JPH06331545A

JPH06331545A - 光学的検査装置

Info

Publication number: JPH06331545A
Application number: JP5123778A
Authority: JP
Inventors: Akira Furusawa; 明古澤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-05-26
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1994-12-02

Abstract

(57)【要約】【目的】Ｓ／Ｎ比の高い光エコーを検出し得る光学的
検査装置を提供する。【構成】レーザー光源１と、レーザー光源１からの光
を２光束に分割する光分割器２と、前記２光束の一方の
光の光路長を変化させる光遅延手段４と、前記２光束を
被検物体上に照射する照射手段８と、前記被検物体から
の光を検出して出力する光検出器９とを有する光学的検
査装置において、レーザー光源１は、前記『被検物体の
光吸収帯内の波長の内、極大吸収係数を有する波長』よ
り長波長側に中心波長を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば物質の物理化学
的な性質の差を光学的に観察できる光学的検査装置に関
する。この装置は、特に病理検査に応用できる。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザー光で試料を走査して得
られた光情報を用いて試料を観察するレーザー走査顕微
鏡が知られている。しかし、従来のレーザー走査顕微鏡
によって得られる試料の情報は、通常の光学顕微鏡の画
像から得られる情報と比較すると質的に大差ないもので
あった。これに対して、本出願人は特開平４−２６９６
４４号公報において、通常の光学顕微鏡では得られない
試料の物理化学的な性質の差異に関する情報を得ること
ができる顕微鏡として光エコー顕微鏡を提案した。光エ
コー顕微鏡は、試料にレーザー光を照射して、試料中に
含まれているそのレーザー光と共鳴しうる光吸収体にお
ける光エコーによる光学的位相緩和時間（一般に、「Ｔ
₂緩和時間」又は「横緩和時間」と呼ばれている時間で
ある）を測定する物である。光エコーの現象について
は、例えば、「超高速光技術」（矢島達男編、丸善、平
成２年３月発行）に記載されている。

【０００３】特開平４−２６９６４４号公報において
は、光エコー測定とレーザー走査顕微鏡と組み合わせて
そのレーザー光と試料とを２次元的に、さらには３次元
的に相対的に走査して、得られた位相緩和時間を２次元
的叉は３次元的にマッピングすることにより、試料の物
理化学的な性質の分布状態を明らかにすることができる
と述べた。また、同時に通常のレーザー走査顕微鏡とし
ての画像も得ることができるとした。

【０００４】例えば、レーザー光と共鳴し得る色素を、
結晶質と非晶質とが混在するポリマー中に分散した場
合、結晶質中と非晶質中とでは光学的位相緩和時間が異
なることを利用することにより、結晶質相と非晶質相と
がどのような形でポリマー中に混在しているのかを光エ
コー顕微鏡により観察することができる。また、固体の
場合には、その光学的位相緩和時間は強度変調による蓄
積フォトンエコーのヘテロダイン検出法により容易に測
定することができる。さらに、光位相変調による蓄積フ
ォトンエコーのヘテロダイン検出法も使用できる。光エ
コーの光位相変調によるヘテロダイン検出法について
は、本出願人による特開平４−１３２０２０号公報に開
示されている。以下、特開平４−１３２０２０号公報に
より測定法を述べる。

【０００５】特開平４−１３２０２０号公報における測
定は、主にパルス光を用い、基本的にはフォトンエコー
（光エコー）の中の誘導フォトンエコー（誘導光エコ
ー）という現象を利用している。周知のように、物質の
光励起状態はその密度行列の運動方程式（Ｌｉｏｖｉｌ
ｌｅの方程式）で表現でき、便宜的に密度行列の対角成
分の緩和時間をＴ₁時間（縦緩和時間）、非対角成分の
緩和時間をＴ₂時間（横緩和時間）と呼んで区別してい
る。縦緩和とは、光励起状態がエネルギーの放出を伴っ
て緩和する過程を意味すると考えられており、横緩和と
は入射光によって物質中にもたらされた電気的分極の振
動のコヒーレンシーが乱されてゆく過程を示すと考えら
れている。

【０００６】光エコー（フォトンエコー）という現象
は、３次の非線形光学効果の一種であると考えられる
が、その中の誘導フォトンエコー（誘導光エコー）につ
いて図３を用いて説明する。物質をエネルギー共鳴的に
適当なパルス光で励起する場合を考える。まずｔ₁時に
Ｅ₁のパルス光を照射し、続いてｔ₂時にＥ₂のパルス
光を照射する。次にｔ₃時に第３のパルスＥ₃を照射す
ると、（ｔ₃＋ｔ₂−ｔ₁＝ｔ₃＋τ（τ＝ｔ₂−
ｔ₁））時に今度は逆に物質から光が放射されてくる。
これが誘導フォトンエコー光である。そして、誘導フォ
トンエコー光の強度は、ｅｘｐ（−４τ／Ｔ₂）に比例
して減衰する。従って、特開平４−１３２０２０号公報
の光エコー顕微鏡では、τを変えながら誘導フォトンエ
コー光の強度測定を行うことによって、物質ごと、また
は状態ごとに異なるＴ₂を求めるものであった。

【０００７】先のＬｉｏｖｉｌｌｅの方程式を、回転波
近似、及び弱励起光近似による摂動展開により計算する
と、３次の非線形分極波すなわちエコー波が求められ
る。フォトンエコーは、３次の非線形光学現象の一種で
あり、一般にはその効果は小さい。再生励起光（Ｅ₃）
に対してフォトンエコー光強度は数桁弱いのが普通であ
る。このような微弱光（フォトンエコー光）を検出する
のに、光の干渉を利用すると検出精度が上がることが知
られている。

【０００８】この場合、微弱光（フォトンエコー光）
は、位相特性の既知の光波（プローブ光Ｅ₄）と干渉さ
せて、微弱光（フォトンエコー光）の強度および位相の
変化を増幅して観測（測定）する。このとき、微弱光
（フォトンエコー光）の強度または周波数を何らかの方
法で変調し、合成光（フォトンエコー光とプローブ光と
の合成光）の出力中の同期成分だけを増幅してコントラ
ストを上げることが一般に行われている。

【０００９】光エコーとプローブ光の干渉により得られ
る光の信号強度は、書き込み時の遅延時間ｔ₂₁（＝ｔ₂
−ｔ₁）と読みだし時の遅延時間ｔ₄₃（＝ｔ₄−ｔ₃）
との僅かな差により変化する。これは、光干渉の極めて
優れた特徴である反面欠点でもある。というのは、この
僅かな差により光エコーとプローブ光が干渉するかしな
いかが決まるからである。

【００１０】通常の方法では、遅延時間ｔ₂₁と遅延時間
ｔ₄₃とを１０^-16秒の精度で一致させねばならない。こ
の時間は、光路長に変換すると１０^-2μｍに相当する。
従って、エコー光をプローブ光との干渉により検出する
装置では、１０^-2μｍ程度の機械的精度が要求されるこ
とになり、これを現在の技術力で成し遂げようとする
と、極めて高価で大掛かりな装置が必要になる。そのた
めに、特開平４−１３２０２０号公報では、以下のよう
にしている。

【００１１】ｔ₄₃−ｔ₂₁を、光の１周期以上変調する
と、エコー光とプローブ光との合成光の強度もそれと同
期して変調されることが判る。ここで、ｔ₄₃すなわち励
起光とプローブ光との遅延時間を同期して振動させるこ
とを考える。これは励起光に対しプローブ光を相対的に
位相変調したことと同等である。このときに、位相変調
周波数の偶数倍の変調成分のみが残ることが判る。

【００１２】従って、励起光とプローブ光を相対的に周
波数ｆで位相変調し、エコー光とプローブ光との合成光
を光電変換して得られる電気信号からｆの偶数倍（２
倍、４倍、６倍・・・）の成分だけを抽出すれば、エコ
ー光を安定に高精度で検出することができるわけであ
る。特開平４−１３２０２０号公報で述べた実験例にお
いて、光源は、励起光光源とプローブ光光源とを兼用し
たものであり、モード同期ＹＡＧレーザーの高調波励起
キトンレッド色素レーザーであり、繰り返し周波数８２
ＭＨｚのパルス光を出力する。キトンレッド色素レーザ
ーからは全ての波長選択素子を取り外した。その結果、
中心波長６２０ｎｍ、スペクトル幅４００ｃｍ^-1（相関
時間３７フェムト秒に相当）のインコヒーレント光が得
られた。また、この実施例におけるｔ ₁、ｔ₂、ｔ₃、
ｔ₄の関係を図３に示す。ｔ₁とｔ₃、ｔ₂とｔ₄が８
２ＭＨｚで繰り返され、ｔ₁とｔ₂、ｔ₃とｔ₄の間は
位相変調手段によって、位相変調が加えられる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記の様に従来の光エ
コー顕微鏡は、被検物体の光吸収帯内では、照射レーザ
ーの波長は限定されていなかった。従って、被検物体に
対して適当な波長の光で光エコーを測定していなかった
ため光エコー検出のＳ／Ｎ比が非常に低いと言う問題点
があった。

【００１４】本発明はかかる点に鑑み、より高いＳ／Ｎ
比で光エコーを検出し得る光学的検査装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記問題点解決のため、
本発明では、研究の結果、照射されるレーザーが被検物
体の光吸収帯の極大吸収を有する波長より長波長側に中
心波長を有する場合、非常に高いＳ／Ｎ比で光エコーを
検出できることを見いだした。そこで本発明による光学
的検査装置は、レーザー光源と、前記レーザー光源から
の光を２光束に分割する光分割器と、前記２光束の一方
の光の光路長を変化させる光遅延手段と、前記２光束を
被検物体上に照射する照射手段と、前記被検物体からの
光を検出して出力する光検出器とを有する光学的検査装
置において、前記レーザー光源は、前記被検物体の光吸
収帯内の波長の内、極大吸収係数を有する波長より長波
長側に中心波長を有する構成とした。また、レーザー光
源と、前記レーザー光源からの光を２光束に分割する光
分割器と、前記２光束の一方の光の光路長を変化させる
光遅延手段と、前記２光束を被検物体上に照射する照射
手段と、前記被検物体からの光を検出して出力する光検
出器とを有する光学的検査装置において、前記レーザー
光源は、供給する光の中心波長を前記被検物体の光吸収
帯内の波長の内、極大吸収係数を有する波長より長波長
側に変更可能である構成とした。また、前記光学的検査
装置において、前記２光束の光路と同光路を通り、前記
レーザー光源からの光よりスペクトルの広い光を出射す
る光源と、前記光源からの光を用いて被検物体の光吸収
帯内の波長の内、極大吸収係数を有する波長を求める手
段とを備えた構成とした。

【００１６】

【作用】光エコーを検出する装置において、被検物体に
照射するレーザーの中心波長を被検物体の光吸収帯内の
波長の内、極大吸収係数を有する波長より長波長側にす
ると高いＳ／Ｎ比で光エコーを検出できることを見いだ
した。そこで、レーザー光源は、被検物体の光吸収帯内
の波長の内、極大吸収係数を有する波長より長波長側に
中心波長を有することとした。さらに、被検物帯の光吸
収帯内の波長の内、極大吸収係数を有する波長より長波
長側にレーザー光源の中心波長を変更できる能力を有す
ることとした。そして、さらに、被検物の光吸収帯内の
波長の内、極大吸収係数を有する波長を測定して、その
波長に応じてその波長より長波長側にレーザー光源の中
心波長を変更できる能力を有することとした。また、レ
ーザー光源は、像面上で点光源とみなせる空間コヒーレ
ンスと被検物体の注目する光吸収帯の光学的位相緩和時
間よりも短い時間コヒーレンスを有することが好まし
い。

【００１７】

【実施例１】図１は、本発明の第１の実施例による光学
的検査装置である。以下、本発明による光学的検査装置
の実施例について、図１を参照して説明する。図１は、
本実施例の光学的検査装置の概略の構成を示し、この図
に示すように、本例の光学系は大別すると、それぞれ点
線で囲まれた２つの部分、即ち、光源手段（Ａ）、光変
調光学系（Ｂ）から構成される。

【００１８】本実施例の光源手段（Ａ）は、レーザー光
源１そのものであり、このレーザー光源１は８０ＭＨｚ
のモード同期アルゴンイオンレーザー励起による色素レ
ーザーである。レーザー光源１としては、その外に、マ
ルチモード半導体レーザー、モード同期半導体レーザ
ー、発光ダイオード叉は固体レーザー等を使用すること
ができる。ここで、レーザー光源１は、被検物体の光吸
収帯内の波長の内、極大吸収係数を有する波長より長波
長側に中心波長を有するものとする。また、レーザー光
源１から発生される光は、像面上で点とみなせる空間コ
ヒーレンスを有し、且つ被検物体の注目する光吸収帯の
光学的な位相緩和時間よりも短い時間コヒーレンスを有
する。

【００１９】図２において、レーザー光源１で発生され
たレーザー光を光変調光学系（Ｂ）の入力側の光分割器
２に入射させ、この光分割器２でそのレーザー光を２つ
の光束に分割する。また、光変調光学系（Ｂ）の出力側
には、そのように分岐された２つの光束を合波する光合
波器３を配置する。光分割器２及び光合波器３は共に偏
光ビームスプリッターであるが、代わりに偏光特性がほ
とんど無いか或いは全く無い半透鏡なども用いることが
できる。

【００２０】光分割器２と光合波器３との間に並列に第
１の直交反射面６ａ、６ｂと第２の直交反射面７ａ、７
ｂとを配する。このように光源手段（Ａ）からの光を２
分して再び合波する光学系としては、マイケルソン干渉
計やマッハツェンダー干渉計等に類する２光路干渉光学
系が好適である。光分割器２の分割面を透過した光束
は、第１の直交反射面の一方の反射面６ａで反射された
後に、図示省略した可動ステージに固定された第１のコ
ーナーキューブ４ａに向かう。このコーナーキューブ４
ａで反射された光束が第１の直交反射面の他方の反射面
６ｂで反射されて光合波器３に入射する。４ｂはその可
動ステージを介してコーナーキューブ４ａを変位させる
変位器を示し、コーナーキューブ４ａ、可動ステージ及
び変位器４ｂより光遅延手段４が構成されている。この
変位器４ｂを用いてコーナーキューブ４ａを移動させる
ことにより、一方の光束に所定量だけ遅延を生じさせる
ことができる。ここで、コーナーキューブ４ａの代わり
に、２枚の鏡或いは直角プリズム等を用いても良い。

【００２１】光分割器２の分割面で反射された光束は、
第２の直交反射面の一方の反射面７ａで反射された後
に、位相変調手段５に入射する。位相変調手段５として
は、一般に電気光学結晶を用いたものがよく知られてい
るが、本実施例においては、一端が固定され他端にコー
ナーキューブ５ａが固定された圧電素子５ｂを用いてい
る。そして、交流駆動電源５ｃにより圧電素子５ｂに所
定の周波数ｆの交流電圧を印加することによって、コー
ナーキューブ５ａが周波数ｆで振られるので、光分割器
２の分割面で反射された光束は、周波数ｆで変調され
る。コーナーキューブ５ａ、圧電素子５ｂ、交流駆動電
源５ｃから位相変調手段５は構成されている。ここで、
コーナーキューブ５ａの代わりに分散の小さな直角プリ
ズム等を用いても良い。

【００２２】位相変調手段５を通過した光束は、第２の
直交反射面７ｂで反射されて光合波器３に入射する。本
実施例では、光分割器２の透過光路上に光遅延手段４
を、反射光路上に位相変調手段５を配置したが、これに
限らず、逆の配置でも可能であり、また光遅延手段と位
相変調手段とを共に一方の光路上に配置することも可能
である。

【００２３】これら光分割器２、光合波器３、光遅延手
段４及び位相変調手段５により光変調光学系（Ｂ）が構
成されている。この光変調光学系（Ｂ）内の２光束が光
合波器３で合波され、適当なレンズ系８を通して試料室
２１中の被検試料２０に照射される。レンズ系８は光学
顕微鏡の対物光学系と共通とすることもでき、その場合
は、接眼光学系を別につければ光学顕微鏡となり、目視
観察も可能となる。さらに、照射光学系と共焦点の別の
光学系を組み、ピンホールを前置した光検出器を配置
し、試料室２１を可動ステージと組み合わせれば、レー
ザー走査顕微鏡型の光エコー顕微鏡となる。試料室２１
は必要に応じて冷却できる。

【００２４】被検試料２０の光スポット形成部における
蛍光若しくは燐光による発光、照射レーザー光の反射、
回折及び散乱等をうまく検出できるよう検出器９を配置
する。検出器９は、光電子増倍管よりなる。検出器９の
前には必要に応じてフィルターを挿入する。ここで、検
出器９の位置は、図の位置に限定されるものではなく、
透過光を検出する配置であっても良い。

【００２５】検出器９は光電変換により入射光量に応じ
た信号を出力し、この検出器９から出力される信号のな
かから位相変調周波数の２倍の変調成分のみがロックイ
ンアンプ３１により増幅される。増幅された信号は、光
遅延手段４による遅延時間に応じて、電気信号処理装置
４０を介してデータ処理装置５０の中に蓄えられ解析さ
れる。

【００２６】本実施例において、レーザー光源の中心波
長は、被検物体の光吸収帯内の波長の内、極大吸収係数
を有する波長に応じて、その波長より長波長側に変化さ
せてもよい。照射レーザーの中心波長の移動方法は、レ
ーザー色素を変えたり、レーザーのキャビティー長を変
化させたり、レーザーのキャビティーの中に複屈折フィ
ルタを入れることにより達成される。

【００２７】以上の如き本実施例の光学的検査装置によ
り、被検試料としてローダミン６４０染色人肝臓組織の
正常組織および腫瘍組織を用いて検査を行った。試料の
温度は５ケルビンとした。ローダミン６４０の光学吸収
帯の極大吸収係数を有する波長は５９０ｎｍであった。
レーザーの中心波長を、試料の光学吸収帯の極大吸収係
数を有する波長より長波長側である約６００ｎｍにして
測定したところ、非常に高いＳ／Ｎ比で光エコーが測定
でき、求められた位相緩和時間Ｔ₂から両者を明確に区
別することができた。即ち、人肝臓組織の正常・異常を
区別でき、非常に高感度な病理検査が可能であった。し
かし、レーザーの中心波長を極大吸収係数波長の短波長
側の約５８０ｎｍとしたところ、得られた光エコーのＳ
／Ｎ比は非常に低かった。染色色素としては、テキサス
レッドおよびその誘導体、ローダミン６４０誘導体、ギ
ムザ染料、メチレンブルー、アズールＢ、エオシン等を
用いても同様に、極大吸収係数波長の長波長側ではＳ／
Ｎ比が高かったが、短波長側では低かった。被検試料と
しては、組織試料に限らず細胞試料であっても可能であ
った。実験条件として、位相変調器５の位相変調周波数
は２０ＫＨｚであった。光遅延手段４のステージ位置を
走査しながら４０ＫＨｚの電気信号のみをロックインア
ンプ３１により増幅記録すると、光学的位相緩和時間が
得られ、その情報を基に客観的な検査結果を出すことが
できた。

【００２８】本実施例では、位相変調を用いて光エコー
を測定したが、強度変調を用いて光エコーを測定しても
同様にＳ／Ｎ比の高い測定が可能である。

【００２９】

【実施例２】図２は、本発明の第２の実施例における光
学的検査装置である。被検物体の光吸収スペクトルを測
定するために、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀
ランプなどのスペクトルの広い光源を用いる。この光源
は、レーザー光源１の位置に配置してもよいし、光源６
０の位置に配置してもよい。このとき、レーザー光源１
または別のレーザー光源のレーザー光を、自己位相変調
等を用いてスペクトルの広い光にしたものを用いてもよ
い。この光を、不図示の分光器等の波長走査装置を介し
て波長をわけて順次被検物体に照射する。検出器９及び
データ処理装置５０により被検物体のスペクトル形状測
定後、注目する光吸収帯内の波長の内、極大吸収係数を
有する波長を求める。

【００３０】後の構成は実施例１と同様にする。上記の
測定は、データ処理装置５０からレーザー光源１に指令
を出して、自動的に行ってもよい。本実施例によれば同
様な装置で被検物体の極大吸収係数を有する波長を測定
できるので、Ｓ／Ｎ比の高い光エコーの測定が簡単にで
きる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、より高いＳ／Ｎ比で光
エコーが検出でき、高精度の光学的検査が可能となる。
本発明の光学的検査装置を用いれば、非常に高感度で被
検物体の物理化学的な性質の差を検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による光学的検査装置の
構成図。

【図２】本発明の第２の実施例による光学的検査装置の
構成図。

【図３】従来の光エコーの測定原理の説明図。

【主要部分の符号の説明】

１・・・レーザー光源２・・・光分割器３・・・光合波器４・・・光遅延手段５・・・光変調手段８・・・レンズ系９・・・光検出器３０・・・制御手段４０・・・電気信号処理装置５０・・・データ処
理装置６０・・・光源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光源と、前記レーザー光源から
の光を２光束に分割する光分割器と、前記２光束の一方
の光の光路長を変化させる光遅延手段と、前記２光束を
被検物体上に照射する照射手段と、前記被検物体からの
光を検出して出力する光検出器とを有する光学的検査装
置において、前記レーザー光源は、前記『被検物体の光吸収帯内の波
長の内、極大吸収係数を有する波長』より長波長側に中
心波長を有することを特徴とする光学的検査装置。
【請求項２】レーザー光源と、前記レーザー光源から
の光を２光束に分割する光分割器と、前記２光束の一方
の光の光路長を変化させる光遅延手段と、前記２光束を
被検物体上に照射する照射手段と、前記被検物体からの
光を検出して出力する光検出器とを有する光学的検査装
置において、前記レーザー光源は、供給する光の中心波長を前記被検
物体の光吸収帯内の波長の内、極大吸収係数を有する波
長より長波長側に変更可能であることを特徴とする光学
的検査装置
【請求項３】前記２光束の光路と同光路を通り、前記レ
ーザー光源からの光よりスペクトルの広い光を出射する
光源と、前記光源からの光を用いて前記『被検物体の光吸収帯内
の波長の内、極大吸収係数を有する波長』を求める手段
とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記
載の光学的検査装置。