JP6948084B2 - 光学測定装置 - Google Patents

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に関する。

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。

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。

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。

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。

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）。

特開２００７−７１５９３号公報

C. J. Mann, L. Yu, C-M. Lo, and M. K. 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). 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。

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。

上記目的を達成するために、本発明に係る光学測定装置は、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、前記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前記物体波又は前記参照波のいずれか一方の位相を変調する変調器と、前記物体波及び前記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、測定対象物から反射した前記球面物体波と、前記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、シリコン基板と、前記シリコン基板の表面に積層されたバッファと、前記バッファの表面に形成され、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、前記バッファの表面に積層され、前記物体波用コアとは異なる位置に設けられ、且つ前記分岐部と前記変換部との間で前記参照波が伝搬する参照波用コアと、前記バッファの表面に積層され、前記物体波用コア及び前記参照波用コアの側方及び上方を覆うクラッドと、を備える。前記物体波用コア及び前記参照波用コアの屈折率は、前記バッファ及び前記クラッドの屈折率よりも高い。前記物体波用コアと前記参照波用コアとが、前記測定対象物に入射する球面物体波と前記球面参照波とが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。前記変換部は、前記物体波及び前記参照波を前記光導波路から出射する出射口であり、平面視したときに、前記物体波用コアと前記参照波用コアとは前記変換部に近づくにしたがって互いに近づくように形成され、且つ前記光導波路は前記物体波用コア及び前記参照波用コアに平行になるように前記変換部に向かってテーパー形状を有する。

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。

原理実験装置である光学測定装置１０を示す図である。 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。 光学測定装置１０の記録と再生の座標系を示す図である。 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。 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。 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。 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。 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。 第１実施形態に係る光学測定装置２０を示す図である。 光学測定装置２０の光導波路２１の構造を示す図である。 第２実施形態に係る光学測定装置３０を示す図である。 第３実施形態に係る光学測定装置２０Ａを示す図である。 第４実施形態に係る光学測定装置２０Ｂを示す図である。 第５実施形態に係る光学測定装置２０Ｃを示す図である。 第６実施形態に係る光学測定装置５０を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

≪設計方法≫
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。

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）。

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。

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。

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。

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Ｉｎｔｅｌ Ｃｏｒｅ（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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、Ｓｉ_３Ｎ_４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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

＜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５
０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。

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。

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。

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。

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。

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λ_２、再生光源位置、ｚ_ｐ、参照光源位置ｚ_ｒ、物体位置z_Ｏとする。再生ではｚ_ｐ＝∞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。

なお、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。

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。

＜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。

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。

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）
９ ＣＣＤカメラ（撮像素子）
１０、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、３０、５０ 光学測定装置
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
２３ 補正ガラス
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
２１１ 分岐部
２１２ ヒータ（変調器）
２２１ シリコン基板
２２２ バッファ
２２３（２２３ａ、２２３ｂ） コア
２２４ クラッド
ｚ_０ 第１距離
ｚ_ｒ 第２距離

Claims (1)

1. 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、前記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前記物体波又は前記参照波のいずれか一方の位相を変調する変調器と、前記物体波及び前記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、
   測定対象物から反射した前記球面物体波と、前記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、
   前記光導波路は、
   シリコン基板と、
   前記シリコン基板の表面に積層されたバッファと、
   前記バッファの表面に形成され、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、
   前記バッファの表面に積層され、前記物体波用コアとは異なる位置に設けられ、且つ前記分岐部と前記変換部との間で前記参照波が伝搬する参照波用コアと、
   前記バッファの表面に積層され、前記物体波用コア及び前記参照波用コアの側方及び上方を覆うクラッドと、
   を備え、
   前記物体波用コア及び前記参照波用コアの屈折率は、前記バッファ及び前記クラッドの屈折率よりも高く、
   前記物体波用コアと前記参照波用コアとが、前記測定対象物に入射する球面物体波と前記球面参照波とが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、
   前記変換部は、前記物体波及び前記参照波を前記光導波路から出射する出射口であり、
   平面視したときに、前記物体波用コアと前記参照波用コアとは前記変換部に近づくにし
   たがって互いに近づくように形成され、且つ前記光導波路は前記物体波用コア及び前記参
   照波用コアに平行になるように前記変換部に向かってテーパー形状を有する、
   光学測定装置。

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