JP7090334B2 - 光学的距離計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光の照射により測定対象物の表面状態のプロファイルの計測、細胞等の表面状態および内部状態の計測や観察を極めて高い分解能で実現させるだけでなく、屈折率差分布から測定対象物の化学的組成を類推可能な光学的距離計測装置に関し、顕微鏡等の光学機器の分解能を向上させるとともに、測定した光学的距離を厚みと屈折率差に分離する装置に好適なものである。

従来の光学的顕微鏡では、３次元の計測が困難であることに加え、回折限界以下の測定対象物を観測したり計測したりすることが出来なかった。これに代わるものとして、走査型電子顕微鏡やプローブ顕微鏡（STM,AFM,NFOS等）、共焦点顕微鏡等の装置が開発され、多くの分野で使われている。

この走査型電子顕微鏡は、走査電子プローブとしてきわめて細いビームを用いているので、分解能が高く、焦点深度が光学顕微鏡に比べて著しく大きい。しかしながら、細胞のように導電性の低い測定対象物の観測には、測定対象物である試料に導電性のよい白金パラジウムや金をコートする必要性がある。このため、細胞自体の破損を伴うことが多く、当然のことながら生きたままの細胞を観測、計測することは、不可能であった。

また、プローブ顕微鏡は、測定対象物に対して近接して配置されたプローブをさらに接近させ、原子間力やトンネル電流、光近接場等を利用して、測定対象物との距離を計測するものである。しかしながら、プローブを高速に移動させることは困難であり、かつ、測定対象物との距離が非常に近いので取り扱いが難しく、さらに２次元的な情報を取得するまでに時間が膨大に必要であった。

一方、共焦点顕微鏡は、測定対象物にスポット光を照射しそのスポットに対してピンホールを介して共焦点位置に配置した受光素子にて受光した光量が最大になるように対物レンズ、または測定対象物を動かすことにより、測定対象物の高さ情報や行路差情報を取得するものである。ところが、共焦点顕微鏡では、基本的にスポット内に位相分布があるとビームが変形し誤情報となる。特に測定対象物が細胞等の屈折率変化など波面が位相的に変化するようなものに対しては、その値の信頼性は乏しいと言わざるを得ない。また、受光した光量が最大になるように対物レンズや測定対象物を動かす必要性があるので、リアルタイム性に欠けていた。

これらの事情に対して、生物学、医学、農学において、細胞のように厚みを持った生体試料の３次元プロファイル情報を生きた状態でリアルタイムに取得したいという要求が高まっている。

この一方、顕微鏡を用いて、距離や厚みを高精度に測定したり、微少なものを高精度に測定したり観察したりする手段の一つとしては、へテロダイン干渉法がよく知られている。ここでは、光を用いた光ヘテロダイン法について述べるが、他の電磁波においても同様な考え方で実施されている。この光ヘテロダイン法は、周波数の異なる２つのレーザー光を干渉させて、その差の周波数のビート信号を作成し、このビート信号の位相変化を波長の1/500程度の分解能で検出するものである。つまり、この光ヘテロダイン法によれば、３次元的な情報である表面の高さ方向の変化を計測しつつ測定対象物までの距離を測定したり、被測定物自体の厚み等を測定や観察したりできる。

特開昭５９－２１４７０６号公報 特開２０１７－１１６９２５号公報

上記した特許文献１の特開昭５９－２１４７０６号公報には、音響光学素子を用いて異なる波長からなる２つのビームを隣接して発生させ、これら２ビーム間の位相変化を検出し、その位相変化を累積して表面プロファイルを得る方法が開示されている。ただし、この特許文献１は、２つのビームプロファイル内の平均的な位相差をヘテロダイン検波で検出して、順次積分することにより、単に凹凸情報を得るものであった。
また、特許文献２の特開２０１７－１１６９２５号公報には、ビームを走査することで、空間周波数を取得して測定対象物の有する空間周波数情報を再現して分解能を高める技術が開示されている。

さらに、特許文献１によれば、半導体ウェハーのようなフラットであることが前提となるような測定対象物に対して、その凸凹情報を計測することは出来たが、ビームプロファイル内の情報を引き出すことはできず、細胞等の測定対象物内の化学的組成を類推することはできなかった。また、特許文献２によっても、測定対象物の分解能を高めることはできるものの、同様に測定対象物内の化学的組成を類推することができなかった。

以上より、従来の顕微鏡等の技術では、面内であるビームプロファイル内の分解能を高めるだけでなく、細胞等の厚みを持った生体試料を破損することなく生きた状態のままで観測、計測することで、細胞等の内部の化学的組成を類推することができなかった。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、細胞等の透明な測定対象物に関する光学的距離を基にして、測定対象物の厚みおよび、周りの媒質の屈折率と測定対象物の屈折率との間の屈折率差分布を簡易に表示し、屈折率差分布から測定対象物の化学的組成を類推可能な光学的距離計測装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る光学的距離計測装置は、コヒーレントな照射光を照射する光源と、
光源からの照射光を走査させて測定対象物に送る走査素子と、
測定対象物との距離を変更可能とされつつ、走査素子からの照射光を測定対象物に直接送る対物レンズと、
走査に伴い測定対象物を経由して変調された照射光を受光して光電変換する少なくとも２つの受光素子と、
対物レンズから測定対象物までの距離を等間隔で変更することで、該受光素子で光電変換された信号から測定対象物の複数の位相情報を得ると共に、複数の位相情報のうちの隣り合う位相情報の値間の変化の最大となる箇所における位相情報から、測定対象物の厚み情報の値を得るのに伴い既知の媒体との間の屈折率差の値を得る計測部と、
を含む。

請求項１に係る光学的距離計測装置の作用を以下に説明する。
本発明においては、コヒーレントな照射光が光源から照射されると共に、対物レンズにより回折限界付近まで絞られたこの照明光が測定対象物に送られるが、この際、走査素子により照明光が測定対象物に対して走査される。これに伴い、光軸を境界とした両方にそれぞれ一つの合計２つ配置した受光素子により、測定対象物を経由して測定対象物により更に変調された照射光を受光して光電変換することで、これら少なくとも２つの受光素子が和信号を取得すると共に差信号で位相である光学的距離を取得する。

そして、対物レンズから測定対象物までの距離を等間隔で変更するのに伴い、受光素子で光電変換された信号によって、計測部で測定対象物の複数の位相情報が得られる。これに合わせてこれら複数の位相情報間の変化の最大となる箇所における位相情報が得られるようになる。

従って、本発明によれば、特別な変調素子を用いて光源からの照射光を変調したり、或いは一つの照射光を音響光学素子により２つの周波数の光に分離したりすることなく、測定対象物の像を得るための走査素子による照射光の走査によって、照射光を変調可能となった。つまり、特別な装置や素子を用いること無く、測定対象物にこの照射光を照射することで簡易に変調可能になることで、光学的距離計測装置の低コスト化が図れる。

また、照射光を測定対象物に送る際の対物レンズから測定対象物までの距離を等間隔で変更することで、上記のように複数の位相情報が得られる。これに伴って、これら複数の位相情報のうちの隣り合う位相情報の値間の変化の最大となる箇所における位相情報から、測定対象物の厚み情報の値が得られ、更にこの厚み情報の値が得られるのに合わせて既知の媒体との間の屈折率差の値が算出して得られる。

以上より、本発明に係る光学的距離計測装置によれば、光学的距離情報である位相情報から厚みや高さ分布と屈折率差分布を容易に分離可能となる。この結果として、例えば透明体等の細胞に関する内部の屈折率差分布を表示できるだけでなく、測定対象物の周囲の媒体の屈折率が分かっていれば、測定対象物自体の屈折率分布を容易に算出することができる。特に細胞等においては、どのようなたんぱく質が存在しているかは予めわかっているので、測定対象物の屈折率から測定対象物の化学的組成を類推できる。

したがって、本発明の光学的距離計測装置は、染色や蛍光物質等を付与する必要がなく、また、ラマン顕微鏡のように微弱光を分光する必要がないので、細胞や微小生物等の可視化において簡単に生きたまま測定対象物の化学的組成を類推することが可能となる。このため、細胞等を不活性化して計測する電子顕微鏡にはない大きな特徴を有することとなる。

一方、請求項２のように、計測部が、位相情報の値間の変化の最大となる箇所の前後における位相情報と厚み情報の値から屈折率差の値をそれぞれ算出し、これらの値の平均値を真の屈折率差の値とすることとしても良い。このようにすれば、より正確に屈折率差の値が得られる。

また、請求項３のように、計測部がメモリを有し、複数の位相情報をそれぞれメモリに一旦記憶し、厚み情報の値を得る際に、これら位相情報をメモリから読み出して厚み情報の値を算出するのに伴い、屈折率差の値を得ることとしても良い。このようにすれば算出および比較の処理を計測部内で順時する必要がなくなり、メモリで一定量データを蓄えてまとめてから算出および比較の処理ができるので、データを取得するプロセスと算出するプロセスを分離することができて、より高速に計測可能になる。

さらに、請求項４のように、計測部が、測定対象物により照射光を回折した０次回折光と１次回折光との位相差を有した光を受光素子で光電変換された信号から測定対象物の複数の位相情報を得ることとしても良い。
つまり、測定対象物の像を得るための走査された光を走査素子が作り出すが、この走査された光に基づき、測定対象物が有する位相差の空間周波数を電気的な信号に変換することで、０次回折光と１次回折光との位相差である光学的距離を定量的に算出し、これに伴い定量的な光学的距離等の算出が可能になる。このことで計測部において測定対象物の正確な位相情報が得られるのに伴い、測定対象物を経由する際に照射光に生じる変調の量をより正確且つ確実に得ることが可能となった。

請求項５に係る光学的距離計測装置は、コヒーレントな照射光を照射する光源と、
光源からの照射光を走査させて測定対象物に送る走査素子と、
測定対象物との距離を変更可能とされつつ、走査素子からの照射光を測定対象物に直接送る対物レンズと、
走査に伴い測定対象物を経由して変調された照射光を受光して光電変換する少なくとも２つの受光素子と、
対物レンズから測定対象物までの距離の変更量を対物レンズの焦点深度以下として、計測の際の規準点の高さに対するこの変更の前後の高さ位置で隣接した位相情報をそれぞれ得ると共に、これら位相情報から測定対象物の厚み情報の値を得るのに伴い既知の媒体との間の屈折率差の値を得る計測部と、
を含む。

請求項５に係る光学的距離計測装置の作用を以下に説明する。
本請求項は請求項１とほぼ同様に対物レンズから測定対象物までの距離を変更するが、対物レンズから測定対象物までの距離の変更量を対物レンズの焦点深度以下として、計測部が、計測の際の規準点の高さに対するこの変更の前後の高さ位置で隣接した画像間における位相情報をそれぞれ得るのに伴い、屈折率差の値を求めることとした。

以上より、本発明に係る光学的距離計測装置によれば、請求項１と同様に、光学的距離情報である位相情報から厚みや高さ分布と屈折率差分布を容易に分離可能となり、測定対象物の屈折率から測定対象物の化学的組成を類推できる。さらに、対物レンズの焦点深度内においては、コヒーレントな照射光はほぼ平面波とみなせるので、本請求項のように変更量を対物レンズの焦点深度以下とすれば、簡易に屈折率差の値を得ることができるので、より高速に計測可能になる。

他方、請求項６のように、計測部が、受光素子で光電変換された信号から直流成分と交流成分を抽出し、得られた交流成分の微分信号やヒルベルト変換した信号に基づき、変調された信号の主周波数成分を算出し、この周波数と測定対象物の有する空間周波数と対比することとしても良い。これに伴い、走査された信号の主周波数成分を算出し、この周波数と測定対象物の有する空間周波数と対比することで、光学系の有するＭＴＦ値の補正が可能となる。
このことで計測部において測定対象物の正確な位相情報が得られるのに伴い、測定対象物を経由する際に照射光に生じる変調の量をより正確且つ確実に得ることが可能となった。

上記に示したように、本発明の光学的距離計測装置は、コヒーレントな照射光が光源から照射されると共に、走査素子がこの照射光を走査させて走査ビームとして測定対象物に送ることで変調する。さらに、少なくとも１つの受光素子が測定対象物を経由した照射光を受光して光電変換する。これに伴って、細胞等の透明な測定対象物に関する屈折率差分布を簡易に表示し、屈折率差分布から測定対象物の化学的組成が類推可能となるという優れた効果を奏する。

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例１とされる反射光学系の装置のブロック図である。 図１の反射光学系の受光素子上における光照射領域を表す説明図である。 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例１の装置における対物レンズおよび測定対象物の周囲の拡大詳細図である。 レーザー光の繰り返し走査を説明する斜視図である。 複数の位相情報の変化と計測位置との関係を表す概念図である。 測定対象物の画像を形成する１ライン単位の屈折率変化のグラフを表す図である。 変形例に係る２つの位相情報の変化と計測位置との関係を表す概念図である。 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例２とされる透過光学系の装置のブロック図である。 実施例２の変形例とされる透過光学系の装置のブロック図である。 本発明の光学的距離計測装置において受光素子で得られる空間周波数のＭＴＦ曲線を示す図である。 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例３の光学系を表す概略図である。

以下に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例１から実施例３を各図面に基づき、詳細に説明する。

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例１を以下に図１及び図２を参照しつつ説明する。本実施例は、走査ビームを測定対象物で反射する反射光学系の装置とされている。図１は、実施例に係る反射光学系の装置の構成を示すブロック図である。

この図１に示すように、コヒーレントな照射光であるレーザー光が照射（出射）される光源であるレーザー光源２１と、このレーザー光から平行光を得られるように収差補正されたコリメーターレンズ２２とが順に配置されている。従って、本実施例では、レーザー光源２１から出射されたレーザー光が、コリメーターレンズ２２により平行光とされる。

また、このコリメーターレンズ２２に対して、２群のレンズからなる瞳伝達レンズ系２５、入力されたレーザー光を２次元走査する２次元走査素子である２次元走査デバイス２６、入力されたレーザー光を本来的には分離して出射するためのものであるビームスプリッター２７が、さらに順に並んで配置されている。そして、図１に示すように瞳伝達レンズ系２５に向かう側のレーザー光の光路を光軸Ｌとしている。なお、この２次元走査デバイス２６には、レーザー光を２次元走査する走査範囲や走査速度を調整する電圧等を変更するための制御手段であるコントローラ２３が接続されている。

さらに、ビームスプリッター２７に隣り合って、２群のレンズからなる瞳伝達レンズ系３０が位置し、この隣に対物レンズ３１が例えば微生物や細胞等からなる測定対象物Ｇ１と対向して配置されている。つまり、これら部材も光軸Ｌに沿って並んでいることになる。以上より、レーザー光がこの光軸Ｌに沿って、瞳伝達レンズ系２５、２次元走査デバイス２６、ビームスプリッター２７、瞳伝達レンズ系３０、対物レンズ３１を順に経て、測定対象物Ｇ１に照射される。この際、２次元走査デバイス２６の動作により、このレーザー光が走査ビームとなって測定対象物Ｇ１上で２次元的に走査される。

他方、光軸Ｌが通過する方向に対して直交する方向であってビームスプリッター２７の隣の位置には、複数の光センサにより構成される受光素子群２９が配置されている。そして、図１に示す測定対象物Ｇ１にて反射した走査ビームは回折光となり、対物レンズ３１、瞳伝達レンズ系３０及びビームスプリッター２７の順で戻って平行光となる。これに伴いこのビームスプリッター２７で反射して、本来の光軸Ｌに対して直交する照射光の光軸Ｌに沿って受光素子群２９に入射される。

尚、この受光素子群２９は、測定対象物Ｇ１のファーフィールド（遠視野）面に配置されているだけでなく、本実施例では２つの受光素子２９Ａ、２９Ｂにより構成されている。但し、図２に示すように、走査ビームＬＡのスポットの中心となる光軸Ｌに沿った方向に対して略垂直な面上であってこの光軸Ｌを通る境界線Ｓを挟んで、これら受光素子２９Ａ、２９Ｂがそれぞれ配置されている。つまり、境界線Ｓの片側にずれて受光素子２９Ａが位置し、これと境界線Ｓの反対側にずれて受光素子２９Ｂが位置していて、測定対象物Ｇ１で反射することで経由した走査ビームＬＡをこれら各受光素子２９Ａ、２９Ｂが受光する。

さらに、各受光素子２９Ａ、２９Ｂは図示しない光電変換部を有した構造とされていて、各受光素子２９Ａ、２９Ｂが走査ビームＬＡを受光してそれぞれ光電変換することになる。
この各受光素子２９Ａ、２９Ｂ及び、２次元走査デバイス２６の動作を操作する前述のコントローラ２３は、信号比較器３３にそれぞれ接続されている。これに伴って、信号比較器３３が各受光素子２９Ａ、２９Ｂからの信号及びコントローラ２３からの信号により測定対象物Ｇ１の位相情報を得ることになる。そして、この信号比較器３３が、最終的にデータを処理して測定対象物Ｇ１のプロフィル等の計測値を得るデータ処理部３４に繋がっている。このため、本実施例では、これら信号比較器３３及びデータ処理部３４が計測部とされている。

他方、測定対象物Ｇ１である微生物や細胞等は、本実施例に係る光学的距離計測装置の図３に示す測定用ステージ６４上おいて、スライドグラス６６Ａとカバーグラス６６Ｂとの間により挟まれた状態で観察される。ただし、この観察の際に、測定対象物Ｇ１の周りには水等の屈折率（例えば水の屈折率は１．３３）が予め知られた媒体Ｍが存在している。このため、水等の媒体Ｍの屈折率と測定対象物Ｇ１自体の屈折率との間には屈折率差が生じることになる。

また、図３に示すように対物レンズ３１を支持する支持筒３１Ａの近傍には、ラック７０Ａおよび歯車７０Ｂを介して対物レンズ３１を上下方向に移動するためのモータ６８が配置されると共に、対物レンズ３１の上下方向位置を正確に取得可能とするリニアスケール７２が配置された構造なっている。なお、ここで言う上下方向は、測定用ステージ６４上に載せた測定対象物Ｇ１の厚み方向に合致する。

さらに、データ処理部３４内には、対物レンズ３１の移動量および移動先の位置を決定するための制御ユニット６０が設けられており、この制御ユニット６０がリニアスケール７２により対物レンズ３１の移動量を検出したデータを受けつつ、モータ６８の回転量を制御することになる。このため、この制御ユニット６０で対物レンズ３１の移動量および移動先の位置を正確に決定できるので、例えば対物レンズ３１を等間隔で複数回移動して、測定対象物Ｇ１を複数回観察可能となる。そして、データ処理部３４内には、このような観察にて得られた種々の情報を記憶させるメモリ６２をも備えられている。

以上に伴い、対物レンズ３１の焦点が合うような予め定められた上下方向位置上にある測定対象物Ｇ１を受光素子群２９により検出し、この測定対象物Ｇ１の像を表す画像データを基にして、測定対象物Ｇ１の位相画像（位相情報）である2π△nd/λを得ることにする。

また、レーザー光源２１は半導体レーザーであり、コヒーレントなレーザー光を発生する。このレーザー光をコリメーターレンズ２２により平行光束にし、瞳伝達レンズ系２５に入射させる。このとき、レーザー光の入射ビーム径は、瞳伝達レンズ系２５との兼ね合いより、絞り機構（図示せず）等を用いて適正化しておくことにする。

ここで、コリメーターレンズ２２と２次元走査デバイス２６との間に配置されている瞳伝達レンズ系２５は、コリメーターレンズ２２の出射面位置を次の２次元走査デバイス２６に共役に伝達するための光学系である。この瞳伝達レンズ系２５を通過したレーザー光は、２次元走査デバイス２６を経由して走査ビームとなってビームスプリッター２７に送られるが、このビームスプリッター２７からの走査ビームは、対物レンズ３１の瞳位置に共役にする瞳伝達レンズ系３０を介して対物レンズ３１に入射する。

以上より、本実施例では、変調されていない状態のレーザー光がレーザー光源２１より照射されるものの、２次元走査デバイス２６により走査ビームとされたレーザー光が測定対象物Ｇ１に入射されて実質的に変調されると共に反射されて、受光素子群２９で走査ビームにより測定対象物Ｇ１の有する空間周波数情報であるフーリエ変換の変調信号を最終的に検出する。

また、２次元走査デバイス２６は、図４に示すように水平方向Ｘに沿ってレーザー光を繰り返して光軸Ｌを移動しつつ測定対象物Ｇ１上で走査する。但し、この繰り返しに際して図４における１、２、３、４・・・のように垂直方向Ｙに沿って順次走査位置を変更していくことで、２次元走査を可能としている。そして、この２次元走査デバイス２６の動作を調整するコントローラ２３は、本装置の視野範囲を変更可能としている。つまり、コントローラ２３が２次元走査デバイス２６の水平方向の走査範囲をコントロールする電圧を変更したり、垂直方向の走査範囲を変更したりすることで、自由に３次元画像を拡大縮小して視野範囲を調整可能となる。尚この際、コントローラ２３は横分解能を一定に保ったまま、視野範囲だけを変更できる。

ただし、上記のように２次元走査デバイス２６により光軸Ｌを水平方向Ｘおよび垂直方向Ｙにレーザー走査して移動する替わりに、１次元走査デバイスにより例えば水平方向Ｘのみのレーザー走査とすると共に、これと直交する垂直方向Ｙに前述の測定用ステージ６４をステージ移動する１次元走査デバイスを測定用ステージ６４に設置しても良い。さらに、測定用ステージ６４側に２次元走査デバイスを設置して、この測定用ステージ６４を水平方向Ｘおよび垂直方向Ｙにステージ移動することとしても良い。これらの場合も、当然にコントローラ２３で視野範囲を調整することになる。

他方、対物レンズ３１側にモータ６８やリニアスケール７２等を配置する替わりに、測定対象物Ｇ１を載せた測定用ステージ６４自体をモータにより上下方向の位置を微調整可能にすると共に、この測定用ステージ６４の上下動をリニアスケールで取得可能とする構造としても良い。

そして、以上のようにレーザー光源２１からの変調されていないレーザー光が、２次元走査デバイス２６により走査され、実質的にこのレーザー光に印加される変調の基となる信号と測定対象物Ｇ１で反射して変調を受けた走査ビームの有する変調信号との位相差を電気的な変調信号周波数差の位相ずれとして、信号比較器３３により検出できる。この時の位相ずれは、後述するが０次回折光と高次回折光との位相差に相当する。この時、もちろん両方の受光素子２９Ａ、２９Ｂでそれぞれ受光して光電変換することもできるが、図２に示す光軸Ｌを通る境界線Ｓを境界とした２分割受光領域の片側に位置する受光素子のみでも、位相ずれの情報である位相情報を検出できることが、本実施例の一つの特徴である。

このように２分割受光領域の片側のみでも位相情報を検出できる理由としては、図２に示す対物レンズ３１の光軸Ｌ方向に対して略垂直な方向を境界線Ｓとし、この境界線Ｓで区分けされた片側にある一方の受光素子２９Ａのみでも十分に位相情報を検出でき、または、他の片側にある他方の受光素子２９Ｂのみでも同じく十分に位相情報を検出できるからである。もちろん、両方の受光素子２９Ａ、２９Ｂで情報を同時に検出することもできる。ただし、測定対象物Ｇ１から回折されて各々の受光素子２９Ａ、２９Ｂに到達する光の位相は、光軸Ｌを境界とする受光素子２９Ａ、２９Ｂ間で逆相になる。

従って、受光素子２９Ａ、２９Ｂで光電変換された相互に逆相の各々の位相情報の信号とコントローラ２３からの信号とを信号比較器３３が比較し、最終的にデータを処理してデータ処理部３４が測定対象物Ｇ１のプロフィル等の光学的距離の計測値を得ることになる。
つまり、走査ビームの受光素子群２９で光電変換された信号とコントローラ２３からの２次元走査デバイス２６による走査の基準となる信号とを基にした測定対象物Ｇ１の位相情報から、定量的に光学的距離を算出することができる。
具体的には、レーザー光による走査ビームが測定対象物Ｇ１を走査すると、測定対象物Ｇ１の有する空間周波数がフーリエ変換面に配置した受光素子２９Ａ、２９Ｂにて電気的な周波数信号に変換される。この時、測定対象物Ｇ１の有する位相情報である光学的距離は同時に、０次回折光と１次回折光の位相差である電気的な信号強度に変換されている。

次に、本実施例に係る光学的距離計測装置により測定対象物Ｇ１の光学的距離情報(△nd) である位相情報から厚みや高さ寸法分布と前述の屈折率差分布を得る手順について説明する。まず、位相情報は、厚みや高さ寸法と上記屈折率差との積であるので、この位相情報を厚み等の情報と屈折率差の情報とに分離する例について、以下に述べる。

まず、信号比較器３３が、前述の測定対象物Ｇ１で反射された走査ビームを光電変換した信号と走査ビームの基となるコントローラ２３の走査を指示する信号により測定対象物Ｇ１の位相情報を得て、この信号比較器３３と接続されたＣＰＵ等からなるデータ処理部３４にこの位相情報を送り込むことになる。これに伴い、データ処理部３４でこの位相情報を平面に対する走査情報とともに記録していき、測定対象物Ｇ１の表面についてのプロファイル情報等の計測値を簡単に導くことができる。ただしこの際、位相情報のＭＴＦのフラット化を後述のように行っておくことにする。

本実施例の具体的な測定およびデータ処理部３４による算出の手順は以下のようになる。
まず、レーザー光源２１からの照射光が最終的に対物レンズ３１を介して測定対象物Ｇ１に送られるが、前述のレーザー走査またはステージ移動により測定対象物Ｇ１上を走査して、最小計測単位である画素単位毎に受光素子群２９で得た位相情報のデータをデータ処理部３４が信号比較器３３を介して取得する。

さらに、対物レンズ３１をモータ６８の回転により例えば１ミクロン単位で図３に示す上下方向Ｚに順次複数回移動して、対物レンズ３１から測定対象物Ｇ１までの距離を等間隔で複数回変更することで、受光素子群２９で測定対象物Ｇ１の画像を都度得る。これに伴い、図５に示す測定対象物Ｇ１の位相情報を表す情報曲線Ｈを各ラインｄ_A～ｄ_Iで区切ったデータからなる複数の位相情報をデータ処理部３４がそれぞれ得る。ただし、この図５におけるＸ１は画像の１画素当たりの情報を表す。

この際、対物レンズ３１が上下方向に順次移動して得られた複数の位相情報をそれぞれデータ処理部３４内のメモリ６２に順次一旦記憶させることにする。この後、これら位相情報をメモリ６２からまとめて読み出して、データ処理部３４内において、複数の位相情報間の値をそれぞれ求めるのに伴って、複数の位相情報間の変化点を算出する。つまり、複数の位相情報間の差の変化が最も大きい点が位相のコントラストが大きい箇所であり、測定対象物Ｇ１に対してフォーカスが合っている上下方向の位置となる。
上記の例であれば、下記式の関係が成り立つことになるので、位相情報の変化点の大きい点が厚みの位置となる。
ｄ_B-ｄ_A＝ｄ_C-ｄ_B＝・・・・＝ｄ_H-ｄ_G≒a
ｄ_I-ｄ_H＜a

そして、これら複数の位相情報間のうちの隣り合う位相情報の値間の変化の最大となる箇所における位相情報から、測定対象物Ｇ１の厚み情報の値をそれぞれ得るのに伴い屈折率差の値をそれぞれ算出し、これら２つの屈折率差の値の平均値を真の屈折率差の値とする。尚、測定対象物Ｇ１の画像を形成する水平方向Ｘに沿った１ライン当たりの屈折率は図６に示すようになる。この際、ｎ₁が媒体Ｍの屈折率であり、ｎ_xが測定対象物Ｇ１内の屈折率の変化を表す。このｎ_xからｎ₁を差し引いた値が屈折率差の値となる。

例えば、対物レンズ３１が微少量上下動して上下方向の２位置でそれぞれ画像を取得する場合について、以下に説明する。つまり、これらの２位置での画像をＡ画像とＢ画像とすれば、それぞれの位相情報は以下のようになる。ここでθ_A、θ_Bは各位置における位相情報であり、△nは屈折率差であり、d₁、d₂は予め定められた規準点からの各位置における高さ寸法であり、λはレーザー光の波長である。
Ａ画像:θ_A＝2π△nd₁/λ
Ｂ画像:θ_B＝2π△nd₂/λ

そしてこの際、以下の関係式が成り立つことになる。なお、δdは微小変位であり、δ（Δn）は屈折率差の変化であり、これらにより光学的距離の変位δ(△nd)が生じる。
δ(△nd)=δ(△n)d+△nδd
ただし、受光素子群２９によるＡ画像とＢ画像の画像取得の際の対物レンズ３１の上下方向の移動量が小さい場合、その間の屈折率変化は非常に小さいと見なすことができるので、下記式も成り立つことになる。
δ(△nd)≒△nδd

これに伴ってＡ画像とＢ画像との間の位相差は、下記式で表される。
θ_A-θ_B＝2π△n(d₁-d₂)/λ
なお、d₁-d₂は、リニアスケール７２で取得した検出量差である移動量であり、この移動量から上記θ_A-θ_B を演算して屈折率差（△n）を算出する。この位相θ_Aは、０次回折光と１次回折光の位相差に関係して得られることは、後述する。

また、上記Ａ画像やＢ画像等の画面取得の処理を対物レンズ３１から測定対象物Ｇ１までの距離を等間隔で変更しつつ繰り返すことで、多数の画像が得られるのに伴い、データ処理部３４のメモリ６２内に複数の位相情報も記憶される。そして、上記のようにこれら複数の位相情報をメモリ６２から読み出して、複数の位相情報の変化の最大となる箇所における位相情報を算出する。さらに、これら複数の位相情報間の変化の最大となる箇所の前後における２つの位相情報から、測定対象物Ｇ１の２つの厚み情報の値をそれぞれ得ると共に２つの屈折率差の値をそれぞれ算出し、最終的に上記２つの屈折率差の値の平均値を算出して得るようにする。

したがって、本実施例に係る光学的距離計測装置によれば、位相情報から厚みや高さ分布および屈折率差分布を容易に分離できる。この結果として、測定対象物Ｇ１を透明体等の細胞とした場合、これら透明体等の内部に関する屈折率差分布を表示できるだけでなく、測定対象物Ｇ１の周囲の屈折率が分かっていれば、測定対象物Ｇ１自体の屈折率を算出することができる。特に細胞であれば、どのようなたんぱく質が存在しているかは予めわかっているので、測定対象物Ｇ１の屈折率から測定対象物Ｇ１の化学的組成を類推できる。

以上より、本実施例によれば、面内の分解能が高く、しかも面外において高さや屈折率分布に対する分解能が高く、また、通常の結像光学系では取得不可能な空間周波数を取得して測定対象物Ｇ１の有する空間周波数情報を正確に再現することで、実効上分解能が高く空間周波数の欠損のない光学的距離計測装置が提供されるようにもなる。

これに伴って、このような本光学系を用いれば、２次元走査を行うたびに３次元計測データを取得することが可能となる。このため、本光学系によれば、細胞や微生物の状態変化や、この状態変化に伴うこれらの表面状態および内部状態の過渡的な変化等を、高速に観察、計測することができる。従って、製品化されている裸眼立体ディスプレイや偏光めがねを使用した３次元ディスプレイ等を用いることにより、３次元立体画像を表示することもできるので、教育や研究、医療において、有用な装置とすることができる。

尚、本光学系においては、図１に示す一つの２次元走査デバイス２６を用いた例で説明をしたが、単純な一方向だけのデータが必要なアプリケーションであれば、この２次元走査デバイスを１次元走査デバイスに置き換えても同様な効果が得られることになる。これらの１次元走査デバイスとして、ガルバノミラー、レゾナントミラー、回転ポリゴンミラー等を採用することができる。

また、一つの２次元走査デバイス２６の替わりに、独立した１次元走査デバイスを、相互に直交したＸ方向用とＹ方向用の計２つ用意し、これらを瞳伝達レンズ系２５の前後に配置することによっても２次元走査デバイス２６と同様の機能を実現できる。なお、例えばマイクロマシーンの技術を用いたマイクロミラーデバイスを用いても良い。このマイクロミラーデバイスとしては、１次元用、２次元用ともに知られ製品化されている。

次に、本実施例に係る光学的距離計測装置の変形例ついて説明する。
予め測定対象物Ｇ１に対して対物レンズ３１の焦点を合わせておいて、この対物レンズ３１から測定対象物Ｇ１までの距離の変更量Ｚ１（図７に示す）を対物レンズ３１の焦点深度以下としておくことにする。

計測の際に、リニアスケール７２の予め定められた規準点の高さに対して、この２点間に合わせた変更量になるように、対物レンズ３１をモータ６８の回転により上下方向に移動する。このことで、データ処理部３４が、測定対象物Ｇ１の隣接した画像間における位相情報をそれぞれ得るのに伴い、前述と同様に厚み情報の値および屈折率差の値が求まる。つまり、図７に示す測定対象物Ｇ１の位相情報を表す情報曲線Ｈを変更量Ｚ１の上下２つのラインｄ_A、ｄ_Bで区切ったデータからなる２つの位相情報をデータ処理部３４がそれぞれ得ることになる。

本変形例の場合、対物レンズ３１を前述の実施例のように細かく多数回移動させる必要がなく、焦点深度の半分程度とされる焦点深度以下の移動量で連続的に各２つの情報である厚み情報の値および屈折率差の値のデータを取得できる。このため、前述の実施例と比較して若干精度は低下するものの、対物レンズ３１を移動させてデータを取得する時間を実質上大幅に低減できる結果として、動きが速い微生物等の測定対象物Ｇ１に対して非常に有効となる。

次に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例２を以下に図８を参照しつつ説明する。本実施例は、走査ビームが測定対象物を透過する透過光学系の装置とされている。
図８は、本実施例に係る透過光学系の装置を示すブロック図である。主要な光学系は前記反射光学系の装置と同じなので説明を割愛するが、この透過光学系の装置では、実施例１と比較して対物レンズ３１で集光された光が測定対象物Ｇ２を透過することになる。

また、本実施例では、透過光学系であることからビームスプリッター２７が不要になり、これに合わせて測定対象物Ｇ２を介した対物レンズ３１と反対側の位置に、受光素子群２９が配置されている。但し、実施例１と同様にこの受光素子群２９は、測定対象物Ｇ２のファーフィールド面に配置されているだけでなく、２つの受光素子２９Ａ、２９Ｂにより構成されている。

つまり、透過光学系の本装置の場合、図８に示すように対物レンズ３１の光軸Ｌの延長線上に受光素子群２９が配置されている。さらに、実施例１と同様に、走査ビームＬＡのスポットの中心となる光軸Ｌに沿った方向に対して略垂直な面上であってこの光軸Ｌを通る境界線Ｓを挟んで、受光素子２９Ａ、２９Ｂがそれぞれ位置している。このことから、境界線Ｓの片側にずれて受光素子２９Ａが位置し、これと境界線Ｓの反対側にずれて受光素子２９Ｂが位置していることになる。これに伴い、図８の透過光学系の装置でも、図１の反射光学系の装置と同様に受光素子群２９上において空間的にほぼ等位相になる。

従って、実施例１と同様に、受光素子群２９を構成する受光素子２９Ａ、２９Ｂでそれぞれ光電変換された位相情報の信号及び、コントローラ２３からの２次元走査デバイス２６による走査の基準となる信号により、信号比較器３３が測定対象物Ｇ２の位相情報を得ることになる。最終的にデータを処理してデータ処理部３４が測定対象物Ｇ２のプロフィル等の光学的距離の計測値を得ることができる。この結果として、本実施例によっても、実効上分解能が高く空間周波数の欠損のない光学的距離計測装置が提供されるようになる。

さらに、本実施例においても、測定対象物Ｇ２である微生物や細胞等の周囲に図示しないものの水等の媒体Ｍが存在しつつ、測定用ステージ６４上おいてスライドグラス６６Ａとカバーグラス６６Ｂとの間にこの測定対象物Ｇ２が挟まれている。また、実施例１と同様に、モータ６８やリニアスケール７２が対物レンズ３１に配置され、データ処理部３４内の制御ユニット６０がリニアスケール７２により対物レンズ３１の移動量を検出したデータを受けつつ、モータ６８の回転量を制御し、メモリ６２が種々の情報を記憶することになる。

したがって、本実施例に係る光学的距離計測装置においても実施例１と同様な処理により、位相情報から厚みや高さ分布および屈折率差分布を容易に分離できる。この結果として、本実施例においても測定対象物Ｇ２自体の屈折率を算出することができる。特に測定対象物Ｇ２が細胞であれば、どのようなたんぱく質が存在しているかは予めわかっているので、測定対象物Ｇ２の屈折率から測定対象物Ｇ２の化学的組成を類推できる。

そして、本実施例のように透過光学系の装置では、無染色、非侵襲で生きたままの細胞の状態変化をリアルタイムに観察できるので、ｉＰＳ、ＥＳ細胞の正常かどうかの検査やがん細胞の有無検査等に大きな役割を果たすことができる。これは、電子顕微鏡のような高倍率であっても生体を殺した状態でないと観測できない測定器とは大きく異なる特徴である。

他方、本実施例の変形例として、測定対象物Ｇ２を挟んで対物レンズ３１と反対側となる測定対象物Ｇ２の背後であって受光素子群２９の手前にレンズ４０を図９に示すように配置することが考えられる。つまり、測定対象物Ｇ２からの回折光となる走査ビームをこのレンズ４０にて平行光としたのち、受光素子群２９に導く形となる。このため、本変形例では、図９に示すように測定対象物Ｇ２を透過した走査ビームのフーリエ変換パターンがレンズ４０により平行光とされて受光素子群２９で受光される。但し、このレンズ４０により集光して受光素子群２９に走査ビームを導いてもよい。

次に、測定対象物を透過した走査ビームがどのような情報をもたらすかを説明する。
説明を簡単にするために、試料である測定対象物が高さｈでピッチdの正弦波状の形状をしているものとすれば、光学的な位相θが以下の式で表される。
θ＝2π(h/λ)sin(2πx/d－θ０)・・・・・（１）式
測定対象物から回折された光の振幅Ｅは、焦点距離ｆだけ離れた面においては、（１）式のフーリエ変換と対物レンズ３１の開口とのコンボリューションとして、与えられるので、以下のように表される。ただし、（１）式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は±１次まで取るものとする。

この（２）式を一般化して考えることができる。すなわち、位相パターンは、上記したピッチｄがさまざまなピッチの集合体と考えられるので、０次回折光の振幅M₀とこの０次回折光に対する１次回折光の振幅M₁の位相差をθ₀とした場合、光の振幅Ｅは以下のように与えられる。空間周波数の正の領域では、下記（３）式で光の振幅Ｅが表され、また、空間周波数の負の領域では、下記（４）式で光の振幅Ｅが表される。

これは、測定対象物で回折された光の±１次回折光が０次回折光に対して、定性的に常に逆位相同士となるからである。ここで、（３）式、（４）式の回折光は、光軸Ｌに沿った方向に対して略垂直な面上でこの光軸Ｌを通る境界線Ｓを挟んで２分割された領域にそれぞれ配置された受光素子群２９の各受光素子２９Ａ、２９Ｂでそれぞれ受光されることになる。

ここで、上記実施例では、半導体レーザーとされるレーザー光源２１を一定光量で発振させたレーザー光が、２次元走査デバイス２６により速度vを有する走査ビームとして、測定対象物Ｇ１、Ｇ２上で走査されつつ照射されることになる。この測定対象物Ｇ１、Ｇ２の部分での回折光により、受光素子群２９の何れか片側の例えば受光素子２９Ａでは以下の式のようにＥを表すことができる。ここで、Ｅ₀は光の振幅である。また、本説明では受光素子２９Ａを用いるが、受光素子２９Ｂでも同様のことが言える。

したがって、受光素子群２９の例えば受光素子２９Ａで観測される強度Ｉは下記（５）式で表される。ここで、Ｉ₀は照射された光強度である。

また、測定対象物Ｇ１、Ｇ２に対して走査ビームは速度vで走査されるので、初期位相θ0はθ0=2πvt/d＝2πftとなる。受光素子２９Ａで受光され光電変換された信号は、測定対象物Ｇ１、Ｇ２の有する空間周波数1/dが電気的な周波数fに変換されたことになる。

次に、この光電変換された電気信号の強度Ｉの（５）式を実質的に直流成分と交流成分に分離する。この分離は、コンデンサによる平滑処理等で行ってもよいし、Ａ／Ｄ変換したのちにデジタル的な処理により行ってもよい。この結果として下記（６）式、（７）式より直流成分ＤＣと交流成分ＡＣが得られる。

通常の細胞や透明体を測定対象物Ｇ１、Ｇ２とした場合、周りの媒質と測定対象物Ｇ１、Ｇ２との間の屈折率差が非常に小さいので、０次回折光に比較して１次回折光を含む高次の回折光の強度は、非常に小さい。このため、M0＞M1とみなせるのに伴って、（６）式、（７）式は下記（８）式、（９）式となる。

次に、交流成分ＡＣに２つの演算を施す。
具体的には、受光素子２９Ａから得た電気信号を９０度の位相シフターの素子を介するか、或いはＡ／Ｄ変換したのちにヒルベルト変換を行うことなどにより、下記（１０）式が得られる。また、交流成分ＡＣの信号を微分回路に通すか、或いはデジタル的な差分を取ることにより、下記（１１）式が得られる。

そして、（１０）式の信号と（１１）式の信号の比を取ることにより、ε＝2πｆを得ることができる。さらに、Achの信号を微分回路に通すか、或いはデジタル的な差分を取ることにより、下記（１２）式が得られる。

他方、（１２）式の信号と（９）式の信号の比を取ることによっても、同様にε=２πｆを得ることができる。ただし、この時、２つのεは分母が正弦関数と余弦関数となるために、いずれかで計算した場合、値が無限大になることがある。このため、分母がより０に近いほうを採用しないなどの手法により、発散する問題を避けて計算精度を高めることができる。
以上より、改めて（１）式の位相情報を表記すると、下記（１３）式となる。

ここでΘ=2πｘ/ｄ-θ0であり、θ0は初期位相を表しているのでこのθ0を無視すると、Θ=2πftのように書くことができる。この際、f=v/dと表わされるので、周波数ｆと空間周波数1/dが比例関係となる。
以上に対して、求めたいのは（１３）式に基づいて下記（１４）式による値である。

上記したように、通常の細胞や透明体を測定対象物Ｇ１、Ｇ２とした場合、周りの媒質と測定対象物Ｇ１、Ｇ２との屈折率差が非常に小さいので、０次回折光に比較して１次回折光を含む高次の回折光の強度は、非常に小さい。これは（１３）式の位相項において、０次のベッセル関数が大きな値となり、２次以降の値を無視できることに相当する。したがって、この（１４）式のように書くことができ、この（１４）式に基づき下記式が求まる。

ここで、単一の空間周波数ではなく、いろいろな空間周波数よりなる測定対象物Ｇ１、Ｇ２を考えた場合、（３）式、（４）式のようにこの式を一般化することができる。
すなわち、最終的に下記(１５) 式の位相を求めればよいことになる。

そして、θ=（２π/λ）nhの式より光学的距離nhを算出することができる。ここで、nは屈折率を表し、hは厚み或いは高さを表す。例えば（８）式及び（１０）式を基にして（１５）式を計算して求めることができる。これらの演算は、ヒルベルト変換を複数回行ったり、或いは微分や差分を複数回行ったりすることでも、可能である。

上記のように数学的には（１５）式を求めることができるが、光学的にはM₀とM₁はレンズによって取得できる空間周波数が制限を受ける。対物レンズ３１の光軸Ｌを境界とした片側に例えば受光素子２９Ａが配置されているが、カットオフ周波数の半分の空間周波数を中間周波数（ａ／λｆ）と定義すると、この受光素子２９Ａで得られる空間周波数は、いわゆるＭＴＦ曲線を表す図１０に示すグラフの実線Ａ１のようになる。具体的には、空間周波数が０の低域から中間周波数（ａ／λｆ）に向かうにつれて空間周波数は増加し、中間周波数から空間周波数が２ａ／λｆの高域に向かうにつれて空間周波数は減少することになる。

これは、０次回折光と１次回折光の干渉のみが変調度に寄与するからである。つまり、低域から中間周波数までは、０次回折光と±１次回折光が重なる部分が生じるが、この部分では変調度に寄与せず、中間周波数から高域までは、０次回折光と１次回折光の重なる部分が減少していくからである。ここで、aは対物レンズ３１の開口半径を表し、ｆは対物レンズ３１の焦点距離を表し、また、λはレーザー光の波長を表す。さらに、上記したようにεより周波数が算出されるが、走査速度は予めわかっているので、この算出された周波数はパターンを構成している空間周波数の総体を表していることになる。したがって、空間周波数の逆数であるパターンの主要なピッチを走査方向に沿ってリアルタイムに計測することもできる。

ここで、測定対象物Ｇ１、Ｇ２にレーザー光を速度ｖで走査しつつ照射して情報を取得すると、前述したように走査に伴い周波数変調をうけることで、これが空間周波数と比例関係になる。したがって、εとして算出した周波数は、走査している空間周波数を表していることになり、レンズ等の光学系で取得できなかった周波数を図１０のＭＴＦ曲線に当てはめ、このＭＴＦ曲線を実線Ｂ１のようにフラットにするような変換を取得データごとに行っていくこととする。

具体的には、前述のように信号比較器３３が測定対象物Ｇ１の位相情報を得て、この信号比較器３３から最終的にデータを処理して測定対象物Ｇ１のプロフィル等の計測値を得るデータ処理部３４に信号を順次出力することで、時系列にこの信号がこのデータ処理部３４に入力される。これに伴ってこの信号が測定対象物Ｇ１の画像を形成する少なくとも図４の水平方向Ｘに沿った１ライン単位で、位相情報の信号からなるまとまったデータを一旦ヒルベルト変換した後にフーリエ変換する。このことで位相情報のＭＴＦが得られる。

さらに、この位相情報のＭＴＦの基となるデータが計測された空間周波数に対応する加重値をデータ処理部３４にて係数として乗じて付加することで、ＭＴＦを図１０に示すようにフラット化し、フラット化されたこの位相情報に対して逆フーリエ変換をする。

以上より、測定対象物Ｇ１の有する真の光学的距離の分布を正しく算出でき、２つの受光素子２９Ａ、２９Ｂの出力から求まる測定対象物Ｇ１についての和信号と差信号の計測値が得られる。そして、この結果として、取得された空間周波数のゲインを随時変更することになり、本手法によりリアルタイムに正しい光学的距離を算出できるようになる。

一方、横分解能を向上させる目的で、対物レンズ３１の光軸Ｌに対して、傾けた光学系を配置し、０次回折光の一部と高い空間周波数を有する１次回折光をこの傾けた光学系において重ね合わせることで、ＭＴＦの改善を図る手法が例えば特開２０１５－４６４３等の公報により、知られている。この手法においても、ＭＴＦ曲線がどのようになるかが予め分かっているので、上記手法によりさらに高い空間周波数まで修正が可能となる。このことで、横分解能を高くする必要のあるような測定対象物Ｇ１、Ｇ２に対しても、信頼度の高い光学的距離を測定することが可能となる。

他方、周波数の測定が走査画素ごとに行えるので、測定対象物Ｇ１、Ｇ２を観察する観察者が強調したい空間周波数等を簡単に設定でき、見たい部分の強調や背景に隠れてしまうような部分を表示することができる。このように空間周波数を簡単にフレキシブルに変更できるのに伴い、空間周波数の帯域をいくつかに分け、それぞれの帯域において観察者がゲインを手動等で設定できるようにしておくことにより、画像に対して一種のイコライザーを自由に行うことがきるようになる。

また、光学系の有する横分解能の限界は検出できる周波数の上限にあたるので、この上限の周波数よりも十分に高い周波数でサンプリングし、このサンプリングしたデータに基づき、時系列で流れてくるデータを加算することで、ランダムノイズを軽減することができる。この結果として、計測データの精度の向上および３次元画像の表示の際におけるノイズの軽減につながる。さらに、走査速度は一定なので、加算のデータ数を変更することにより、実質的に画像を表示する範囲を変更することが可能となる。したがって、照射に使用した対物レンズのＮＡを実質的に変更することなく、視野範囲をある程度任意に拡大縮小することが可能となる。

すなわち、本手法によれば、横分解能を一定に保ったまま、視野範囲だけを変更することができるという大きな特徴を有する。さらに、走査素子であるＭＥＭＳや共振ミラー等に対して、水平走査方向の走査範囲をコントロールする電圧を変更して走査範囲を変更する機能と併用すれば、さらに自由に３次元画像の拡大縮小が、横分解能を変えることなく行うことができる。

なお、一般的には屈折率差が非常に小さいのでM₁＜M₀としたが、より具体的には（９）式、（１０）式の比を算出し、2πｆｔの量を（７）式に代入し、（６）式、（７）式よりM₁/M₀を求めてもよい。さらに、走査によりレーザー光とされる照射光を変調することにより、測定対象物Ｇ１、Ｇ２から離れたファーフィールドに配置し且つ光軸Ｌに沿った方向に対して略垂直な面上でこの光軸Ｌを通る境界線Ｓを挟み区分けされた片側の領域において受光素子２９Ａによりこの走査ビームを受光して検出（光電変換）することで、測定対象物Ｇ１、Ｇ２の光学的距離を簡単に検出できる。

この一方、前記境界線Ｓで区分けされた領域と逆側の領域では、受光素子２９Ｂにより位相が反転した量として走査ビームを受光して検出（光電変換）できる。このため、両方の領域の位相情報を独立して検出した後にこれら位相情報の平均値を算出すれば、ノイズ等の影響を軽減することができる。

特に、細胞のように屈折率がわずかに異なるような物質で構成されるような物体を可視化するには、極めて微弱な検出信号となり、ノイズは極力抑え、信号を増幅しなくてはならない。このような場合、ノイズの帯域からできるだけ離れた周波数領域で信号を取得することが必要となる。

以上のように、走査に基づく信号と受光素子２９Ａや受光素子２９Ｂで検出された信号とにより、簡単に位相物体を可視化することができる。また、この信号を適正に処理することで、計測値を算出するとともに、取得した空間周波数を同定できる。これに基づき、測定対象物が本来有する空間周波数を再現し、より正確に測定対象物の光学的距離を算出することができる。

また、透過光学系の場合には、前述の実施例により細胞や微小生物等の可視化を簡単な装置で実現できるので、ミクロな３次元デジタイザーとして教育やホビーで利用することができる。このようにすると、昨今の３次元プリンタと前述の実施例による装置とを組み合わせて使用することにより、生きたままの状態で染色等の処理をせずに、簡単に細胞分裂の経過や微小生物の細胞内部の器官の３次元立体像を、３次元模型として表すことができるようになる。

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例３について図１１を参照しつつ、以下に説明する。
図１１は、本実施例の光学的距離計測装置の構成を示す概略図である。本実施例は測定対象物Ｇ２を透過した走査ビームに対して横分解能を向上させつつ処理するために、例えば実施例２の透過光学系の装置の下部にこの図に示す傾けた光学系を配置するものである。尚、図１１において、瞳伝達レンズ系２５、３０、２次元走査デバイス２６、信号比較器３３及びデータ処理部３４等の光学系は図示を省略し、また、受光素子群２９の替わりに受光素子５０を採用している。

そして、本実施例では、対物レンズ３１の光軸Ｌとされる０次回折光の光軸に対して、レンズ３６を傾斜して設置している。具体的には、測定対象物Ｇ２を透過した０次回折光の一部と１次回折光の一部とを、０次回折光の光軸Ｌと１次回折光の光軸Ｌ１との間の中間的な傾き角を有した光軸Ｌ３だけ傾けた状態のレンズ３６に取り入れる。このことで、０次回折光の一部だけでなく、同じレンズを用いた場合に比較してより高い空間周波数を有した１次回折光の一部を取り入れて、結像光学系にてこれら０次回折光と１次回折光の干渉を実現している。なお、図示しないものの、本実施例においては、光軸Ｌに対して対象な位置に同様な光学系が配置されている。

さらに本実施例では、レンズ３６を傾けて０次回折光の一部と１次回折光の一部を取得し、このレンズ３６により平行光束にした回折光同士をレンズ５２にて集光する。このレンズ５２により回折光同士が焦点近傍で重なり合って、実質的に干渉する。ただし、０次回折光と±１次回折光との干渉ではないので、測定対象物Ｇ２自体の結像とは異なる。

さらに、レンズ５２の実効的な焦点距離を長くすることで、干渉縞のピッチを広げることができる。もし、レンズ３６とレンズ５２の焦点距離が同じであれば、当然等倍となり、測定対象物Ｇ２の空間周波数となる。これに対して、他方の－１次回折光の光学系にて干渉された結果は、ピッチがずれた干渉縞となる。しかしながら、干渉縞のピッチに対して受光素子が大きいと、±１次回折光を受光する素子の位置あわせが困難になる。

そこで、拡大光学系５３により干渉縞自体を拡大し、受光素子５０の大きさにほぼ等しくすれば、±１次回折光で自然と逆位相となるので、０次回折光がバイアスになるような形で明暗が逆になる。この様にすれば、極めて簡単に空間周波数の高い領域まで、情報を取得することができ、ＭＴＦの改善が図れる。このことで、横分解能を高くする必要のあるような測定対象物Ｇ２に対しても、信頼度の高い光学的距離を測定することが可能となる。本実施例の場合、レンズ５２を用いているので、このレンズ５２に入射される０次回折光と１次回折光の位相差がそのまま反映される程度の波面収差は許容される。したがって、高額なレンズを用いる必要性はない。また、詳細には述べないが、拡大光学系５３を省略し、レンズ５２の焦点からずらせたデフォーカス位置に受光素子５０を配置してもよい。この時、２次の波面の波面ひずみより干渉縞のコントラストを低下させることができ、実質的に０次回折光とそれ以外の回折光を重ね合わせた効果をもたらすことができる。

ここで、具体的に受光素子の調整方法を簡単に述べる。
測定対象物Ｇ２から抽出される情報が位相情報である場合、１次回折光と０次回折光との間及び、－１次回折光と０次回折光との間の２系統で行い、一方の受光素子が最大光量のときに他方の受光素子でほぼ０になるように、受光素子を調整する。測定対象物Ｇ２から抽出される情報が強度情報である場合には、１次回折光と０次回折光との間及び、－１次回折光と０次回折光との間の２系統で行い、一方の受光素子が最大光量のときに他方の受光素子でも最大になるように、受光素子を調整する。

なお、本実施例においては、焦点距離が多少異なるレンズであっても、お互いの受光素子の受けとる光量に大きな変化がなく、レンズ面内の波面収差が大きくなければ、干渉縞のピッチが多少変わる程度なので、そのまま用いることができる。また、取得できる空間周波数の限界は、１．５倍程度となる。この光学系は、レンズ系だけを用いて構成しているので、非常にシンプルで、外乱に対しても強い。

さらに、上記実施例では、各受光素子が境界線で区画された何れかの側に位置しているが、境界線を跨いで受光素子を配置しても良い。この場合でも、境界線の片側にずれた形で受光素子が位置していれば良い。

以上、本発明に係る各実施例を説明したが、本発明は前述の各実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の光学的距離計測装置は、測定対象物である試料との間の距離や試料の形状を計測できるだけでなく、顕微鏡等のさまざまな種類の測定機器に適用可能となる。また、本発明の光学的距離計測装置は、顕微鏡だけでなく、さまざまな種類の光学機器や波動を有する電磁波を用いた計測機に適用でき、これら光学機器や波動を有する電磁波を用いた計測機の分解能を向上することができるものである。

２１ レーザー光源（光源）
２２ コリメーターレンズ
２３ コントローラ
２５ 瞳伝達レンズ系
２６ ２次元走査デバイス（走査素子、２次元走査素子）
２７ ビームスプリッター
２９ 受光素子群
２９Ａ、２９Ｂ 受光素子
３０ 瞳伝達レンズ系
３１ 対物レンズ
３３ 信号比較器（計測部）
３４ データ処理部（計測部）
６０ 制御ユニット
６２ メモリ
６４ 測定用ステージ
６８ モータ
７２ リニアスケール
Ｇ１、Ｇ２ 測定対象物
Ｌ 光軸
ＬＡ 走査ビーム
Ｍ 媒体
Ｓ 境界線

Claims (6)

1. コヒーレントな照射光を照射する光源と、
   光源からの照射光を走査させて測定対象物に送る走査素子と、
   測定対象物との距離を変更可能とされつつ、走査素子からの照射光を測定対象物に直接送る対物レンズと、
   走査に伴い測定対象物を経由して変調された照射光を受光して光電変換する少なくとも２つの受光素子と、
   対物レンズから測定対象物までの距離を等間隔で変更することで、該受光素子で光電変換された信号から測定対象物の複数の位相情報を得ると共に、複数の位相情報のうちの隣り合う位相情報の値間の変化の最大となる箇所における位相情報から、測定対象物の厚み情報の値を得るのに伴い既知の媒体との間の屈折率差の値を得る計測部と、
   を含む光学的距離計測装置。
2. 計測部が、位相情報の値間の変化の最大となる箇所の前後における位相情報と厚み情報の値から屈折率差の値をそれぞれ算出し、これらの値の平均値を真の屈折率差の値とする請求項１に記載の光学的距離計測装置。
3. 計測部がメモリを有し、複数の位相情報をそれぞれメモリに一旦記憶し、
   厚み情報の値を得る際に、これら位相情報をメモリから読み出して厚み情報の値を算出するのに伴い屈折率差の値を得る請求項１又は請求項２に記載の光学的距離計測装置。
4. 計測部が、測定対象物により照射光を回折した０次回折光と１次回折光との位相差を有した光を受光素子で光電変換された信号から測定対象物の複数の位相情報を得る請求項１から請求項３の何れかに記載の光学的距離計測装置。
5. コヒーレントな照射光を照射する光源と、
   光源からの照射光を走査させて測定対象物に送る走査素子と、
   測定対象物との距離を変更可能とされつつ、走査素子からの照射光を測定対象物に直接送る対物レンズと、
   走査に伴い測定対象物を経由して変調された照射光を受光して光電変換する少なくとも２つの受光素子と、
   対物レンズから測定対象物までの距離の変更量を対物レンズの焦点深度以下として、計測の際の規準点の高さに対するこの変更の前後の高さ位置で隣接した位相情報をそれぞれ得ると共に、これら位相情報から測定対象物の厚み情報の値を得るのに伴い既知の媒体との間の屈折率差の値を得る計測部と、
   を含む光学的距離計測装置。
6. 計測部が、受光素子で光電変換された信号から直流成分と交流成分を抽出し、得られた交流成分の微分信号やヒルベルト変換した信号に基づき、変調された信号の主周波数成分を算出し、この周波数と測定対象物の有する空間周波数と対比する請求項１から請求項５の何れかに記載の光学的距離計測装置。

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