerc, et al, "Numerical heterodyne holography withtwo-dimensional corresponding arrays," Optics Letters, Vol. 25, No. 10, pp. 716-718, (2000).

非特許文献1や非特許文献2に記載された位相シフト法を用いた観察装置では、4枚の2次元画像を得る間、対象物は静止している状態であることが必要である。移動している対象物の像を得るには、フレームレートが高く高速撮像が可能な光検出器を用いて、対象物が静止していると見做し得る期間に4枚の2次元画像を得ることが必要である。しかし、高速撮像が可能な光検出器は、高額であり、或いは、画素数が少なく空間分解能が劣る。特に、特許文献1や非特許文献1に記載された観察装置では、受光器のデータ更新レートが遅い2次元光検出器を用いて2次元画像を得る必要があるため、対象物の移動が高速である場合には、対象物が静止していると見做し得る期間内に2次元画像を取得することが困難である。   In the observation apparatus using the phase shift method described in Non-Patent Document 1 or Non-Patent Document 2, the object needs to be stationary while obtaining four two-dimensional images. In order to obtain an image of a moving object, a photo detector capable of high-speed imaging with a high frame rate is used to obtain four two-dimensional images in a period during which it can be considered that the object is stationary. It is necessary to get. However, a photodetector capable of high-speed imaging is expensive, or has a small number of pixels and poor spatial resolution. In particular, in the observation apparatus described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, since it is necessary to obtain a two-dimensional image using a two-dimensional photodetector having a low data update rate of the light receiver, the movement of the object is fast. In such a case, it is difficult to acquire a two-dimensional image within a period during which it can be considered that the object is stationary.

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高速に移動する対象物の像を得ることができる観察装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an observation apparatus that can obtain an image of an object that moves at high speed.

本発明の観察装置は、移動している対象物へ光を照射する光源部と、光源部から出力された光を入力して、当該入力された光を、その入力した光を対象物の前段で2分割して第1の光及び第2の光とし、所定平面上で第1の光と第2の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に垂直な方向を第1方向とし、この第1方向に直交する所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に平行な方向を第2方向としたときに、第1の光又は第2の光を入力して、当該入力した光を、第1方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第2方向において同一の周波数を有する光に変調する周波数変調部と、所定平面上に位置する検出部であって、対象物で生じた散乱光のうち、検出部に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する検出部と、検出部から出力されたデータに対して、特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する1次元フーリエ変換と、周波数に関する1次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物の像として得る演算部と、を備える。   An observation apparatus according to the present invention inputs a light source unit that irradiates light to a moving object, and light output from the light source unit, and converts the input light to the preceding stage of the object. The optical system that causes the first light and the second light to be heterodyne-interfered on a predetermined plane, and the Doppler shift effect due to the movement of the object is constant. A direction on the predetermined plane that is perpendicular to the moving direction of the object is the first direction, and is a direction on the predetermined plane that is orthogonal to the first direction and is parallel to the moving direction of the object. When the direction is the second direction, the first light or the second light is input, and the input light has a frequency shifted by a plurality of specific frequencies different from each other in the first direction. A frequency modulation unit that modulates light having the same frequency in two directions, and a predetermined plane The detection unit is a detection unit that detects light that has arrived at the detection unit from among the scattered light generated by the object, and the scattered light data that changes with time at a frequency corresponding to the Doppler shift amount at each time point. An output detection unit, a process of dividing the data output from the detection unit into a plurality of frequency regions based on a specific frequency, a one-dimensional Fourier transform related to a time variable, and a one-dimensional Fourier transform related to a frequency And an operation unit that obtains the data obtained as an image of the object.

観察装置は、光源部、周波数変調部、検出部、及び演算部を備える。第1の光又は第2の光を入力して、第1方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第2方向において同一の周波数を有する光に変調する。つまり、変調後の光は、第1方向において、変調前の光から特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第2方向において、変調前の光と同じ周波数を有する。検出部は、所定平面上に位置し、対象物で生じた散乱光のうち、検出部に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。演算部は、検出部からの出力に対して、特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する1次元フーリエ変換と、周波数に関する1次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物の像として得る。このような構成によれば、第1方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有する光を用いることで、対象物の第2方向の像を混信することなく復元することができる。ドップラー効果により、対象物の空間周波数が時間周波数に変換されることで、検出器の次元を1次元減少できる。また周波数変調部により、対象物の像が時間周波数に変換されることで、検出器の次元を1次元減少できる。このため、この観察装置では、撮像した画像の次元よりも低い次元数を有する検出部を用いて、所望の画像を得ることができる。例えば、0次元の光検出器を有する検出部を用いて2次元画像を得ることができ、1次元の光検出器を有する検出部を用いて3次元画像を得ることができる。このため、検出器の読み出し時間が短縮され、高速に移動する対象物の像を得ることができる。   The observation apparatus includes a light source unit, a frequency modulation unit, a detection unit, and a calculation unit. The first light or the second light is input and modulated to light having a frequency shifted by a plurality of different specific frequencies in the first direction and having the same frequency in the second direction. That is, the modulated light has a frequency that is shifted by a specific frequency from the light before modulation in the first direction, and has the same frequency as the light before modulation in the second direction. The detection unit is located on a predetermined plane, detects the light reaching the detection unit among the scattered light generated in the object, and the scattered light data that changes with time at a frequency according to the Doppler shift amount, Output at each time. The calculation unit is obtained by performing a process of dividing the output from the detection unit into a plurality of frequency regions based on a specific frequency, a one-dimensional Fourier transform related to a time variable, and a one-dimensional Fourier transform related to a frequency. Data is obtained as an image of the object. According to such a configuration, it is possible to restore the image of the object in the second direction without interference by using light having frequencies shifted by a plurality of different specific frequencies in the first direction. Due to the Doppler effect, the spatial frequency of the object is converted into a temporal frequency, so that the dimension of the detector can be reduced by one dimension. Further, the image of the object is converted into a time frequency by the frequency modulation unit, so that the dimension of the detector can be reduced by one dimension. For this reason, in this observation apparatus, a desired image can be obtained using a detection unit having a number of dimensions lower than the dimension of the captured image. For example, a two-dimensional image can be obtained using a detection unit having a zero-dimensional photodetector, and a three-dimensional image can be obtained using a detection unit having a one-dimensional photodetector. For this reason, the readout time of the detector is shortened, and an image of the object moving at high speed can be obtained.

また、周波数変調部が、第1の光の光路上に配置され、第1の光を入力して、当該入力した光を、第1方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第2方向において同一の周波数を有する光に変調し、この変調した光を、第1の光の光路上に位置する対象物または対象物の像に照射してもよい。   The frequency modulation unit is disposed on the optical path of the first light, and has a frequency obtained by inputting the first light and shifting the input light by a plurality of different specific frequencies in the first direction. Then, it may be modulated into light having the same frequency in the second direction, and the modulated light may be irradiated on the object or the image of the object located on the optical path of the first light.

また、周波数変調部が、第2の光の光路上に配置され、第2の光を入力して、当該入力した光を、第1方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第2方向において同一の周波数を有する光に変調してもよい。   In addition, the frequency modulation unit is disposed on the optical path of the second light, and has a frequency obtained by inputting the second light and shifting the input light by a plurality of different specific frequencies in the first direction. However, it may be modulated into light having the same frequency in the second direction.

また、検出部が、単画素の光検出器であってもよい。   The detection unit may be a single-pixel photodetector.

また、光源部と対象物との間に配置され、光源部からの光を入力して、対象物へ多方向から光を照射する照明光学系を更に備え、検出部が、所定平面に受光面を有し、該受光面において第1方向に画素構造を有する光検出器であってもよい。   In addition, the optical system further includes an illumination optical system that is disposed between the light source unit and the object, inputs light from the light source unit, and irradiates the object from multiple directions, and the detection unit has a light receiving surface on a predetermined plane. And a photodetector having a pixel structure in the first direction on the light receiving surface.

また、光源部と対象物との間に配置され、光源部からの光を入力して、対象物へ多方向から光を照射する照明光学系を更に備え、周波数変調部が、第1の周波数変調部と、第2の周波数変調部とを備え、第1の周波数変調部が、第1の光の光路上に配置され、第1の光を入力して、当該入力した光を、第1方向において互いに異なる複数の特定周波数である第1特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第2方向において同一の周波数を有する光に変調し、この変調した光を対象物に照射し、第2の周波数変調部が、第2の光の光路上に配置され、第2の光を入力して、当該入力した光を、第1方向において互いに異なる複数の特定周波数である第2特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第2方向において同一の周波数を有する光に変調し、検出部が、単画素の光検出器であり、演算部が、検出部から出力されたデータに対して、第1特定周波数及び第2特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する1次元フーリエ変換と、周波数に関する1次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物の像として得てもよい。   Moreover, it is arrange | positioned between a light source part and a target object, is further provided with the illumination optical system which inputs the light from a light source part, and irradiates light to a target object from multiple directions, and a frequency modulation part is 1st frequency. A modulation unit and a second frequency modulation unit, wherein the first frequency modulation unit is disposed on the optical path of the first light, inputs the first light, and converts the input light into the first light; A light having a frequency shifted by a first specific frequency, which is a plurality of specific frequencies different from each other in the direction, is modulated into light having the same frequency in the second direction, and the target is irradiated with the modulated light. The frequency modulation unit is arranged on the optical path of the second light, receives the second light, and transitions the input light by a second specific frequency that is a plurality of different specific frequencies in the first direction. Modulated to light having the same frequency in the second direction The detection unit is a single-pixel photodetector, and the calculation unit divides the data output from the detection unit into a plurality of frequency regions based on the first specific frequency and the second specific frequency; The data obtained by performing the one-dimensional Fourier transform on the time variable and the one-dimensional Fourier transform on the frequency may be obtained as an image of the object.

また、演算部が、検出部から出力されるデータを、特定周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域毎に分割する分波器と、分波器により分割されたデータについて、時刻変数に関する1次元フーリエ変換を行う第1フーリエ変換部と、第1フーリエ変換部から出力されたデータについて、周波数に関する1次元フーリエ変換を行う第2フーリエ変換部と、を含んでもよい。   In addition, with respect to the data that is output from the detection unit, the demultiplexer that divides the data output from the detection unit into regions including the maximum Doppler shift frequency around the specific frequency, and the time variable for the data divided by the demultiplexer A first Fourier transform unit that performs a one-dimensional Fourier transform on the data, and a second Fourier transform unit that performs a one-dimensional Fourier transform on a frequency with respect to data output from the first Fourier transform unit.

また、演算部が、検出部から出力されるデータについて、時刻変数に関する1次元フーリエ変換を行う第1フーリエ変換部と、第1フーリエ変換部から出力されたデータを、特定周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域毎に分割する周波数分割部と、分割部から出力されたデータについて、周波数に関する1次元フーリエ変換を行う第2フーリエ変換部と、を含んでもよい。   In addition, with respect to the data output from the detection unit, the calculation unit converts the data output from the first Fourier transform unit and the first Fourier transform unit with respect to a time variable to a maximum Doppler centered on a specific frequency. You may include the frequency division part which divides | segments for every area | region which includes a shift frequency before and behind, and the 2nd Fourier-transform part which performs the one-dimensional Fourier transformation regarding a frequency about the data output from the division part.

また、演算部が、検出部から出力されるデータを、検出部が配置される位置により定まる値である2次位相で除する2次位相除算部を更に備えていてもよい。   The calculation unit may further include a secondary phase division unit that divides data output from the detection unit by a secondary phase that is a value determined by a position where the detection unit is arranged.

また、対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、演算部が、速度検出部により検出された対象物の速度に基づいて、フーリエ変換の際に対象物の速度変化に関する補正を行うこととしてもよい。   Further, the apparatus further includes a speed detection unit that detects the moving speed of the object, and the calculation unit performs correction related to a change in the speed of the object during Fourier transform based on the speed of the object detected by the speed detection unit. It is good as well.

また、対象物への光の照射が、透過照明の光学配置によって行われてもよいし、対象物への光の照射が、反射照明の光学配置によって行われてもよい。また、光源部が、単一縦モードの光を生成する光源であってもよいし、光源部が、広帯域の光を生成してもよい。さらに、光源部が、モードロックレーザーであってもよい。   Moreover, the irradiation of light on the object may be performed by an optical arrangement of transmitted illumination, and the irradiation of light on the object may be performed by an optical arrangement of reflected illumination. The light source unit may be a light source that generates light in a single longitudinal mode, or the light source unit may generate broadband light. Furthermore, the light source unit may be a mode-locked laser.

光源部が、広帯域の光を生成してもよい。   The light source unit may generate broadband light.

光源部が、光としてパルス波を生成してもよい。   The light source unit may generate a pulse wave as light.

本発明によれば、高速に移動する対象物の像を得ることができる。   According to the present invention, an image of an object moving at high speed can be obtained.

本実施形態の観察装置による対象物の像の取得の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of acquisition of the image of the target object by the observation apparatus of this embodiment. 対象物で生じる散乱光の散乱方向を説明する図である。It is a figure explaining the scattering direction of the scattered light which arises in a target object. 対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。It is a figure explaining the position where the scattered light which arises in a target object arrives at the back focal plane of a lens. 対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を更に説明する図である。It is a figure which further explains the position where the scattered light which arises in a subject reaches the back focal plane of a lens. 対象物が移動する場合に対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。It is a figure explaining the position where the scattered light which arises in a subject reaches the back focal plane of a lens when a subject moves. 対象物が移動する場合に対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達するまでの光路長の変化を説明する図である。It is a figure explaining the change of the optical path length until the scattered light which arises in a target object arrives at the back focal plane of a lens when a target object moves. 対象物で生じる散乱光の散乱方向単位ベクトルと移動する対象物の速度ベクトルの成す角度を説明する図である。It is a figure explaining the angle which the scattering direction unit vector of the scattered light which arises in a target object makes, and the velocity vector of the moving target object. 第1実施形態の観察装置1の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the observation apparatus 1 of 1st Embodiment. 周波数変調部20の構成の一例を示す図である。3 is a diagram illustrating an example of a configuration of a frequency modulation unit 20. FIG. 変調器22の画素構造を示す図である。3 is a diagram illustrating a pixel structure of a modulator 22. FIG. 検出部40において観察される信号の例を示す図である。4 is a diagram illustrating an example of a signal observed in a detection unit 40. FIG. 演算部50の構成を示す図である。3 is a diagram illustrating a configuration of a calculation unit 50. FIG. 本実施形態の観察装置1における対象物2、集光レンズ32及び検出部40の間の配置の関係を説明する図である。It is a figure explaining the arrangement | positioning relationship between the target object 2, the condensing lens 32, and the detection part 40 in the observation apparatus 1 of this embodiment. 第2実施形態の観察装置1Aの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 1 A of observation apparatuses of 2nd Embodiment. 第3実施形態の観察装置1Bの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the observation apparatus 1B of 3rd Embodiment. 第4実施形態の観察装置1Cの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 1 C of observation apparatuses of 4th Embodiment.

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

本実施形態の観察装置は、移動している対象物に光を照射して、対象物の像を取得するものである。初めに、発明の理解を容易にするために、図1〜図7を用いて、本実施形態の観察装置による対象物の位相像の取得について原理的な事項について説明する。   The observation apparatus of this embodiment irradiates light to the moving target object and acquires an image of the target object. First, in order to facilitate the understanding of the present invention, the basic matters regarding acquisition of a phase image of an object by the observation apparatus of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図1は、本実施形態の観察装置による対象物の位相像の取得の原理を説明する図である。この図には、ξη座標系,xy座標系及びuv座標系が示されている。ξ軸,η軸,x軸,y軸,u軸及びv軸は、何れも集光レンズ32の光軸に垂直である。ξ軸,x軸及びu軸は、互いに平行である。η軸,y軸及びv軸は、互いに平行である。観察対象である対象物2はξη平面上に存在する。集光レンズ32はxy平面上に存在する。また、集光レンズ32の後焦点面はuv平面と一致する。ξη平面とxy平面との間の距離はdである。xy平面とuv平面との間の距離は集光レンズ32の焦点距離fと一致する。本明細書において、ξ軸方向、x軸方向、第1方向に対して平行な向きをX軸方向といい、η軸方向、y軸方向、第2方向に平行な向きをY軸という場合がある。   FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of acquisition of a phase image of an object by the observation apparatus of the present embodiment. This figure shows the ξη coordinate system, the xy coordinate system, and the uv coordinate system. The ξ, η, x, y, u, and v axes are all perpendicular to the optical axis of the condenser lens 32. The ξ axis, the x axis, and the u axis are parallel to each other. The η axis, y axis, and v axis are parallel to each other. The object 2 to be observed exists on the ξη plane. The condenser lens 32 exists on the xy plane. The rear focal plane of the condenser lens 32 coincides with the uv plane. The distance between the ξη plane and the xy plane is d. The distance between the xy plane and the uv plane coincides with the focal length f of the condenser lens 32. In this specification, the direction parallel to the ξ-axis direction, the x-axis direction, and the first direction is called the X-axis direction, and the direction parallel to the η-axis direction, the y-axis direction, and the second direction is called the Y-axis. is there.

対象物2はξη平面上で−η方向に移動しているものとする。ξη平面に垂直なζ方向に進む光L0が対象物2に照射されるとする。この光L0は例えば平面波である。対象物2に光L0が照射されることにより生じる散乱光L1〜L3は、様々な方向に進み、また、対象物2の移動によりドップラーシフトを受ける。対象物2の移動方向と同じ方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光L1は、光周波数が高くなる。対象物2の移動方向に散乱方向ベクトル成分を有しない散乱光L2は、光周波数が変化しない。対象物2の移動方向と逆の方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光L3は、光周波数が低くなる。これらの散乱光L1〜L3は、集光レンズ32を経てuv平面に到達する。   It is assumed that the object 2 is moving in the -η direction on the ξη plane. It is assumed that the object 2 is irradiated with light L0 traveling in the ζ direction perpendicular to the ξη plane. This light L0 is, for example, a plane wave. Scattered light L <b> 1 to L <b> 3 generated by irradiating the object 2 with the light L <b> 0 travels in various directions and undergoes a Doppler shift due to the movement of the object 2. The scattered light L1 having the scattering direction vector component in the same direction as the moving direction of the object 2 has a high optical frequency. The scattered light L2 having no scattering direction vector component in the moving direction of the object 2 does not change the optical frequency. The scattered light L3 having the scattering direction vector component in the direction opposite to the moving direction of the object 2 has a low optical frequency. These scattered lights L <b> 1 to L <b> 3 reach the uv plane through the condenser lens 32.

図2は、対象物で生じる散乱光の散乱方向を説明する図である。対象物2で生じる散乱光の散乱方向を表現するには、仰角θ及び方位角φの2つの変数で記述する必要がある。対象物2内に仮想的に配置した点光源をξηζ座標系の原点とする。そして、その原点に位置する点光源からの散乱光の方向ベクトルとζ軸とがなす角度を仰角θとする。また、その散乱方向ベクトルのξη平面への投影ベクトルとξ軸とがなす角度を方位角φとする。   FIG. 2 is a diagram for explaining the scattering direction of the scattered light generated in the object. In order to express the scattering direction of the scattered light generated by the object 2, it is necessary to describe with two variables of an elevation angle θ and an azimuth angle φ. The point light source virtually arranged in the object 2 is set as the origin of the ξηζ coordinate system. The angle formed by the direction vector of scattered light from the point light source located at the origin and the ζ axis is defined as an elevation angle θ. Further, an angle formed by the projection vector of the scattering direction vector on the ξη plane and the ξ axis is defined as an azimuth angle φ.

図3は、対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。光L0が対象物2に照射されることにより生じる散乱光は、ホイヘンスの原理により2次波として扱うことができ、対象物2内に仮想的に配置した点光源から発した光として扱うことができる。同図では、対象物2内に5個の仮想的な点光源が配置されている。これらの点光源は、集光レンズ32の前焦点面上だけでなく、集光レンズ32の前焦点面の前後にも存在する場合がある。   FIG. 3 is a diagram for explaining a position where scattered light generated in the object reaches the rear focal plane of the lens. Scattered light generated by irradiating the object 2 with the light L0 can be treated as a secondary wave by Huygens' principle, and can be treated as light emitted from a point light source virtually arranged in the object 2. it can. In the figure, five virtual point light sources are arranged in the object 2. These point light sources may exist not only on the front focal plane of the condenser lens 32 but also before and after the front focal plane of the condenser lens 32.

これらの点光源から発した光のうち同じ仰角θ及び方位角φを有する散乱光L1〜L3は、集光レンズ32の後焦点面上の一点Paに到達する。また、他の同じ仰角θ及び方位角φを有する散乱光L4〜L6は、集光レンズ32の後焦点面上の他の一点Pに到達する。なお、光線L2,L5は、集光レンズ32の前焦点位置の点光源から発した光であるので、集光レンズ32以降では集光レンズ32の光軸に平行に進む。光L0のうち対象物2により散乱されなかった光は、集光レンズ32の光軸に平行に進んで集光レンズ32に入射されるので、集光レンズ32の後焦点位置Poに集光される。 Of the light emitted from these point light sources, scattered light L1 to L3 having the same elevation angle θ and azimuth angle φ reaches one point Pa on the rear focal plane of the condenser lens 32. Moreover, scattered light L4~L6 with other same elevation θ and azimuth φ reaches the another point P b on the focal plane of the condenser lens 32. Since the light beams L2 and L5 are light emitted from the point light source at the front focal position of the condenser lens 32, the light rays L2 and L5 travel in parallel to the optical axis of the condenser lens 32 after the condenser lens 32. Of the light L0, the light that has not been scattered by the object 2 travels parallel to the optical axis of the condensing lens 32 and enters the condensing lens 32. Therefore, the light is collected at the rear focal position Po of the condensing lens 32. The

対象物2がξη平面上で−η方向に移動している場合、ドップラーシフト効果により、点Paで観測される光周波数は元の光周波数fbより小さく、点Pで観測される光周波数は元の光周波数fbより大きい。散乱角(仰角θ,方位角φ)がレンズ後焦点面上に展開されることから、レンズ後焦点面での像は角度スペクトルと呼ばれることがある。大きな仰角θを有する光線は、レンズ後焦点面上において中心点Poから遠い位置に集光される。まとめると、異なる仮想点光源であっても同じ散乱角を有する散乱光はレンズ後焦点面上で一点に集光される。 If the object 2 is moving in the -η direction on ξη plane, due to the Doppler shift effect, the optical frequency observed at point Pa is smaller than the original optical frequency fb, the optical frequency observed at point P b is It is larger than the original optical frequency fb. Since the scattering angle (elevation angle θ, azimuth angle φ) is developed on the rear focal plane of the lens, an image on the rear focal plane is sometimes called an angle spectrum. A light beam having a large elevation angle θ is collected at a position far from the center point Po on the rear focal plane of the lens. In summary, even with different virtual point light sources, scattered light having the same scattering angle is collected at one point on the focal plane after the lens.

図4は、対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を更に説明する図である。ここでは、対象物2中のレンズ前焦点面上に存在する異なる仮想点光源から、異なる散乱角で散乱光L1〜L3が発するものとする。集光レンズ32の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光L4は、集光レンズ32以降では集光レンズ32の光軸に平行に進み、集光レンズ32の後焦点面上の点Psを通過する。集光レンズ32の前焦点面上の或る仮想点光源から発した散乱光L1は、集光レンズ32の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光L4と散乱角が同じであるとすると、集光レンズ32の後焦点面上の点Psを通過する。集光レンズ32の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光L2は、L4とは散乱角が異なるため、集光レンズ32以降では集光レンズ32の光軸に平行に進むが、点Psを通過しない。集光レンズ32の前焦点面上の他の或る仮想点光源から発した散乱光L3は、集光レンズ32の中心を通過するものとすると、集光レンズ32の入射の前後で進行方向が変わらない。結局、光線L1〜L3は、レンズ後焦点面より更に後方の点Prに集光される。異なる散乱角を有する散乱光はレンズ後焦点面では1点で交わらない。   FIG. 4 is a diagram for further explaining the position where the scattered light generated by the object reaches the rear focal plane of the lens. Here, it is assumed that scattered lights L1 to L3 are emitted from different virtual point light sources existing on the front lens focal plane in the object 2 at different scattering angles. The scattered light L4 emitted from the virtual point light source at the front focal position of the condenser lens 32 travels parallel to the optical axis of the condenser lens 32 after the condenser lens 32, and the point Ps on the rear focal plane of the condenser lens 32. Pass through. Assume that the scattered light L1 emitted from a virtual point light source on the front focal plane of the condenser lens 32 has the same scattering angle as the scattered light L4 emitted from the virtual point light source at the front focal position of the condenser lens 32. The point Ps on the rear focal plane of the condenser lens 32 passes. Since the scattered light L2 emitted from the virtual point light source at the front focal position of the condensing lens 32 has a scattering angle different from that of L4, the condensing lens 32 and later proceed in parallel to the optical axis of the condensing lens 32, but the point Ps Do not pass through. If the scattered light L3 emitted from some other virtual point light source on the front focal plane of the condenser lens 32 passes through the center of the condenser lens 32, the traveling direction is before and after the incidence of the condenser lens 32. does not change. Eventually, the light beams L1 to L3 are condensed at a point Pr further rearward from the rear focal plane of the lens. Scattered light having different scattering angles does not intersect at one point on the focal plane after the lens.

図5は、対象物が移動する場合に対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。ここでは、各位置に移動した対象物2a〜2eが示されている。また、対象物2a〜2e中に仮想点光源が存在するものとする。対象物2a中の仮想点光源はレンズ前焦点位置に存在する。対象物2b,2c中の仮想点光源は、対象物2a中の仮想点光源の位置に対して上下に存在する。対象物2d,2e中の仮想点光源は、対象物2a中の仮想点光源の位置に対して前後に存在する。空間的に一様な光L0が対象物2a〜2eに照射されるので、対象物2a〜2e中の各点光源で発する散乱光の角度スペクトルの強度分布は一定である。すなわち、対象物2が移動したとしても、レンズ後焦点面における角度スペクトルの強度分布は一定である。   FIG. 5 is a diagram for explaining a position where scattered light generated in the object reaches the back focal plane of the lens when the object moves. Here, the objects 2a to 2e moved to the respective positions are shown. Further, it is assumed that virtual point light sources exist in the objects 2a to 2e. The virtual point light source in the object 2a exists at the front lens focal position. The virtual point light sources in the objects 2b and 2c exist above and below the position of the virtual point light source in the object 2a. The virtual point light sources in the objects 2d and 2e exist before and after the position of the virtual point light source in the object 2a. Since the spatially uniform light L0 is irradiated onto the objects 2a to 2e, the intensity distribution of the angular spectrum of the scattered light emitted from each point light source in the objects 2a to 2e is constant. That is, even if the object 2 moves, the intensity distribution of the angle spectrum on the rear focal plane of the lens is constant.

対象物2が移動することによって光の位相が変化する。例えば、レンズ前焦点面上の対象物2b,2c中の各点光源で発した光L1b,L1cがレンズ後焦点面上の位置Paに到達するまでの光路長差は以下のようになる。対象物2b中の点光源で発した光L1bが集光レンズ32の入射面に達するまでの光路長と、対象物2c中の点光源で発した光L1cが集光レンズ32の入射面に達するまでの光路長とは、互いに等しい。しかし、集光レンズ32の肉厚差により、集光レンズ32の入射面から点Paに到達するまでの光L1b,L1cそれぞれの光路長は異なるものとなる。対象物2が等速移動することにより、この光路長差は時間的に直線的に変化する。   As the object 2 moves, the phase of light changes. For example, the optical path length difference until the light L1b, L1c emitted from each point light source in the objects 2b, 2c on the lens front focal plane reaches the position Pa on the lens rear focal plane is as follows. The optical path length until the light L1b emitted from the point light source in the object 2b reaches the incident surface of the condenser lens 32, and the light L1c emitted from the point light source in the object 2c reaches the incident surface of the condenser lens 32. Are equal to each other. However, due to the difference in thickness of the condenser lens 32, the optical path lengths of the lights L1b and L1c from the incident surface of the condenser lens 32 to the point Pa are different. As the object 2 moves at a constant speed, the optical path length difference changes linearly with time.

図6は、対象物が移動する場合に対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達するまでの光路長の変化を説明する図である。ただし、ここでは、集光レンズ32を用いることなく無限遠方にて散乱光を観察する場合を想定する。対象物2がレンズ前焦点面上において対象物2b位置から対象物2c位置へ移動する場合、点Paで散乱光を観測する場合と無限遠方にて散乱光を観測する場合とは互いに等しい。   FIG. 6 is a diagram for explaining the change in the optical path length until the scattered light generated in the object reaches the rear focal plane of the lens when the object moves. However, here, it is assumed that scattered light is observed at infinity without using the condenser lens 32. When the object 2 moves from the position of the object 2b to the position of the object 2c on the front lens focal plane, the case where the scattered light is observed at the point Pa is the same as the case where the scattered light is observed at infinity.

対象物2がξη平面上で−η方向に移動しているとき、対象物2から発せられる散乱光が無限遠方のuv平面上の点Ppに達するまでの光路長の単位時間当たりの変化量ΔLは、下記(1)式で表される。ここで、eprは散乱方向単位ベクトルであり、vは対象物2の速度ベクトルである。この単位時間当たりの光路長変化量ΔLを用いると、位相差すなわち光周波数の変化量fは下記(2)式で表される。λは光の波長である。uv平面上の位置Ppで散乱光を観測する場合、対象物2が移動することにより、位置Ppに到達する散乱光の光路長が変化して光周波数が変化する。これがドップラーシフトの原因である。 When the object 2 moves in the -η direction on the ξη plane, the amount of change ΔL per unit time of the optical path length until the scattered light emitted from the object 2 reaches the point Pp on the uv plane at infinity Is represented by the following formula (1). Here, e pr is the scattering direction unit vector, and v p is the velocity vector of the object 2. When this optical path length change amount ΔL per unit time is used, the phase difference, that is, the optical frequency change amount f d is expressed by the following equation (2). λ is the wavelength of light. When the scattered light is observed at the position Pp on the uv plane, the optical path length of the scattered light reaching the position Pp is changed and the optical frequency is changed by the movement of the object 2. This is the cause of the Doppler shift.

ドップラーシフトは、フーリエ変換の性質の一つである時間軸移動によっても説明することができる。対象物2の複素振幅をg(x)で表し、対象物2のフーリエ変換をG(k)で表す。対象物2が位置x0から位置(x0+x)へ移動したとき、移動後の対象物2のフーリエ変換G'(x)は下記(3)式で表される。この(3)式の右辺の指数関数内の項は位相を表している。対象物2が移動することにより、この位相が波数ベクトルkに比例して回転することから、周波数シフトが生じる。指数関数内の位相をφとすると、周波数シフトfは下記(4)式で表される。eprは波数ベクトルkの単位ベクトルである。vは位置xの時間微分すなわち対象物2の速度を表す。この(4)式は、前述した単位時間当たりの光路長変化から説明される周波数シフト式(2)と合致する。 The Doppler shift can also be explained by time axis movement which is one of the properties of Fourier transform. The complex amplitude of the object 2 is represented by g (x), and the Fourier transform of the object 2 is represented by G (k). When the object 2 moves from the position x0 to the position (x0 + x), the Fourier transform G ′ (x) of the object 2 after the movement is expressed by the following equation (3). The term in the exponential function on the right side of equation (3) represents the phase. As the object 2 moves, this phase rotates in proportion to the wave vector k, so that a frequency shift occurs. When the phase in the exponential function is φ, the frequency shift f d is expressed by the following equation (4). e pr is a unit vector of the wave vector k. v p represents the time derivative of the position x, that is, the velocity of the object 2. This equation (4) is in agreement with the frequency shift equation (2) described from the change in optical path length per unit time described above.

図7は、対象物で生じる散乱光の散乱方向単位ベクトルと対象物2の速度ベクトルの成す角度を説明する図である。散乱方向単位ベクトルeprをηζ平面へ投影したベクトルとζ軸とがなす角度をθ'と表す。このとき、散乱方向単位ベクトルeprと対象物2の速度ベクトルvとがなす角度はθ'+π/2となる。このことから、(2)式または(4)式の右辺の散乱ベクトルと速度ベクトルとの内積は下記(5)式で表される。Vは対象物2の移動の速さである。集光レンズ32の開口数NAはsinθ'で定義されるので、ボケのない画像を得るためのナイキスト周波数fnyqは下記(6)式で表される。 FIG. 7 is a diagram for explaining the angle formed by the scattering direction unit vector of the scattered light generated in the object and the velocity vector of the object 2. An angle formed by a vector obtained by projecting the scattering direction unit vector e pr onto the ηζ plane and the ζ axis is represented by θ ′. At this time, the angle formed by the scattering direction unit vector e pr and the velocity vector v p of the object 2 is θ ′ + π / 2. From this, the inner product of the scattering vector and the velocity vector on the right side of the equation (2) or (4) is expressed by the following equation (5). V is the speed of movement of the object 2. Since the numerical aperture NA of the condenser lens 32 is defined by sin θ ′, the Nyquist frequency f nyq for obtaining a blur-free image is expressed by the following equation (6).

次に、具体的な数値を当てはめて、ドップラーシフトによる光周波数の変化量fを見積もる。現在市販されているフローサイトメーターにより対象物2が流れるものとして、対象物2の移動速度が1m/秒であるとする。対象物2に照射される光L0は、波長633nmのHeNeレーザ光であるとする。集光レンズ32は、NAが0.45であり、倍率が20倍相当であるとする。このような集光レンズ32を使用する場合、速度ベクトルvに対する散乱角θ'の正弦の最大値は0.45をとる。したがって、最大ドップラーシフト周波数は、(5)式から710kHzと見積もられる。また、速度100μm/秒の場合であれば、最大71Hzのドップラーシフト周波数が観測される。 Next, by applying specific numerical values to estimate the amount of change f d of the optical frequency due to the Doppler shift. Assume that the moving speed of the object 2 is 1 m / sec, assuming that the object 2 flows with a flow cytometer currently on the market. The light L0 irradiated to the object 2 is assumed to be HeNe laser light having a wavelength of 633 nm. The condenser lens 32 has an NA of 0.45 and a magnification equivalent to 20 times. When such a condensing lens 32 is used, the maximum value of the sine of the scattering angle θ ′ with respect to the velocity vector v p is 0.45. Therefore, the maximum Doppler shift frequency is estimated to be 710 kHz from the equation (5). Further, if the speed is 100 μm / second, a maximum Doppler shift frequency of 71 Hz is observed.

散乱角θ'を有する散乱光は、焦点距離fの集光レンズ32により、uv平面上の下記(7)式で表される位置に到達する。したがって、(5)式,(7)式を用い、角度θ'が小さい場合に成り立つtanθ'≒sinθ' の近似の式を用いると、ドップラーシフト周波数fは、下記(8)式のようにv座標値の関数として表現され得る。なお、近似を用いない場合には、下記(9)式で表される。 The scattered light having the scattering angle θ ′ reaches the position represented by the following expression (7) on the uv plane by the condenser lens 32 having the focal length f. Therefore, using the equations (5) and (7) and using the approximate equation of tanθ′≈sinθ ′ that holds when the angle θ ′ is small, the Doppler shift frequency f d is expressed by the following equation (8): It can be expressed as a function of the v coordinate value. When approximation is not used, it is expressed by the following equation (9).

(第1実施形態)
以下の実施形態に係る観察装置は、以上に説明した原理に基づいて、対象物2の像を取得する装置である。本実施形態の観察装置1では、単画素の0次元光検出器を用いて、対象物2の2次元画像を得る。図8は、本実施形態の観察装置1の構成を示す図である。本実施形態の観察装置1は、光源部10、ビームスプリッタHM1、周波数変調部20、集光レンズ32、照明レンズ31、ビームスプリッタHM2、ミラーM1、ミラーM2、検出部40、及び演算部50を備える。
(First embodiment)
An observation apparatus according to the following embodiment is an apparatus that acquires an image of the object 2 based on the principle described above. In the observation apparatus 1 of the present embodiment, a two-dimensional image of the object 2 is obtained using a single pixel zero-dimensional photodetector. FIG. 8 is a diagram showing a configuration of the observation apparatus 1 of the present embodiment. The observation apparatus 1 of this embodiment includes a light source unit 10, a beam splitter HM1, a frequency modulation unit 20, a condenser lens 32, an illumination lens 31, a beam splitter HM2, a mirror M1, a mirror M2, a detection unit 40, and a calculation unit 50. Prepare.

光源部10は、例えばHeNeレーザ光源であり、対象物2に照射されるべき光(光周波数f)を出力する。ビームスプリッタHM1は、光源部10から出力された光を入力し、この光を2分割して第1の光及び第2の光とし、そのうちの第1の光を周波数変調部20へ出力し、第2の光をミラーM1へ出力する。ミラーM1へ出力された光は、ミラーM1、M2により順次に反射され、ビームスプリッタHM2へ出力される。 The light source unit 10 is, for example, a HeNe laser light source, and outputs light (optical frequency f b ) to be irradiated on the object 2. The beam splitter HM1 inputs the light output from the light source unit 10, divides the light into two to form first light and second light, and outputs the first light to the frequency modulation unit 20, The second light is output to the mirror M1. The light output to the mirror M1 is sequentially reflected by the mirrors M1 and M2 and output to the beam splitter HM2.

周波数変調部20は、光源部10から出力された光を、X軸方向において互いに異なる複数の周波数を持ち、Y軸方向において同一の周波数を持つ光に変調し、この変調した光を照明レンズ31を介して対象物2に照射する。図9に示すように、周波数変調部20は、レンズ21、ビームスプリッタHM3、及び変調器22を備えている。レンズ21は、ビームスプリッタHM1から出力された光のビーム径を変調器22と同じ程度の大きさに調整した上で、変調器22に出力する。照明レンズ31は、周波数変調部20によってX軸方向に互いに直交する周波数を配置された物体光断面を、対象物2が存在するξ−η面に結像する作用を持つ。すなわち照明レンズ31は、周波数変調部20からの出力をξ−η面へ照明する。なお、照明レンズ31はξ−η面と等価な(共役な)対象物の結像面へ照明してもよい。   The frequency modulation unit 20 modulates the light output from the light source unit 10 into light having a plurality of different frequencies in the X-axis direction and the same frequency in the Y-axis direction, and the modulated light is an illumination lens 31. The object 2 is irradiated via As shown in FIG. 9, the frequency modulation unit 20 includes a lens 21, a beam splitter HM <b> 3, and a modulator 22. The lens 21 adjusts the beam diameter of the light output from the beam splitter HM <b> 1 to the same size as that of the modulator 22, and then outputs the light to the modulator 22. The illumination lens 31 has an effect of imaging the object light cross sections arranged at frequencies orthogonal to each other in the X-axis direction by the frequency modulation unit 20 on the ξ-η plane where the object 2 exists. That is, the illumination lens 31 illuminates the output from the frequency modulation unit 20 on the ξ-η plane. Note that the illumination lens 31 may illuminate the image plane of the object equivalent (conjugated) to the ξ-η plane.

変調器22としては、例えば図10に示すように、X軸方向に画素構造d(n=1,2,...,N)を持つ空間光変調器(Spatial Light Modulator)が用いられる。空間光変調器は、入射してきた光に位相変調を与える装置である。変調器22は、その各画素dに入射された光を、各画素d毎に異なる変調周波数Ω(n=1,2,...,N)(特定周波数)により変調し、その変調した光をビームスプリッタHM3へ出力する。ここで、変調周波数Ωは、以下の(10)式を満たす周波数である。(10)式におけるBは、以下の(11)式に示す最大ドップラーシフト周波数Bである。(11)式において、λは光の波長、Vは移動物体の速度、θmaxは集光レンズ32が対象物2からの散乱光を取りうる最大散乱角である。 The modulator 22, for example, as shown in FIG. 10, the pixel structure in the X-axis direction d n (n = 1,2, ... , N) the spatial light modulator with a (Spatial Light Modulator) is used. A spatial light modulator is a device that applies phase modulation to incident light. Modulator 22, the light incident on each pixel d n, each pixel d n different modulation frequencies for each Ω n (n = 1,2, ... , N) modulated by (specific frequency), its The modulated light is output to the beam splitter HM3. Here, the modulation frequency Ω n is a frequency satisfying the following expression (10). (10) B w in the equation is the maximum Doppler shift frequency B w shown in the following equation (11). In equation (11), λ is the wavelength of light, V is the speed of the moving object, and θ max is the maximum scattering angle at which the condenser lens 32 can take scattered light from the object 2.

変調器22からは、X軸方向において互いに異なる複数の周波数f+Ω〜f+Ωを持ち、Y軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光が出力される。ビームスプリッタHM3は、変調器22から出力された光を周波数変調部20の出力として、照明レンズ31を介して対象物2に出力する。なお、変調器22としては、X軸方向に画素構造dを持つ空間光変調器ではなく、X方向に並設された音響光学素子を用いてもよい。 The modulator 22 outputs light having a plurality of different frequencies f b + Ω 1 to f b + Ω N in the X-axis direction and modulated into light having the same frequency in the Y-axis direction. The beam splitter HM3 outputs the light output from the modulator 22 as an output of the frequency modulation unit 20 to the object 2 via the illumination lens 31. As the modulator 22, instead of the spatial light modulator having a pixel structure d n in the X-axis direction, it may be used an acoustic optical element are arranged in parallel in the X direction.

周波数変調部20から出力された光は、照明レンズ31を介して対象物2へ照射される。集光レンズ32は、周波数変調部20からの光照射により対象物2で生じた散乱光を入力して、検出部40の受光面において対象物2のフランフォーファー回折像を形成する。集光レンズ32は、周波数変調部20から出力された光をビームスプリッタHM2へ出力する。   The light output from the frequency modulation unit 20 is irradiated onto the object 2 through the illumination lens 31. The condenser lens 32 receives the scattered light generated by the object 2 by the light irradiation from the frequency modulation unit 20 and forms a francophor diffraction image of the object 2 on the light receiving surface of the detection unit 40. The condenser lens 32 outputs the light output from the frequency modulation unit 20 to the beam splitter HM2.

ビームスプリッタHM2は、集光レンズ32から到達した光(第1の光)と、ミラーM2から到達した光(第2の光)とを検出部40の受光面へ入射させて、両光を受光面上でヘテロダイン干渉させる。以下、本明細書では、対象物2が配置される光路を通過する光を物体光といい、対象物2が配置されていない光路を通過する光を参照光ということがある。本実施形態では、第1の光が物体光であり、第2の光が参照光である。物体光と参照光とが検出部40の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部40では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。   The beam splitter HM2 receives light (first light) that has arrived from the condenser lens 32 and light (second light) that has arrived from the mirror M2 on the light receiving surface of the detection unit 40, and receives both lights. Heterodyne interference occurs on the surface. Hereinafter, in this specification, the light that passes through the optical path in which the target object 2 is disposed is referred to as object light, and the light that passes through the optical path in which the target object 2 is not disposed may be referred to as reference light. In the present embodiment, the first light is object light, and the second light is reference light. When the object light and the reference light are subjected to heterodyne interference on the light receiving surface of the detection unit 40, the detection unit 40 observes an interference beat signal between the object light and the reference light.

対象物2はξη平面上で−η方向に移動しているものとすると、集光レンズ32を経て検出部40の受光面に到達した光において対象物2の移動に因るドップラーシフト周波数が一定となる第1方向は、ξ軸に平行なu方向である。すなわち、第1方向は、対象物2の移動方向に垂直な方向である。この第1方向に直交する受光面上の第2方向は、η軸に平行なv方向である。すなわち、第2方向は、対象物2の移動方向に平行な方向である。   Assuming that the object 2 moves in the -η direction on the ξη plane, the Doppler shift frequency due to the movement of the object 2 is constant in the light that has reached the light receiving surface of the detection unit 40 via the condenser lens 32. The first direction is the u direction parallel to the ξ axis. That is, the first direction is a direction perpendicular to the moving direction of the object 2. The second direction on the light receiving surface perpendicular to the first direction is the v direction parallel to the η axis. That is, the second direction is a direction parallel to the moving direction of the object 2.

検出部40は、周波数変調部20による光照射により対象物2で生じた散乱光のうち、検出部40の受光面に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。検出部40は、単画素からなる0次元光検出素子である。光検出素子としては、フォトダイオード(PD)や光電子増倍管(PMT)が用いられる。検出部40の受光面は、集光レンズ32の後焦点面に一致する位置に配置される。   The detection unit 40 detects light that has reached the light receiving surface of the detection unit 40 from the scattered light generated in the object 2 by light irradiation by the frequency modulation unit 20, and temporally changes at a frequency according to the Doppler shift amount. The scattered light data is output at each time. The detection unit 40 is a zero-dimensional light detection element composed of a single pixel. A photodiode (PD) or a photomultiplier tube (PMT) is used as the light detection element. The light receiving surface of the detection unit 40 is disposed at a position that coincides with the rear focal plane of the condenser lens 32.

図11は、検出部40において観測される信号の例を示した図である。図11において横軸は周波数である。図11に示すように、検出部40では、物体光と参照光との干渉ビート信号であるΩを中心として、その前後に移動物体からの散乱光によるドップラーシフト周波数fを含む信号が観測される。検出部40は、検出した信号を演算部50に出力する。 FIG. 11 is a diagram illustrating an example of signals observed in the detection unit 40. In FIG. 11, the horizontal axis represents frequency. As shown in FIG. 11, the detection unit 40 observes a signal including a Doppler shift frequency f d due to scattered light from a moving object around the Ω n that is an interference beat signal between the object light and the reference light. Is done. The detection unit 40 outputs the detected signal to the calculation unit 50.

演算部50は、検出部40から出力された時刻を変数とするデータについて所定の演算を行って対象物2の像を得る。図12に示すように、演算部50は、第1フーリエ変換部51、周波数分割部52及び第2フーリエ変換部53を備えている。第1フーリエ変換部51は、検出部40からの出力される時刻を変数とするデータについて時刻に関する1次元フーリエ変換を行う。周波数分割部52は、第1フーリエ変換部51から出力された信号を入力し、その信号を所定の周波数帯域に分割する。具体的には、第1フーリエ変換部51から出力された信号、変調周波数Ωを中心として、その前後に最大ドップラーシフト周波数Bを含むN個の周波数領域毎に分割して出力する。第2フーリエ変換部53は、周波数分割部52から出力されたN個のデータについて周波数に関する1次元フーリエ変換を行う。 The calculation unit 50 performs a predetermined calculation on the data having the time output from the detection unit 40 as a variable to obtain an image of the object 2. As illustrated in FIG. 12, the calculation unit 50 includes a first Fourier transform unit 51, a frequency division unit 52, and a second Fourier transform unit 53. The first Fourier transform unit 51 performs a one-dimensional Fourier transform on time for data having the time output from the detection unit 40 as a variable. The frequency dividing unit 52 receives the signal output from the first Fourier transform unit 51 and divides the signal into a predetermined frequency band. Specifically, the signal output from the first Fourier transform unit 51, around the modulation frequency Omega n, and outputs the divided every N frequency region including the maximum Doppler shift frequency B w before and after. The second Fourier transform unit 53 performs a one-dimensional Fourier transform on the frequency for the N pieces of data output from the frequency division unit 52.

本実施形態の観察装置1では、検出部40の受光面が、集光レンズ32の後焦点面に一致する位置に配置されているが、検出部40の受光面は、本実施形態とは異なる位置に配置されてもよい。図13は、本実施形態の観察装置1における対象物2、集光レンズ32及び検出部40の配置の関係を説明する図である。同図(a)はη方向に見た図であり、同図(b)はξ方向に見た図である。同図では、集光レンズ32の前焦点位置に原点を有するξη座標系、集光レンズ32の中心に原点を有するxy座標系、集光レンズ32の後焦点位置に原点を有するuv座標系、集光レンズ32による結像面中心位置に原点を有するu'v'座標系、及び、集光レンズ32の光軸上の任意位置に原点を有するu"v"座標系、が示されている。以下では、検出部40の受光面をuv平面に一致させた配置を第1配置例といい、検出部40の受光面をu'v'平面に一致させた配置を第2配置例といい、検出部40の受光面をu"v"平面に一致させた配置を第3配置例という。   In the observation apparatus 1 of the present embodiment, the light receiving surface of the detection unit 40 is disposed at a position that coincides with the rear focal plane of the condenser lens 32. However, the light receiving surface of the detection unit 40 is different from that of the present embodiment. It may be arranged in a position. FIG. 13 is a diagram for explaining the arrangement relationship of the object 2, the condenser lens 32, and the detection unit 40 in the observation apparatus 1 of the present embodiment. The figure (a) is the figure seen in the (eta) direction, The figure (b) is the figure seen in the (xi) direction. In the figure, a ξη coordinate system having the origin at the front focal position of the condenser lens 32, an xy coordinate system having the origin at the center of the condenser lens 32, a uv coordinate system having the origin at the rear focal position of the condenser lens 32, A u′v ′ coordinate system having an origin at the center position of the image forming surface by the condenser lens 32 and a u ″ v ”coordinate system having an origin at an arbitrary position on the optical axis of the condenser lens 32 are shown. . Hereinafter, an arrangement in which the light receiving surface of the detection unit 40 matches the uv plane is referred to as a first arrangement example, and an arrangement in which the light receiving surface of the detection unit 40 matches the u′v ′ plane is referred to as a second arrangement example. An arrangement in which the light receiving surface of the detection unit 40 coincides with the u "v" plane is referred to as a third arrangement example.

同図(b)に示されるように、対象物2中の仮想点光源g1〜g3で同じ角度で発生した光線L4〜L6は、レンズ後焦点面であるuv平面上の一点aで交わり、やがて発散していき、レンズ結像面であるu'v'平面上の点h,g,fに到達する。これらの光線L4〜L6は、同じ散乱角θ'を有することから、同じ量のドップラーシフトを受ける。   As shown in FIG. 5B, the light beams L4 to L6 generated at the same angle by the virtual point light sources g1 to g3 in the object 2 intersect at a point a on the uv plane which is the rear focal plane of the lens, and eventually. The light diverges and reaches points h, g, and f on the u′v ′ plane, which is the lens imaging plane. Since these rays L4 to L6 have the same scattering angle θ ′, they undergo the same amount of Doppler shift.

第1配置例及び第2配置例それぞれの場合に検出部40により受光される信号の相違について説明すると以下のとおりである。第1配置例では、周波数シフトがv方向に規則正しく観測され、v方向の位置と周波数シフト量との間には1対1の対応関係が存在する。これに対して、第2配置例では、周波数シフトがv'方向に規則正しく配置されず、v'方向の位置と周波数シフト量との間には1対1の対応関係が存在しない。   The difference between signals received by the detection unit 40 in each of the first arrangement example and the second arrangement example will be described as follows. In the first arrangement example, the frequency shift is regularly observed in the v direction, and there is a one-to-one correspondence between the position in the v direction and the frequency shift amount. On the other hand, in the second arrangement example, the frequency shift is not regularly arranged in the v ′ direction, and there is no one-to-one correspondence between the position in the v ′ direction and the frequency shift amount.

ここで、第2配置例においてv'方向に不規則に配置された周波数シフト量を順序正しくする(すなわち、第1配置例で検出部40の受光面で観測されるような順序にする)には,u'v'平面上の点f,g,hで観測される波形を合波(和算)した後にフーリエ変換を施せばよく、このようにすることにより、その周波数軸が線形となり、かつその振幅及び位相が得られる。   Here, in order to make the frequency shift amounts irregularly arranged in the v ′ direction in the second arrangement example in order (that is, in an order as observed on the light receiving surface of the detection unit 40 in the first arrangement example). Is obtained by combining (summing) the waveforms observed at the points f, g, and h on the u′v ′ plane and then performing a Fourier transform. By doing so, the frequency axis becomes linear, And its amplitude and phase are obtained.

つまり、対象物2によりドップラーシフトを受けた散乱光をカバーするだけの大きさの受光面を検出部40が有していれば、どの位置に配置された検出部40により受光しようとも得られる信号は変わらず、かつ、周波数にエンコードされているので、第1配置例の検出部40の受光面で得られる分布を回復することが可能である。   That is, as long as the detection unit 40 has a light-receiving surface large enough to cover the scattered light that has been subjected to Doppler shift by the object 2, a signal obtained regardless of the position at which the detection unit 40 receives light. Is not changed and is encoded in frequency, so that the distribution obtained on the light receiving surface of the detection unit 40 in the first arrangement example can be recovered.

一方、同図(a)に示されるように、u方向に関してはドップラーシフトを受けないことから、u方向に信号を積分しても、演算等により分布を回復することはできない。そこで、本実施形態の観察装置1では、物体光断面においてX軸方向に互いに直交する周波数を配置し、参照光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたY方向の1次元像が混信することなく復元することができる。物体光断面においてX軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、検出器受光面の各領域が出力する信号は混信することなく復元することができる。そのため、検出部40が単画素からなる0次元光検出素子であっても、観察装置1は2次元画像を得ることができる。このように、本実施形態の観察装置によれば、単画素からなる0次元光検出素子を用いて対象物の像を得ることができるため、高速で移動する対象物の像を得ることができる。   On the other hand, as shown in FIG. 9A, since the Doppler shift is not performed in the u direction, the distribution cannot be recovered by calculation or the like even if the signal is integrated in the u direction. Therefore, in the observation apparatus 1 of the present embodiment, the one-dimensional image in the Y direction developed in the time direction is obtained by arranging the frequencies orthogonal to each other in the X-axis direction in the cross section of the object light and obtaining an interference signal with the reference light. Can be restored without interference. By arranging frequencies orthogonal to each other in the X-axis direction in the cross section of the object light and obtaining an interference signal with the object light, signals output from each region of the light receiving surface of the detector can be restored without interference. Therefore, even if the detection unit 40 is a 0-dimensional light detection element composed of a single pixel, the observation apparatus 1 can obtain a two-dimensional image. As described above, according to the observation apparatus of the present embodiment, an image of an object can be obtained using a 0-dimensional photodetecting element composed of a single pixel, and thus an image of an object moving at high speed can be obtained. .

(第2実施形態)
第1実施形態では、周波数変調部20が物体光路上(第1の光の光路上)に配置されていた。第2実施形態の観察装置1Aでは、周波数変調部20が参照光路上(第2の光の光路上)に配置される点で、第1実施形態と異なる。それ以外の点では、第1実施形態と同じである。以下では、主に第1実施形態と異なる点について説明し、第1実施形態と同一である点については説明を省略する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the frequency modulation unit 20 is disposed on the object optical path (on the optical path of the first light). The observation apparatus 1A according to the second embodiment is different from the first embodiment in that the frequency modulation unit 20 is disposed on the reference optical path (on the optical path of the second light). The other points are the same as those in the first embodiment. In the following, differences from the first embodiment will be mainly described, and description of points that are the same as those of the first embodiment will be omitted.

図14は、第2実施形態の観察装置1Aの構成を示す図である。本実施形態の観察装置1Aは、第1実施形態と同じように、光源部10、ビームスプリッタHM1、周波数変調部20、集光レンズ32、照明レンズ31、ビームスプリッタHM2、ミラーM1、ミラーM2、検出部40、及び演算部50を備える。ただし、観察装置1Aでは、周波数変調部20が参照光路上に配置されている。   FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of an observation apparatus 1A according to the second embodiment. As in the first embodiment, the observation apparatus 1A of the present embodiment includes a light source unit 10, a beam splitter HM1, a frequency modulation unit 20, a condensing lens 32, an illumination lens 31, a beam splitter HM2, a mirror M1, a mirror M2, The detection part 40 and the calculating part 50 are provided. However, in the observation apparatus 1A, the frequency modulation unit 20 is disposed on the reference optical path.

光源部10は、移動している対象物へ光を照射する。集光レンズ32は、光源部10からの光照射により対象物2で生じた散乱光を入力して、検出部40の受光面において対象物2のフランフォーファー回折像を形成する。集光レンズ32は、周波数変調部20から出力された光をビームスプリッタHM2へ出力する。   The light source unit 10 irradiates the moving object with light. The condenser lens 32 inputs scattered light generated by the object 2 by light irradiation from the light source unit 10, and forms a Franforfer diffraction image of the object 2 on the light receiving surface of the detection unit 40. The condenser lens 32 outputs the light output from the frequency modulation unit 20 to the beam splitter HM2.

周波数変調部20は、光源部10から出力された光をビームスプリッタHM1、ミラーM1を介して入力し、X軸方向において互いに異なる複数の周波数f+Ω〜f+Ωを持ち、Y軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光に変調し、この変調した光を照明レンズ31を介してビームスプリッタHM2に出力する。照明レンズ31は、周波数変調部20によってX軸方向に互いに直交する周波数を配置された参照光断面を、検出部40の受光面に結像する作用を持つ。すなわち照明レンズ31は、周波数変調部20からの出力を検出部40の受光面へ照明する。 The frequency modulation unit 20 inputs the light output from the light source unit 10 via the beam splitter HM1 and the mirror M1, and has a plurality of frequencies f b + Ω 1 to f b + Ω N different from each other in the X-axis direction, and the Y-axis The light is modulated into light having the same frequency in the direction, and the modulated light is output to the beam splitter HM2 via the illumination lens 31. The illumination lens 31 has an effect of imaging the reference light cross sections arranged at frequencies orthogonal to each other in the X-axis direction by the frequency modulation unit 20 on the light receiving surface of the detection unit 40. That is, the illumination lens 31 illuminates the light receiving surface of the detection unit 40 with the output from the frequency modulation unit 20.

ビームスプリッタHM2は、集光レンズ32から到達した光(物体光)と、集光レンズ33から到達した光(参照光)とを検出部40の受光面へ入射させて、両光を受光面上でヘテロダイン干渉させる。物体光と参照光とが検出部40の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部40では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。   The beam splitter HM2 causes the light (object light) that has arrived from the condensing lens 32 and the light (reference light) that has arrived from the condensing lens 33 to enter the light-receiving surface of the detection unit 40, and both lights are incident on the light-receiving surface. Causes heterodyne interference. When the object light and the reference light are subjected to heterodyne interference on the light receiving surface of the detection unit 40, the detection unit 40 observes an interference beat signal between the object light and the reference light.

本実施形態の検出部40で観測される干渉ビート信号は、第1実施形態で観測されるものと同じである。つまり、検出部40では、図11に示される、物体光と参照光との干渉ビート信号であるΩを中心として、その前後に移動物体からの散乱光によるドップラーシフト周波数fを含む信号が観測される。したがって、検出部40の後段に配置される演算部50の機能は第1実施形態と同じであり、再度の説明は省略する。 The interference beat signal observed by the detection unit 40 of the present embodiment is the same as that observed in the first embodiment. That is, in the detection unit 40, a signal including the Doppler shift frequency f d due to scattered light from the moving object around the Ω n that is an interference beat signal between the object light and the reference light shown in FIG. Observed. Therefore, the function of the calculation unit 50 arranged at the subsequent stage of the detection unit 40 is the same as that of the first embodiment, and the description thereof is omitted.

本実施形態の観察装置1Aにおいても、参照光断面においてX軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたY方向の1次元像が混信することなく復元することができる。参照光路断面においてX軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、検出器受光面の各領域が出力する信号は混信することなく復元することができる。そのため、検出部40が単画素からなる0次元光検出素子であっても、観察装置1は2次元画像を得ることができる。このように、本実施形態の観察装置によれば、単画素からなる0次元光検出素子を用いて対象物の2次元像を得ることができるため、高速で移動する対象物の像を得ることができる。   Also in the observation apparatus 1A of the present embodiment, by arranging frequencies orthogonal to each other in the X-axis direction in the reference light section and obtaining an interference signal with object light, a one-dimensional image in the Y direction developed in the time direction is obtained. It can be restored without interference. By arranging frequencies orthogonal to each other in the X-axis direction in the cross section of the reference optical path and obtaining an interference signal with the object light, signals output from each region of the detector light receiving surface can be restored without interference. Therefore, even if the detection unit 40 is a 0-dimensional light detection element composed of a single pixel, the observation apparatus 1 can obtain a two-dimensional image. As described above, according to the observation apparatus of the present embodiment, since a two-dimensional image of an object can be obtained using a 0-dimensional photodetecting element composed of a single pixel, an image of the object moving at high speed can be obtained. Can do.

(第3実施形態)
上記第1、第2実施形態の観察装置1、1Aでは、単画素からなる0次元光検出素子を用いて、対象物2の2次元画像を得た。第3実施形態の観察装置1Bは、X軸方向に画素構造を有する1次元光検出器を用いて、対象物2の3次元画像を得る。以下では、主に第1実施形態と異なる点について説明し、第1実施形態と同一である点については説明を省略する。
(Third embodiment)
In the observation apparatuses 1 and 1A of the first and second embodiments, a two-dimensional image of the object 2 is obtained using a zero-dimensional light detection element composed of a single pixel. The observation device 1B of the third embodiment obtains a three-dimensional image of the object 2 using a one-dimensional photodetector having a pixel structure in the X-axis direction. In the following, differences from the first embodiment will be mainly described, and description of points that are the same as those of the first embodiment will be omitted.

まず、3次元画像を得るための一般的な原理について説明する。対象物2に多方向から光が対象物2に照射されるとする。この場合、速度ベクトルVで移動する対象物2に周波数fをもつ光を照射すると、対象物2で生じる散乱波の周波数は、ドップラー効果により下記(12)式で表されるドップラーシフト周波数fだけ変化する。(12)式では、対象物2に対する入射光の入射単位ベクトルをsとし、対象物2で生じた散乱波の散乱方向を示す散乱単位ベクトルをsとしている。(12)式において、λは光の波長である。(12)式はドップラーシフト量fは、(s−s)と移動物体の速度ベクトルVの内積に比例することを表している。 First, a general principle for obtaining a three-dimensional image will be described. It is assumed that the object 2 is irradiated with light from multiple directions. In this case, when the object 2 moving at the velocity vector V is irradiated with light having the frequency f, the frequency of the scattered wave generated in the object 2 is the Doppler shift frequency f d expressed by the following equation (12) due to the Doppler effect. Only changes. In the equation (12), the incident unit vector of incident light on the object 2 is s 0, and the scattering unit vector indicating the scattering direction of the scattered wave generated by the object 2 is s. In the equation (12), λ is the wavelength of light. Equation (12) indicates that the Doppler shift amount f d is proportional to the inner product of (s−s 0 ) and the velocity vector V of the moving object.

式(12)より、速度Vと散乱単位ベクトルsが一定である場合、ある位置で観測される回折波のドップラーシフト周波数fは、入射単位ベクトルsと一対一で対応することが分かる。このように、ドップラーシフト周波数fは、入射波の入射角θに依存するものである。 From equation (12), it can be seen that when the velocity V and the scattering unit vector s are constant, the Doppler shift frequency f d of the diffracted wave observed at a certain position has a one-to-one correspondence with the incident unit vector s 0 . As described above, the Doppler shift frequency f d depends on the incident angle θ 0 of the incident wave.

入射角θを変数とする複素振幅像から、フーリエ回折定理等を用いて3次元複素振幅像を得ることは公知の手法である。例えば、このような手法としては、「W. Choi, C. Fang-Yen, K. Badizadegan, S. Oh, N. Lue, R. R. Dasari,and M. S. Feld, "Tomographic phase microscopy," Nature Methods 4,717-719 (2007)」に開示されている。したがって、本明細書では、入射角θを変数とする複素振幅像の取得手順について説明し、入射角θを変数とする複素振幅像から3次元画像を生成する方法についての説明は省略する。 It is a well-known technique to obtain a three-dimensional complex amplitude image from a complex amplitude image having the incident angle θ 0 as a variable using a Fourier diffraction theorem or the like. For example, such methods include “W. Choi, C. Fang-Yen, K. Badizadegan, S. Oh, N. Lue, RR Dasari, and MS Feld,“ Tomographic phase microscopy, ”Nature Methods 4,717-719. (2007) ". Thus, as used herein, describes the procedure for obtaining the complex amplitude image of the incident angle theta 0 and variables, a description of how to generate a three-dimensional image from the complex amplitude image of the incident angle theta 0 and variable omitted .

図15は、第3実施形態の観察装置1Bの構成を示す図である。本実施形態の観察装置1Bは、図15に示すように、光源部10、ビームスプリッタHM1、周波数変調部20、照明レンズ31、集光レンズ32、ビームスプリッタHM2、ミラーM1、ミラーM2、検出部40、及び演算部50を備える。   FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of an observation apparatus 1B according to the third embodiment. As shown in FIG. 15, the observation apparatus 1B of the present embodiment includes a light source unit 10, a beam splitter HM1, a frequency modulation unit 20, an illumination lens 31, a condenser lens 32, a beam splitter HM2, a mirror M1, a mirror M2, and a detection unit. 40 and a calculation unit 50.

周波数変調部20は、光源部10から出力された光を入力し、X軸方向において互いに異なる複数の周波数f+Ω〜f+Ωを持ち、Y軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光に変調し、この変調した光を照明レンズ31に出力する。 The frequency modulation unit 20 receives the light output from the light source unit 10, and has a plurality of frequencies f b + Ω 1 to f b + Ω N that are different from each other in the X-axis direction, and has the same frequency in the Y-axis direction. The modulated light is modulated and the modulated light is output to the illumination lens 31.

照明レンズ31は、周波数変調部20から出力された光を受光し、X軸方向に種々の方向を持ち、Y軸方向に一定の方向を持つ光を対象物2に照射する。照明レンズ31としては、シリンドリカルレンズが用いられる。照明レンズ31は、曲率を有する面がX軸方向と平行に配置され、曲率を有さない面がY軸方向と平行に配置される。このような照明レンズ31により、対象物2にはX軸方向が収束光又は発散光であって、Y軸方向が平行光である光が照射される。つまり、対象物2には、X軸方向において多方向から光が照射される。このような照明レンズ31により、周波数変調部20によりX軸方向において異なる周波数で変調されて出力されたそれぞれの光f+Ωは、それぞれ異なる入射角θで対象物2に照射されることとなる。 The illumination lens 31 receives the light output from the frequency modulation unit 20 and irradiates the object 2 with light having various directions in the X-axis direction and a certain direction in the Y-axis direction. A cylindrical lens is used as the illumination lens 31. In the illumination lens 31, a surface having a curvature is disposed in parallel to the X-axis direction, and a surface having no curvature is disposed in parallel to the Y-axis direction. By such an illumination lens 31, the object 2 is irradiated with light whose X-axis direction is convergent light or divergent light and whose Y-axis direction is parallel light. That is, the object 2 is irradiated with light from multiple directions in the X-axis direction. With such an illumination lens 31, each light f b + Ω n modulated and output at a different frequency in the X-axis direction by the frequency modulation unit 20 is irradiated onto the object 2 at a different incident angle θ 0. It becomes.

集光レンズ32は、照明レンズ31から出力された光の照射により対象物2で生じた散乱光を入力して、検出部40の受光面において対象物2のフランフォーファー回折像を形成する。集光レンズ32は、周波数変調部20から出力された光をビームスプリッタHM2へ出力する。   The condenser lens 32 receives the scattered light generated by the object 2 by the irradiation of the light output from the illumination lens 31, and forms a Franforfer diffraction image of the object 2 on the light receiving surface of the detection unit 40. The condenser lens 32 outputs the light output from the frequency modulation unit 20 to the beam splitter HM2.

ビームスプリッタHM1から第2の光として、ミラーM1へ出力された光は、ミラーM1,M2に順次反射され、ビームスプリッタHM2へ出力される。ビームスプリッタHM2は、集光レンズ32から到達した光(物体光)と、ミラーM2から到達した光(参照光)とを検出部40の受光面へ入射させて、両光を受光面上でヘテロダイン干渉させる。物体光と参照光とが検出部40の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部40では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。   The light output as the second light from the beam splitter HM1 to the mirror M1 is sequentially reflected by the mirrors M1 and M2 and output to the beam splitter HM2. The beam splitter HM2 causes the light (object light) that has arrived from the condensing lens 32 and the light (reference light) that has arrived from the mirror M2 to enter the light-receiving surface of the detection unit 40, and both lights are heterodyne on the light-receiving surface. Make it interfere. When the object light and the reference light are subjected to heterodyne interference on the light receiving surface of the detection unit 40, the detection unit 40 observes an interference beat signal between the object light and the reference light.

検出部40は、対象物2で生じた散乱光のうち、検出部40に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。検出部40の受光面は、集光レンズ32の後焦点面に一致する位置に配置される。よって、同じ散乱角を有す散乱光は、検出部40の一点に集光される。検出部40は、u方向に画素d〜dが配列された画素構造を有し、各画素dの光感応領域がv方向に長尺な形状をなす。 The detection unit 40 detects the light that has reached the detection unit 40 among the scattered light generated in the object 2, and outputs the scattered light data that changes with time at a frequency corresponding to the Doppler shift amount at each time. To do. The light receiving surface of the detection unit 40 is disposed at a position that coincides with the rear focal plane of the condenser lens 32. Therefore, scattered light having the same scattering angle is collected at one point of the detection unit 40. Detector 40 has a pixel structure in which pixels d 1 to d n are arranged in the u direction, the elongate shape in the photosensitive region of each pixel d n is the v direction.

演算部50は、各画素dから出力されるデータのそれぞれについて、時刻変数に関する1次元フーリエ変換を行い、変調周波数Ωに基づいて複数の周波数領域に分割し、周波数に関する1次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物2の像として得る。 Calculation unit 50, for each of the data output from each pixel d n, performs one-dimensional Fourier transform time-related variable is divided into a plurality of frequency domain based on the modulation frequency Omega n, and one-dimensional Fourier transform on Frequency Data obtained by performing is obtained as an image of the object 2.

本実施形態の観察装置1Bの演算部50の構成は、図12に示すものと同じである。すなわち、演算部50は、第1フーリエ変換部51、周波数分割部52及び第2フーリエ変換部53を備えている。第1フーリエ変換部51は、検出部40からの出力される時刻を変数とするデータについて時刻に関する1次元フーリエ変換を行う。周波数分割部52は、第1フーリエ変換部51から出力された信号を入力し、その信号を所定の周波数帯域に分割する。具体的には、変調周波数Ωを中心として、その前後に最大ドップラーシフト周波数Bを含むN個の周波数帯域を分割して出力する。第3フーリエ変換部53は、周波数分割部52から出力されたN個のデータについて周波数に関する1次元フーリエ変換を行う。 The configuration of the calculation unit 50 of the observation apparatus 1B of the present embodiment is the same as that shown in FIG. That is, the calculation unit 50 includes a first Fourier transform unit 51, a frequency division unit 52, and a second Fourier transform unit 53. The first Fourier transform unit 51 performs a one-dimensional Fourier transform on time for data having the time output from the detection unit 40 as a variable. The frequency dividing unit 52 receives the signal output from the first Fourier transform unit 51 and divides the signal into a predetermined frequency band. Specifically, around the modulation frequency Omega n, and it outputs the divided N number of frequency bands including the maximum Doppler shift frequency B w before and after. The third Fourier transform unit 53 performs a one-dimensional Fourier transform on the frequency for the N pieces of data output from the frequency division unit 52.

このようにして演算部50により得られるデータは、入射角θを変数とする複素振幅像である。上記のように、入射角θを変数とする複素振幅像から、フーリエ回折定理等を用いて3次元複素振幅像を得ることは公知の手法である。したがって、本明細書では、入射角θを変数とする複素振幅像から3次元画像を生成する方法についての説明は省略する。 The data obtained by the calculation unit 50 in this way is a complex amplitude image with the incident angle θ 0 as a variable. As described above, it is a well-known technique to obtain a three-dimensional complex amplitude image from the complex amplitude image having the incident angle θ 0 as a variable using the Fourier diffraction theorem. Therefore, in the present specification, description of a method for generating a three-dimensional image from a complex amplitude image having the incident angle θ 0 as a variable is omitted.

本実施形態の観察装置1Bにおいても、物体光において対象物への入射光の角度方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたY方向の1次元像が混信することなく復元することができる。物体光において対象物への入射光の角度方向に互いに直交する周波数を配置し、参照光との干渉信号を得ることで、入射光の角度毎の光に対する信号は混信することなく復元することができる。そのため、検出部40がX軸方向に画素構造を持つ1次元光検出器であっても、観察装置1は3次元画像を得ることができる。このように、本実施形態の観察装置によれば、X軸方向に画素構造を持つ1次元光検出器を用いて対象物の3次元像を得ることができるため、高速で移動する対象物の像を得ることができる。   Also in the observation apparatus 1B of the present embodiment, in the object light, the frequencies orthogonal to each other are arranged in the angular direction of the incident light to the target object, and an interference signal with the object light is obtained, thereby developing the Y direction in the time direction. Can be restored without interference. By arranging frequencies orthogonal to each other in the angular direction of the incident light on the object in the object light and obtaining an interference signal with the reference light, the signal for the light at each angle of the incident light can be restored without interference. it can. Therefore, even if the detection unit 40 is a one-dimensional photodetector having a pixel structure in the X-axis direction, the observation apparatus 1 can obtain a three-dimensional image. As described above, according to the observation apparatus of the present embodiment, a three-dimensional image of an object can be obtained using a one-dimensional photodetector having a pixel structure in the X-axis direction. An image can be obtained.

(第4実施形態)
第1,第2実施形態の観察装置1,1Aは、単画素からなる0次元光検出素子を用いて、対象物2の2次元画像を得た。第3実施形態の観察装置1Bは、X軸方向に画素構造を有する1次元光検出器を用いて、対象物2の3次元画像を得た。第4実施形態の観察装置1Cは、単画素からなる0次元光検出素子を用いて、対象物2の3次元画像を得るものである。
(Fourth embodiment)
The observation devices 1 and 1A of the first and second embodiments obtained a two-dimensional image of the object 2 using a zero-dimensional photodetecting element composed of a single pixel. The observation apparatus 1B of the third embodiment has obtained a three-dimensional image of the object 2 using a one-dimensional photodetector having a pixel structure in the X-axis direction. The observation apparatus 1 </ b> C of the fourth embodiment obtains a three-dimensional image of the target object 2 using a zero-dimensional light detection element composed of a single pixel.

図16は、第4実施形態の観察装置1Cの構成を示す図である。図16に示すように、本実施形態の観察装置1Cは、観察装置1Bの周波数変調部20に代えて、第1周波数変調部20Aを備えている。また、実施形態の観察装置1Cでは、参照光路に第2周波数変調部20Bを備えている。その他の構成は観察装置1Bと同じである。以下では、主に観察装置1Bとの相違点についてのみ説明し、観察装置1Bと同一と見做し得る点については説明を省略する。   FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration of an observation apparatus 1C according to the fourth embodiment. As illustrated in FIG. 16, the observation apparatus 1C of the present embodiment includes a first frequency modulation unit 20A instead of the frequency modulation unit 20 of the observation apparatus 1B. In addition, the observation apparatus 1C according to the embodiment includes the second frequency modulation unit 20B in the reference optical path. Other configurations are the same as those of the observation apparatus 1B. Hereinafter, only differences from the observation apparatus 1B will be mainly described, and descriptions of points that can be regarded as the same as the observation apparatus 1B will be omitted.

第1周波数変調部20Aは、ビームスプリッタHM1を介して光源部10から出力される光を入力して、X軸方向において複数の互いに異なる周波数を持ち、Y軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光を出力する。第1周波数変調部20Aは、X軸方向に画素構造d(n=1,2,…,N)を備えている。第1周波数変調部20Aには、互いに異なる変調周波数Ωの変調信号が入力される。第1周波数変調部20Aは、各画素dに入力された光を変調周波数Ω(第1特定周波数)だけ周波数遷移させて出力する。第1周波数変調部20Aは、X軸方向において互いに異なる複数の周波数f+Ω〜f+Ωを持ち、Y軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光を照明レンズ31に出力する。照明レンズ31は、第1周波数変調部20Aから出力された光をX軸方向に収束又は発散する光とし、Y軸方向に平行光として対象物2に照射する。 The first frequency modulation unit 20A receives light output from the light source unit 10 via the beam splitter HM1, and converts the light having a plurality of different frequencies in the X-axis direction and the same frequency in the Y-axis direction. Outputs modulated light. The first frequency modulation unit 20A includes a pixel structure d n (n = 1, 2,..., N) in the X-axis direction. Modulation signals with different modulation frequencies Ω n are input to the first frequency modulation unit 20A. First frequency modulating unit 20A outputs the light input to each pixel d n modulation frequency Omega n (first specific frequency) only by the frequency transition. The first frequency modulation unit 20 </ b > A has a plurality of different frequencies f b + Ω 1 to f b + Ω N in the X-axis direction and outputs light modulated to light having the same frequency in the Y-axis direction to the illumination lens 31. . The illumination lens 31 converts the light output from the first frequency modulation unit 20A into light that converges or diverges in the X-axis direction, and irradiates the object 2 as parallel light in the Y-axis direction.

第2周波数変調部20Bは、ビームスプリッタHM1を介して光源部10から出力される光を入力して、X軸方向において複数の互いに異なる周波数を持ち、Y軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光を出力する。第2周波数変調部20Bは、X軸方向に画素構造d(m=1,2,…,M)を備えている。第2周波数変調部20Bには、互いに異なる変調周波数Ω’(第2特定周波数)の変調信号が入力される。第2周波数変調部20Bは、各画素dに入力された光を変調周波数Ω’だけ周波数遷移させて出力する。第1周波数変調部20Aは、X軸方向において互いに異なる複数の周波数f+Ω’〜f+Ω’を持ち、Y軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光を照明レンズ33に出力する。 The second frequency modulation unit 20B inputs light output from the light source unit 10 via the beam splitter HM1, and converts the light having a plurality of different frequencies in the X-axis direction and the same frequency in the Y-axis direction. Outputs modulated light. The second frequency modulation unit 20B includes a pixel structure d m (m = 1, 2,..., M) in the X-axis direction. Modulation signals having different modulation frequencies Ω m ′ (second specific frequency) are input to the second frequency modulation unit 20B. The second frequency modulating unit 20B outputs the light input to each pixel d m modulation frequency Omega m 'only by the frequency transition. The first frequency modulation unit 20 </ b > A has a plurality of frequencies f b + Ω 1 ′ to f b + Ω M ′ different from each other in the X-axis direction, and converts the light modulated into light having the same frequency in the Y-axis direction to the illumination lens 33. Output.

ビームスプリッタHM2は、物体光と、参照光とを検出部40の受光面へ入射させて、両光を検出部40の受光面上でヘテロダイン干渉させる。集光レンズ32から出力されて検出部40の受光面に入射される光は、第1周波数変調部20Aの作用によりf+Ωの周波数を持つ。照明レンズ33から出力されて検出部40の受光面に入射される光は、第2周波数変調部20B作用によりf+Ω’の周波数を持つ。物体光と参照光とが検出部40の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部40では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。 The beam splitter HM2 causes the object light and the reference light to enter the light receiving surface of the detection unit 40, and causes both lights to heterodyne interfere on the light reception surface of the detection unit 40. Light incident on the light receiving surface of the detector 40 is output from the condenser lens 32 has a frequency of f + Omega n by the action of the first frequency modulation section 20A. The light output from the illumination lens 33 and incident on the light receiving surface of the detection unit 40 has a frequency of f + Ω M ′ by the action of the second frequency modulation unit 20B. When the object light and the reference light are subjected to heterodyne interference on the light receiving surface of the detection unit 40, the detection unit 40 observes an interference beat signal between the object light and the reference light.

検出部40は、周波数変調部20による光照射により対象物2で生じた散乱光のうち、検出部40に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。検出部40は、単画素からなる0次元光検出素子である。検出部40の受光面は、集光レンズ32の後焦点面に一致する位置に配置される。   The detection unit 40 detects light that has reached the detection unit 40 among the scattered light generated by the object 2 by light irradiation by the frequency modulation unit 20, and is scattered light that changes with time at a frequency corresponding to the Doppler shift amount. Are output at each time. The detection unit 40 is a zero-dimensional light detection element composed of a single pixel. The light receiving surface of the detection unit 40 is disposed at a position that coincides with the rear focal plane of the condenser lens 32.

演算部50は、検出部40から出力されるデータのそれぞれについて、時刻変数に関する1次元フーリエ変換を行い、変調周波数Ωおよび変調周波数Ω’に基づいて複数の周波数領域に分割し、周波数に関する1次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物2の像として得る。 The calculation unit 50 performs one-dimensional Fourier transform on the time variable for each of the data output from the detection unit 40, divides the data into a plurality of frequency regions based on the modulation frequency Ω n and the modulation frequency Ω m ′, and relates to the frequency Data obtained by performing the one-dimensional Fourier transform is obtained as an image of the object 2.

本実施形態の観察装置1Cの演算部50の構成は、図12に示すものと同じである。すなわち、演算部50は、第1フーリエ変換部51、周波数分割部52及び第2フーリエ変換部53を備えている。第1フーリエ変換部51は、検出部40からの出力される時刻を変数とするデータについて時刻に関する1次元フーリエ変換を行う。周波数分割部52は、第1フーリエ変換部51から出力された信号を入力し、その信号を所定の周波数帯域に分割する。具体的には、変調周波数Ω,Ω’を中心として、その前後に最大ドップラーシフト周波数Bを含むNxM個の周波数帯域を抽出して出力する。 The configuration of the calculation unit 50 of the observation apparatus 1C of the present embodiment is the same as that shown in FIG. That is, the calculation unit 50 includes a first Fourier transform unit 51, a frequency division unit 52, and a second Fourier transform unit 53. The first Fourier transform unit 51 performs a one-dimensional Fourier transform on time for data having the time output from the detection unit 40 as a variable. The frequency dividing unit 52 receives the signal output from the first Fourier transform unit 51 and divides the signal into a predetermined frequency band. Specifically, the modulation frequency Omega n, around the Omega m ', and outputs the extracted NxM number of frequency bands including the maximum Doppler shift frequency B w before and after.

第3フーリエ変換部53は、周波数分割部52から出力されたN個のデータについて周波数に関する1次元フーリエ変換を行う。なお、第1フーリエ変換部61及び第3フーリエ変換部53は、互いに入れ替えて任意の順序で配置されてもよい。   The third Fourier transform unit 53 performs a one-dimensional Fourier transform on the frequency for the N pieces of data output from the frequency division unit 52. Note that the first Fourier transform unit 61 and the third Fourier transform unit 53 may be interchanged with each other and arranged in any order.

このようにして演算部50により得られるデータは、入射角θを変数とする複素振幅像である。上記のように、入射角θを変数とする複素振幅像から、フーリエ回折定理等を用いて3次元複素振幅像を得ることは公知の手法である。したがって、本明細書では、入射角θを変数とする複素振幅像から3次元画像を生成する方法についての説明は省略する。 The data obtained by the calculation unit 50 in this way is a complex amplitude image with the incident angle θ 0 as a variable. As described above, it is a well-known technique to obtain a three-dimensional complex amplitude image from the complex amplitude image having the incident angle θ 0 as a variable using the Fourier diffraction theorem. Therefore, in the present specification, description of a method for generating a three-dimensional image from a complex amplitude image having the incident angle θ 0 as a variable is omitted.

本実施形態の観察装置1Bにおいても、物体光において対象物への入射光の角度方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたY方向の1次元像が混信することなく復元することができる。物体光において対象物への入射光の角度方向に互いに直交する周波数を配置し、参照光との干渉信号を得ることで、入射光の角度毎の光に対する信号は混信することなく復元することができる。また参照光断面においてX軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたY方向の1次元像が混信することなく復元することができる。参照光路断面においてX軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、検出器受光面の各領域が出力する信号は混信することなく復元することができる。そのため、検出部40が単画素からなる0次元光検出素子であっても、観察装置1は3次元画像を得ることができる。このように、本実施形態の観察装置によれば、単画素の0次元光検出素子を用いて対象物の3次元像を得ることができるため、高速で移動する対象物の像を得ることができる。   Also in the observation apparatus 1B of the present embodiment, in the object light, the frequencies orthogonal to each other are arranged in the angular direction of the incident light to the target object, and an interference signal with the object light is obtained, thereby developing the Y direction in the time direction. Can be restored without interference. By arranging frequencies orthogonal to each other in the angular direction of the incident light on the object in the object light and obtaining an interference signal with the reference light, the signal for the light at each angle of the incident light can be restored without interference. it can. Further, by arranging frequencies orthogonal to each other in the X-axis direction in the reference light section and obtaining an interference signal with the object light, the one-dimensional image in the Y direction developed in the time direction can be restored without interference. . By arranging frequencies orthogonal to each other in the X-axis direction in the cross section of the reference optical path and obtaining an interference signal with the object light, signals output from each region of the detector light receiving surface can be restored without interference. Therefore, even if the detection unit 40 is a 0-dimensional light detection element composed of a single pixel, the observation apparatus 1 can obtain a three-dimensional image. As described above, according to the observation apparatus of the present embodiment, a three-dimensional image of an object can be obtained using a single pixel 0-dimensional photodetecting element, and therefore an image of an object moving at high speed can be obtained. it can.

(変形例)
本配置例では、検出部50の受光面が、集光レンズ32の後焦点面に配置されている。しかし、検出部50の受光面が、集光レンズ32の後焦点面に配置されていない場合であっても、所定の演算を行うことにより、検出部50の受光面が、集光レンズ32の後焦点面に配置された場合と同じ複素振幅像を得ることができる。ただし、検出部50がフレネル回折像面に配置されると、像のボケとして2次位相H(u)が現れる。この場合、検出部50の出力を、第1方向に1次元フーリエ変換を行った後、2次位相H(u)で除する2次位相除算部を演算部50に備えることが好ましい。2次位相H(u)は、検出部50が配置される位置により決まる値であり、下記(13)式で表される。(13)式において、αは定数である。
(Modification)
In this arrangement example, the light receiving surface of the detection unit 50 is arranged on the rear focal plane of the condenser lens 32. However, even if the light receiving surface of the detection unit 50 is not disposed on the rear focal plane of the condenser lens 32, the light reception surface of the detection unit 50 can be changed by the predetermined calculation. It is possible to obtain the same complex amplitude image as that disposed on the back focal plane. However, when the detection unit 50 is disposed on the Fresnel diffraction image plane, the secondary phase H (u) appears as blurring of the image. In this case, it is preferable that the arithmetic unit 50 includes a secondary phase division unit that divides the output of the detection unit 50 by the secondary phase H (u) after performing a one-dimensional Fourier transform in the first direction. The secondary phase H (u) is a value determined by the position where the detection unit 50 is disposed, and is expressed by the following equation (13). In the equation (13), α is a constant.

上記実施形態では、演算部50の周波数分割部52が、変調周波数Ωを中心として、その前後に最大ドップラーシフト周波数Bを含むN個の周波数帯域を分割したが、別の方法で周波数帯域の分割を行ってもよい。例えば、検出器の後段に分波器を設け、検出部40から出力された信号を入力し、その信号を所定の周波数毎に分割してもよい。このような分波器としては、X軸方向に並設されたN個のバンドパスフィルターが用いられる。 In the above embodiment, the frequency division unit 52 of the arithmetic unit 50, around the modulation frequency Omega n, but by dividing the N frequency band including the maximum Doppler shift frequency B w before and after a frequency band in a different way May be divided. For example, a duplexer may be provided after the detector, a signal output from the detection unit 40 may be input, and the signal may be divided for each predetermined frequency. As such a duplexer, N band-pass filters arranged in parallel in the X-axis direction are used.

本実施形態の観察装置1では、対象物2の速度が変化するとドップラー信号に周波数変調が生じて、最終的に得られる対象物2の像が流れ方向に伸縮する。このような伸縮を補正するために、本実施形態の観察装置1は、対象物2の移動速度を検出する速度検出部を更に備えるのが好適である。そして、演算部50は、速度検出部により検出された対象物2の速度に基づいて、時間方向の1次元フーリエ変換または2次元フーリエ変換の際に対象物2の速度変化に関する補正を行うのが好適である。または、速度検出部より検出された対象物2の速度に基づいて、検出部40の撮影タイミングを図ってもよい。   In the observation apparatus 1 of the present embodiment, when the speed of the object 2 changes, frequency modulation occurs in the Doppler signal, and the finally obtained image of the object 2 expands and contracts in the flow direction. In order to correct such expansion and contraction, it is preferable that the observation apparatus 1 of the present embodiment further includes a speed detection unit that detects the moving speed of the object 2. And the calculating part 50 correct | amends regarding the speed change of the target object 2 in the time of the one-dimensional Fourier transformation of a time direction, or two-dimensional Fourier transformation based on the speed of the target object 2 detected by the speed detection part. Is preferred. Alternatively, the imaging timing of the detection unit 40 may be achieved based on the speed of the object 2 detected by the speed detection unit.

この速度検出部は、任意のものが用いられ得るが、移動速度とドップラーシフト量との間の関係を利用して、集光レンズ32の後焦点面の散乱光到達位置における信号の周波数を検出することでも対象物2の移動速度を求めることができる。この場合、速度検出部は、ビームスプリッタHM2から検出部40へ向う光の一部が分岐されたものをフーリエ面上で検出してもよいし、或いは、検出部40の受光面の一部に独立に設けられた画素を含むものであってもよい。その画素の大きさは、対象物2の移動速度Vとドップラー周波数fとの関係から導かれる移動速度の分解能を有する面積を持つことが好ましい。 Any speed detection unit may be used, and the frequency of the signal at the scattered light arrival position of the rear focal plane of the condenser lens 32 is detected using the relationship between the moving speed and the Doppler shift amount. By doing so, the moving speed of the object 2 can be obtained. In this case, the speed detection unit may detect a part of the light branched from the beam splitter HM2 to the detection unit 40 on the Fourier plane, or may detect a part of the light receiving surface of the detection unit 40. It may include pixels provided independently. The size of the pixel, it is preferable to have an area with a resolution of the moving speed derived from the relationship between the moving speed V and the Doppler frequency f d of the object 2.

以上の説明では、光源の対象物の位相像を透過照明で取得する実施例を主に示したが、反射照明で取得してもよいことは、明らかである。光源として、ドップラーシフト量を感度よく検出する上では、単一縦モードの光の利用が好適であるが、これに限定されない。例えば、広帯域の光を用いることで、位相物体の深さに関する情報も取得可能となる。各波長成分のドップラーシフトを計測するためには、広帯域の光として、波長成分間の位相関係が一定であるものを用いるのが好適である。このような光源として、例えばモードロックレーザーを用いることができる。モードロックレーザーは、離散的な波長成分を有するため、ドップラーシフト量の検出する用途において、非常に有効な光源である。   In the above description, the embodiment in which the phase image of the object of the light source is mainly obtained by the transmitted illumination is shown. However, it is obvious that it may be obtained by the reflected illumination. In order to detect the Doppler shift amount with high sensitivity as the light source, it is preferable to use light in a single longitudinal mode, but the present invention is not limited to this. For example, information on the depth of the phase object can be acquired by using broadband light. In order to measure the Doppler shift of each wavelength component, it is preferable to use a broadband light whose phase relationship between wavelength components is constant. For example, a mode-locked laser can be used as such a light source. Since the mode-locked laser has discrete wavelength components, it is a very effective light source in applications for detecting the Doppler shift amount.

1,1A,1B,1C…観察装置、2…対象物、10…光源部、20…周波数変調部、20A…第1周波数変調部、20B…第2周波数変調部、31,33…照明レンズ、32…集光レンズ、40…検出部、50…演算部、51…第1フーリエ変換部、52…周波数分割部、52…第2フーリエ変換部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1A, 1B, 1C ... Observation apparatus, 2 ... Object, 10 ... Light source part, 20 ... Frequency modulation part, 20A ... 1st frequency modulation part, 20B ... 2nd frequency modulation part, 31, 33 ... Illumination lens, 32 ... Condensing lens, 40 ... Detection unit, 50 ... Calculation unit, 51 ... First Fourier transform unit, 52 ... Frequency division unit, 52 ... Second Fourier transform unit

Claims (15)

所定平面上で移動している対象物へ照射される光を出力する光源部と、
前記光源部から出力された光を入力して、その入力した光を前記対象物の前段で2分割して第1の光及び第2の光とし、前記第1の光を前記対象物に向けて出力する第1の光学系と、
前記対象物の移動方向に垂直な前記所定平面上の方向を第1方向とし、前記対象物の移動方向に平行な前記所定平面上の方向を第2方向としたときに、前記第1の光又は前記第2の光を入力して、当該入力した光を、前記第1方向と対応する方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第2方向と対応する方向において同一の周波数を有する光に変調する周波数変調部と、
前記対象物で生じた散乱光と前記第2の光とを前記所定平面とは別の所定平面上でヘテロダイン干渉させる第2の光学系と、
前記別の所定平面上に位置する検出部であって、前記ヘテロダイン干渉された光を受光し、受光した光のデータを、各時刻に出力する検出部と、
前記検出部から出力されたデータに対して、前記特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する1次元フーリエ変換と、周波数に関する1次元フーリエ変換とを行って得られたデータを前記対象物の像として得る演算部と、を備える観察装置。
A light source unit that outputs light emitted to the object is moving on a predetermined plane,
The light output from the light source unit is input, the input light is divided into two at the front stage of the object to be the first light and the second light, and the first light is directed to the object A first optical system that outputs
When the direction on the predetermined plane perpendicular to the moving direction of the object is a first direction and the direction on the predetermined plane parallel to the moving direction of the object is a second direction, the first light Alternatively, the second light is input, and the input light has a frequency shifted by a plurality of different specific frequencies in a direction corresponding to the first direction, and in the direction corresponding to the second direction . A frequency modulation unit that modulates light having the same frequency;
A second optical system that causes heterodyne interference between the scattered light generated by the object and the second light on a predetermined plane different from the predetermined plane;
A detection unit located on the other predetermined plane, receiving the heterodyne-interfered light, and outputting the received light data at each time; and
Obtained by performing a process of dividing the data output from the detection unit into a plurality of frequency regions based on the specific frequency, a one-dimensional Fourier transform related to a time variable, and a one-dimensional Fourier transform related to a frequency And an arithmetic unit that obtains data as an image of the object.
前記周波数変調部が、前記第1の光の光路上に配置され、前記第1の光を入力して、当該入力した光を、前記第1方向と対応する方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第2方向と対応する方向において同一の周波数を有する光に変調し、この変調した光を、前記第1の光の光路上に位置する前記対象物または対象物の像に照射する、請求項1に記載の観察装置。 The frequency modulation unit is disposed on an optical path of the first light, inputs the first light, and inputs the input light by a plurality of specific frequencies different from each other in a direction corresponding to the first direction. The object or object having a transitioned frequency and modulating into light having the same frequency in a direction corresponding to the second direction, and the modulated light being positioned on the optical path of the first light The observation apparatus according to claim 1, which irradiates an image of 前記周波数変調部が、前記第2の光の光路上に配置され、前記第2の光を入力して、当該入力した光を、前記第1方向と対応する方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第2方向と対応する方向において同一の周波数を有する光に変調する、請求項1に記載の観察装置。 The frequency modulation unit is disposed on the optical path of the second light, inputs the second light, and inputs the input light to a plurality of specific frequencies different from each other in a direction corresponding to the first direction. The observation apparatus according to claim 1, wherein the observation apparatus modulates light having a transitioned frequency and having the same frequency in a direction corresponding to the second direction. 前記検出部が、単画素の光検出器である、請求項1〜3の何れか一項に記載の観察装置。   The observation device according to claim 1, wherein the detection unit is a single-pixel photodetector. 前記光源部と前記対象物との間に配置され、前記光源部からの光を入力して、前記対象物へ多方向から光を照射する照明光学系を更に備え、
前記検出部が、前記別の所定平面に受光面を有し、該受光面において前記第1方向と対応する方向に画素構造を有する光検出器である、請求項1〜3の何れか一項に記載の観察装置。
An illumination optical system that is disposed between the light source unit and the object, inputs light from the light source unit, and irradiates light from multiple directions to the object;
The said detection part is a photodetector which has a light-receiving surface in said another predetermined plane, and has a pixel structure in the direction corresponding to a said 1st direction in this light-receiving surface. The observation apparatus described in 1.
前記光源部と前記対象物との間に配置され、前記光源部からの光を入力して、前記対象物へ多方向から光を照射する照明光学系を更に備え、
前記周波数変調部が、第1の周波数変調部と、第2の周波数変調部とを備え、
前記第1の周波数変調部が、前記第1の光の光路上に配置され、前記第1の光を入力して、当該入力した光を、前記第1方向と対応する方向において互いに異なる複数の特定周波数である第1特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第2方向と対応する方向において同一の周波数を有する光に変調し、この変調した光を前記対象物に照射し、
前記第2の周波数変調部が、前記第2の光の光路上に配置され、前記第2の光を入力して、当該入力した光を、前記第1方向と対応する方向において互いに異なる複数の特定周波数であって、前記第1特定周波数とは異なる第2特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第2方向と対応する方向において同一の周波数を有する光に変調し、
前記検出部が、単画素の光検出器であり、
前記演算部が、前記検出部から出力されたデータに対して、前記第1特定周波数及び第2特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する1次元フーリエ変換と、周波数に関する1次元フーリエ変換とを行って得られたデータを前記対象物の像として得る請求項1に記載の観察装置。
An illumination optical system that is disposed between the light source unit and the object, inputs light from the light source unit, and irradiates light from multiple directions to the object;
The frequency modulation unit includes a first frequency modulation unit and a second frequency modulation unit,
The first frequency modulation unit is disposed on an optical path of the first light, inputs the first light, and inputs the input light to a plurality of different ones in a direction corresponding to the first direction. A frequency that has been shifted by a first specific frequency that is a specific frequency is modulated into light having the same frequency in a direction corresponding to the second direction, and the object is irradiated with the modulated light,
The second frequency modulation unit is disposed on an optical path of the second light, inputs the second light, and inputs the input light to a plurality of different ones in a direction corresponding to the first direction. A specific frequency having a frequency shifted by a second specific frequency different from the first specific frequency, and modulating to light having the same frequency in a direction corresponding to the second direction;
The detector is a single-pixel photodetector;
The calculation unit divides the data output from the detection unit into a plurality of frequency regions based on the first specific frequency and the second specific frequency, a one-dimensional Fourier transform related to a time variable, and a frequency The observation apparatus according to claim 1, wherein data obtained by performing a one-dimensional Fourier transform on the image is obtained as an image of the object.
前記演算部が、
前記検出部から出力されるデータを、前記特定周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域毎に分割する分波器と、
前記分波器により分割されたデータについて、時刻変数に関する1次元フーリエ変換を行う第1フーリエ変換部と、
前記第1フーリエ変換部から出力されたデータについて、周波数に関する1次元フーリエ変換を行う第2フーリエ変換部と、を含む、請求項1〜6の何れか一項に記載の観察装置。
The computing unit is
A duplexer that divides the data output from the detection unit into regions each including a maximum Doppler shift frequency around the specific frequency, and
A first Fourier transform unit for performing a one-dimensional Fourier transform on a time variable for the data divided by the duplexer;
The observation apparatus according to claim 1, further comprising: a second Fourier transform unit that performs one-dimensional Fourier transform on the frequency of the data output from the first Fourier transform unit.
前記演算部が、
前記検出部から出力されるデータについて、時刻変数に関する1次元フーリエ変換を行う第1フーリエ変換部と、
前記第1フーリエ変換部から出力されたデータを、前記特定周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域毎に分割する周波数分割部と、
前記分割部から出力されたデータについて、周波数に関する1次元フーリエ変換を行う第2フーリエ変換部と、を含む、請求項1〜6の何れか一項に記載の観察装置。
The computing unit is
A first Fourier transform unit that performs a one-dimensional Fourier transform on a time variable for data output from the detection unit;
A frequency division unit that divides the data output from the first Fourier transform unit into regions each including a maximum Doppler shift frequency around the specific frequency;
The observation apparatus according to claim 1, further comprising: a second Fourier transform unit that performs a one-dimensional Fourier transform on the frequency of the data output from the dividing unit.
前記演算部が、前記検出部から出力されるデータを、前記検出部が配置される位置により定まる値である2次位相で除する2次位相除算部を更に備える、請求項1〜8の何れか一項に記載の観察装置。   The said calculating part is further equipped with the secondary phase division part which remove | divides the data output from the said detection part by the secondary phase which is a value decided by the position where the said detection part is arrange | positioned. The observation device according to any one of the above. 前記対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、
前記演算部が、前記速度検出部により検出された前記対象物の速度に基づいて、前記フーリエ変換の際に前記対象物の速度変化に関する補正を行う、
請求項1〜9の何れか1項に記載の観察装置。
A speed detector for detecting the moving speed of the object;
Based on the speed of the object detected by the speed detection unit, the calculation unit performs correction related to the speed change of the object during the Fourier transform.
The observation apparatus according to any one of claims 1 to 9.
前記対象物への光の照射が、透過照明の光学配置によって行われることを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の観察装置。   The observation apparatus according to claim 1, wherein the irradiation of light to the object is performed by an optical arrangement of transmitted illumination. 前記対象物への光の照射が、反射照明の光学配置によって行われることを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の観察装置。   The observation apparatus according to claim 1, wherein the object is irradiated with light by an optical arrangement of reflected illumination. 前記光源部が、単一縦モードの光を生成する光源であることを特徴とする請求項1〜12の何れか1項に記載の観察装置。   The observation apparatus according to claim 1, wherein the light source unit is a light source that generates light in a single longitudinal mode. 前記光源部が、広帯域の光を生成することを特徴とする請求項1〜12の何れか1項に記載の観察装置。   The observation device according to claim 1, wherein the light source unit generates broadband light. 前記光源部が、モードロックレーザーであることを特徴とする請求項14に記載の観察装置。   The observation apparatus according to claim 14, wherein the light source unit is a mode-locked laser.
JP2011241626A 2011-11-02 2011-11-02 Observation device Active JP5856440B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011241626A JP5856440B2 (en) 2011-11-02 2011-11-02 Observation device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011241626A JP5856440B2 (en) 2011-11-02 2011-11-02 Observation device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013096918A JP2013096918A (en) 2013-05-20
JP5856440B2 true JP5856440B2 (en) 2016-02-09

Family

ID=48618983

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011241626A Active JP5856440B2 (en) 2011-11-02 2011-11-02 Observation device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5856440B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015024871A1 (en) * 2013-08-19 2015-02-26 Basf Se Optical detector
US20230213432A1 (en) * 2020-06-18 2023-07-06 Hamamatsu Photonics K.K. Observation device and observation method
JP2023079446A (en) * 2021-11-29 2023-06-08 浜松ホトニクス株式会社 Observation device and observation method

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007504444A (en) * 2003-08-26 2007-03-01 ユーティー−バテル, エルエルシー Transmission and reflection type spatial heterodyne interferometry (SHIRT) measurement
SE0302676D0 (en) * 2003-10-09 2003-10-09 Neural Ab Method and apparatus for holographic refractometry
US7564564B2 (en) * 2006-08-22 2009-07-21 Artium Technologies, Inc. Automatic set-up for instrument functions
US8812087B2 (en) * 2009-06-16 2014-08-19 Technion Research & Development Foundation Limited Method and system of spectrally encoded imaging

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013096918A (en) 2013-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5364203B2 (en) Observation device
JP6600754B2 (en) Laser beam projection system with dynamic phase compensation
JP5981443B2 (en) Observation device
JP5592763B2 (en) Method and apparatus for determining height map of object surface
EP4212938A1 (en) Flying-over beam pattern scanning hologram microscope device using scan mirror and translation stage
WO2014057998A1 (en) Lighting device and microscope, and lighting method and observation method
JP5856440B2 (en) Observation device
JP2011133580A (en) Method and device for projecting hologram image
WO2017158695A1 (en) Point spread function measurement device and measurement method, image acquisition device and image acquisition method
RU2009110888A (en) SPEED DETECTOR
KR101916827B1 (en) A three-dimensional image acquisition device having high resolution
US11500187B2 (en) Systems, methods, and structures for broadband phase shifting for quantitative phase microscopy
JP6052965B2 (en) In-plane displacement measuring device
JP2006064610A (en) Coaxial-type spatial light interference tomographic image measuring instrument
KR101523173B1 (en) Off-axis hologram recording apparatus
TW202129222A (en) Hybrid 3d inspection system
JP5823810B2 (en) Observation device
US20230400673A1 (en) Flying-over beam pattern scanning hologram microscope device using spatial modulation scanner and translation stage
JP2010256192A (en) Shape measuring method and shape measuring device by phase shift method, complex amplitude measuring method, and complex amplitude measuring device
WO2020252485A1 (en) Systems, methods, and structures for broadband phase shifting for quantitative phase imaging
JP2018185201A (en) Optical image measurement device
KR20120111799A (en) Method and system for evaluating a height of structures

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140826

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150430

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150512

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150710

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20151208

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20151211

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5856440

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250