JP6100408B1 - 光学的距離計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】面内外において高さや屈折率分布に対する分解能が高く、また、通常の結像光学系では取得不可能な細胞等の厚みを持った生体試料の３次元的な情報を生きた状態でリアルタイムに得ることのできる光学的距離計測装置を提供する。【解決手段】レーザー光源２１、コリメーターレンズ２２、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２７が並んで配置される。ビームスプリッタ２７の隣に瞳伝達レンズ系３０が位置し、対物レンズ３１が測定対象物Ｇ１と対向する。ビームスプリッタ２７の左隣にビームスプリッタ１０があり、さらにビームスプリッタ１１、１２及び偏光子１〜４を介して、４つの受光素子群５〜８が配置される。受光素子群５〜８に測定対象物Ｇ１より反射した光が受光されこれらからの信号による情報を信号比較器３３が得る。【選択図】図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を極めて高い分解能で実現させる光学的距離計測装置に関し、顕微鏡等の光学機器の分解能を向上させる装置や測定対象物の偏光度を測定する装置に好適なものである。

従来の光学的顕微鏡では、３次元の計測が困難であることに加え、回折限界以下の測定対象物を観測したり計測したりすることが出来なかった。これに代わるものとして、走査型電子顕微鏡やプローブ顕微鏡（STM,AFM,NFOS等）、共焦点顕微鏡等の装置が開発され、多くの分野で使われている。

この走査型電子顕微鏡は、走査電子プローブとしてきわめて細いビームを用いているので、分解能が高く、焦点深度が光学顕微鏡に比べて著しく大きい。しかしながら、細胞のように導電性の低い測定対象物の観測には、測定対象物である試料に導電性のよい白金パラジウムや金をコートする必要性がある。このため、細胞自体の破損を伴うことが多く、当然のことながら生きたままの細胞を観測、計測することは、不可能であった。

また、プローブ顕微鏡は、測定対象物に対して近接して配置されたプローブをさらに接近させ、原子間力やトンネル電流、光近接場等を利用して、測定対象物との距離を計測するものである。しかしながら、プローブを高速に移動させることは困難であり、かつ、測定対象物との距離が非常に近いので取り扱いが難しく、さらに２次元的な情報を取得するまでに時間が膨大に必要であった。

一方、共焦点顕微鏡は、測定対象物にスポットを照射しそのスポット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するものである。ところが、共焦点顕微鏡では、基本的にスポット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た。

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。

この一方、顕微鏡を用いて、距離や厚みを高精度に測定したり、微少なものを高精度に測定したり観察したりする手段の一つとしては、へテロダイン干渉法がよく知られている。ここでは、光を用いた光ヘテロダイン法について述べるが、他の電磁波においても同様な考え方で実施されている。この光ヘテロダイン法は、周波数の異なる２つのレーザー光を干渉させて、その差の周波数のビート信号を作成し、このビート信号の位相変化を波長の1/500程度の分解能で検出するものである。つまり、この光ヘテロダイン法によれば、３次元的な情報である表面の高さ方向の変化を計測しつつ測定対象物までの距離を測定したり、被測定物自体の厚み等を測定や観察したりできる。
また、細胞等を無染色にて観察する一つの手段として微分干渉顕微鏡が知られているが、この微分干渉顕微鏡は、屈折率のわずかに異なる測定対象物を観察するのに適しているが、光学的距離を可視化することはできない。また、この微分干渉顕微鏡は、原理的にウォーラストンプリズムを用い２つの異なる偏光をわずかにずらせることにより測定対象物の微分画像を得ている。このために、測定対象物が複屈折性を有するようなもの、例えば、細胞のようなタンパク質を含むようなものに対しては、方向依存性が生じるとともに、偏光面がかく乱されるために、得られた情報が偽の情報となりやすい。

特開昭５９−２１４７０６号公報

上記した特許文献１の特開昭５９−２１４７０６号公報には、音響光学素子を用いて異なる波長からなる２つのビームを隣接して発生させ、これら２ビーム間の位相変化を検出し、その位相変化を累積して表面プロファイルを得る方法が開示されている。ただし、この特許文献１は、ビームプロファイルよりも僅かに大きく２つのビームを近接させ、２つのビームプロファイル内の平均的な位相差をヘテロダイン検波で検出して、順次積分することにより、凹凸情報を得るものであった。

従って、この特許文献１によれば、半導体ウェハーのようなフラットであることが前提となるような測定対象物に対して、その凸凹情報を計測することは出来たが、ビームプロファイル内の情報を引き出すことはできなかった。このため、面内であるビームプロファイル内の分解能を高くすることは出来なかった。

以上より、従来の顕微鏡等の技術では、面内であるビームプロファイル内の分解能を高くすることが出来ないだけでなく、細胞等の厚みを持った生体試料を破損することなく生きた状態のままでリアルタイムに３次元的な情報を観測、計測することはできなかった。また、生体が有する複屈折に係る情報を、３次元的な情報とともに取得することはできなかった。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、面内外において高さや屈折率分布に対する分解能が高く、また、通常の結像光学系では取得不可能な細胞等の厚みを持った生体試料の３次元的な情報を生きた状態でリアルタイムに得ることができるだけでなく、同時に測定対象物の複屈折性に係る情報を取得することのできる光学的距離計測装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る光学的距離計測装置は、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相互に異なる２方向にそれぞれ走査させる２次元走査素子と、
測定対象物を経由した照射光を相互に異なる４つの偏光軸に沿ってそれぞれ偏光しつつ分離する偏光光学部材と、
４つに分離された照射光をそれぞれ受光して光電変換する４つの受光素子と、
各受光素子からの信号相互間の状態から測定対象物の情報を得ると共に、この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。

請求項１に係る光学的距離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、２次元走査素子がこの照射光を相互に異なる２方向にそれぞれ走査させて走査ビームとして測定対象物に送る。さらに、偏光光学部材が、測定対象物を経由した照射光を相互に異なる４つの偏光軸に沿ってそれぞれ偏光しつつ分離し、４つに分離された照射光を４つの受光素子がそれぞれ受光して光電変換する。そして、各受光素子で光電変換された信号相互間の状態から、計測部が測定対象物の情報を得るのに伴い、この情報に基づき光学的距離等の計測値を得ることができる。

従って、本発明によれば、上記の偏光状態の検出系が存在することで、これらの検出系からのデータにより細胞等の測定対象物内の光学的距離を計測できるだけでなく、同時に照射されている照射光に対する偏光状態の変化を計測することができる。このために、染色することなく複屈折性を有する細胞内の構造解析や複屈折物体の３次元配向の計測等をリアルタイムに行える。

以上の結果として、本発明が適用された顕微鏡では、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、測定対象物についての高さや屈折率分布などの光学的距離を測定可能となる。このため、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。つまり、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、細胞や微小生物等を生きたままかつ蛍光着色せず高い分解能で高速度に簡単な装置により可視化して、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。

また、請求項２のように、測定対象物からの照射光を受けて無偏光で２つに分離する分離素子及び、第１偏光素子と第２偏光素子による２組の偏光素子により、請求項１の偏光光学部材を構成しても良い。これに伴い、分離素子により分離された一方の照射光を第１偏光素子が、相互に直交する偏光として分離しつつ透過させることができる。また、分離素子により分離された他方の照射光を第２偏光素子が、第１偏光素子により分離された偏光に対して４５°の角度を相違させて、相互に直交する偏光として分離しつつ透過させることができる。
このようにすれば、結果として相互に４５°の角度ずつ相違する４つの偏光軸が存在することになり、測定対象物を経由した照射光の偏光状態をより正確に検出可能となる。

他方、請求項３のように、２組の偏光素子が、照射光を無偏光で２つに分離する分離用ビームスプリッタ及び、該分離用ビームスプリッタにより分離された各照射光を相互に異ならせた偏光状態でそれぞれ透過させる２つの偏光子とそれぞれすることとしても良い。このようにすれば、単に偏光子の偏光軸を変更するのみの簡易な操作により、必要なデータを簡単に得ることが可能となる。

また、請求項４のように、計測部が、４つの受光素子によりそれぞれ取得された信号を処理して楕円偏光の長径、短径及び傾き角の値を得て、これらの値から測定対象物についての計測値を得ることとしても良い。このようにすれば、楕円偏光の状態が具体的に楕円形状として把握できるのに伴い、この楕円偏光の情報より、偏光軸において検出された光学的距離と上記した楕円偏光の情報により複屈折率を導出することができる。このように、光学的距離を偏光軸で導出し、少なくとも３つの偏光軸にて楕円偏光状態を検出することで、光学的距離、複屈折率、偏光情報等を同時に計測することができる。

一方、請求項５のように、光源からの照射光の電界振動方向にπ/2の位相差を与える１／４波長板を測定対象物の前に配置して、測定対象物に円偏光した照射光を照射することとしても良い。このようにすれば、光源による直線偏光の照射光の替わりに１／４波長板により円偏光の照射光を作り出せ、この円偏光を測定対象物に照射することで楕円偏光状態を簡易に作り出せるようになる。

さらに、請求項６のように、受光素子が、照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線として何れかの片側にずれて位置しつつ、測定対象物を経由した照射光を受光することとしても良い。このようにすれば、１つの受光素子でも確実に照射光から十分なデータが得られることになる。なお、境界線とした何れかの片側にずれて受光素子が位置することとしたのは、受光素子が光軸の中央に位置した場合には、境界線を挟んで位相が逆転するのに合わせて、照射光から十分なデータを得がたくなるからである。

他方、請求項７のように、受光素子が境界線を挟んで２つ存在し、照射光をこれら２つの受光素子がそれぞれ受光することとしても良い。このように光軸の片側の領域に存在する１つの受光素子及び、この領域と逆側の領域に存在するもう１つの受光素子によって、位相が相互に反転した量として走査ビームをそれぞれ受光できる。これに伴って、これらの受光素子により、走査ビームの位相差から光学的距離を簡単に検出することができる。このため、両方の受光素子でそれぞれ位相差を独立して検出した後に、計測部で平均値を算出すれば、ノイズ等の影響を軽減してより高精度なデータを得ることもできる。

さらに、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９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。

上記に示したように、本発明の光学的距離計測装置は、コヒーレントな照射光が光源から照射されると共に、測定対象物を経由した照射光を相互に異なる４つの偏光軸に沿ってそれぞれ偏光しつつ分離して４つの受光素子でそれぞれ受光して光電変換する。従って、該受光素子で光電変換された信号相互間の状態から、計測部が測定対象物の情報を得るのに伴い、定量的な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。

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例１とされる反射光学系の装置のブロック図である。 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。 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例２に係る反射光学系の装置を示すブロック図である。 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例３に係る透過光学系の装置を示すブロック図である。 受光素子群で検出される光強度と楕円偏光との関係を示すグラフを表す図である。 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例４の構成を示す概略図である。 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例５の構成を示す概略図である。 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例６の構成を示す概略図である。 本発明に係る光学的距離計測装置の実施例７の構成を示す概略図である。

以下に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例１から実施例７を各図面に基づき、詳細に説明する。

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例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。

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、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、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が配置されている。従って、本実施例では、レーザー光源２１から出射された直線偏光のレーザー光が、コリメーターレンズ２２により平行光とされる。

また、この音響光学素子２３に続いて、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無偏光のビームスプリッタ２７が、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。さらに、ビームスプリッタ２７の下側に隣り合って、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、レーザー光源２１から出射された照射光は、コリメーターレンズ２２により平行光となり、ＡＯＤドライバー２４からの電気信号により音響光学素子２３が照射光に変調を与える。この時の変調をＤＳＢ変調にした場合、周波数の相互に隣接した２つのビームを作成することができる。これに伴い、音響光学素子２３によりビーム対とされたレーザー光が光軸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。

そして、レーザー光源２１からの直線偏光の照射光が対物レンズ３１を経て測定対象物Ｇ１に照射され、測定対象物Ｇ１でこの照射光は反射される。この際、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２７の順で戻って平行光となる。

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無偏光のビームスプリッタ２７の隣の位置には、測定対象物Ｇ１で反射した回折光を２つの方向に分けるための分離素子である無偏光のビームスプリッタ１０が位置している。これに伴いビームスプリッタ２７で反射して、本来の光軸Ｌに対して直交する反射光の光軸Ｌに沿ってビームスプリッタ１０にこの反射光が入射される。

また、このビームスプリッタ１０の図１の左側には同じく無偏光のビームスプリッタ１１が位置しており、このビームスプリッタ１１の左側には偏光子１及び受光素子群５が連続して配置されていて、同じくビームスプリッタ１１の下側には偏光子２及び受光素子群６が連続して配置されている。但し、これら偏光子１と偏光子２とは相互に直交する偏光軸を有している。従って、ビームスプリッタ１１で分離された光は、相互に直交する偏光軸を有する２つの偏光子である偏光子１と偏光子２を介して、偏光軸を直交させた光が受光素子群５と受光素子群６にそれぞれ入射される。

さらに、このビームスプリッタ１０の図１の上側には、無偏光のビームスプリッタ１２が位置しており、このビームスプリッタ１２の左側には偏光子３及び受光素子群７が連続して配置されていて、同じくビームスプリッタ１２の上側には偏光子４及び受光素子群８が連続して配置されている。但し、これら偏光子３と偏光子４とは相互に直交する偏光軸を有している。従って、ビームスプリッタ１２で分離された光は、相互に直交する偏光軸を有する２つの偏光子である偏光子３と偏光子４を介して、偏光軸を直交させた光が受光素子群７と受光素子群８にそれぞれ入射される。

以上より、偏光子１の偏光軸と偏光子２の偏光軸は相互に９０度相違した向きとなっており、偏光子３の偏光軸と偏光子４の偏光軸も相互に偏光軸は９０度相違した向きとなっている。但し、偏光子１の偏光軸と偏光子３の偏光軸とが相互に４５度を有するように、これらを配置するものとする。なおここで、ビームスプリッタ１１、１２が分離用ビームスプリッタとされ、ビームスプリッタ１１および偏光子１、２が第１偏光素子とされ、ビームスプリッタ１２および偏光子３、４が第２偏光素子とされる。

具体的には、測定対象物Ｇ１が複屈折性や旋光性を有する物体の場合、照射された照射光の偏光状態が測定対象物Ｇ１で変化を受けつつ反射され、対物レンズ３１、瞳伝達レンズ系３０を経てビームスプリッタ２７に戻り、このビームスプリッタ２７でビームスプリッタ１０側に反射される。また、この反射された光は、ビームスプリッタ１０により２つの方向に分けられ、それぞれがさらにビームスプリッタ１１とビームスプリッタ１２により計４つに分けられる。

これに伴って、ビームスプリッタ１１で分離された光は、相互に直交する偏光軸を有する偏光子１と偏光子２を介して、それぞれ受光素子群５と受光素子群６に入射され、受光素子群５で強度I1の光を検出し、受光素子群６で強度I2を検出する。同様に、ビームスプリッタ１２で分離された光は、相互に直交する偏光軸を有する偏光子３と偏光子４を介して、それぞれ受光素子群７と受光素子群８に入射され、受光素子群７で強度I3の光を検出し、受光素子群８で強度I4を検出する。

尚、これら各受光素子群５〜８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つの光センサである受光素子５Ａ〜８Ａ、５Ｂ〜８Ｂにより構成されている。但し、この内の受光素子群５を例として挙げれば、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５Ａ、５Ｂ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５Ａが位置し、これと境界線Ｓの反対側にずれて受光素子５Ｂ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５Ａ、５Ｂが受光する。

さらに、各受光素子５Ａ、５Ｂ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５Ａ、５Ｂ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。また、この各受光素子５Ａ、５Ｂは、信号比較器３３にそれぞれ接続されるのに伴って、信号比較器３３が各受光素子５Ａ、５Ｂからの信号により、各偏光軸の強度情報や測定対象物Ｇ１の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。

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。

この一方、音響光学素子２３にはＡＯＤドライバー２４より、sin(2πfct)sin(2πfmt)のようなＤＳＢ変調信号が変調信号として加えられる。この様な変調を行うと、fc+fmとfc-fmの２つの周波数変調が加えられたことになる音響光学素子２３は、ブラッグ回折格子のピッチdに相当する音波の粗密波を発生する。すなわち、超音波の速度をVa、印加する周波数をfとすると、d=Va/fとなる。具体的には、この粗密波により、音響光学素子２３に入射されたレーザー光は、±１次回折光に分離され、各々の回折光は周波数fc±fmの周波数で変調される。

ここで、音響光学素子２３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２７に送られるが、このビームスプリッタ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。

次に、無偏光のビームスプリッタ１０〜１２及び偏光子１〜４を介して偏光された光を受光する各受光素子群５〜８に関して説明する。
各受光素子群５〜８に関しては、それぞれ両方の受光素子５Ａ〜８Ａ、５Ｂ〜８Ｂでそれぞれ受光して光電変換することもできる。但し、上記と同様に受光素子群５を例として説明が、図２に示す光軸Ｌを通る境界線Ｓを境界とした２分割受光領域の片側に位置する受光素子のみでも、各偏光軸の強度情報や位相ずれの情報である位相情報を検出できることが、本実施例の一つの特徴である。

このように２分割受光領域の片側のみでも各偏光軸の強度情報や位相情報を検出できる理由としては、図２に示す対物レンズ３１の光軸Ｌ方向に対して略垂直な方向を境界線Ｓとし、この境界線Ｓで区分けされた片側にある一方の受光素子５Ａのみでも十分に強度情報や位相情報を検出でき、または、他の片側にある他方の受光素子５Ｂのみでも同じく十分に位相情報を検出できるからである。もちろん、両方の受光素子５Ａ、５Ｂで情報を同時に検出することもできる。

ただし、測定対象物Ｇ１から回折されて各々の受光素子５Ａ、５Ｂに到達する光の位相は、光軸Ｌを境界とする受光素子５Ａ、５Ｂ間で逆相になる。従って、受光素子５Ａ、５Ｂで光電変換された相互に逆相の各々の位相情報の信号に基づいて信号比較器３３が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Ｇ１のプロフィル等の光学的距離の計測値を得ることになる。

つまり、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により、各偏光軸の強度情報や測定対象物Ｇ１の位相情報を各受光素子群５〜８から信号比較器３３が得て、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にこの強度情報や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でこの強度情報や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の表面についてのプロファイル情報等の計測値を簡単に導くことができる。

以上より、本実施例によれば、面内の分解能が高く、しかも面外において高さや屈折率分布に対する分解能が高く、また、通常の結像光学系では取得不可能な細胞等の厚みを持った生体試料の３次元的な情報を生きた状態でリアルタイムに得ることのできる光学的距離計測装置が提供されるようになる。

これに伴って、このような本光学系を用いれば、２次元走査を行うたびに３次元計測データを取得することが可能となる。このため、本光学系によれば、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、計測することができる。従って、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。

他方、本実施例において偏光状態を検出するために少なくとも３つの無偏光のビームスプリッタ１０〜１２と４つの偏光子１〜４を採用したが、これらの替わりに相互に角度を相違させた複数の偏光ビームスプリッタを配置することで、無偏光のビームスプリッタ及び偏光子を採用した場合と同様な計測が可能になる。尚、ビームスプリッタ１１、１２自体を偏光ビームスプリッタに替えた場合、偏光子は不要になる。特に偏光ビームスプリッタを採用した場合には、相互に直交する偏光状態を作り出すことができるので、偏光ビームスプリッタを２組用意し、一方の組の偏光ビームスプリッタを他方の組の偏光ビームスプリッタに対して４５°回転させることで、効率よく偏光状態の計測が行える。

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。

また、一つの２次元走査デバイス２６の替わりに、２つの独立した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。

尚、本実施例においては、相互に近接した２つの照射光によるＤＳＢ変調を採用したので、受光素子で検出する場合はヘテロダイン検波となるが、単一周波数変調としても良く、この場合には一つの照射光の検波となる。また、本実施例の場合、照射光は測定対象物Ｇ１に直線偏光で照射され、ビームスプリッタ２７で反射された光は直線偏光主体となる。ここで、「主体」とは、測定対象物Ｇ１により偏光面が回転するものの、大きく変化することは少ないので、照射した偏光状態がわずかに変化するという意味である。

次に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例２を以下に図３を参照しつつ説明する。本実施例も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３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。主要な光学系は前記した装置と同じなので説明を割愛するが、本実施例では、光学系の途中で平行光束となる部位である瞳伝達レンズ系２５と２次元走査デバイス２６との間に１／４波長板１４を配置し、この１／４波長板１４によりレーザー光源２１よりのレーザー光である照射光を円偏光としている。なお、本実施例においては、音響光学素子２３及びＡＯＤドライバー２４は必要としない。

従って、本実施例では、測定対象物Ｇ１には円偏光のレーザー光である照射光が照射される。ただし、測定対象物Ｇ１が複屈折性や旋光性を有する物体の場合、この測定対象物Ｇ１が有する複屈折性や旋光性により照射された偏光状態が変化を受けて楕円偏光として反射され、対物レンズ３１、瞳伝達レンズ系３０を経てビームスプリッタ２７まで戻る。そして、このビームスプリッタ２７にて実施例１と同様にビームスプリッタ１０側に反射される。

この結果として、ビームスプリッタ１１、１２及び偏光子１〜４を介して、受光素子群５〜８においては楕円偏光として回折光が実施例１と同様に検出される。尚、瞳伝達レンズ系２５と２次元走査デバイス２６との間に１／４波長板１４を配置する替わりに、光学系の途中で平行光束となる部位である対物レンズ３１の手前の部分とされる瞳伝達レンズ系２５と対物レンズ３１との間に、この１／４波長板１４を配置しても良い。

以上より、本実施例も実施例１と同様に、面内の分解能が高く、しかも面外において高さや屈折率分布に対する分解能が高く、また、通常の結像光学系では取得不可能な細胞等の厚みを持った生体試料の３次元的な情報を生きた状態でリアルタイムに得ることのできる光学的距離計測装置が提供されるようになる。

尚、本実施例においては、半導体レーザーであるレーザー光源２１からのレーザー光が直接変調となっていることから、当然に単一周波数変調となる。また、１／４波長板１４はレーザー光源２１寄りの位置となる瞳伝達レンズ系２５と２次元走査デバイス２６との間に配置されていることから、測定対象物Ｇ１に円偏光で照射され、ビームスプリッタ２７で反射された光は円偏光主体となる。

次に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例３を以下に図４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４は、本実施例に係る透過光学系の装置の構成を示すブロック図である。主要な光学系は前記した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及び実施例２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。

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と反対側における光軸Ｌの延長線上の位置に、測定対象物Ｇ２を透過した光を平行光とするレンズ１３及びビームスプリッタ１０が連続して配置されている。このため、対物レンズ３１にて集光された光は測定対象物Ｇ２を透過して、レンズ１３により平行光束になる。ビームスプリッタ１０以降に、実施例１の反射光学系の装置で使用したビームスプリッタ１１、１２及び偏光子１〜４を位置関係が相違するものの同様に配置することで、実施例１及び実施例２の反射光学系の装置と同様に動作する。

具体的には、ビームスプリッタ１０の下側にビームスプリッタ１１が位置しており、このビームスプリッタ１１の下側には偏光子１及び受光素子群５が連続して配置されていて、同じくビームスプリッタ１１の左側には偏光子２及び受光素子群６が連続して配置されている。さらに、ビームスプリッタ１０の図４の左側にビームスプリッタ１２が位置しており、このビームスプリッタ１２の左側には偏光子３及び受光素子群７が連続して配置されていて、同じくビームスプリッタ１２の上側には偏光子４及び受光素子群８が連続して配置されている。

また、入射系の平行光束になる部分とされる対物レンズ３１の手前の部分とされる瞳伝達レンズ系２５と対物レンズ３１との間に、１／４波長板１４が配置されている。このようにすれば実施例２と同様に測定対象物Ｇ２に円偏光状態のレーザー光が照射される。これに伴い、本実施例においても音響光学素子２３及びＡＯＤドライバー２４は存在していない。

特に、通常の顕微鏡のように対物レンズ３１の直前にポートを用意し、１／４波長板１４を着脱可能に挿入できるように切替機構を設けておくことが考えられる。このようにすれば、ポートに対しての１／４波長板１４の着脱切り替えにより、直線偏光のレーザー光の入射と円偏光のレーザー光の入射の場合とで、測定対象物Ｇ２の偏光状態による変化をさらに詳細に解析可能ともなる。

なお、図３に示す実施例２の反射光学系の装置でも同様に、対物レンズ３１の手前の部分に１／４波長板１４を配置すれば、同様に切替機構を設けることで、この１／４波長板１４を着脱可能にできる。他方、本実施例でも図３に示すように２次元走査デバイス２６と瞳伝達レンズ系３０の間に１／４波長板１４を配置しても良い。

他方、本実施例においても偏光状態を検出するために少なくとも３つの無偏光のビームスプリッタ１０〜１２と４つの偏光子１〜４を採用したが、実施例１と同様にこれらの替わりに相互に角度を相違させた複数の偏光ビームスプリッタを配置することで、無偏光のビームスプリッタ及び偏光子を採用した場合と同様な計測が可能になる。また、実施例１と同様に本実施例においても受光素子群５〜８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、それぞれ２つの受光素子により構成されている。

従って、実施例１と同様に、受光素子群５〜８を構成する受光素子５Ａ〜８Ａ、５Ｂ〜８Ｂでそれぞれ光電変換された偏光軸の強度情報だけで無く位相情報が得られる。そして、この位相情報の信号により、信号比較器３３が測定対象物Ｇ２の位相情報を得ることになる。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の計測値を得ることができる。この結果として、本実施例によっても、実効上分解能が高く空間周波数の欠損のない光学的距離計測装置が提供されるようになる。

特に、本実施例のように透過光学系の装置では、実施例１及び実施例２と同様な作用効果を奏するだけでなく、無染色、非侵襲で生きたままの細胞の状態変化をリアルタイムに観察できるので、ｉＰＳ、ＥＳ細胞の正常かどう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。

尚、本実施例においては、レーザー光源２１からのレーザー光が直接変調となっていることから、当然に単一周波数変調となる。また、１／４波長板１４は対物レンズ３１の手前の部分とされる瞳伝達レンズ系２５と対物レンズ３１との間に配置されていることから、測定対象物Ｇ２に円偏光で照射され、レンズを透過した光は円偏光主体となる。

次に、前記した実施例１〜３において光学的距離、複屈折率、偏光情報等を同時に計測できる理由を以下に説明する。
直線偏光、もしくは１／４波長板１４により円偏光となったレーザー光が、測定対象物Ｇ１、Ｇ２によりビームスプリッタ１１、１２及び各々の偏光軸を有する偏光子１〜４を経て、受光素子群５〜８にて強度I1,I2,I3,I4の光を得ることになる。この時における受光素子群５〜８で検出される光の強度と楕円偏光との関係を図５に示すグラフを参照しつつ説明する。

図５に示す軸Exを偏光子１の偏光軸とし、同じく軸Eyを偏光子２の偏光軸とすることで、光の電場ベクトルを設定する。この際、測定対象物Ｇ１、Ｇ２による偏光は一般的に楕円偏光となる。この楕円偏光を図５に表す楕円Ｄとした場合、この楕円Ｄの長軸Ｔに沿った長径をaとし、これと直交する短径をbとするのに伴い、軸Exに対する楕円Ｄの長軸Ｔの傾き角θを下記（１）式のように表すことができる。

ここで、受光素子群５で検出される強度I1は、軸Ey方向において０の値なので下記（２）式で求まる。同様に受光素子群６で検出される強度I2は、軸Ex方向において０の値なので下記（３）式で求まる。

一方、軸Ey及び軸Exに対して４５°傾いた傾斜軸Sx、 Syでは簡単な変形より、受光素子群７で検出される強度I3の値が下記（４）式で求まる。同様に受光素子群８で検出される強度I4の値が下記（５）式で求まる。ここで、軸Exに対して４５°傾いた傾斜軸である偏光子３の偏光軸をSxとし、同様に軸Eyに対して４５°傾いた傾斜軸である偏光子４の偏光軸をSyとする。

これらの式から、（２）式＋（３）式の左辺の値に対して（４）式＋（５）式の左辺の値は、２倍となるため、（２）式から（５）式のうち独立な方程式は３つとなる。したがって、上記式より、a,b,θの３変数が独立に求められる。これら３変数a,b,θの式を記述すると下記のようになる。なおここで、β＝cosθとする。また、強度I1と強度I2の値により、２つの値がそれぞれ求まるので、大きい値を長径aとし、小さい値を短径bとする。また、下記の３変数a,b,θの式においては、I2>I1とした場合を示してあるが、I2<I1の場合には、ｂが長径を表し、aが短径を表すことになる。

次に、上記光学系において、１／４波長板１４を瞳伝達レンズ系２５と２次元走査デバイス２６との間に挿入した場合を考える。
測定対象物Ｇ１、Ｇ２には円偏光のレーザー光が照射されるが、測定対象物Ｇ１、Ｇ２が有する複屈折性により受光素子群５〜８上では、楕円偏光として上記と同様に検出される。複屈折による楕円偏光の長径方向の位相をδa、短径方向の位相をδbとすると、位相差δは下記式により求まる。
δ=δa−δb=２π/λ d(na-nb)
ここで、dは測定対象物Ｇ１、Ｇ２の厚み、naは長径方向の屈折率、nbは短径方向の屈折率をそれぞれ表す。楕円偏光の長径と短径の比をεとすると、一般に下記式によりこの比εは求まる。

したがって、上記した手順により楕円偏光の長径と短径を計測すれば、位相差δすなわち、屈折率差を検出することができる。
また、レーザー光を測定対象物Ｇ１、Ｇ２に照射しつつ走査した場合、光軸Ｌ方向に対して垂直な境界線Ｓを挟んだ少なくとも片側の受光素子で取得した光の変調信号を信号比較器３３等が信号処理する。このことにより０次回折光の振幅M0とこの０次回折光に対する１次回折光の振幅M1との間の位相差θ0が求められるので、この位相差θ0から光学的距離nhが得られる。

ここで、γ＝M₁/M₀とした。γは０次回折光と１次回折光との光の比である。
θoは０次回折光に対する１次回折光の位相差なので、θoとγよりΘoを求める。
さらに、Θo=(２π/λ)nhより、光学的距離nhを求めることができる。

例えば水及び細胞を図示しないプレパラートとカバーガラスとの間に挟んで測定するような場合、この光学的距離は、周りの既知の媒質である水の屈折率と２つの偏光軸における細胞の屈折率の差と高さの積で表される。上記楕円偏光の情報より楕円Ｄの傾き角θがわかるので、これに伴って偏光軸において検出された光学的距離と上記した楕円偏光の情報により複屈折率を導出することができる。このように光学的距離を２つの偏光軸で導出し、さらに、少なくとも３つの偏光軸にて楕円偏光の状態を検出することで、光学的距離、複屈折率、偏光情報等を同時に計測できる。

しかも後程述べる本発明の各実施例によれば、これらの情報の取得が空間周波数の高い領域で可能となるので、極めて高い分解能で細胞等の動的変化を追うことができる。さらに、偏光状態の変化や複屈折率を検出することで、細胞を構成している物質を類推することも可能となる。また、複屈折率や複屈折性等をある範囲で抜き出して表示することにより、物質の動きを無染色にて視覚的かつ３次元的に表すこともできる。
すなわち、入射の偏光状態を予め固定しておけば、測定対象物Ｇ１、Ｇ２の有する旋光性や複屈折性の情報が反映する楕円偏光の状態を少なくとも相互に異なる３つの偏光軸を有する偏光子を通過した光量で同定することができる。

上記した手順は、細胞に染色が施されているといったような強度情報のみを有する場合にも適用できる。この場合、受光素子群５〜８を構成する２つの受光素子５Ａ〜８Ａ、５Ｂ〜８Ｂの両方を用いずに、光軸Ｌを境界とした片側の受光素子５Ａ〜８Ａで得られたデータでも良く、これら２つの受光素子５Ａ〜８Ａ、５Ｂ〜８Ｂの合算データでも良い。つまり、この強度情報のみの用途に限定するならば、受光素子は１つでも良い。ただし、この場合、染色された物質と細胞の有する物質のいずれが屈折率に影響を与えたか否かの判断はできない。

そこで、光軸Ｌを境界とした片側の受光素子５Ａ〜８Ａ或いは受光素子５Ｂ〜８Ｂにて情報を取得し、無染色の細胞のように位相情報を有するものに対して、その光学的距離を可視化もしくは計測した情報と本偏光状態の解析結果の両方を考慮することが考えられる。このことにより、測定対象物Ｇ１、Ｇ２の有する複屈折を定量化し、またその光学軸を決められることが本発明の実施例における大きな特徴である。

この際、レーザー光の走査に伴う空間周波数を受光素子にて電気的信号に変換し、この電気的信号の直流成分や交流成分等を用い、信号処理により定量化するので、測定対象物Ｇ１、Ｇ２内に構造がある場合には、本発明は特に有効となる。すなわち、測定対象物Ｇ１、Ｇ２の光学的距離とともに内部の偏光状態を計測できるので、３次元的に屈折率分布等をリアルタイムの測定できることになる。また、以下の実施例において述べるが、０次回折光と空間周波数の高い１次回折光を干渉させる光学系を併用することで、光学的距離と偏光状態の解析が、従来の光学顕微鏡よりも高い分解能で実行することができる。

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例４を以下に図６を参照しつつ説明する。
本実施例は、０次回折光と高い空間周波数の１次回折光を合成する光学系に本発明を適用する例であり、図６はこの実施例の構成を示す概略図である。本実施例では、光を照射する光源であるレーザー光源２１が図示しないコリメーターレンズ２２、瞳伝達レンズ系２５、３０、２次元走査デバイス２６等の光学系を介して、対物レンズ３１と対向して配置されている。このため、このレーザー光源２１が照射した光が、透過物の測定対象物Ｇ２に収束照射されている。このレーザー光源２１の収束照射の照射光軸とされる光軸Ｌ上には、凸レンズとされるレンズ４５が位置していて、測定対象物Ｇ２を透過して出射された光束をレンズ４５が平行な光束に変換している。

このレンズ４５の下方の光軸Ｌ上には、レンズ４５から出射された平行な光束をそれぞれ左右に分割する２つのビームスプリッタ５０、５３が連続して配置されており、これらの下方の光軸Ｌ上には、ビームスプリッタ１０〜１２、偏光子１〜４、受光素子群５〜８が実施例３と同様に配置されている。このため、光軸Ｌ上の光は、これら光学素子のセットによって偏光軸の相互に異なる４つの偏光の強度情報に変換される。

この一方、光軸Ｌに対して図６の右側に傾きを有した傾斜光軸とされる光軸Ｌ１上には、凸レンズとされるレンズ４６が位置しており、このレンズ４６が測定対象物Ｇ２から出射された光束を平行な光束としている。この光軸Ｌ１上には、この平行な光束を下方に反射するための反射鏡４８が配置されており、また、この反射鏡４８の下方には、ビームスプリッタ５１が位置している。このため、レンズ４６とビームスプリッタ５１との間に配置される反射鏡４８が、レンズ４６からの出射光をビームスプリッタ５１側に反射させている。他方、上記と同様の構成を有したレンズ４７、反射鏡４９、ビームスプリッタ５２が光軸Ｌを挟んで対称に図６の左側にも光軸Ｌ２に沿って配置されている。

そして、レンズ４５により平行光とされた測定対象物Ｇ２からの０次回折光の一部は、ビームスプリッタ５０を介して、ビームスプリッタ５１に送られる。光軸Ｌに対して斜めに配置されたレンズ４６により平行光束となった１次回折光とこの０次回折光の一部とが、ビームスプリッタ５１により合成される。

同様にレンズ４５により平行光とされた測定対象物Ｇ２からの０次回折光の一部は、ビームスプリッタ５３を介して、ビームスプリッタ５２に送られる。光軸Ｌに対してレンズ４６と反対側の斜めに配置されたレンズ４７により平行光束となった−１次回折光とこの０次回折光の一部とが、ビームスプリッタ５２により合成される。

本実施例においては、ビームスプリッタ５１の下側には、ビームスプリッタ１２、偏光子３、４、受光素子群７、８が配置されている。また、ビームスプリッタ５２の下側には、ビームスプリッタ１１、偏光子１、２、受光素子群５、６が配置されている。

さらに、前述の受光素子群５〜８だけでなく、受光素子群７、８や受光素子群５、６が、これら受光素子群からの信号を比較するための信号比較器３３にそれぞれ接続されている。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Ｇ２のプロフィル等を得るデータ処理部３４に繋がっている。このため、信号比較器３３及びデータ処理部３４に、光軸Ｌ上の０次回折光を受光する受光素子群５〜８、光軸Ｌに対して右側に位置する受光素子群７、８及び、光軸Ｌに対して左側に位置する受光素子群５、６からのそれぞれ偏光の強度情報が入力されてデータを処理するので、これら信号比較器３３及びデータ処理部３４が計測部とされる。

具体的には、ビームスプリッタ５１により合成された光は、ビームスプリッタ１２、偏光子３、４及び受光素子群７、８により偏光軸の相互に異なる２つの偏光の強度情報に変換される。また、ビームスプリッタ５２により合成された光は、ビームスプリッタ１１、偏光子１、２及び受光素子群５、６により偏光軸の相互に異なる２つの偏光の強度情報に変換される。但し、偏光子３、４による偏光軸に対して偏光子１、２による偏光軸はそれぞれ４５°傾いている。

つまり、１次回折光と０次回折光の一部及び、−１次回折光と０次回折光の一部は、偏光軸の異なる４つの偏光に分離され、受光素子群７、８及び受光素子群５、６でそれぞれ強度情報に変換される。この４つの強度情報のうち前述のように３つが独立なので、これらから楕円偏光状態を検出することができる。また、光軸Ｌ上の０次回折光に関しても、偏光軸の異なる４つの偏光に分離され、受光素子群５〜８により強度情報に変換される。

この時、測定対象物Ｇ２が位相物体であれば、１次回折光と−１次回折光は位相が相互に１８０°異なるので、光学的距離情報は片側の２つの受光素子群で取得することができる。もちろん、光軸Ｌを挟んだ両側の計４つの受光素子群で光学的距離情報を取得することもできる。また、偏光に関する情報は、±１次回折光には依存しないので、両方の受光素子群で異なる偏光軸の情報を取得してもよいことになる。

以上のようにすれば、測定対象物Ｇ２が複屈折性や旋光性を有していた場合、例えば左側のビームスプリッタ５２により合成された光から受光素子群５にて取得した光学的距離と受光素子群６にて取得した光学的距離は、相互に異なる値となって計測される。この場合、受光素子群５及び受光素子群６にて受光した２つの光は同じパスを通過しているので、異なった値は測定対象物Ｇ２の屈折率の違いを表すことになる。

この光学的距離の情報と楕円偏光の長径と短径の比等の情報より、複屈折を有する測定対象物Ｇ２の屈折率を計測可能となる。この場合、特に０次回折光と高い空間周波数を有する１次回折光が走査により変調をうけ、これを受光素子群が検出するので、高分解能を有する光学的距離情報と同時に高分解能の偏光情報を得ることができる。このように複屈折率や複屈折性等の情報から細胞等を染色せずに、１回の走査で光学的距離情報と偏光情報を同時にしかも高分解能で得ることができるので、極めて有用な装置となる。

なお、４つの偏光状態を同時に取得できるような、対物レンズ３１の光軸Ｌ上のビームスプリッタ１０〜１２、偏光子１〜４、受光素子群５〜８等よりなる光学素子のセットを各部分に配置して、ビームスプリッタ５１により合成された光及び、ビームスプリッタ５２により合成された光からそれぞれ強度情報を得ても良い。また、空間周波数の低い情報をそれほど必要としないならば、対物レンズ３１の光軸Ｌ上の受光素子群５〜８等は省略しても良い。

また、本実施例においては、４種類の偏光子を採用しているが、一般的には相互に異なる偏光軸を有した偏光子であってもよい。但し、例えば偏光子１を基準に偏光子２，３，４の偏光軸を４５，９０，１３５度と等間隔に回転させることが考えられる。さらに、無偏光のビームスプリッタの替わりに偏光ビームスプリッタを２組採用し、これらの偏光ビームスプリッタを相互に回転させつつ配置しても良い。例えばＰ偏光とＳ偏光を検出する偏光ビームスプリッタとこの偏光ビームスプリッタに対して４５度傾けた偏光ビームスプリッタで本実施例を代用してもよい。

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例５を以下に図７を参照しつつ説明する。
本実施例は、０次回折光と高い空間周波数の１次回折光を合成して高分解能を有する別の光学系に本発明を適用する例であり、図７はこの実施例の構成を示す概略図である。
本実施例においては平行光束が対物レンズ３１に入射され測定対象物Ｇ２に収束されるまでは、図６と同様となっている。つまり、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７において、コリメーターレンズ２２、瞳伝達レンズ系２５、３０、２次元走査デバイス２６等の光学系は図示を省略している。

但し、本実施例では、対物レンズ３１の光軸Ｌに対して実質上傾けた光軸Ｌ３上に、測定対象物Ｇ２を透過して回折された０次回折光の一部とこの０次回折光を含まない空間周波数の高い１次回折光の一部を平行光とするレンズ６１を配置する。これにより、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６１に取り入れることができる。

このように０次回折光の光軸Ｌに対してレンズ６１を傾斜して設置することで、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ることができ、これら０次回折光と１次回折光の干渉を実現している。

さらに、光軸Ｌ３上にはロンボイドプリズム６２が配置されていて、レンズ６１により平行光束とされた光は、このロンボイドプリズム６２により上記した０次回折光の一部と０次回折光を含まない空間周波数の高い１次回折光の一部を合成する。また、ロンボイドプリズム６２は、透明な面であって光を入射する為の入射面６２Ａ及びこれと対向する透明な面である出射面６２Ｂを有する他、このロンボイドプリズム６２の斜めの一面を半透鏡６２Ｃとし、この半透鏡６２Ｃと反対の面を半透鏡６２Ｄとし、このロンボイドプリズム６２を通過して各光束を受ける光学素子をこれらの面６２Ｂ〜６２Ｄと対向して配置する。

つまり、図７に示すように、半透鏡６２Ｃと対向して、ビームスプリッタ１１、偏光子１、２、受光素子群５、６のセットを配置し、さらに、出射面６２Ｂと対向してビームスプリッタ１０〜１２、偏光子１〜４、受光素子群５〜８のセットを配置し、また、半透鏡６２Ｄと対向して、ビームスプリッタ１２、偏光子３、４、受光素子群７、８のセットを配置することで、これら各光学素子のセットに光束が導かれるようにする。

さらに、受光素子群５〜８、受光素子群７、８及び受光素子群５、６が、これら受光素子群からの信号を比較するための信号比較器３３にそれぞれ接続されている。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Ｇ２のプロフィル等を得るデータ処理部３４に繋がっている。このため、光軸Ｌ３上の０次回折光の一部と１次回折光の一部をそれぞれ受光する受光素子群５〜８、受光素子群７、８及び受光素子群５、６からの偏光の強度情報が、信号比較器３３及びデータ処理部３４に入力されてデータを処理するので、これらが計測部とされる。

ここで、半透鏡６２Ｃと対向するビームスプリッタ１１、偏光子１、２、受光素子群５、６のセットは、レンズ６１の０次回折光を含む１次回折光との干渉となっているので、対物レンズ３１のＮＡに匹敵する空間周波数まで分離できる。一方、出射面６２Ｂと対向するビームスプリッタ１０〜１２、偏光子１〜４、受光素子群５〜８のセットおよび、半透鏡６２Ｄと対向するビームスプリッタ１２、偏光子３、４、受光素子群７、８のセットでは、対物レンズ３１のＮＡ以上の１次回折光を０次回折光と合成しているので、対物レンズ３１のＮＡ以上の空間周波数まで分離できることになる。

これらの空間周波数は、測定対象物Ｇ２にレーザー光を走査しつつ照射することにより、各受光素子群で電気的な変調信号に変換されて検出される。そして、この検出された変調信号の交流信号に基づき、高分解能の光学的距離情報と同時に高分解能の偏光状態を得ることができる。

なお、ロンボイドプリズム６２の各面６２Ｂ〜６２Ｄに対向する光学素子のいずれも、４つの偏光状態を同時に取得するビームスプリッタ１０〜１２、偏光子１〜４、受光素子群５〜８により構成してもよい。また、ロンボイドプリズム６２の右側斜面である半透鏡６２Ｄに偏光ビームスプリッタを貼り付ける等することで、下側に位置するビームスプリッタ１０〜１２等や右側に位置するビームスプリッタ１２等の光学素子の替わりに、受光素子のみを直接配置することができる。

さらに、本実施例のロンボイドプリズム６２等の光学系に相当するロンボイドプリズム等の光学系を別途追加して用意し、対物レンズ３１の光軸Ｌを境界とした逆側に、上記した光学系と傾きが対称となるようにこのロンボイドプリズム６２に対して４５°傾けて、これらロンボイドプリズム等の光学系を配置することが考えられる。尚、以上のようなものは図６に示す実施例４の変形とも言える。

尚、無偏光のビームスプリッタの替わりに偏光ビームスプリッタを２組採用し、この偏光ビームスプリッタを回転させつつ配置しても良い。例えばＰ偏光とＳ偏光を検出する偏光ビームスプリッタとこの偏光ビームスプリッタに対して４５度傾けた偏光ビームスプリッタで本実施例を代用してもよい。

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例６を以下に図８を参照しつつ説明する。
本実施例は、高分解能を有するさらに別の光学系に本発明を適用する例であり、図８は、この実施例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、コリメーターレンズ２２、瞳伝達レンズ系２５、３０、２次元走査デバイス２６等の光学系は図示を省略している。

そして、本実施例では、対物レンズ３１の光軸とされる０次回折光の光軸Ｌに対して傾斜して、測定対象物Ｇ２より回折された光を平行光とするレンズ６１が設置されている。これにより、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６１に取り入れることができる。

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、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。

また、図８に示すように、このレンズ６１を通過して光束を受ける光学素子が対向して配置されている。つまり、ビームスプリッタ１０〜１２、偏光子１〜４、受光素子群５〜８のセットがレンズ６１と対向して配置されている。このように、レンズ６１を傾けることで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６１により平行光束にした回折光同士が光学素子のセットに導かれるようになっている。

ただし、本実施例では、前記した偏光子１〜４と受光素子群５〜８間にレンズ６３をそれぞれ挿入する形で配置し、受光素子群５〜８の受光面がほぼレンズ６３の焦点位置となるようにする。しかし、受光素子群５〜８の受光面が測定対象物Ｇ２の結像面である必要性は必ずしもなく、デフォーカス気味でも０次回折光と１次回折光は十分に干渉するので、この場合でも問題ない。この結果として本実施例においても、前記各実施例と同様に異なる４つの偏光軸における強度情報を各受光素子群５〜８により検出することができる。

以上より、本実施例も実施例１から実施例５と同様に、面内の分解能が高く、しかも面外において高さや屈折率分布に対する分解能が高く、また、通常の結像光学系では取得不可能な細胞等の厚みを持った生体試料の３次元的な情報を生きた状態でリアルタイムに得ることのできる光学的距離計測装置が提供されるようになる。

以上の様にすれば、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、ＭＴＦ特性の改善が図れる。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、信頼度の高い光学的距離を測定することが可能となる。尚、本実施例の場合、レンズ６３を用いているので、このレンズ６３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。このため、高額なレンズを用いる必要性はない。

また、図４、図６、図７に示す各光学系は紙面内に描かれているが、紙面に対して垂直な方向に同様な光学系を追加して配置することとしても良い。このようにすることで、検出する偏光軸を相互に異なる４つの向きに配置できることとなり、方向性のない検出が行えるようになる。また、各偏光軸の向きについては、配置および計算を簡単にするために４５°ずつ軸を相互に異ならせるようにすると良い。

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例７を以下に図９を参照しつつ説明する。
図９はこの実施例の構成を示す概略図であるが、本実施例は実施例６の変形例である。 このため、実施例６で説明した内容を以下省略する。

図９に示すように、本実施例もレンズ６１を通過して光束を受ける光学素子がレンズ６１に対向して配置されているが、本実施例ではビームスプリッタ１２、偏光子３、４、受光素子群７、８のセットがこのレンズ６１と対向して配置されている。このことで、レンズ６１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６１により平行光束にした回折光同士が光学素子のセットに実施例６と同様に導かれるようになっている。

この一方、本実施例では対物レンズ３１の光軸Ｌに対して光軸Ｌ１と対称な位置に、−１次回折光の光軸Ｌ２がある。そして、０次回折光の光軸Ｌと−１次回折光の光軸Ｌ２との間の中間的な傾き角を有した光軸Ｌ４だけ傾けた状態で配置したレンズ６１に、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取り入れる。そして、図９に示すように、このレンズ６１を通過して光束を受ける光学素子のセットが前記と同様に対向して配置されている。但し、光軸Ｌ４上では、ビームスプリッタ１１、偏光子１、２、受光素子群５、６のセットがレンズ６１と対向して配置されている。このことで傾けられたレンズ６１が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６１により平行光束にした回折光同士が各光学素子のセットに導かれるようになっている。

また、本実施例では、前記した偏光子３、４と受光素子群７、８間にレンズ６３をそれぞれ挿入する形で配置し、受光素子群７、８の受光面がほぼレンズ６３の焦点位置となるようにする。ただし、受光素子群７、８の受光面が測定対象物Ｇ２の結像面である必要性は必ずしもなく、デフォーカス気味でも０次回折光と１次回折光は十分に干渉するので、この場合でも問題ない。同様に偏光子１、２と受光素子群５、６間にもレンズ６３をそれぞれ挿入する形で配置し、受光素子群５、６の受光面がほぼレンズ６３の焦点位置となるようにする。ただし、受光素子群５、６の受光面が測定対象物Ｇ２の結像面である必要性は必ずしもなく、デフォーカス気味でも０次回折光と１次回折光は十分に干渉するので、この場合でも問題ない。

以上の結果として本実施例においても、前記各実施例と同様に相互に異なる４つの偏光軸における強度情報を各受光素子群７、８及び受光素子群５、６が検出することができる。このため、本実施例も実施例１から実施例６と同様に、面内の分解能が高く、しかも面外において高さや屈折率分布に対する分解能が高く、また、通常の結像光学系では取得不可能な細胞等の厚みを持った生体試料の３次元的な情報を生きた状態でリアルタイムに得ることのできる光学的距離計測装置が提供されるようになる。

但し、本実施例では、光軸Ｌ３上に存在する光学系のセットの偏光子３、４の偏光方向に対して光軸Ｌ４上に存在する光学系のセットの偏光子１、２の偏光方向を４５度傾けている。 他方、ビームスプリッタ及び偏光子の替わりに偏光ビームスプリッタを採用することができ、この場合には、一方の偏光ビームスプリッタに対して他方の偏光ビームスプリッタを４５度傾けて配置すればよい。

尚、偏光に関する情報は、最低異なる３つの偏光軸を有した偏光板等の偏光子を介した光の強度を受光素子で検出すればよいので、光学素子のセットの構成は上記したものに限らない。また、図面紙面内の光学系を偏光検出ができるような上記光学系とし、図面紙面に対して垂直方向には、光学的距離の算出や観測をするだけの偏光検出をしない光学系にすることもできる。

さらに、上記実施例では、各受光素子群を構成する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。

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。

本発明の光学的距離計測装置は、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、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、本発明の光学的距離計測装置は、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分解能を向上することができるものである。

１〜４ 偏光子（偏光光学部材）
５〜８ 受光素子群（偏光光学部材）
５Ａ〜８Ａ 受光素子（偏光光学部材）
５Ｂ〜８Ｂ 受光素子（偏光光学部材）
１０〜１２ ビームスプリッタ（偏光光学部材）
１４ １／４波長板
２１ レーザー光源（光源）
２２ コリメーターレンズ
２５ 瞳伝達レンズ系
２６ ２次元走査デバイス（２次元走査素子）
２７ ビームスプリッタ
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）
Ｄ 楕円
Ｇ１、Ｇ２ 測定対象物
Ｌ 光軸
ＬＡ 走査ビーム
Ｓ 境界線
Ｔ 長軸
θ 傾き角

Claims (9)

1. 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相互に異なる２方向にそれぞれ走査させる２次元走査素子と、
   測定対象物を経由した照射光を相互に異なる４つの偏光軸に沿ってそれぞれ偏光しつつ分離する偏光光学部材と、
   ４つに分離された照射光をそれぞれ受光して光電変換する４つの受光素子と、
   各受光素子からの信号相互間の状態から測定対象物の情報を得ると共に、この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、
   を含む光学的距離計測装置。
2. 前記偏光光学部材が、測定対象物からの照射光を受けて無偏光で２つに分離する分離素子及び、第１偏光素子と第２偏光素子による２組の偏光素子とされ、
   該分離素子により分離された一方の照射光を第１偏光素子が、相互に直交する偏光として分離しつつ透過させ、
   該分離素子により分離された他方の照射光を第２偏光素子が、第１偏光素子により分離された偏光に対して４５°の角度を相違させて、相互に直交する偏光として分離しつつ通過させる請求項１に記載の光学的距離計測装置。
3. ２組の偏光素子が、照射光を無偏光で２つに分離する分離用ビームスプリッタ及び、該分離用ビームスプリッタにより分離された各照射光を相互に異ならせた偏光状態でそれぞれ透過させる２つの偏光子とそれぞれされる請求項２に記載の光学的距離計測装置。
4. 前記計測部が、４つの受光素子によりそれぞれ取得された信号を処理して楕円偏光の長径、短径及び傾き角の値を得て、これらの値から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３の何れかに記載の光学的距離計測装置。
5. 前記光源からの照射光の電界振動方向に沿ってπ/2の位相差を与える１／４波長板を測定対象物の前に配置して、測定対象物に円偏光した照射光を照射する請求項１に記載の光学的距離計測装置。
6. 前記受光素子が、照射光の光軸方向に対して垂直な方向を境界線として何れかの片側にずれて位置しつつ、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５の何れかに記載の光学的距離計測装置。
7. 前記受光素子が境界線を挟んで２つ存在し、
   照射光をこれら２つの受光素子が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的距離計測装置。
8. 前記光源と測定対象物との間にビームスプリッタを配置し、
   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７の何れかに記載の光学的距離計測装置。
9. 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受光する請求項１から請求項７の何れかに記載の光学的距離計測装置。

Images