JP6762063B2

JP6762063B2 - Optical measuring device and optical measuring method

Info

Publication number: JP6762063B2
Application number: JP2016004384A
Authority: JP
Inventors: 恵理子渡邉; 勝就岡本; 水野　潤; 潤水野; 和博星野; 佳奈美池田
Original assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Current assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Priority date: 2015-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2020-09-30
Anticipated expiration: 2036-01-13
Also published as: JP2016130855A; JP2020204775A; JP6948084B2

Description

本発明は、球面物体波と球面参照波の光干渉を用いた光学測定装置及び光学測定方法に関する。 The present invention relates to an optical measuring device and an optical measuring method using optical interference between a spherical object wave and a spherical reference wave.

光を電気信号に変換する撮像素子を用いた光学的手法による画像計測は、非侵襲・非接触・非染色で物体の形状、変形、応力分布、歪み、蛍光又は偏光等の計測を行うことができる手法である。そのため、情報通信、セキュリティ、３次元変位・変形センシング、粒子速度計測等の流体の計測、医療分野における定量的細胞検査等、様々な分野へ応用が見込まれている。 Image measurement by an optical method using an image sensor that converts light into an electrical signal can measure the shape, deformation, stress distribution, distortion, fluorescence, polarization, etc. of an object in a non-invasive, non-contact, non-staining manner. It is a method that can be done. Therefore, it is expected to be applied to various fields such as information communication, security, three-dimensional displacement / deformation sensing, fluid measurement such as particle velocity measurement, and quantitative cell test in the medical field.

デジタルホログラフィック顕微鏡（Digital Holographic Miroscopy、以下ＤＨＭという）は、非侵襲・非接触・非染色で微小物体の厚みや屈折率の情報である定量位相情報の計測が可能な光学測定装置の一種である。ＤＨＭは、光源から発せられる光を物体へ照射する物体波と、物体を介さずに基準となる光である参照波とに分け、物体に照射後の物体波と、参照波との２波を合波し干渉させることで干渉縞を形成し、撮像素子を用いて干渉縞の電気信号を画像として記録する。干渉により、参照波に対しての物体波の強度と位相の変位量が記録でき、物体波の位相情報は干渉縞の強度情報に変換して記録される。干渉縞記録後に電子計算機上で、空間を伝わる光の波動を、取得した画像情報から数値計算することにより、物体波の強度分布と位相分布の情報を表す複素振幅分布を再生する。 Digital holographic Miroscopy (hereinafter referred to as DHM) is a type of optical measuring device that can measure quantitative phase information, which is non-invasive, non-contact, non-staining information on the thickness and refractive index of minute objects. .. DHM divides an object wave that irradiates an object with light emitted from a light source into a reference wave that is reference light without passing through the object, and divides the object into two waves, an object wave after irradiating the object and a reference wave. Interference fringes are formed by merging and interfering with each other, and an electric signal of the interference fringes is recorded as an image using an imaging element. By interference, the intensity and phase displacement of the object wave with respect to the reference wave can be recorded, and the phase information of the object wave is converted into the intensity information of the interference fringes and recorded. After recording the interference fringes, the wave motion of light propagating in space is numerically calculated from the acquired image information on an electronic computer to reproduce a complex amplitude distribution representing information on the intensity distribution and phase distribution of the object wave.

通常のＤＨＭでは、微小物体を対物レンズで拡大して結像させた後、撮像素子で干渉縞を撮像する。そのため物体の拡大結像用対物レンズを用いて空間で拡大結像させる場合、直径２０ｍｍ、幅３０ｍｍ程度の対物レンズが必要となり、装置は大型になる。たとえば、対物レンズから撮像素子部分のみの基本的な構成で幅１２０ｍｍ×奥行き１２０ｍｍ×高さ１５０ｍｍ程度の大きさになる。このように従来手法では空間光学系において干渉系を構築するためには、装置の小型化に制限があり、一つの大型なＤＨＭ装置としての利用に限られていた。そのため付属品として顕微鏡やその他の計測装置に装着することは困難であった。ましてやポータブルに計測する装置としての位置づけは困難であった。 In a normal DHM, a minute object is magnified by an objective lens to form an image, and then an interference fringe is imaged by an image sensor. Therefore, when an objective lens for magnifying imaging of an object is used to perform magnifying image formation in space, an objective lens having a diameter of about 20 mm and a width of about 30 mm is required, and the apparatus becomes large. For example, the basic configuration of only the image sensor portion from the objective lens has a size of about 120 mm in width × 120 mm in depth × 150 mm in height. As described above, in the conventional method, in order to construct the interference system in the spatial optical system, there is a limitation in the miniaturization of the device, and the use as one large DHM device is limited. Therefore, it was difficult to attach it to a microscope or other measuring device as an accessory. Furthermore, it was difficult to position it as a portable measuring device.

ＤＨＭの小型化を可能とする手法の一つとして、デジタルホログラフィにおいて、拡大レンズを必要としない球面参照波を利用する手法がある。たとえば、特許文献１に記載の発明では球面参照波を用いた位相シフトデジタルホログラフィの再生方法、変位分布計測方法及び装置が記載されている。しかしながら、空間光学系のため光学調整が困難である。また、位相シフト型の光学測定装置では、ピエゾ素子などの位相変調デバイスや、並列位相シフト用偏光アレイ等の高価な装置を必要とする。 As one of the methods that enables miniaturization of DHM, there is a method of using a spherical reference wave that does not require a magnifying lens in digital holography. For example, the invention described in Patent Document 1 describes a method for reproducing a phase shift digital holography using a spherical reference wave, a method for measuring a displacement distribution, and an apparatus. However, optical adjustment is difficult due to the spatial optical system. Further, a phase shift type optical measuring device requires a phase modulation device such as a piezo element and an expensive device such as a polarization array for parallel phase shift.

また、ＤＨＭで高速・高解像の画像を得るためには、計測する視野（ピクセル数）が広いほど再構成の計算負荷が大きくなるデジタルホログラフィにおいて、高精細な位相分布の測定だけではなく高速な位相再構成が必須である。従来のＤＨＭでは、再構成する際の結像面と撮像素子の電気信号検出面が近いため、回折伝搬距離が短くなる。従って、１回のＦＦＴ（Fast Fourier Transform）で計算を行うSingle−FFT型フレネル回折計算（以下、Single−FFT法という）は、伝搬距離が長いときのみ利用できるため利用できず、位相再構成にはレイリーゾンマーフェルトの厳密解である２回のＦＦＴを必要とする角スペクトル法が用いられている（例えば非特許文献１、２参照）。 Further, in order to obtain a high-speed, high-resolution image with DHM, not only high-definition phase distribution measurement but also high-speed measurement is performed in digital holography in which the wider the field of view (number of pixels) to be measured, the greater the calculation load of reconstruction. Phase reconstruction is essential. In the conventional DHM, since the image plane at the time of reconstruction is close to the electric signal detection surface of the image sensor, the diffraction propagation distance becomes short. Therefore, the Single-FFT type Fresnel diffraction calculation (hereinafter referred to as the Single-FFT method), which performs the calculation in one FFT (Fast Fourier Transform), cannot be used because it can be used only when the propagation distance is long, and it can be used for phase reconstruction. Is an exact solution of Rayleigh Sonmerfeld, which uses an angular spectral method that requires two FFTs (see, eg, Non-Patent Documents 1 and 2).

特開２００７−７１５９３号公報JP-A-2007-71593

C. J. Mann, L. Yu, C-M. Lo, and M. Kim, “High-resolution quantitative phase-contrast microscopy by digital holography,” Opt. Express 13(22), 8693-8698 (2005).C. J. Mann, L. Yu, C-M. Lo, and M. Kim, “High-resolution quantitative phase-contrast microscopy by digital holography,” Opt. Express 13 (22), 8693-8698 (2005). Y. Park, W. Choi, Z. Yaqoob, R. Dasari, K. Badizadegan, and M. S. Feld, “Speckle-field digital holographic microscopy,” Opt. Express 17(15), 12285-12292 (2009).Y. Park, W. Choi, Z. Yaqoob, R. Dasari, K. Badizadegan, and M. S. Feld, “Speckle-field digital holographic microscopy,” Opt. Express 17 (15), 12285-12292 (2009). M. Takeda, H. Ina, and S. Kobayashi, "Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry," J. Opt. Soc. Am. 72(1), 156-160 (1982).M. Takeda, H. Ina, and S. Kobayashi, "Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry," J. Opt. Soc. Am. 72 (1), 156-160 (1982) ).

前述した通り、従来のＤＨＭでは空間光学系において干渉系を構築するためには、装置の小型化や光軸合わせに制限があった。また、位相シフト型の測定をする場合は、高価なピエゾ素子などの位相変調デバイスや並列位相シフト用偏光アレイ等を用いる必要があった。 As described above, in the conventional DHM, in order to construct an interference system in the spatial optical system, there are restrictions on the miniaturization of the device and the alignment of the optical axis. Further, in the case of phase shift type measurement, it is necessary to use an expensive phase modulation device such as a piezo element, a polarization array for parallel phase shift, or the like.

上述したことを鑑み、本発明では、光学測定装置の光学調整を容易にするとともに、装置を小型化することを目的とする。 In view of the above, it is an object of the present invention to facilitate the optical adjustment of the optical measuring device and to reduce the size of the device.

上記目的を達成するために、本発明は、光源と、前記光源で発光された光を、測定対象物に照射させる物体波と、物体波と干渉させるための参照波とに分岐する分岐部と、前記分岐部で分岐された物体波又は参照波のいずれか一方の位相を変調する変調器と、物体波及び参照波を球面物体波及び球面参照波に変換して出力する変換部とを備える光導波路と、測定対象物を透過した球面物体波と、球面参照波とを合成する合成部と、前記合成部によって合成された光の干渉縞を電気信号として受光し、電子計算機に出力する撮像素子と、を備える。前記光導波路は、前記分岐部と前記変換部との間で前記物体波が伝搬する物体波用コアと、前記分岐部と前記変換部との間で前記参照波が伝搬し、且つ前記物体波用コアとは異なる位置に設けられた参照波用コアと、を備える。前記物体波用コアと前記参照波用コアとは、前記測定対象物を透過した球面物体波と前記球面参照波とが合成される際に互いになす角度と同じ角度をなして互いに異なる方向に沿って設けられている。 In order to achieve the above object, the present invention comprises a light source, a branch portion that branches a light emitted by the light source into an object wave for irradiating an object to be measured and a reference wave for interfering with the object wave. A modulator that modulates the phase of either an object wave or a reference wave branched at the branch portion, and a conversion unit that converts the object wave and the reference wave into a spherical object wave and a spherical reference wave and outputs the same. an optical waveguide, a spherical object wave spent permeability measurement object, and a combining unit for combining the spherical reference wave, receives the interference fringes of light combined by the combining unit as an electric signal, output to the computer an imaging device that, Ru comprising a. In the optical fiber wave, the object wave core in which the object wave propagates between the branch portion and the conversion portion, and the reference wave propagates between the branch portion and the conversion portion , and the object wave propagates. It includes a reference wave core provided at a position different from that of the core. The object wave core and the reference wave core form the same angle as the spherical object wave transmitted through the object to be measured and the spherical reference wave when they are combined, and follow different directions. It is provided.

本発明によれば、光学測定装置の光学調整を容易にするとともに、装置を小型化することができる。 According to the present invention, the optical adjustment of the optical measuring device can be facilitated and the device can be miniaturized.

原理実験装置である光学測定装置１０を示す図である。It is a figure which shows the optical measuring apparatus 10 which is a principle experimental apparatus. 光学測定装置１０のサンプルと撮像面の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the sample of an optical measuring apparatus 10 and an imaging surface. 光学測定装置１０の記録と再生の座標系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate system of the recording and reproduction of the optical measuring apparatus 10. 光学測定装置１０の設計距離を決める設計フローチャートを示す図である。It is a figure which shows the design flowchart which determines the design distance of an optical measuring apparatus 10. 光学測定装置１０における再生距離が異なる１９５１ＵＳＡＦテストターゲット再構成強度像を示す図である。再生距離は、図５（ａ）は８３．７ｍｍ、図５（ｂ）は１７７．５ｍｍ、図５（ｃ）は６２２．０ｍｍである。It is a figure which shows the 1951USAF test target reconstruction intensity image which the reproduction distance in an optical measuring apparatus 10 is different. The reproduction distance is 83.7 mm in FIG. 5 (a), 177.5 mm in FIG. 5 (b), and 622.0 mm in FIG. 5 (c). 光学測定装置１０における再生距離が異なる位相デバイスの位相アンラッピング後再構成位相像を示す図である。図６（ａ）は９９．０ｍｍ、図６（ｂ）は１７７．２ｍｍ、図６（ｃ）は２７５０．０ｍｍである。It is a figure which shows the reconstructed phase image after phase unwrapping of a phase device which has a different reproduction distance in an optical measuring apparatus 10. 6 (a) is 99.0 mm, FIG. 6 (b) is 177.2 mm, and FIG. 6 (c) is 2750.0 mm. 光学測定装置１０における異なるX positionにおけるY positionに対しての位相変化を示す図である。図７（ａ）はX position＝８４０μｍ、図７（ｂ）はX position＝１０００μｍ、図７（ｃ）はX position＝１３００μｍである。It is a figure which shows the phase change with respect to Y position at different X positions in an optical measuring apparatus 10. FIG. 7 (a) shows X position = 840 μm, FIG. 7 (b) shows X position = 1000 μm, and FIG. 7 (c) shows X position = 1300 μm. 光学測定装置１０で取得した２０４８×２０４８ピクセルのホログラムにおいて、異なる計算手法を採用した場合の位相再構成処理時間の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the phase reconstruction processing time at the time of adopting a different calculation method in the hologram of 2048 × 2048 pixels acquired by the optical measuring apparatus 10. 第１実施形態に係る光学測定装置２０を示す図である。It is a figure which shows the optical measuring apparatus 20 which concerns on 1st Embodiment. 光学測定装置２０の光導波路２１の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical waveguide 21 of an optical measuring apparatus 20. 第２実施形態に係る光学測定装置３０を示す図である。It is a figure which shows the optical measuring apparatus 30 which concerns on 2nd Embodiment. 第３実施形態に係る光学測定装置２０Ａを示す図である。It is a figure which shows the optical measuring apparatus 20A which concerns on 3rd Embodiment. 第４実施形態に係る光学測定装置２０Ｂを示す図である。It is a figure which shows the optical measuring apparatus 20B which concerns on 4th Embodiment. 第５実施形態に係る光学測定装置２０Ｃを示す図である。It is a figure which shows the optical measuring apparatus 20C which concerns on 5th Embodiment. 第６実施形態に係る光学測定装置５０を示す図である。It is a figure which shows the optical measuring apparatus 50 which concerns on 6th Embodiment.

以下、本発明の光学測定装置の原理及び各実施形態を図１〜図１５に基づいて説明する。以下の説明において、同一の構成については同一の符号を用いて説明を省略する。 Hereinafter, the principle and each embodiment of the optical measuring device of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 15. In the following description, the same reference numerals are used and the description thereof will be omitted.

図１は、本発明の光学測定装置１０の原理実験装置である。光学測定装置１０の光学系は、物体波と参照波を同じ角度から干渉させるインライン型であり、光源にはレーザ１を用いた。このレーザ１は、具体的には、波長が６３２．８ｎｍのヘリウムネオンレーザである。 FIG. 1 is a principle experimental device of the optical measuring device 10 of the present invention. The optical system of the optical measuring device 10 is an in-line type in which an object wave and a reference wave interfere with each other from the same angle, and a laser 1 is used as a light source. Specifically, the laser 1 is a helium neon laser having a wavelength of 632.8 nm.

光学測定装置１０は、レーザ１からの光を偏光ビームスプリッタ４において物体波と参照波の２つの光に分岐させる。また、光学測定装置１０は、レンズ６を用い球面波を生成し、サンプル７を透過した物体波ともう一方の光である参照波とを、ビームスプリッタ８を介して干渉させ、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ９を用い干渉縞の画像（ホログラム）を記録する。ＣＣＤカメラ９には、画素数が２０４８×２０４８ピクセル、ピクセルピッチが７．４μｍ×７．４μｍ、受光面積が１５．１６ｍｍ×１５．１６ｍｍ、ビット深度が１６ｂｉｔのカメラを使用した。 The optical measuring device 10 splits the light from the laser 1 into two lights, an object wave and a reference wave, in the polarizing beam splitter 4. Further, the optical measuring device 10 generates a spherical wave using the lens 6 and causes the object wave transmitted through the sample 7 and the reference wave which is the other light to interfere with each other via the beam splitter 8 to cause CCD (Charge Coupled). Device) A camera 9 is used to record an image (hologram) of interference fringes. As the CCD camera 9, a camera having a pixel count of 2048 × 2048 pixels, a pixel pitch of 7.4 μm × 7.4 μm, a light receiving area of 15.16 mm × 15.16 mm, and a bit depth of 16 bits was used.

光学測定装置１０は、偏光ビームスプリッタ４の前と、偏光ビームスプリッタ４の後の物体波側とに、それぞれ半波長板３を備え、偏光ビームスプリッタ４によって分岐させた物体波と参照波の強度を等しく調整する。また、光学測定装置１０は、参照波側に３枚、物体波側に２枚のミラー２をそれぞれ備え、２つに分岐させた光路の長さを等しく調整する。 The optical measuring device 10 is provided with half-wave plates 3 in front of the polarizing beam splitter 4 and on the object wave side after the polarizing beam splitter 4, and the intensities of the object wave and the reference wave branched by the polarizing beam splitter 4. Adjust equally. Further, the optical measuring device 10 is provided with three mirrors 2 on the reference wave side and two mirrors 2 on the object wave side, respectively, and adjusts the lengths of the two branched optical paths equally.

ミラー２の内１枚はピエゾ素子５付きのミラー２であり、再生時の０次回折光と共役光除去のため物体波の位相を電子計算機１１により制御しθ＝π／２ずつシフトさせ、合計３枚の干渉縞の画像を撮像する。ＣＣＤカメラ９で取得する強度分布をＩ_Ｈ（ｘ，ｙ：θ）、参照波の複素振幅分布の複素共役をＵ^＊ _Ｒ（ｘ，ｙ）とすると、３段階位相シフトさせた時の物体波の複素振幅分布Ｕ（ｘ）は式（１）で表される。 One of the mirrors 2 is a mirror 2 with a piezo element 5, and the phase of the object wave is controlled by the computer 11 to remove the 0th-order diffracted light and the conjugated light during reproduction, and the phase is shifted by θ = π / 2, and the total is Images of three interference fringes are taken. Assuming that the intensity distribution acquired by the CCD camera 9 is I _H (x, y: θ) and the complex conjugate of the complex amplitude distribution of the reference wave is U ^* _R (x, y), the object wave when the phase is shifted by three steps. The complex amplitude distribution U (x) of is expressed by the equation (1).

位相シフトさせたホログラムから、電子計算機１１を用いて物体のもつ強度と位相の分布である複素振幅分布を再生する。 From the phase-shifted hologram, the computer 11 is used to reproduce the complex amplitude distribution, which is the distribution of the intensity and phase of the object.

なお、図１に示す例では、参照波側のミラー２のうち１枚がピエゾ素子５付きのミラー２であるものとするが、物体波側のミラーのうち１枚をピエゾ付きミラーとしてもよい。ただし、物体波側のミラー２の１枚にピエゾ素子５を付けて物体波の位相をシフトするよりも、参照波側のミラー２の１枚にピエゾ素子５を付けて参照波の位相をシフトする方が、ピエゾ素子５によってノイズ等の影響を受けた光をサンプル７に照射することがない点で好ましい。 In the example shown in FIG. 1, one of the mirrors 2 on the reference wave side is a mirror 2 with a piezo element 5, but one of the mirrors on the object wave side may be a mirror with a piezo. .. However, rather than attaching the piezo element 5 to one of the mirrors 2 on the object wave side to shift the phase of the object wave, attaching the piezo element 5 to one of the mirrors 2 on the reference wave side to shift the phase of the reference wave. This is preferable because the sample 7 is not irradiated with light affected by noise or the like by the piezo element 5.

図２は、光学測定装置１０における物体面と撮像面の関係を示す図であり、サンプル７とＣＣＤカメラ９の間の距離が｜ｚ_０｜＝２３．４ｍｍ、撮像面から参照点間の距離が｜ｚ_ｒ｜＝２７．０ｍｍである。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the object surface and the imaging surface in the optical measuring device 10, in which the distance between the sample 7 and the CCD camera 9 is | z ₀ | = 23.4 mm, and the distance between the imaging surface and the reference point. Is | z _r | = 27.0 mm.

以下に、電子計算機１１におけるSingle−FFT法を用いた計算手法について述べる。 The calculation method using the Single-FFT method in the computer 11 will be described below.

図３は、球面参照波を用いた光学測定装置１０の記録と再生の座標系を示す。撮像素子面（撮像面）１３での物体波は、物体面１２の複素振幅Ｕ_０（ｘ’，ｙ’）のフレネル回折によって表される。簡易化のために定数項は省略し１次元で記述すると、開口面（撮像面）１３の複素振幅分布Ｕ（ｘ）のフレネル領域における回折像を計算することで、フレネル回折像Ｕ_ｉ（Ｘ，Ｚ）を求めることができる。この際、Ｕ（ｘ）の大きさをｘ，ｙとする。フレネル・キルヒホッフの回折式を放物面近似することにより、Ｕ_ｉ（Ｘ，Ｚ）は式（２）で表される。 FIG. 3 shows a coordinate system for recording and reproduction of the optical measuring device 10 using a spherical reference wave. The object wave on the image sensor surface (imaging surface) 13 is represented by Fresnel diffraction of the complex amplitude U ₀ (x', y') of the object surface 12. When constant term for simplicity is described in one dimension is omitted, by calculating the diffraction image in the Fresnel region of the opening surface complex amplitude distribution U of (imaging surface) 13 (x), Fresnel diffraction pattern U _{i (X} , Z) can be obtained. At this time, the magnitude of U (x) is x, y. By parabolic approximation of the diffractive Fresnel Kirchhoff, U i _(X, Z) is expressed by Equation (2).

ここで、λは光波の波長、Ｚは伝搬距離、Ｆはフーリエ変換演算を表す。式（２）に含まれる位相因子の周波数が伝搬距離Ｚにより変化し、サンプリング定理を満たさない状態を生じるため、式（２）をＦＦＴ法により計算できるよう標本化する。この際、サンプリング間隔をδｘ、サンプル点数をＮとし、Ｕ（ｘ）を標本化するときサンプリング定理を満たすものとする。回折面の計算領域をＤ_ｘＺ＝λＺ／δｘとすると式（２）は式（３）になる。 Here, λ represents the wavelength of the light wave, Z represents the propagation distance, and F represents the Fourier transform operation. Since the frequency of the phase factor included in the equation (2) changes depending on the propagation distance Z, which causes a state in which the sampling theorem is not satisfied, the equation (2) is sampled so that it can be calculated by the FFT method. At this time, the sampling interval is δx, the number of sample points is N, and the sampling theorem is satisfied when U (x) is sampled. If the calculation area of the diffraction surface is D _xZ = λZ / δx, the equation (2) becomes the equation (3).

ここでｎ、ｎ’は整数を表す。式（３）に含まれる位相因子の最高周波数に対してサンプリング定理を満たす伝搬距離Ｚの条件は（４）式で表される。 Here, n and n'represent an integer. The condition of the propagation distance Z that satisfies the sampling theorem with respect to the highest frequency of the phase factor included in the equation (3) is expressed by the equation (4).

式（３）による一回のフーリエ変換でのフレネル領域の回折計算では、式（４）を満たす条件時に位相分布が正確な回折像を得られる。この条件はＣＣＤカメラ９のピクセルピッチと測定波長のみに依存する。ここで、球面参照波を用いた場合に電子計算機１１における物体を結像させる伝搬距離（再生距離）Ｚと、物体面１２から撮像面１３までの距離ｚ_ｏと、撮像面１３から参照点１５までの距離ｚ_ｒとの関係式は式（５）で表される。 In the diffraction calculation of the Fresnel region by one Fourier transform according to the equation (3), a diffraction image having an accurate phase distribution can be obtained under the condition satisfying the equation (4). This condition depends only on the pixel pitch and measurement wavelength of the CCD camera 9. Here, the propagation distance (reproduction distance) Z for imaging an object in the computer 11 in the case of using the spherical reference wave, and the distance z _o from the object plane 12 to the imaging surface 13, the reference point from the image plane 13 15 relation between the distance z _r to the formula (5).

このときの結像面１４での再生像の拡大率Ｍは式（６）で表される。 The magnification M of the reproduced image on the imaging surface 14 at this time is represented by the equation (6).

また、開口数ＮＡはＣＣＤカメラ９の画像サイズδｘ・Ｎと距離｜ｚ_ｏ｜から式（７）で決まる。 The numerical aperture NA is determined by the equation (7) from the image size δx · N of the CCD camera 9 and the distance | z _o |.

θはサンプル（物体面１２）と撮像面１３が作る角度、ｎは媒質の屈折率（空気：１．０００３）である。このときの顕微鏡の解像度を示す空間分解能δＸは式（８）で表され、また、計測可能な視野（ＦＯＶ：Field of view）は式（９）で表される。 θ is the angle formed by the sample (object surface 12) and the imaging surface 13, and n is the refractive index of the medium (air: 1.0003). The spatial resolution δX indicating the resolution of the microscope at this time is represented by the formula (8), and the measurable field of view (FOV) is represented by the formula (9).

式（８）から分かるように、光学測定装置１０の空間分解能は使用するレーザ１の波長が一定の場合、記録面に対するサンプルの位置で決まる。従って、サンプル（物体面１２）と撮像面１３の距離を近づけＮＡを高めることにより空間分解能が向上する。 As can be seen from the equation (8), the spatial resolution of the optical measuring device 10 is determined by the position of the sample with respect to the recording surface when the wavelength of the laser 1 used is constant. Therefore, the spatial resolution is improved by increasing the distance between the sample (object surface 12) and the imaging surface 13 and increasing the NA.

このとき、試料のＦＯＶは空間分解能とＣＣＤカメラ９のピクセル数の積で決まるため、空間分解能と計測範囲間にはトレードオフの関係があることに留意しなくてはならない。球面参照波による拡大光学系では、拡大率や位相再構成の結像位置をわずかに動かすのみで変更できるため、あらかじめＣＣＤカメラ９の画素ピッチと参照点位置に加えサンプル位置を設計しておくことで、Single−FFT法でのフレネル回折計算においても、ノイズを除去した位相像の再構成が可能である。 At this time, since the FOV of the sample is determined by the product of the spatial resolution and the number of pixels of the CCD camera 9, it must be noted that there is a trade-off relationship between the spatial resolution and the measurement range. In the magnifying optical system using a spherical reference wave, the magnification and the imaging position of the phase reconstruction can be changed by slightly moving it. Therefore, design the sample position in advance in addition to the pixel pitch and reference point position of the CCD camera 9. Therefore, it is possible to reconstruct the phase image with noise removed even in the Fresnel diffraction calculation by the Single-FFT method.

《設計手法》
次に、光学測定装置１０の設計手法について述べる。図４は光学測定装置１０の設計距離を決める設計フローチャートを示す図である。《Design method》
Next, the design method of the optical measuring device 10 will be described. FIG. 4 is a diagram showing a design flowchart for determining the design distance of the optical measuring device 10.

まず計測用の撮像素子を決定し、撮像素子の仕様から式（４）のサンプリング定理を用いて再生距離Ｚが求まる（ステップＳ１）。次に、測定したいサンプルに必要な空間分解能δＸを決定することで、式（８）により距離｜ｚ_ｏ｜を算出する（ステップＳ２〜Ｓ３）。そして、再生距離Ｚと距離｜ｚ_ｏ｜を式（５）に代入し距離｜ｚ_ｒ｜を算出する。算出したそれぞれの距離を設計に反映する（ステップＳ４）。 First, the image sensor for measurement is determined, and the reproduction distance Z can be obtained from the specifications of the image sensor using the sampling theorem of the equation (4) (step S1). Next, the distance | z _o | is calculated by the equation (8) by determining the spatial resolution δX required for the sample to be measured (steps S2 to S3). Then, the reproduction distance Z and the distance | z _o | are substituted into the equation (5) to calculate the distance | z _r |. Each calculated distance is reflected in the design (step S4).

光学測定装置１０では、サンプル７を細胞とした場合、細胞の測定に必要な空間分解能を１μｍ以下として、より広視野での計測を実現するため、空間分解能δＸ＝０．９８μｍ（ＮＡ＝０．３２）、計測範囲２．０ｍｍ×２．０ｍｍで設計した。このときの再生像は式（６）から、７．６倍の拡大率で再生できる。 In the optical measuring device 10, when the sample 7 is a cell, the spatial resolution required for cell measurement is set to 1 μm or less, and in order to realize measurement in a wider field of view, the spatial resolution δX = 0.98 μm (NA = 0. 32), the measurement range was 2.0 mm × 2.0 mm. The reproduced image at this time can be reproduced from the equation (6) at a magnification of 7.6 times.

図５（ｂ）は、前記設計手法による適切な結像距離関係時（｜ｚ_ｏ｜＝２３．４ｍｍ）の、図５（ａ）及び図５（ｃ）は、設計値以外の距離｜ｚ_ｏ｜にサンプルを設置した場合の１９５１ＵＳＡＦテストターゲットの強度像である。図５（ａ）（｜ｚ_ｏ｜＝２０．４ｍｍ）及び図５（ｃ）（｜ｚ_ｏ｜＝２５．８ｍｍ）では強度分布を結像する再生距離（伝搬距離）Ｚの値が（４）式から大きく外れる。図５（ａ）では再生像に重畳したノイズがみられ、図５（ｃ）では再生像が縮小していることによる空間分解能の低下があるが、強度分布においては再生距離（伝搬距離）が大きく異なっていても像の再生自体は可能である。 5 (b) shows the distance | z other than the design value in FIGS. 5 (a) and 5 (c) when the imaging distance is appropriate according to the design method (| z _o | = 23.4 mm). It is an intensity image of a 1951USAF test target when a sample is placed in _o |. In FIG. 5 (a) (| z _o | = 20.4 mm) and FIG. 5 (c) (| z _o | = 25.8 mm), the value of the reproduction distance (propagation distance) Z that forms the intensity distribution is (4). ) It deviates greatly from the formula. In FIG. 5A, noise superimposed on the reproduced image is observed, and in FIG. 5C, there is a decrease in spatial resolution due to the reduction of the reproduced image, but in the intensity distribution, the reproduction distance (propagation distance) is large. The image itself can be reproduced even if it differs greatly.

一方、図６（ｂ）は、前記設計手法による適切な結像距離関係時（｜ｚ_ｏ｜＝２３．４ｍｍ）の、図６（ａ）（｜ｚ_ｏ｜＝２１．２ｍｍ）及び図６（ｃ）（｜ｚ_ｏ｜＝２６．７ｍｍ）は、設計値以外の距離｜ｚ_ｏ｜にサンプルを設置した場合）の位相デバイスの位相像である。図７（ａ）、図７（ｂ）、及び図７（ｃ）は、図６（ａ）、図６（ｂ）、及び図６（ｃ）のＡ−Ａ´間である、X position＝８４０μｍ、１０００μｍ、１３００μｍにおけるY positionに対しての位相の変化を示している。図６（ｂ）、図７（ｂ）では精確な位相分布が取得できているが、図６（ａ）、図６（ｃ）、図７（ａ）及び図７（ｃ）では位相ノイズの影響を受け、精確な位相像の再生が困難であることが分かる。 On the other hand, FIG. 6 (b) shows FIGS. 6 (a) (| z _o | = 21.2 mm) and FIG. 6 when the imaging distance is appropriate according to the design method (| z _o | = 23.4 mm). (C) (| z _o | = 26.7 mm) is a phase image of the phase device (when the sample is placed at a distance | z _o | other than the design value). 7 (a), 7 (b), and 7 (c) are between AA'of FIGS. 6 (a), 6 (b), and 6 (c), X position = It shows the phase change with respect to the Y position at 840 μm, 1000 μm, and 1300 μm. Although the accurate phase distribution can be obtained in FIGS. 6 (b) and 7 (b), the phase noise in FIGS. 6 (a), 6 (c), 7 (a) and 7 (c). It turns out that it is difficult to reproduce an accurate phase image due to the influence.

光学測定装置１０の計算時間を評価するため、式（３）を用いたSingle−FFT法と、２回のＦＦＴを行う角スペクトル法との２０４８×２０４８ピクセルホログラムの位相再構成にかかる平均処理時間を比較した結果について述べる。再構成に使用した計算機はＩｎｔｅｌＣｏｒｅ（ＴＭ）ｉ５−２４１０Ｍ、２．３０ＧＨｚＣＰＵ、ＲＡＭ８ＧＢである。図８は、計測時に２πｒａｄの位相差があるときに生じる位相のとびを補正する位相アンラッピング処理を含まない位相再構成の計算時間を示している。この図から、本計算手法であるSingle−FFT法の使用時は、角スペクトル法の使用時より２．０６倍速く位相再構成処理となることが確認できる。 In order to evaluate the calculation time of the optical measuring device 10, the average processing time required for phase reconstruction of a 2048 × 2048 pixel hologram by the Single-FFT method using the equation (3) and the angular spectral method in which FFT is performed twice. The results of the comparison will be described. The computer used for the reconstruction is Intel Core (TM) i5-2410M, 2.30GHz CPU, RAM 8GB. FIG. 8 shows the calculation time of the phase reconstruction not including the phase unwrapping process for correcting the phase skipping that occurs when there is a phase difference of 2πrad at the time of measurement. From this figure, it can be confirmed that when the Single-FFT method, which is the present calculation method, is used, the phase reconstruction process is performed 2.06 times faster than when the angular spectrum method is used.

〈第１実施形態〉
図９は、第１実施形態に係る光学測定装置２０を示す図である。この光学測定装置２０は、透過型の光学測定装置の一例であり、光源であるレーザ１と、レーザ１で発光された光が入力されて球面物体波と球面参照波を出力する光導波路２１と、参照波の光路調整に利用する補正ガラス２３と、光導波路２１から出力された光を合成して干渉させる合成部であるビームスプリッタ８と、ビームスプリッタ８で得られた干渉縞を電気信号として取得するＣＣＤカメラ９とを備える。また、ＣＣＤカメラ９は、電子計算機（図示せず）と接続される。光学測定装置２０は、光導波路２１と、ビームスプリッタ８との間にサンプル７を挟むように配置し、サンプル７に光を照射した場合の位相情報を測定する。具体的には、電子計算機により、ＣＣＤカメラ９が取得した電気信号が入力されると、この電気信号を用いて、位相情報を演算する。 <First Embodiment>
FIG. 9 is a diagram showing an optical measuring device 20 according to the first embodiment. This optical measuring device 20 is an example of a transmission type optical measuring device, and includes a laser 1 as a light source and an optical waveguide 21 that receives light emitted by the laser 1 and outputs a spherical object wave and a spherical reference wave. , The correction glass 23 used for adjusting the optical path of the reference wave, the beam splitter 8 which is a compositing unit that synthesizes and interferes with the light output from the optical waveguide 21, and the interference fringes obtained by the beam splitter 8 as electric signals. It includes a CCD camera 9 to be acquired. Further, the CCD camera 9 is connected to a computer (not shown). The optical measuring device 20 is arranged so as to sandwich the sample 7 between the optical waveguide 21 and the beam splitter 8 and measures the phase information when the sample 7 is irradiated with light. Specifically, when an electric signal acquired by the CCD camera 9 is input by a computer, the phase information is calculated using this electric signal.

レーザ１には、例えば、ヘリウムネオンレーザを用いる。光導波路２１は、レーザ１から光が入力される光を物体波と参照波に分岐させる分岐部２１１、参照波の位相を変調する変調器であるヒータ２１２、光を球面波に変換して出射する出射口２１３（２１３ａ，２１３ｂ）を有する。分岐部２１１は、Ｙ分岐または方向性結合器で構成される。 For the laser 1, for example, a helium neon laser is used. The optical waveguide 21 includes a branch portion 211 that branches the light input from the laser 1 into an object wave and a reference wave, a heater 212 that is a modulator that modulates the phase of the reference wave, and emits light by converting it into a spherical wave. It has an exit port 213 (213a, 213b). The branch portion 211 is composed of a Y branch or a directional coupler.

ヒータ２１２は、再生時の０次回折光と共役光除去のため、熱光学効果を利用した位相制御である熱光学位相シフトを行う変調器、すなわち、位相シフタである。ヒータ２１２は、参照波の位相を、θ＝π／２ずつシフトさせる。これにより、ＣＣＤカメラ９で、合計３枚の干渉縞の画像（ホログラム）を撮像することができる。 The heater 212 is a modulator that performs thermo-optical phase shift, which is phase control using a thermo-optical effect, in order to remove 0th-order diffracted light and conjugated light during reproduction, that is, a phase shifter. The heater 212 shifts the phase of the reference wave by θ = π / 2. As a result, the CCD camera 9 can capture a total of three images (holograms) of interference fringes.

出射口２１３（２１３ａ，２１３ｂ）は、変換部として物体波及び参照波がそれぞれ球面波として出射される。例えば、光導波路２１の出射口２１３は、使用するレーザ１に対し、『伝搬光の波長＞出射口の幅』となるように設計され、球面波を出射するようにしてもよい。この場合なお、使用するレーザ１が発光する光の波長に対して出射口２１３の幅を決めてもよいし、出射口２１３の幅に合わせて使用するレーザ１を選択してもよい。また、出射口２１３は、出射する物体波と参照波とが９０度で交わるように形成される。 At the output port 213 (213a, 213b), an object wave and a reference wave are emitted as spherical waves as conversion units, respectively. For example, the exit port 213 of the optical waveguide 21 may be designed so that “wavelength of propagating light> width of exit port” with respect to the laser 1 to be used, and may emit a spherical wave. In this case, the width of the emission port 213 may be determined with respect to the wavelength of the light emitted by the laser 1 to be used, or the laser 1 to be used may be selected according to the width of the emission port 213. Further, the exit port 213 is formed so that the emitted object wave and the reference wave intersect at 90 degrees.

補正ガラス２３は、物体波と参照波のサンプル７の影響による光路差を補正する。光導波路２１の物体波と参照波の出射口２１３ａ，２１３ｂの端部の間の距離を１３ｍｍとした場合、原理実験装置を用いて上述した空間分解能、計測範囲を用いた前記設計手法（図４）により設計し、距離｜ｚ_ｏ｜＝７．６ｍｍ、距離｜ｚ_ｒ｜＝９．２ｍｍとなる。 The correction glass 23 corrects the optical path difference due to the influence of the sample 7 of the object wave and the reference wave. When the distance between the end of the object wave of the optical waveguide 21 and the outlets 213a and 213b of the reference wave is 13 mm, the design method using the above-mentioned spatial resolution and measurement range using the principle experimental device (FIG. 4). ), The distance | z _o | = 7.6 mm, and the distance | z _r | = 9.2 mm.

ビームスプリッタ８は、光導波路２１から出力され、サンプル７を透過した物体波と、もう一方の参照波とを９０度の角度で合成する。また、ＣＣＤカメラ９は、物体波と参照波の干渉縞画像を電気信号に変換する。 The beam splitter 8 synthesizes the object wave output from the optical waveguide 21 and transmitted through the sample 7 and the other reference wave at an angle of 90 degrees. Further, the CCD camera 9 converts the interference fringe image of the object wave and the reference wave into an electric signal.

電子計算機は、ＣＣＤカメラ９で受光した電気信号を用いて空間を伝わる光の波動を数値的に計算し、サンプル７の拡大像を適切な距離で結像させて、物体の強度分布と位相分布である複素振幅分布を測定結果として算出する。具体的には、電子計算機は、ＣＣＤカメラ９で変換された電気信号、すなわち、位相シフトさせたホログラムが入力されると、式（３）を用いて上述したように、このホログラムを用いて複素振幅分布を再生して画像を得る。 The computer numerically calculates the wave motion of the light transmitted through the space using the electric signal received by the CCD camera 9, forms an enlarged image of the sample 7 at an appropriate distance, and forms the intensity distribution and phase distribution of the object. The complex amplitude distribution is calculated as the measurement result. Specifically, when an electric signal converted by the CCD camera 9, that is, a phase-shifted hologram is input, the computer uses this hologram as described above using the equation (3) to make a complex number. Reproduce the amplitude distribution to obtain an image.

図１０は図９に示す光学測定装置２０における光導波路２１のＡ−Ａ線で矢視した断面構造を示す図である。光導波路２１は、シリコン基板２２１上にバッファ２２２とコア２２３（２２３ａ，２２３ｂ）、クラッド２２４が配置される構成である。ここで、一方のコア（物体波用コア）２２３ａは物体波用であり、他方のコア（参照波用コア）２２３ｂは参照波用である。コア２２３の屈折率は周囲のバッファ２２２及びクラッド２２４の屈折率より高いため、光を閉じ込めて伝搬させることができる。 FIG. 10 is a diagram showing a cross-sectional structure of the optical waveguide 21 in the optical measuring device 20 shown in FIG. 9 as seen by the line AA . The optical waveguide 21 has a configuration in which a buffer 222, a core 223 (223a, 223b), and a clad 224 are arranged on a silicon substrate 221. Here, one core ( core for object wave) 223a is for object wave, and the other core (core for reference wave) 223b is for reference wave. Since the refractive index of the core 223 is higher than that of the surrounding buffer 222 and the clad 224, light can be confined and propagated.

光導波路２１の材質は、石英ガラスやシリコン、高純度ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、Ｓｉ₃Ｎ₄などが好適である。これら材質の選定は、使用する光の透過性、屈折率、波長特性、分散性を考慮して適宜選択を行う。また、光導波路２１は、スラブ型に限らず、埋め込み型であってもよい。 The material of the optical waveguide 21 is preferably quartz glass, silicon, high-purity polyimide resin, polyamide resin, Si ₃ N _4, or the like. These materials are appropriately selected in consideration of the light transmittance, refractive index, wavelength characteristics, and dispersibility of the light to be used. Further, the optical fiber waveguide 21 is not limited to the slab type and may be an embedded type.

光導波路２１を用いることにより、図１を用いて上述した光学測定装置１０の空間光学系で必要な、レーザ１からの光を物体波と参照波を分けるのに用いるビームスプリッタ８と物体波と参照波を合波するため角度を調整する複数のミラー２が不要となるため光軸調整の簡易化及び小型化が可能となる。 By using the optical waveguide 21, the beam splitter 8 and the object wave used to separate the light from the laser 1 into the object wave and the reference wave, which are required in the spatial optical system of the optical measuring device 10 described above using FIG. Since the reference wave is combined, a plurality of mirrors 2 for adjusting the angle are not required, so that the optical axis adjustment can be simplified and miniaturized.

上述したように、第１実施形態に係る光学測定装置２０は、レーザ１と光導波路２１のみにより球面波を形成することが可能であり、容易に光学調整できるとともに、装置を小型化することができる。 As described above, the optical measuring device 20 according to the first embodiment can form a spherical wave only by the laser 1 and the optical waveguide 21, and can be easily optically adjusted and the device can be miniaturized. it can.

〈第２実施形態〉
図１１は、第２実施形態に係る光学測定装置３０を示す図である。この光学測定装置３０も透過型の光学測定装置であり、第１実施形態の光学測定装置２０と比較して、ヒータ２１２を備えない点で異なる。 <Second Embodiment>
FIG. 11 is a diagram showing an optical measuring device 30 according to the second embodiment. This optical measuring device 30 is also a transmission type optical measuring device, and is different from the optical measuring device 20 of the first embodiment in that it does not include a heater 212.

第１実施形態に係る光学測定装置２０は、変調器としてヒータ２１２を備え、位相シフト法を利用していた。これに対し、光学測定装置３０は、電子計算機１１において、再構成計算処理にオフアクシス法を利用することで、ヒータ２１２を備えない場合でも対応することができる。オフアクシス法は一回の撮像で、干渉縞強度を取得し、再構成の演算部分においてフーリエ縞解析法やヒルベルト変換法を利用して強度と位相を再構成する方法である。 The optical measuring device 20 according to the first embodiment includes a heater 212 as a modulator and uses a phase shift method. On the other hand, the optical measuring device 30 can cope with the case where the heater 212 is not provided by using the off-axis method for the reconstruction calculation process in the computer 11. The off-axis method is a method in which the interference fringe intensity is acquired by one imaging, and the intensity and phase are reconstructed by using the Fourier fringe analysis method or the Hilbert transform method in the calculation part of the reconstruction.

位相シフト法では複数の画像を用いるのに対し、フーリエ変換法やフーリエ縞解析法では１回の撮影で得られた干渉縞画像から位相分布の抽出を行う。これは、インライン（完全な同軸）状態から干渉光を傾けて、干渉縞を意図的に作り、その縞をキャリア空間周波数として重畳する方法である。物体により波面が変化するが、キャリア空間周波数を基本搬送波とするパターンの位相変調とみなせる。この点に着目すると、二次元フーリエ変換・逆変換を用いたフィルタリングにより、複素振幅分布を計測できる。 In the phase shift method, a plurality of images are used, whereas in the Fourier transform method and the Fourier fringe analysis method, the phase distribution is extracted from the interference fringe images obtained by one imaging. This is a method of intentionally creating interference fringes by inclining interference light from an in-line (perfectly coaxial) state and superimposing the fringes as carrier spatial frequencies. Although the wave plane changes depending on the object, it can be regarded as phase modulation of a pattern with the carrier space frequency as the basic carrier wave. Focusing on this point, the complex amplitude distribution can be measured by filtering using two-dimensional Fourier transform and inverse transform.

光導波路２１の構成材質は、図１０を用いて上述した通り、石英ガラスやシリコン、高純度ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂などが好適である。 As the constituent material of the optical waveguide 21, as described above with reference to FIG. 10, quartz glass, silicon, a high-purity polyimide resin, a polyamide resin, or the like is preferable.

なお、この光学測定装置３０を利用する場合、一回の撮像で再構成が可能であること、変調器であるヒータが不要であるというメリットがある。しかしながら、光学測定装置３０を利用して再構成される画像の面積は、光学測定装置２０を利用して再構成される画像の面積と比較して、概ね１／８倍に制限される。 In addition, when this optical measuring device 30 is used, there are merits that it can be reconstructed by one imaging and that a heater which is a modulator is unnecessary. However, the area of the image reconstructed using the optical measuring device 30 is limited to approximately 1/8 times the area of the image reconstructed using the optical measuring device 20.

上述したように、第２実施形態に係る光学測定装置３０は、光学測定装置２０と同様に、レーザ１と光導波路２１のみにより球面波を形成することが可能であり、容易に光学調整できるとともに、装置を小型化することができる。また、光学測定装置３０では、光導波路２１が変調器であるヒータを有する必要がない。さらに、光学測定装置３０は、変調器が不要であるため画像を複数回撮像する必要がなく、一回の撮像で再構成が可能である。 As described above, the optical measuring device 30 according to the second embodiment can form a spherical wave only by the laser 1 and the optical waveguide 21, and can be easily optically adjusted, as in the optical measuring device 20. , The device can be miniaturized. Further, in the optical measuring device 30, the optical waveguide 21 does not need to have a heater which is a modulator. Further, since the optical measuring device 30 does not require a modulator, it is not necessary to capture an image a plurality of times, and the optical measuring device 30 can be reconstructed by a single imaging.

〈第３実施形態〉
図１２は、第３実施形態に係る光学測定装置２０Ａを示す図である。この光学測定装置２０Ａも、透過型の光学測定装置である。光学測定装置２０Ａは、図９を用いて上述した第１実施形態に係る光学測定装置２０と比較して、ビームスプリッタ８の向きとＣＣＤカメラ９の位置が異なる。光学測定装置２０Ａの光導波路２１は、図１０を用いて上述した光学測定装置２０の光導波路２１と同一である。また、光学測定装置２０Ａにおいても、参照波（参照光）とサンプル７を透過した物体波（物体光）とをビームスプリッタ８により合成し、ＣＣＤカメラ９を介して電子計算機（図示せず）で記録する。 <Third Embodiment>
FIG. 12 is a diagram showing an optical measuring device 20A according to the third embodiment. This optical measuring device 20A is also a transmission type optical measuring device. The optical measuring device 20A is different from the optical measuring device 20 according to the first embodiment described above with reference to FIG. 9 in the orientation of the beam splitter 8 and the position of the CCD camera 9. The optical waveguide 21 of the optical measuring device 20A is the same as the optical waveguide 21 of the optical measuring device 20 described above with reference to FIG. Further, also in the optical measuring device 20A, the reference wave (reference light) and the object wave (object light) transmitted through the sample 7 are combined by the beam splitter 8 and used by a computer (not shown) via the CCD camera 9. Record.

具体的には、図９の光学測定装置２０では、サンプル７を透過した物体波はビームスプリッタ８で反射し、参照波はビームスプリッタ８を透過し、この物体波と参照波とが合成される。これに対し、図１２の光学測定装置２０Ａでは、サンプル７を透過した物体波はビームスプリッタ８を透過し、参照波はビームスプリッタ８において反射し、この物体波と参照波とが合成される。 Specifically, in the optical measuring device 20 of FIG. 9, the object wave transmitted through the sample 7 is reflected by the beam splitter 8, the reference wave is transmitted through the beam splitter 8, and the object wave and the reference wave are combined. .. On the other hand, in the optical measuring device 20A of FIG. 12, the object wave transmitted through the sample 7 is transmitted through the beam splitter 8, the reference wave is reflected by the beam splitter 8, and the object wave and the reference wave are combined.

上述したように、第３実施形態に係る光学測定装置２０Ａは、光学測定装置２０と同様に、レーザ１と光導波路２１のみにより球面波を形成することが可能であり、容易に光学調整できるとともに、装置を小型化することができる。 As described above, the optical measuring device 20A according to the third embodiment can form a spherical wave only by the laser 1 and the optical waveguide 21, and can be easily optically adjusted, as in the optical measuring device 20. , The device can be miniaturized.

〈第４実施形態〉
図１３は、第４実施形態に係る光学測定装置２０Ｂを示す図である。この光学測定装置２０Ｂは、反射型の光学測定装置の一例である。図９を用いて上述した第１実施形態に係る光学測定装置２０は、サンプル７を透過させた物体波を測定に利用する。これに対し、光学測定装置２０Ｂは、サンプル７を反射させた物体波を測定に利用する。したがって、光学測定装置２０Ｂは、光学測定装置２０と比較して、サンプル７の位置が異なり、ビームスプリッタ８の向きが９０°異なる。また、光学測定装置２０Ｂは、参照波とサンプル７を反射して得られた物体波とをビームスプリッタ８により合成し、ＣＣＤカメラ９を介して、電子計算機（図示せず）で記録する。なお、反射型の光学測定装置の場合、物体波と参照波のサンプル７の影響による光路差補正は不要であるため、光学測定装置２０Ｂは、補正ガラス２３を有しない。 <Fourth Embodiment>
FIG. 13 is a diagram showing an optical measuring device 20B according to a fourth embodiment. The optical measuring device 20B is an example of a reflection type optical measuring device. The optical measuring device 20 according to the first embodiment described above with reference to FIG. 9 uses an object wave transmitted through the sample 7 for measurement. On the other hand, the optical measuring device 20B uses the object wave reflected from the sample 7 for the measurement. Therefore, the optical measuring device 20B has a different position of the sample 7 and a different direction of the beam splitter 8 by 90 ° as compared with the optical measuring device 20. Further, the optical measuring device 20B synthesizes the reference wave and the object wave obtained by reflecting the sample 7 by the beam splitter 8 and records them by a computer (not shown) via the CCD camera 9. In the case of the reflection type optical measuring device, the optical path difference correction due to the influence of the sample 7 of the object wave and the reference wave is unnecessary, so that the optical measuring device 20B does not have the correction glass 23.

具体的には、図１３の光学測定装置２０Ｂでは、光導波路２１から出力された物体波はビームスプリッタ８を透過してサンプル７で反射した後、ビームスプリッタ８においてＣＣＤカメラ９の方向に反射し、ビームスプリッタ８を透過する参照光と合成される。 Specifically, in the optical measuring device 20B of FIG. 13, the object wave output from the optical waveguide 21 passes through the beam splitter 8 and is reflected by the sample 7, and then reflected by the beam splitter 8 in the direction of the CCD camera 9. , Combined with the reference light passing through the beam splitter 8.

なお、光学測定装置２０Ｂの光導波路２１は、図１０を用いて上述した光学測定装置２０の光導波路２１と同一であるが、図９、図１１、図１２等の光導波路２１は四角形であるのに対し、六角形である点で異なる。このように、光導波路２１の構造上、光の伝搬に影響を与えない部分を切断することで、より小型化を図ることができる場合もある。 The optical waveguide 21 of the optical measuring device 20B is the same as the optical waveguide 21 of the optical measuring device 20 described above with reference to FIG. 10, but the optical waveguide 21 of FIGS. 9, 11, 12, 12 and the like is a quadrangle. On the other hand, it differs in that it is a hexagon. In this way, due to the structure of the optical waveguide 21, it may be possible to further reduce the size by cutting a portion that does not affect the propagation of light.

上述したように、第４実施形態に係る光学測定装置２０Ｂは、光学測定装置２０と同様に、レーザ１と光導波路２１のみにより球面波を形成することが可能であり、容易に光学調整できるとともに、装置を小型化することができる。 As described above, the optical measuring device 20B according to the fourth embodiment can form a spherical wave only by the laser 1 and the optical waveguide 21, and can be easily optically adjusted, as in the optical measuring device 20. , The device can be miniaturized.

また、光学測定装置２０Ｂでは、ビームスプリッタ８の向きを光学測定装置２０と異なるように配置し、サンプル７を反射して得られた物体波を利用する。これにより、光学測定装置２０Ｂでは、透過型の光学測定装置２０、２０Ａとは異なり、ペン型タイプの光学測定装置としてサンプル７の測定をすることができる。これにより、例えば、医療用の内視鏡等の小型な装置に利用することができる。 Further, in the optical measuring device 20B, the direction of the beam splitter 8 is arranged so as to be different from that of the optical measuring device 20, and the object wave obtained by reflecting the sample 7 is used. As a result, the optical measuring device 20B can measure the sample 7 as a pen-type optical measuring device, unlike the transmission-type optical measuring devices 20 and 20A. Thereby, for example, it can be used for a small device such as a medical endoscope.

〈第５実施形態〉
図１４は、第５実施形態に係る光学測定装置２０Ｃを示す図である。この光学測定装置２０Ｃは、反射型の光学測定装置の他の例である。光学測定装置２０Ｃは、図１３を用いて上述した第４実施形態に係る光学測定装置２０Ｂと比較して、光導波路２１の出射口２１３の角度が異なるとともに、ビームスプリッタ８の向きが異なり、さらに、参照波の方向を調整するミラー２４を備える点で異なる。なお、光学測定装置２０Ｃにおいても、参照波とサンプル７を反射して得られた物体波とをビームスプリッタ８により合成し、ＣＣＤカメラ９を介して電子計算機で記録する。 <Fifth Embodiment>
FIG. 14 is a diagram showing an optical measuring device 20C according to a fifth embodiment. This optical measuring device 20C is another example of a reflection type optical measuring device. The optical measuring device 20C has a different angle of the exit port 213 of the optical waveguide 21 and a different direction of the beam splitter 8 as compared with the optical measuring device 20B according to the fourth embodiment described above using FIG. The difference is that the mirror 24 for adjusting the direction of the reference wave is provided. Also in the optical measuring device 20C, the reference wave and the object wave obtained by reflecting the sample 7 are combined by the beam splitter 8 and recorded by a computer via the CCD camera 9.

具体的には、図１３の光学測定装置２０Ｂの光導波路２１は、物体波と参照波とが９０°で合波するよう物体波用の出射口２１３ａと参照波用の出射口２１３ｂとが形成されていた。これに対し、図１４の光学測定装置２０Ｃの光導波路２１において、物体波用の出射口２１３ａと参照波用の出射口２１３ｂは、各光を並行に出力する。したがって、光学測定装置２０Ｃでは、ミラー２４を用いて参照波がビームスプリッタ８に照射するように調整する。 Specifically, in the optical waveguide 21 of the optical measuring device 20B of FIG. 13, an exit port 213a for the object wave and an exit port 213b for the reference wave are formed so that the object wave and the reference wave merge at 90 °. It had been. On the other hand, in the optical waveguide 21 of the optical measuring device 20C of FIG. 14, the exit port 213a for the object wave and the exit port 213b for the reference wave output each light in parallel. Therefore, in the optical measuring device 20C, the mirror 24 is used to adjust so that the reference wave irradiates the beam splitter 8.

光学測定装置２０Ｃでは、光導波路２１から出力される物体波は、ビームスプリッタ８を透過してサンプル７で反射した後、ビームスプリッタ８でＣＣＤカメラ９の方向に反射する。また、光導波路２１からの参照波は、ミラー２４においてＣＣＤカメラ９の方向に反射し、ビームスプリッタ８を透過する。これにより、ビームスプリッタ８で物体波と参照波とが合成され、ＣＣＤカメラ９で記録される。 In the optical measuring device 20C, the object wave output from the optical waveguide 21 passes through the beam splitter 8 and is reflected by the sample 7, and then reflected by the beam splitter 8 in the direction of the CCD camera 9. Further, the reference wave from the optical waveguide 21 is reflected by the mirror 24 in the direction of the CCD camera 9 and passes through the beam splitter 8. As a result, the object wave and the reference wave are combined by the beam splitter 8 and recorded by the CCD camera 9.

上述したように、第５実施形態に係る光学測定装置２０Ｃは、光学測定装置２０と同様に、レーザ１と光導波路２１のみにより球面波を形成することが可能であり、容易に光学調整できるとともに、装置を小型化することができる。また、光学測定装置２０Ｃは、光学測定装置２０Ｂと同様にペン型タイプの光学測定装置としてサンプル７の測定をすることができる。これにより、光学測定装置２０Ｃも、医療用内視鏡等の小型な装置に利用することができる。 As described above, the optical measuring device 20C according to the fifth embodiment can form a spherical wave only by the laser 1 and the optical waveguide 21, and can be easily optically adjusted, as in the optical measuring device 20. , The device can be miniaturized. Further, the optical measuring device 20C can measure the sample 7 as a pen-type optical measuring device like the optical measuring device 20B. As a result, the optical measuring device 20C can also be used for a small device such as a medical endoscope.

〈第６実施形態〉
図１５は、第６実施形態に係る光学測定装置５０を示す図である。この光学測定装置５０は、第１実施形態に係る光導波路２１に波長合分波器４０を結合させた一例である。また、光学測定装置５０は、レーザ１と、ビームスプリッタ８と、電子計算機（図示せず）に接続されるＣＣＤカメラ９と、補正ガラス２３とを備える。なお、補正ガラス２３は無くても解像度やシステムとして十分な性能が得られる場合もある。 <Sixth Embodiment>
FIG. 15 is a diagram showing an optical measuring device 50 according to a sixth embodiment. The optical measuring device 50 is an example in which the wavelength duplexer 40 is coupled to the optical waveguide 21 according to the first embodiment. Further, the optical measuring device 50 includes a laser 1, a beam splitter 8, a CCD camera 9 connected to a computer (not shown), and a correction glass 23. In some cases, sufficient performance as a resolution and a system can be obtained without the correction glass 23.

波長合分波器４０は、入力部４１と分波器４２と合波器４４と出力部４５を備える。また、波長合分波器４０は、分波器４２と合波器４４の間に複数の光スイッチ４３（４３−１〜４３−ｎ）を備える。光スイッチ４３は、レーザ１から出力される光の波長毎に、それぞれ設けられている。たとえば、レーザ１から赤色、緑色、青色の光が出力される場合、３個の光スイッチを備える。また、光スイッチ４３は、一般的な光スイッチであって、第１の結合部４３ａ及び第２の結合部４３ｂが設けられ、２入力２出力の構成を有し、光信号の通過と遮断を切り替え可能に構成される。さらに、光スイッチ４３は、結合部４３ａ、４３ｂの間にＳＷ４３ｃが設けられている。ここで、光スイッチ４３が熱光学光スイッチの場合、ＳＷ４３ｃは、例えばヒータ等である。 The wavelength combiner / demultiplexer 40 includes an input unit 41, a demultiplexer 42, a demultiplexer 44, and an output unit 45. Further, the wavelength duplexer 40 includes a plurality of optical switches 43 (43-1 to 43-n) between the duplexer 42 and the duplexer 44. The optical switch 43 is provided for each wavelength of the light output from the laser 1. For example, when red, green, and blue light is output from the laser 1, three optical switches are provided. Further, the optical switch 43 is a general optical switch, which is provided with a first coupling portion 43a and a second coupling portion 43b, and has a configuration of two inputs and two outputs, and allows passage and blocking of optical signals. It is configured to be switchable. Further, the optical switch 43 is provided with a SW43c between the coupling portions 43a and 43b. Here, when the optical switch 43 is a thermo-optical optical switch, the SW43c is, for example, a heater or the like.

このような構成において、光源であるレーザ１から出力される光が波長多重光として分波器４２に入力されると、分波器４２で分波され、対応する波長の光が各光スイッチ４３−１、・・・４３−ｍ、４３−ｎに入射される。そして光学測定装置５０の使用者により入力された選択信号で選択された光スイッチ４３を伝搬した光のみが合波器４４に出力される。すなわち、選択された波長の光のみが合波器４４に出力される。 In such a configuration, when the light output from the laser 1 as a light source is input to the demultiplexer 42 as wavelength division multiplexing light, it is demultiplexed by the demultiplexer 42, and the light of the corresponding wavelength is demultiplexed by each optical switch 43. -1, ... 43-m, 43-n. Then, only the light propagating through the optical switch 43 selected by the selection signal input by the user of the optical measuring device 50 is output to the combiner 44. That is, only the light having the selected wavelength is output to the combiner 44.

例えば、光学測定装置では、測定に使用する光の波長の違いで観察できる深度が異なる。すなわち、同一のサンプルであっても、異なる複数の波長の光を利用して、測定が必要な場合もある。このような波長合分波器４０を光導波路２１に結合し、波長多重光を利用すると、選択した波長の光を測定に利用することができるので、測定対象物毎にそれに適した光学測定装置を用意する必要がない。したがって、利用者は、複数台の光学測定装置を容易する必要がなく、必要に応じて容易に波長を選択して測定することができる。 For example, in an optical measuring device, the observable depth differs depending on the wavelength of light used for measurement. That is, even if the same sample is used, it may be necessary to measure using light having a plurality of different wavelengths. When such a wavelength combiner / demultiplexer 40 is coupled to the optical waveguide 21 and wavelength division multiplexing light is used, light of a selected wavelength can be used for measurement. Therefore, an optical measuring device suitable for each measurement object. There is no need to prepare. Therefore, the user does not need to facilitate a plurality of optical measuring devices, and can easily select and measure a wavelength as needed.

このとき、レーザ１は、光スイッチ４３の数に応じた複数個のレーザを容易する必要があるが、仮に、白色レーザを利用する場合、レーザ１の数は１つでよい。すなわち、白色レーザから発光される光は複数の波長の光が含まれるため、分波器４２を利用し、白色レーザから発光された光から各光スイッチ４３に応じた波長の光を分波し、利用することができる。 At this time, the laser 1 needs to facilitate a plurality of lasers according to the number of optical switches 43, but if a white laser is used, the number of lasers 1 may be one. That is, since the light emitted from the white laser includes light having a plurality of wavelengths, the demultiplexer 42 is used to demultiplex the light having a wavelength corresponding to each optical switch 43 from the light emitted from the white laser. , Can be used.

ここで、異なる波長で再生する場合は、結像位置（伝搬距離）Ｚ及び横倍率Ｍの算出に、下記の式（１０）及び（１１）を利用する。ここで、記録波長をλ_1、再生波長をλ₂、再生光源位置、ｚｐ、参照光源位置ｚｒ、物体位置z_oとする。再生ではｚｐ＝∞であるため、第一項は０となる。
ここで異なる波長を利用する場合は記録波長が異なることになり、再生位置や倍率が変化するが、電子計算機による計算により問題なく再生できる。 Here, when reproducing at different wavelengths, the following equations (10) and (11) are used for calculating the image formation position (propagation distance) Z and the lateral magnification M. Here, the recording wavelength is λ _{1, the} reproduction wavelength is λ ₂ , the reproduction light source position, zp, the reference light source position zr, and the object position z _o . Since zp = ∞ in reproduction, the first term is 0.
If different wavelengths are used here, the recording wavelengths will be different, and the reproduction position and magnification will change, but reproduction can be performed without problems by calculation by a computer.

尚、上述した光導波路２１と波長合分波器４０は同一基板上に形成しても良い。同一基板上に両方の光デバイスを形成した場合は、別々に製造するよりも製造工程を簡略化することができ、製造コストも軽減することができる。また光導波路２１と波長合分波器４０の接続部分における光ロスを最小限に抑えることができる。 The above-mentioned optical waveguide 21 and the wavelength combiner / demultiplexer 40 may be formed on the same substrate. When both optical devices are formed on the same substrate, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced as compared with manufacturing separately. Further, the optical loss at the connection portion between the optical waveguide 21 and the wavelength combiner / demultiplexer 40 can be minimized.

上述したように、第６実施形態に係る光学測定装置５０は、光学測定装置２０と同様に、レーザ１と光導波路２１のみにより球面波を形成することが可能であり、装置を小型化することができる。また、１つのレーザ１のみで複数の波長の光を選択して利用することが可能であるため、複数のレーザ１を使用する場合や複数の光学測定装置を利用する場合と比較して装置を簡易化することが可能であるとともに、製造コストを低減することができる。また、複数の波長による測定を容易に切り替えることができるため、利用者にとって、測定の際の利便性が向上される。 As described above, in the optical measuring device 50 according to the sixth embodiment, similarly to the optical measuring device 20, it is possible to form a spherical wave only by the laser 1 and the optical waveguide 21, and the device can be miniaturized. Can be done. Further, since it is possible to select and use light having a plurality of wavelengths with only one laser 1, the apparatus can be compared with the case where a plurality of lasers 1 are used or a plurality of optical measuring devices are used. It can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. In addition, since the measurement with a plurality of wavelengths can be easily switched, the convenience of the measurement is improved for the user.

〈第７実施形態〉
続いて、第７実施形態に係る光学測定装置について説明する。図を用いた説明は省略するが、第７実施形態に係る光学測定装置は、第１乃至第６実施形態に係るいずれかの光学測定装置を複数配列し、各光学測定装置のＣＣＤカメラが１台の電子計算機と接続される、アレイ顕微鏡である。複数の光学測定装置の配列方法については、限定されないが、複数の光学測定装置を１列に配置してもよいし、複数列に配置してもよい。また、複数のレーザを利用してもよいし、１つのレーザのみを利用し、この１つのレーザから出力される光を各光導波路に出力してもよい。電子計算機では、各ＣＣＤカメラで取得された電気信号を利用して位相情報をそれぞれ演算し、複数の演算結果を合成する。これにより、第７実施形態に係る光学測定装置では、サンプル７の広範囲の観察領域を一回で測定することが可能になる。 <7th Embodiment>
Subsequently, the optical measuring device according to the seventh embodiment will be described. Although the description using the drawings is omitted, the optical measuring device according to the seventh embodiment has a plurality of optical measuring devices according to the first to sixth embodiments arranged, and the CCD camera of each optical measuring device is 1. An array microscope connected to a stand computer. The method of arranging the plurality of optical measuring devices is not limited, but the plurality of optical measuring devices may be arranged in one row or may be arranged in a plurality of rows. Further, a plurality of lasers may be used, or only one laser may be used, and the light output from this one laser may be output to each optical waveguide. In the electronic computer, the phase information is calculated by using the electric signal acquired by each CCD camera, and a plurality of calculation results are combined. As a result, the optical measuring apparatus according to the seventh embodiment can measure a wide observation area of the sample 7 at one time.

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明は、本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲と均等の範囲に決定されるものである。また、各実施形態の各構成を組み合わせてもよい。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the present invention is not limited to the embodiments described in the present specification. The scope of the present invention is determined to be equivalent to the description of the scope of claims and the scope of claims. Moreover, each configuration of each embodiment may be combined.

１０、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、３０、５０光学測定装置
１レーザ（光源）
２ミラー
３半波長板
４偏光ビームスプリッタ
５ピエゾ素子
６レンズ
７サンプル
８ビームスプリッタ（合成部）
９ＣＣＤカメラ（撮像素子）
１１電子計算機
１２物体面
１３撮像面
１４結像面
１５参照点
２１、３１光導波路
２１１分岐部
２１２ヒータ（変調器）
２３補正ガラス
２２１シリコン基板
２２２バッファ
２２３（２２３ａ、２２３ｂ）コア
２２４クラッド
２４ミラー
４０波長合分波器
４１入力部
４２分波器
４３光スイッチ
４４合波器
４５出力部
ｚ₀ 第１距離
ｚ_r 第２距離 10, 20, 20A, 20B, 20C, 30, 50 Optical measuring device 1 Laser (light source)
2 Mirror 3 Half-wave plate 4 Polarizing beam splitter 5 Piezo element 6 Lens 7 Sample 8 Beam splitter (synthesis unit)
9 CCD camera (image sensor)
11 Computer 12 Object surface 13 Imaging surface 14 Imaging surface 15 Reference point 21, 31 Optical fiber waveguide 211 Branch section 212 Heater (modulator)
23 Correction glass 221 Silicon substrate 222 Buffer 223 (223a, 223b) Core 224 Clad 24 Mirror 40 Wavelength duplexer 41 Input section 42 Demultiplexer 43 Optical switch 44 Demultiplexer 45 Output section z ₀ First distance z _r No. 2 distance

Claims

Light source and
Either an object wave that irradiates the object to be measured with the light emitted from the light source, a branch portion that branches into a reference wave for interfering with the object wave, or an object wave or a reference wave branched at the branch portion. An optical waveguide including a modulator that modulates one of the phases and a conversion unit that converts an object wave and a reference wave into a spherical object wave and a spherical reference wave and outputs them.
A synthesizer that synthesizes a spherical object wave that has passed through the object to be measured and a spherical reference wave,
An image sensor that receives the interference fringes of light synthesized by the synthesis unit as an electric signal and outputs it to a computer.
With
The optical waveguide is
An object wave core in which the object wave propagates between the branch portion and the conversion portion,
A reference wave core in which the reference wave propagates between the branch portion and the conversion portion and is provided at a position different from that of the object wave core.
With
The object wave core and the reference wave core form the same angle as the spherical object wave transmitted through the object to be measured and the spherical reference wave when they are combined, and are oriented in different directions. Is provided,
Optical measuring device.

A step of branching the light emitted by the light source into an object wave for irradiating the object to be measured and a reference wave for interfering with the object wave by a branch portion provided in the optical waveguide.
A step of modulating the phase of either a branched object wave or a reference wave by a modulator provided in the optical fiber wave.
A step of converting an object wave and a reference wave into a spherical object wave and a spherical reference wave by a conversion unit provided in the optical waveguide and outputting the object wave.
The synthesizing unit synthesizes the spherical object wave that has passed through the object to be measured and the spherical reference wave.
A step of receiving the interference fringes of light synthesized by the synthesis unit as an electric signal by the image sensor and outputting it to a computer.
Have,
The angle between the object wave and the reference wave branched by the branch portion is the same as the angle formed by the spherical object wave provided in the optical waveguide and transmitted through the object to be measured and the spherical reference wave when they are combined. An optical measurement method characterized in that object wave cores and reference wave cores provided along different directions are propagated, and each optical axis is output from the conversion unit in different directions. ..