JP6979693B2 - Optical measuring device - Google Patents
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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に対して、透過度、反射度、吸光度等の強度情報と光学的距離情報を同時に取得しかつ両者を正確に分離する光学計測装置に関し、顕微鏡等の光学機器の性能を向上させる装置に好適なものである。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides intensity information such as permeability, reflectivity, and absorbance and optical measurement for measuring the profile of the surface state of the object to be measured and measuring and observing the surface state and internal state of cells by irradiation with laser light. An optical measuring device that simultaneously acquires distance information and accurately separates the two is suitable for a device that improves the performance of an optical device such as a microscope.
従来の光学的顕微鏡では、光学的距離等の3次元の計測が困難であることに加え、位相情報と強度情報を正確に分離することはできなかった。例えば、位相差顕微鏡は、コントラストの低い生物細胞等を明瞭に観察するために、位相板を用いて、位相情報を強度情報に変換して観察していた。したがって、位相情報を可視化できるが、強度情報も観察されていた。 このように従来の位相差顕微鏡は、純粋に位相情報あるいは強度情報だけを分離して、観察する顕微鏡ではなかった。また、位相情報を可視化する微分干渉顕微鏡においても、同様であった。特に、3次元計測を可能にするためには、位相情報である光学的距離情報と強度情報は明確に分離する必要性がある。 In addition to the difficulty of three-dimensional measurement of optical distance and the like with a conventional optical microscope, it has not been possible to accurately separate phase information and intensity information. For example, a phase-contrast microscope used a phase plate to convert phase information into intensity information for observation in order to clearly observe low-contrast biological cells and the like. Therefore, although the phase information can be visualized, the intensity information was also observed. As described above, the conventional phase contrast microscope is not a microscope that purely separates and observes only phase information or intensity information. The same was true for a differential interference microscope that visualizes phase information. In particular, in order to enable three-dimensional measurement, it is necessary to clearly separate the optical distance information and the intensity information, which are phase information.
この一方、従来の光学的な行路差を検出する手段としては、共焦点顕微鏡やデジタルホログラム顕微鏡等が知られている。
前者の共焦点顕微鏡は、測定対象物にスポット光を照射しそのスポット光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していた。
On the other hand, a confocal microscope, a digital hologram microscope, and the like are known as means for detecting a conventional optical path difference.
The former confocal microscope irradiates the object to be measured with spot light so that the amount of light received by the light receiving element arranged at the confocal position via the pinhole is maximized with respect to the spot light. By moving the object to be measured, the height information and the route difference information of the object to be measured were acquired.
また、後者のデジタルホログラム顕微鏡は、測定対象物に対して略平行なレーザー光を照射し、測定対象物で回折された光を対物レンズにて集光し、レファランスとなる平面波とCCD等のエリアセンサ上にて干渉させてホログラムを作成するものである。そして、この干渉縞を計算にて解析することにより元の測定対象物からの波面を復元して、行路差情報を取得していた。 Further, the latter digital hologram microscope irradiates a laser beam substantially parallel to the object to be measured, collects the light diffracted by the object to be measured by an objective lens, and serves as a reference plane wave and an area such as CCD. A hologram is created by interfering with the sensor. Then, by analyzing this interference fringe by calculation, the wavefront from the original measurement object was restored and the path difference information was acquired.
ところが、前者の共焦点顕微鏡では、基本的にスポット光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る。さらに、測定対象物が吸収率変化や反射率変化により強度むらの生じるようなものである場合、強度の変化が生じる点においては当然に受光した光量が変化するので、ピンホールを通過する光量は、合焦点で強度が強くなったのか、強度むらにより強くなったのか判断することはできず、誤った光学的距離を算出することになる。 However, in the former confocal microscope, basically, if there is a phase distribution in the spot light, the beam is deformed and erroneous information is obtained. In particular, it must be said that the reliability of the value is poor when the object to be measured is a cell or the like whose wavefront changes topologically such as a change in the refractive index. In addition, since it is necessary to move the objective lens and the object to be measured so that the amount of received light is maximized, real-time performance is lacking. Further, when the object to be measured has an intensity unevenness due to a change in absorption rate or a change in reflectance, the amount of light received naturally changes at the point where the intensity changes, so that the amount of light passing through the pinhole is It is not possible to determine whether the intensity has increased due to in-focus or uneven intensity, and an incorrect optical distance will be calculated.
後者のデジタルホログラム顕微鏡では、対物レンズで回折された光を集光し、参照平面波と干渉させて、その明暗パターンをCCD等で取り入れ、計算機においてその波面を再生して情報としている。ところが、参照平面波はいくつもの光学素子を通過した平面波なので、平面波とはいえ微視的に見れば、波長の1/10程度は面内で凹凸がある。この波面の凸凹状態を何らかのキャリブレーション用の平面等で記憶しておいても、温度の揺らぎや空気密度の揺らぎ等で、実効的に揺らいでしまう。このために、異なる行路を通過した平面波と物体波との干渉パターンは厳密な意味では、物体波を再生しているとは言い難かった。 In the latter digital hologram microscope, the light diffracted by the objective lens is condensed and interfered with the reference plane wave, the light and dark pattern is taken in by a CCD or the like, and the wavefront is reproduced by a computer for information. However, since the reference plane wave is a plane wave that has passed through a number of optical elements, even if it is a plane wave, about 1/10 of the wavelength is uneven in the plane when viewed microscopically. Even if the uneven state of the wavefront is stored in a plane for calibration or the like, it will be effectively fluctuated due to fluctuations in temperature or air density. For this reason, it was difficult to say that the interference pattern between the plane wave and the object wave that passed through different paths was reproducing the object wave in a strict sense.
他方、結像光学系の一部にフーリエ変換面を用意し、この面に位相型の空間変調器を配置し、0次回折光に位相変調を加える方法が、下記特許文献1及び非特許文献1、2に開示されている。この方法では、0次回折光と1次回折光との間に90度ずつ位相差を生じさせた計4種類の画像を結像面に配置したCCDカメラで撮像している。そして、この4種類の画像の相互の演算から光学的距離を計測する方法とされている。
On the other hand, a method of preparing a Fourier transform surface as a part of the imaging optical system, arranging a phase type spatial modulator on this surface, and applying phase modulation to the 0th-order diffracted light is described in
しかしこの時、0次回折光だけに位相差を生じさせることは、実効的に不可能である。なぜならば、0次回折光は試料からの変調を受けずに透過した光であるが、0次回折光の領域に重なった周波数の低い1次回折光があり、実質的に0次回折光と1回折光を区別することはできないからである。さらに、4つの位相を変えた画像を取得するに当たり空間光変調器の変調切り替えを行う必要性があり、CCDカメラで取得した画像は時間的にずれた情報となっている。従って、比較的高速に変化するような過程の変化を正しく反映しているとは言えない。 However, at this time, it is practically impossible to cause a phase difference only in the 0th-order diffracted light. This is because the 0th-order diffracted light is light transmitted without being modulated by the sample, but there is a low-frequency first-order diffracted light that overlaps the region of the 0th-order diffracted light, and the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light are substantially combined. This is because it cannot be distinguished. Further, it is necessary to switch the modulation of the spatial light modulator in order to acquire the images having four different phases, and the images acquired by the CCD camera are time-shifted information. Therefore, it cannot be said that it correctly reflects the change in the process that changes at a relatively high speed.
これに対してできるだけこの影響を少なくするために、0次回折光の広がりの周辺部付近のごく狭い領域で本手法を適用することが考えられる。このようにすれば、空間周波数の周波数依存性や0次回折光に含まれる1次回折光の影響を低減させることができる可能性がある。ただし、極めて狭い範囲の光しか有効に取得することができなくなるので、光量が極めて低下し、SN比の良好な情報とすることは困難となる。 On the other hand, in order to reduce this effect as much as possible, it is conceivable to apply this method in a very narrow region near the peripheral portion of the spread of the 0th-order diffracted light. By doing so, there is a possibility that the frequency dependence of the spatial frequency and the influence of the first-order diffracted light included in the 0th-order diffracted light can be reduced. However, since only light in an extremely narrow range can be effectively acquired, the amount of light is extremely reduced, and it is difficult to obtain information with a good SN ratio.
これらの事情に対して、近年のマイクロ・ナノテクノロジー分野の発展に伴い、微細な工業製品や精密部品の3次元的な情報を高速で計測する技術に注目が集まっている。これに加え、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も高まっている。 In response to these circumstances, with the development of the micro / nanotechnology field in recent years, attention has been focused on technology for measuring three-dimensional information of fine industrial products and precision parts at high speed. In addition to this, in biology, medicine, and agriculture, there is an increasing demand for real-time acquisition of 3D profile information of biological samples as thick as cells in a living state.
しかしながら、基本的にすべての物体は高さや屈折率分布が異なり、さらに、吸収率や反射率等が異なるために、それぞれ異なった強度情報と光学的距離情報を有する。ホログラムを含む干渉縞を解析する方法では、位相情報を干渉縞の強度情報に変換し、CCD等で検出しているので、簡単に本来の強度情報を位相情報から分離することは本質的に困難である。 However, basically all objects have different heights and refractive index distributions, and also have different absorption rates, reflectances, and the like, so that they have different intensity information and optical distance information. In the method of analyzing interference fringes including holograms, phase information is converted into interference fringe intensity information and detected by a CCD or the like, so it is essentially difficult to easily separate the original intensity information from the phase information. Is.
上記した特許文献1の特表2007−524075号公報では、空間変調器を用いて0次回折光に対して実質4つの位相差を生じさせている。しかし、空間変調器の面内ばらつきや温度変化等により、安定した位相差を維持させることは困難であった。また、液晶の空間変調器を用いた場合には、直線偏光の向きと液晶分子の方向を正しく合わせないと位相以外に偏光も回転させてしまうので、調整が難しい。さらに、空間変調器により4つの位相差を生じさせているので、タイムラグが発生する。このため、時間的な変動の早い現象に対しては、4つの位相情報を異なる時間に取得していることになるので、正確な情報を取得できない。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-524075 described above, a spatial modulator is used to generate substantially four phase differences with respect to the 0th-order diffracted light. However, it has been difficult to maintain a stable phase difference due to in-plane variations of the spatial modulator, temperature changes, and the like. Further, when a liquid crystal spatial modulator is used, it is difficult to adjust because the polarized light is rotated in addition to the phase unless the direction of the linearly polarized light and the direction of the liquid crystal molecules are correctly aligned. Further, since the spatial modulator causes four phase differences, a time lag occurs. Therefore, for a phenomenon in which the time fluctuates quickly, four phase information is acquired at different times, so that accurate information cannot be acquired.
以上より、従来の顕微鏡では、強度および光学的距離が同時に変化するような一般的な測定対象物に対して、これらを厳密に分けることができないので、正しい強度情報や光学的距離情報を算出することはできなかった。 From the above, with a conventional microscope, it is not possible to strictly separate general measurement objects whose intensity and optical distance change at the same time, so correct intensity information and optical distance information are calculated. I couldn't.
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、受光素子から取得された信号に基づき、強度と光学的距離を正確に分離することで、光学的距離情報および透過率、反斜率、吸収率等の強度情報を算出する光学計測装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above background, and by accurately separating the intensity and the optical distance based on the signal acquired from the light receiving element, the optical distance information and the transmittance, the anti-oblique ratio, the absorption ratio, etc. It is an object of the present invention to provide an optical measuring device for calculating the intensity information of the above.
請求項1に係る光学計測装置は、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、
照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線として両側に各1つ位置し、走査に伴い測定対象物により変調された照射光をそれぞれ受光して光電変換する少なくとも2つの受光素子と、
受光素子にてそれぞれ光電変換された各信号から直流成分とされる無変調信号と交流成分とされる変調信号を抽出し、これら無変調信号と変調信号により測定対象物の強度情報と位相情報を得ると共に、この強度情報と位相情報に基づき測定対象物についての計測値を得る計測部と、
を含む。
The optical measuring device according to
A scanning element that scans the irradiation light from the light source and sends it to the object to be measured,
With at least two light receiving elements, each of which is located on each side with a direction perpendicular to the optical axis direction of the irradiation light as a boundary line, receives irradiation light modulated by the object to be measured during scanning, and performs photoelectric conversion. ,
An unmodulated signal as a DC component and a modulated signal as an AC component are extracted from each photoelectrically converted signal by the light receiving element, and the intensity information and phase information of the object to be measured are obtained from these unmodulated signals and the modulated signals. A measuring unit that obtains measured values for the object to be measured based on this intensity information and phase information,
including.
請求項1に係る光学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、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。さらに、照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線とした両側に各1つ位置した2つの受光素子が、走査に伴い測定対象物により変調された照射光をそれぞれ受光して光電変換する。
The operation of the optical measuring device according to
In the present invention, coherent irradiation light is emitted from the light source, and the scanning element scans the irradiation light and sends it to the object to be measured as a scanning beam. Further, two light receiving elements, one each located on each side of the boundary line perpendicular to the optical axis direction of the irradiation light, receive the irradiation light modulated by the object to be measured during scanning and photoelectrically change the light. Convert.
そして、これら2つの受光素子でそれぞれ光電変換された信号の直流成分とされる無変調信号と交流成分とされる変調信号を計測部にて抽出し、これら抽出した信号によって、計測部が測定対象物の強度情報と位相情報を得る。さらに、抽出した信号の同相信号が強度情報であり、逆相信号が光学的距離情報とされる位相情報であることを利用して、強度情報に基づき測定対象物の透過率、反射率、吸収率等の計測値を得ると共に、位相情報に基づき測定対象物の光学的距離情報の計測値を得ることにする。 Then, the measurement unit extracts the unmodulated signal which is the DC component and the modulated signal which is the AC component of the signal photoelectrically converted by these two light receiving elements, and the measurement unit is the measurement target by these extracted signals. Obtain strength information and phase information of an object. Further, by utilizing the fact that the in-phase signal of the extracted signal is the intensity information and the opposite-phase signal is the phase information which is the optical distance information, the transmittance and the reflectance of the object to be measured are determined based on the intensity information. In addition to obtaining the measured values such as the transmittance, the measured values of the optical distance information of the object to be measured will be obtained based on the phase information.
つまり、本発明によれば、特別な空間変調器等の変調素子を用いて光源からの照射光に位相変化を与えてCCD等で受光することもなく、走査素子が走査させて走査ビームとされる照射光が測定対象物に照射されて反射または透過されることで、測定対象物を照射光が経由する。これに伴って生じる無変調信号および変調信号に対して、電気的に位相変化を与えることに相当する信号変換を行うことにする。このことより、特別な装置や素子を用いること無く、本発明に係る光学計測装置は、測定対象物の有する強度情報と光学的距離情報を完全に分離できるようになる。 That is, according to the present invention, the scanning element scans the irradiation light from the light source to obtain a scanning beam without receiving the light received by the CCD or the like by using a modulation element such as a special spatial modulator to change the phase of the irradiation light. The irradiation light irradiates the measurement object and is reflected or transmitted, so that the irradiation light passes through the measurement object. It is decided to perform signal conversion corresponding to electrically giving a phase change to the unmodulated signal and the modulated signal generated by this. As a result, the optical measuring device according to the present invention can completely separate the intensity information and the optical distance information of the object to be measured without using a special device or element.
以上の結果として、本発明が適用された顕微鏡等では、反射光学系及び透過光学系において、走査ビームの照射位置から同時に強度情報と光学的距離情報を取得することができるので、生きたままの細胞やマイクロマシンなどの状態変化などの強度変化や3次元計測をリアルタイムに行うことが可能となる。しかも、複数のCCD等により取得する複数のデータではなく、同一観測点からの情報となるので、画素ズレによる位置合わせとは無縁な処理となり、確実に同一箇所から異なる情報を取得することができる。 As a result of the above, in the microscope or the like to which the present invention is applied, the intensity information and the optical distance information can be simultaneously acquired from the irradiation position of the scanning beam in the reflected optical system and the transmitted optical system. It is possible to perform intensity changes such as state changes of cells and microscopes and three-dimensional measurement in real time. Moreover, since the information is not from a plurality of data acquired by a plurality of CCDs or the like but from the same observation point, the processing is unrelated to the alignment due to the pixel misalignment, and different information can be reliably acquired from the same location. ..
また、強度情報と高さ情報が混在するような場合、ピンホールを通過する最大光量にて高さを算出する前述の共焦点顕微鏡の一種であるレーザー走査型共焦点顕微鏡では、誤信号となる高さ情報である光学的距離情報が、本装置では確実にしかも一回の走査にて算出できるので、非常に大きな特徴を有することとなる。 In addition, when intensity information and height information are mixed, a laser scanning confocal microscope, which is a kind of the above-mentioned confocal microscope that calculates the height by the maximum amount of light passing through the pinhole, causes an erroneous signal. Since the optical distance information, which is the height information, can be reliably calculated by this apparatus in one scan, it has a very large feature.
さらに、本発明を透過型の顕微鏡に適用した場合、簡単な装置になるのに伴い、細胞や微小生物等を生きたままで蛍光着色せず、高い分解能であって簡易且つ高速度に可視化して観察、計測できる。しかも、位相情報より光学的距離情報が求められ、強度情報より透過率や吸収率が求められので、いくつかの生体の物理量が生きたまま計測できるといった大きな特徴を有することになる。 Furthermore, when the present invention is applied to a transmission type microscope, as it becomes a simple device, cells, microbes, etc. are visualized with high resolution, easily and at high speed without fluorescent coloring while alive. Can be observed and measured. Moreover, since optical distance information is required from phase information and transmittance and absorption rate are required from intensity information, it has a great feature that physical quantities of some living organisms can be measured alive.
次に、請求項2によれば、2つの前記受光素子それぞれで光電変換された信号を第1の信号とし、交流成分の変調信号をヒルベルト変換した第2の信号と該第2の信号をさらにヒルベルト変換した第3の信号を用い、これら変換された各信号を2つの受光素子の一方の受光素子からの出力と他方の受光素子からの出力の和信号と差信号に施すことで、強度情報および光学的距離情報を簡易に求めることができる。
Next, according to
さらに、請求項3のように、照射光の光軸方向に対して垂直な方向に沿った境界線とこの境界線に対して照射光の光軸上で交差する交差境界線とで区画された何れかの領域内に、受光素子をそれぞれ配置することとしても良い。このようにすれば、合計4つの区画に区分された領域内に受光素子がそれぞれ配置されることになる。 Further, as in claim 3, it is partitioned by a boundary line along the direction perpendicular to the optical axis direction of the irradiation light and an intersection boundary line intersecting the boundary line on the optical axis of the irradiation light. The light receiving elements may be arranged in any of the regions. By doing so, the light receiving elements are arranged in the regions divided into a total of four sections.
これら4つの受光素子の内の境界線を挟んで対向する2つのものや、交差境界線を挟んで対向する2つのものを対の例とすることができる。そして、それぞれ対となる受光素子の出力は、同相信号が強度情報であり、逆相信号が光学的距離情報であるので、上記したように強度と光学的距離情報を分離できる。本請求項のようにすれば、より小型で低コストの受光素子を採用しても良くなり、この小型の受光素子により受光した僅かな位相情報であっても、計測部が必要な計測値を得ることが可能となる。 Two of these four light receiving elements facing each other with a boundary line sandwiched between them and two elements facing each other with a crossing boundary line sandwiched between them can be examples of a pair. As for the outputs of the light receiving elements paired with each other, since the in-phase signal is the intensity information and the anti-phase signal is the optical distance information, the intensity and the optical distance information can be separated as described above. According to the present claim, a smaller and lower cost light receiving element may be adopted, and even a small amount of phase information received by this small light receiving element can be measured by the measuring unit. It will be possible to obtain.
この一方、請求項4のように、走査素子が、照射光を相互に直交する2方向にそれぞれ走査させる2次元走査素子とされ、この2方向の内の少なくとも1方向の走査により測定対象物に照射された照射光が変調されることが考えられる。さらに請求項5のように、前記走査素子にコントローラを接続し、このコントローラが走査素子の動作を操作して走査速度及び走査範囲を調整することが考えられる。このようにすれば、2次元の画像が単に得られるだけでなく、コントローラの設定を変更するだけで、任意の変調量かつ任意の範囲にて計測が可能となる。 On the other hand, as in claim 4, the scanning element is a two-dimensional scanning element that scans the irradiation light in two directions orthogonal to each other, and the object to be measured is scanned in at least one of these two directions. It is conceivable that the irradiated light is modulated. Further, as in claim 5, it is conceivable that a controller is connected to the scanning element, and the controller operates the operation of the scanning element to adjust the scanning speed and the scanning range. By doing so, not only a two-dimensional image can be obtained, but also measurement can be performed with an arbitrary modulation amount and an arbitrary range simply by changing the setting of the controller.
また、請求項6によれば、計測部が、受光素子で光電変換された信号の交流成分をデジタル化したデータとし、このデータの加算量を変更することで、測定対象物についての計測値を得る範囲を調整することができる。本請求項のようにすると、光学系の有する分解能よりも高い周波数でサンプリングすれば、ランダムノイズを低減でき、強度及び光学的距離の計測データの精度を向上させることができる。また、走査速度は一定なので、加算量を調整することで、実質的に画像の表示領域を変更することが可能となる。 Further, according to claim 6, the measuring unit converts the AC component of the signal photoelectrically converted by the light receiving element into digital data, and by changing the addition amount of this data, the measured value of the measurement target is obtained. You can adjust the range you get. According to the present claim, random noise can be reduced and the accuracy of the measurement data of the intensity and the optical distance can be improved by sampling at a frequency higher than the resolution of the optical system. Further, since the scanning speed is constant, it is possible to substantially change the display area of the image by adjusting the addition amount.
以上より、測定対象物が本来有する強度と光学的距離の情報の定量化が正確にできる。なお、この強度と光学的距離の計測値は、照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線とした両側に各1つ位置した2つの受光素子の和信号と差信号の直流成分及び交流成分の大きさと交流成分の位相信号より、算出することができる。 From the above, it is possible to accurately quantify the information on the intensity and the optical distance inherent in the object to be measured. The measured values of this intensity and optical distance are the DC components of the sum signal and the difference signal of two light receiving elements located on both sides with the direction perpendicular to the optical axis direction of the irradiation light as the boundary line. It can be calculated from the magnitude of the AC component and the phase signal of the AC component.
そして、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、データをデジタル化するに当たりこの上限の周波数よりも十分に高い周波数であって、交流成分や直流成分を光学的な分解能に対応する周波数以上でサンプリングすることが考えられる。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、電気的ないし光学的に発生した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、計測データの精度および3次元画像の表示におけるノイズの軽減につなげることができる。 Since the limit of the lateral resolution of the optical system is the upper limit of the frequency that can be detected, the frequency is sufficiently higher than the upper limit frequency when digitizing the data, and the AC component and the DC component are used for the optical resolution. It is conceivable to sample above the corresponding frequency. Random noise generated electrically or optically can be reduced by adding the data flowing in time series based on the sampled data. As a result, it is possible to improve the accuracy of the measurement data and reduce the noise in the display of the three-dimensional image.
また、走査速度は一定なので、加算するこのデータ数を変更することにより、光学的分解能を変えずに視野範囲を拡大縮小して、実質的に画像を表示する範囲を変更することも可能となる。したがって、実質的に照射に使用した対物レンズのNAを変更することなく視野範囲をある程度任意に表現することも可能となる。 Further, since the scanning speed is constant, by changing the number of data to be added, it is possible to enlarge or reduce the visual field range without changing the optical resolution and substantially change the range in which the image is displayed. .. Therefore, it is possible to arbitrarily express the visual field range to some extent without substantially changing the NA of the objective lens used for irradiation.
さらに、請求項7のように、照射光が測定対象物を経由する際に、照射光を測定対象物が反射することとすれば、請求項1の受光素子がこの反射光を受光して光電変換することになる。この場合、光源と測定対象物との間の光軸内にビームスプリッターを配置することにより、測定対象物で反射して戻ってきた照射光をこのビームスプリッターがさらに受光素子側に反射して送ることができる。また、請求項8のように、照射光が測定対象物を経由する際に、照射光が測定対象物を透過することとすれば、例えば光軸上に配置された請求項1の受光素子が、この透過光を受光して光電変換することになる。
Further, if the irradiation light is reflected by the measurement object when the irradiation light passes through the measurement object as in claim 7, the light receiving element of
上記した反射および透過において強度情報と光学的距離情報を完全に分離することにより、反射率や透過率および吸収率を算出したり、屈折率差と厚さの積である光学的距離を屈折率差と厚さに分離したりすることが可能となる。 By completely separating the intensity information and the optical distance information in the above-mentioned reflection and transmission, the reflectance, transmittance and absorptivity can be calculated, and the optical distance, which is the product of the refractive index difference and the thickness, can be calculated as the refractive index. It is possible to separate into differences and thicknesses.
一方、請求項9では、受光素子が測定対象物の透過側及び反射側とされるそれぞれ境界線の両側に各1つずつ位置し、測定対象物を経由して変調された照射光を少なくとも各2つの受光素子で受光し、これらの受光素子から信号が入力された計測部が測定対象物についての計測値を得ることした。このようにすれば、測定対象物を経由する際に測定対象物を照射光が透過及び反射するような、反射光学系と透過光学系を併用した形になる。 On the other hand, in claim 9, one light receiving element is located on each side of the boundary line between the transmission side and the reflection side of the measurement object, and at least each irradiation light modulated via the measurement object is emitted. The two light receiving elements received light, and the measuring unit to which the signal was input from these light receiving elements obtained the measured value for the object to be measured. By doing so, the reflected optical system and the transmitted optical system are used in combination so that the irradiation light transmits and reflects the measurement object when passing through the measurement object.
つまり、反射光学系と透過光学系を併用することで、少なくとも各2つの計4つの受光素子からの信号を比較し、強度情報と光学的距離情報を取得して、反射率と透過率を同時に測定できるので、これらの量から光の吸収率の測定も可能となる。特に、照射光を走査することにより同一箇所から反射率と透過率の値が同時に得られるのに伴い、同一箇所からの強度情報と光学的距離情報を同時に得ることができる。このため、画素ズレ等の影響は皆無となるので、正確な透過率、反射率、吸収率を高分解能で得られるようになる。 That is, by using the reflective optical system and the transmitted optical system together, the signals from at least two light receiving elements in total are compared, and the intensity information and the optical distance information are acquired, and the reflectance and the transmittance are simultaneously obtained. Since it can be measured, it is also possible to measure the light transmittance from these amounts. In particular, since the reflectance and transmittance values can be obtained simultaneously from the same location by scanning the irradiation light, the intensity information and the optical distance information from the same location can be obtained at the same time. Therefore, since there is no influence of pixel misalignment or the like, accurate transmittance, reflectance, and absorption rate can be obtained with high resolution.
上記に示したように、本発明の光学計測装置は、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、この照射光を変調する。
さらに、照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線として両側に各1つ位置した受光素子でそれぞれ光電変換された無変調信号と変調信号を得たのち、少なくとも2つの受光素子のお互いの信号を処理する。このことにより、測定対象物の強度情報と位相情報を得ることとし、これに伴い、定量的な強度と光学的距離等の算出が可能になるという優れた効果を奏する。
As shown above, in the optical measuring device of the present invention, coherent irradiation light is emitted from a light source, and a scanning element scans the irradiation light and sends it as a scanning beam to an object to be measured. Modulate light.
Further, after obtaining an unmodulated signal and a modulated signal photoelectrically converted by the light receiving elements located one on each side with the direction perpendicular to the optical axis direction of the irradiation light as the boundary line, at least two light receiving elements Process each other's signals. As a result, the intensity information and the phase information of the object to be measured are obtained, and the quantitative intensity, the optical distance, and the like can be calculated accordingly, which is an excellent effect.
以下に、本発明に係る光学計測装置の実施例1から実施例5を各図面に基づき、詳細に説明する。 Hereinafter, Examples 1 to 5 of the optical measuring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明に係る光学計測装置の実施例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。 The first embodiment of the optical measuring apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2. This embodiment is a device of a reflected optical system that reflects a scanning beam by an object to be measured. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a catadioptric system apparatus according to an embodiment.
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。
As shown in FIG. 1, a
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。
Further, for the
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。
Further, a pupil
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。
On the other hand, a light receiving
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。
The light
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の強度情報および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。
Further, the
The above-mentioned
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。
Further, the
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。
Here, in order for the pupil
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に入射されてパターンを有する強度変化と光学的距離変化により実質的に変調されると共に測定対象物G1で反射されて、受光素子群29により走査ビームのフーリエ変換パターンの変調信号を最終的に検出する。
From the above, in this embodiment, although the unmodulated laser light is emitted from the
また、図3に示すように、2次元走査デバイス26は、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3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。
Further, as shown in FIG. 3, the two-
従って、本実施例によれば、図3に示すように測定対象物G1の表面に凸部Cが存在するような凹凸があったり、高濃度の箇所Dが存在するような濃淡があったりした場合でも、2次元走査デバイス26により走査されて照射されたレーザー光の回折量や反射量の変化により、これら凸部Cや高濃度の箇所Dを正確に再現可能となる。
Therefore, according to this embodiment, as shown in FIG. 3, there are irregularities such that the convex portion C exists on the surface of the measurement object G1, and there are shading such that the high-concentration portion D exists. Even in this case, the convex portion C and the high-concentration portion D can be accurately reproduced by the change in the diffraction amount and the reflection amount of the laser light scanned and irradiated by the two-
このようにレーザー光源21から変調されていないレーザー光が照射されるが、2次元走査デバイス26による走査により走査ビームとされたこのレーザー光は、測定対象物G1を経て回折を生じて実質的に回折光となる。この回折光のうち、0次回折光及び1次回折光自体は無変調光であり、これら回折光の強度信号は無変調信号となる。
この一方、0次回折光と1次回折光が重なった部分は、0次回折光に対して1次回折光が位相差を有した信号なので、変調された強度信号となる。なぜならば、強度ないし光学的距離のそれぞれは、ある空間周波数の集合体とみなせ、照射光であるビームの走査により0次回折光と1次回折光の重なった部分は、1次回折光に対応した空間周波数で変調される。
The unmodulated laser light is irradiated from the
On the other hand, the portion where the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light overlap is a signal having a phase difference between the 0th-order diffracted light and the 0th-order diffracted light, and thus becomes a modulated intensity signal. This is because each of the intensity and the optical distance can be regarded as an aggregate of a certain spatial frequency, and the overlapping portion of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is the spatial frequency corresponding to the 1st-order diffracted light by scanning the beam which is the irradiation light. Modulated by.
この変調された光は受光素子29A、29Bによって、空間周波数に対応した周波数の電流に強度信号として変換され、この受光素子29A、29B内の光電変換部の電流電圧変換回路等により、この電流を電圧に変換する。したがって、無変調光である0次回折光及び1次回折光自体はDC信号となり、変調光である0次回折光と1次回折光の重なった部分はAC信号となる。
The modulated light is converted into a current having a frequency corresponding to the spatial frequency by the
次に、受光素子29A、29Bで検出される信号がどのようになるかを以下に具体的に示す。反射光学系のみならず透過光学系においても、また、高分解能化された透過光学系においても、信号処理としては同様なので、ここで以下の実施例において一括して説明する。
Next, what the signals detected by the
測定対象物G1の状態は、強度パターンと光学的距離パターンの積で一般的に表され、測定対象物G1によって照射光は回折される。
簡単のために、強度パターンの複素振幅E0はピッチdiの余弦波パターンとし、光学的距離パターンの位相Θはピッチdpの正弦波パターンとする。照射光の波長をλ、強度の変調度をm、媒体と測定対象物の屈折率差をδn、厚さをhとすると、以下の数式のように表すことができる。
The state of the object to be measured G1 is generally represented by the product of the intensity pattern and the optical distance pattern, and the irradiation light is diffracted by the object to be measured G1.
For simplicity, the complex amplitude E 0 of the intensity pattern is a cosine wave pattern of pitch di, and the phase Θ of the optical distance pattern is a sine wave pattern of pitch dp. Assuming that the wavelength of the irradiation light is λ, the degree of intensity modulation is m, the difference in refractive index between the medium and the object to be measured is δn, and the thickness is h, it can be expressed as the following mathematical formula.
これらのパターンに波長λの光を照射し、ファーフィールドであるフーリエ変換面に配置した受光素子29A、29Bで受光する。振幅部分の測定対象物G1のパターンにおける、強度パターンの複素振幅E0のフーリエ変換面では、光軸Lに対して片側でかつ1次回折光と−1次回折光が重ならない領域、すなわち、空間周波数が比較的高い領域を考えると、1次回折光側では以下の数式のようになる。
These patterns are irradiated with light having a wavelength of λ, and are received by the
同様に、位相部分のフーリエ変換面では、光軸に対して片側でかつ1次回折光と−1次回折光が重ならない空間周波数が比較的高い部分を考える。1次回折光側では以下の数式で空間周波数が比較的高い部分が与えられる。 Similarly, on the Fourier transform surface of the phase portion, consider a portion having a relatively high spatial frequency on one side with respect to the optical axis and where the first-order diffracted light and the -1st-order diffracted light do not overlap. On the primary diffracted light side, a portion having a relatively high spatial frequency is given by the following formula.
このため、1次回折光側では、光の振幅分布ERは以下の数式のようになる。 Therefore, in the first-order diffraction light side, amplitude distribution E R of light is represented by the following formula.
ここで、aは光学的距離の位相情報を表し、bは光学的距離の位相情報の1次ベッセル関数と0次ベッセル関数の比を表している。また、上記したようにmは強度の変調度を表している。したがって、1次回折光側で受光する光量の出力IRは以下の数式で求められる。 Here, a represents the phase information of the optical distance, and b represents the ratio of the first-order Bessel function and the zero-order Bessel function of the phase information of the optical distance. Further, as described above, m represents the degree of intensity modulation. Thus, the output I R of the amount of light received by the first-order diffraction light side can be determined by the following equation.
同様にして、光軸Lに対して片側でかつ1次回折光と−1次回折光が重ならない周波数が比較的高い部分を考える。−1次回折光側では、光の振幅分布ELは以下の数式のようになる。 Similarly, consider a portion on one side of the optical axis L where the frequency at which the first-order diffracted light and the first-order diffracted light do not overlap is relatively high. The -1 order diffracted light side, amplitude distribution E L of the light is represented by the following formula.
したがって、−1次回折光側で受光する光量の出力ILは以下の数式のようになる。 Thus, the output I L of amount of light received by the -1-order diffraction light side is represented by the following formula.
なお、1次回折光側と−1次回折光側で多少の回路ゲインの違い等が生じている可能性を考慮して、係数値K1、K2を入れて検出される信号レベルA1、A2に違いを持たせ一般化した。 Considering the possibility that there is a slight difference in circuit gain between the primary diffracted light side and the -1st diffracted light side, the signal levels A 1 and A detected by inputting the coefficient values K 1 and K 2 are included. I made a difference in 2 and generalized it.
上記のように強度部は同相であり、位相部は逆相となる。
詳細は割愛するが、光軸Lを境界として、対物レンズのNAと同じ領域の光を受光する受光素子を用いた場合でかつ、測定対象物G1上でのスポット径に対して、スポット径の大きさと同じ空間周波数に対して、上記数式となる。
As described above, the strength part is in phase and the phase part is in reverse phase.
Although details are omitted, the spot diameter is larger than the spot diameter on the measurement target G1 when a light receiving element that receives light in the same region as the NA of the objective lens is used with the optical axis L as the boundary. The above formula is used for the same spatial frequency as the magnitude.
図4に示すグラフのように、MTF曲線Mの上記した空間周波数におけるカットオフ周波数の1/2の周波数を点線Tで示す。つまり、図4(A)に示す強度部のコントラストは点線Tで示すように最大値の1/2の値になり、図4(B)に示す位相部のコントラストは点線Tで示すように最大値と同一の値になる。これら以外の空間周波数においては、強度部のMTF曲線Mを図4(A)に示すようになり、位相部のMTF曲線Mを図4(B)に示すようになる。 As shown in the graph shown in FIG. 4, the frequency of 1/2 of the cutoff frequency in the above-mentioned spatial frequency of the MTF curve M is shown by the dotted line T. That is, the contrast of the intensity portion shown in FIG. 4 (A) is 1/2 of the maximum value as shown by the dotted line T, and the contrast of the phase portion shown in FIG. 4 (B) is the maximum as shown by the dotted line T. It will be the same value as the value. At spatial frequencies other than these, the MTF curve M of the intensity portion is shown in FIG. 4 (A), and the MTF curve M of the phase portion is shown in FIG. 4 (B).
したがって、以下の議論で求めることにするm,bの値は、空間周波数のカットオフ周波数の1/2の周波数に対するものとなる。
他方、特開2015−4643号公報の出願において、本願発明者たちはビームの走査を利用して、光電変換された周波数情報から測定対象物G1が有する空間周波数を特定し、MTFを補正する手段を提案している。この手法を用いることにより、実際のm,bの値を修正すれば、測定対象物G1が本来有する強度の変調度mやbを介して光学的距離情報が得られることになる。
Therefore, the values of m and b to be obtained in the following discussion are for frequencies of 1/2 of the cutoff frequency of the spatial frequency.
On the other hand, in the application of JP-A-2015-4634, the inventors of the present application use beam scanning to identify the spatial frequency of the measurement object G1 from the photoelectrically converted frequency information and correct the MTF. Is proposing. By using this method, if the actual values of m and b are corrected, the optical distance information can be obtained via the modulation degree m and b of the intensity originally possessed by the measurement object G1.
さて、走査ビームを速さvで走査した場合、空間周波数に相当した変調信号が走査ビームに乗るので、上記θとηはそれぞれ検出される周波数をfi,fpとすると、以下の数式で実効的に表すことができる。つまり、以下のように空間周波数の位相は、変調を受けることになる。 Now, when the scanning beam is scanned at a speed v, the modulated signal corresponding to the spatial frequency rides on the scanning beam. Therefore, assuming that the detected frequencies of θ and η are fi and fp, respectively, the following formula is effective. Can be expressed in. That is, the phase of the spatial frequency is modulated as follows.
次に、各受光素子で1次回折光と−1次回折光からそれぞれ得られた信号を第1の信号とするが、この第1の信号の交流成分の変調信号を2回続けてヒルベルト変換するものとする。この際、1回目のヒルベルト変換した第2の信号をH1(IR)やH1(IL) で表し、2回目のヒルベルト変換した第3の信号をH2(IR)やH2(IL)で表すものとする。そして、1次回折光側の受光素子で得られた出力と−1次回折光側の受光素子で、得られた信号のそれぞれのヒルベルト変換は下記の式となる。 Next, the signals obtained from the primary diffracted light and the -1st diffracted light in each light receiving element are used as the first signal, and the modulated signal of the AC component of the first signal is Hilbert-converted twice in succession. And. In this case, it represents the first second signal Hilbert transformation in H1 (I R) and H1 (I L), a third signal Hilbert transform of second H2 (I R) and H2 (I L) It shall be represented by. Then, the Hilbert transform of the output obtained by the light receiving element on the primary diffracted light side and the Hilbert transform of the obtained signal by the light receiving element on the -1st diffracted light side is as follows.
ここで、まず光量の現信号IR及び現信号ILである第1の信号と2回のヒルベルト変換された第3の信号H2(IR)やH2(IL)との和の出力か、現信号IR、ILのDC出力を取り出すと、以下のようになる。 Here, the first signal and whether the output of the sum of the third signal H2 which is the Hilbert transform of the two (I R) and H2 (I L) is a first light intensity current signal I R and the current signal I L of , current signal I R, when taken out DC output I L, as follows.
この信号により除算すると、規格化することができる。
すなわち、α をα=2b/(1+b2)とし、βをβ=2m/(1+m2)とおくことにする。
By dividing by this signal, it can be standardized.
That is, let α be α = 2b / (1 + b 2 ) and β be β = 2m / (1 + m 2 ).
1次回折光側と−1次回折光側で受光された出力値の現信号IR、ILである第1の信号とヒルベルト変換された第3の信号H2(IR)やH2(IL)は、それぞれ以下の式のようになる。尚、θ0はηに対応し、θ1はθに対応する。 Current signal I R of the light-receiving output values in the first-order diffraction light side and -1 order diffracted light side, a third signal converted first signal and the Hilbert is I L H2 (I R) and H2 (I L) Are as shown in the following equations. Note that θ 0 corresponds to η and θ 1 corresponds to θ.
さて、これら変換された各信号を2つの受光素子の一方の受光素子からの出力と他方の受光素子からの出力である1次回折光側の光量の出力IRと−1次回折光側の光量の出力ILに施した和信号と差信号は、以下の数式のようになる。 Now, the amount of these converted one output and the other output I R and -1 order diffracted light side of the light amount of which is an output first-order diffraction light side from the light receiving element from the light receiving element of the two light receiving elements each signal sum and difference signals subjected to the output I L is given by the following equation.
このように強度に関する信号は同相なので、これらの比を取ると、下記(3)式のように光学的距離の信号である位相信号のみとなる。 Since the signals related to the intensity are in phase in this way, when these ratios are taken, only the phase signal, which is the signal of the optical distance, is obtained as shown in the following equation (3).
また、差信号のヒルベルト変換と2回のヒルベルト変換の比を取ると、以下の(4)式、(5)式のようになる。 Further, when the ratio of the Hilbert transform of the difference signal and the two Hilbert transforms is taken, the following equations (4) and (5) are obtained.
したがって、(4)式より光学的距離の位相の空間周波数に対する位相θ0を求め、(3)式よりαを求める。αはα=2b/(1+b2)であり、b=J1(a)/ J0(a)なので、bに関する2次方程式を解くことにより、bを算出する。
bは、0次と1次のベッセル関数を介して、光学的距離の位相情報の最大振幅であるaと結びついているので、aを導くことができる。bは任意の値(b<1およびb>1の値)となるので、適正に選択する。特に、透過光学系の場合には屈折率差が非常に小さいので、J0(a)>J1(a)となり、b<1の解を選択すればよい。
なお、実際の位相情報は下記数式より求めることができる。
Therefore, the phase θ 0 with respect to the spatial frequency of the phase of the optical distance is obtained from the equation (4), and α is obtained from the equation (3). Since α is α = 2b / (1 + b 2 ) and b = J1 (a) / J0 (a), b is calculated by solving the quadratic equation for b.
Since b is associated with a, which is the maximum amplitude of the phase information of the optical distance, via the 0th and 1st order Bessel functions, a can be derived. Since b is an arbitrary value (value of b <1 and b> 1), it is appropriately selected. In particular, in the case of a transmission optical system, the difference in refractive index is very small, so J0 (a)> J1 (a), and the solution of b <1 may be selected.
The actual phase information can be obtained from the following mathematical formula.
次に、和信号のヒルベルト変換と2回のヒルベルト変換の比を取ると、以下のようになる。 Next, the ratio of the Hilbert transform of the sum signal and the two Hilbert transforms is as follows.
したがって、(6)式より強度の空間周波数に対する位相θ1を求め、(7)式よりβを求める。βはβ=2b/(1+b2)で強度の変調度mに関する2次方程式を解くことにより、mを算出する。この場合、強度の変調度mはm<1なので、解は1つとなる。
実際の強度情報は1+mcosθ(x=0)より、求めることができる。
Therefore, the phase θ 1 with respect to the spatial frequency of intensity is obtained from Eq. (6), and β is obtained from Eq. (7). β is β = 2b / (1 + b 2 ), and m is calculated by solving a quadratic equation regarding the degree of modulation m of the intensity. In this case, since the intensity modulation degree m is m <1, there is only one solution.
The actual intensity information can be obtained from 1 + mcosθ (x = 0).
また、鏡等で100%反射させるなどしてC0、C1を測定しておき、測定対象物のある状態でbを得たのち、C0、C1を測定すれば、実効上、mに係る強度情報を得ることができる。このようにすれば、反射率等の物理量にすることが可能となる。 In addition, if C 0 and C 1 are measured by 100% reflection with a mirror or the like, b is obtained in a certain state of the object to be measured, and then C 0 and C 1 are measured, it is effective to m. It is possible to obtain the strength information related to. By doing so, it becomes possible to obtain a physical quantity such as reflectance.
以上のように受光素子29A、29Bにより測定対象物G1を経由した走査ビームを検出することで、2分割された受光領域の両側の信号を得て、これを用い、強度情報が両受光素子の出力間で同相である事実と、光学的距離情報である位相情報が両受光素子の出力間で逆相になる事実を利用する。そして、元信号およびヒルベルト変換を1回経た信号と2回経た信号を用いて、強度情報の変調信号と光学的距離情報である位相信号を完全に分離することが可能となる。
By detecting the scanning beam passing through the object to be measured G1 by the
従って、信号比較器33が、受光素子29A、29Bで光電変換された信号とコントローラ23からの信号とを比較し、最終的にデータを処理してデータ処理部34で上記したような演算を行うことにより、測定対象物G1の光学的距離情報と強度情報の変調度等の計測値を得ることができる。なお、DC信号とAC信号を含む同相信号と逆相信号の積を分離することが実質的に可能な演算であれば、ヒルベルト変換を用いなくてもよい。
Therefore, the
つまり、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とにより、測定対象物G1の強度情報と位相情報を得て、この信号比較器33と接続されたCPUやメモリ等からなるデータ処理部34にこの強度情報と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でこの強度情報と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の表面についての強度情報とプロファイル情報等の位相情報の計測値を簡単に導くことができる。この場合、上記した強度情報は、反射率を反映したような情報となる。
That is, the
Along with this, the
以上より、本実施例によれば、測定対象物が光の吸収を生じて、反射率、透過率の異なる強度情報を有したりし、かつ屈折率分布や厚みが異なる光学的距離情報を有したりする場合でも、正確に強度情報と光学的距離情報の両方を分離する装置を提供することが可能となる。 From the above, according to the present embodiment, the object to be measured absorbs light and has intensity information having different reflectance and transmittance, and also has optical distance information having different refractive index distribution and thickness. However, it is possible to provide a device that accurately separates both intensity information and optical distance information.
これに伴って、このような本実施例の光学系と信号処理を用いれば、2次元走査を行うたびに、光学的距離情報として3次元計測データを取得し、かつ同時にこの3次元計測データから強度情報を分離して取得することが可能となる。このため、本実施例の光学系によれば、細胞や微生物の状態変化や、この状態変化に伴うこれら細胞等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、計測できる他、透過率、反射率、吸収率等の情報も同時に取得可能となる。
さらに、光学的距離情報に基づい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。
Along with this, if the optical system and signal processing of this embodiment are used, three-dimensional measurement data is acquired as optical distance information each time two-dimensional scanning is performed, and at the same time, from the three-dimensional measurement data. It is possible to obtain the strength information separately. Therefore, according to the optical system of this embodiment, it is possible to observe and measure changes in the state of cells and microorganisms, and transient changes in the surface state and internal state of these cells and the like due to the changes in the state at high speed. , Information such as transmittance, reflectance, and absorption rate can be acquired at the same time.
Furthermore, since it is possible to display a 3D stereoscopic image by using a naked-eye stereoscopic display or a 3D display using polarized glasses, which are commercialized based on optical distance information, it is possible to display a 3D stereoscopic image in education, research, and medical care. , Can be a useful device.
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。
In this optical system, an example using one two-
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。さらに、1次元走査デバイスを1つと測定対象物G1を支持する図示しないテーブルとを相互に直交する形で採用することもできる。
Further, instead of one two-
以上述べたように、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することで、測定対象物G1の強度情報および位相情報である光学的距離を定量的に算出できる。
As described above, the intensity of the object to be measured G1 is based on the signal photoelectrically converted by the light receiving
次に、本発明に係る光学計測装置の実施例2を以下に図5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5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。
Next, Example 2 of the optical measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG. This embodiment is a device of a transmission optical system in which a scanning beam passes through an object to be measured.
FIG. 5 is a block diagram showing an apparatus of a transmission optical system according to this embodiment. Since the main optical system is the same as the device of the reflection optical system, the description thereof is omitted, but in this device of the transmission optical system, the light collected by the
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、実施例1の2つの受光素子29A、29Bと同様な構造の受光素子29E、29Fにより構成されている。
Further, in this embodiment, since the
つまり、透過光学系の本装置の場合、図5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29E、29F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29Eが位置し、これと境界線Sの反対側にずれて受光素子29Fが位置していることになる。これに伴い、図5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。
That is, in the case of this apparatus of the transmission optical system, the light receiving
さらに、信号比較器33が、前述の測定対象物G2で透過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G2の強度情報と位相情報を得て、この信号比較器33と接続されたCPUやメモリ等からなるデータ処理部34にこの強度情報と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でこの強度情報と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G2の表面や内部についての強度情報とプロファイル情報等の位相情報の計測値を簡単に導くことができる。この場合、上記した強度情報は、反射率を反映したような情報となる。
Further, the
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29E、29Fでそれぞれ光電変換した信号及び、コントローラ23からの2次元走査デバイス26による走査を指示する信号により、信号比較器33が測定対象物G2の強度情報と位相情報を得ることになる。
そして、実施例1と同様に、元信号とヒルベルト変換を2回行うことにより、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と透過度や透過率等の計測値を実質的に得ることができる。この結果として、本実施例によっても、透過光による強度情報と光学的距離情報を完全に分離することが可能となる。
Therefore, similarly to the first embodiment, the
Then, as in the first embodiment, by performing the original signal and the Hilbert transform twice, the data is finally processed and the
また、上記した実施例1で示したC0、C1を測定対象物のない状態で測定しておき、測定対象物G2のある状態でbを得たのち、C0、C1を測定すれば、実効上、強度の変調度mに係る強度情報を得ることができる。このようにすれば、この強度情報を透過率等の物理量にすることが可能となる。
Further, C 0 and C 1 shown in the above-mentioned Example 1 are measured in a state where there is no object to be measured, b is obtained in a state where the object to be measured
特に、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強度情報と光学的距離情報に分離してリアルタイムに観察できるので、iPS、ES細胞等の細胞が正常か否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。 In particular, in a transmission optical system device as in this example, changes in the state of unstained, non-invasive, living cells can be separated into intensity information and optical distance information and observed in real time, so iPS and ES It can play a major role in testing whether cells such as cells are normal and checking for the presence of cancer cells. This is a feature that is significantly different from a measuring instrument that cannot be observed unless the living body is killed, even at a high magnification such as an electron microscope.
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6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6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。
On the other hand, as a modification of the present embodiment, the
また、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、より高い空間周波数までの情報を取得する手法が特開2013−238450号公報により知られている。この手法においても、強度情報と位相情報のMTF曲線がどのようになるかが予め分かっているので、さらに高い空間周波数までの強度情報と光学的距離情報の取得が可能となる。
Further, for the purpose of improving the lateral resolution, an optical system tilted with respect to the optical axis L of the
さらに、本願発明者らは既に特開2017−116925号公報にて、走査光学系において空間周波数を光電変換された電圧等の周波数を検出することで、空間周波数によるMTF曲線を補正できることを示した。この特開2017−116925号公報で開示した手法と本願の実施例を組み合わせることにより、測定対象物G1、G2の有する本来の情報を正しく強度情報と光学的距離情報に変換できるので、光学系において情報の欠落を補正することが可能となる。このため、より信頼度の高い強度情報と光学的距離情報を分離して測定することが可能ともなる。 Furthermore, the inventors of the present application have already shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-116925 that the MTF curve due to the spatial frequency can be corrected by detecting a frequency such as a voltage obtained by photoelectrically converting the spatial frequency in the scanning optical system. .. By combining the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-116925 with the embodiment of the present application, the original information possessed by the measurement objects G1 and G2 can be correctly converted into intensity information and optical distance information, and thus in an optical system. It is possible to correct the lack of information. Therefore, it is possible to separately measure the intensity information and the optical distance information with higher reliability.
他方、本願の実施例においては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かつ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可能にしておくことで、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。 On the other hand, in the embodiment of the present application, since the frequency can be measured for each scanning pixel, the spatial frequency that the observer observing the measurement objects G1 and G2 wants to emphasize can be easily set, and the desired part can be emphasized or used as the background. It is possible to display the part that is hidden. As the spatial frequency can be changed easily and flexibly in this way, the spatial frequency band is divided into several bands, and the gain can be manually set by the observer in each band, so that the image can be changed. You will be able to freely perform a kind of equalizer.
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。
In addition, since the limit of lateral resolution of the optical system is the upper limit of the frequency that can be detected, sampling is performed at a frequency sufficiently higher than the frequency of this upper limit, and the data flowing in time series is added based on the sampled data. Therefore, random noise can be reduced. As a result, it leads to improvement of accuracy of measurement data and reduction of noise when displaying a three-dimensional image.
Further, since the scanning speed is constant, it is possible to substantially change the range in which the image is displayed by changing the number of data to be added. Therefore, it is possible to arbitrarily enlarge or reduce the visual field range to some extent without substantially changing the NA of the objective lens used for irradiation.
すなわち、本手法によれば、横分解能を一定に保ったまま、強度情報と光学的距離情報を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。 That is, according to this method, it has a great feature that the intensity information and the optical distance information can be changed only in the visual field range while keeping the lateral resolution constant. Furthermore, if it is used in combination with a function to change the scanning range by changing the voltage that controls the scanning range in the horizontal scanning direction for MEMS, resonance mirror, etc., which are scanning elements, the 3D image can be enlarged or reduced more freely. , Can be done without changing the horizontal resolution.
以上のように、走査に基づく信号と受光素子29Eや受光素子29Fで検出された信号とにより、測定対象物の強度情報と光学的距離情報を簡単かつ完全に分離し、可視化することができる。そして、この信号を適正に処理することで、計測値を算出することができる。
さらに、測定対象物が本来有する空間周波数を再現する方法とこの手法を併用することにより、測定対象物の反射率、透過率、吸収率等の強度情報と光学的距離情報をより正確に算出することもできる。
As described above, the intensity information and the optical distance information of the object to be measured can be easily and completely separated and visualized by the signal based on the scanning and the signal detected by the
Furthermore, by using this method in combination with a method that reproduces the spatial frequency inherent in the object to be measured, intensity information such as reflectance, transmittance, and absorption rate of the object to be measured and optical distance information can be calculated more accurately. You can also do it.
また、透過光学系の装置の場合には、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次元プリンタと本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、強度情報のない光学的距離情報だけを用いて、染色等の処理をせずに生きたままの状態で、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。 Further, in the case of a transmission optical system device, visualization of cells, micro-organisms, and the like can be realized with a simple device according to the above-described embodiment, so that it can be used in education and hobby as a micro three-dimensional digitizer. By doing so, by using the recent 3D printer in combination with the apparatus according to the present embodiment, only the optical distance information without intensity information is used, and the cells remain alive without any processing such as dyeing. In the state, it becomes possible to easily represent the process of cell division and the three-dimensional stereoscopic image of the organ inside the cell of a microorganism as a three-dimensional model.
次に、本発明に係る光学計測装置の実施例3を以下に図7を参照しつつ説明する。本実施例は、反射光学系の装置及び透過光学系の装置に適用できるものである。 Next, Example 3 of the optical measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG. 7. This embodiment can be applied to a device of a reflection optical system and a device of a transmission optical system.
実施例1、2では、受光素子群29を構成する受光素子29A、29Bあるいは受光素子29E、29Fが、走査ビームLAの光軸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、2分割された領域にそれぞれ位置されている。これに対して本実施例では、測定対象物G1、G2の面内の水平方向及び垂直方向でそれぞれの情報を取得可能なように、図7に示す4分割された受光素子29A〜29Dとした。
In Examples 1 and 2, the
つまり、境界線Sとこの境界線Sに対して照射光の光軸L上で交差する交差境界線KSとで区画された各領域内に受光素子29A〜29Dを配置することとした。そして、測定対象物G1、G2の面内の水平方向及び垂直方向それぞれの情報をこれら4つの受光素子29A〜29Dで個々に取得することにより、より詳細なデータが得られることになる。
That is, it was decided to arrange the
さらにこれだけで無く、これら4つの受光素子29A〜29Dの内の境界線Sを挟んで対向する2つのもの(例えば受光素子29Aと受光素子29B)や、交差境界線KSを挟んで対向する2つのもの(例えば受光素子29Aと受光素子29C)とされる、それぞれ対となる2つの受光素子を用いて、上記した演算により、強度情報と光学的距離情報を取得する事が可能となる。
Further, not only this, two of these four
具体的には、それぞれ対となる受光素子の出力は、同相信号が強度情報であり、逆相信号が光学的距離情報であるので、上記したように強度と光学的距離情報を分離できる。これに伴い、より小型で低コストの受光素子を採用しても良くなり、この小型の受光素子が受光した僅かな位相情報であっても、計測部が必要な計測値を得ることができる。尚、本実施例では4分割の領域に分けたが、4分割以上の領域に分けて4つ以上の受光素子を採用した構造としても良い。 Specifically, in the outputs of the light receiving elements paired with each other, since the in-phase signal is the intensity information and the anti-phase signal is the optical distance information, the intensity and the optical distance information can be separated as described above. Along with this, a smaller and lower cost light receiving element may be adopted, and even a small amount of phase information received by this small light receiving element can be obtained by the measuring unit. In this embodiment, the structure is divided into four divided regions, but a structure in which four or more light receiving elements are adopted may be divided into four or more divided regions.
本発明に係る光学計測装置の実施例4について図8を参照しつつ、以下に説明する。
図8は、本実施例の光学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8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。
Example 4 of the optical measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 8 is a schematic view showing the configuration of the optical measuring device of this embodiment. In this embodiment, in order to process the scanning beam transmitted through the measurement object G2 while improving the lateral resolution, for example, an inclined optical system shown in this figure is arranged under the device of the transmission optical system of Example 2. It is something to do. In FIG. 8, the optical systems such as the pupil
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。
Then, in this embodiment, the
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。
Further, in this embodiment, the
他方、本実施例においては、レンズ52の実効的な焦点距離を長くするか、受光素子50を若干デフォーカスの位置に配置するかすることで、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、図示しない他方の光学系とされる−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合わせが困難になる。
On the other hand, in this embodiment, the pitch of the interference fringes can be widened by lengthening the effective focal length of the
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るか若干デフォーカスの位置に配置することで、±1次回折光間において、強度情報は同相になり、光学的距離情報である位相情報は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、上記した演算を行うことにより、強度情報と光学的距離情報の両方を取得することができる。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、信頼度の高い強度情報と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。
Therefore, by enlarging the interference fringe itself by the magnifying
ここで、受光素子の調整方法を具体的に述べる。
測定対象物G2に関す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系統でそれぞれ調整を行うこととする。つまり、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。
また、測定対象物G2に関す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、同様にそれぞれ調整を行うことにする。この場合、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。
Here, a method for adjusting the light receiving element will be specifically described.
When the information about the object to be measured G2 is phase information, adjustments are made between the first-order diffracted light and the 0th-order diffracted light and between the -1st-order diffracted light and the 0th-order diffracted light, respectively. That is, the light receiving element is adjusted so that when one light receiving element has the maximum amount of light, the other light receiving element becomes substantially zero.
Further, when the information regarding the measurement target G2 is intensity information, the adjustment is similarly performed in the two systems between the 1st-order diffracted light and the 0th-order diffracted light and between the -1st-order diffracted light and the 0th-order diffracted light. I will do it. In this case, the light receiving element is adjusted so that when one light receiving element has the maximum amount of light, the other light receiving element also has the maximum amount.
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。 In this embodiment, even if the lenses have slightly different focal lengths, the pitch of the interference fringes changes slightly if the amount of light received by each light receiving element does not change significantly and the wavefront aberration in the lens surface is not large. Since it is a degree, it can be used as it is. Further, the limit of the spatial frequency that can be acquired is about 1.5 times. Since this optical system is configured using only the lens system, it is very simple and resistant to disturbance.
さらに、本実施例では、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。 Further, in this embodiment, each light receiving element is located on any side of the boundary line, but the light receiving element may be arranged across the boundary line. Even in this case, it is sufficient that the light receiving element is positioned so as to be offset to one side of the boundary line.
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。 Although each embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and can be variously modified and carried out without departing from the spirit of the present invention.
本発明に係る光学計測装置の実施例5を以下に図9を参照しつつ、以下に説明する。
図9は、本実施例の光学計測装置の構成を示す概略図である。本実施例は、反射光学系と透過光学系を併用して強度情報と光学的距離情報を取得する装置に適用できるものである。
Example 5 of the optical measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 9 is a schematic view showing the configuration of the optical measuring device of this embodiment. This embodiment can be applied to an apparatus for acquiring intensity information and optical distance information by using a reflected optical system and a transmitted optical system in combination.
図9に示すように本実施例では、実施例1のように反射光学系の2つの受光素子29A、29Bにより構成される受光素子群29を有する他、測定対象物G2を介した対物レンズ31と反対側の位置であって実施例2と同位置に配置された、2つの受光素子29E、29Fにより構成される透過光学系の受光素子群29を有している。そして、本実施例は他の部分も実施例1とほぼ同様な構造となっていて、受光素子29A、29Bが信号比較器33に接続される他、図9に示すように2つの受光素子29E、29Fも同様に信号比較器33にそれぞれ接続されている。
As shown in FIG. 9, in the present embodiment, as in the first embodiment, the light receiving
従って、信号比較器33では、反射光学系と透過光学系を併用するのに伴い、これら4つの受光素子29A、29B、29E、29Fからの信号を比較して、強度情報と光学的距離情報を取得することになる。
Therefore, in the
つまり、反射光学系と透過光学系を併用することで、反射率と透過率を同時に測定できるので、これら測定された値から光の吸収率の測定も可能となる。特に、照射光を走査することにより同一箇所から反射率と透過率の値が同時に得られるのに伴い、同一箇所からの強度情報と光学的距離情報を得ることができる。このため、CCD等を用いて透過光学系と反射光学系で取得した画像を比べた場合に比較して、画素ズレ等の影響は皆無となるので、透過率、反射率、吸収率を正確かつ高分解能で得られるようになる。 That is, by using the reflective optical system and the transmitted optical system together, the reflectance and the transmittance can be measured at the same time, so that the light absorption rate can be measured from these measured values. In particular, by scanning the irradiation light, the reflectance and transmittance values can be obtained simultaneously from the same location, and the intensity information and the optical distance information from the same location can be obtained. Therefore, compared to the case where the images acquired by the transmission optical system and the reflection optical system are compared using a CCD or the like, the influence of pixel misalignment or the like is completely eliminated, so that the transmittance, reflectance, and absorption rate are accurate. It will be possible to obtain high resolution.
そして、本実施例はこれらの受光素子から得られた画像表示に関するものであり、例えば測定対象物G2の透過光学系の強度情報Kを表示している画面とされる図10(A)に対して図10(B)に示すように切り替えて画像を例えば4つ表示することができる。このことにより、質の異なる例えば4つとされる複数の異なる画像を同時表示できる。
例えば本願発明者らが以前出願した特開2017−133867号公報に示す偏光画像の実施例のいずれか一つと組み合わせて、計4つの画像とされる、反射光学系の光学的距離と強度の画像および、透過光学系の光学的距離と強度の画像をそれぞれ表示してもよい。
The present embodiment relates to an image display obtained from these light receiving elements, for example, with respect to FIG. 10A, which is a screen displaying the intensity information K of the transmission optical system of the measurement object G2. As shown in FIG. 10B, for example, four images can be displayed by switching. This makes it possible to simultaneously display a plurality of different images having different qualities, for example, four.
For example, an image of the optical distance and intensity of the reflected optical system, which is combined with any one of the examples of the polarized image shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-133867 filed by the inventors of the present application to form a total of four images. And, the image of the optical distance and the intensity of the transmission optical system may be displayed respectively.
他方、上記図10(B)の例ではデータを間引いてそれぞれ全体を表示しているが、測定対象物G2の画像Gを図11(A)から図11(B)に示すように解像度はそのままで、図11(A)の枠部分P内の必要とされる部位GPだけ4つ表示するように変更してもよい。
以上より、図10(B)に示す例では、測定対象物G2の図10(A)に示す全体像中における質の異なる部位を大まか判定できるといった利点があり、図11(B)に示す例では、解像度を落とさずに注視したい部位を観察したり計測したりできるといった利点がある。
On the other hand, in the example of FIG. 10B, the data is thinned out and the whole is displayed, but the resolution of the image G of the measurement object G2 remains the same as shown in FIGS. 11A to 11B. Then, it may be changed so that only four required part GPs in the frame portion P of FIG. 11A are displayed.
From the above, the example shown in FIG. 10B has an advantage that different parts of quality can be roughly determined in the overall image shown in FIG. 10A of the measurement object G2, and the example shown in FIG. 11B has an advantage. Then, there is an advantage that it is possible to observe and measure the part to be watched without reducing the resolution.
本発明の光学計測装置は、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、強度情報を光学的距離情報と分離できるので、反射率、透過率、吸収率等の物理量の測定も可能となる。このように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強度と高さ等の3次元プロファイル情報とを分離できるものである。
The optical measuring device of the present invention can not only measure the distance to the sample to be measured and the shape of the sample, but also can separate the intensity information from the optical distance information, so that the reflectance, transmittance, absorption rate, etc. It is also possible to measure the physical quantity of. In this way, it can be applied to various types of measuring instruments such as microscopes.
Further, the optical measuring device of the present invention can be applied not only to a microscope but also to various types of optical instruments and measuring instruments using electromagnetic waves having waves, and the strength of these optical instruments and measuring instruments using electromagnetic waves having waves can be applied. And 3D profile information such as height can be separated.
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〜29F 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)
G1、G2 測定対象物
L 光軸
LA 走査ビーム
S 境界線
KS 交差境界線
21 Laser light source (light source)
22
27
34 Data processing unit (measurement unit)
G1, G2 Measurement target L Optical axis LA Scanning beam S Boundary line KS Crossing boundary line
Claims (9)
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、
照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線として両側に各1つ位置し、走査に伴い測定対象物により変調された照射光をそれぞれ受光して光電変換する少なくとも2つの受光素子と、
受光素子にてそれぞれ光電変換された各信号から直流成分とされる無変調信号と交流成分とされる変調信号を抽出し、これら無変調信号と変調信号により測定対象物の強度情報と位相情報を得ると共に、この強度情報と位相情報に基づき測定対象物についての計測値を得る計測部と、
を含む光学計測装置。 A light source that irradiates coherent irradiation light,
A scanning element that scans the irradiation light from the light source and sends it to the object to be measured,
With at least two light receiving elements, each of which is located on each side with a direction perpendicular to the optical axis direction of the irradiation light as a boundary line, receives irradiation light modulated by the object to be measured during scanning, and performs photoelectric conversion. ,
An unmodulated signal as a DC component and a modulated signal as an AC component are extracted from each photoelectrically converted signal by the light receiving element, and the intensity information and phase information of the object to be measured are obtained from these unmodulated signals and the modulated signals. A measuring unit that obtains measured values for the object to be measured based on this intensity information and phase information,
Optical measuring device including.
交流成分の変調信号をヒルベルト変換した第2の信号と該第2の信号をさらにヒルベルト変換した第3の信号を用い、
これら変換された各信号を2つの受光素子の一方の受光素子からの出力と他方の受光素子からの出力の和信号と差信号に施す請求項1に記載の光学計測装置。 The signal photoelectrically converted by each of the two light receiving elements is used as the first signal.
Using the second signal obtained by Hilbert transforming the modulated signal of the AC component and the third signal obtained by further Hilbert transforming the second signal.
The optical measuring device according to claim 1, wherein each of these converted signals is applied to a sum signal and a difference signal of the output from one light receiving element and the output from the other light receiving element of the two light receiving elements.
測定対象物で反射して測定対象物から戻ってきた照射光をこのビームスプリッターが反射することで、前記受光素子が測定対象物を経由した照射光を受光する請求項1から請求項6の何れかに記載の光学計測装置。 A beam splitter is placed between the light source and the object to be measured.
Any of claims 1 to 6, wherein the beam splitter reflects the irradiation light reflected by the measurement object and returned from the measurement object, so that the light receiving element receives the irradiation light passing through the measurement object. Optical measuring device described in Crab.
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