JP6953673B2 - 光測定装置および光軸調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、光測定装置および光軸調整方法に関する。

近年の技術の発展に伴い、光の干渉を用いた種々の光測定装置が開発されている。光の干渉を利用する干渉計を基盤にした装置は様々な種類のものがあり、用途に応じて使い分けられている。簡単な構成で、高精度の平面測定、球面測定を行う目的では、フィゾー干渉計やマッハ・ツェンダ干渉計が使われてきた。
干渉計の一例として、フィゾー干渉計を用いたレーザ干渉装置が特許文献１に開示されている。特許文献１の図１および図２を参照すると、レーザ干渉装置は、レーザ光をビームスプリッタおよびコリメータレンズを介して基準原器に照射すると共に被検体にも照射して、基準原器の参照面および被検体の被検面からの反射光をコリメータレンズおよびビームスプリッタを介して半透明のスクリーンに集光させる。スクリーンの背後には、光路上に光点結像用レンズと干渉縞結像用レンズとが入れ替え可能に配置されており、光点結像用レンズの焦点位置に固体撮像用デバイスが設けられている。光点結像用レンズを用いてスクリーン上の光点画像を撮像し、干渉縞結像用レンズを用いてスクリーンを通過する干渉縞を観察する。

また、眼底の検査等の分野で、光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）の技術が広く活用されている。ＯＣＴは、生体表皮１〜２ｍｍの深さの断層画像を約１０μｍの空間分解能で非侵襲的にイメージングできる技術である。ＯＣＴは、低コヒーレンス光を用いたマイケルソン干渉計を基本にしている。また、ＯＣＴは、生体組織に光を照射して組織内部から反射してくる直進光成分を選択的に検出し、これをもとにして２次元、３次元の断層イメージを構築する。

例えば、非特許文献１には、ＯＣＴの基本構成を示す概念図が記載されている。図１は、非特許文献１の図５．１を引用したものである。ＯＣＴの基本構成は、光源、参照光ミラー、ビームスプリッタおよび光検出器である。被測定物は、例えば、生体である。
光源は、近赤外域で、低コヒーレンス光を出射する。低コヒーレンス光は、時間的コヒーレンスが極めて低い光をいう。なお、光源は、例えば、スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ：Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）で構成される。
図１に示されるように、光源は、低コヒーレンス光をビームスプリッタへ向けて出射する。このときの低コヒーレンス光は、例えば、中心波長８５０ｎｍ、スペクトルの半値全幅２０ｎｍとする。

光源からの光は、ビームスプリッタで二分される。ビームスプリッタで二分された光の一方は、参照ミラーへ向かい、参照ミラーで反射された後に、参照光Ｅ_Ｒとしてビームスプリッタへ再び戻ってくる。ビームスプリッタで二分された光の他方は、測定光として、被測定物へ照射される。被測定物の表面および内部から無数の反射光（信号光）Ｅ_Ｓ（例として、反射光Ｅ_ＳＡ、Ｅ_ＳＢ）がビームスプリッタへ戻ってくる。ビームスプリッタに戻ってきた参照光Ｅ_Ｒと反射光Ｅ_Ｓの各々半分は、光路が一致し、光検出器の手前で互いに干渉する。
ここで、図１に示されるように、信号光の伝搬方向に沿って、被測定物の表面および内部の特定の反射面をＡ、Ｂとする。ビームスプリッタを基準に、被測定物内の反射面Ａと参照光ミラーの位置１が光学的に等距離であれば、参照光Ｅ_Ｒ１と反射光Ｅ_ＳＡの正弦波振動の時間帯が重なり、両者は干渉する。この結果、光検出器は、参照光Ｅ_Ｒ１と反射光Ｅ_ＳＡの干渉光を得る。次に、参照光Ｅ_Ｒ２と反射光Ｅ_ＳＢの干渉光を得るためには、参照光ミラーをビームスプリッタから離れる方向へ、反射点Ｂと等距離となる位置２まで移動させる。このように、光検出器が、参照光ミラーを連続的に移動させて干渉光を検出することにより、光軸方向の反射光強度分布を得ることができる。
以上のように、光の干渉を用いた光測定装置は種々あり、その目的に応じた形態をとり、様々な工夫がなされている。

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、光軸調整時に用いる光点結像用レンズと、干渉縞を観察する干渉縞結像用レンズとを、光路上で入れ替え可能に配置する必要があるため、構成が複雑になり、部品点数が多くなるという問題点があった。また、光軸調整と干渉縞の観察の間に、毎回、これらのレンズを入れ替える作業が伴うため、被検体を頻繁に代えて測定する場合に、迅速な測定を行うことができないという問題点もあった。
このような問題点を解決するための技術の一例が、特許文献２に開示されている。特許文献２の図１に示すように、構成を簡素化することができ、光軸調整後に迅速に干渉縞観察を行うことができる干渉計に関する技術が特許文献２に開示されている。特許文献２に開示された発明によれば、参照レンズの参照面と被検体の被検面との光軸が一致している場合には、干渉光束がハーフミラー面および絞り板の開口を透過して、集光光学系によって集光され、撮像部によって、干渉縞の像が撮像される。

一方、参照レンズの参照面と被検体の被検面との光軸が一致していない場合には、参照面で反射された参照光と、被検面で反射された測定光との光軸がずれるため、少なくとも一方の光は、絞り板の反射面に到達して、ハーフミラー面側に反射される成分が発生する。この反射面での反射光成分は、ハーフミラー面に到達して、一部が絞り板の開口を透過し、集光光学系によって集光される。集光光学系は、ハーフミラー面を介して、絞り板の反射面と撮像部の撮像面とを共役の関係にするように設けられているので、撮像部では、絞り板の反射面での反射光成分の像を撮像することができる。このため、撮像部を通して、絞り板の開口に対する参照光および測定光の位置ずれを観察することができる。したがって、集光光学系を交換することなく、撮像部で撮像された画像に基づいて光軸調整時の観察と干渉縞の観察とを行うことができる。

また、干渉計の画像表示のための装置構成を簡素化し、干渉縞計測の作業性を向上することができる画像処理装置および干渉計測定システムが、特許文献３に開示されている。
特許文献３の図１を参照すると、画像処理装置は、アライメント用画像を撮影するアライメントカメラと、干渉縞画像を撮影する干渉縞カメラとを接続し、これらから送信される画像データを伝送する接続端子部と、伝送された画像データのうち、アライメント用画像および干渉縞画像のいずれかを選択するカメラ切替スイッチと、選択された画像データによる画像を表示する表示部と、干渉縞画像の画像データを解析する画像処理部と、カメラ切替スイッチによって干渉縞画像の画像データが選択されたときに、画像処理部によって解析された解析結果を干渉縞画像とともに表示部に表示する装置制御部と、を有する。

実開平３−９７６０８号公報（第２０頁、第１図、第２図） 特開２００９−１９８２０５号公報（第１図） 特開２０１１−２１５０８４号公報（第１図）

次世代メディカル・レーザ応用技術調査専門委員会編、「バイオメディカルフォトニクス−生体医用光学の基礎と応用−」、社団法人電気学会、株式会社オーム社、２００９年４月３０日、ｐｐ．１２６−１２９

しかしながら、非特許文献１および特許文献１〜３に記載された光測定装置では、高い測定精度の維持が困難であった。その理由は、以下の通りである。
光学装置、特に空間系の光学装置においては、光学系の状態変化が大きく、長い期間にわたって光学部品の位置や光軸を維持し続けることは難しい。また、一度状態が変化した場合には、光学部品の位置や光軸を元に戻す調整に多くの時間を要する。これをもたらす要因は、光学機器や光学系を構成しているねじ等が、振動や重力によってゆるむことで位置や角度が変化することによる。それによって光源から出力される光の光軸や、その後の光路を構築する光学部品の状態や位置が当初と同じでなくなってしまう。
また、温度変化、環境や空調による風の影響から、空気の密度の違いによる屈折率の変化が発生し、系全体の状態も変化するため、微小な調整機構が備わっていることが望まれる。

例えば、特許文献２では、参照面反射光と被検面反射光とを重畳して干渉させて干渉光束を形成し、この干渉光束の干渉像を観察する干渉計が提案されているが、高い干渉度を維持するための具体的な方法は開示されていない。高い測定精度を維持することは困難である。また、特許文献３では、画像処理装置および干渉計測定システムについて、干渉計の画像表示のための装置構成が提案されているものの、光学部品や光軸の調整に関する具体的な方法は開示されていない。

本発明は上述したような技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、高い測定精度を維持することを可能にした光測定装置および光軸調整方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の光測定装置は、
被測定物に光を照射する光源と、
前記被測定物からの前記光による透過光または反射光を二分した光の一方である第１の光の位相を変化させる位相変化部と、
前記二分した光の他方である第２の光の位相を維持する位相固定部と、
前記位相変化部より出力される前記第１の光または前記位相固定部より出力される前記第２の光の進行方向を調整する調整機構と、
前記位相変化部および前記位相固定部それぞれから出力された前記第１および第２の光を干渉させる合波部と、
前記合波部によって干渉した光を検出する撮像素子と、
前記位相変化部の位相変化動作および前記調整機構の光進行方向の調整動作をそれぞれ制御する制御部と、を有する。
前記制御部は、前記位相変化部にて前記第１の光の位相を変化させて前記撮像素子に第１の干渉像を検出させ、該撮像素子から出力された前記第１の干渉像を示す画像内の３点の明部の輝度値に基づいて、前記調整機構にて前記第１または第２の光の進行方向を調整する。

また、本発明の光軸調整方法は、被測定物に光を照射する光源と、前記被測定物からの前記光による透過光または反射光を二分した光の一方である第１の光の位相を変化させる位相変化部と、前記二分した光の他方である第２の光の位相を維持する位相固定部と、前記位相変化部より出力される前記第１の光または前記位相固定部より出力される前記第２の光の進行方向を調整するための調整機構と、前記位相変化部および前記位相固定部それぞれから出力された前記第１および第２の光を干渉させる合波部と、前記合波部によって干渉した光を検出する撮像素子と、を有する光測定装置の光軸調整方法であって、
前記位相変化部にて前記第１の光の位相を変化させて前記撮像素子に第１の干渉像を検出させ、
前記撮像素子から出力された前記第１の干渉像を示す画像内の３点の明部の輝度値に基づいて、前記調整機構にて前記第１または第２の光の進行方向を調整する。

本発明によれば、高い測定精度を維持できる。

関連技術における光コヒーレンストモグラフィーの構成を示す図である。 第１の実施形態の光測定装置の一構成例を示すブロック図である。 第１の実施形態の光測定装置の光学系の一構成例を示す図である。 図３に示す情報処理装置の一構成例を示すブロック図である。 第１の実施形態の光測定装置の光学系について別の構成例を示す図である。 図３に示した光測定装置において光軸調整方法を説明するための図である。 第１の実施形態における光軸調整方法の手順を示すフローチャートである。 図７に示す手順のステップＳ１０２における干渉像の検出画像の一例を示す模式図である。 図７に示す手順のステップＳ１０５における干渉像の検出画像の一例を示す模式図である。 図７に示す手順のステップＳ１０７における干渉像の検出画像の一例を示す模式図である。 第３の実施形態の光測定装置の光学系の要部の構成例を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態の光測定装置の構成を説明する。図２は本実施形態の光測定装置の一構成例を示すブロック図である。
本実施形態の光測定装置は、重力波検出、光速度計測、スペクトル計測、基準長さの計測、および形状測定などに用いられる。ここでは、一例としてマイケルソン干渉計を適用した光測定装置の構成について説明する。
図２に示すように、光測定装置は、被測定物２１に光を照射する光源１１と、光源１１から出力された光による被測定物２１の透過光または反射光を分岐する分岐部３１と、分岐された光の一方に位相変化を与える位相変化部４１と、分岐された光の他方に位相変化を与えない位相固定部５１と、位相変化部４１から出力される光と位相固定部５１から出力される光とを干渉させる合波部６１と、合波部６１で干渉した光を検出する検出部７１と、検出部７１で検出された干渉像の輝度値または光の強度の情報を記録し、調整機構を制御して分岐された光の少なくとも一方の進行方向の調整を行う制御部８１とを有する。
図２において、光の進行方向を実線の矢印で示している。

光源１１には、例えば、０．７８μｍから２．５μｍ程度の近赤外光を出力可能な光源が用いられる。ただし、使用される光の波長領域は、近赤外光に限らず、紫外光（０．０１μｍ〜０．３８μｍ程度）、可視光（０．３８μｍ〜０．７８μｍ程度）、中赤外光（２．５μｍ〜２５μｍ程度）、または遠赤外光（２５μｍ〜１００μｍ程度）であってもよい。また、光源１１にレーザ光源を用いてもよい。
被測定物２１には、例えば液体や生体などが挙げられるが、光が透過や反射する物であれば、液体や生体に限らない。被測定物２１を透過または反射した光は、分岐部３１により二分される。

図３は本実施形態の光測定装置の光学系の一構成例を示す図である。なお、図２及び図３において、信号（又はデータ）の方向を一方向の矢印で示しているが、これは、信号（データ）の流れの方向を端的に示したものであり、双方向性を排除するものではない。
図３に示すように、被測定物２１の透過光または反射光の進行方向には、ビームスプリッタ３５が配置されている。本実施形態では、ビームスプリッタ３５が図２に示した分岐部３１および合波部６１の役目を果たす。
本実施形態のように、分岐部３１にビームスプリッタ３５を用いた場合、ビームスプリッタ３５で二分された光は別々の光路を進行する。一方の光路は位相変化を与える位相変化部４１に相当し、他方の光路は位相変化を与えない位相固定部５１に相当する。
位相変化部４１では、ビームスプリッタ３５で分岐された光の一方について、その光軸に対して４５度に傾けて配置されたミラー４２、４３が移動ステージ４５上に設けられている。位相固定部５１では、ビームスプリッタ３５で分岐された光の他方について、その光軸に対して４５度に傾けて配置されたミラー５２、５３がステージ５５上に設けられている。

ミラー５２、５３には、光軸に対してミラー５２、５３の向きを変えるための角度調整部１５２、１５３が設けられている。角度調整部１５２、１５３には、ミラー５２、５３を中心軸に沿って回転させるステッピングモータ（不図示）が設けられている。ミラー５２、５３の回転軸の一方が水平方向で、他方が垂直方向であることが望ましい。角度調整部１５２、１５３のそれぞれに設けられたステッピングモータ（不図示）とステッピングモータ４０３は信号線３０２を介して情報処理装置８３と接続されている。
角度調整部１５２、１５３は情報処理装置８３から受信する制御信号にしたがってステッピングモータ（不図示）を駆動させることで、ミラー５２、５３の角度を調整する。この角度の調整によって、ミラー５３で反射される光の進行方向を調整する。角度調整部１５２、１５３は光の進行方向を調整するための調整機構である。調整機構は、干渉像を得る際に光軸の調整を行うためのものであり、ミラー５２、５３の向きを調整することで任意の方向の光軸を作り出すことが可能である。

移動ステージ４５には移動機構４６が設けられている。移動機構４６は、移動ステージ４５を保持する移動ガイド４０１と、移動ガイド４０１を貫通するねじ軸４０２と、ねじ軸４０２を回転させるステッピングモータ４０３とを有する。
移動機構４６では、ステッピングモータ４０３が情報処理装置８３から受信する制御信号にしたがって回転し、その回転に応じて移動ガイド４０１が水平方向（図３の左右方向）に移動する。これにより、位相変化部４１を経由した光と位相固定部５１を経由した光とが合波部６１で干渉する際、これら光の位相が異なるように調整することが可能となる。
位相変化部４１では、ビームスプリッタ３５から入射した光をミラー４２、４３からなるミラー群により折り返す。ミラー群からの反射光は、ビームスプリッタ３５に向かう。移動機構４６によって移動ステージ４５が移動すると、ミラー群の光軸方向に対する位置が変化する。ミラー群の位置が変化することによって位相変化部４１の光路の長さが変化し、その結果、位相変化部４１の光を位相固定部５１からの光と合波部６１で合波させたときに位相差が生じることになる。

合波部６１は、位相変化部４１と位相固定部５１からの光を合波する。これにより、位相変化部４１からの光と位相固定部５１からの光が干渉する。
図３に示した構成によれば、被測定物２１からの光は、ビームスプリッタ３５で二分され、二分した光はそれぞれ折り返されて、ビームスプリッタ３５に戻る。この場合、分岐部３１と合波部６１は同一の構成となる。
検出部７１は、干渉像を検出するための撮像素子（不図示）を有する。合波部６１で合波され、干渉した光は検出部７１において検出される。図３に示すように、検出部７１は、図２に示した制御部８１を含む情報処理装置８３と信号線３０１を介して接続されている。検出部７１によって２次元で撮像された干渉像の輝度値の情報は、信号線３０１を介して制御部８１に送信される。

図４は図３に示した情報処理装置の一構成例を示すブロック図である。なお、図４において、信号（又はデータ）の方向を一方向の矢印で示しているが、これは、信号（データ）の流れの方向を端的に示したものであり、双方向性を排除するものではない。
情報処理装置８３は、例えば、パーソナルコンピュータである。図４に示すように、情報処理装置８３は、記憶部８４および演算部８５を含む制御部８１を有する。記憶部８４は、例えば、フラッシュメモリおよびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の半導体メモリである。演算部８５は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。記憶部８４は、本実施形態の光軸調整方法に関するプログラムおよび判定に用いられる閾値の情報を予め記憶する。また、記憶部８４には、検出部７１で検出される干渉像の輝度値等の情報が記録される。演算部８５は記憶部８４が記憶するプログラムにしたがって処理を実行する。制御部８１による処理の詳細は後述する。
図４に示していないが、操作者が干渉像を観察できるように干渉像を表示する表示部、および操作者が指示を入力するための操作部が情報処理装置８３に設けられていてもよい。

なお、本実施形態では、図３に示すように、光源１１から出力される光が被測定物２１を透過する透過光を測定する場合で説明するが、光源１１を破線に示す位置に設け、被測定物２１の反射光を測定してもよい。
また、本実施形態では、調整機構が位相固定部５１に設けられている場合で説明するが、調整機構が位相変化部４１に設けられていてもよく、位相固定部５１および位相変化部４１の両方に設けられていてもよい。調整機構を位相変化部４１ではなく、位相固定部５１側に設けた方が、位相が変化しないので光軸調整が複雑になることを抑制できるという利点がある。また、調整機構および移動機構４６は図３に示した構成に限らない。
また、本実施形態では、位相変化部４１の光路に２つのミラーを用いる場合で説明するが、２つのミラーの代わりにコーナーキューブミラーまたはコーナーキューブプリズムを用いてもよい。図５は本実施形態の光測定装置の光学系について別の構成例を示す図である。図５に示す構成では、図３に示したミラー４２、４３の代わりに、コーナーキューブミラー４７が移動ステージ４５の上に設けられている。コーナーキューブミラーまたはコーナーキューブプリズムを用いれば、分岐部３１からの光の進行方向に対して正反対の方向に確実に光を戻すことができる。なお、図５において、信号（又はデータ）の方向を一方向の矢印で示しているが、これは、信号（データ）の流れの方向を端的に示したものであり、双方向性を排除するものではない。
また、本実施形態では、分岐部３１としてビームスプリッタ３５が用いられているが、用途によっては必ずしも光量を二分割してなくてもよい。

次に、本実施形態の光測定装置による光軸調整方法を説明する。
図６は図３に示した光測定装置において光軸調整方法を説明するための図である。図７は本実施形態における光軸調整方法の手順を示すフローチャートである。図８〜図１０は図７に示す手順における干渉像計測時の検出画像の例を示す模式図である。なお、図６において、信号（又はデータ）の方向を一方向の矢印で示しているが、これは、信号（データ）の流れの方向を端的に示したものであり、双方向性を排除するものではない。
本実施形態の光軸調整方法は、検出部７１で検出される干渉像の輝度値に基づいて、調整機構を制御して、位相固定部５１における光の進行方向を調整するものである。
まず、移動ステージ４５の位置について、位相変化部４１の光路と位相固定部５１の光路の長さが同等となる位置を初期位置とする。制御部８１は、初期位置から検出部７１がはじめて干渉像を検出する位置である基準位置まで、移動ステージ４５を移動させて、位相変化部４１の光路の長さを調整する。この移動ステージ４５の基準位置における干渉像を制御部８１が観察し、干渉像の輝度値を記録する（ステップＳ１０１）。この基準位置における干渉像が第１の干渉像に相当する。

次に、図８の干渉像の検出画像の例に示すように、制御部８１は、干渉像の輝度値が最大になる第１の明部２１１を識別し、この第１の明部２１１を基準として一定の距離離れた第２の明部２２１、第３の明部２３１を決定する（ステップＳ１０２）。この第２の明部２２１と第３の明部２３１は、干渉像面内の均一性を確保する目的で抽出する点なので、第１の明部２１１を中心として、干渉像面内で可能な限り遠い距離の２点であることが望ましい。
制御部８１は、第１の明部２１１から一定の距離離れた第１の暗部２４１を決定し、第１の明部２１１と第１の暗部２４１の輝度値の差（この値をＤ１とする）を記録する。制御部８１は、値Ｄ１を後述の判定の基準となる値に決定する（ステップＳ１０３）。このとき、第１の明部２１１と第１の暗部２４１の距離は遠いほどよい。
続いて、制御部８１は、第１の明部２１１、第２の明部２２１、第３の明部２３１の輝度値の差が最小になるように位相固定部５１の光の進行方向を調整するために、ミラー５２、５３の角度を微調整する（ステップＳ１０４）。このとき、制御部８１は、ミラー５２、５３の回転方向と回転角の情報を含む調整情報と、その調整に伴う第１の明部２１１、第２の明部２２１および第３の明部２３１の輝度値の変化を記録する。制御部８１は、記録した調整情報および輝度値に基づいて、ミラー５２、５３の角度の調整方向に対する、第１の明部２１１、第２の明部２２１および第３の明部２３１の輝度値の変化の傾向を演算により求める。そして、制御部８１は、第１の明部２１１と第２の明部２２１の輝度値の差と、第１の明部２１１と第３の明部２３１の輝度値の差が同程度に等しくなるまで、ミラー５２、５３の角度を調整する。

ステップＳ１０２と同様に、図９の干渉像の検出画像の例に示すように、制御部８１は、干渉像の輝度値が最大になる第４の明部２５１と輝度値が最小になる第２の暗部２６１を識別する（ステップＳ１０５）。
図９に示す干渉像において、第４の明部２５１と第２の暗部２６１の輝度値の差（この値をＤ２とする）が最大になるように、制御部８１は、ミラー５２、５３の角度を調整することで位相固定部５１の光の進行方向を調整し、調整情報と共に第４の明部２５１と第２の暗部２６１の輝度値の差の変化を記録する。続いて、制御部８１は、記録した調整情報と輝度値の情報に基づいて、位相固定部５１の光の進行方向の調整に対する、第４の明部２５１と第２の暗部２６１の差の変化の傾向を演算により求め、この差が最大になるまで、位相固定部５１の光の進行方向を調整する（ステップＳ１０６）。
その後、制御部８１は、干渉像の明暗の縞が少なくとも１回以上反転するまで移動ステージ４５を微動させる。干渉像の明暗の縞が少なくとも１回以上反転したときの移動ステージ４５の位置を第１の変位位置とする。この位置において、制御部８１は検出部７１で検出された干渉像を観察し、干渉像の輝度値を記録する（ステップＳ１０７）。この第１の変位位置における干渉像は第２の干渉像に相当する。

さらに、図１０の干渉像の検出画像の例に示すように、制御部８１は、第１の変位位置において、干渉像の輝度値が最大になる第５の明部２７１と輝度値が最小になる第３の暗部２８１を画像解析により識別し、第５の明部２７１と第３の暗部２８１の輝度値の差（この値をＤ３とする）を記録する（ステップＳ１０８）。
ここで、制御部８１は、第４の明部２５１と第２の暗部２６１の輝度値の差Ｄ２と、第５の明部２７１と第３の暗部２８１の輝度値の差Ｄ３との差分（この値をＤ４とする）が予め設定された閾値より、大きいか小さいかを判定する（ステップＳ１０９）。閾値は、判定の基準値とした値Ｄ１よりも少なくとも小さい必要がある。
制御部８１は、上述の閾値よりも値Ｄ４が小さい場合、光軸の調整を終了し、値Ｄ４が閾値以上である場合、再びステップＳ１０４に戻って、光軸調整を繰り返す。

なお、図７に示した手順で光軸調整を行うのが望ましいが、第１の干渉像における第１の明部２１１、第２の明部２２１および第３の明部２３１の輝度値と、第２の干渉像における第５の明部２７１の輝度値に基づいて、位相固定部５１における光の進行方向を調整してもよい。第１の明部２１１、第２の明部２２１および第３の明部２３１間の輝度値からはミラー５２、５３の角度のずれ（光の進行方向のずれ）が予測できる。また、第１の干渉像における明部の輝度値と第２の干渉像における明部の輝度値のずれから、移動ステージ４５の移動方向のずれが予測できる。
また、ステップＳ１０４における、第１の明部２１１、第２の明部２２１、第３の明部２３１の輝度値の差が最小になるように光軸調整するだけでも、光軸調整に関して一定の効果を得ることができる。

本実施形態では、被測定物の透過光または反射光が分岐し、分岐した光の一方の位相が位相固定部において維持され、他方の光の位相が位相変化部において変化し、これらの光が合波部により干渉されることで干渉像が検出部で検出され、位相固定部または位相変化部には光の進行方向（光軸）を調整するための調整機構が設けられている。制御部が干渉像の輝度値に基づいて、光軸が正常な方向になるように調整機構を制御することで、光軸が調整され、より明暗度の高い干渉像を取得できる。
本実施形態の光測定装置では、明瞭な干渉像を得ることができるため、高い測定精度を維持できる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態による光測定装置は、第1の実施形態のものと基本的に同じ構成であるが、位相変化部４１を経由する光の位相を連続的に変化させてスペクトル計測を行う点が第１の実施形態と異なる。
本実施形態の光測定装置の構成および動作を説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる構成について詳しく説明し、第１の実施形態と同様な構成についての詳細な説明を省略する。

本実施形態の光測定装置においても、図７に示した手順で光軸調整が行われる。この光軸調整方法によれば、移動ステージ４５を第１の変位位置に移動させたときの第２の干渉像が移動ステージ４５を基準位置に移動させたときの第１の干渉像と同等になるように光軸が調整される。このような光軸調整が行われた光測定装置においては、基準位置から第１の変位位置への変位よりも大きく移動ステージ４５を移動させた場合でも、第１の干渉像と同等の干渉像を維持することができる。
本実施形態の光測定装置では、分岐部３１、位相変化部４１、位相固定部５１および合波部６１によりマイケルソン干渉計が構成される。光源１１には、例えば、中赤外光を出力可能な光源が用いられる。ただし、使用される光の波長領域は、中赤外光に限らず、紫外光、可視光、近赤外光、または遠赤外光であってもよい。また、光源１１にレーザ光源を用いてもよい。

本実施形態の光測定装置では、光軸調整が行われた後に、移動ステージ４５を連続的に移動させて位相変化部４１の光の位相を連続的に変化させることで、フーリエ変換赤外分光法を適用したスペクトル計測を行う。
具体的には、制御部８１が、移動ステージ４５を連続的に移動させるとともに、検出部７１によって２次元の画像として撮像された干渉像の画素毎の輝度値を、移動ステージ４５の移動量（位相変化部４１の移動量）と対応付けてデータとして連続的に記録する。ここで、「連続的に記録する」とは、予め決められた多数の離散的な位置に移動ステージ４５を順次停止させ、移動量と各画素の輝度値とを含むデータを位置毎に記録することを意味する。制御部８１は、記録したデータを画素毎にフーリエ変換することで、画素毎のスペクトルの情報を取得する。これにより、検出部７１の撮像素子で検出された２次元画像のデータについて、面内のスペクトルの情報を取得できる。
本実施形態の光測定装置によれば、明瞭な干渉像を得ることができるため、高い測定精度の面内スペクトル情報を取得することができる。
なお、本実施形態の光測定装置は、スペクトル計測だけでなく、背景技術で述べたＯＣＴにも適用することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態は、分岐部３１、位相変化部４１、位相固定部５１および合波部６１が第１の実施形態で説明した光測定装置とは異なる構成である。
本実施形態の光測定装置の構成を説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態で説明した光測定装置と異なる構成について詳しく説明し、第１の実施形態と同様な構成についての詳細な説明を省略する。
図１１は本実施形態の光測定装置の要部の構成例を示す図である。
図１１に示すように、本実施形態では、分岐部３１にレンズ３３を用い、合波部６１にレンズ６３を用いている。被測定物２１からの透過光または反射光はレンズ３３を通過する。レンズ３３は、被測定物２１からの透過光または反射光を平行光束として射出する。レンズ３３を通過した光を二分し、一方の光が位相変化部４８を進行し、他方の光が位相固定部５８を進行する。位相変化部４８および位相固定部５８を進行する光のそれぞれをミラーで反射させ、位相変化部４１側のミラーは移動ステージにより移動可能に構成されている。位相変化部４８および位相固定部５８それぞれを進行する光の光量は、レンズ３３を通過した光の光量の半分であることが望ましい。第１の実施形態と同様、位相変化部４８および位相固定部５８の少なくとも一方には、光の進行方向を調整する調整機構が設けられている。

レンズ６３が位相変化部４８からの光と位相固定部５８からの光を検出部７１に集光することで、位相変化部４８からの光と位相固定部５８からの光が干渉し、検出部７１は、その干渉した光を検出する。検出部７１によって２次元で撮像された干渉像の輝度値の情報は、信号線３０１を介して制御部８１に送信される。

なお、検出部７１および制御部８１の構成は第１の実施形態で説明した構成と同様であり、光源１１は第２の実施形態で説明した構成と同様なため、これらの詳細な説明を省略する。また、本実施形態の光測定装置による光軸調整方法は、図７に示すフローチャートを参照して説明した手順と同様になるため、その詳細な説明を省略する。
本実施形態の光測定装置において、第１の実施形態と同様に、明瞭な干渉像を得ることができ、高い測定精度を維持できる。

なお、二分した光をミラーで反射させて別々の光路へ進行させているが、二分した光路を使用することは必須の要件ではない。例えば、図１１に示した構成において、レンズ３３からの平行光束の一部が位相変化部４８を進行し、残りの部分が位相固定部５８を進行する。位相変化部４８として、例えば、光の位相を変調する光変調部を備えた空間光変調器を用いる。光変調部は、電気光学結晶（強誘電体結晶等）または液晶よりなり、制御部８１は、光変調部の屈折率を変化させることで、位相変化部４８を進行する光の位相を変化させることができる。この場合、ミラーや移動ステージを用いることなく、位相差を連続的に変化させることが可能である。ただし、この場合も、位相変化部４８および位相固定部５８の少なくとも一方には、光の進行方向を調整する調整機構が設けられている。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態は、第１の実施形態で説明した光測定装置において、干渉像の時間的変化にも対処可能にしたものである。
本実施形態の光測定装置の構成は、第１の実施形態で説明した光測定装置と同様なためその詳細な説明を省略する。本実施形態では、第１の実施形態と異なる構成および動作について詳しく説明する。
本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、分岐部３１、位相変化部４１、位相固定部５１および合波部６１によりマイケルソン干渉計が構成される。第２の実施形態と同様、本実施形態においても、位相変化部４１の移動ステージ４５の位置を連続的に変化させて位相変化部４１の光の位相を連続的に変化させることで、フーリエ変換赤外分光法の適用が可能である。

本実施形態では、図７に示した手順で光軸の調整を行った後、一定の時間経過後に再度、光軸の調整を行う。以下に、その理由と方法を具体的に説明する。
背景技術の課題の欄で説明したように、光学機器や光学系を構成しているねじ等が、振動や重力によってゆるむことで位置や角度の変化が発生する。そのため、光源から出力される光の光軸や、その後の光路を構築する光学部品の状態や位置が調整直後の状態と同じでなくなってしまう。特に、空間系の光学装置においては、光学系の状態変化が大きく、長い期間にわたって光学部品の位置や光軸を維持し続けることは難しい。また、温度変化、環境や空調による風の影響から、空気の密度の違いによる屈折率の変化が発生し、系全体の状態も変化する。そのため、一定の時間経過後に再度干渉像を観察して、光学系の状態を確認し続けることが望ましい。よって、光測定装置に対して、図７に示した処理を定期的に実行させることが望ましい。その方法の一例を具体的に説明する。
制御部８１は、図７のステップＳ１０４における、第１の明部２１１、第２の明部２２１および第３の明部２３１の輝度値の記録と、ステップＳ１０８における、第５の明部２７１と第３の暗部２８１の輝度値の記録を、任意の時間間隔で行う。これら５つの輝度値の記録のための時間間隔は、光測定装置が置かれている環境と、求められる測定精度等によって勘案され、決定される。

第１の明部２１１、第２の明部２２１および第３の明部２３１の輝度値の変動からはミラー５２、５３の角度の変化（光の進行方向のずれ）の傾向が導きだせる。また、第５の明部２７１と第３の暗部２８１の輝度値の変動からは移動ステージ４５の移動方向の変化の傾向が導きだせる。一定の周期で図７に示した処理を実行することで、光学系を正常な状態で維持することができ、その結果、高い測定精度を維持することができる。
本実施形態の光測定装置では、長期間に渡って明瞭な干渉像を得ることができ、高い測定精度を維持できる。

なお、上述の第１〜第４の実施形態の光軸調整方法では、被測定物２１からの透過光または反射光を用いた場合で説明したが、被測定物２１がない状態で、光源１１から出力される光を分岐部３１に直接に入力し、予め光軸調整を行ってもよい。図３に示した光学系で説明すると、実線で示す光源１１から出力される光を直接にビームスプリッタ３５に入力して図７に示した手順を実行する。図３に示した光学系において、被測定物２１の位置にミラーを置き、破線で示す光源１１から出力された光をミラーで反射させてビームスプリッタ３５に入力し、図７に示した手順を実行してもよい。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１６年８月１８日に出願された日本出願特願２０１６−１６０５１６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１１ 光源
２１ 被測定物
３１ 分岐部
４１ 位相変化部
５１ 位相固定部
６１ 合波部
７１ 検出部
８１ 制御部

Claims (10)

1. 被測定物に光を照射する光源と、
   前記被測定物からの前記光による透過光または反射光を二分した光の一方である第１の光の位相を変化させる位相変化部と、
   前記二分した光の他方である第２の光の位相を維持する位相固定部と、
   前記位相変化部より出力される前記第１の光または前記位相固定部より出力される前記第２の光の進行方向を調整する調整機構と、
   前記位相変化部および前記位相固定部それぞれから出力された前記第１および第２の光を干渉させる合波部と、
   前記合波部によって干渉した光を検出する撮像素子と、
   前記位相変化部の位相変化動作および前記調整機構の光進行方向の調整動作をそれぞれ制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記位相変化部にて前記第１の光の位相を変化させて前記撮像素子に第１の干渉像を検出させ、該撮像素子から出力された前記第１の干渉像を示す画像内の３点の明部の輝度値に基づいて、前記調整機構にて前記第１または第２の光の進行方向を調整する、光測定装置。
2. 請求項１に記載の光測定装置において、
   前記制御部は、前記位相変化部にて前記第１の光の位相を変化させて前記撮像素子に前記第１の干渉像とは別の干渉像である第２の干渉像を検出させ、該撮像素子から出力された前記第２の干渉像を示す画像において、輝度値が最大となる明部と最小となる暗部を識別し、該明部および該暗部の輝度値に基づいて前記進行方向を調整する、光測定装置。
3. 請求項２に記載の光測定装置において、
   前記制御部は、前記第１の干渉像内の３点の明部の輝度値と、前記第２の干渉像における明部の輝度値とに基づいて前記進行方向を調整する、光測定装置。
4. 請求項２または３に記載の光測定装置において、
   前記制御部は、一定の周期で、前記第１の干渉像を示す画像内の３点の明部の輝度値と、前記第２の干渉像を示す画像における輝度値が最大となる明部と最小となる暗部それぞれの輝度値を記録し、記録した輝度値に基づいて前記進行方向を調整する、光測定装置。
5. 請求項２から４のいずれか１項に記載の光測定装置において、
   前記被測定物からの前記透過光または反射光を分岐する分岐部を備え、前記分岐部で分岐された一方の光が前記第１の光であり、前記分岐部で分岐された他方の光が前記第２の光である、光測定装置。
6. 請求項５に記載の光測定装置において、
   前記制御部は、前記光源から出力された光が前記被測定物を介さずに前記分岐部に入力される状態における前記第１の干渉像を示す画像内の３点の明部の輝度値に基づいて、前記進行方向を予め調整する、光測定装置。
7. 請求項５または６に記載の光測定装置において、
   前記分岐部、前記位相変化部、前記位相固定部および前記合波部によりマイケルソン干渉計型測定装置が構成される、光測定装置。
8. 請求項２から４のいずれか１項に記載の光測定装置において、
   前記被測定物からの前記透過光または反射光を平行光束に変換する第１のレンズを備え、
   前記第１のレンズからの前記平行光束が前記第１および第２の光に二分され、
   前記合波部は、前記第１および第２の光を前記撮像素子上に集光する第２のレンズよりなる、光測定装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の光測定装置において、
   前記制御部は、前記第１の光の位相を連続的に変化させながら、該位相の変化に対応して前記撮像素子により撮像された干渉像の画素毎の輝度値を取得し、前記干渉像の画素毎の輝度値のデータをフーリエ変換してスペクトルを求める、光測定装置。
10. 被測定物に光を照射する光源と、前記被測定物からの前記光による透過光または反射光を二分した光の一方である第１の光の位相を変化させる位相変化部と、前記二分した光の他方である第２の光の位相を維持する位相固定部と、前記位相変化部より出力される前記第１の光または前記位相固定部より出力される前記第２の光の進行方向を調整するための調整機構と、前記位相変化部および前記位相固定部それぞれから出力された前記第１および第２の光を干渉させる合波部と、前記合波部によって干渉した光を検出する撮像素子とを有する光測定装置の光軸調整方法であって、
    前記位相変化部にて前記第１の光の位相を変化させて前記撮像素子に第１の干渉像を検出させ、
    前記撮像素子から出力された前記第１の干渉像を示す画像内の３点の明部の輝度値に基づいて、前記調整機構にて前記第１または第２の光の進行方向を調整する、光軸調整方法。

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