JP6379031B2 - 波面歪み量測定装置、波面補償装置、光学測定装置、および方法 - Google Patents
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Description
め好ましい。
調を前記波面変調器に与えた状態で、前記光検出器を用いて測定を行う測定ステップと、を含む光学測定方法と捉えることもできる。本発明によれば、波面歪み量測定のための光検出器と、対象物測定のための光検出器と、を共通化できる。これにより、単に部品点数を削減できるだけでなく、波面歪み量の測定と対象物の測定において同一の経路を光が通るので、精度の良い波面歪み量の測定が可能となる。
まず、本発明にかかる波面歪み量測定方法の基本原理について説明する。
上記の原理に基づいて波面歪みの測定および波面補償を行う補償光学装置について図3(A)(B)、図4を参照して簡単に説明する。図3(A)に示す補償光学装置1100は、波面変調器2、瞳投影レンズ3、結像レンズ4、レンズ5、2次元光検出器6、制御コンピュータ7から構成される。制御コンピュータ7は、波面変調器2に与える位相変調量の制御および、2次元光検出器6から得られる強度分布に基づく波面歪み量の算出を行う。補償光学装置1100は、光源1から発せられる光を、波面変調器2、瞳投影レンズ3、結像レンズ4、およびレンズ5を介して、2次元光検出器6で検出する。2次元光検出器6で検出された光強度分布は制御コンピュータ7に送られ、制御コンピュータ7は波面歪み量を算出する。波面変調器2は、レンズ5の瞳面と共役な位置に配置される。なお、図3(B)に示すように、瞳投影レンズ3および結像レンズ4を省略して、波面変調器2をレンズ5の瞳面付近に配置しても構わない。
プS106の補償処理を行わずに、波面歪み量の測定まで行って処理を終了するようにしても構わない。補償処理を行わない場合には、補償光学装置1100は波面歪み量測定装置と捉えることができる。図4のフローチャートでは、ステップS106が省略可能であることを表すために、ステップS106を点線で描いている。
上記では、波面変調器に与える位相変調量を離散的に変化させて得られる複数の強度分布から演算によって試験光と参照光の干渉成分を求めている。しかしながら、位相φmを周波数fmで変調し、周波数fmで変調された信号光のみをロックイン検出することによっても、干渉成分Eh(x,y)E* pr(x,y)またはE* h(x,y)Epr(x,y)を抽出できる。φmをある周波数fmで変調すると、式(3)は
S205)。この波面歪み量を打ち消す位相変調を波面変調器2にあたえることで、光源1から発生する光の波面歪みを補償することができる(S206)。なお、ステップS2
06の補償処理を行わずに、波面歪み量の測定まで行って処理を終了するようにしても構わない。補償処理を行わない場合には、補償光学装置1200は波面歪み量測定装置と捉えることができる。図5(B)のフローチャートでは、ステップS206が省略可能であることを表すために、ステップS206を点線で描いている。
中心空間周波数(kprx,kpry)の狭い空間周波数帯域のみ変調する手法の、インコヒーレント光を用いた線形光学装置への応用を考える。ここでは、線型光学装置として、線型光学顕微鏡を例にして説明する。線型光学顕微鏡によって検出される像は
レーザー走査型光学装置では、照射するレーザー光の波面を揃えてビーム径を小さくす
ることが好ましい。例えば、レーザー走査型顕微鏡では、ビーム径を小さくすることにより分解能の良い測定が可能となる。そこで、レーザー走査型光学装置に上記の手法を適用して、レーザー光の波面歪みを補償するとよい。以下、レーザー走査型光学装置としてレーザー走査型顕微鏡(レーザー走査型光学測定装置)を例に挙げて説明する。図6(A)は、上記の波面歪み測定および補償技術を適用したレーザー走査型顕微鏡1300の構成を示す図である。
行うことが可能であり、波面歪み量の測定用に新たな光学系を追加する必要がない。さらに、試料の測定と波面歪み量の測定において同一の経路を光が通るので、試料22上でのレーザー光の波面歪み量を精度良く測定することができる。また、波面歪み量の測定を高速に行うことができるという利点や、試料上に明るい光源が不要であるという利点も有する。
上記の波面歪み測定および波面補償技術は、レーザー走査型光学装置以外に広視野光学装置にも適用可能である。図6(B)は、上記の波面歪み測定および補償技術を適用した広視野光学装置の一例として広視野顕微鏡1400の構成を示す図である。広視野顕微鏡1400は、光源25、ダイクロイックミラー26、瞳投影レンズ27、結像レンズ28、対物レンズ29、波面変調器30、結像レンズ31、2次元光検出器32、制御コンピュータ33から構成される。広視野顕微鏡1400では、CCDカメラやCMOSカメラを用いた2次元光検出器32により試料22の像を測定する。制御コンピュータ33は、測定により得られた試料22の像の画像データを、表示装置(不図示)に表示したり、記憶装置(不図示)に記憶したり、他のコンピュータなどに送信したりする。また、試料22内部の焦点面を結像している2次元光検出器32上における波面歪みを測定するために
、波面変調器30は試料22から2次元光検出器32に至る光路上であって、対物レンズ29の瞳面と共役な位置に配置されている。
上記の構成例3、4では波面変調器に与える位相変調量を離散的に変化させて得られる複数の強度分布から演算によって試験光と参照光の干渉成分を求めているが、構成例2と同様にロックイン検出によって試験光と干渉光の干渉成分を求めることもできる。
中心空間周波数(kprx,kpry)の狭い空間周波数帯域のみ変調する本発明手法の、非線形光学装置への応用を考える。ここでは非線形光学装置として、和周波発生(SFG: Sum Frequency Generation)の非線形光学過程を用いる非線形光学顕微鏡(非線
形光学測定装置)を例にとって説明する。和周波発生には2つの励起光が用いられ、一方の励起光のみ試料上を走査し、他方の励起光は試料上に固定される。ここでは、2つの励起光のうち集光位置を走査する励起光の方のみに位相変調を与えるものとする。
上記手法による波面補償可能な非線形光学顕微鏡1700の構成例を図10に示す。非線形光学顕微鏡1700では、第1の光源34と第2の光源53から発せられるレーザー光を重ね合わせて試料47に照射し、焦点面で発生した非線形信号を光電子増倍管やフォトダイオードなどの点型光検出器48で検出する。第1の光源34から発せられる第1の励起レーザー光は、第1の波面変調器35、瞳投影レンズ36、結像レンズ37、スキャナー38、瞳投影レンズ39、結像レンズ40を介して、ダイクロイックミラー41に入射される。なお、第1の波面変調器35は、第1の光源34から試料47に至る光路上であって、対物レンズ46の瞳面と共役な位置に配置されている。また、第2の光源53から発せられる第2の励起レーザー光は、第2の波面変調器52、瞳投影レンズ51、結像レンズ50を介して、ダイクロイックミラー41に入射される。なお、第2の波面変調器52は、第2の光源53から試料47に至る光路上であって、対物レンズ46の瞳面と共役な位置に配置されている。ダイクロイックミラー41により重ね合わされた第1および第2の励起レーザー光は、スキャナー42、瞳投影レンズ43、結像レンズ44、ダイクロイックミラー45、対物レンズ46を介して、試料47内部の焦点面に照射される。焦点面において発生した非線形信号は、対物レンズ46およびダイクロイックミラー45を介して、点型光検出器48によって検出される。点型光検出器48によって検出される非線形信号は制御コンピュータ49に送られる。制御コンピュータ49は、第1の波面変調器35および第2の波面変調器52の位相変調量を制御する。制御コンピュータ49は、また、第1の励起レーザー光および第2の励起レーザー光の試料内部の焦点面における波面歪み量を計算して、この波面歪みを打ち消す位相変調を第1の波面変調器35および第2の波面変調器52に与える。
[1.基本原理の確認]
空間光変調器を用いて局所領域(局所空間周波数)のみに位相変調を施し、位相変調された光と位相変調されていない光の干渉成分を測定することで、波面歪み量が測定できることを、実験により確認した。図12(A)に実験に用いた構成1800を示す。光源としてチタンサファイアレーザー発振器54を用いてレーザー光を発振する。レーザー光を、半波長板55、偏光ビームスプリッター56を介して光パラメトリック発振器57に入射させて波長変換する。光パラメトリック発振器57から出力された光は、プリズム対58、空間光変調器59、レンズ60を介して、レンズ60の焦点位置(焦点距離300mm)に配置されたCCDカメラ61に入射する。CCDカメラ61は集光点の強度分布を測定する。
既知の波面歪み(点線)と測定により得られた波面歪み(黒点)を示す。図から分かるように、空間光変調器で与えた波面歪みを精度良く測定できている。
図13に示す光学系1900を用いて、非線形光学顕微鏡における波面歪み測定実験を行った。ここでは、試料中で発生させる非線形光学過程として4光波混合過程を用い、発生した4光波混合信号を光電子増倍管によって検出した。
上記の説明では、主に顕微鏡を例にして説明を行ったが、本発明に係る波面歪みの測定
および補償技術が適用可能な光学測定装置は顕微鏡に限定されず、望遠鏡、非破壊検査装置などにも適用可能である。非破壊検査装の一例として、眼底検査装置、病理検査装置、食品異物混入検査装置、半導体検査装置、光干渉断層計などが含まれ、原理的に図6(B)(D)と同様の構成をとる。また、顕微鏡に関しても、共焦点顕微鏡(CLSM)に限らず、PALM(Photoactivated Localization Microscopy)、STED(Stimulated Emission Depletion)、SIM(Structured Illumination Microscopy)などにも適用可
能である。また、本発明にかかる波面歪みの測定および補償技術は、光学測定装置に限定されず、レーザー加工装置のようなレーザー照射装置にも適用可能である。
レンズ,52:波面変調器,53:光源,54:光源,55:半波長板,56:偏光ビームスプリッター,57:光パラメトリック発振器,58:プリズム対,59:空間光変調器,60:レンズ,61:CCDカメラ,62:制御コンピュータ,63:光源,64:半波長板,65:偏光ビームスプリッター,66:光パラメトリック発振器,67:プリズム対,68:空間光変調器,69:瞳投影レンズ,70:結像レンズ,71:ガルバノスキャナー,72:瞳投影レンズ,73:結像レンズ,74:ガルバノスキャナー,75:瞳投影レンズ,76:結像レンズ,77:ダイクロイックミラー,78:ガルバノスキャナー,79:瞳投影レンズ,80:結像レンズ,81:ガルバノスキャナー,82:瞳投影レンズ,83:結像レンズ,84:ダイクロイックミラー,85:対物レンズ,86:試料,87:対物レンズ,88:レンズ,89:レンズ,90:励起光カットフィルター,91:光電子増倍管,92:レンズ,93:レンズ,94:励起光カットフィルター,95:光電子増倍管,96:制御コンピュータ,97:プリズム対,98:空間光変調器,99:瞳投影レンズ,100:結像レンズ,129:ビーム径縮小光学系,130:波面変調器,131:結像レンズ,132:2次元光検出器,133:制御コンピュータ,225:光源,226:ダイクロイックミラー,229:対物レンズ,230:波面変調器,231:結像レンズ,232:2次元光検出器,233:制御コンピュータ
1100:補償光学装置,1200:補償光学装置,1300:レーザー走査型顕微鏡,1400:広視野顕微鏡,1500:望遠鏡,1600:眼底検査装置,1700:非線形光学顕微鏡
Claims (28)
- レンズの瞳面もしくは当該瞳面と共役な位置に配置された波面変調器と、
前記波面変調器および前記レンズを介して入射する光の強度分布を検出する光検出器と、
前記波面変調器の位相変調量を制御する制御手段と、
前記波面変調器の局所領域に与える位相変調量を変化させた際に前記光検出器から得られる強度分布に基づいて、前記局所領域を通過する光と前記局所領域以外を通過する光の干渉成分を取得する干渉成分取得手段と、
前記干渉成分をフーリエ変換し、フーリエ変換された干渉成分の位相成分を波面歪み量として算出する波面歪み量算出手段と、
を備える、波面歪み量測定装置。 - 前記制御手段は、前記局所領域に少なくとも3つの異なる変調量を与えるように前記波面変調器を制御し、
前記干渉成分取得手段は演算装置であり、前記少なくとも3つの異なる変調量を前記波面変調器に与えた際に前記光検出器からそれぞれ得られる少なくとも3つの強度分布に基づいて、演算により前記干渉成分を算出する、
請求項1に記載の波面歪み量測定装置。 - 前記制御手段は、前記波面変調器の前記局所領域に与える位相変調量を、周期的に変化させ、
前記干渉成分取得手段は、前記光検出器から出力される信号を入力とするロックイン検出器である、
請求項1に記載の波面歪み量測定装置。 - 前記光検出器は、前記レンズの焦点面に配置され、光源から前記波面変調器を介して前記レンズに入射した光を検出する、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の波面歪み量測定装置。 - 前記光検出器は、前記レンズを介して測定対象物から生じる光が結像される位置に配置される、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の波面歪み量測定装置。 - 前記波面歪み量算出手段は、前記波面変調器の第1から第3の局所領域のそれぞれに位相変調を与えて得られる3つの前記干渉成分の位相成分から、前記測定対象物の位相情報を除去した波面歪み量を算出する、
請求項5に記載の波面歪み量測定装置。 - 前記第2の局所領域は、前記第1の局所領域から第1の方向に変位した位置であり、
前記第3の局所領域は、前記第1の局所領域から前記第1の方向と直交する第2の方向に変位した位置である、
請求項6に記載の波面歪み量測定装置。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載の波面歪み量測定装置を含む波面補償装置であって、
前記制御手段は、前記波面歪み量算出手段によって取得される前記波面歪み量を打ち消す位相変調を前記波面変調器に与える、
波面補償装置。 - 前記波面歪み量算出手段によって取得される前記波面歪み量を打ち消す位相変調を前記波面変調器に与えた状態で、前記波面変調器の局所領域に与える位相変調量を変化させて波面歪み量の算出し、当該波面歪み量に基づいて、前記波面変調器に与える位相変調量を更新する、
請求項8に記載の波面補償装置。 - 請求項8または9に記載の波面補償装置と、
前記波面歪み量を打ち消す位相変調を前記波面変調器に与えた状態で、前記光検出器によって測定を行い、測定結果を出力する出力手段と、
を備える、光学測定装置。 - 前記光学測定装置は、レーザー走査型光学測定装置であり、
レーザー光を発生させる光源と、
前記レーザー光を前記レンズの焦点面に配置された測定対象物に導く光学系と、
前記レーザー光を測定対象物上で走査するための走査手段と、
をさらに備え、
前記波面変調器は、前記光源と前記測定対象物を結ぶ光路上に配置される、
請求項10に記載の光学測定装置。 - 前記光学測定装置は、広視野光学測定装置であり、
前記光検出器は、測定対象物から生じる光が結像される位置に配置された2次元光検出器であり、
前記波面変調器は、前記測定対象物と前記2次元光検出器とを結ぶ光路上に配置される、
請求項10に記載の光学測定装置。 - 前記光学測定装置は、非線形光学測定装置であり、
第1の励起光を発生させる第1の光源と、
第2の励起光を発生させる第2の光源と、
前記第1の励起光と前記第2の励起光を前記レンズの焦点面に配置された測定対象物に導く光学系と、
前記第1の励起光を前記第2の励起光に対して測定対象物上で走査するための走査手段と、
前記第1の励起光と前記第2の励起光により測定対象物内において非線形光学過程を誘起し、信号光を発生させる手段と、
をさらに備え、
前記波面変調器は、前記第1の光源と前記測定対象物を結ぶ光路上に第1の波面変調器と、前記第2の光源と前記測定対象物を結ぶ光路上に第2の波面変調器を含み、
第1の励起光の波面歪み量および第2の励起光の波面歪み量をそれぞれ求め、それぞれの波面歪み量を打ち消す位相変調を前記第1の波面変調器および前記第2の波面変調器に与えた状態で、前記測定対象物の測定を行う、
請求項10に記載の光学測定装置。 - レンズの瞳面もしくは当該瞳面と共役な位置に配置された波面変調器の局所領域に与える位相変調量を変化させる位相変調ステップと、
前記波面変調器および前記レンズを介して入射する光の強度を光検出器によって検出する検出ステップと、
前記光検出器から得られる信号から、前記局所領域を通過する光と前記局所領域以外を通過する光の干渉成分を取得する干渉成分取得ステップと、
前記干渉成分をフーリエ変換し、フーリエ変換された干渉成分の位相成分を波面歪み量として算出する波面歪み量算出ステップと、
含む、波面歪み量測定方法。 - 前記位相変調ステップでは、前記局所領域に少なくとも3つの異なる変調量を与え、
前記干渉成分取得ステップでは、前記少なくとも3つの異なる変調量を前記波面変調器に与えた際にそれぞれ得られる少なくとも3つの強度分布に基づいて、演算により前記干渉成分を算出する、
請求項14に記載の波面歪み量測定方法。 - 前記位相変調ステップでは、前記波面変調器の前記局所領域に与える位相変調量を周期的に変化させ、
前記干渉成分取得ステップでは、前記光検出器から出力される信号を入力とするロックイン検出器を用いて、前記干渉成分を取得する、
請求項14に記載の波面歪み量測定方法。 - 前記光検出器は、前記レンズの焦点面に配置され、光源から前記波面変調器を介して前記レンズに入射した光の空間強度分布を検出する、
請求項14〜16のいずれか1項に記載の波面歪み量測定方法。 - 前記光検出器は、前記レンズを介して測定対象物から生じる光が結像される位置に配置され、測定対象物から生じる光の空間強度分布を検出する、
請求項14〜16のいずれか1項に記載の波面歪み量測定方法。 - 前記検出ステップは、
前記レンズを介してレーザー光を測定対象物上に集光し、前記測定対象物から生じる光を前記光検出器により検出する信号光検出ステップと
レーザー光を測定対象物上で走査し、信号強度分布を取得する信号強度分布取得ステップ
を含む、請求項14〜16のいずれか1項に記載の波面歪み量測定方法。 - 前記検出ステップは、
前記レンズを介して第1および第2のレーザー光を測定対象物上に集光し、測定対象物内において非線形光学過程を誘起し、発生させた信号光を検出する非線形信号光検出ステ
ップと、
前記第1のレーザー光を前記第2のレーザー光に対して測定対象物上で走査し、信号強度分布を取得する非線形信号強度分布取得ステップと、
を含む、請求項14〜16のいずれか1項に記載の波面歪み量測定方法。 - 前記波面変調器の第1から第3の局所領域のそれぞれを対象として、前記位相変調ステップ、前記検出ステップ、および前記干渉成分取得ステップを実行して、第1から第3の干渉成分をそれぞれ取得し、
前記波面歪み量算出ステップでは、前記第1から第3の干渉成分の位相成分から、前記測定対象物の位相情報を除去した波面歪み量を算出する、
請求項18または19に記載の波面歪み量測定方法。 - 前記波面変調器の第1から第3の局所領域のそれぞれを対象として、前記位相変調ステップ、前記検出ステップ、および前記干渉成分取得ステップを実行して、第1から第3の干渉成分をそれぞれ取得し、
前記波面歪み量算出ステップでは、前記第1から第3の干渉成分の位相成分から、前記第2のレーザー光が関連する位相情報を除去した波面歪み量を算出する、
請求項20に記載の波面歪み量測定方法。 - 前記第2の局所領域は、前記第1の局所領域から第1の方向に変位した位置であり、
前記第3の局所領域は、前記第1の局所領域から前記第1の方向と直交する第2の方向に変位した位置である、
請求項21または22に記載の波面歪み量測定方法。 - 請求項14〜23のいずれか1項に記載の波面歪み量測定方法の各ステップと、
前記波面歪み量算出ステップにおいて取得される波面歪み量を打ち消す位相変調を前記波面変調器に与える波面補償ステップと、
を含む、波面補償方法。 - 前記波面歪み量算出ステップにおいて取得される前記波面歪み量を前記波面変調器に与えた状態で、前記位相変調ステップ、前記検出ステップ、前記干渉成分取得ステップ、および前記波面歪み量算出ステップを行って波面歪み量を算出し、当該波面歪み量に基づいて、前記波面補償ステップにおいて前記波面変調器に与える位相変調量を更新する、
請求項24に記載の波面補償方法。 - 請求項24または25に記載の波面補償方法の各ステップと、
前記波面歪み量を打ち消す位相変調を前記波面変調器に与えた状態で、前記光検出器を用いて測定を行う測定ステップと、
を含む、光学測定方法。 - コンピュータに、請求項14から26のいずれか1項に記載の方法を実行させるための、コンピュータプログラム。
- レンズの瞳面もしくは当該瞳面と共役な位置に配置された波面変調器と、
前記波面変調器の位相変調量を制御する制御手段と、
前記波面変調器の局所領域に与える位相変調量を変化させた際に前記波面変調器および前記レンズを介して入射する光の強度分布を検出する光検出器から得られる強度分布に基づいて、前記局所領域を通過する光と前記局所領域以外を通過する光の干渉成分を取得する干渉成分取得手段と、
前記干渉成分をフーリエ変換し、フーリエ変換された干渉成分の位相成分を波面歪み量
として算出する波面歪み量算出手段と、
を備える、波面歪み量測定装置。
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