JP6057210B2 - 光学特性計測装置および光学特性計測方法 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、光学特性計測装置および光学特性計測方法に関する。

細胞シートを用いた治療が近年広がりを見せている。特に、患者自身の細胞から形成された細胞シートを移植する治療法が確立されつつある。この治療法は、患者から採取された細胞から幹細胞を抽出し、心筋や角膜上皮／内皮細胞を培養して細胞シートを形成するものである。

細胞シートは、移植に適した状態に形成される必要がある。たとえば角膜用の細胞シートにおいては、細胞が正しく重層化し、欠損等のない事が必要である。そのための検査は培養後に行われる。角膜は透明であるから、通常の顕微鏡では観察できない。よって、位相差顕微鏡により位相コントラストを画像化することで、細胞シートの異常の有無を検出している。

位相差顕微鏡による検査は簡便であるが、位相コントラストによるパターンのむらとして光路長差の存在やその分布は観察できても、実際にどの程度の光路長差が存在するかは把握できない。

また、高密度光メモリの分野や光通信・情報処理分野では、屈折率変調量や屈折率差を把握する目的から、体積位相型ホログラフィックグレーティング（Ｖｏｌｕｍｅ Ｐｈａｓｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ （ＶＰＨ） Ｇｒａｔｉｎｇ）などの屈折率変調型デバイスや、屈折率差を利用した光導波路型デバイスへの関心が高まっている。その一例として、特許文献１に示す位相差計測技術が知られている。近年、この技術を用いることで、癌細胞と正常細胞とを定量化された指標で識別できる可能性が示されている。

一方、生体組織の内部構造を可視化する方法として、オプティカルコヒーレンストモグラフィ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、ＯＣＴ）技術がある（たとえば特許文献２、特許文献３参照）。また、この技術を高解像度化して単離細胞の内部も観察可能とした高解像度オプティカルコヒーレンストモグラフィ顕微鏡（ＯＣＭ）も報告されている。このようなＯＣＴ技術は、細胞シートの積層状態を把握する手法として利用できる。つまり、ＯＣＴ技術を用いることで、積層化した細胞集合体の断面形状を細胞レベルの分解能で観察することができ、たとえば角膜上皮シートの積層状態（基底細胞層／翼細胞層／扁平上皮細胞層）を確認することが可能である。

特開２００８−３０４４５６号公報 特開２００３−５４３号公報 特開２００７−１０１３６５号公報

細胞シートの内部構造と位相差との関係が不明である場合、従来の位相差計測技術では、細胞シートの一部の位相差が相対的に大きく計測されたとしても、それがシートの厚みの相違によるものか、或いは細胞の異常によるものか（つまり屈折率の相違によるものか）判別することは困難であった。よって、位相差の計測結果を正しく解釈するには、細胞シートの構造の把握が一つの条件となっている。

しかし、細胞シートの構造は細胞レベルの寸法で変化しており、シート構造の確認には十分高い分解能を必要とする。つまり、異常細胞の有無や特定には、位相差および形態（構造）の双方について細胞レベルの空間分解能で計測を行うことが必要である。

一方、ＯＣＭでの検査においては、細胞シートの屈折率分布を仮定して光軸方向の長さを定義しており、この仮定が崩れるような異常細胞（癌細胞等）については形態を正確に取得できないという問題があった。

この発明の目的は、試料の異常の検出を高い確度で行うことが可能な技術を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、第１光源から出力された光の光路を第１試料光路と第１参照光路とに分割し、前記第１試料光路を通過する第１信号光で試料の所定領域をスキャンし、前記第１試料光路を経由した第１信号光と前記第１参照光路を経由した第１参照光とを干渉させて第１干渉光を生成し、生成された第１干渉光を検出する第１干渉光学系と、第１干渉光の検出結果に基づいて、前記第１試料光路と前記第１参照光路との間の光路長差を変更する光路長差制御部と、前記光路長差制御部による光路長差の変更量を示す変更量情報を取得する変更量情報取得部と、第２光源から出力された光の光路を第２試料光路と第２参照光路とに分割し、前記第２試料光路を通過する第２信号光で前記所定領域をスキャンし、前記第２試料光路を経由した第２信号光と前記第２参照光路を経由した第２参照光とを干渉させて第２干渉光を生成し、生成された第２干渉光を検出する第２干渉光学系と、第２干渉光の検出結果に基づいて前記所定領域の断層情報を取得する断層情報取得部と、前記変更量情報取得部により取得された変更量情報と、前記断層情報取得部により取得された断層情報とに基づいて、前記所定領域における屈折率分布を取得する屈折率分布取得部とを有する光学特性計測装置である。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学特性計測装置であって、前記屈折率分布取得部は、前記スキャンにより計測が行われる前記所定領域内の各計測点について、前記変更量情報に基づいて、当該計測点における前記試料の厚み方向の光学的距離を算出し、前記断層情報に基づいて、当該計測点における前記試料の厚み方向の空間的距離を算出し、前記光学的距離を前記空間的距離で除算することにより、当該計測点における前記試料の屈折率を取得することを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光学特性計測装置であって、前記第１試料光路と前記第２試料光路とを合成する合成部材と、前記合成部材と前記試料との間に設けられた対物レンズとを有し、前記第１干渉光学系は、前記対物レンズを介して第１信号光を前記試料に照射し、前記第２干渉光学系は、前記対物レンズを介して第２信号光を前記試料に照射することを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の光学特性計測装置であって、前記試料が載置される載置部と、前記第１試料光路の光軸および前記第２試料光路の光軸に対して実質的に直交する方向に前記載置部を移動させることで前記スキャンを行う駆動部とを有することを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の光学特性計測装置であって、前記第２試料光路に設けられ、前記試料に向かう第２信号光を偏向することで前記スキャンを行う偏向光学系を有することを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の光学特性計測装置であって、前記第２光源は波長掃引光源であり、前記断層情報取得部は、前記波長掃引光源による波長の掃引に伴い前記第２干渉光学系により得られた第２干渉光の検出結果に基づいて前記断層情報を取得することを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の光学特性計測装置であって、前記第２光源は広帯域光源であり、前記第２干渉光学系は、第２干渉光のスペクトルを検出する分光器を含み、前記断層情報取得部は、前記分光器によるスペクトルの検出結果に基づいて前記断層情報を取得することを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の光学特性計測装置であって、前記第２光源は広帯域光源であり、前記第２干渉光学系は、前記第２参照光路の光路長を変調する光路長変調部を含み、前記断層情報取得部は、前記光路長の変調に伴い前記第２干渉光学系により得られた第２干渉光の検出結果に基づいて前記断層情報を取得することを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の光学特性計測装置であって、前記第２干渉光学系は、前記第２参照光路の光路長を変更する光路長変更部を含むことを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の光学特性計測装置であって、前記第１光源および前記第２光源は同一光源であり、前記第１干渉光学系および前記第２干渉光学系は、前記同一光源から出力された光を前記第１試料光路と前記第１参照光路と前記第２試料光路と前記第２参照光路とに分割する分割光学系を含むことを特徴とする。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の光学特性計測装置であって、前記第２光源から出力された光の光路を２分割する分割部材を有し、前記第２干渉光学系は、前記分割部材により分割された一方の光路を前記第２試料光路と前記第２参照光路とに分割し、前記分割部材により分割された他方の光路を第３試料光路と第３参照光路とに分割し、前記第３試料光路を通過する第３信号光で前記第２信号光とは反対の方向から前記所定領域をスキャンし、前記第３試料光路を経由した第３信号光と前記第３参照光路を経由した第３参照光とを干渉させて第３干渉光を生成し、生成された第３干渉光を検出する第３干渉光学系を有し、前記断層情報取得部は、第３干渉光の検出結果に基づいて前記所定領域の他の断層情報を取得し、前記屈折率分布取得部は、前記変更量情報と前記断層情報と前記他の断層情報とに基づいて、前記屈折率分布を取得することを特徴とする。
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の光学特性計測装置であって、前記屈折率分布取得部は、前記断層情報取得部により取得された前記断層情報および前記他の断層情報に基づいて前記所定領域における厚み分布を取得する厚み分布取得部を含み、前記変更量情報と前記厚み分布とに基づいて前記屈折率分布を取得することを特徴とする。
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の光学特性計測装置であって、前記光路長差制御部は、前記第１干渉光学系により検出される前記第１干渉光の強度が所定値となるように前記光路長差の変更を行うことを特徴とする。
また、請求項１４に記載の発明は、第１光源から出力された光を第１信号光と第１参照光とに分割し、第１信号光で試料の所定領域をスキャンし、前記試料を経由した第１信号光と第１参照光とを干渉させて第１干渉光を生成し、生成された第１干渉光を検出する第１検出ステップと、第１干渉光の検出結果に基づいて、第１信号光の光路と第１参照光の光路との間の光路長差を変更する光路長差制御ステップと、前記光路長差制御ステップによる光路長差の変更量を示す変更量情報を取得する変更量情報取得ステップと、第２光源から出力された光を第２信号光と第２参照光とに分割し、第２信号光で前記所定領域をスキャンし、前記試料を経由した第２信号光と第２参照光とを干渉させて第２干渉光を生成し、生成された第２干渉光を検出する第２検出ステップと、第２干渉光の検出結果に基づいて前記所定領域の断層情報を取得する断層情報取得ステップと、前記変更量情報取得ステップで取得された変更量情報と、前記断層情報取得ステップで取得された断層情報とに基づいて、前記所定領域における屈折率分布を取得する屈折率分布取得ステップとを含む光学特性計測方法である。

この発明によれば、試料の異常の検出を高い確度で行うことが可能である。

実施形態に係る光学特性計測装置の構成の一例を表す概略図である。 実施形態に係る光学特性計測装置が実行する処理の一例を説明するための概略図である。 実施形態に係る光学特性計測装置が実行する処理の一例を説明するための概略図である。 実施形態に係る光学特性計測装置の構成の一例を表す概略図である。 実施形態に係る光学特性計測装置の構成の一例を表す概略図である。 実施形態に係る光学特性計測装置の構成の一例を表す概略図である。 実施形態に係る光学特性計測装置の構成の一例を表す概略図である。

光学特性計測装置および光学特性計測方法の実施形態の一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。実施形態は、層構造を有する任意の試料の光学特性を取得するために用いられる。試料の例としては、前述した細胞シートだけでなく、光導波路構造を有する光波長多重フィルタなどがある。

実施形態は、特許文献１等に示す位相差計測技術と、特許文献２等に示すＯＣＴ技術とを組み合わせることにより、試料の異常検出の確度向上を図るものである。なお、この明細書に記載された文献の記載内容を、以下の実施形態の内容として適宜援用することが可能である。

（位相差計測技術の概要）
実施形態に用いられる位相差計測技術の概要を説明する。計測される位相差は、低屈折率領域を通過した光と、高屈折率領域を通過した光との位相差である。低屈折率領域の屈折率をｎ_Ｌ、高屈折率領域の屈折率をｎ_Ｈ、試料の厚みをｔ、光の波長をλとすると、位相差Δφは次式で得られる：Δφ＝２πｔ（ｎ_Ｈ−ｎ_Ｌ）／λ。ここで、高屈折率領域を通過する光の光路長（光学的距離）を位相差Δφに相当する分だけ変更すれば、双方の光の間の位相差が０となる。よって、光路長の変更量を検出することで、位相差Δφを取得することができる。さらに、試料の厚みｔが既知であれば、上記式に基づいて屈折率差Δｎ＝ｎ_Ｈ−ｎ_Ｌが得られる。

この位相差計測技術は、この原理を利用して、光路長が一定の光路（第１参照光路）を経由する光（第１参照光）と、試料の光学特性が光路長に影響を与える光路（第１試料光路）を経由する光（第１信号光）との干渉光を検出することにより、試料の光学特性を示す情報を取得するものである。この情報としては、第１参照光（第１参照光路）を基準とした光路長差の分布、位相差の分布、屈折率差の分布などがある（これら分布は等価である）。

（ＯＣＴ技術の概要）
実施形態に用いられるＯＣＴ技術の概要を説明する。ＯＣＴは、試料を経由した信号光（第２信号光）を参照光（第２参照光）と干渉させて得られる干渉光を検出することで、第２信号光が経由した試料の部位の断層情報を取得する光計測技術である。実施形態において適用可能なＯＣＴの方式は任意である。ＯＣＴの方式には、スウェプトソース方式、スペクトラルドメイン方式、タイムドメイン方式などがある。

スウェプトソース方式では、波長掃引光源を用いて出力光の波長を高速で掃引しつつ各計測点（Ａライン）を計測し、それにより得られる一連の干渉光を検出する。そして、この検出結果に信号処理を施すことで、Ａラインの断層情報が取得される。この断層情報は、Ａラインにおける反射強度分布を示す。複数のＡラインについて取得された断層情報を配列させることにより、２次元または３次元の断層情報（断層像データ）が形成される。

スペクトラルドメイン方式では、スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）などの広帯域光源と、分光器とが用いられる。広帯域光源から出力された広帯域光はＡラインに照射され、Ａラインの様々な深度からの反射光の混合光を分光器で検出する。それにより得られたスペクトルに信号処理を施すことで、Ａラインにおける反射強度分布を示す断層情報が取得される。複数のＡラインについて取得された断層情報を配列させることにより、２次元または３次元の断層情報（断層像データ）が形成される。

タイムドメイン方式では、広帯域光源と、第２参照光の光路（第２参照光路）の光路長を変調する光路長変調部とが用いられる。光路長変調部は、たとえば、第２参照光路に設けられたミラーと、このミラーを光軸方向に移動させる駆動機構（圧電素子など）とを含む。この方式では、第２参照光路の光路長を変調して干渉深度を変化させつつＡラインの一点一点を広帯域光で計測し、その反射強度を検出する。それにより得られた複数の反射強度情報を深度方向に配列させることで、Ａラインの断層情報が得られる。さらに、複数のＡラインについて取得された断層情報を配列させることにより、２次元または３次元の断層情報（断層像データ）が形成される。

〈第１の実施形態〉
図１に示す光学特性計測装置１は、第１干渉光学系１０と、第２干渉光学系３０とを有する。第１干渉光学系１０は位相差計測に用いられ、第２干渉光学系３０はＯＣＴ計測に用いられる。

なお、図１には、主として、第１干渉光学系１０の光路と第２干渉光学系３０の光路との組み合わせ形態が示されており、幾つかの光学部材は省略されている。たとえば、第１干渉光学系１０には、図示しない波長板やレンズが設けられている。また、第２干渉光学系３０には、図示しないアッテネータや偏波コントローラ、レンズなどが設けられている。また、第１干渉光学系１０や第２干渉光学系３０は、光ファイバを用いたファイバ光学系として構成されていてもよい。

光学特性計測装置１は、ステージ２に載置された試料Ｓの光学特性を計測する。なお、試料Ｓはステージ２に直接に載置されていてもよいし、試料Ｓが格納されたケースがステージ２に載置されていてもよい。後者の例として、細胞シートが格納されたペトリ皿をステージ２に載置することができる。

駆動部３は、第１試料光路ＳＰ１の光軸に対して実質的に直交する方向にステージ２を移動させる。この実施形態の駆動部３は、第１試料光路ＳＰ１の光軸に対して実質的に直交する面内の任意方向に移動させることができる。それにより、試料Ｓと第１信号光とを相対的に２次元的に移動させることができる。

この実施形態では、第１干渉光学系１０と第２干渉光学系３０とが対物レンズ１４を共有しているので、駆動部３は、第１試料光路ＳＰ１の光軸および第２試料光路ＳＰ２の光軸に対して実質的に直交する方向にステージ２を移動させるように構成されている。このような構成により、試料Ｓの所定領域を第１信号光および第２信号光でスキャンすることができる。なお、駆動部３は、第１試料光路ＳＰ１等の光軸方向にもステージ２を移動可能とされていてもよい。

駆動部３は、たとえば、ステージ２の移動可能方向に沿うレールと、ステージ２を移動させるための駆動力を出力するアクチュエータとを含む。駆動部３は、演算制御部８０による制御を受けて動作する。

（第１干渉光学系１０）
第１干渉光学系１０の機能について説明する。第１干渉光学系１０は、第１光源１１から出力された光の光路を、第１試料光路ＳＰ１と、第１参照光路ＲＰ１とに分割する。続いて、第１干渉光学系１０は、第１試料光路ＳＰ１を通過する第１信号光により、試料Ｓの所定領域をスキャンする。さらに、第１干渉光学系１０は、第１試料光路ＳＰ１を経由した第１信号光と、第１参照光路ＲＰ１を経由した第１参照光とを干渉させて、第１干渉光を生成する。そして、第１干渉光学系１０は、生成された第１干渉光を検出する。このような機能を実現するための構成例を以下に説明する。

第１光源１１としては、たとえば、コヒーレントなレーザ光源が用いられる。第１光源１１から出力された光の光路は、ビームスプリッタ１２により第１試料光路ＳＰ１と第１参照光路ＲＰ１とに分割される。ビームスプリッタ１２は、たとえばハーフミラーである。

ビームスプリッタ１２を透過して第１試料光路ＳＰ１に導かれた光（第１信号光）は、たとえばダイクロイックミラーからなるビームスプリッタ１３により反射される。さらに、第１信号光は、対物レンズ１４を介して試料Ｓに照射される。試料Ｓおよびステージ２を透過した第１信号光は、対物レンズ１５を経由し、さらに反射ミラー１６、１７および１８を経由してビームスプリッタ１９に到達する。ビームスプリッタ１９は、たとえばハーフミラーである。

一方、ビームスプリッタ１２により反射された光（第１参照光）は、第１参照光路ＲＰ１を介してビームスプリッタ１９に到達する。

第１試料光路ＳＰ１を経由した第１信号光と、第１参照光路ＲＰ１を経由した第１参照光は、ビームスプリッタ１９によって干渉する。それにより得られる干渉光（第１干渉光）は、第１検出部２０によって検出される。第１検出部２０は、第１干渉光の強度を示す検出信号を出力する。第１検出部２０としては、たとえば、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管、フォトダイオード、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサなどが用いられる。

（光路長差制御部５０）
光路長差制御部５０は、第１検出部２０による第１干渉光の検出結果に基づいて、第１試料光路ＳＰ１と第１参照光路ＲＰ１との間の光路長差を変更する。光路長差制御部５０は、反射ミラー１６、１７および１８、並びにビームスプリッタ１９を一体的に移動させることにより、第１試料光路ＳＰ１の光路長を変更する。以下、光路長差制御部５０により移動される反射ミラー１６、１７および１８、並びにビームスプリッタ１９をまとめて「移動対象」と呼ぶことがある。光路長差制御部５０は、第１検出部２０からの検出信号を処理する信号処理機能（電子回路、プロセッサ等）と、この信号処理機能による処理結果に基づいて移動対象を移動させる機能（アクチュエータ等）とを有する。

この実施形態では、第１試料光路ＳＰ１の光路長を変更することで光路長差を変更しているが、第１参照光路ＲＰ１の光路長を変更する構成や、双方の光路長を変更する構成を適用することも可能である。

光路長差制御部５０は、第１検出部２０により検出される第１干渉光の強度が所定値となるように光路長差の変更を行う。そのために、光路長差制御部５０は、特許文献１と同様のフィードバック制御を実行する。このフィードバック制御は次のように実行される。光路長差制御部５０は、第１検出部２０からの検出信号と所定の定電圧との差分を取得し、ローパスフィルタを介して移動対象を一体的に移動させる。その場合、光路長差制御部５０は、差分回路、ローパスフィルタおよび駆動機構を有する。駆動機構としては、たとえば圧電素子が用いられる。このフィードバック制御は、第１信号光と第１参照光との位相差が常に所定量になるように行われる。このようなフィードバック制御を行うことにより、第１信号光による試料Ｓのスキャンにおいて、試料Ｓを介する第１試料光路ＳＰ１の光路長が実質的に一定となる。

（変更量情報取得部６０）
変更量情報取得部６０は、光路長差制御部５０による光路長差の変更量を示す変更量情報を取得する。変更量情報は、光路長差の変更量自体には限られず、それと等価な情報であればよい。この実施形態では、変更量情報取得部６０は、第１試料光路ＳＰ１の光路長の変更量を示す変更量情報を取得するようになっている。光路長差制御部５０が上記構成を有する場合、変更量情報取得部６０は、第１試料光路ＳＰ１の光路長の変更量を示す変更量情報として、光路長差制御部５０の圧電素子に対する印加電圧を検出する。

変更量情報取得部６０による変更量情報の取得は、第１信号光による試料Ｓのスキャン、および、光路長差制御部５０によるフィードバック制御と並行して実行される。この統合的な制御は演算制御部８０により行われる。それにより、変更量情報取得部６０は、光路長差の変更量の時系列変化を示す変更量情報を取得する。変更量情報は、演算制御部８０に送られる。圧電素子に対する印加電圧を検出する上記例の場合、変更量情報には、この印加電圧のスキャンに伴う時系列変化、つまりスキャンされた複数の計測点に対応する印加電圧の値が含まれる。

（第２干渉光学系３０）
第２干渉光学系３０の機能について説明する。第２干渉光学系３０は、第２光源３１から出力された光の光路を、第２試料光路ＳＰ２と、第２参照光路ＲＰ２とに分割する。続いて、第２干渉光学系３０は、第２試料光路ＳＰ２を通過する第２信号光により、試料Ｓの所定領域をスキャンする。さらに、第２干渉光学系３０は、第２試料光路ＳＰ２を経由した第２信号光と、第２参照光路ＲＰ２を経由した第２参照光とを干渉させて、第２干渉光を生成する。そして、第２干渉光学系３０は、生成された第２干渉光を検出する。このような機能を実現するための構成例を以下に説明する。

第２光源３１としては、ＯＣＴの方式に応じた光源が用いられる。たとえば、スウェプトソース方式の場合には波長掃引光源が用いられ、スペクトラルドメイン方式やタイムドメイン方式の場合には広帯域光源が用いられる。第２光源３１から出力された光の光路は、ビームスプリッタ３２により第２試料光路ＳＰ２と第２参照光路ＲＰ２とに分割される。ビームスプリッタ３２は、たとえばハーフミラーである。

ビームスプリッタ３２を透過して第２試料光路ＳＰ２に導かれた光（第２信号光）は、反射ミラー３３により反射され、ビームスプリッタ３４を透過し、ビームスプリッタ１３を透過する。ここで、ビームスプリッタ１３は、第１光源１１の出力波長を反射し、かつ第２光源３１の出力波長を透過させるダイクロイックミラーである。このビームスプリッタ１３により、第１試料光路ＳＰ１と第２試料光路ＳＰ２とが合成される。

さらに、第２信号光は、対物レンズ１４を介して試料Ｓに照射される。第２信号光は、試料Ｓの様々な深度にて散乱・反射される。試料Ｓによる第２信号光の後方散乱光（同じく第２信号光と呼ぶ）は、対物レンズ１４を経由し、ビームスプリッタ１３を透過し、ビームスプリッタ３４に反射され、反射ミラー３５に反射され、ビームスプリッタ３９に到達する。ビームスプリッタ３２からビームスプリッタ３９までの当該経路が第２試料光路ＳＰ２に相当する。

一方、ビームスプリッタ３２により反射された光（第２参照光）は、第２参照光路ＲＰ２に配置された反射ミラー３６、３７および３８を介してビームスプリッタ３９に到達する。なお、ＯＣＴの原理にしたがい、第２試料光路ＳＰ２の光路長と第２参照光路ＲＰ２の光路長とがほぼ同じになるように、第２干渉光学系３０は設計される。

第２試料光路ＳＰ２を経由した第２信号光と、第２参照光路ＲＰ２を経由した第２参照光は、ビームスプリッタ３９によって干渉する。それにより得られる干渉光（第２干渉光）は、第２検出部４０によって検出される。第２検出部４０は、ＯＣＴ方式に応じた構成を有する。たとえばスウェプトソース方式やタイムドメイン方式ではフォトディテクタやバランスドフォトディテクタが用いられ、スペクトラルドメイン方式では分光器が用いられる。

（断層情報取得部７０）
断層情報取得部７０は、第２検出部４０による第２干渉光の検出結果に基づいて、試料Ｓの所定領域の断層情報を取得する。試料Ｓの所定領域とは、第２信号光によってスキャンされた試料Ｓの領域である。断層情報取得部７０は、ＯＣＴ方式に応じた前述の処理を実行することで、第２干渉光の検出結果から断層情報を生成する。断層情報は、演算制御部８０に送られる。

（演算制御部８０）
演算制御部８０は、各種の演算処理や制御処理を実行する。たとえば、演算制御部８０は、光学特性計測装置１の各部を制御する。また、演算制御部８０は、屈折率分布取得部としての機能を有し、以下に説明する演算処理を実行する。

演算制御部８０は、変更量情報取得部６０により取得された変更量情報と、断層情報取得部７０により取得された断層情報とに基づいて、試料Ｓの所定領域における屈折率分布を取得する。試料Ｓの所定領域とは、位相差計測でスキャンされた領域と、ＯＣＴ計測でスキャンされた領域との共通領域の全体または一部である。この実施形態では、たとえば、位相差計測とＯＣＴ計測で同じ領域をスキャンすることができる。このスキャンは、同時にまたは異なるタイミングで実行される。

屈折率分布を取得する処理の例を説明する。演算制御部８０は、第１信号光および第２信号光の双方のスキャンが行われた試料Ｓの各計測点について、以下の処理を実行する。なお、この実施形態では、ステージ２の移動により双方のスキャンが実行されるので、双方の計測における計測点の対応付けを自然に行うことが可能である。すなわち、双方のスキャンを同時に行う場合には、実質的に同時に検出された第１干渉光および第２干渉光が同一の計測点（Ａライン）の情報を含むものであるから、これら干渉光に基づく変更量情報および断層情報を対応付けることができる。また、双方のスキャンが異なるタイミングで行われる場合には、双方のスキャンにおいてステージ２の位置情報と取得された情報（変更量情報、断層情報）とを関連付けておき、位置情報が（実質的に）同一である変更量情報と断層情報とを対応付けることができる。

演算制御部８０は、双方のスキャンの各計測点について、次の３段階の処理を行う。
（１）変更量情報取得部６０により取得された変更量情報に基づいて、各計測点における試料Ｓの厚み方向の光学的距離情報を算出する。
（２）断層情報取得部７０により取得された断層情報に基づいて、各計測点における試料Ｓの厚み方向の空間的距離情報を算出する。
（３）（１）で算出された光学的距離情報を、（２）で算出された空間的距離情報で除算することにより、各計測点における試料Ｓの屈折率を取得する。

第１段階の処理について説明する。変更量情報には、前述のように、光路長差の変更量の時系列変化を示す情報が含まれる。たとえば、上記例のように圧電素子に対する印加電圧を検出する場合、変更量情報には、この印加電圧のスキャンに伴う時系列変化、つまり複数の計測点に対応する印加電圧の値が含まれる。演算制御部８０は、各計測点に対応する印加電圧の値を、光路長の値に変換する。この処理は、あらかじめ取得された圧電素子の特性（印加電圧と変位との関係）に基づいて、各計測点の印加電圧に対応する変位を求めることにより実行される。求められた変位は、その計測点における試料Ｓの厚み方向の光学的距離を示す情報である。この情報が光学的距離情報として用いられる。なお、光学的距離とは、空間的距離に媒質の屈折率を乗算して得られる距離である。

第２段階の処理について説明する。第２段階の処理は、以下に説明する原理に基づく演算を含む。断層情報は、各測定点における反射強度分布（Ａラインプロファイル）を示す。Ａラインプロファイルの例を図２に示す。横軸は深度を示し、縦軸は信号強度（つまり反射強度）を示す。横軸において、所定の基準深度を０としている。基準深度は、試料Ｓよりも上方（対物レンズ１４側）に設定される。Ａラインプロファイルのピークα１は試料Ｓの上面に相当し、ピークα２は下面に相当する。ピークα１とピークα２との間の範囲が試料Ｓにおける反射強度分布に相当する。

基準深度と試料Ｓの上面（ピークα１）との間の空間には、空気や水などの媒質が存在する。この媒質の屈折率は既知である。よって、基準深度と試料Ｓの上面との間の空間的距離Ｌｕを求めることが可能である。

また、基準深度と試料Ｓの下面（ピークα２）との間の空間的距離Ｌｂは既知であるとする。たとえば試料Ｓがステージ２に直接に載置されている場合、試料Ｓの下面とステージ２の上面とが接しているので、基準深度とステージ２の上面との間の空間的距離、つまり基準深度と試料Ｓの下面との間の空間的距離Ｌｂを事前に取得することが可能である。また、試料Ｓがケースに格納されている場合、試料Ｓはケースの載置面上に配置される。よって、基準深度とステージ２の上面との間の空間的距離と、ケースの下端面と載置面との間の空間的距離とに基づいて、基準深度とケースの載置面との間の空間的距離、つまり基準深度と試料Ｓの下面との間の空間的距離Ｌｂを事前に取得することが可能である。

このように、基準深度と試料Ｓの上面との間の空間的距離Ｌｕと、基準深度と試料Ｓの下面との間の空間的距離Ｌｂが既知であるから、空間的距離Ｌｂから空間的距離Ｌｕを減算することで、この計測点における試料Ｓの厚み方向の空間的距離Ｌｃが得られる：Ｌｃ＝Ｌｂ−Ｌｕ。この空間的距離Ｌｃは、この計測点における試料Ｓの厚みを示す。

以上のようにして、複数の計測点に対応する複数の空間的距離Ｌｃ（厚み）が得られる。光学的距離についても同様である。複数の計測点には、スキャンに応じた順序が付されている。その順序に応じて複数の計測点を符号Ｐ（ｉ）（ｉ＝１〜Ｎ）で示す。複数の計測点Ｐ（ｉ）に対応するＡラインプロファイル（空間的距離）と光路長差変更量Ａ（光学的距離）との関係を図３に示す。

計測点Ｐ（ｉ）（ｉ＝２〜Ｎ）における光路長差変更量Ａ（ｉ）は、計測点Ｐ（ｉ−１）から計測点Ｐ（ｉ）へのスキャンの移行に対応する光路長差の変更量を示す。一方、計測点Ｐ（ｉ−１）から計測点Ｐ（ｉ）へのスキャンの移行に対応する空間的距離は、計測点Ｐ（ｉ）における空間的距離Ｌｂ（ｉ）と、計測点Ｐ（ｉ−１）における空間的距離Ｌｂ（ｉ−１）との差分ΔＬｂ（ｉ）である：ΔＬｂ（ｉ）＝Ｌｂ（ｉ）−Ｌｂ（ｉ−１）。光学的距離情報は、複数の計測点Ｐ（ｉ）に対応する複数の光路長差変更量Ａ（ｉ）を含む。空間的距離情報は、複数の計測点Ｐ（ｉ）に対応する複数の差分空間的距離ΔＬｂ（ｉ）を含む。

第３段階の処理について説明する。演算制御部８０は、第１段階の処理で算出された光学的距離情報を、第２段階で算出された空間的距離情報で除算することにより、各計測点Ｐ（ｉ）における試料Ｓの屈折率を取得する。具体的には、演算制御部８０は、各計測点Ｐ（ｉ）について、光路長差変更量Ａ（ｉ）を差分空間的距離ΔＬｂ（ｉ）で除算することにより、この計測点Ｐ（ｉ）における試料Ｓの屈折率ｎ（ｉ）を求める。それにより、複数の計測点Ｐ（ｉ）における屈折率分布ｎ（ｉ）、つまりスキャンされた領域における屈折率分布ｎ（ｉ）が得られる。

演算制御部８０は、このようにして得られた情報に基づいて、試料Ｓの異常の検出を行う。この異常検出処理は、光路長差変更量Ａ（ｉ）、空間的距離Ｌｂ（ｉ）、差分空間的距離ΔＬｂ（ｉ）、屈折率分布ｎ（ｉ）などに基づいて実行される。すなわち、この異常検出処理は、試料Ｓの内部構造を示す情報と、光学特性を示す情報とに基づいて実行される。

具体例として、演算制御部８０は、まず、あらかじめ設定された閾値に基づいて、屈折率ｎ（ｉ）が異常値を示す計測点Ｐ（ｉ）を特定する。次に、演算制御部８０は、各計測点Ｐ（ｉ）について、構造的な特徴（形態的な特徴）が存在するか判定する。構造的な特徴の例として次のものがある：空間的距離Ｌｂ（ｉ）が異常であるか（つまり厚みが異常であるか）；差分空間的距離ΔＬｂ（ｉ）、ΔＬｂ（ｉ＋１）等が異常であるか（つまり厚みが急激に変化していないか）；ＯＣＴ画像から検出できる異常があるか（特定層の厚みや形状に異常があるかなど）。そして、演算制御部８０は、屈折率ｎ（ｉ）から特定された異常と、構造的な特徴とに基づいて、試料Ｓの異常部位を特定する。

（ユーザインターフェイス９０）
ユーザインターフェイス９０は、図示しない表示部および操作部を有する。表示部は、演算制御部８０による制御を受けて各種情報を表示する。表示される情報としては、上記異常判定の結果、位相差計測やＯＣＴ計測により取得された情報、ＯＣＴ計測により取得された情報に基づく断層像、試料Ｓに関する情報などがある。操作部は、光学特性計測装置１の操作、各種情報の入力などに用いられる。

（作用・効果）
光学特性計測装置１の作用および効果について説明する。

光学特性計測装置１は、第１干渉光学系１０と、光路長差制御部５０と、変更量情報取得部６０と、第２干渉光学系３０と、断層情報取得部７０と、演算制御部８０とを有する。第１干渉光学系１０、光路長差制御部５０および変更量情報取得部６０は、試料Ｓの位相差計測を行う。第２干渉光学系３０および断層情報取得部７０は、試料ＳのＯＣＴ計測を行う。

第１干渉光学系１０は次の作用を有する：第１光源１１から出力された光の光路を、第１試料光路ＳＰ１と第１参照光路とに分割する；第１試料光路ＳＰ１を通過する第１信号光で、試料Ｓの所定領域をスキャンする；第１試料光路ＳＰ１を経由した第１信号光と、第１参照光路ＲＰ１を経由した第１参照光とを干渉させて、第１干渉光を生成する；生成された第１干渉光を検出する。

光路長差制御部５０は、第１干渉光学系１０により得られた第１干渉光の検出結果に基づいて、第１試料光路ＳＰ１と第１参照光路ＲＰ１との間の光路長差を変更する。

変更量情報取得部６０は、光路長差制御部５０による光路長差の変更量を示す変更量情報を取得する。

第２干渉光学系３０は次の作用を有する；第２光源３１から出力された光の光路を、第２試料光路ＳＰ２と第２参照光路ＲＰ２とに分割する；第２試料光路ＳＰ２を通過する第２信号光で、試料Ｓの所定領域をスキャンする；第２試料光路ＳＰ２を経由した第２信号光と、第２参照光路ＲＰ２を経由した第２参照光とを干渉させて、第２干渉光を生成する；生成された第２干渉光を検出する。

断層情報取得部７０は、第２干渉光学系３０により得られた第２干渉光の検出結果に基づいて、試料Ｓの所定領域の断層情報を取得する。

演算制御部８０は、変更量情報取得部６０により取得された変更量情報と、断層情報取得部７０により取得された断層情報とに基づいて、試料Ｓの所定領域における屈折率分布を取得する。この処理を行う演算制御部８０は「屈折率分布取得部」に相当する。

この実施形態において、屈折率分布取得部としての演算制御部８０は、次の処理を実行するように構成されている。第１信号光および第２信号光のスキャンにより計測が行われる各計測点について、演算制御部８０は、変更量情報取得部６０により取得された変更量情報に基づき、この計測点における試料Ｓの厚み方向の光学的距離を算出する。さらに、演算制御部８０は、断層情報取得部７０により取得された断層情報に基づき、この計測点における試料Ｓの厚み方向の空間的距離を算出する。さらに、演算制御部８０は、上記光学的距離を上記空間的距離で除算することにより、この計測点における試料Ｓの屈折率を取得する。

この実施形態において、第１干渉光学系１０および第２干渉光学系３０は、次のように構成されている。第１試料光路ＳＰ１と第２試料光路ＳＰ２は、合成部材（ビームスプリッタ１３）によって合成される。さらに、合成部材（ビームスプリッタ１３）と試料Ｓとの間には、対物レンズ１４が設けられる。そして、第１干渉光学系１０は、対物レンズ１４を介して第１信号光を試料Ｓに照射し、第２干渉光学系３０は、対物レンズ１４を介して第２信号光を試料Ｓに照射するように構成される。すなわち、第１干渉光学系１０と第２干渉光学系３０は、対物レンズ１４を共有していてもよい。

この実施形態の光学特性計測装置１は、載置部（ステージ２）と、駆動部３とを有する。載置部（ステージ２）には試料Ｓが載置される。駆動部３は、第１試料光路ＳＰ１の光軸および第２試料光路ＳＰ２の光軸に対して実質的に直交する方向に載置部（ステージ２）を移動させることにより、第１信号光および第２信号光で試料Ｓをスキャンする。

この実施形態において、ＯＣＴ計測の方式は任意である。スウェプトソース方式の場合、第２光源３１は波長掃引光源であり、断層情報取得部７０は、波長掃引光源による波長の掃引に伴い第２干渉光学系３０により得られた第２干渉光の検出結果に基づいて断層情報を取得する。スペクトラルドメイン方式の場合、第２光源３１は広帯域光源であり、第２干渉光学系３０は、第２干渉光のスペクトルを検出する分光器（第２検出部４０）を含み、断層情報取得部７０は、分光器（第２検出部４０）によるスペクトルの検出結果に基づいて断層情報を取得する。タイムドメイン方式の場合、第２光源３１は広帯域光源であり、第２干渉光学系３０は、第２参照光路ＲＰ２の光路長を変調する光路長変調部を含み、断層情報取得部７０は、第２参照光路ＲＰ２の光路長の変調に伴い第２干渉光学系３０により得られた第２干渉光の検出結果に基づいて断層情報を取得する。光路長変調部は、たとえば、反射ミラー３６、３７を一体的に移動させる圧電素子を含む。この圧電素子に対する電圧印加は演算制御部８０が行う。

このような光学特性計測装置１によれば、試料Ｓの光学特性計測（屈折率計測、位相差分布計測）および構造計測（ＯＣＴ計測）の双方の結果に基づいて、試料Ｓの異常検出を高い確度で行うことができる。たとえば試料Ｓが細胞シートである場合、従来の位相差計測技術では、検出された異常が、細胞の変異に起因する光学特性の異常によるものか、或いは試料Ｓの構造（厚みの変化など）によるものか判別できなかったが、この実施形態によればこの判別を行うことが可能である。

〈第２の実施形態〉
図４に示す光学特性計測装置１００は、第１の実施形態と同様の第１干渉光学系１０および第２干渉光学系３０を有する。第１の実施形態との相違は、第２干渉光学系３０にガルバノスキャナ４１が設けられていることである。なお、光路長差制御部５０、変更量情報取得部６０、断層情報取得部７０、演算制御部８０およびユーザインターフェイス９０については、第１の実施形態と同様であるから、詳細な説明は省略する。

ガルバノスキャナ４１は、第２試料光路ＳＰ２に設けられ、試料Ｓに向かう第２信号光を偏向することで試料Ｓのスキャンを行う。ガルバノスキャナ４１は偏向光学系の一例である。ガルバノスキャナ４１は、１つまたは２つの反射ミラーと、各反射ミラーの向きを変更する駆動機構とを含む。駆動機構は、演算制御部８０の制御を受けて動作する。

第１干渉光学系１０による位相差計測のスキャンは、駆動部３によるステージ２の移動によって実行され、第２干渉光学系３０によるＯＣＴ計測のスキャンは、ガルバノスキャナ４１によって実行される。つまり、この実施形態では、２つの計測のスキャンが独立に実行される。

この実施形態の光学特性計測装置１００によれば、第１の実施形態と同様に、試料Ｓの光学特性計測および構造計測の双方の結果に基づいて、試料Ｓの異常検出を高い確度で行うことが可能である。

偏向光学系はガルバノスキャナには限定されない。たとえばポリゴンミラー等の光学デバイスを偏向光学系として用いることができる。

第１干渉光学系１０に偏向光学系を設けることも可能である。この偏向光学系は、第１試料光路ＳＰ１に設けられ、試料Ｓに向かう第１信号光を偏向することで試料Ｓのスキャンを行う。第１干渉光学系１０と第２干渉光学系３０の双方に偏向光学系が設けられる場合、ステージ２を移動させるための駆動部３は不要である。また、第１信号光および／または第２信号光のスキャンを、駆動部３と偏向光学系の双方を連動制御して行うように構成することも可能である。

〈第３の実施形態〉
図５に示す光学特性計測装置２００は、第１の実施形態と同様の第１干渉光学系１０および第２干渉光学系３０を有する。第１の実施形態との相違は、第２参照光路ＲＰ２の光路長を変更する光路長変更部が第２干渉光学系３０に設けられていることである。なお、光路長差制御部５０、変更量情報取得部６０、断層情報取得部７０、演算制御部８０およびユーザインターフェイス９０については、第１の実施形態と同様であるから、詳細な説明は省略する。

光路長変更部は、たとえば、反射ミラー３７および３８を、図５に示す両側矢印が示す方向に移動させる駆動機構９１を含んで構成される。駆動機構９１は、演算制御部８０の制御を受けて動作する。駆動機構９１は、図２を参照しつつ説明した基準深度を変更するために用いられる。

細胞シートのように試料Ｓの厚みが不定である場合、基準深度を変更する必要が生じることがある。ＯＣＴ計測においては、第２参照光路ＲＰ２の光路長と一致する第２試料光路ＳＰ２の光路長の位置において、干渉感度が最大となる。よって、ＯＣＴ計測を高感度で行うには、試料Ｓの厚みに応じて第２試料光路ＳＰ２と第２参照光路ＲＰ２との光路長差を調整する必要がある。この実施形態では、第２参照光路ＲＰ２の光路長を変更することで、この光路長差を変更する。なお、第２試料光路ＳＰ２の光路長を変更可能な構成や、双方の光路長を変更可能な構成を適用することも可能である。

この実施形態の光学特性計測装置２００によれば、試料Ｓの厚みにかかわらず試料Ｓの異常検出を高い確度で行うことが可能である。

〈第４の実施形態〉
上記の実施形態では、位相差計測用の光源（第１光源１１）とＯＣＴ計測用の光源（第２光源３１）とが別々に設けられている。この実施形態では、共通の光源を用いて位相差計測とＯＣＴ計測を行う構成について説明する。この共通の光源としては、波長掃引光源が用いられる。位相差計測においては波長掃引を行わずに所定波長の光が用いられ、ＯＣＴ計測においては波長掃引が行われる。

図６に示す光学特性計測装置３００は、第１干渉光学系３１０および第２干渉光学系３３０を有する。なお、第１干渉光学系３１０と第２干渉光学系３３０は、一部の光学部材を共有している。また、光路長差制御部５０、変更量情報取得部６０、断層情報取得部７０、演算制御部８０およびユーザインターフェイス９０については、第１の実施形態と同様であるから、詳細な説明は省略する。

第１干渉光学系３１０について説明する。第１光源としての光源３１１から出力された光の光路は、ビームスプリッタ３１２により第１試料光路ＳＰ１と第１参照光路ＲＰ１とに分割される。ビームスプリッタ３１２は、たとえばハーフミラーである。

ビームスプリッタ１２により反射されて第１試料光路ＳＰ１に導かれた光（第１信号光）は、たとえばハーフミラーからなるビームスプリッタ３１３を透過し、対物レンズ３１４を介して試料Ｓに照射される。試料Ｓおよびステージ２を透過した第１信号光は、対物レンズ３１５を経由し、さらに反射ミラー３１６、３１７および３１８を経由してビームスプリッタ３２０に到達する。ビームスプリッタ３２０は、たとえばハーフミラーである。また、反射ミラー３１６、３１７および３１８、並びにビームスプリッタ３２０は、光路長差制御部５０によって一体的に移動される。

一方、ビームスプリッタ３１２を透過した光（第１参照光）は、たとえばハーフミラーからなるビームスプリッタ３１９により反射され、第１参照光路ＲＰ１を介してビームスプリッタ３２０に到達する。

第１試料光路ＳＰ１を経由した第１信号光と、第１参照光路ＲＰ１を経由した第１参照光は、ビームスプリッタ３２０によって干渉する。それにより得られる干渉光（第１干渉光）は、第１検出部３２１によって検出される。第１検出部３２１は、第１干渉光の強度を示す検出信号を出力する。

第２干渉光学系３３０について説明する。第２光源としての光源３１１から出力された光の光路は、ビームスプリッタ３１２により第２試料光路ＳＰ２と第２参照光路ＲＰ２とに分割される。

ビームスプリッタ３１２により反射されて第２試料光路ＳＰ２に導かれた光（第２信号光）は、ビームスプリッタ３１３を透過し、対物レンズ３１４を介して試料Ｓに照射される。試料Ｓによる第２信号光の後方散乱光（同じく第２信号光と呼ぶ）は、対物レンズ３１４を経由し、ビームスプリッタ３１３に反射され、反射ミラー３３１に反射され、ビームスプリッタ３３６に到達する。

一方、ビームスプリッタ３１２を透過した光（第２参照光）は、第２参照光路ＲＰ２を介してビームスプリッタ３３６に到達する。つまり、第２参照光は、ビームスプリッタ３１９を透過し、反射ミラー３３２、３３３、３３４および３３５に反射されて、ビームスプリッタ３３６に到達する。

第２試料光路ＳＰ２を経由した第２信号光と、第２参照光路ＲＰ２を経由した第２参照光は、ビームスプリッタ３３６によって干渉する。それにより得られる干渉光（第２干渉光）は、ＯＣＴ方式に応じた構成を有する第２検出部３３７によって検出される。

この実施形態の光学特性計測装置３００において、第１光源および前記第２光源は同一光源３１１である。そして、光学特性計測装置３００の第１干渉光学系３１０および第２干渉光学系３３０は、同一光源３１１から出力された光を第１試料光路ＳＰ１と第１参照光路ＲＰ１と第２試料光路ＳＰ２と第２参照光路ＲＰ２とに分割する分割光学系を含む。この分割光学系は、ビームスプリッタ３１２および３１９を含む。

このような構成によれば、単一の光源で双方の計測を行うことができるので、光学系の単純化を図りつつ試料Ｓの異常検出を高い確度で行うことが可能である。

なお、ＯＣＴ計測の方式に応じて次のような構成を適用することが可能である。スペクトラルドメイン方式やタイムドメイン方式の場合、低コヒーレントな広帯域光源が用いられるので、第２試料光路ＳＰ２と第２参照光路ＲＰ２の光路長が実質的に一致する位置でのみ干渉信号が得られる。よって、第３の実施形態で説明した光路長変更部（図示省略）を用いて第２試料光路ＳＰ２と第２参照光路ＲＰ２の光路長を一致させる処理を、計測前に行うように構成できる。

また、スウェプトソース方式の場合、可干渉距離が長い波長掃引光源を用いるので、第１光源と第２光源の共用化は容易である。しかし、固定波長で行われる位相差計測と、波長を掃引しつつ行われるＯＣＴ計測とを、同一光源で同時に行うことは困難である。したがって、位相差計測とＯＣＴ計測とを時分割で行うといった制御が必要である。この制御は、たとえば、一の計測点について固定波長での位相差計測と掃引波長でのＯＣＴ計測とを行う動作と、ステージ２を移動させて計測点を切り替える動作とを交互に繰り返すように制御を行うことが可能である。また、複数の計測点について位相差計測（またはＯＣＴ計測）を行った後に、これら計測点についてＯＣＴ計測（または位相差計測）を行うように制御するようにしてもよい。

〈第５の実施形態〉
この実施形態では、試料Ｓの上下両方向からＯＣＴ計測を行うよう構成された光学特性計測装置４００について説明する。

図７に示す光学特性計測装置４００は、第１干渉光学系４１０と、第２干渉光学系４３０と、第３干渉光学系４５０とを有する。

第１干渉光学系４１０について説明する。第１干渉光学系４１０は位相差計測に用いられる。第１光源４１１から出力された光の光路は、ビームスプリッタ４１２により第１試料光路ＳＰ１と第１参照光路ＲＰ１とに分割される。ビームスプリッタ４１２は、たとえばハーフミラーである。

ビームスプリッタ４１２を透過して第１試料光路ＳＰ１に導かれた光（第１信号光）は、たとえばダイクロイックミラーからなるビームスプリッタ４１３により反射される。さらに、第１信号光は、対物レンズ４１４を介して試料Ｓに照射される。試料Ｓおよびステージ２を透過した第１信号光は、対物レンズ４１５を経由し、ビームスプリッタ４１６を透過し、ビームスプリッタ４１７に到達する。ビームスプリッタ４１６および４１７は、たとえばダイクロイックミラーである。第１信号光は、ビームスプリッタ４１７に反射され、反射ミラー４１８および４１９を経由してビームスプリッタ４２０に到達する。ビームスプリッタ４２０は、たとえばハーフミラーである。光路長差制御部５０は、ビームスプリッタ４１７、反射ミラー４１８および４１９、並びにビームスプリッタ４２０を一体的に移動させることにより、第１試料光路ＳＰ１の光路長を変更する。

一方、ビームスプリッタ４１２により反射された光（第１参照光）は、第１参照光路ＲＰ１を介してビームスプリッタ４２０に到達する。

第１試料光路ＳＰ１を経由した第１信号光と、第１参照光路ＲＰ１を経由した第１参照光は、ビームスプリッタ４２０によって干渉する。それにより得られる干渉光（第１干渉光）は、第１検出部４２１によって検出される。第１検出部４２１は、第１干渉光の強度を示す検出信号を出力する。

第２干渉光学系４３０について説明する。第２干渉光学系４３０は、試料Ｓの上方（対物レンズ４１４側）からのＯＣＴ計測に用いられる。第２光源４３１から出力された光の光路は、ビームスプリッタ４３２により２分割される。ビームスプリッタ４３２は、たとえばハーフミラーである。なお、試料Ｓの上方からのＯＣＴ計測には、ビームスプリッタ４３２を透過した光が用いられる。一方、試料Ｓの下方からのＯＣＴ計測には、ビームスプリッタ４３２に反射された光が用いられる。

ビームスプリッタ４３２を透過した光は、ビームスプリッタ４３３により第２試料光路ＳＰ２と第２参照光路ＲＰ２とに分割される。ビームスプリッタ４３３は、たとえばハーフミラーである。

ビームスプリッタ４３３を透過して第２試料光路ＳＰ２に導かれた光（第２信号光）は、反射ミラー４３４により反射され、ビームスプリッタ４３５を透過し、ビームスプリッタ４１３を透過する。さらに、第２信号光は、対物レンズ４１４を介して試料Ｓに照射される。試料Ｓによる第２信号光の後方散乱光（同じく第２信号光と呼ぶ）は、対物レンズ４１４を経由し、ビームスプリッタ４１３を透過し、ビームスプリッタ４３５に反射され、反射ミラー４３６に反射され、ビームスプリッタ４４０に到達する。

一方、ビームスプリッタ４３３により反射された光（第２参照光）は、第２参照光路ＲＰ２に配置された反射ミラー４３７、４３８および４３９を介してビームスプリッタ４４０に到達する。

第２試料光路ＳＰ２を経由した第２信号光と、第２参照光路ＲＰ２を経由した第２参照光は、ビームスプリッタ４４０によって干渉する。それにより得られる干渉光（第２干渉光）は、第２検出部４４１によって検出される。第２検出部４４１は、ＯＣＴ方式に応じた構成を有する。

第３干渉光学系４５０について説明する。第３干渉光学系４５０は、試料Ｓの下方（対物レンズ４１５側）からのＯＣＴ計測に用いられる。第２光源４３１から出力されてビームスプリッタ４３２に反射された光の光路は、ビームスプリッタ４５１により第３試料光路ＳＰ３と第３参照光路ＲＰ３とに分割される。ビームスプリッタ４５１は、たとえばハーフミラーである。

ビームスプリッタ４５１に反射されて第３試料光路ＳＰ３に導かれた光（第３信号光）は、反射ミラー４５２により反射され、ビームスプリッタ４１７および４１３を透過する。さらに、第３信号光は、対物レンズ４１５を介して試料Ｓに照射される。試料Ｓによる第３信号光の後方散乱光（同じく第３信号光と呼ぶ）は、対物レンズ４１５を経由し、ビームスプリッタ４１６に反射され、反射ミラー４５３に反射され、ビームスプリッタ４５７に到達する。

一方、ビームスプリッタ４５１を透過した光（第３参照光）は、第３参照光路ＲＰ３に配置された反射ミラー４５４、４５５および４５６を介してビームスプリッタ４５７に到達する。

第３試料光路ＳＰ３を経由した第３信号光と、第３参照光路ＲＰ３を経由した第３参照光は、ビームスプリッタ４５７によって干渉する。それにより得られる干渉光（第３干渉光）は、第３検出部４５８によって検出される。第３検出部４５８は、第２検出部４４１と同様の構成を有する。

この実施形態の断層情報取得部７０は、第２検出部４４１による第２干渉光の検出結果に基づいて、試料Ｓの所定領域の断層情報（第１断層情報）を取得し、かつ、第３検出部４５８による第３干渉光の検出結果に基づいて、当該所定領域の断層情報（第２断層情報）を取得する。

この実施形態の演算制御部８０（屈折率分布取得部）は、変更量情報取得部６０により取得された変更量情報と、断層情報取得部７０により取得された第１断層情報および第２断層情報とに基づいて、試料Ｓの所定領域における屈折率分布を取得する。また、演算制御部８０は、取得された各種情報に基づいて試料の異常検出を行なう。

試料Ｓの上下両方向からＯＣＴ計測を行なうことにより、演算制御部８０は、次のような処理を行なうことが可能である。前述のように、演算制御部８０は、第１断層情報に基づいて、試料Ｓの上面の位置を求めることができる。この処理の例を以下に説明する。

試料Ｓの上面側の基準深度（第１基準深度）と、下面側の基準深度（第２基準深度）とはあらかじめ設定されているものとする。なお、第２基準深度は、試料Ｓの下面よりも下方に設定される。また、対物レンズ４１４と対物レンズ４１５との間の距離は、あらかじめ設定されている。第１基準深度は、たとえば対物レンズ４１４からの距離として、或いはステージ２に対する位置として設定される。第２基準深度についても同様に、たとえば対物レンズ４１５からの距離として、或いはステージ２に対する位置として設定される。

演算制御部８０は、第１断層情報に基づき、各計測点（各Ａライン）について、あらかじめ設定された第１基準深度に対する試料Ｓの上面の位置を求める。この処理は、たとえば、対物レンズ４１４と第１基準深度との間の距離と、図２に示す空間的距離Ｌｕとに基づいて行なうことができる。これにより、複数の計測点における試料Ｓの上面の位置が得られる。同様に、演算制御部８０は、第２断層情報に基づいて、複数の計測点における試料Ｓの下面の位置を求める。

対物レンズ４１４と対物レンズ４１５は同軸に配置されている。また、試料Ｓの上下両方向からのＯＣＴ計測は同時に実行可能である。よって、第１断層情報における複数の計測点と、第２断層情報における複数の計測点とを、一対一に対応付けることが可能である。演算制御部８０は、対応する計測点における試料Ｓの上面位置および下面位置に基づいて、そのＡラインにおける試料Ｓの厚みを求めることができる。それにより、ＯＣＴ計測が行われた領域における試料Ｓの厚み分布が得られる。この処理を実行する演算制御部８０は「厚み分布取得部」に相当する。演算制御部８０は、変更量情報取得部６０により取得された変更量情報（試料Ｓの光学特性を示す）と、試料Ｓの厚み分布（試料Ｓの形態・構造を示す）とに基づいて、試料Ｓの屈折率分布を取得することができる。

以上のように、この実施形態の光学特性計測装置４００は、次のような構成を有する。光学特性計測装置４００は、第２光源４３１から出力された光の光路を２分割するビームスプリッタ４３２（分割部材）を有する。

第２干渉光学系４３０は、ビームスプリッタ４３２により分割された一方の光路を、第２試料光路ＳＰ２と第２参照光路ＲＰ３とに分割する。

他方の光路は、第３干渉光学系４５０に寄与する。第３干渉光学系４５０は、ビームスプリッタ４３２により分割された他方の光路を、第３試料光路ＳＰ３と第３参照光路ＲＰ３とに分割する。さらに、第３干渉光学系４５０は、第３試料光路ＳＰ３を通過する第３信号光で、第２信号光とは反対の方向から試料Ｓをスキャンする。そして、第３干渉光学系４５０は、第３試料光路ＳＰ３を経由した第３信号光と、第３参照光路ＲＰ３を経由した第３参照光とを干渉させて第３干渉光を生成し、これを検出する。

断層情報取得部７０は、第２干渉光の検出結果に基づいて試料Ｓの所定領域の断層情報を取得し、かつ、第３干渉光の検出結果に基づいて当該所定領域の他の断層情報を取得する。演算制御部８０（屈折率分布取得部）は、光路長差制御部５０により取得された変更量情報と、断層情報取得部７０により取得された２つの断層情報とに基づいて、当該所定領域における屈折率分布を取得する。

なお、屈折率分布取得部としての演算制御部８０は、厚み分布取得部を含んでいてよい。厚み分布取得部は、断層情報取得部７０により取得された２つの断層情報に基づいて、試料Ｓの所定領域における厚み分布を取得する。さらに、演算制御部８０は、変更量情報と厚み分布とに基づいて屈折率分布を取得する。

このような実施形態によれば、試料Ｓの上面位置および下面位置、並びに試料Ｓの厚みを高い確度で取得することができるので、試料Ｓの異常検出を高い確度で行うことが可能である。

また、ステージ２が上下に揺動するなどして試料Ｓの位置が変動した場合であっても、試料Ｓの異常検出を高確度で行うことができる。

また、たとえば試料Ｓが厚い場合には、一方からのＯＣＴ計測では試料Ｓの上面から下面までの断層情報が得られず、よって試料Ｓの厚みを算出できない。しかし、この実施形態によれば、厚い試料Ｓの計測を行なう場合であっても、試料Ｓの厚みを求めることが可能である。

〈光学特性計測方法〉
上記実施形態に係る光学特性計測装置により、以下に説明する光学特性計測方法が実現される。

実施形態に係る光学特性計測方法は、第１検出ステップと、光路長差制御ステップと、変更量情報取得ステップと、第２検出ステップと、断層情報取得ステップと、屈折率分布取得ステップとを含む。

第１検出ステップは、第１光源から出力された光を第１信号光と第１参照光とに分割し、第１信号光で試料の所定領域をスキャンし、試料を経由した第１信号光と第１参照光とを干渉させて第１干渉光を生成し、生成された第１干渉光を検出することにより実行される。

光路長差制御ステップは、第１検出ステップによる第１干渉光の検出結果に基づいて、第１信号光の光路と第１参照光の光路との間の光路長差を変更することにより実行される。

変更量情報取得ステップは、光路長差制御ステップによる光路長差の変更量を示す変更量情報を取得することにより実行される。

第２検出ステップは、第２光源から出力された光を第２信号光と第２参照光とに分割し、第２信号光で試料の所定領域をスキャンし、試料を経由した第２信号光と第２参照光とを干渉させて第２干渉光を生成し、生成された第２干渉光を検出することにより実行される。

断層情報取得ステップは、第２検出ステップによる第２干渉光の検出結果に基づいて、試料の所定領域の断層情報を取得する。

屈折率分布取得ステップは、変更量情報取得ステップで取得された変更量情報と、断層情報取得ステップで取得された断層情報とに基づいて、試料の所定領域における屈折率分布を取得する。

この光学特性計測方法によれば、試料の光学特性計測および構造計測の双方の結果に基づいて、試料の異常検出を高い確度で行うことができる。

実施形態に係る光学特性計測方法は、上記実施形態で説明した任意の処理を実行するように構成されていてよい。たとえば、次の事項を光学特性計測方法に適用することができる：
・屈折率分布取得ステップにおける屈折率分布の取得方法；
・ステージおよび駆動部による試料のスキャン方法；
・ガルバノスキャナによる試料のスキャン方法；
・第２干渉光学系および断層情報取得部に適用されるＯＣＴ方式；
・ＯＣＴ計測において参照光路（第２参照光路）の光路長を変更する方法；
・光路長差制御ステップにおける処理方法；
・第１光源と第２光源とを同一光源にする場合の計測方法；
・試料の上下両方向からＯＣＴ計測を行なう方法。

〈変形例〉
以上に説明した構成は、この発明を好適に実施するための一例に過ぎない。よって、この発明の要旨の範囲内における任意の変形（省略、置換、付加等）を適宜に施すことが可能である。

上記実施形態で説明した構成を任意に組み合わせることが可能である。

光路長差制御部５０、変更量情報取得部６０、断層情報取得部７０および演算制御部８０は、プロセッサおよびコンピュータプログラムにより、またはハードウェア回路によって実現される。前者の場合、上記の実施形態を実現するためのコンピュータプログラムを、コンピュータによって読み取り可能な任意の記録媒体に記憶させることができる。この記録媒体としては、たとえば、半導体メモリ、光ディスク、光磁気ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ／ＤＶＤ−ＲＡＭ／ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＭＯ等）、磁気記憶媒体（ハードディスク／フロッピー（登録商標）ディスク／ＺＩＰ等）などを用いることが可能である。

また、インターネットやＬＡＮ等のネットワークを通じてこのコンピュータプログラムを送受信することも可能である。

１、１００、２００、３００、４００ 光学特性計測装置
２ ステージ
３ 駆動部
１０、３１０、４１０ 第１干渉光学系
１４、１５ 対物レンズ
３０、３３０、４３０ 第２干渉光学系
４１ ガルバノスキャナ
５０ 光路長差制御部
６０ 変更量情報取得部
７０ 断層情報取得部
８０ 演算制御部
９０ ユーザインターフェイス
４５０ 第３干渉光学系
ＳＰ１ 第１試料光路
ＲＰ１ 第１参照光路
ＳＰ２ 第２試料光路
ＲＰ２ 第２参照光路
ＳＰ３ 第３試料光路
ＲＰ３ 第３参照光路
Ｓ 試料

Claims (14)

1. 第１光源から出力された光の光路を第１試料光路と第１参照光路とに分割し、前記第１試料光路を通過する第１信号光で試料の所定領域をスキャンし、前記第１試料光路を経由した第１信号光と前記第１参照光路を経由した第１参照光とを干渉させて第１干渉光を生成し、生成された第１干渉光を検出する第１干渉光学系と、
   第１干渉光の検出結果に基づいて、前記第１試料光路と前記第１参照光路との間の光路長差を変更する光路長差制御部と、
   前記光路長差制御部による光路長差の変更量を示す変更量情報を取得する変更量情報取得部と、
   第２光源から出力された光の光路を第２試料光路と第２参照光路とに分割し、前記第２試料光路を通過する第２信号光で前記所定領域をスキャンし、前記第２試料光路を経由した第２信号光と前記第２参照光路を経由した第２参照光とを干渉させて第２干渉光を生成し、生成された第２干渉光を検出する第２干渉光学系と、
   第２干渉光の検出結果に基づいて前記所定領域の断層情報を取得する断層情報取得部と、
   前記変更量情報取得部により取得された変更量情報と、前記断層情報取得部により取得された断層情報とに基づいて、前記所定領域における屈折率分布を取得する屈折率分布取得部と
   を有する光学特性計測装置。
2. 前記屈折率分布取得部は、前記スキャンにより計測が行われる前記所定領域内の各計測点について、
   前記変更量情報に基づいて、当該計測点における前記試料の厚み方向の光学的距離を算出し、
   前記断層情報に基づいて、当該計測点における前記試料の厚み方向の空間的距離を算出し、
   前記光学的距離を前記空間的距離で除算することにより、当該計測点における前記試料の屈折率を取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測装置。
3. 前記第１試料光路と前記第２試料光路とを合成する合成部材と、
   前記合成部材と前記試料との間に設けられた対物レンズと
   を有し、
   前記第１干渉光学系は、前記対物レンズを介して第１信号光を前記試料に照射し、
   前記第２干渉光学系は、前記対物レンズを介して第２信号光を前記試料に照射する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学特性計測装置。
4. 前記試料が載置される載置部と、
   前記第１試料光路の光軸および前記第２試料光路の光軸に対して実質的に直交する方向に前記載置部を移動させることで前記スキャンを行う駆動部と
   を有する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
5. 前記第２試料光路に設けられ、前記試料に向かう第２信号光を偏向することで前記スキャンを行う偏向光学系を有する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
6. 前記第２光源は波長掃引光源であり、
   前記断層情報取得部は、前記波長掃引光源による波長の掃引に伴い前記第２干渉光学系により得られた第２干渉光の検出結果に基づいて前記断層情報を取得する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
7. 前記第２光源は広帯域光源であり、
   前記第２干渉光学系は、第２干渉光のスペクトルを検出する分光器を含み、
   前記断層情報取得部は、前記分光器によるスペクトルの検出結果に基づいて前記断層情報を取得する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
8. 前記第２光源は広帯域光源であり、
   前記第２干渉光学系は、前記第２参照光路の光路長を変調する光路長変調部を含み、
   前記断層情報取得部は、前記光路長の変調に伴い前記第２干渉光学系により得られた第２干渉光の検出結果に基づいて前記断層情報を取得する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
9. 前記第２干渉光学系は、前記第２参照光路の光路長を変更する光路長変更部を含む
   ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
10. 前記第１光源および前記第２光源は同一光源であり、
    前記第１干渉光学系および前記第２干渉光学系は、前記同一光源から出力された光を前記第１試料光路と前記第１参照光路と前記第２試料光路と前記第２参照光路とに分割する分割光学系を含む
    ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
11. 前記第２光源から出力された光の光路を２分割する分割部材を有し、
    前記第２干渉光学系は、前記分割部材により分割された一方の光路を前記第２試料光路と前記第２参照光路とに分割し、
    前記分割部材により分割された他方の光路を第３試料光路と第３参照光路とに分割し、前記第３試料光路を通過する第３信号光で前記第２信号光とは反対の方向から前記所定領域をスキャンし、前記第３試料光路を経由した第３信号光と前記第３参照光路を経由した第３参照光とを干渉させて第３干渉光を生成し、生成された第３干渉光を検出する第３干渉光学系を有し、
    前記断層情報取得部は、第３干渉光の検出結果に基づいて前記所定領域の他の断層情報を取得し、
    前記屈折率分布取得部は、前記変更量情報と前記断層情報と前記他の断層情報とに基づいて、前記屈折率分布を取得する
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
12. 前記屈折率分布取得部は、
    前記断層情報取得部により取得された前記断層情報および前記他の断層情報に基づいて前記所定領域における厚み分布を取得する厚み分布取得部を含み、
    前記変更量情報と前記厚み分布とに基づいて前記屈折率分布を取得する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光学特性計測装置。
13. 前記光路長差制御部は、前記第１干渉光学系により検出される前記第１干渉光の強度が所定値となるように前記光路長差の変更を行う
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
14. 第１光源から出力された光を第１信号光と第１参照光とに分割し、第１信号光で試料の所定領域をスキャンし、前記試料を経由した第１信号光と第１参照光とを干渉させて第１干渉光を生成し、生成された第１干渉光を検出する第１検出ステップと、
    第１干渉光の検出結果に基づいて、第１信号光の光路と第１参照光の光路との間の光路長差を変更する光路長差制御ステップと、
    前記光路長差制御ステップによる光路長差の変更量を示す変更量情報を取得する変更量情報取得ステップと、
    第２光源から出力された光を第２信号光と第２参照光とに分割し、第２信号光で前記所定領域をスキャンし、前記試料を経由した第２信号光と第２参照光とを干渉させて第２干渉光を生成し、生成された第２干渉光を検出する第２検出ステップと、
    第２干渉光の検出結果に基づいて前記所定領域の断層情報を取得する断層情報取得ステップと、
    前記変更量情報取得ステップで取得された変更量情報と、前記断層情報取得ステップで取得された断層情報とに基づいて、前記所定領域における屈折率分布を取得する屈折率分布取得ステップと
    を含む光学特性計測方法。

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