JPH05501454A - 多チャンネルアナログ検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 多チヤンネルアナログ検出方法及びその装置韮丘立ｌ この発明は、多チヤンネルアナログ検出方法及び装置に関するものである。

■米互且惠 フォトダイオードの配列またはマトリックス等の多チャンネル検出器は、非常に 急速に開発されてきており、また現在広く使用されている。

単チヤンネル検出器において頻繁に用いられる信号／ノイズ比を改善するための 方法を直接多チャンネル検出器に転用することは、しばしば困難である。このた め、多チヤンネルアナログ検出のための方法及び装置が非常に重要となっている 。

特に、同期検出方法は、現在単チヤンネル検出器において用いられている。この 方法は、非常に満足のゆ（結果が得られ、その重要性は論を待たないところとな っている。

この、分光計、ジクロメータ、偏光計、楕円偏光計、光学または電子走査顕微鏡 、干渉顕微鏡等に同様に使用される方法によれば、最も多い発生源は輝度発生源 であり、この発生源が変調される。検出後に、変調信号は増幅された後に、平均 値がゼロである基準と乗算される。ＤＣ増幅器を接続したローパスフィルタによ って、高いノイズ除去率の情報を得ることを可能としている。これにより、９０ デシベルを頻繁に得ることが出来る。

この方法の重要性を考慮して、多チャンネル検出器において、この方法を使用す るための転用が試みられてきている。

この点において、第一の対策は、多チャンネル検出器の要素であるできるだけ多 くの同期検出器を結合させるものである。この方法は、特別の回路の平行した読 みを必要とするとともに、多数の要素で構成される検出器に使用することが急激 に困難となる。

現在広く普及している多チャンネル検出器は、２５６乃至数百万チャンネルのダ イオードの配列またはマトリックスである。

第二の対策は、多チャンネル検出器の要素を、変調周波数よりも高い周波数で連 続的に読みとり、ディジタル情報化し、種々のメモリに格納し、こうして得られ た信号をプログラムされたＡＤＰ装置によって処理するものである。

第二の対策は、現在ディジタルメモリの処理時間によって制限され、非常に低い 変調周波数（数ヘルツ）においてのみ使用可能なものである。さらに、平均値を ディジタル的に得るための良好なダイナミックレンジを得るために、非常に高い 分解能（１２ビット以上）と妥当な測定速度のアナログ−ディジタル変換器が必 要となる。

同様の困難が、多チャンネル検出器に採用されるヘテロゲイン検出方法において も発生する。

本発明の目的は、従って、使用が簡単であり、測定信号の信号／ノイズ比を改善 するとともに良好なダイナミックレンジを示す多チヤンネルアナログ検出方法及 び装置を提供することにある。

このため、本発明によれば、 −検出する信号が変調され、ノイズを含む周波数ｆの変調信号Ｓ　（Ｐ）が発生 され、 −変調信号を位相Φで同期減衰して減衰変調信号を発生し−減衰変調信号を多点 受信器で受信して、各点において一次のアナログ電気信号を発生し、 −各−次のアナログ信号をＮの期間で積分して、各点Ｐにおける値Ｖ　（Ｐ、Φ ）を発生し、 −値Ｖ　（Ｐ、　Φ）を、点の組及び固定位相値Φに関して読みとり、ディジタ ル化して、記憶し、 −位相Φを連続的に（ｎ−１）回、２π／ｎずつ増加させ、これらの各値に関し て、値Ｖ　（Ｐ、Φ）を記憶することを可能とする動作を反復し、 −各点Ｐにおいて得られたｎ個の値ｖ　（ｐ、Φ）がディジタル的に処理されて Ｓ　（Ｐ）の振幅及び位相を示すデータ項目を発生する被検出信号の多チヤンネ ルアナログ検出方法が提案される。

本発明は、さらに、 −変調信号Ｓ　（Ｐ）を発生する変調器と、−変化する位相Φの同期減衰により 減衰変調信号を発生する手段と、 −減衰変調信号を受信して各点の一次のアナログ信号を発生する多点受信器と、 −−次のアナログ信号を期間Ｎで積分して各点の値Ｖ（Ｐ、Φ）を発生する積分 器と、 −所定の位相Φに関して値Ｖ　（Ｐ、Φ）を読みとり、ディジタル化し、記憶す る手段と、 −ΦにΦ０＋１２π／ｎの値、ここでｉは１乃至ｎで変化する整数、を与える位 相シーケンサと、−値ｖ　（ｐ、Φ）からＳ　（Ｐ）を示すデータを得ることを 可能とするディジタル処理ユニットとによって構成した被検出信号の多チヤンネ ルアナログ検出装置に関するものである皿ｌ旦呈！虞員里 本発明を以下に添付図面を参照しながら、さらに詳細に説明する。

第１図は、本発明において使用される多点受信器の概略を示す図、 第２図は、本発明の検出方法のタイミング図、ｇＪ３図は、本発明の検出装置の 全体を示す図、第４図は、本発明の検出装置の第一の通用例を示す図、第５図は 、本発明の検出装置の第二の適用例を示す図、第６図は、本発明の検出装置の詳 細を示す部分図、第７図は、本発明の検出装置とともに使用する偏光顕微鏡のた めの装置を示す図、 第８図は、第７図及び第８図の装置によって得られた画像の例を示す図である。

を　するための　゛な龍 本発明による多チヤンネルアナログ検出方法及び装置は、種々の形式の信号の検 出に非常に一般的な方法で使用される。しかしながら、それらは配列またはマト リックス状のフォトダイオードによる光束の測定を行うのに特に適している。

こうした検出器において、各フォトダイオード１が、ダイオード２とコンデンサ ３の並列回路と等価であること自体が知られている。この回路に分配供給される 電流は、フォトダイオード１によって受けられた光束の関数である。制御可能な スイッチ■１は、選択された瞬間におけるコンデンサ３の電荷の読みとりを可能 として、二つの読みとり時点間に受け取られた光エネルギ、即ち光束の積分値の 測定を可能とするフォトダイオードの配列またはマトリックスは、この形式の要 素を非常に多数有しており、その要素の数は、用途に応じて２５６乃至数百刃の 範囲で変動する。

適合された装置は、スイッチ１１、Ｉ２．１３．、、Ｉｉを、対応するフォトダ イオードが受け取るエネルギＥｌ　、Ｅ２、Ｅ３．、、Ｅｉを示すことが出来る ように連続的に制御することを可能とする。

一般に、検出される信号は、周波数ｆ及び周期Ｔの変調信号Ｓ　（Ｐ）を得るた めに変調されている。この信号は、言うまでもなくノイズを含んでいる。

このＩＩｊ：、調部波数は、以下に説明するように、周波数ｆに対して多点受信 器に分配供給されたデータの読みとり及びこれらのデータのディジタル化の周波 数が減少されているので、例えば数百ＭＨｚ程度の比較的高い周波数とすること が出来る。

ある特定の場合、上記した周波数範囲ｆの周期信号が直接発生し、直接利用する ことが出来る物理現象が観察される。

より頻繁には、検出される信号は、単独の検出器やヘテロゲイン検出における同 期検出の周知の原理に従った用途のために、最初に徐々に変調される。この変調 は、種々の装置によって得られる。検出される信号が光源によって発生された光 ビームによって搬送される光信号である場合、直接光源を変調して変調信号を得 ることが可能である。また、光源と多点受信器の間に介挿した、例えばポシェル ス（ＰＯＣＨＥＬＳ）モジュール、機械的変調器、弾性光学変ｉｌｌ器、回転偏 光器等の変調手段を使用することも同様に可能である。

例えば第２図に示す、変調された信号Ｓ　（Ｐ）は、次いでＡ（Φ）で示される 位相Φの同期減衰を受けて、減衰変調信号を発生する。この減衰変調信号Ａ（Φ ）は、変調信号と同一周波数ｆの周期信号であり、Ｓ　（Ｐ）に対する移相を決 定する位相Φは変化させることが出来る。この条件が満足されている間、その減 衰変調信号は、連続方形波、サイン波等種々の形式をとることが出来る。

第２図及び第３図を参照した以下の説明においては、関数Ａ（Φ）が方形波であ る場合について説明する。

この関数Ａ（Φ）は、周期の１／ｎの部分の間１であり他の部分においてはゼロ である。減衰変調信号ｓ　＜ｐ＞　χＡ（Φ）は、従って、一定の移相（第２図 のｎ＝４）における信号の各周期の１　／　ｎの部分のチロラビングに対応する 。

上記にように変調され、減衰された光信号は、多点受信器にアドレスされ、各点 に関して同一形式の一次にアナログ電気信号に変換される。

この−次のアナログ電気信号は、Ｎの期間で積分されて、値Ｖ　（Ｐ、Φ）が発 生される。

各点に関して、値Ｖ　（Ｐ、Φ）が、信号Ｓ　（Ｐ）のＮの期間にこの点の検出 器によって受け取られた光束よって生成される。

一定の位相値Φの点の組の値ｖ　（ｐ、Φ）は、その後に読みとられ、ディジタ ル化され、記憶される。これらの読みとり、ディジタル化及び記憶の動作は従っ てｆ／Ｎの頻度で行われる。

与えられたΦの値に関してこれらの動作が行われた後に、同期減衰Ａ（Φ）の位 相Φは、変調信号Ｓ　（Ｐ）に対して２π／ｎ増加される。

ＦｖＳ（Ｐ）の新しいチ嘗ツビングが、先のチｉ１７ピング周期に続いて、２π ／ｎの時間間隔に対応して発生される。

同様の方法によって、減衰変調信号は、多点受信器によって受信され、各点にお ける一次のアナログ電気信号が発生される。この新しい一次のアナログ信号は、 Ｎに期間で積分され、各点に関して新しいΦの値に対応した値Ｖ　（Ｐ、Φ）が 発生される。これらの新しい値Ｖ　（Ｐ、Φ）は、再び読みとられ、ディジタル 化され、記憶される。

位相Φは連続的に、２π／ｎずつ増加され、従ってｎ個の組の値Ｖ　（Ｐ、　Φ ）が記憶される。

これらの動作において、値Ｖ　（Ｐ、Φ）の読みとり及びディジタル化が、周波 数ｆに比べてはるかに低いｆ／Ｎの頻度で行われることが強調されることが重要 である。従って、上記したように、検出する信号の変調周波数を、多点受信器か ら分配供給される信号の読みとり及びディジタル化の周波数と無関係とすること が可能となる。この特徴は、検出における信号／ノイズ比を大幅に改善すること を可能とするとともに、いかなる多点検出器においてもヘテロゲイン検出方法を 使用することを可能とし、特にＣＣＤ型の光束検出器においてヘテロダイン検出 方法を採用することを可能とする。

多点受信器がＣＣＤ要素で構成されている場合、−次のアナログ信号の積分は、 各フォトダイオードのレベルから直接得ることが出来る。移相Φの各種に関する 値Ｖ　（Ｐ、Φ）の読みは、スイッチ４０−１．４０−２１．、．４０−ｉ、。

１．を制御するシフトレジスタ４１の動作によって得ることが出来、ビデオライ ン４２に信号が発生される。増幅器４３による増幅の後に、情報Ｖ　（Ｐ、Φ） を持ったビデオ信号は、アナログ−ディジタル変換器４４によってディジタル化 され、ＡＤＰ装置４５に格納される。

クロック４６は、減衰の変調信号との同期化を確実とするとともに、値Ｖ　（Ｐ 、Φ）も読みとりを制御する。

従って、各点Ｐの値Ｖ　（Ｐ、Φ）が記憶される。周知の方法によって、処理ユ ニット４６は、これらｎ個の値を処理して信号Ｓ　（Ｐ）の振幅及び位相を示す データを発生する。これらの値は、ディスプレイに表示し、プロフタを用いて印 刷し、種々の制御に使用する等積々の目的において使用可能である。

上記においては、方形波関数による減衰を使用する方法について説明をしたが、 変調信号に関して、２π／ｎずつ減衰の位相を移相した値Φに関してｎ組の値Ｖ 　（Ｐ、　Φ）を発生することが出来る限りにおいて、他のいかなる正の周期関 数をも使用することが出来る。

第２図において、ｎ＝４である。ｎのより大きな値においては、ｒの倍数の周波 数の信号の調波を測定することが出来る。

第４図及び第５図は、本発明を用いた検出装置の二つの例を示している。光源５ ０は、検出する信号を発生する物理現象を観察するために使用される。この光源 によって発生された光ビーム５１は、例えばフォトダイオードのＣＯＤ　（電荷 転送装置）配列によって構成された多点検出器５２によって検出される。光源５ ０と多点受信器５２との間には、光ビームの変調手段５３が介挿される。

第４図に示す例による実施例においては、減衰はシャッタ５４によって与えられ 、第５図の例においては、減衰は光源５０によって与えられる。二つの実施例に おいて、変調手段５３及び減衰手段５４または５５は、確実に同期をとるための 同一のクロック５６によってＩＩＩされる。この同一のクロック５６は、ドライ バモジュール５７の動作によって、ダイオード５２の配列の読みとりを制御する 。位相Φの各種に関する値Ｖ　（Ｐ、Φ）を持つビデオ信号は、処理ユニットに よってアドレスされる。

第６図、第７図及び第８図を参照して、干渉顕微鏡による粗度測定に対する本発 明の適用に関して説明する。

第７Ａ図は、一般的な光学系の説明図であり、第７Ｂ図及び第７Ｃ図は対象７０ 及びこの装置における多点検出器を示している。

粗度を測定する対象７０は、鏡である。光源７１は、ウオーラストン（ＷＯＬＬ ＬＡＳＴＯＮ）プリズム７２を横断して、直角に偏光され、接眼レンズ７５、レ ンズ筒７６及び対物レンズ７７の作用によって対象７０に焦点された二つのビー ム７３．７４を発生する。円筒状レンズ７８はビームを変形させて、線７９．８ ０にそって焦点させる。

分光器８１は、反射光をフォトダイオードのＣＣＤ配列で構成された多点受信器 に向ける。レンズ８３は、ビームを受信器上に焦点させ、弾性光学変調Ｓ８４は 二つのビームの位相差を変調し、偏光５８５はそれらの干渉を発生させる。従っ て、線７９及び８０の各点及び対象７０に関して、反射ビーム間の位相差は測定 点に導入される経路に応じて変化し、従ってビームに対する法線方法の面に関す る相対位置に応じて変化する。

受信器８２の、点８６．８７（点８６．８７及び８８は光学的に隣接している） に対応する点８８で受信された信号は、ビーム間の位相差に応じて変化し、従っ て、ビームの法線に沿った面に対する点８６．８７の相対位置に応じて変化する 。検出器８２の種々の点において受信された組の信号によって、線７９．８０に 沿った対象の粗度の測定を可能とする。対象７０をこれらの線に直角な方向に移 動させることによって、すべての面を走査することが出来る。

マイクロコンピュータ１００は、測定を行い多点検出器８２によってメモリに値 Ｖ　（Ｐ、Φ）が継続的に供給されるようにして、Ｓ　（Ｐ）を示す測定値が発 生されるようにする。

変調は、変調器８４を５０ＫＨｚの周波数に制御することによって行われる。

減衰は、ブロック１０２によって光源１０５への電源供給１０４をｍａｔするこ とによって発生される。減衰信号は二つのπ分オフセットされた周期信号で構成 され、供給Ｒ１０４（Ａ　（Φ）は方形波関数、ｎ＝２）に連続的に供給される 。

ＣＣＤレジスタ１０３の読みとりは、例えば１０００回（ｎ＝１０００＞の複数 回の露光の記憶後にか（位相の減衰信号に関して行われる。従って読みとりは、 ５０Ｈｚの周波数で行われる。

ＣＣＤレジスタ１０３の読みとりによって発生されたビデオ信号は、アナログ− ディジタル変換器１０６にアドレスされ、マイクロコンピュータ１００に格納さ れる。

後者は、反対の位相における減衰に関する二つの読みとりの間に得られた値の間 の差を発生して、検出器の各点における信号の振幅を抽出する。

第８図は、上記した装置によってサンプルの粗度のディスプレイを示している。

多チヤンネル検出方法及び装置波、種々の分野に適用可能であり、特に分光計、 ジクロメータ、偏光計、楕円偏光計、光学または電子走査顕微鏡、干渉顕微鏡等 に使用可能である要約書 本発明は、非常に良好な信号／ノイズ比を持つ、検出される信号の多チヤンネル アナログ検出装置に関する。

この装置は、変調信号Ｓ　（Ｐ）を発生する変調器（５３）と、変化する位相Φ の同期減衰により減衰変調信号を発生する手段（５４）と、減衰変調信号を受信 して各点の一次のアナログ信号を発生する多点受信器（５２）と、−次のアナロ グ信号を期間Ｎで積分して各点の値Ｖ　（Ｐ、Φ）を発生する積分器と、所定の 位相Φに関して値Ｖ　（Ｐ、Φ）を読みとり、ディジタル化し、記憶する手段と 、ΦにΦ０＋ｉ２π／ｎの値、ここでｉは工乃至ｎで変化する整数、を与える位 相シーケンサと、値Ｖ　（Ｐ、　Φ）からＳ　（Ｐ）を示すデータを得ることを 可能とするディジタル処理ユニットとによって構成される。

この装置は、フォトダイオードの配列による光束の検出に特に適合される。

第４図 宝＠謹査磐告 国際調査報告

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．−検出する信号が変調され、ノイズを含む周波数ｆの変調信号Ｓ（Ｐ）が発 生され、 −変調信号を位相Φで同期減衰して減衰変調信号を発生し、 −減衰変調信号を多点受信器で受信して、各点において一次のアナログ電気信号 を発生し、 −各一次のアナログ信号をＮの期間で積分して、各点Ｐにおける値Ｖ（Ｐ，Φ） を発生し、 −値Ｖ（Ｐ，Φ）を、点の組及び固定位相値Φに関して読みとり、ディジタル化 して、記憶し、 −位相Φを連続的に（ｎ−１）回、２π／ｎずつ増加させ、これらの各値に関し て、値Ｖ（Ｐ，Φ）を記憶することを可能とする動作を反復し、 −各点Ｐにおいて得られたｎ個の値Ｖ（Ｐ，Φ）がディジタル的に処理されてＳ （Ｐ）の振幅及び位相を示すデータ項目を発生する被検出信号の多チャンネルア ナログ検出方法。
2. ２．位相Φが、π／２（ｎ＝４）ずつ連続して増加される請求の範囲第１項に記 載の多チャンネルアナログ検出方法。
3. ３．同期減衰が、連続的に０及び１に値が変化する方形波関数によって変調信号 を乗算して発生される請求の範囲第１項及び第２項のいずれかに記載の多チャン ネルアナログ検出方法。
4. ４．検出される信号が光信号である請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記 載の多チャンネルアナログ検出方法。
5. ５．検出する信号の変調が、光源の変調によって得られる請求の範囲第４項に記 載の多チャンネルアナログ検出器。
6. ６．各点に関する一次のアナログ電気信号が、ヘテロダイン検出によって得られ る請求の範囲第１項に記載の多チャンネルアナログ検出方法。
7. ７．−変調信号Ｓ（Ｐ）を発生する変調器と、−変化する位相Φの同期減衰によ り減衰変調信号を発生する手段と、 −減衰変調信号を受信して各点の一次のアナログ信号を発生する多点受信器と、 −一次のアナログ信号を期間Ｎで積分して各点の値Ｖ（Ｐ，Φ）を発生する積分 器と、−所定の位相Φに関して値Ｖ（Ｐ，Φ）を読みとり、ディジタル化し、記 憶する手段と、−ΦにΦ０＋ｉ２π／ｎの値、ここでｉは１乃至ｎで変化する整 数、を与える位相シーケンサと、−値Ｖ（Ｐ，Φ）からＳ（Ｐ）を示すデータを 得ることを可能とするディジタル処理ユニットとによって構成した被検出信号の 多チャンネルアナログ検出装置。
8. ８．−検出される信号が、光源によって発生されたビムによって搬送される光信 号であり、 −装置が多点受信器と積分器を構成するフォトダイオード（ＣＣＤ）を有してい る請求の範囲第７項に記載の多チャンネルアナログ検出装置。
9. ９．光源が供給源を備えたレーザダイオードで構成され、同期減衰手段が光源の 供給手段に対して作用する請求の範囲第８項に記載の多チャンネルアナログ検出 装置。
10. １０．同期減衰手段が、光源と多点受信器間に配置されたシャッタである請求の 範囲第８項に記載の多チャンネルアナログ検出装置。
11. １１．多点受信器の各点に関して発生された一次のアナログ電気信号の信号／ノ イズ比を改善するヘテロダイン検出手段をを有する請求の範囲第７項に記載の多 チャンネルアナログ検出装置。
12. １２．値Ｖ（Ｐ，Φ）を読み出してビデオ形式の信号を発生し、ディジタル化手 段をアドレスする手段を有する請求の範囲第７項乃至１１項のいずれかに記載の 多チャンネルアナログ検出装置。
13. １３．偏向された光による干渉顕微鏡による経路長の差に測定に使用される請求 の範囲第７項乃至第１２項に記載の多チャンネルアナログ装置。