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JP2019163932A - Optical measurement device - Google Patents

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JP2019163932A JP2018050326A JP2018050326A JP2019163932A JP 2019163932 A JP2019163932 A JP 2019163932A JP 2018050326 A JP2018050326 A JP 2018050326A JP 2018050326 A JP2018050326 A JP 2018050326A JP 2019163932 A JP2019163932 A JP 2019163932A
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Abstract

To provide an optical measurement device that calculates optical distance information and intensity information by accurately separating the intensity and the optical distance based on a signal acquired from a light receiving element.SOLUTION: A laser light source 21, a collimator lens 22, a pupil transmission lens system 25, a two-dimensional scanning device 26, and a beam splitter 27 are arranged side by side. An objective lens 31 faces a measurement object G1. A light receiving element group 29 on the left side of the beam splitter 27 is composed of light receiving elements 29A and 29B. Modulation is performed by the two-dimensional scanning device 26 scanning the irradiation light from the laser light source 21 and sending it to the measuring object G1. A signal comparator 33 obtains intensity information and phase information based on signals from the two light receiving elements 29A and 29B received from the measurement object G1 and a signal serving as a reference for scanning by the two-dimensional scanning device 26.SELECTED DRAWING: Figure 1

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。   In the present invention, intensity information such as transmittance, reflectivity, absorbance, etc. and optical information are measured for measurement of the profile of the surface condition of the measurement object by laser light irradiation, and measurement and observation of the surface condition and internal condition of cells and the like. The present invention relates to an optical measurement device that simultaneously acquires distance information and accurately separates both, and is suitable for a device that improves the performance of an optical instrument 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 a conventional optical microscope, it is difficult to measure three-dimensionally such as an optical distance, and phase information and intensity information cannot be accurately separated. For example, a phase contrast microscope uses a phase plate to convert phase information into intensity information for observation in order to clearly observe biological cells with low contrast. Therefore, although phase information can be visualized, intensity information has also been observed. Thus, the conventional phase contrast microscope is not a microscope that purely separates and observes only phase information or intensity information. The same applies to the differential interference microscope that visualizes the phase information. In particular, in order to enable three-dimensional measurement, it is necessary to clearly separate optical distance information and intensity information that 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, confocal microscopes, digital hologram microscopes, and the like are known as conventional means for detecting optical path differences.
The former confocal microscope irradiates the measurement object with spot light, and the objective lens or the object lens or the light beam received by the light receiving element disposed at the confocal position via the pinhole is maximized with respect to the spot light. By moving the measurement object, the height information and the path difference information of the measurement object are 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 measurement object with a substantially parallel laser beam, collects the light diffracted by the measurement object with an objective lens, and provides a reference plane wave and an area such as a CCD. A hologram is created by interference on a sensor. Then, by analyzing the interference fringes by calculation, the wavefront from the original measurement object is restored, and the path difference information is 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 becomes erroneous information. In particular, if the object to be measured has a wavefront that changes in phase, such as a change in refractive index of a cell or the like, the reliability of the value must be poor. In addition, since it is necessary to move the objective lens and the measurement object so that the received light quantity becomes maximum, the real-time property is lacking. Furthermore, when the measurement object is such that intensity unevenness occurs due to changes in absorptance or reflectance, the amount of light received naturally changes at the point where the intensity changes, so the amount of light passing through the pinhole is It cannot be determined whether the intensity is increased at the focal point or due to unevenness in intensity, and an incorrect optical distance is 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 collected, interfered with a reference plane wave, the bright and dark pattern is taken in by a CCD or the like, and the wavefront is reproduced by a computer as information. However, since the reference plane wave is a plane wave that has passed through several optical elements, even if it is a plane wave, about 1/10 of the wavelength is uneven in the plane. Even if the uneven state of the wavefront is stored in a calibration plane or the like, it is effectively fluctuated due to temperature fluctuations, air density fluctuations, or the like. For this reason, it is difficult to say that the interference pattern between the plane wave and the object wave passing through different paths is 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 in a part of the imaging optical system, disposing a phase type spatial modulator on this surface, and applying phase modulation to the 0th-order diffracted light is disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 below. 2. In this method, a total of four types of images in which a phase difference of 90 degrees is generated between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light are picked up by a CCD camera arranged on the imaging surface. And it is set as the method of measuring an optical distance from the mutual calculation of these four types of images.

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 effectively impossible to cause a phase difference only in the 0th-order diffracted light. This is because the 0th-order diffracted light is transmitted without being modulated from the sample, but there is a low-order 1st-order diffracted light that overlaps the 0th-order diffracted light region. This is because they cannot be distinguished. Furthermore, it is necessary to switch the modulation of the spatial light modulator when acquiring an image with four different phases, and the image acquired by the CCD camera is time-shifted information. Therefore, it cannot be said that the change of the process which changes relatively rapidly is correctly reflected.

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 influence as much as possible, it is conceivable to apply this method in a very narrow region near the periphery of the spread of the 0th-order diffracted light. In this way, there is a possibility that the frequency dependence of the spatial frequency and the influence of the first order diffracted light included in the zeroth order diffracted light can be reduced. However, since only a very narrow range of light can be acquired effectively, the amount of light is extremely reduced, making it 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 recent development of the micro / nanotechnology field, attention has been focused on a technique for measuring three-dimensional information of fine industrial products and precision parts at high speed. In addition, in biology, medicine, and agriculture, there is an increasing demand for real-time acquisition of three-dimensional profile information of a biological sample having a thickness such as a cell.

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 height information and refractive index distribution, and further have different absorptance, reflectance, etc., and therefore 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 inherently difficult to easily separate the original intensity information from the phase information. It is.

特表2007−524075号公報Special table 2007-524075 gazette 特開2015−4643号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-4643 特開2013−238450号公報JP 2013-238450 A 特開2017−116925号公報JP 2017-116925 A 特開2017−133867号公報JP 2017-133867 A

Opt.Lett.29(21),2503-2505(2004)Opt. Lett. 29 (21), 2503-2505 (2004) Opt.Exp.19(2),1016-1026(2011)Opt. Exp. 19 (2), 1016-1026 (2011)

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 the above Japanese Patent Application Publication No. 2007-524075 of Patent Document 1, a spatial modulator is used to cause 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 variation of the spatial modulator, temperature change, and the like. In addition, when a liquid crystal spatial modulator is used, adjustment is difficult because the polarization is rotated in addition to the phase unless the direction of the linearly polarized light and the direction of the liquid crystal molecules are properly matched. Furthermore, since four phase differences are generated by the spatial modulator, a time lag occurs. For this reason, since the four phase information is acquired at different times with respect to a phenomenon with a fast temporal fluctuation, 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。   As described above, in a conventional microscope, it is impossible to strictly separate general measurement objects whose intensity and optical distance change at the same time. Therefore, 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-tilt rate, the absorption rate, etc. It is an object of the present invention to provide an optical measurement device that calculates intensity information of the light.

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。
An optical measurement device according to claim 1 is a light source that emits coherent irradiation light;
A scanning element that scans irradiation light from a light source and sends it to a measurement object;
At least two light receiving elements that are respectively positioned on both sides with a direction perpendicular to the optical axis direction of the irradiation light as a boundary line, and that respectively receive the irradiation light modulated by the measurement object in accordance with scanning and photoelectrically convert the irradiation light; ,
A non-modulated signal, which is a direct current component, and a modulated signal, which is an alternating current component, are extracted from each signal photoelectrically converted by the light receiving element, and intensity information and phase information of the object to be measured are obtained using the non-modulated signal and the modulated signal. And obtaining a measurement value for the measurement object based on the intensity information and the 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 claim 1 will be described below.
In the present invention, coherent irradiation light is irradiated from a light source, and a scanning element scans the irradiation light and sends it to a measurement object as a scanning beam. In addition, two light receiving elements, one on each side of the boundary with the direction perpendicular to the optical axis direction of the irradiated light, receive the irradiated light modulated by the measurement object as a result of scanning, and photoelectrically 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, a non-modulated signal, which is a direct current component of a signal photoelectrically converted by each of these two light receiving elements, and a modulated signal, which is an alternating current component, are extracted by the measuring unit, and the measuring unit uses the extracted signals to measure Get strength and phase information of objects. Furthermore, using the fact that the in-phase signal of the extracted signal is intensity information and the reverse-phase signal is phase information that is optical distance information, the transmittance, reflectance of the measurement object based on the intensity information, A measurement value such as an absorptance is obtained, and a measurement value of optical distance information of the measurement object is 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。   In other words, according to the present invention, a scanning element is scanned to form a scanning beam without using a special modulation element such as a spatial modulator to change the phase of the irradiation light from the light source and receiving it with a CCD or the like. The irradiation light passes through the measurement object by irradiating the measurement object and reflecting or transmitting the irradiation light. A signal conversion corresponding to an electrical phase change is performed on the non-modulated signal and the modulated signal generated in association therewith. Accordingly, the optical measurement device according to the present invention can completely separate the intensity information and the optical distance information of the measurement object 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 a microscope or the like to which the present invention is applied, intensity information and optical distance information can be acquired simultaneously from the irradiation position of the scanning beam in the reflection optical system and the transmission optical system. Intensity changes such as changes in the state of cells and micromachines and three-dimensional measurement can be performed in real time. In addition, since it is not a plurality of data acquired by a plurality of CCDs or the like but information from the same observation point, it is a process unrelated to alignment by pixel shift, 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。   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 with the maximum amount of light passing through the pinhole, gives an error signal. The optical distance information, which is height information, can be calculated with a single scan with certainty in the present apparatus, and thus has very large features.

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 and micro-organisms etc. remain alive and are not fluorescently colored, and can be visualized with high resolution and simple and high speed. Observe and measure. In addition, since optical distance information is obtained from phase information and transmittance and absorptance are obtained from intensity information, it has a great feature that some physical quantities of 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 claim 2, a signal photoelectrically converted by each of the two light receiving elements is used as a first signal, and a second signal obtained by performing Hilbert transform on a modulation signal of an AC component and the second signal are further provided. By using the Hilbert-transformed third signal and applying the converted signals to the sum signal and difference signal of the output from one of the two light receiving elements and the output from the other light receiving element, the intensity information In addition, optical distance information can be easily obtained.

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 defined in claim 3, the boundary line along a direction perpendicular to the optical axis direction of the irradiation light and a boundary line intersecting the boundary line on the optical axis of the irradiation light are defined. The light receiving elements may be arranged in any region. In this way, the light receiving elements are arranged in the areas 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 the four light receiving elements that face each other across the boundary line and two that face each other across the cross boundary line can be used as examples of pairs. Since the in-phase signal is the intensity information and the reverse-phase signal is the optical distance information, the intensity and the optical distance information can be separated from each other as described above. According to this claim, it is possible to adopt a light receiving element that is smaller and lower in cost, and even with a small amount of phase information received by this small light receiving element, the measurement unit can obtain the necessary measurement value. Can be obtained.

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 irradiation light in two directions orthogonal to each other, and the object to be measured is scanned by at least one of the two directions. It is conceivable that the irradiated light is modulated. Furthermore, 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. In this way, not only a two-dimensional image can be simply obtained, but it is possible to measure in an arbitrary modulation amount and in 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。   According to the sixth aspect, the measurement unit converts the AC component of the signal photoelectrically converted by the light receiving element into digitized data, and changes the addition amount of the data to obtain the measurement value for the measurement object. The range to obtain can be adjusted. According to the present invention, if sampling is performed at a frequency higher than the resolution of the optical system, random noise can be reduced, and the accuracy of measurement data of intensity and optical distance can be improved. In addition, since the scanning speed is constant, the display area of the image can be substantially changed 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 information on the strength and optical distance inherent in the measurement object. The measured values of the intensity and the optical distance are obtained by calculating the direct current component of the sum signal and the difference signal of two light receiving elements each located on both sides with the direction perpendicular to the optical axis direction of the irradiation light as a boundary line. And 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 detectable frequency, it is a frequency sufficiently higher than the upper limit frequency for digitizing data, and AC and DC components are converted to optical resolution. It is conceivable to sample at a corresponding frequency or higher. Random noise generated electrically or optically can be reduced by adding data flowing in time series based on the sampled data. As a result, it is possible to reduce the accuracy of measurement data and noise in the display of a 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。   In addition, since the scanning speed is constant, by changing the number of data to be added, the field of view range can be enlarged and reduced without changing the optical resolution, and the range in which the image is displayed can be changed substantially. . Therefore, it is possible to express the field of view 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, as in claim 7, if the measurement object reflects the irradiation light when the irradiation light passes through the measurement object, the light receiving element of claim 1 receives the reflected light and photoelectrically Will be converted. In this case, by arranging a beam splitter in the optical axis between the light source and the measurement object, the beam splitter reflects and returns the irradiated light reflected by the measurement object to the light receiving element side. be able to. Further, as in claim 8, if the irradiation light passes through the measurement object when the irradiation light passes through the measurement object, the light receiving element according to claim 1 arranged on the optical axis, for example, The transmitted light is received and photoelectrically converted.

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。   In the reflection and transmission described above, the intensity information and the optical distance information are completely separated to calculate the reflectance, transmittance, and absorptance, or the optical distance, which is the product of the refractive index difference and the thickness, is calculated as the refractive index. It becomes possible to separate into a difference and thickness.

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 that is the transmission side and the reflection side of the measurement object, and at least each of the irradiation light modulated via the measurement object The light receiving element receives light from the two light receiving elements, and the measurement unit to which signals are input from these light receiving elements obtains the measurement value for the measurement object. If it does in this way, it will become the form which used together the reflective optical system and the transmission optical system so that irradiation light permeate | transmits and reflects a measurement target object through a measurement target 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。   In other words, by using a reflection optical system and a transmission optical system together, at least two signals from a total of four light receiving elements are compared, intensity information and optical distance information are acquired, and reflectance and transmittance are simultaneously obtained. Since they can be measured, the light absorption rate can be measured from these amounts. In particular, the intensity information and the optical distance information from the same location can be obtained simultaneously as the reflectance and transmittance values are obtained simultaneously from the same location by scanning the irradiation light. For this reason, there is no influence of pixel misalignment and the like, so that accurate transmittance, reflectance, and absorptance 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 described above, in the optical measurement device of the present invention, the coherent irradiation light is irradiated from the light source, and the scanning element scans the irradiation light and sends it to the measurement object as a scanning beam. Modulate light.
Further, after obtaining a non-modulated signal and a modulated signal photoelectrically converted by each of the light receiving elements located on both sides with the direction perpendicular to the optical axis direction of the irradiated light as a boundary line, at least two light receiving elements Process each other's signal. Thus, it is possible to obtain intensity information and phase information of the measurement object, and accordingly, it is possible to calculate a quantitative intensity, an optical distance, and the like.

本発明に係る光学計測装置の実施例1とされる反射光学系の装置のブロック図である。It is a block diagram of the apparatus of the reflective optical system used as Example 1 of the optical measuring device which concerns on this invention. 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。It is explanatory drawing showing the light irradiation area | region on the light receiving element of the reflective optical system of FIG. レーザー光の繰り返し走査を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the repeated scanning of a laser beam. 実施例1の受光素子で得られる空間周波数におけるMTF曲線のカットオフ周波数を表すグラフを示す図であって、図4(A)に強度部のコントラストを示し、図4(B)に位相部のコントラストを示す。FIG. 4A is a graph showing a cutoff frequency of an MTF curve at a spatial frequency obtained by the light receiving element of Example 1, FIG. 4A shows the contrast of the intensity part, and FIG. 4B shows the phase part. Show contrast. 本発明に係る光学計測装置の実施例2とされる透過光学系の装置のブロック図である。It is a block diagram of the apparatus of the transmission optical system used as Example 2 of the optical measuring device which concerns on this invention. 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。FIG. 10 is a block diagram of a transmission optical system apparatus which is a modification of the second embodiment. 本発明に係る光学計測装置の実施例3とされる装置の受光素子上における光照射領域を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the light irradiation area | region on the light receiving element of the apparatus made into Example 3 of the optical measuring device which concerns on this invention. 本発明に係る光学計測装置の実施例4の光学系を表す概略図である。It is the schematic showing the optical system of Example 4 of the optical measuring device which concerns on this invention. 本発明に係る光学計測装置の実施例5とされる反射光学系と透過光学系を併用した装置のブロック図である。It is a block diagram of the apparatus which used together the reflective optical system used as Example 5 of the optical measuring device based on this invention, and a transmissive optical system. 測定対象物の透過光学系の強度情報を表示した画面を示す図であって、図10(A)は透過光学系の強度情報を表示する画面とされ、図10(B)は図10(A)の画像を縮小して4つ表示する画面とされる。FIG. 10A is a diagram showing a screen displaying intensity information of the transmission optical system of the measurement object, FIG. 10A is a screen displaying the intensity information of the transmission optical system, and FIG. 10B is FIG. ) Is reduced to display four images. 測定対象物の透過光学系の強度情報を表示した画面を示す図であって、図11(A)は透過光学系の強度情報を表示する画面とされ、図11(B)は解像度を変えず図11(A)の画像を表示する部位だけ4つ表示する画面とされる。It is a figure which shows the screen which displayed the intensity | strength information of the transmission optical system of a measuring object, Comprising: FIG. 11 (A) is a screen which displays the intensity information of a transmission optical system, FIG.11 (B) does not change the resolution. The screen displays only four parts for displaying the image of FIG.

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。   Embodiments 1 to 5 of the optical measuring device according to the present invention will be described below 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。   A first embodiment of the optical measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. In this embodiment, the apparatus is a reflection optical system that reflects a scanning beam by a measurement object. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a reflection optical system 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 laser light source 21 that is a light source that emits (emits) laser light, which is coherent irradiation light, and a collimator lens 22 that has been corrected for aberrations so that parallel light can be obtained from the laser light. And are arranged in order. Therefore, in this embodiment, the laser light emitted from the laser light source 21 is converted into parallel light by the collimator lens 22.

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。   The collimator lens 22 includes a pupil transfer lens system 25 including two groups of lenses, a two-dimensional scanning device 26 that is a two-dimensional scanning element for two-dimensionally scanning the input laser light, and the input laser light. Beam splitters 27 that are originally for separating and emitting the light beams are arranged in order. As shown in FIG. 1, the optical path of the laser beam toward the pupil transfer lens system 25 is the optical axis L. The two-dimensional scanning device 26 is connected to a controller 23 which is a control means for changing a scanning range for two-dimensional scanning with laser light, a voltage for adjusting a scanning speed, and the like.

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, adjacent to the beam splitter 27, a pupil transmission lens system 30 composed of two groups of lenses is located, and an objective lens 31 is arranged next to the object G1 for measurement. That is, these members are also arranged along the optical axis L. As described above, the laser beam is irradiated onto the measuring object G1 along the optical axis L through the pupil transmission lens system 25, the two-dimensional scanning device 26, the beam splitter 27, the pupil transmission lens system 30, and the objective lens 31 in this order. The At this time, due to the operation of the two-dimensional scanning device 26, the laser beam becomes a scanning beam and is scanned two-dimensionally on the measurement object G1.

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 element group 29 composed of a plurality of optical sensors is arranged in a direction perpendicular to the direction in which the optical axis L passes and adjacent to the beam splitter 27. The scanning beam reflected by the measurement object G1 shown in FIG. 1 becomes diffracted light, and returns to the parallel light in the order of the objective lens 31, the pupil transmission lens system 30, and the beam splitter 27. Accordingly, the light is reflected by the beam splitter 27 and is incident on the light receiving element group 29 along the optical axis L of the irradiation light orthogonal to the original optical axis L.

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 receiving element group 29 is not only arranged on the far field (far field) surface of the measuring object G1, but is composed of two light receiving elements 29A and 29B in this embodiment. However, as shown in FIG. 2, these are on a plane substantially perpendicular to the direction along the optical axis L, which is the center of the spot of the scanning beam LA, with a boundary line S passing through the optical axis L interposed therebetween. Light receiving elements 29A and 29B are arranged respectively. That is, the light receiving element 29A is positioned so as to be shifted to one side of the boundary line S, and the light receiving element 29B is positioned so as to be shifted to the opposite side of the boundary line S. The light receiving elements 29A and 29B receive LA.

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, each of the light receiving elements 29A and 29B has a structure having a photoelectric conversion section (not shown), and each of the light receiving elements 29A and 29B receives the scanning beam LA and performs photoelectric conversion.
The above-described controllers 23 that operate the light receiving elements 29A and 29B and the two-dimensional scanning device 26 are connected to a signal comparator 33, respectively. Along with this, the signal comparator 33 obtains the intensity information and phase information of the measurement object G1 from the signals from the light receiving elements 29A and 29B and the signal from the controller 23. The signal comparator 33 is connected to a data processing unit 34 that finally processes data and obtains a measured value such as a profile of the measurement object G1. For this reason, in the present embodiment, the signal comparator 33 and the data processing unit 34 are set as measurement units.

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。   The laser light source 21 is a semiconductor laser and generates coherent laser light. The laser light is converted into a parallel light beam by the collimator lens 22 and is incident on the pupil transfer lens system 25. At this time, the incident beam diameter of the laser light is optimized using a diaphragm mechanism (not shown) or the like in consideration of the pupil transmission lens system 25.

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, the pupil transmission lens system 25 disposed between the collimator lens 22 and the two-dimensional scanning device 26 transmits the position of the exit surface of the collimator lens 22 to the next two-dimensional scanning device 26 in a conjugate manner. This is an optical system. The laser light that has passed through the pupil transmission lens system 25 is sent as a scanning beam to the beam splitter 27 via the two-dimensional scanning device 26, and the scanning beam from the beam splitter 27 is transmitted to the pupil of the objective lens 31. The light enters the objective lens 31 through the pupil transmission lens system 30 that is conjugated to the position.

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。   As described above, in this embodiment, the laser light in an unmodulated state is irradiated from the laser light source 21, but the laser light converted into a scanning beam by the two-dimensional scanning device 26 is incident on the measurement object G1 to form a pattern. The light is substantially modulated by the intensity change and the optical distance change, and is reflected by the measurement object G1, and finally the modulation signal of the Fourier transform pattern of the scanning beam is detected by the light receiving element group 29.

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。   As shown in FIG. 3, the two-dimensional scanning device 26 scans the measurement object G <b> 1 while moving the optical axis L by repeating laser light along the horizontal direction X. However, two-dimensional scanning can be performed by sequentially changing the scanning position along the vertical direction Y as indicated by 1, 2, 3, 4... In FIG. The controller 23 that adjusts the operation of the two-dimensional scanning device 26 can change the visual field range of the apparatus. That is, the controller 23 can freely enlarge or reduce the three-dimensional image by changing the voltage for controlling the horizontal scanning range of the two-dimensional scanning device 26 or changing the vertical scanning range. Can be adjusted. At this time, the controller 23 can change only the visual field range while keeping the lateral resolution constant.

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 the present embodiment, as shown in FIG. 3, the surface of the measurement object G1 has irregularities such that the convex portion C exists, or there is a light and shade such that the high-density portion D exists. Even in this case, the convex portion C and the high-density 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-dimensional scanning device 26.

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。
In this way, the laser light which is not modulated is emitted from the laser light source 21, but this laser light which is converted into a scanning beam by scanning by the two-dimensional scanning device 26 is substantially diffracted through the measurement object G1. Diffracted light. Of this diffracted light, the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light themselves are unmodulated light, and the intensity signals of these diffracted lights are unmodulated signals.
On the other hand, the portion where the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light overlap is a modulated intensity signal because the 1st-order diffracted light has a phase difference with respect to the 0th-order diffracted light. This is because each of the intensity or 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 by scanning of the beam that is the irradiation light is the spatial frequency corresponding to the 1st-order diffracted light Modulated with.

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 as an intensity signal into a current having a frequency corresponding to the spatial frequency by the light receiving elements 29A and 29B, and this current is converted by a current-voltage conversion circuit of a photoelectric conversion unit in the light receiving elements 29A and 29B. Convert to voltage. Accordingly, the zero-order diffracted light and the first-order diffracted light themselves that are unmodulated light are DC signals, and the overlapping portion of the zero-order diffracted light and the first-order diffracted light that are modulated light is an AC signal.

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, how signals detected by the light receiving elements 29A and 29B will be specifically described below. The signal processing is the same not only in the reflection optical system but also in the transmission optical system and also in the transmission optical system with high resolution, and will be described collectively in the following embodiments.

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 measurement object G1 is generally represented by the product of the intensity pattern and the optical distance pattern, and the irradiation light is diffracted by the measurement object G1.
For simplicity, the complex amplitude E 0 of the intensity pattern is a cosine wave pattern with a pitch di, and the phase Θ of the optical distance pattern is a sine wave pattern with a pitch dp. When the wavelength of the irradiation light is λ, the intensity modulation degree is m, the refractive index difference between the medium and the measurement object is δn, and the thickness is h, it can be expressed as the following formula.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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 λ and received by light receiving elements 29A and 29B arranged on a Fourier transform plane which is a far field. In the Fourier transform plane of the complex amplitude E 0 of the intensity pattern in the pattern of the measurement object G1 in the amplitude portion, a region on one side with respect to the optical axis L and where the first-order diffracted light and −1st-order diffracted light do not overlap, that is, spatial frequency. When a region having a relatively high value is considered, the following formula is obtained on the first-order diffracted light side.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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 plane of the phase portion, a portion on one side with respect to the optical axis and having a relatively high spatial frequency where the first-order diffracted light and the −1st-order diffracted light do not overlap is considered. On the first-order diffracted light side, a portion having a relatively high spatial frequency is given by the following formula.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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, on the first-order diffracted light side, the light amplitude distribution E R is expressed by the following formula.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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. As described above, m represents the intensity modulation degree. 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.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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 having a relatively high frequency on one side with respect to the optical axis L and where the first-order diffracted light and the −1st-order diffracted light do not overlap. On the −1st order diffracted light side, the light amplitude distribution E L is expressed by the following equation.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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。 In consideration of the possibility of a slight difference in circuit gain between the first-order diffracted light side and the −1st-order diffracted light side, signal levels A 1 and A detected by inserting coefficient values K 1 and K 2 are considered. The two were generalized with differences.

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 portion is in phase and the phase portion is in reverse phase.
Although details are omitted, when the light receiving element that receives light in the same area as the NA of the objective lens with the optical axis L as a boundary is used, the spot diameter is smaller than the spot diameter on the measurement target G1. For the same spatial frequency as the magnitude, the above equation is obtained.

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 of FIG. 4, the dotted line T indicates a frequency that is half the cutoff frequency of the MTF curve M at the above-described spatial frequency. That is, the contrast of the intensity portion shown in FIG. 4A is half the maximum value as shown by the dotted line T, and the contrast of the phase portion shown in FIG. The same value as the value. At spatial frequencies other than these, the MTF curve M of the intensity portion is as shown in FIG. 4A, and the MTF curve M of the phase portion is as shown in FIG. 4B.

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 a frequency that is half the cutoff frequency of the spatial frequency.
On the other hand, in the application of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-4643, the inventors of the present application specify means for correcting the MTF by specifying the spatial frequency of the measurement object G1 from the frequency information obtained by photoelectric conversion using beam scanning. Has proposed. By using this method, if the actual values of m and b are corrected, the optical distance information can be obtained via the intensity modulation m and b inherent in 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, a modulation signal corresponding to the spatial frequency is placed on the scanning beam. Therefore, when θ and η are detected frequencies as fi and fp, respectively, Can be expressed as That is, the phase of the spatial frequency is modulated as follows.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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, a signal obtained from each of the first-order diffracted light and the −1st-order diffracted light by each light receiving element is used as a first signal. And At this time, the second signal subjected to the first Hilbert transform is represented by H1 (I R ) or H1 (I L ), and the third signal subjected to the second Hilbert transform is represented by H2 (I R ) or H2 (I L ). It shall be expressed as Then, the output obtained by the light receiving element on the first-order diffracted light side and the Hilbert transform of the signal obtained by the light-receiving element on the −1st order diffracted light side are given by

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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 output of the current signal I R and the current signal I L and the sum of the Hilbert transformed third signals H 2 (I R ) and H 2 (I L ) are output first. When the DC outputs of the current signals I R and I L are taken out, the following is obtained.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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。
Division by this signal allows normalization.
That is, α is set to α = 2b / (1 + b 2 ), and β is set to 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。 The first signal which is the current signals I R and I L of the output values received on the first-order diffracted light side and the −1st-order diffracted light side, and the third signal H 2 (I R ) and H 2 (I L ) which are Hilbert transformed. Are as follows: Note that θ 0 corresponds to η, and θ 1 corresponds to θ.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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 The sum signal and difference signal applied to the output I L are as shown in the following equation.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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。   As described above, since the signals related to the intensity are in phase, when these ratios are taken, only the phase signal that is a signal of the optical distance is obtained as shown in the following equation (3).

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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 between the Hilbert transform of the difference signal and the two Hilbert transforms is taken, the following equations (4) and (5) are obtained.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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 a quadratic equation relating to b.
Since b is connected to a which is the maximum amplitude of the phase information of the optical distance through the 0th-order and 1st-order Bessel functions, a can be derived. Since b is an arbitrary value (value of b <1 and b> 1), it is selected appropriately. In particular, in the case of a transmission optical system, since the refractive index difference is very small, J0 (a)> J1 (a) is satisfied, and a solution of b <1 may be selected.
Actual phase information can be obtained from the following mathematical formula.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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, taking the ratio of the Hilbert transform of the sum signal and the two Hilbert transforms, the result is as follows.

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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 intensity spatial frequency is obtained from the equation (6), and β is obtained from the equation (7). β is β = 2b / (1 + b 2 ), and m is calculated by solving a quadratic equation related to the intensity modulation degree m. In this case, the intensity modulation degree m is m <1, so there is only one solution.
Actual intensity information can be obtained from 1 + m cos θ (x = 0).

Figure 2019163932
Figure 2019163932

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 reflecting 100% with a mirror or the like, b is obtained in a state where the measurement object is present, and C 0 and C 1 are measured, m is effectively m. Can be obtained. In this way, it is possible to make 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。   As described above, the light receiving elements 29A and 29B detect the scanning beam that has passed through the measurement object G1, thereby obtaining signals on both sides of the light receiving region divided into two, and using this, the intensity information is obtained from both light receiving elements. The fact that the outputs are in phase and the fact that the phase information, which is optical distance information, is out of phase between the outputs of both light receiving elements are used. Then, it becomes possible to completely separate the intensity information modulation signal and the optical distance information phase signal by using the original signal and the signal that has undergone the Hilbert transform once and the signal that has passed twice.

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。   Accordingly, the signal comparator 33 compares the signal photoelectrically converted by the light receiving elements 29A and 29B with the signal from the controller 23, finally processes the data, and the data processor 34 performs the above-described calculation. Thus, it is possible to obtain measurement values such as the degree of modulation of the optical distance information and the intensity information of the measurement object G1. Note that the Hilbert transform need not be used as long as the calculation can substantially separate the product of the in-phase signal and the anti-phase signal including the DC signal and the AC signal.

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 intensity information of the measuring object G1 is obtained by the signal that the signal comparator 33 photoelectrically converts the scanning beam reflected by the measuring object G1 and the signal that instructs the scanning of the controller 23 that is the basis of the scanning beam. The phase information is obtained, and the intensity information and the phase information are sent to the data processing unit 34 including a CPU and a memory connected to the signal comparator 33.
Accordingly, the data processor 34 records the intensity information and the phase information together with the scanning information for the plane, and easily derives the measured values of the phase information such as the intensity information and profile information about the surface of the measurement object G1. be able to. In this case, the above-described intensity information is information that reflects the reflectance.

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。   As described above, according to the present embodiment, the measurement object absorbs light, has intensity information with different reflectance and transmittance, and has optical distance information with different refractive index distribution and thickness. Even if it does, it becomes possible to provide the apparatus which isolate | separates both intensity | strength information and optical distance information correctly.

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。
Accordingly, if such an optical system and signal processing of this embodiment are used, each time two-dimensional scanning is performed, three-dimensional measurement data is acquired as optical distance information, and simultaneously from the three-dimensional measurement data. It is possible to obtain the intensity information separately. For this reason, according to the optical system of this embodiment, the state change of cells and microorganisms, and the transient state change of the surface state and internal state of these cells etc. accompanying this state change can be observed and measured at high speed. Information such as transmittance, reflectance, and absorptance can be acquired at the same time.
Furthermore, it is possible to display a 3D stereoscopic image by using an autostereoscopic display that has been commercialized based on optical distance information or a 3D display using polarized glasses. 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, the example using one two-dimensional scanning device 26 shown in FIG. 1 has been described. However, if the application requires simple data in only one direction, this two-dimensional scanning device is used. The same effect can be obtained even if it is replaced with a one-dimensional scanning device. As these one-dimensional scanning devices, galvanometer mirrors, resonant mirrors, rotating polygon mirrors, and the like can be employed.

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。   Also, instead of one two-dimensional scanning device 26, two independent one-dimensional scanning devices for X direction and Y direction orthogonal to each other are prepared and arranged before and after the pupil transmission lens system 25. By doing so, the same function as the two-dimensional scanning device 26 can be realized. For example, a micromirror device using a micromachine technique may be used. As this micromirror device, both one-dimensional and two-dimensional devices are known and commercialized. Furthermore, one one-dimensional scanning device and a table (not shown) that supports the measurement object G1 can be used in a form orthogonal to each other.

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, based on the signal photoelectrically converted by the light receiving element group 29 of the scanning beam and the signal serving as a reference for scanning by the two-dimensional scanning device 26 from the controller 23, the intensity of the measurement object G1 is measured. The optical distance that is information and phase information can be calculated quantitatively.

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, a second embodiment of the optical measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG. In the present embodiment, the apparatus is a transmission optical system in which a scanning beam passes through a measurement object.
FIG. 5 is a block diagram showing the transmission optical system according to the present embodiment. Since the main optical system is the same as that of the reflection optical system, a description thereof will be omitted. However, in this transmission optical system, the light collected by the objective lens 31 is compared with the first embodiment and the measurement object G2 is reflected. It will be transparent.

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。   In this embodiment, since it is a transmission optical system, the beam splitter 27 is not necessary, and a light receiving element group 29 is arranged at a position opposite to the objective lens 31 via the measurement object G2 in accordance with this. ing. However, as in the first embodiment, the light receiving element group 29 is not only arranged on the far field surface of the measurement object G2, but also has a structure similar to the two light receiving elements 29A and 29B in the first embodiment. 29E and 29F.

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 a transmission optical system, the light receiving element group 29 is arranged on an extension line of the optical axis L of the objective lens 31 as shown in FIG. Further, in the same manner as in the first embodiment, light is received with a boundary line S passing through the optical axis L on a plane substantially perpendicular to the direction along the optical axis L that is the center of the spot of the scanning beam LA. Elements 29E and 29F are located respectively. Therefore, the light receiving element 29E is located on one side of the boundary line S, and the light receiving element 29F is located on the opposite side of the boundary line S. As a result, the transmission optical system apparatus of FIG. 5 also has a spatially substantially equal phase on the light receiving element group 29 in the same manner as the reflection optical system apparatus of FIG.

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 signal comparator 33 photoelectrically converts the scanning beam transmitted through the measurement object G2 described above and the intensity information of the measurement object G2 based on the signal instructing scanning of the controller 23 that is the basis of the scanning beam. The phase information is obtained, and the intensity information and the phase information are sent to the data processing unit 34 including a CPU and a memory connected to the signal comparator 33. Along with this, the intensity information and phase information are recorded together with scanning information for the plane by the data processing unit 34, and the measurement values of the phase information such as the intensity information and profile information about the surface or inside of the measurement object G2 can be easily obtained. Can lead to. In this case, the above-described intensity information is information that reflects the reflectance.

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。
Accordingly, as in the first embodiment, the signal comparator 33 is obtained from the signals photoelectrically converted by the light receiving elements 29E and 29F constituting the light receiving element group 29 and the signal instructing scanning by the two-dimensional scanning device 26 from the controller 23. However, the intensity information and phase information of the measurement object G2 are obtained.
Then, as in the first embodiment, the original signal and the Hilbert transform are performed twice, so that the data is finally processed, and the data processing unit 34 determines the optical distance, transmittance, and transmission of the profile of the measurement object G2. Measurement values such as rate can be obtained substantially. As a result, also according to the present embodiment, it is possible to completely separate the intensity information from the transmitted light and the optical distance information.

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-described Example 1 are measured in a state where there is no measurement object, and b is obtained in the state where the measurement object G2 is present, and then C 0 and C 1 are measured. In effect, the intensity information related to the intensity modulation degree m can be obtained. In this way, this intensity information can be converted into a physical quantity such as transmittance.

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 the transmission optical system apparatus as in the present embodiment, the state change of a living cell that is unstained and non-invasive can be separated into intensity information and optical distance information and observed in real time. It can play a major role in testing whether cells such as cells are normal or testing for the presence of cancer cells. This is a feature that is greatly different from a measuring instrument such as an electron microscope that cannot be observed unless the living body is killed even at a high magnification.

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, as shown in FIG. 6, the lens 40 is behind the measurement object G2 on the opposite side of the objective lens 31 with the measurement object G2 interposed therebetween and in front of the light receiving element group 29. It is possible to arrange. That is, the scanning beam, which is diffracted light from the measurement object G2, is converted into parallel light by the lens 40 and then guided to the light receiving element group 29. For this reason, in this modification, as shown in FIG. 6, the Fourier transform pattern of the scanning beam transmitted through the measurement object G <b> 2 is converted into parallel light by the lens 40 and received by the light receiving element group 29. However, the light may be condensed by the lens 40 and the scanning beam may be guided to the light receiving element group 29.

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。   For the purpose of improving the lateral resolution, an optical system tilted with respect to the optical axis L of the objective lens 31 is disposed, and a part of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light having a high spatial frequency are arranged in the tilted optical system. JP-A-2013-238450 discloses a method for acquiring information up to a higher spatial frequency by superposition. Also in this method, since the MTF curve of the intensity information and the phase information is known in advance, it is possible to acquire the intensity information and optical distance information up to a higher spatial frequency.

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 the frequency such as the voltage obtained by photoelectrically converting the spatial frequency in the scanning optical system. . By combining the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-116925 and the embodiment of the present application, the original information of the measurement objects G1 and G2 can be correctly converted into intensity information and optical distance information. It is possible to correct missing information. For this reason, it becomes possible to separate and measure intensity information and 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, it is possible to easily set the spatial frequency or the like that the observer observing the measurement objects G1 and G2 wants to emphasize, A part that is hidden can be displayed. As the spatial frequency can be changed easily and flexibly in this way, the spatial frequency band is divided into several parts, and the observer can set the gain manually in each band. A kind of equalizer can be performed freely.

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。
Since the limit of the lateral resolution of the optical system is the upper limit of the detectable frequency, sampling is performed at a frequency sufficiently higher than the upper limit frequency, and data flowing in time series is added based on the sampled data. Thus, random noise can be reduced. As a result, the accuracy of measurement data is improved and noise is reduced when a three-dimensional image is displayed.
Furthermore, since the scanning speed is constant, it is possible to substantially change the image display range by changing the number of data to be added. Therefore, the field of view range can be arbitrarily enlarged or reduced 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 the present method, the intensity information and the optical distance information can be changed only in the visual field range while keeping the lateral resolution constant. Further, if the scanning element MEMS or the resonant mirror is used together with a function for changing the scanning range by changing the voltage for controlling the scanning range in the horizontal scanning direction, the three-dimensional image can be further freely enlarged and reduced. This can be done without changing the lateral 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 measurement object can be easily and completely separated and visualized by the signal based on scanning and the signals detected by the light receiving element 29E and the light receiving element 29F. And a measured value is computable by processing this signal appropriately.
Furthermore, by combining this method with a method that reproduces the spatial frequency inherent in the measurement object, intensity information such as reflectance, transmittance, and absorption rate and optical distance information of the measurement object can be calculated more accurately. You can also.

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。   In the case of a transmission optical system, visualization of cells, micro-organisms, and the like can be realized with a simple apparatus according to the above-described embodiment, so that it can be used as a micro three-dimensional digitizer in education and hobby. In this way, by using a combination of a recent three-dimensional printer and the apparatus according to the present embodiment, only the optical distance information without intensity information is used, and it remains alive without processing such as staining. In this state, the process of cell division and the three-dimensional stereoscopic image of the organ inside the cell of the micro-organism can be easily expressed 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, a third embodiment of the optical measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG. This embodiment can be applied to a reflection optical system apparatus and a transmission optical system apparatus.

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 the first and second embodiments, the light receiving elements 29A and 29B or the light receiving elements 29E and 29F constituting the light receiving element group 29 are on a plane substantially perpendicular to the direction along the optical axis L of the scanning beam LA. It is located in each of the two divided regions across the boundary line S passing through the optical axis L. On the other hand, in the present embodiment, the light receiving elements 29A to 29D divided into four parts shown in FIG. 7 are used so that each information can be acquired in the horizontal direction and the vertical direction in the plane of the measurement objects G1 and G2. .

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, the light receiving elements 29 </ b> A to 29 </ b> D are arranged in each region partitioned by the boundary line S and the intersection boundary line KS that intersects the boundary line S on the optical axis L of the irradiation light. And by acquiring each information of the horizontal direction and the vertical direction in the surface of the measuring objects G1 and G2 individually by these four light receiving elements 29A to 29D, more detailed data can be obtained.

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。   Furthermore, not only this but two things which oppose on both sides of boundary line S in these four light receiving elements 29A-29D (for example, light receiving element 29A and light receiving element 29B), and two which oppose on both sides of crossing boundary line KS. It is possible to obtain the intensity information and the optical distance information by the above-described calculation using two light receiving elements that are paired with each other (for example, light receiving element 29A and light receiving element 29C).

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, since the in-phase signal is the intensity information and the reverse-phase signal is the optical distance information, the intensity and the optical distance information can be separated from each other as described above. Along with this, it is possible to adopt a light receiving element that is smaller and less expensive, and the measurement unit can obtain a necessary measurement value even with a small amount of phase information received by this small light receiving element. In the present embodiment, the area is divided into four areas. However, the area may be divided into four or more areas and four or more light receiving elements may be employed.

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。
Embodiment 4 of the optical measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of the optical measuring device of the present embodiment. In the present embodiment, in order to process the scanning beam transmitted through the measuring object G2 while improving the lateral resolution, for example, the inclined optical system shown in this figure is arranged in the lower part of the transmission optical system of the second embodiment. To do. In FIG. 8, the optical systems such as the pupil transmission lens systems 25 and 30, the two-dimensional scanning device 26, the signal comparator 33, and the data processing unit 34 are not shown, and instead of the light receiving element group 29, the light receiving elements 50 is adopted.

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。   In this embodiment, the lens 36 is inclined with respect to the optical axis of the 0th-order diffracted light that is the optical axis L of the objective lens 31. Specifically, a part of the 0th-order diffracted light and a part of the 1st-order diffracted light transmitted through the measurement object G2 are intermediate between the optical axis L of the 0th-order diffracted light and the optical axis L1 of the 1st-order diffracted light. The lens 36 is tilted by the optical axis L3 having an inclination angle. As a result, not only a part of the 0th-order diffracted light but also a part of the 1st-order diffracted light having a higher spatial frequency compared with the case where the same lens is used are taken in by the imaging optical system. Interference between the folded light and the first-order diffracted light is realized. Although not shown, in the present embodiment, a similar optical system is disposed at a target position with respect to the optical axis L.

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 lens 36 is tilted to acquire a part of the 0th-order diffracted light and a part of the 1st-order diffracted light, and the diffracted lights that have been converted into parallel light beams by the lens 36 are collected by the lens 52. The lens 52 causes the diffracted lights to overlap in the vicinity of the focal point and substantially interfere. However, since it is not interference between the 0th-order diffracted light and the ± 1st-order diffracted light, it is different from the imaging of the measurement object G2 itself.

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 the present embodiment, the pitch of the interference fringes can be widened by increasing the effective focal length of the lens 52 or arranging the light receiving element 50 at a slightly defocused position. If the focal lengths of the lens 36 and the lens 52 are the same, it is naturally the same magnification and becomes the spatial frequency of the measurement object G2. On the other hand, the result of interference by the optical system of −1st order diffracted light, which is the other optical system (not shown), is an interference fringe with a shifted pitch. However, if the light receiving element is larger than the pitch of the interference fringes, it is difficult to align the element that receives ± first-order diffracted light.

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 magnifying the interference fringe itself by the magnifying optical system 53 and making it approximately equal to the size of the light receiving element 50 or slightly defocused, the intensity information becomes in-phase between the ± first-order diffracted lights, The phase information, which is optical distance information, is naturally opposite in phase, so that the contrast is reversed in such a way that the 0th-order diffracted light becomes a bias. In this way, information can be obtained very easily up to a region having a high spatial frequency, and both intensity information and optical distance information can be obtained by performing the above-described calculation. This makes it possible to measure highly reliable intensity information and optical distance even for a measurement object G2 that requires a high lateral resolution. In this embodiment, since the lens 52 is used, a wavefront aberration that allows the phase difference between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light incident on the lens 52 to be reflected as it is is allowed. Therefore, there is no need to use an expensive lens. Further, although not described in detail, the magnifying optical system 53 may be omitted, and the light receiving element 50 may be disposed at a defocus position shifted from the focus of the lens 52. At this time, the contrast of the interference fringes can be lowered by the wavefront distortion of the second-order wavefront, and the effect of superimposing the 0th-order diffracted light and the other diffracted light can be brought about.

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 of adjusting the light receiving element will be specifically described.
When the information on the measurement object G2 is phase information, adjustment is performed in two systems, that is, 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. That is, the light receiving element is adjusted so that when the one light receiving element has the maximum light amount, the other light receiving element becomes almost zero.
Further, when the information on the measurement object G2 is intensity information, the adjustment is similarly performed in two systems between the first-order diffracted light and the zeroth-order diffracted light and between the −1st-order diffracted light and the zeroth-order diffracted light. To do. In this case, the light receiving element is adjusted so that when one of the light receiving elements has the maximum light amount, the other light receiving element also becomes maximum.

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 light amounts received by the light receiving elements are not significantly changed, and if the wavefront aberration in the lens surface is not large, the pitch of the interference fringes changes somewhat. It can be used as it is. Moreover, the limit of the spatial frequency that can be acquired is about 1.5 times. Since this optical system is constructed 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。   Furthermore, in this embodiment, each light receiving element is located on either side of the boundary line, but the light receiving element may be disposed across the boundary line. Even in this case, it is only necessary that the light receiving element is positioned so as to be shifted 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。   As mentioned above, although each Example concerning this invention was described, this invention is not limited to each above-mentioned Example, A various deformation | transformation can be implemented in the range which does not deviate from the meaning of this 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。
Embodiment 5 of the optical measurement apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of the optical measuring device of the present embodiment. This embodiment can be applied to an apparatus that acquires intensity information and optical distance information by using a reflection optical system and a transmission 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, in addition to the light receiving element group 29 configured by two light receiving elements 29A and 29B of the reflection optical system, the objective lens 31 via the measurement object G2 is provided. And a light receiving element group 29 of a transmission optical system composed of two light receiving elements 29E and 29F disposed at the same position as in the second embodiment. In the present embodiment, the other parts have substantially the same structure as that of the first embodiment. In addition to the light receiving elements 29A and 29B being connected to the signal comparator 33, two light receiving elements 29E as shown in FIG. , 29F are also connected to the signal comparator 33, respectively.

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, the signal comparator 33 compares the signals from the four light receiving elements 29A, 29B, 29E, and 29F and uses the reflection optical system and the transmission optical system together to obtain intensity information and optical distance information. Will get.

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 reflection optical system and the transmission optical system in combination, the reflectance and the transmittance can be measured at the same time, so that the light absorptance can also be measured from these measured values. In particular, the intensity information and optical distance information from the same location can be obtained as the reflectance and transmittance values are obtained simultaneously from the same location by scanning the irradiation light. For this reason, since there is no influence of pixel misalignment or the like as compared with a case where images acquired by a transmission optical system and a reflection optical system using a CCD or the like are compared, the transmittance, reflectance, and absorptance are accurately and accurately determined. It can be obtained with 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 image display obtained from these light receiving elements, and for example, with respect to FIG. 10A, which is a screen displaying intensity information K of the transmission optical system of the measurement object G2. For example, four images can be displayed by switching as shown in FIG. As a result, a plurality of different images having different qualities, for example, four can be displayed simultaneously.
For example, in combination with any one of the examples of the polarized image shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-133867 previously filed by the present inventors, an image of the optical distance and intensity of the reflective optical system, which is a total of four images. In addition, images of the optical distance and 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 entire data is displayed by thinning out the data, but the resolution of the image G of the measurement object G2 remains unchanged as shown in FIGS. 11A to 11B. Thus, only the required part GP in the frame part P of FIG.
As described above, in the example shown in FIG. 10B, there is an advantage that it is possible to roughly determine a portion having a different quality in the whole image shown in FIG. 10A of the measurement object G2, and the example shown in FIG. 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 measurement apparatus of the present invention can measure not only the distance to the measurement object sample and the shape of the sample, but also separates 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. Thus, it can be applied to various types of measuring instruments such as a microscope.
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. 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
22 collimator lens 23 controller 25 pupil transfer lens system 26 two-dimensional scanning device (scanning element, two-dimensional scanning element)
27 Beam splitter 29 Light receiving element group 29A to 29F Light receiving element 30 Pupil transmission lens system 31 Objective lens 33 Signal comparator (measurement unit)
34 Data processing unit (measurement unit)
G1, G2 Measuring object L Optical axis LA Scanning beam S Boundary line KS Crossing boundary line

Claims (9)

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、
を含む光学計測装置。
A light source that emits coherent illumination light;
A scanning element that scans irradiation light from a light source and sends it to a measurement object;
At least two light receiving elements that are respectively positioned on both sides with a direction perpendicular to the optical axis direction of the irradiation light as a boundary line, and that respectively receive the irradiation light modulated by the measurement object in accordance with scanning and photoelectrically convert the irradiation light; ,
A non-modulated signal, which is a direct current component, and a modulated signal, which is an alternating current component, are extracted from each signal photoelectrically converted by the light receiving element, and intensity information and phase information of the object to be measured are obtained using the non-modulated signal and the modulated signal. And obtaining a measurement value for the measurement object based on the intensity information and the phase information,
An optical measuring device.
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 a first signal,
Using the second signal obtained by Hilbert transform of the modulation signal of the AC component and the third signal obtained by further Hilbert transforming the second signal,
The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein each of the converted signals is applied to a sum signal and a difference signal of an output from one of the two light receiving elements and an output from the other light receiving element.
前記受光素子が、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この境界線とで区画された何れかの領域内にそれぞれ位置する請求項1から請求項2の何れかに記載の光学計測装置。   3. The device according to claim 1, wherein the light receiving element is located in a region defined by an intersection boundary line intersecting the boundary line on the optical axis of the irradiation light and the boundary line. The optical measuring device described in 1. 前記走査素子が、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請求項1から請求項3の何れかに記載の光学計測装置。   The scanning element is a two-dimensional scanning element that scans the irradiation light in two directions orthogonal to each other, and the irradiation light irradiated onto the measurement object is modulated by scanning in at least one of the two directions. The optical measuring device according to any one of claims 1 to 3. 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請求項1から請求項4の何れかに記載の光学計測装置。   The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein a controller is connected to the scanning element, and the controller operates a scanning element to adjust a scanning speed and a scanning range. 前記計測部が、該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請求項1から請求項5の何れかに記載の光学計測装置。   The measurement unit adjusts a range in which a measurement value for a measurement object is obtained by changing the amount of addition of the data into digital data of an AC component of a signal photoelectrically converted by the light receiving element. The optical measuring device according to any one of claims 1 to 5. 前記光源と測定対象物との間にビームスプリッターを配置し、
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 disposed between the light source and the measurement object,
The beam splitter reflects the irradiation light reflected from the measurement object and returned from the measurement object, so that the light receiving element receives the irradiation light passing through the measurement object. An optical measuring device according to claim 1.
前記受光素子が、測定対象物を透過することで測定対象物を経由した照射光をそれぞれ受光する請求項1から請求項6の何れかに記載の光学計測装置。   The optical measurement device according to claim 1, wherein the light receiving element receives irradiation light passing through the measurement object by passing through the measurement object. 前記受光素子が、測定対象物の透過側及び反射側とされるそれぞれ前記境界線の両側に各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請求項1から請求項6の何れかに記載の光学計測装置。   At least two light receiving elements each of which are arranged to receive irradiation light modulated via the measurement object, each of the light receiving elements being located on both sides of the boundary line, which are the transmission side and the reflection side of the measurement object, respectively. The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the measurement unit that receives the light and receives a signal from these light receiving elements obtains a measurement value of the measurement object.
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