JP2013224845A - 距離計測システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 飛行機10に搭載された送信アンテナ11,12は、キャリア信号周波数fcおよび変調周波数fmに基づくAsin(2π(fc+fm)t)とAsin(2π(fc−fm)t)の送信波を地上の測定対象物Gに対して送信する。送信波は測定対象物Gに対して照射領域A,Bがほぼ重なるものの僅かに中心距離Δxだけずらして照射される。送信波の重なった照射領域A,Bのほぼ中央を境界とする部分の延長上に、受信アンテナ13,14が配置される。受信アンテナ13,14で受信した信号の和信号や差信号を用いて、位相ずれを検出すると、照射領域A,Bの高さ情報が得られる。差信号を用いれば、和信号の場合と比較して、位相差の生じている部分のみが位相差に寄与するので、分解能が高くなって感度が著しく高くなる。
【選択図】図1
Description
なお、通常の電磁波の分解能はいわゆるアッべの理論の限界により制限されている。この限界は、波動の有する回折現象の結果であり、越えることの出来ない理論限界とされていた。
しかし、電子顕微鏡に関しては、特に生物や細胞等に対して加工処理する必要性があるので、生きたままの観察や屈折率分布の測定は不可能であった。他方、AFMは、処理速度が十分でないことから、リアルタイムに状態の変化を見ることが出来ないので、生物、細胞の観測には不向きであり、また、測定対象物に対してプローブを近接させなくてはならず、使い勝手も悪かった。
前記ずらした方向に対して略垂直な方向に伸びる境界線を挟んだ測定対象物における少なくとも2つ以上の領域からの電磁波をそれぞれ検出する電磁波検出手段と、
前記境界線を挟んで対称な位置において電磁波検出手段で検出された電磁波の各々の出力の差信号や和信号を作成する信号作成手段と、
この差信号や和信号の位相差あるいは強度差を求めて計測値を得る計測手段と、
を含む距離計測システムよりなるものである。
僅かに異なる周波数を有するコヒーレントな2つの電磁波を、照射領域のほとんどが重なりつつ一部ずれるように分離して測定対象物に照射手段により照射する。測定対象物から反射し、または測定対象物を透過した電磁波を、照射した電磁波に適合したディテクタである電磁波検出手段にて検出する。この時、照射した電磁波のずらした方向に対して略垂直な方向に伸びる境界線を挟んだ少なくとも2つ以上の領域の電磁波をそれぞれ検出可能なように、2分割以上のディテクタが、測定対象物に対してファーフィールドとみなせる距離に配置されていれば、これらのディテクタが電磁波をそれぞれ検出して、以下のようになる。
さらに、分解能を高くするには、計測手段において、上記した境界線を挟んだディテクタ同士の差信号を用い、実効上、2つの電磁波が照射された領域の分離度に応じた位相差の微分の照射面積に相当する領域の積分値を与える。この場合には、和信号の場合と比較して、位相差の生じている部分のみが位相差に寄与するので、感度が著しく高くなる。
該光源から出射された光を、相互に異なる周波数に変調させつつ相互に近接した状態に分離して照射される2つの光とする第1の手段と、
前記2つの光を1次元走査あるいは2次元走査する第2の手段と、
前記2次元走査された2つの光を測定対象物に照射する第3の手段と、
前記2つの光が分離された方向に対して略垂直な方向を境界線とし、該境界線を挟んで測定対象物からの反射光あるいは透過光を少なくとも2つ以上に分けて受光する第4の手段と、
前記境界線を挟んだ領域において第4の手段で受光される光の各々の出力の差信号や和信号を作成する第5の手段と、
この差信号や和信号の位相差あるいは強度差を求めて計測値を得る第6の手段と、
を含む距離計測システムなるものである。
本発明にかかわる前記第2の手段の2次元走査には、1次元走査素子を2つ組み合わせてなるものあるいは、2次元走査素子を用いるものが好適である。
本発明にかかわる前記第3の手段が測定対象物に照射させる光は、平行光、収束光または発散光であるものが好適である。
また、本発明にかかわる前記第6の手段は、変調された2つの周波数の差に基づくヘテロダイン検波を用いたものが好適である。
これら請求項に係る距離計測システムでは、請求項1で電磁波とされたものを光に適用したものである。
これら請求項においては、光源からの光を音響光学素子や空間光変調器等の第1の手段でDSB変調し、周波数と出射方向の僅かに異なる2つの光であるビームを作るようにする。この2つのビームを変調周波数とは無関係な1次元もしくは2次元の走査光学素子である第2の手段により、第3の手段である対物レンズに向けて走査することで、この対物レンズを介して測定対象物上を2つの近接したビームが走査することになる。
また、本発明を顕微鏡に適用した場合、非常に高い面内分解能を有し、さらに2次元走査を一度行うことで、高さや屈折率分布を測定することが出来るので、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3次元計測をリアルタイムに行うことができる。このため、従来の2次元情報を取得し、3次元方向に積算していくようなレーザー走査型共焦点顕微鏡などとは比較にならない大きな特徴を有することとなる。
さらに、本発明を透過型の顕微鏡に適用した場合、生物や細胞を生きたままかつ高い分解能で観察、計測できる。このため、細胞等を不活性化して計測する電子顕微鏡にはない大きな特徴を有することとなる。
図1は、本実施例の距離計測システムの構成を示す概略図である。この図1に示す飛行機10の両端部には、それぞれマイクロ波のパラボラアンテナである送信アンテナ11および送信アンテナ12が搭載されている。
図2に示す2つのマイクロ波の照射領域A,B間の中心距離Δxをこれらのマイクロ波が有する回折限界以下に設定したとする。この場合、各々のマイクロ波の照射領域A,Bは、アッべの理論の回折限界以下にはならないが、わずかにずらした各々別の周波数のマイクロ波であるために、ヘテロダイン検波をすることにより、微分情報を取得することができる。この時、受信アンテナ13と受信アンテナ14の和信号を用いると、実質的に光学顕微鏡の一種の微分干渉顕微鏡と等価になり、これらの差信号を用いると、微分干渉顕微鏡よりはるかに高い横分解能が得られる。
さて、上記のように測定対象物G上での2つのマイクロ波の照射領域A,B間の中心距離をΔxとし、地上もしくは海上でのマイクロ波の複素振幅分布をu(x)とする。この場合、測定対象物Gに比較して十分離れた場所では、測定対象物Gのプロファイルとビームプロファイルの積のフーリエ変換となる。
従って、受信アンテナ13,14上の複素振幅分布Eは、以下のようになる。
E=∫(Aejθ(x) u(x)ejkxdx・ej(ωc-ωm)t+Aejθ(x+Δx) u(x)ejkxdx・ej(ωc+ωm)t)
I(k)=A2∫ej(θ(x)-θ(x'+Δx') u(x) u(x’) ejk(x-x')dxdx’e-j2ωmt
+A2∫e-j(θ(x)-θ(x'+Δx') u(x) u(x’) ejk(x-x')dxdx’ej2ωmt・・・・・(1)式
I=∫I(k)dk(積分範囲は-KmaxからKmax)
=A2∫cos(θ(x)−θ(x’+Δx’)−2ωmt) u(x) u(x’)sin(Kmax(x-x’))/(x-x’)dxdx’
sin(Kmax(x-x’))/(x-x’)=Kδ(x-x’)となるので、以下の(2)式のようになる。
I=A2∫cos(θ(x) −θ(x+Δx) −2ωmt) u(x)2dx・・・・・(2)式
(2)式を変形すると下記の式を得る。
Iq=A2∫cos(θ(x)−θ(x+Δx) u(x)2dx・cos(2ωmt)
Ii=A2∫sin(θ(x)−θ(x+Δx) u(x)2dx・sin(2ωmt)
Θ=tan-1(∫sin(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx/∫cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx)・・・・・(3)式
I=∫I(k)dk(積分範囲は0からKmax)−∫I(k)dk(積分範囲は−Kmaxから0)
=A2∫sin(θ(x)−θ(x’+Δx’)−2ωmt) u(x) u(x’)( cos(Kmax(x-x’)-1)/(x-x’)dxdx’
(cos(Kmax(x-x’)-1)/(x-x’)=δ’(x-x’)+1/x(δ(x)-1)となるので、下記(4)式のようになる。
I=A2∫d/dx(sin(θ(x)―θ(x+Δx)―2ωmt) )u(x)2dx・・・・・(4)式
さらに、この(4)式を変形すると、下記のようになる。
Iq=A2∫d/dx(sin(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx・cos(2ωmt)
Ii=−A2∫d/dx(cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx・sin(2ωmt)
Θ=tan-1(−∫d/dx(cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx/∫d/dx(sin(θ(x)−θ(x+Δx))u(x)2dx)・・・・・(5)式
まず、(3)式では、照射領域A,Bの中心距離Δxだけ離れた2点の位相差をu(x)の重み関数で、平滑化した結果として得られる位相差を示しているので、照射領域A,B内の平均的な位相差を示している。これは、微分干渉顕微鏡と等価な処理である。
他方、(5)式では、照射領域A,Bの中心距離Δxだけ離れた2点の位相差の微分に対して、u(x)の重み関数で平滑化しているので、おおよそ元の関数を復元していることになる。
従って、飛行機10が飛行すると照射領域A,Bの分離度に相当する横分解能で、位相差および位置情報を取得することが可能となる。
また、複数のアレイアンテナの和出力だけを用いるのであれば、実質上1つの受信アンテナを用いることで、同様のことが実現できることになる。
以上述べたように、ヘテロダイン検波を用い、フーリエ変換面にて空間周波数情報を処理することにより、特に差演算では非常に高い横分解能の向上をもたらすことができる。
レーザーのようなコヒーレントな光源から出射された光を、第1の手段である音響光学素子や空間変調器により実質上2つの異なる周波数の光に変調させる。この時、例えば音響光学素子を用いると、この音響光学素子の表面弾性波と光の相互作用により、回折縞が変調を受ける。ドップラーシフトを受けた光は、周波数変調を受けるとともに、±1次の回折光となって出射される。他方、空間光変調器を用いる場合には、この空間光変調器に書き込んだ回折縞を変調させることでも、同様な効果をもたらす。
以上より、ビームを瞳伝達光学系により走査した場合、ビーム分離度に相当する横分解能で、位相差および位置情報を取得することが可能となる。
図4は、本実施例に係る距離計測システムの構成を示すブロック図である。この図4に示すように、レーザー光が出射される光源であるレーザー21と、AODドライバー24が接続されて動作が制御される音響光学素子(AOD)23との間に、コリメーターレンズ22が配置されている。また、この音響光学素子23に対して、2枚のレンズからなる瞳伝達拡大レンズ系25、入力されたレーザー光を2次元走査する2次元走査デバイス26、入力されたレーザー光を分離して出射する偏光ビームスプリッター27が順に並んで配置されている。
Ea=Aexpj(2π(fo+fc+fm)t)
Eb=Bexpj(2π(fo+fc-fm)t+δ)
この複素振幅Ebの式のδは、ビームLAを基準としたビームLBの高さ方向の位相差を表わし、foは光の周波数を表す。なお、前述したようにこの2つのビームの間隔は、音響光学素子23に加えた変調周波数fmによって決定されるので、走査速度とは無関係である。
I=(Ea+Eb)(Ea+Eb)*=A2+B2+2ABcos(2π*2fmt+δ)
これに伴い、図4に示す信号比較器33を用いて、周波数2fmのヘテロダイン検波の位相比較を行うことにより、位相差δを測定することができる。このようにして、位相情報を取得する。
図6は、本実施例に係る透過型の光学系を用いた距離計測システムを示すブロック図である。主要な光学系は実施例2と同じなので説明を割愛するが、本実施例では、図6に示すように、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ので、受光素子49は測定対象物G2を挟んで対物レンズ31と反対側に配置されていることが特徴である。 つまり、本実施例の場合、受光素子として、対物レンズ31の光軸Lの延長線上に2つのビームの分離方向に対して垂直方向に暗線が伸びる形で分割された受光素子49が配置されている。
図7は、本実施例の空間変調器を示した概念図である。この図7(A)に示すような空間変調器53を構成する磁性ガーネット膜53Aを各ピクセルごとに電圧または電流により駆動できるように、電極(図示せず)を付して、この空間変調器53を図4における音響光学素子23の位置に配置する。そして、磁性ガーネット膜53Aの各ピクセルに電圧、電流を印加することで、磁気光学効果によって各ピクセルの偏光面が回転するが、この偏光面の回転の程度は、印加する電圧、電流の大きさにより決定される。このような構造の空間変調器53として、ピクセル数が128×128であり、15nsの応答速度を有しているものがある。
Acos{2π/d(x−vt)}=A/2(expj{2π/d(x−vt)}+expj{−2π/d(x−vt)})
このため、±1次回折光がfm=±2πv/dの変調周波数を有することになる。尚、強度の場合には、0次の直流成分が生じるが、DC成分なので、ビート信号に影響はない。
Acos(2πfmt)=A/2((expj{2πfmt)}+expj{−2π/fmt})
この場合、DSB変調のような変調よりも単純な変調信号で同様の効果をもたらすことができる。
11,12 送信アンテナ
13,14 受信アンテナ
16 信号作成装置
17 計測機器
21 レーザー
22 コリメーターレンズ
23 音響光学素子
24 AODドライバー
25 瞳伝達拡大レンズ系
26 2次元走査デバイス
27 偏光ビームスプリッター
28,29 受光素子
30 瞳伝達レンズ系
31 対物レンズ
33 信号比較器
34 データ処理部
49 受光素子
53 空間変調器
G 測定対象物
G1 測定対象物
G2 測定対象物
Claims (6)
- 相互に異なる周波数にされたコヒーレントな2つの電磁波を測定対象物上に同一の領域を有しつつ一部ずらして照射する照射手段と、
前記ずらした方向に対して略垂直な方向に伸びる境界線を挟んだ測定対象物における少なくとも2つ以上の領域からの電磁波をそれぞれ検出する電磁波検出手段と、
前記境界線を挟んで対称な位置において電磁波検出手段で検出された電磁波の各々の出力の差信号や和信号を作成する信号作成手段と、
この差信号や和信号の位相差あるいは強度差を求めて計測値を得る計測手段と、
を含む距離計測システム。 - コヒーレントな光を出射する光源と、
該光源から出射された光を、相互に異なる周波数に変調させつつ相互に近接した状態に分離して照射される2つの光とする第1の手段と、
前記2つの光を1次元走査あるいは2次元走査する第2の手段と、
前記2次元走査された2つの光を測定対象物に照射する第3の手段と、
前記2つの光が分離された方向に対して略垂直な方向を境界線とし、該境界線を挟んで測定対象物からの反射光あるいは透過光を少なくとも2つ以上に分けて受光する第4の手段と、
前記境界線を挟んだ領域において第4の手段で受光される光の各々の出力の差信号や和信号を作成する第5の手段と、
この差信号や和信号の位相差あるいは強度差を求めて計測値を得る第6の手段と、
を含む距離計測システム。 - 前記第1の手段は、音響光学素子または空間変調器とされ、これら音響光学素子または空間変調器に2つの変調信号を加えた請求項2に記載の距離計測システム。
- 前記第2の手段の2次元走査には、1次元走査素子を2つ組み合わせてなるものあるいは、2次元走査素子を用いる請求項2または請求項3に記載の距離計測システム。
- 前記第3の手段が測定対象物に照射させる光は、平行光、収束光または発散光である請求項2から請求項4のいずれかに記載の距離計測システム。
- 前記第6の手段は、変調された2つの周波数の差に基づくヘテロダイン検波を用いたものである請求項2から請求項5のいずれかに記載の距離計測システム。
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JP6030328B2 (ja) | 2016-11-24 |
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