JP2001117010A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空間変調パターンを投影して試料のセクショ
ニング像を観測する際、空間変調パターンの相対的な移
動に伴う機械的な振動等の影響を考慮する必要がなく高
速で効率的な観察を行うことができる。 【解決手段】 時間的に発光強度が変化する光源装置１
と、空間変調パターン２と、空間変調パターン２を試料
４に投影する投影光学系３と、空間変調パターン２によ
り変調を受けた試料４の像を変調像として結像するため
の結像光学系５と、試料４に対する空間変調パターン２
の相対的な空間位相を制御するための位相制御手段８
と、空間位相がそれぞれ異なる複数の変調像を、光源装
置１の発光強度の時間的変化に同期して撮像する撮像手
段６と、撮像手段６により撮像された複数の変調像から
試料４の像を形成する画像処理手段７とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学装置に関し、
特に、空間変調パターンを投影して試料のセクショニン
グ像を観測する光学装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】試料の内部を選択的に観察するための手
法として、共焦点観察法が知られている。図７は、共焦
点観察法を行うための光学系を示している。共焦点観察
法では、照明光学系３３における試料４の観察面３８と
共役な位置にピンホール３２を配置し、結像光学系３５
の同じく観察面３８と共役な位置にもピンホール３６を
配置する。観察面３８から外れた位置からの光は、結像
光学系３５のピンホール３６を通過しないため、ほとん
ど検出されない。したがって、観察面３８のみの像を選
択的に観察することができる。

【０００３】しかしながら、ピンホールを通しての照明
及び結像となるため、照明光及び検出光の光量が少な
く、明るい観察像を得ることは困難であった。

【０００４】この問題を解決するものとして、ＷＯ９８
／４５７４５に開示された手法があげられる。

【０００５】この手法では、図８にそのための光学系を
示すように、照明光学系４３における試料４の観察面４
８と共役な位置に、移動可能な周期的な空間変調パター
ン４２を配置し、このパターンの空間位相を変化させて
３枚以上の画像を撮像し、この複数の画像間の演算によ
り試料内部の断層像を得るというものである。観察面４
８の像においては空間変調パターンの像が重なって観測
されるが、観察面４８から外れた位置では空間変調パタ
ーンの像はぼける。したがって、空間変調パターンの像
が含まれていない面からの情報を取り除き、残りの情報
から空間変調パターンの像の情報を取り除くような画像
演算を行うことにより、目的とする深さ位置の観察面の
みの情報、すなわち、セクショニング像を得ることがで
きる。

【０００６】この手法によれば、空間変調パターン４２
を例えばスリット状とすることにより、ピンホールを用
いた共焦点観察法よりも明るい観察像を得ることができ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の手法において、
空間変調パターンを投影し、この空間変調パターンの空
間位相を変化させるには、試料に対して空間変調パター
ンを相対的に移動させる必要がある。最も簡易的にこれ
を実現するには、平板状の基板等に作成された空間変調
パターンを、ピエゾ素子等により機械的に駆動させるこ
とが考えられる。

【０００８】一方、時間変化に対する試料の観測や、リ
アルタイムでの画像計測等の要求にも応えるためには、
空間変調パターンの移動を非常に高速に行う必要があ
る。したがって、具体的には、空間変調パターンの移動
と静止を高速に繰り返す必要がある。空間変調パターン
を静止させる際、空間変調パターンに急激に静止するた
めの加速度が加わり、それにより空間変調パターン自体
がわずかに振動してしまう等、ただちに静止させること
はできず、完全な静止までにある程度の時間を要するこ
とになる。したがって、空間変調パターンを移動した
後、変調像を撮像するまでの間に待ち時間が発生してし
まう。このため、空間変調パターンの移動と静止を繰り
返す方法では高速化に限界がある。

【０００９】本発明は従来技術のこのような問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、空間変調パター
ンを投影して試料のセクショニング像を観測する光学装
置において、空間変調パターンの相対的な移動に伴う機
械的な振動等の影響を考慮する必要がなく、高速、か
つ、効率的な観察を行うことができる手法を提供するこ
とである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の光学装置は、（１） 時間的に発光強度が
変化する光源装置と、空間変調パターンと、前記空間変
調パターンを試料に投影する投影光学系と、前記空間変
調パターンにより変調を受けた前記試料の像を変調像と
して結像するための結像光学系と、前記試料に対する前
記空間変調パターンの相対的な空間位相を制御するため
の位相制御手段と、前記空間位相がそれぞれ異なる複数
の前記変調像を、前記光源装置の発光強度の時間的変化
に同期して撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮
像された複数の前記変調像から前記試料の像を形成する
画像処理手段と、を有することを特徴とするものであ
る。

【００１１】図１に、本発明による光学装置の構成を示
し、本発明の手段と作用を説明する。本発明の光学装置
は、光源装置１、空間変調パターン２、投影光学系３、
結像光学系５、位相制御手段８、撮像手段６、画像処理
手段７、から構成されている。光源装置１からの光は、
まず、空間変調パターン２に照射される。空間変調パタ
ーン２は、投影光学系３により試料４に投影される。空
間変調パターン２が投影された試料４の像は結像光学系
５により結像され、撮像手段６により撮像される。撮像
された変調像は画像処理手段７によって画像処理され
る。

【００１２】試料４に対する空間変調パターン２の相対
的な空間位相は位相制御手段８によって制御される。あ
る空間位相の空間変調パターンにより試料４の変調像を
撮像した後、位相制御手段８により空間変調パターン２
の空間位相を変化させて再び試料４の変調像を撮像す
る。この動作を複数回繰り返し、得られた複数の変調像
を画像処理することにより、試料４の像が形成される。
複数の変調像から試料４の像を求める復調方法について
は、ＷＯ９８／４５７４５や、本出願人による特願平１
０−１１１６４４号に記述された方法を用いることがで
きる。それらの手法を用いることにより、試料４内の目
的とする深さ位置のセクショニング像を得ることができ
る。

【００１３】なお、空間変調パターン２の位相は、試料
４に対して相対的に変位させられればよいため、空間変
調パターン２自身を固定し、その他の光学系、例えば投
影光学系３の一部を変位させる等によっても、空間位相
を変位させることは可能である。

【００１４】本発明の光学装置における光源装置１は、
その発光強度が時間的に変化する。例えば、非常に短時
間の間に発光強度の上昇と低下を繰り返すような光源を
用いた場合、空間変調パターン２に光が照射されている
時間は短時間であり、この短時間における変調像が撮像
されるため、発光時間が十分短ければ空間変調パターン
２の移動・静止に伴う機械的振動等による観測像への影
響をなくすことができる。

【００１５】（２） また、上記（１）において、前記
位相制御手段は、前記光源装置の時間的な発光強度の変
化に同期して動作するように構成することができる。

【００１６】したがって、光源装置１の発光のタイミン
グに合わせて、空間変調パターン２の空間位相を変位さ
せることができる。これにより、複数の変調像をより効
率良く取得することができる。

【００１７】（３） （１）あるいは（２）において、
前記位相制御手段は、前記空間位相を時間的に連続に変
化させるように構成することができる。

【００１８】この場合、空間変調パターン２を静止させ
る機構は必要ないという利点がある。光源装置１の発光
強度の変化に要する時間が、空間変調パターン２の空間
位相の変化に要する時間に対して十分短いように構成す
ることで、実現可能である。なお、前述のＷＯ９８／４
５７４５にも、空間変調パターンの空間位相を連続的に
変化させる構成についての記述があるが、光源について
は全く言及されていない。本発明のように、光源装置１
からの発光強度が時間的に変化し、これに同期して、変
調像を撮像する構成と、空間位相を時間的に連続して変
化させる構成とを組み合わせることにより、高速で簡便
なセクショニング像の観測を行うことができる。

【００１９】（４） さらに、（１）〜（３）の何れか
において、前記光源装置からの光が周期的に明滅を繰り
返すようにすることができる。

【００２０】例えば、ある一定の時間間隔でフラッシュ
状に発光する光源を用いることができる。これにより、
光源装置１、位相制御手段８、撮像手段６のそれぞれを
同一の周波数で同期させ、高速、かつ、効率良く観測を
行うことができる。

【００２１】（５） また、（１）〜（３）の何れかに
おいて、時間的に制御可能なシャッターを有することが
できる。

【００２２】前述のフラッシュ光源を用いない場合で
も、周期的に高速動作するシャッターを光源装置１の射
出部等に設けることで、１回の発光時間が短く周期的な
光源装置を実現することができる。

【００２３】（６） （４）又は（５）において、前記
試料に対する前記空間位相の相対速度が一定であり、前
記位相制御手段により前記空間位相が２π変化する時間
内に前記光源装置の明滅がｍ回繰り返され（ただし、ｍ
は２以上の整数）、これに伴い撮像されたｍ枚の変調像
から試料の像を形成するように構成することができる。
つまり、空間変調パターン２の空間位相が一定の速度
で変位するようにし、空間変調パターン２の丁度１周期
の時間で画像処理に必要な数の変調像を撮像するように
構成することができる。これにより、位相制御手段８の
構成が簡素化され、光源装置１の明滅のタイミングを適
切に設定することで、効率良く観察像を得ることができ
る。

【００２４】（７） また、（１）〜（６）の何れかに
おいて、前記空間変調パターンが縞状の透過率分布を有
するパターンとするのが最も簡易的で好ましい。これら
により、画像処理手段７による画像演算が比較的簡単な
ものになることが予想される。

【００２５】（８） また、（６）において、前記試料
の像を形成するために必要な画像の枚数が３枚であり、
前記空間変調パターンが等間隔の平行な縞状の透過率分
布を有するパターンであって、前記光源装置の１回の発
光時間をｔ、前記空間変調パターンの縞間隔をｄ、前記
空間変調パターンの縞に垂直な方向の相対的な移動速度
をｖとしたとき、以下の式が成り立つように構成するこ
とができる。

【００２６】 ｔ＜ｄ／３０ｖ ・・・（１） ３枚の変調像から試料４の像を求める場合、各変調像に
おける空間変調パターン２のそれぞれの空間位相は、お
およそ０°、１２０°、２４０°となるように設定する
ことができる。ただし、空間変調パターン２の縞が試料
４に対して相対的に一定速度で移動している場合、光源
装置１の発光時間内も縞は移動しているため、各変調像
における空間位相はある程度の広がりを持つ。つまり、
変調像に投影されている縞の幅が実質上広がることにな
る。この空間位相の広がりによる影響を少なくするため
の条件として式（１）が成り立つように構成すると、こ
の場合の各変調像における空間位相の広がりを±６°未
満に抑えることができる。

【００２７】（９） さらに、（８）において、 前記
移動速度ｖが調整可能であるように構成することができ
る。

【００２８】これにより、光源装置１の発光時間や発光
周期に合わせて空間変調パターン２の相対的な移動速度
を変更したり、観測の時間分解や信号強度の程度に応じ
て移動速度を調整することができる。

【００２９】（１０） また、（４）〜（９）何れかに
おいて、前記光源装置の１回の発光時間又は発光の周期
が調整可能であるように構成することができる。

【００３０】これにより、例えば上記（８）で述べた縞
の広がりを可能な限り抑えたい場合には、１回の発光の
発光時間を短くしたり、一方で１枚の変調像に対する照
明光量を多くしたい場合には、発光時間を長くしたりす
ることができる。また、観測の時間分解の程度に応じ
て、発光周期を調整することも可能である。したがっ
て、様々な観測条件に最も適した発光時間及び発光周期
を選択することができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光学装置の実施例
について説明する。

【００３２】図２には、本発明による光学装置の例とし
て、落射型光学顕微鏡装置が示されている。以下に、こ
の光学装置の構成と作用について述べる。

【００３３】図２において、光源装置１からの光は、コ
レクタレンズ１３により空間変調パターン１２を照射
し、このパターンが投影レンズ１４を通過し、ビームス
プリッター１６により反射され、対物レンズ１５により
試料４に照射される。変調を受けた試料４の像は、対物
レンズ１５を通過し、ビームスプリッター１６を透過し
て、結像レンズ１７によりＣＣＤカメラ１８に達する。
ＣＣＤカメラ１８で撮像された複数の変調像は、一時的
にコンピュータ２２で記憶される。

【００３４】一方、空間変調パターン１２は、本実施例
では図３に示すように等間隔ｄで並んだ縞模様が用いら
れる。この縞模様はガラスや樹脂等の透明な部材上に形
成されている。そして、縞の透過率分布は、図４で示さ
れるような正弦波関数で与えることができる。具体的に
は、透過率をＴｒ、縞と垂直のな方向の座標をｘとした
とき、 Ｔｒ＝｛１＋ｃｏｓ（２πｘ／ｄ）｝／２ ・・・（２） で表されるように構成できる。この空間変調パターン１
２は、コンピュータ２２で制御されるピエゾ素子１９に
よって、その空間位相が制御される。ここで、空間位相
とは、試料４と試料４上に投影される空間変調パターン
１２の像の相対的な位置関係のことである。また、空間
位相が制御されるとは、試料４と空間変調パターン１２
の像が予め決められた関係を持って相対的に移動するこ
とをいう。

【００３５】ピエゾ素子１９は、空間変調パターン１２
をその縞と垂直な方向（図３のｘ方向）に等速度で移動
させる。そして、後述する方法に従い、パターンが距離
ｄだけ移動する間に３枚の変調像が撮像される。撮像さ
れた３枚の変調像を用いて、コンピュータ２２で復調の
ための画像処理が行われる。復調の方法としては、ＷＯ
９８／４５７４５や、本出願人による特願平１０−１１
１６４４号に開示された方法を用いることができる。画
像処理の結果形成された像は、表示装置２１において表
示される。

【００３６】本実施例における光源装置１には、フラッ
シュランプ１１が組み込まれている。図５（ａ）には、
このフラッシュランプ１１の発光タイミングが示されて
いる。図５（ａ）の縦軸は発光強度、横軸は時刻を表し
ている。

【００３７】フラッシュランプの１回の発光における発
光時間ｔは、発光ピークにおける半値全幅で定義するこ
とにする。図５（ａ）においては、例えば時刻ｔ３から
ｔ４までの間が１回の発光時間、 ｔ＝ｔ４−ｔ３ ・・・（３） となる。また、発光周期Ｔは、 Ｔ＝ｔ３−ｔ１＝ｔ６−ｔ３＝ｔ７−ｔ６ ・・・（４） で表される。本実施例では、 ｔ＝５μｓ Ｔ＝０．０１ｓ と設定されている。

【００３８】さらに、図５（ｂ）には、ＣＣＤカメラ１
８の電子シャッターの動作タイミングが示されている。
電子シャッターの開閉は、フラッシュランプ１１と同一
の周期Ｔで動作する。ＣＣＤカメラ１８の電子シャッタ
ーは、フラッシュランプ１１の１回の発光時間よりやや
長い時間開けておくことができる。例えば、時刻ｔ３か
らｔ４までの発光に対する撮像においては、電子シャッ
ターはｔ３よりも早い時刻ｔ２に開く動作を行い、ｔ４
よりも遅い時刻ｔ５に閉じる動作を行う構成にすること
ができる。

【００３９】一方、空間変調パターン１２は、縞と垂直
な方向に等速度で移動し、３枚の変調像が等しい時間間
隔で撮像される。すなわち、それぞれの変調像における
空間位相はそれぞれ約０°、１２０°、２４０°と表す
ことができる。つまり、各変調像において、空間変調パ
ターン１２の縞の位置はｄ／３ずつ変化している。した
がって、空間変調パターン１２の空間位相の移動速度を
ｖとすると、 ｖ＝ｄ／３Ｔ となる。フラッシュの１回の発光時間内に空間変調パタ
ーン１２はｖｔだけ移動することになる。このとき、 ｖｔ＝ｄｔ／３Ｔ≒１．６７×１０^-4ｄ したがって、式（１）を満たしている。また、この式は
１回の発光時間の間に動く縞の量が、縞間隔の０．０１
６７％程度であることを示している。空間位相で表す
と、０．０６°程度である。これは、１枚の変調像を撮
像している間の縞の移動が十分無視できる程度であるこ
とを示している。

【００４０】なお、光源装置１、ＣＣＤカメラ１８、空
間変調パターン１２は全てコンピュータ２２により制御
され、それぞれを最適なタイミングで動作させることが
可能である。例えば、試料４からの信号が微弱な場合
に、光源装置１の発光時間を長くし、これに伴い空間変
調パターン１２の移動速度を抑えてＳ／Ｎを向上させる
ようなことが可能である。

【００４１】また、本実施例で用いるフラッシュランプ
１１には１回の発光で放射されるエネルギが連続光光源
よりも大きく、高周波で動作するものを用いることがで
きる。本実施例で用いたフラッシュランプ１１の周期
も、０．０１秒、つまり周波数が１００Ｈｚであるの
で、変調像３枚一組で１枚の復調像を得るとしたとき
に、およそ３３Ｈｚという略リアルタイムでの観察が可
能である。

【００４２】なお、本実施例では、表面に縞模様が形成
された透明な部材を光路中に配置して、投影レンズ１４
を介して空間変調パターン１２を試料４に投影している
が、図６に示すように、干渉計１００で干渉縞１０４を
形成し、この干渉縞１０４を空間変調パターン１２とし
て用いることもできる。この場合、空間変調パターン
は、直接試料４に形成されるので、図２に示すような投
影レンズ１４は不要となる。また、試料４に対して空間
変調パターンを移動させる場合は、干渉計の参照ミラー
１０３を移動させればよい。なお、図６中、１０１は光
源、１０２はハーフミラー、１０５はシャッター、１０
６はミラーである。

【００４３】以上の本発明の光学装置は例えば次のよう
に構成することができる。

【００４４】〔１〕 時間的に発光強度が変化する光源
装置と、空間変調パターンと、前記空間変調パターンを
試料に投影する投影光学系と、前記空間変調パターンに
より変調を受けた前記試料の像を変調像として結像する
ための結像光学系と、前記試料に対する前記空間変調パ
ターンの相対的な空間位相を制御するための位相制御手
段と、前記空間位相がそれぞれ異なる複数の前記変調像
を、前記光源装置の発光強度の時間的変化に同期して撮
像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された複数
の前記変調像から前記試料の像を形成する画像処理手段
と、を有することを特徴とする光学装置。

【００４５】〔２〕 前記位相制御手段は、前記光源装
置の時間的な発光強度の変化に同期して動作することを
特徴とする上記１記載の光学装置。

【００４６】〔３〕 前記位相制御手段は、前記空間位
相を時間的に連続して変化させることを特徴とする上記
１又は２記載の光学装置。

【００４７】〔４〕 前記光源装置からの光が周期的に
明滅を繰り返すことを特徴とする上記１〜３の何れか１
項記載の光学装置。

【００４８】〔５〕 前記光源装置は、時間的に制御可
能なシャッターを有することを特徴とする１〜３の何れ
か１項記載の光学装置。

【００４９】〔６〕 前記試料に対する前記空間位相の
相対速度が一定であり、前記位相制御手段により前記空
間位相が２π変化する時間内に前記光源装置の明滅がｍ
回繰り返され（ただし、ｍは２以上の整数）、これに伴
い撮像されたｍ枚の変調像から試料の像を形成すること
を特徴とする上記４又は５記載の光学装置。

【００５０】〔７〕 前記空間変調パターンが縞状の透
過率分布を有するパターンであることを特徴とする上記
１〜６の何れか１項記載の光学装置。

【００５１】〔８〕 前記試料の像を形成するために必
要な画像の枚数が３枚であり、前記空間変調パターンが
等間隔の平行な縞状の透過率分布を有するパターンであ
って、前記光源装置の１回の発光時間をｔ、前記空間変
調パターンの縞間隔をｄ、前記空間変調パターンの縞に
垂直な方向の相対的な移動速度をｖとしたとき、以下の
式が成り立つことを特徴とする上記６記載の光学装置。

【００５２】 ｔ＜ｄ／３０ｖ ・・・（１）

〔９〕 前記移動速度ｖが調整可能であることを特徴と
する上記８記載の光学装置。

【００５３】〔１０〕 前記光源装置の１回の発光時間
又は発光の周期が調整可能であることを特徴とする上記
４〜９の何れか１項記載の光学装置。

【００５４】〔１１〕 時間的に発光強度が変化する光
源装置と、空間変調パターンを直接試料に形成する光学
系と、前記空間変調パターンにより変調を受けた前記試
料の像を変調像として結像するための結像光学系と、前
記試料に対する前記空間変調パターンの相対的な空間位
相を制御するための位相制御手段と、前記空間位相がそ
れぞれ異なる複数の前記変調像を、前記光源装置の発光
強度の時間的変化に同期して撮像する撮像手段と、前記
撮像手段により撮像された複数の前記変調像から前記試
料の像を形成する画像処理手段と、を有することを特徴
とする光学装置。

【００５５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の光学装置によれば、空間変調パターンを投影して試料
のセクショニング像を観測する光学装置において、時間
的に発光強度が変化する光源装置を用い、その発光強度
の時間的変化に同期して試料の変調像を撮像することに
より、空間変調パターンの相対的な移動に伴う機械的な
振動等の影響を考慮する必要がなく、高速、かつ、効率
的な観察を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学装置の構成を示す図である。

【図２】本発明による１実施例の落射型光学顕微鏡装置
の構成を示す図である。

【図３】空間変調パターンの例を示す図である。

【図４】図３の空間変調パターンの透過率分布を示す図
である。

【図５】本発明の実施例における光源装置の発光とＣＣ
Ｄカメラのシャッターの動作タイミングを示す図であ
る。

【図６】図２の実施例の変形例の構成を示す図である。

【図７】従来の共焦点観察法を行うための光学系の構成
を示す図である。

【図８】従来の空間変調パターンを投影して試料セクシ
ョニング像を観察する光学装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１…光源装置 ２…空間変調パターン ３…投影光学系 ４…試料 ５…結像光学系 ６…撮像手段 ７…画像処理手段 ８…位相制御手段 １１…フラッシュランプ １２…空間変調パターン １３…コレクタレンズ １４…投影レンズ １５…対物レンズ １６…ビームスプリッター １７…結像レンズ １８…ＣＣＤカメラ １９…ピエゾ素子 ２１…表示装置 ２２…コンピュータ ３１…光源 ３２…ピンホール ３３…照明光学系 ３５…結像光学系 ３６…ピンホール ３７…検出器 ３８…観察面 ４１…光源 ４２…空間変調パターン ４３…照明光学系 ４５…結像光学系 ４７…撮像手段 ４８…観察面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 時間的に発光強度が変化する光源装置
   と、 空間変調パターンと、 前記空間変調パターンを試料に投影する投影光学系と、 前記空間変調パターンにより変調を受けた前記試料の像
   を変調像として結像するための結像光学系と、 前記試料に対する前記空間変調パターンの相対的な空間
   位相を制御するための位相制御手段と、 前記空間位相がそれぞれ異なる複数の前記変調像を、前
   記光源装置の発光強度の時間的変化に同期して撮像する
   撮像手段と、 前記撮像手段により撮像された複数の前記変調像から前
   記試料の像を形成する画像処理手段と、を有することを
   特徴とする光学装置。
2. 【請求項２】 前記位相制御手段は、前記光源装置の時
   間的な発光強度の変化に同期して動作することを特徴と
   する請求項１記載の光学装置。
3. 【請求項３】 前記位相制御手段は、前記空間位相を時
   間的に連続して変化させることを特徴とする請求項１又
   は２記載の光学装置。