JP6565100B2 - 光断層計測装置および光断層計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体の断層を計測する光断層計測装置および光断層計測方法に関する。

共焦点レーザ走査型顕微鏡（ＣＬＳＭ: Confocal Laser Scanning Microscope）〔非特許文献１〕は、対物レンズの焦点と共役な位置にピンホールを配置し、焦点外から発生するノイズ光（散乱光）を除去する。このような共焦点光学系では、焦点から反射した所望の信号光のコントラストが増し、通常の光学顕微鏡より空間解像度が向上する。また、それに伴い、従来の光学顕微鏡には存在しない光軸(ｚ軸)方向の空間分解能が発生するため、光学的な断層撮影または３次元計測が可能となる。

これらの特長によりＣＬＳＭは、工業分野ではＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）などの微細製品の検品、医学・ライフサイエンス分野では、タンパク質等の生体高分子の観察など幅広い分野で用いられている。加えて、ＣＬＳＭによって生体そのものを生きたままの状態で観察しようとする研究〔非特許文献２〕も行われている。以上からＣＬＳＭは非常に重要かつ注目度の高い技術であると言える。

しかしながら、従来のＣＬＳＭでは、以下に示す幾つかの問題点がある。まず、ＣＬＳＭで３次元像を得る場合、ガルバノミラーや自動ステージ等を用いることによって、照射光学系または試料を機械的にｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の全ての方向について走査をしなければならない点である。

ｘｙ方向において、この問題を解決しうるものとして、ピンホール部分にスピンディスク（ニポウディスク）を用いる方法〔非特許文献３〕や、マイクロレンズアレイとピンホールアレイとを組み合わせて用いる方法〔非特許文献４〕等が提案されている。

ｚ軸方向においては、平行平板ガラスによって高速に走査を行う方法〔非特許文献５〕があるが、ｚ軸方向の走査を完全に排除しうる方法は現段階では存在しない。また、得られる信号光強度とｚ軸方向の空間分解能とがトレードオフの関係にある点も問題点として挙げられる。通常のＣＬＳＭでは、ｚ軸方向の分解能は対物レンズの開口数（ＮＡ）とピンホール径とによって決定される。つまり、より開口数ＮＡが高い対物レンズとより小さい径のピンホールとを用いることによってｚ軸分解能が向上する。

しかしながら、ピンホール径を非常に小さくした場合、得られる光強度が著しく低下し、検出が不可能となるため、ある程度のピンホール径を確保する必要がある。よって、実際には、高ＮＡ対物レンズを用いたとしてもｚ軸方向の分解能は制限される。以下では、ＣＬＳＭにおけるｚ軸方向の走査を行うための代表的な従来手法を二つ述べる。

（照射光学系および試料を機械的走査する方式）
図１４に照射光学系および試料を機械的走査する方式の概念図を示す。本方式は最も基本的なものであり、図１４に示す概念図は、ＣＬＳＭの一般的な基本構成であると言える。この方式では、対物レンズ等で構成される照射光学系または計測試料そのものを自動ステージ等によって機械的に走査し、計測試料上の集光位置をｚ軸沿ってステップ移動させるものである。上述した通り、本方式は、最も基本的な方式であり、付加的な光学素子が不要であるという利点がある。しかし、機械的な走査であるため走査速度が制限されるという問題点がある。

（平行平板ガラスを用いる方式）
図１５に平行平板ガラスを用いる方式の概念図を示す。この方式は、直接、計測試料の機械的走査をすることなくｚ軸上における焦点位置をステップ移動させることができる。原理としては、対物レンズと計測試料の間に厚さｄ、屈折率ｎである平行平板ガラスを挿入した際に、屈折の効果によって焦点位置がｚ＝ｄ×（１−１／ｎ）だけ変位することを利用している。実際には、複数の異なる厚さの平行平板ガラスを円盤の円周上に並べて配置し、それを高速に回転することで高速な焦点のステップ移動を実現する。計測試料を自動ステージ等によって機械的に走査するのに対し、この方式はより高速にｚ軸上の走査が可能となる点が特長である。しかし、複数の平行平板を配置する円盤による系の大型化や円盤を高速回転させることで発生する振動によって計測精度が低下するなどの問題点がある。

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先で述べたいずれの従来方式もｚ軸上の複数の位置を計測する場合（複数の断層像を得る場合）には、何らかの走査が必要であり複数回の計測を必要とする。つまり、走査機構における技術の向上によって走査時間を高速化することができたとしても完全に排除することは不可能であるという根本的な問題がある。これによって、生きたままの生体等の動きのある計測試料のリアルタイム計測は非常に困難である。もし、上記リアルタイム計測が可能になったとしても、非常に高速な機械動作部または計算処理部が必須であるため、実用を考えた場合は現実的とは言えない。

また、ｚ軸方向の走査のために付加的な部品が必要となるため、光学系の大型化を招いてしまう。加えて、これらすべての従来方式ではピンホール径を小さくすることでｚ軸上の空間分解能の向上が可能であるが、実際にはそれによって不要なノイズ光（非計測面からの反射光）と同時に信号光も失われてしまう。これは、光検出器におけるノイズ（ショットノイズや暗電流等のノイズ）が支配的となり信号対雑音比（ＳＮＲ: Signal-to-Noise Ratio）が著しく低下する原因となる。したがって、ある程度のピンホール径の大きさを確保する必要がありｚ軸方向の空間分解能が犠牲となる問題点もある。

以上をまとめると従来のＣＬＳＭの主たる問題点は以下の３点である。
（１）ｚ軸上で機械的な走査が必須であり計測時間が増大する。
（２）ｚ軸の走査のために付加的な部品が必要なため系が大型化する。
（３）光検出器のＳＮＲとの兼ね合いによってｚ軸方向の空間分解能が犠牲となる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、計測時間を低減し、装置を小型化し、ｚ軸方向（光軸方向）の空間分解能を向上させることが可能な光断層計測装置を実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の態様１に係る光断層計測装置は、物体の断層を計測する光断層計測装置であって、上記物体に対するレーザ光の照射により生じた多重散乱光からなる反射信号光の光複素振幅を計測した結果である光複素振幅情報を取得する光複素振幅情報取得部と、取得した光複素振幅情報に４ｆ結像光学系の伝達関数を乗算し、その乗算結果にフーリエ変換を施すことによって形成される仮想４ｆ光学系の出力結果を演算する演算処理部と、を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、仮想４ｆ光学系のデフォーカス位置を変位させることで、反射信号光の内、任意のｚ軸（光軸）上の位置からの反射成分のみを選択的に抽出することができる。この仮想４ｆ光学系によって、光軸方向における走査の排除または低減を実現し、機械的なｚ軸の走査を排除することが可能となる。このため、計測時間を低減し、装置を小型化し、ｚ軸方向（光軸方向）の空間分解能を向上させることができる。

本発明の態様２に係る光断層計測装置は、上記態様１において、上記仮想４ｆ光学系は、上記乗算結果に上記フーリエ変換を施した結果に、さらに仮想ピンホールの伝達関数を乗算することで形成されても良い。上記構成によれば、ピンホールによるノイズの除去を仮想光学系上で行うためピンホール径をより小さくすることが可能となる。

本発明の態様３に係る光断層計測装置は、上記態様１または２において、上記物体および上記光複素振幅情報取得部の間における上記レーザ光の経路上にガルバノミラーが配置されていても良い。上記構成によれば、ガルバノミラーの角度を変化させることで、物体の計測面上の集光位置を変位させることができる。また、これに合わせ仮想光学系におけるピンホールのｘｙ面上の位置を移動することよってｘｙ面上における走査を行うことが可能となる。

本発明の態様４に係る光断層計測装置は、上記態様１または２において、上記物体および上記光複素振幅情報取得部の間における上記レーザ光の経路上に位相型空間光変調器が配置されていても良い。上記構成によれば、位相型空間光変調器に光軸を所定の角度だけ変位させる定常的な位相分布を与えることにより、ガルバノミラーの角度を変化させた場合と同様の効果を得ることができる。

本発明の態様５に係る光断層計測装置は、上記態様１または２において、上記物体および上記光複素振幅情報取得部の間における上記レーザ光の経路上に、複数の微小なレンズで構成されるマイクロレンズアレイが配置されていても良い。上記構成によれば、物体の計測面上で複数の位置で光波が集光する。そして、例えば、仮想光学系におけるピンホールを各集光位置に一致させるように複数配置することでｘｙ面の一括計測が可能となる。

上記の課題を解決するために、本発明の態様６に係る光断層計測方法は、物体の断層を計測する光断層計測方法であって、上記物体に対するレーザ光の照射により生じた多重散乱光からなる反射信号光の光複素振幅を計測した結果である光複素振幅情報を取得する光複素振幅情報取得ステップと、取得した光複素振幅情報に４ｆ結像光学系の伝達関数を乗算し、その乗算結果にフーリエ変換を施すことによって形成される仮想４ｆ光学系の出力結果を演算する演算処理ステップと、を含むことを特徴としている。上記方法によれば、上記態様１と同様の効果を得ることができる。

本発明の一態様によれば、計測時間を低減し、装置を小型化し、ｚ軸方向（光軸方向）の空間分解能を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の実施形態１に係る光断層計測装置の構成を示す図であり、（ａ）は、測定過程における光断層計測装置の構成を示し、（ｂ）は、仮想４ｆ光学系による計測位置制御および再生過程を示す。 本発明の実施形態２に係る光断層計測装置の構成を示す図であり、（ａ）は、測定過程における光断層計測装置の構成を示し、（ｂ）は、仮想４ｆ光学系による計測位置制御および再生過程を示す。 本発明の実施形態３に係る光断層計測装置の構成を示す図であり、（ａ）は、測定過程における光断層計測装置の構成を示し、（ｂ）は、仮想４ｆ光学系による計測位置制御および再生過程を示す。 本発明の実施形態４に係る光断層計測装置の構成を示す図であり、（ａ）は、測定過程における光断層計測装置の構成を示し、（ｂ）は、仮想４ｆ光学系による計測位置制御および再生過程を示す。 （ａ）は、測定過程における光学モデルを示す図であり、（ｂ）は、計測位置制御および再生過程における光学モデルを示す図である。 図５に示す光学モデルに係るパラメータを示す図である。 規格化再生強度を示すグラフ（Ｉ−ｚカーブ）である。 複数のカバーガラスで構成された計測物体の概形図である。 （ａ）は、ｙｚ面における再生強度画像を示す図であり、（ｂ）は、ｚ軸上の再生強度プロファイルを示す図である。 実験で用いた実験光学系の構成を示す図である。 規格化再生強度を示すグラフ（Ｉ−ｚカーブ）である。 （ａ）は、物体をｚ軸に沿って走査した場合の再生強度プロファイルを示す図であり、（ｂ）は、仮想４ｆ結像光学系によってｚ軸上の情報を一括計測した場合の再生強度画像を示す図であり、（ｃ）は、そのときの再生強度プロファイルを示す図である。 （ａ）は、２枚のカバーガラスを重ねたものを計測物体とし、本発明の実施形態１〜４によってｚ軸上の情報を一括計測した場合のｙｚ面における再生強度画像を示す図であり、（ｂ）は、そのときの再生強度プロファイルを示す図である。 従来のＣＬＳＭの一般的な基本構成（照射光学系および試料を機械的走査する方式）を示す図である。 従来のＣＬＳＭの別の構成（平行平板ガラスを用いる方式）を示す図である。

本発明の実施の形態について図１〜図１３に基づいて説明すれば、次の通りである。以下、説明の便宜上、特定の項目にて説明した構成と同一の機能を有する構成については、同一の符号を付記し、その説明を省略する場合がある。

〔本発明の実施の形態の概要〕
後述するように、本発明の実施の形態に係る光断層計測装置では、共焦点レーザ走査型顕微鏡（ＣＬＳＭ）の計測時間およびｚ軸方向の空間分解能を向上させることを目的とする。

本発明の実施の形態に係る光断層計測装置では、通常の共焦点レーザ走査型顕微鏡（ＣＬＳＭ）と同様に対物レンズ等によって構成される照射光学系を介して計測試料（光軸方向に沿って複数の反射面を有する物体を想定）にレーザ光を照射する。このとき、レーザ光は複数の反射面によって多重散乱される。通常のＣＬＳＭでは、この多重散乱光の内、計測面（対物レンズ集光面）からの反射成分のみを信号とするが、本発明の実施の形態に係る光断層計測装置では、多重散乱光全体を反射信号光として光複素振幅検出する。

その後、検出された反射信号光の複素振幅に対し、計算機上で４ｆ結像光学系の伝達関数を乗算し、フーリエ変換を行った後、仮想ピンホールの伝達関数（ピンホール関数）を乗算する。この際、仮想的な４ｆ結像光学系（仮想４ｆ光学系）のデフォーカス位置を変位させることで、反射信号光の内、任意のｚ軸上の位置からの反射成分のみを選択的に抽出することができる。この仮想４ｆ光学系によって、光軸方向における走査の排除または低減を実現し、機械的なｚ軸の走査を排除することが可能となる。また、それと同時に、ピンホールによるノイズの除去を仮想４ｆ光学系上で行うためピンホール径をより小さくすることが可能となる。

結果として、本発明の実施の形態に係る光断層計測装置では、従来のＣＬＳＭと比べて計測速度を１０〜１０００倍程度向上し、空間分解能を１．５〜５倍程度向上する。また、本発明の実施の形態に係る光断層計測装置と、マイクロレンズアレイおよびマイクロピンホールアレイとを組み合わせて用いる方法を組み合わせることによって２次元走査を排除し、３次元計測を完全に一括化させることも可能である。

〔実施形態１〕
図１は、本発明の実施形態１に係る光学系１ａ（光断層計測装置）の構成を示す図である。図１の（ａ）は、測定過程における光学系１ａの構成を示し、図１の（ｂ）は、仮想４ｆ光学系による計測位置制御および再生過程を示す。

図１の（ａ）に示すように、光学系１ａは、レーザ１１、対物レンズ１２、ピンホール１３、結像レンズ１４、ＢＳ（ビームスプリッタ）１５、対物レンズ１６、光複素振幅計測器（光複素振幅情報取得部）１７、およびコンピュータ（演算処理部）２１を備える。

レーザ１１は、レーザ光（光波）を出射するものである。対物レンズ１２は、レーザ１１から出射されたレーザ光を集光する機能を有する。ピンホール１３は、焦点外から発生するノイズ光（散乱光）を除去する機能を有する。結像レンズ１４は、ピンホール１３を通過した光波を平行光に変換する機能を有する。ＢＳ１５は、結像レンズ１４から出射される平行光を透過し、後述する反射信号光の光波の光路を光複素振幅計測器１７に向けて変更する機能を有する。

対物レンズ１６は、ＢＳ１５を通過した平行光を集光して計測試料（物体）ＯＢに照射する機能を有する。光複素振幅計測器１７は、物体に対するレーザ光の照射により生じた多重散乱光からなる反射信号光の光複素振幅を計測した結果である光複素振幅情報を取得する機能を有する。

コンピュータ２１は、取得した光複素振幅情報に対して、４ｆ結像光学系の伝達関数を乗算し、フーリエ変換を施し、さらに仮想ピンホールの伝達関数（ピンホール関数）を乗算することで、計算機上で仮想４ｆ光学系を形成し、上記仮想４ｆ光学系の出力結果を演算する処理を実行する機能を有する。

計測試料ＯＢは、本実施形態では、照射されるレーザ光の光軸方向（ｚ軸方向）に沿って複数の反射面を有する物体を想定しているが、必ずしもそのような試料に限定されない。計測面ＳＵＦ１は、元の計測面（対物レンズ１６の焦点面）を示し、計測面ＳＵＦ２は、移動後の計測面（非焦点面）を示す。

本実施形態の光学系１ａと、図１４および１５に示した光学系とを比較すると、光学系１ａでは、光検出器（光複素振幅計測器１７）の直前のピンホール（図１４および１５に示すピンホールｂ）とその前にあるレンズ（図１４および１５に示すＬｂ）が無く、コンピュータ２１上の仮想光学系で処理されている点で異なっている。また、光学系１ａでは自動ステージ等のｚ軸方向の走査を行うための機構が無い点で異なっている。

以下では、図１に基づき、光学系１ａの具体的な動作原理について説明する。光学系１ａは、実光学系によって計測試料ＯＢから反射される反射信号光の計測を行う過程（計測過程）と、仮想光学系によってｚ軸上の計測位置の制御および非計測面からの反射光を除去する過程（計測位置制御および再生過程）の二つに分けることができる。

ここで、仮想光学系とは、「デジタルデータとして読み込まれた元の光複素振幅情報に対し、光学的伝達関数を掛け合わせることによってコンピュータ上で実光学系と同等の処理を行うもの」とする。

（測定過程）
レーザ１１から出射された光波は対物レンズ１２によって集光され、ピンホール１３を通過する。その後、ピンホール１３を通過した光波は結像レンズ１４によって平行光となる。そして、その平行光は計測試料ＯＢ側に配置された対物レンズ１６によって再度集光され、計測試料ＯＢに入射する。ここで、計測試料ＯＢは説明の簡単のため、光軸方向に沿って複数の反射面を有する物体を想定しているが、必ずしもそのような試料に限定されない。このとき、計測試料ＯＢからの反射光は、試料内の対物レンズ焦点位置から反射される光波とそれ以外の位置（非焦点位置）から反射される複数の光波に分かれる。これらの光波をまとめて反射信号光とし、光複素振幅計測器１７によってデジタルデータ（光複素振幅情報）として計測する〔従来のＣＬＳＭでは、対物レンズ焦点位置から反射される光波のみを信号光としている〕。

光複素振幅計測器１７には、一般的な位相シフトデジタルホログラフィ〔非特許文献６〕などを用いることができるが、光波の空間的な複素振幅分布が計測できるものであれば特に制限はない。

（計測位置制御および再生過程）
光学的測定過程において計測された反射信号光の複素振幅のデジタルデータに対し、コンピュータ上で、二枚のレンズから構成される４ｆ結像光学系(仮想４ｆ光学系)の伝達関数を乗算する。その後、高速フーリエ変換(ＦＦＴ: Fast Fourier Transform)を実行し、集光面（フーリエ領域）の複素振幅分布を得る。そして、その複素振幅分布に対して仮想ピンホールの伝達関数を乗算する（図１４および１５にあるピンホールｂを透過したのと同様の効果がある）。このとき、仮想４ｆ光学系の片方のＦＴレンズのシフト（デフォーカス）を行うことによって所望のｚ軸上の位置のみの強度情報を得ることができる。デフォーカスを全く行わない場合は、通常のＣＬＳＭと同様に対物レンズ１６の焦点位置から反射した成分のみの強度情報が得られる。

以下に仮想４ｆ光学系を含む仮想光学系の具体的な計算過程を示す。
（１）元の複素振幅（測定過程において計測された複素振幅）に対し入力面からレンズ面までの自由空間伝搬の伝達関数を乗算する。
（２）自由空間伝搬後の複素振幅の位相項に対しレンズの位相因子ｅｘｐ［ｉｋ（ｄｘ^２＋ｄｙ^２）／ｆ］を付加する（ｉは虚数単位、ｋは波数、ｄｘ、ｄｙはｘｙ面上の座標位置、ｆはレンズの焦点距離である）。
（３）レンズ面から集光面までの自由空間伝搬の伝達関数を乗算する。
（４）集光面から二つ目のレンズ面までの自由空間伝搬の伝達関数を乗算する。
（５）自由空間伝搬後の複素振幅の位相項に対しレンズの位相因子ｅｘｐ［ｉｋ（ｄｘ^２＋ｄｙ^２）／ｆ］を付加する。
（６）レンズ面から結像面までの自由空間伝搬の伝達関数を乗算する。
（７）高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行し、集光面の複素振幅分布を求める。
（８）集光面の複素振幅分布に対し、仮想ピンホールの伝達関数（ピンホール関数）を乗算する。

なお、自由空間伝搬計算の手法は特に限定されず、一般的なフレネル回折積分などあらゆる手法を用いることができる。

計測位置をΔｚ移動したい場合（つまり、仮想４ｆ光学系をデフォーカスする場合）、（３）または（４）における伝搬距離を元の距離から２Δｚだけ差し引いた距離とすれはよい。これにより、任意のｚ軸上の位置のみの強度情報を選択的に得ることができる。また、（３）または（４）における伝搬距離を微小に変位させながら複数回上記過程を繰り返し計算することで、ｚ軸上のすべての位置における情報を取得することが可能である〔非特許文献６〕。

実施形態１で述べた基本原理は、ｚ軸上のみの一次元情報を得るためのものである。以下に説明する実施形態２〜４では、光軸に対し鉛直面の二次元像または三次元像の取得を実現するための様態について述べる。

〔実施形態２；ｘｙ方向の走査をガルバノミラーで実現する様態〕
図２は、本発明の実施形態２に係る光学系１ｂ（光断層計測装置）の構成を示す図である。図２の（ａ）は、測定過程における光学系１ｂの構成を示し、図１の（ｂ）は、仮想４ｆ光学系による計測位置制御および再生過程を示す。

本実施形態の光学系１ｂは、計測試料ＯＢに対するｘｙ方向（光軸に対して垂直な方向）の走査をガルバノミラー１８で実現する点で、実施形態１と異なる。

すなわち、図２の（ａ）に示すように、本実施形態の光学系１ｂは、実施形態１と異なり、計測試料ＯＢおよび光複素振幅計測器１７の間におけるレーザ光の経路上にガルバノミラー１８が配置されている。

ここでは、説明の簡単のためにｘ軸方向の走査について述べるが、ｙ軸方向も同様である。まず、ガルバノミラー１８を角度θ＝ｔａｎ^−１（Δｘ／ｆ）だけ変位させ、その後に対物レンズ１６で集光した際、計測面上の集光位置がΔｘだけ変位する。ここで、ｆは対物レンズ１６の焦点距離である。これに合わせ仮想光学系における仮想ピンホールのｘｙ面上の位置を移動することよってｘｙ面上における走査を行うことが可能となる〔図２の（ｂ）参照〕。本様態では、比較的簡単にｘｙ面の走査を行うことが可能である。

〔実施形態３；ｘｙ方向の走査を位相変調型空間光変調器で実現する様態〕
図３は、本発明の実施形態３に係る光学系１ｃ（光断層計測装置）の構成を示す図である。図３の（ａ）は、測定過程における光学系１ｃの構成を示し、図３の（ｂ）は、仮想４ｆ光学系による計測位置制御および再生過程を示す。

本実施形態の光学系１ｃは、計測試料ＯＢに対するｘｙ方向（光軸に対して垂直な方向）の走査をＰＳＬＭ（Phase-type Spatial Light Modulator；位相変調型空間光変調器）１９で実現する点で、実施形態１および実施形態２と異なる。

すなわち、図３の（ａ）に示すように、本実施形態の光学系１ｃは、実施形態１および２と異なり、計測試料ＯＢおよび光複素振幅計測器１７の間におけるレーザ光の経路上にＰＳＬＭ１９が配置されている。

この様態においても、説明の簡単のためにｘ軸方向の走査について述べるが、ｙ軸方向も同様である。まず、ＰＳＬＭ１９に光軸を角度θ＝ｔａｎ^−１（Δｘ／ｆ）だけ変位させる定常的な位相分布φ＝−ｉｋｓｉｎθｄｘを与える〔ガルバノミラー１８を角度θ＝ｔａｎ^−１（Δｘ／ｆ）だけ変位させた場合と同様の効果が得られる〕。その後、対物レンズ１６で集光した際、計測面上の集光位置がΔｘだけ変位する。ここで、ｆは対物レンズの焦点距離、ｉは虚数単位、ｋは波数、ｄｘはＳＬＭ面における座標位置である。実施形態２と同様に、仮想光学系における仮想ピンホールのｘｙ面上の位置をΔｘだけ移動することよってｘｙ面上における走査を行うことが可能となる〔図３の（ｂ）参照〕。本様態では、完全に機械的な走査なしにｘｙ面の走査を行うことが可能である。

〔実施形態４；マイクロレンズアレイを用いてｘｙ面の一括計測を実現する様態〕
図４は、本発明の実施形態４に係る光学系１ｄ（光断層計測装置）の構成を示す図である。図４の（ａ）は、測定過程における光学系１ｄの構成を示し、図４の（ｂ）は、仮想４ｆ光学系による計測位置制御および再生過程を示す。

本実施形態の光学系１ｃは、複数の微小なレンズで構成されるマイクロレンズアレイ２０を用いてｘｙ面の一括計測を実現する点で、実施形態１〜３と異なる。

すなわち、図４の（ａ）に示すように、本実施形態の光学系１ｄは、実施形態１〜３と異なり、計測試料ＯＢおよび光複素振幅計測器１７の間におけるレーザ光の経路上にマイクロレンズアレイ２０が配置されている。本様態では、実施形態１の計測試料ＯＢ直前に配置されていた対物レンズ１６の代わりにマイクロレンズアレイ２０を用いる。それによって、図４に示した通り、計測面上で複数の位置で光波が集光する。そして、仮想光学系における仮想ピンホールを各集光位置に一致させるように複数配置する（仮想ピンホールアレイ）ことでｘｙ面の一括計測が可能となる。以上によって、共焦点効果を維持したまま、計測面の広範囲において露光させることが可能となる。このとき、マイクロレンズアレイ２０のレンズ数が再生像のｘｙ面の解像度となり、マイクロレンズアレイ２０の各レンズの間隔が再生像のｘｙ面の分解能となる。本様態では走査が不要なため、実施形態２または３と比較して、計測速度を高速化することが可能である。また、〔本発明の実施の形態の概要〕で述べたとおり、この様態では原理的に一括の三次元計測が可能となる。

〔上記実施形態１〜４の光学系の作用〕
上記実施形態１〜４の光学系では、計測試料ＯＢ内の対物レンズ焦点位置から反射される光波とそれ以外の位置（非焦点位置）から反射される複数の光波をまとめて反射信号光とし複素振幅計測する。そして、コンピュータ２１上の仮想光学系における仮想４ｆ結像光学系をデフォーカスさせる。従って、上記実施形態１〜４の光学系では、実際の光学系上での複素振幅計測を１回だけ行えば、その情報を元にコンピュータ２１上の繰り返し計算のみによって全ての深さ方向情報の取得が可能となり、実光学系上での機械的走査を排除、または大幅に減らすことが可能となる〔従来のＣＬＳＭと比べて計測速度を１０〜１０００倍程度向上〕。

また、従来のＣＬＳＭではｚ軸における空間分解能を向上させるためにピンホール径を小さくすることで信号光強度が非常に弱くなり、光検出器のＳＮＲ（Ｓ／Ｎ比）が低下するという問題点があるが、上記実施形態１〜４の光学系では、ピンホールによる非計測面からの反射光の除去を仮想光学系上で行うためピンホール通過後に実際の光検出器が存在する訳ではないのでＳＮＲの低下を考慮しなくてよい。また、信号光強度が非常に弱くなった場合でも、コンピュータ２１上で規格化処理等を行うことによってコントラストが低下することを避けることができる。よって、ピンホール径をより小さくすることが可能となりｚ軸における空間分解能を向上することができる〔従来のＣＬＳＭと比べて１．５〜５倍程度向上する〕。

加えて、上記したようにｚ軸の走査とピンホールによる非計測面からの反射光の除去を同時に仮想光学系内で行うため、走査のための付加的な素子が不要であるだけでなく、ノイズ光除去を行うピンホールとそれに伴う集光レンズが不要になるため、従来のＣＬＳＭと比べ実際の光学系が小型化される点も上記実施形態１〜４の光学系の利点である。

上記実施形態２または３では、計測位置から極端に離れた場合、ｘｙ方向の空間分解能が低下する恐れがある。これは、対物レンズ１６のｚ軸上における焦点位置を実際には変位させていないことに起因する。従って、ｚ軸方向の計測領域を広く確保することができない問題点がある。これは、〔背景技術〕で述べた方式を組み合わせることで解決できる。例えば、ｚ軸方向に対し５００μｍの範囲に１μｍの間隔で５００枚の二次元断層像を得たい場合、まず、２５μｍごとに〔背景技術〕で述べた方式で走査し、２０枚の断層画像を取得する。そして、１枚の断層画像ごと上記実施形態１〜４の光学系によって１μｍの間隔で仮想的な走査を行う。以上によって２０回の機械的走査および計測だけで最終的に、５００枚の断層像を得ることができる。この場合であっても２５倍程度の計測時間の向上が可能である。上記実施形態４においては前述したようにｘｙ方向の空間分解能はマイクロレンズアレイ２０の各レンズの間隔によって決定されるためこのような問題は生じない。

以上をまとめると上記実施形態１〜４の光学系の作用は以下の３点である。
（１）仮想４ｆ光学系によってｚ軸上の走査を完全に排除または大幅に削減し、計測時間を１０〜１０００倍程度向上する。
（２）仮想ピンホールによって光検出器（光複素振幅計測器１７）のＳＮＲの低下を招くことなくｚ軸方向の空間分解能を１．５〜５倍程度向上する。
（３）一部の実光学処理を仮想光学系処理に置き換えることで実際の光学系の小型化が可能となる。

〔上記実施形態１〜４の光学系の効果〕
以下では、数値解析と実験の両方で上記実施形態１〜４の光学系の効果を示す。

（数値解析による動作確認）
図５では、本解析の光学モデル、図６では、同光学モデルに係るパラメータを示す。本解析では、本発明を適用したＣＬＳＭ（光断層計測装置）のｚ軸方向の空間分解能を評価した。さらに、以下では、上記本発明を適用したＣＬＳＭの効果によってｚ軸上の情報の一括計測が可能となることを示す。具体的には、ミラー（単一の反射面を想定）とプレパラート試料に用いるカバーガラスを複数枚配置したもの（理想的に厚さを０として、複数の反射面を想定）を計測試料とした計測シミュレーションを行った。仮想４ｆ光学系における自由空間伝搬には、角スペクトル法（ＡＳＭ: Angular Spectrum Method）〔非特許文献７〕を用いているが、上述したようにこの手法に限定されない。また、本解析ではＰＳＬＭによって定常的な位相変調を与えることでｙ方向の走査を行っており、解析を簡単にするため、ｘ方向の走査は行っていない。

まず、本発明を適用したＣＬＳＭがｚ軸方向の空間分解能が従来のＣＬＳＭのそれと比べ、向上すること示すため、ミラーの計測シミュレーションを行った。ミラーはｚ＝０μｍの位置に配置した。図７のグラフは規格化再生強度（Ｉ−ｚカーブ）を示す。縦軸が規格化再生強度、横軸がｚ軸上の位置である。図７から分かるようにｚ＝０μｍをピークとして仮想４ｆ光学系をデフォーカスさせるに従って規格化再生強度が低下している。

これは、仮想４ｆ光学系と仮想ピンホールを用いた、本発明を適用したＣＬＳＭの場合でも、従来のＣＬＳＭと同様に共焦点効果によるオプティカルセクショニング特性を得られることを示している。ここで、オプティカルセクショニング特性とは、ピンホールが焦点面以外からのノイズとなる光をカットすることによって得られる特性のことを指す。よって、Ｉ−ｚカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）がｚ軸方向の空間分解能となる。また前述したように、ピンホール径を小さくすることによって得られる信号強度が著しく低下するため、従来のＣＬＳＭでは１〜０．７ＡＵ程度のピンホール径を確保するのが一般的である。本発明を適用したＣＬＳＭでは、集光前に光波を光複素振幅検出し、コンピュータ上で仮想ピンホール処理を行うため、ピンホール径を小さくすることができる。本解析の場合では、ピンホール径を０．０１６ＡＵと設定した。その結果、ピンホール径が１ＡＵ時（従来のＣＬＳＭの場合を想定）のＩ−ｚカーブのＦＷＨＭは１．２０μｍであるのに対し、０．０１６ＡＵ時のＦＷＨＭは０．７４μｍであった。つまり、本発明を適用したＣＬＳＭによって、１．６倍の軸方向の空間分解能向上が達成できることを示している（仮想ピンホール前の集光レンズ等の仮想光学系におけるパラメータを最適化することで５倍程度まで向上すること可能であると考えられる）。

次にカバーガラスを複数枚重ねた物体を想定した計測シミュレーションについて述べる。図８に示す通り、４枚のガラスを１５０μｍの間隔で配置している。また、１枚目をｚ＝０．０μｍとしている。そして、物体のｚ軸上における走査は行わず、仮想４ｆ光学系のデフォーカス量を変位させながら繰り返し計算を行った。図９の（ａ）にｙｚ面における再生強度画像を、図９の（ｂ）にｚ軸上の再生強度プロファイルを示す。図９の（ａ）および（ｂ）を見ると、強度ピークの位置がガラス反射面と一致していることがわかる。この結果は、本発明を適用したＣＬＳＭがｚ軸方向の一括計測が可能であることを示している。

（実験による動作確認）
本実験では、上記した数値解析と同様にｚ軸方向の空間分解能を評価し、ｚ軸上の情報の一括計測が可能となることを示す。図１０に本実験で用いた実験光学系を示す。用いた光源の波長は５３２ｎｍ、対物レンズ（ＯＬ２）のＮＡは０．４、焦点深度は４．４５μｍのものを用いた。また、数値解析と同様にｙ軸方向の操作はＰＳＬＭを用いて行った。また、光複素振幅計測器には高精度な複素振幅計測が可能なホログラフィックダイバーシティ干渉法（ＨＤＩ: Holographic Diversity Interferometry）〔非特許文献８〕を用いた（必ずしもこの方法に限定されるわけではない）。

そして、計測物体としてミラーと複数のカバーガラスを用いた。以下に実験の手順を示す。まず、光源から出射された光波を対物レンズ（ＯＬ１）で集光し、ピンホールに透過させる。この時点での光波を理想的な点光源と見なしている。そして、結像レンズＬ１によってコリメートした後、ｙ軸の走査のためにＰＳＬＭによって定常的な位相分布が与えられ結像レンズを通過し対物レンズＯＬ２によって集光される。集光された光波は計測試料によって反射され反射信号光となる。その後、ＢＳ２で反射され結像レンズを通過し、ＨＤＩによって複素振幅計測される。計測された複素振幅のデータは、上述した通りに計算・処理される。

図１１に規格化再生強度（Ｉ−ｚカーブ）を示す。数値解析と同様にオプティカルセクショニング特性が得られていることが分かる。また、ピンホール径を１ＡＵ（従来のＣＬＳＭの場合を想定）より小さくした場合、数値解析と同様にｚ軸方向の空間分解能が向上した。本実験では、ピンホール径を０．４ＡＵと設定した。その結果、ピンホール径が１ＡＵ時（従来のＣＬＳＭの場合を想定）のＩ−ｚカーブのＦＷＨＭは７．２０μｍであるのに対し、０．４ＡＵ時のＦＷＨＭは５．７４μｍであった（この結果も数値解析と同様に仮想光学系のパラメータを最適化することによって改善することが可能である）。よって本発明を適用したＣＬＳＭがｚ軸方向の空間分解能の向上の効果があることが実証された。

次に、カバーガラスを計測物体とした際のｙｚ面における再生強度画像を示す。カバーガラスの厚さは１５０μｍである（屈折率が１．５程度なので見かけ上の厚さは１００μｍ程度となる）。

図１２の（ａ）は従来のＣＬＳＭと同様に物体をｚ軸に沿って走査した場合の再生強度プロファイルを示す。図１２の（ｂ）は仮想４ｆ結像光学系によってｚ軸上の情報を一括計測した場合の再生強度画像を示す。図１２の（ｃ）はその時の再生強度プロファイルを示す。（どちらも４μｍ間隔で走査を行った）これらの結果を比較すると、どちらも同様に強度ピークがカバーガラスの反射面（前面と後面）と一致していることが分かる。

さらに、図１３には２枚のカバーガラスを重ねたものを計測物体とし、本発明を適用したＣＬＳＭによってｚ軸上の情報を一括計測した場合のｙｚ面における再生強度画像を示す。こちらの結果も強度ピークがカバーガラスの反射面と一致している。これらの結果により、本発明を適用したＣＬＳＭによってｚ軸方向の一括計測が可能となる効果を実証した〔非特許文献７〕。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１ａ〜１ｄ 光学系（光断層計測装置）
１７ 光複素振幅計測器（光複素振幅情報取得部）
１８ ガルバノミラー
１９ ＰＳＬＭ（位相型空間光変調器）
２０ マイクロレンズアレイ
２１ コンピュータ（演算処理部）
ＯＢ 計測試料（物体）

Claims (6)

1. 物体の断層を計測する光断層計測装置であって、
   上記物体に対するレーザ光の照射により生じた多重散乱光からなる反射信号光の光複素振幅を計測した結果である光複素振幅情報を取得する光複素振幅情報取得部と、
   取得した光複素振幅情報に４ｆ結像光学系の伝達関数を乗算し、その乗算結果にフーリエ変換を施すことによって形成される仮想４ｆ光学系の出力結果を演算する演算処理部と、を備えることを特徴とする光断層計測装置。
2. 上記仮想４ｆ光学系は、上記乗算結果に上記フーリエ変換を施した結果に、さらに仮想ピンホールの伝達関数を乗算することで形成されることを特徴とする請求項１に記載の光断層計測装置。
3. 上記物体および上記光複素振幅情報取得部の間における上記レーザ光の経路上にガルバノミラーが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光断層計測装置。
4. 上記物体および上記光複素振幅情報取得部の間における上記レーザ光の経路上に位相型空間光変調器が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光断層計測装置。
5. 上記物体および上記光複素振幅情報取得部の間における上記レーザ光の経路上に、複数の微小なレンズで構成されるマイクロレンズアレイが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光断層計測装置。
6. 物体の断層を計測する光断層計測方法であって、
   上記物体に対するレーザ光の照射により生じた多重散乱光からなる反射信号光の光複素振幅を計測した結果である光複素振幅情報を取得する光複素振幅情報取得ステップと、
   取得した光複素振幅情報に４ｆ結像光学系の伝達関数を乗算し、その乗算結果にフーリエ変換を施すことによって形成される仮想４ｆ光学系の出力結果を演算する演算処理ステップと、を含むことを特徴とする光断層計測方法。