特開2019-132638(P2019-132638A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-132638(P2019-132638A)
(43)【公開日】2019年8月8日
(54)【発明の名称】光画像計測装置
(51)【国際特許分類】
   G01N 21/17 20060101AFI20190712BHJP
【FI】
   G01N21/17 630
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】OL
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2018-13498(P2018-13498)
(22)【出願日】2018年1月30日
(71)【出願人】
【識別番号】501387839
【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ
(74)【代理人】
【識別番号】110002572
【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】大澤 賢太郎
(72)【発明者】
【氏名】峯邑 浩行
【テーマコード(参考)】
2G059
【Fターム(参考)】
2G059AA05
2G059BB04
2G059BB14
2G059DD13
2G059EE02
2G059EE09
2G059FF02
2G059GG01
2G059JJ11
2G059JJ14
2G059JJ15
2G059JJ19
2G059JJ20
2G059JJ21
2G059JJ22
2G059KK03
2G059KK04
2G059LL01
2G059MM01
2G059NN06
(57)【要約】      (修正有)
【課題】曲面を有する容器に収容された試料をOCTによって測定する場合において、その曲面越しであっても正確な測定結果を得ることができる光画像計測装置を提供する。
【解決手段】光画像計測装置100は、信号光の集光位置に応じて異なる収差量を発生させる容器109のなかに対象物110を収容しており、光路の途中に配置され、容器によって生じる収差量の影響を低減させる光学部材113を備える。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
対象物の画像を取得する光画像計測装置であって、
レーザ光を出射する光源、
前記光源が出射した前記レーザ光を信号光と参照光に分岐する光分岐部、
前記信号光の集光位置と前記参照光の集光位置を互いに同期させて走査する集光位置走査部、
前記対象物から反射した前記信号光と、前記参照光とを合波することにより干渉光を生成する干渉光学系、
を備え、
前記対象物は、前記信号光の集光位置に応じて異なる収差量を発生させる容器のなかに収容されており、
前記光画像計測装置はさらに、光路の途中に配置され、前記容器によって生じる前記収差量の影響を低減させる光学部材を備える
ことを特徴とする光画像計測装置。
【請求項2】
前記光分岐部は、前記信号光を前記対象物に対して向かう信号光光路へ向かわせるとともに、前記参照光を前記信号光光路とは異なる参照光光路へ向かわせ、
前記光学部材は、前記参照光光路の途中に配置されており、
前記光画像計測装置はさらに、前記信号光を前記対象物に対して集光する第1対物レンズと、前記参照光を前記光学部材に対して集光する第2対物レンズとを備える
ことを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
【請求項3】
前記容器は、前記信号光が集光される部位において曲面を有する
ことを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
【請求項4】
前記光学部材は、前記参照光が集光される部位において曲面を有する
ことを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
【請求項5】
前記容器は、前記信号光が集光される部位において曲面を有し、
前記光学部材は、前記参照光が集光される部位において曲面を有し、
前記容器が有する前記曲面と前記光学部材が有する前記曲面は同じ形状である
ことを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
【請求項6】
前記光学部材は、前記参照光を反射して前記光分岐部へ戻し、
前記光分岐部は、前記光学部材から反射された前記参照光を前記干渉光学系へ導く
ことを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
【請求項7】
前記光学部材は、前記参照光を反射して前記光分岐部へ戻す反射部を備え、
前記光学部材は、前記参照光を透過させる透過部位を有し、
前記反射部は、前記透過部位から離れた位置に配置されており、前記透過部位を透過した前記参照光を反射する
ことを特徴とする請求項6記載の光画像計測装置。
【請求項8】
前記集光位置走査部は、前記光源と前記光分岐部との間に配置されており、
前記集光位置走査部は、前記光源が出射した前記レーザ光の光軸の角度を変化させることにより、前記信号光の集光位置と前記参照光の集光位置を互いに同期させて走査する
ことを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
【請求項9】
前記集光位置走査部は、
前記光分岐部と前記対象物との間に配置され、前記信号光の集光位置を走査する、第1走査部、
前記光分岐部と前記光学部材との間に配置され、前記参照光の集光位置を変化させる第2走査部、
を備える
ことを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
【請求項10】
前記光画像計測装置はさらに、
前記干渉光の一部を分岐する干渉光分岐部、
前記分岐された前記干渉光の強度分布を監視するモニタ、
前記光学部材の位置を調整する光学部材駆動部、
を備える
ことを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
【請求項11】
前記光学部材駆動部は、前記モニタによる監視結果に基づき前記光学部材の位置を調整することにより、前記信号光の波面と前記参照光の波面を一致させる
ことを特徴とする請求項10記載の光画像計測装置。
【請求項12】
前記干渉光学系は、互いに位相関係が異なる3つ以上の前記干渉光を生成する
ことを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
【請求項13】
前記光画像計測装置はさらに、前記光分岐部が出力する前記信号光と前記参照光を同一の光路経由で前記対象物に対して照射する照射光学系を備え、
前記光学部材は、
前記光分岐部が分岐した前記信号光に対して、前記信号光が前記対象物に対して照射される前にデフォーカス収差を付与する、デフォーカス収差付与部、
前記デフォーカス収差を付与された前記信号光を、前記照射光学系の光路上を伝搬する前記参照光と合波する、光合波部、
前記対象物から反射した前記信号光が有する前記デフォーカス収差を補正することにより、前記信号光と波面と前記参照光の波面との間の差分を減少させる、デフォーカス収差補正部、
を備える
ことを特徴とする請求項1記載の光画像計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光の干渉を用いて測定対象を観察する光画像計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
光コヒーレンストモグラフィー(OCT:Optical Coherence Tomography)は光の干渉を用いて測定対象の断層画像を取得する技術であり、眼底検査の分野で1996年より実用化され、近年では心臓病学、歯科学、腫瘍学、食品産業や再生医療など様々な分野への適用が検討されている。
【0003】
OCTにおいては、光源からの光を、測定対象に照射する測定光と、測定対象に照射せずに参照光ミラーで反射させる参照光とに2分岐し、測定対象から反射された信号光を参照光と合波させ干渉させることにより測定信号を得る。
【0004】
OCTは、測定位置の光軸方向への走査方法(以下、zスキャンと称する)により、大きくタイムドメインOCTとフーリエドメインOCTとに分けられる。タイムドメインOCTにおいては、光源として低コヒーレンス光源を使用し、測定時に参照光ミラーを走査することによりzスキャンを実施する。これにより信号光に含まれる参照光と光路長が一致する成分のみが干渉し、得られた干渉信号に対して包絡線検波を行うことにより、所望の信号が復調される。フーリエドメインOCTはさらに、波長走査型OCTとスペクトルドメインOCTとに分けられる。波長走査型OCTにおいては、出射光の波長を走査することが可能な波長掃引光源を使用し、測定時に波長を走査することによりzスキャンがなされ、検出された干渉光強度の波長依存性(干渉スペクトル)をフーリエ変換することにより所望の信号を得る。スペクトルドメインOCTにおいては、光源として広帯域光源を用い、生成された干渉光を分光器により分光し、波長成分ごとの干渉光強度(干渉スペクトル)を検出することがzスキャンに対応している。得られた干渉スペクトルをフーリエ変換することにより所望の信号を得る。
【0005】
下記特許文献1は、OCTに関する技術を記載している。同文献は、『特定の部位からの反射光の影響を抑制し、測定対象の鮮明な像を得ること。』を課題として、『レーザ光を出射する光源301、レーザ光を信号光と参照光に分岐する光分岐部304と、信号光を容器308内の測定対象に集光して照射する対物レンズ306、信号光の集光位置を走査する集光位置走査部307、参照光を集光する対物レンズ311、反射ミラー314、対物レンズ311と反射ミラー314の間に配置された平板313、測定対象によって反射もしくは散乱された信号光と反射ミラーによって反射されて対物レンズ311を通った参照光とを合波し、互いに位相関係が異なる3つ以上の干渉光を生成する干渉光学系、干渉光を検出する光検出器324,325を備える。ここで、対物レンズ311は対物レンズ306と同一であり、平板313は容器308の信号光が透過する部分と同じ材質及び同じ厚さを有する。』という技術を開示している(要約参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2016−044999号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
OCTは光をプローブとして用いるので、非接触的にサンプルの3次元構造を高い分解能で可視化することができる。この特徴から、再生医療における培養細胞やバイオ医薬品などのバイオ・医療分野における製品を、容器から取り出すことなく品質検査を行う用途に適している。
【0008】
再生医療における移植組織の一つであるスフェロイドの培養容器や、バイオ医薬品の保管に用いられるバイアルやアンプルなどをはじめとして、バイオ・医療分野で用いられる容器は曲面形状を有していることが多い。一見して平面であったとしても、殆どの場合には光計測に影響が表れないほどの厳密な平面ではない。このような曲面形状を有する容器越しにOCT測定を実施する場合には、曲面において発生する収差の影響により、信号強度や空間分解能が低下する。さらに、発生する収差量はサンプルに照射される信号光の集光位置のスキャンに応じて時間的に高速に変化する。したがって、リレーレンズや液晶などを用いた従来の一定量の収差補正方法によっては、収差の影響を抑制することが困難である。このような理由から、従来のOCTは、容器の曲面越しの測定においては、正確な測定結果を得ることが困難である。
【0009】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、曲面を有する容器に収容された試料をOCTによって測定する場合において、その曲面越しであっても正確な測定結果を得ることができる光画像計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明に係る光画像計測装置は、信号光の集光位置に応じて異なる収差量を発生させる容器のなかに対象物を収容しており、光路の途中に配置され、前記容器によって生じる前記収差量の影響を低減させる光学部材を備える。これにより、信号光に付与される収差と同様の収差を参照光に対して付与することができるので、信号光の波面形状と参照光の波面形状が一致する。したがって、前記容器において発生する収差にともなう信号強度や分解能の低下を抑制することができる。
【0011】
1例として、前記容器は曲面を有し、前記光学部材も前記容器と類似または同一形状の曲面を有することとした。これにより、簡素な構成で高精度に収差の影響を抑制することができる。
【0012】
1例として、前記光学部材は、前記参照光を反射させる反射部と一体に形成することとした。これにより、部品点数や調整箇所を削減することができるので、小型で安価な光画像計測装置を提供することができる。
【0013】
1例として、前記光学部材は、前記参照光を反射させる反射部と空間的に離間して形成することとした。これにより、前記容器のうち収差を発生させる部位の位置と反射部の位置を独立に調整することができるので、収差の影響を高精度に抑制することができる。
【0014】
1例として、信号光の集光位置と参照光の集光位置は、光源と光分岐部との間に配置され、光軸の角度を変化させる光学素子を用いて走査することとした。これにより、単一の光学素子を用いて、信号光の集光位置と参照光の集光位置を同期して走査させることができるので、簡素な構成で収差の影響を抑制することができる。
【0015】
1例として、信号光の集光位置は、光分岐部と前記対象物との間に配置された第1走査部により走査し、参照光の集光位置は、光分岐部と前記光学部材との間に配置された第2走査部により走査することとした。これにより、参照光の集光位置を信号光の集光位置とは独立に制御することができる。したがって、収差の影響を抑制するための光学部材の設計の自由度が高まり、収差の影響をより高精度に抑制することができる。
【0016】
1例として、干渉光の一部を分岐して干渉光の空間的な強度分布をモニタし、モニタ信号に基づいて前記光学部材の位置を調整することとした。これにより、前記光学部材の位置を精度良く調整することができるので、収差の影響をより高精度に抑制することができる。
【0017】
1例として、信号光に対してあらかじめデフォーカス収差を付与した上で、信号光と参照光を同一の光路経由で前記対象物に対して照射し、前記対象物から反射した信号光のデフォーカス収差を補正することとした。これにより、容器の収差の影響を高い精度で補正することができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、信号光の集光位置に応じて発生する収差量が異なる容器内にサンプルを収容した場合であっても、光学計測を正確に実施することができる。上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
図1】実施形態1に係る光画像計測装置100の構成を示す模式図である。
図2】サンプル容器109の形状によって生じる収差について説明する図である。
図3A】光学部材113がある場合(実線)とない場合(点線)のz方向の応答関数を計算した結果である。
図3B】サンプル容器109により発生する収差がある場合(実線)とない場合(点線)の信号光のスポットプロファイルである。
図4】実施形態2に係る光画像計測装置100の構成を示す模式図である。
図5】実施形態3に係る光画像計測装置100の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
<実施の形態1:装置構成>
図1は、本発明の実施形態1に係る光画像計測装置100の構成を示す模式図である。光源101から直線偏光状態で出射されたレーザ光は、コリメートレンズ102によって平行光に変換される。ガルバノミラー103と104は、反射面の角度を走査することにより、レーザ光の光軸方向を走査することができる。λ/2板105は、結晶軸方向を調整することにより、レーザ光の偏光状態を調整する。偏光ビームスプリッタ106は、レーザ光を信号光と参照光に分岐する。信号光と参照光の分岐比は、λ/2板105により自由に調整することができ、典型的な強度比は1対1である。ガルバノミラー103と104は、レーザ光が信号光と参照光に分岐される前に、レーザ光の光軸方向を走査する。これにより、対物レンズ108による信号光の集光位置と、参照光レンズ112による参照光の集光位置は、光軸に垂直な平面内で2次元的に同期して走査される。
【0021】
偏光ビームスプリッタ106を反射した信号光は、光学軸方向が水平方向に対して約22.5度に設定されたλ/4板107によって偏光状態をs偏光から円偏光に変換された後、対物レンズ108によってサンプル110に集光して照射される。サンプル110から反射した信号光は、対物レンズ108を再び通過し、λ/4板107によって偏光状態を円偏光からp偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ106へ入射する。
【0022】
参照光は、光学軸方向が水平方向に対して約22.5度に設定されたλ/4板111によって偏光状態をp偏光から円偏光に変換された後、対物レンズ108と同じ開口数と焦点距離を有する参照光レンズ112によって、光学部材113の反射部114に集光して照射される。光学部材113は、サンプル容器109と同じ材料で形成され、ほぼ同一の形状を有する。したがって、サンプル容器109により信号光に付与される収差と、反射部114により参照光に付与される収差は、ほぼ等しい。また、信号光の集光位置と参照光の集光位置は、単一のガルバノミラーペア(ガルバノミラー103と104)によって実施されるので、完全に時間的に同期している。これにより、信号光と参照光には常に同じ収差が付与され、後述の図2に示すように、信号光の波面形状と参照光の波面形状はあらゆる時刻においてほぼ一致することとなる。
【0023】
偏光ビームスプリッタ106は、サンプル110から反射した信号光と、反射部114から反射した参照光とを合波し、これにより合成光が生成される。合成光の一部はハーフビームスプリッタ116によって反射され、偏光子117を透過する。偏光子117は、透過軸方向が水平方向に対して約45度に設定されている。CCDカメラ118は、生成された干渉光を検出する。CCDカメラ118は、干渉光の空間的な強度分布を出力する。
【0024】
干渉光の空間強度分布は、信号光の波面形状と参照光の波面形状が一致している場合には均一になっており、波面形状がずれている場合には、そのずれに応じて干渉縞パターンが形成される。すなわち、CCDカメラ118の出力をモニタすることにより、信号光の波面と参照光の波面の一致度を確認することができる。本実施形態1においては、ユーザがCCDカメラ118からの出力をモニタし、電動ステージ115を用いて光学部材113の位置を調整して、信号光の波面と参照光の波面が一致するようにすることとした。これにより、サンプル容器109において発生する収差の影響を高い精度で抑制することができる。
【0025】
ハーフビームスプリッタ116を透過した合成光は、干渉光学系126へ導かれる。干渉光学系126は、ハーフビームスプリッタ119、λ/2板120、λ/4板123、集光レンズ121と124、ウォラストンプリズム122と125を有する。干渉光学系126へ入射した合成光は、ハーフビームスプリッタ119によって透過光と反射光に2分岐される。
【0026】
ハーフビームスプリッタ119を透過した合成光は、光学軸が水平方向に対して約22.5度に設定されたλ/2板120を透過した後、集光レンズ121によって集光され、ウォラストンプリズム122によって偏光分離される。これにより互いに位相関係が180度異なる第1干渉光と第2干渉光が生成される。電流差動型の光検出器127は、第1干渉光と第2干渉光を検出し、それらの強度差に比例した差動出力信号129を出力する。
【0027】
ハーフビームスプリッタ119を反射した合成光は、光学軸が水平方向に対して約45度に設定されたλ/4板123を透過した後、集光レンズ124によって集光され、ウォラストンプリズム125によって偏光分離される。これにより互いに位相関係が約180度異なる第3干渉光と第4干渉光が生成される。第3干渉光は第1干渉光に対して位相が約90度異なる。電流差動型の光検出器128は、第3干渉光と第4干渉光を検出し、それらの強度差に比例した差動出力信号130を出力する。差動出力信号129と130は画像生成部131に入力され、画像表示部132はこれらの信号に基づき画像を生成して表示する。
【0028】
図2は、サンプル容器109の形状によって生じる収差について説明する図である。サンプル110は、底面が曲面形状を有するサンプル容器109の中に配置されている。信号光は、サンプル容器109の底面越しにサンプル110に集光される。このとき信号光には、サンプル容器109の底面形状やその厚みに応じて収差が付与される。この収差の種類や大きさは、サンプル容器109に対する信号光の集光位置によって異なる。したがってこの収差は、ガルバノミラー103と104による信号光の集光位置の走査にともない、時間的に変動することとなる。
【0029】
サンプル110としては、例えば創薬や再生医療の分野で注目されている細胞スフェロイドなどが考えられる。細胞スフェロイドは、細胞が有する細胞接着能により細胞同士が接着して形成される三次元の構造体であり、抗癌剤のドラッグスクリーニングや再生医療による疾患治療などへ活用されるものである。細胞スフェロイドは、サンプル容器109のように、底面が球面形状を有する培養容器により培養されることが多い。サンプル容器109の球面形状から発生する収差の影響により、従来技術においては、サンプル容器109越しに精密な光学的計測を実施することが困難であった。
【0030】
サンプル110の他の例としては、バイオ医薬品が考えられる。バイオ医薬品は生物を用いて製造、抽出、半合成などされた医薬品あり、化学合成により製造される低分子医薬品では十分に解決できなかった疾患への効果が期待されている。バイオ医薬品はバイアルやアンプルと呼ばれる専用の容器によって保管され、これらの容器も曲面形状を有している。したがって同様に、従来技術においては容器越しに精密な光学的計測を実施することが困難であった。
【0031】
本実施形態1によれば、光学部材113がサンプル容器109によって信号光に対して付与される収差とほぼ等しい収差を、参照光に対して付与する。これにより信号光の波面形状と参照光の波面形状はあらゆる時刻においてほぼ一致するので、サンプル容器109越しに精密な光学的計測を実施することができる。
【0032】
<実施の形態1:空間分解能について>
光画像計測装置100の光軸方向(サンプル110の深さ方向)における空間分解能および信号強度について説明する。本実施形態1において、信号光に含まれる対物レンズ108の焦点以外からの反射光成分は、デフォーカス収差を有している。したがって信号光の波面形状は、参照光の波面形状と一致しないので、信号光と参照光は空間的に一様に干渉することはない。これにより、検出器の受光面上で干渉縞が多数形成される。このような干渉縞が形成されると、検出される干渉光の強度を受光面内で積分した値は、信号光と参照光の強度和とほぼ等しくなる。すなわち、対物レンズ108の焦点以外からの反射光成分に対応する差動出力信号129と130は、ほぼ0になる。このような原理により、対物レンズ108の焦点以外からの反射光成分は実効的に参照光と干渉しなくなり、対物レンズ108の焦点からの反射光成分だけが選択的に検出され、高いz分解能を達成することができる。
【0033】
z分解能は、z方向の応答関数の半値全幅により定義される。z分解能は、対物レンズ108の開口数NAと、レーザ光の波長λによって決まり、λ/NAに比例する。一般的にOCT装置で利用される光の波長は、ヘモグロビンにも水にも吸収されにくい600nmから1300nm程度である。例えば対物レンズ108の開口数を0.4以上とすると、波長600nm〜1300nmにおけるz方向の空間分解能は約3.3μm〜約7.2μmとなる。
【0034】
検出される信号の強度は、信号光電場の振幅と参照光電場の振幅の積に比例している。したがって、小さな信号光パワーであっても、参照光パワーを大きくすることにより検出感度を向上することができる。これにより、信号光によるサンプル110に対するダメージを抑制しつつ、高感度な反射光検出を実現できる。
【0035】
光学部材113を用いて参照光に収差を付与しない従来構成の場合は、サンプル容器109において発生する収差の影響により、対物レンズ108の焦点から反射した信号光の波面形状と参照光の波面形状が一致しないので、本実施形態1と比較して信号強度とz分解能が低下する。
【0036】
図3Aは、光学部材113がある場合(実線)とない場合(点線)のz方向の応答関数を計算した結果である。計算に用いたパラメータは以下の通りである。(a)サンプル容器109の底面の外側曲率半径と内側曲率半径:それぞれ4.14mmと3.24mm、(b)厚み:1.06mm、(c)材料の屈折率:1.59、(d)対物レンズ108の開口数:0.35、(e)レーザ光の波長:785nm、(f)信号光の集光位置:サンプル容器109底面のサンプルが配置されている側の面から光軸方向に0.1m、光軸に垂直な方向に0.3mm。光学部材113がない場合は本実施形態1と比べて、z分解能が25%程度、信号強度が50%程度低い。本計算結果より、本実施形態1においては、簡素な構成で収差の影響を大幅に抑制できることが分かる。
【0037】
図3Bは、サンプル容器109により発生する収差がある場合(実線)とない場合(点線)の信号光のスポットプロファイルである。計算に用いたパラメータは図3Aと同じである。光画像計測装置100のxy分解能は、信号光のスポットサイズの半値全幅により定義される。図3Bに示すように、スポットサイズの半値全幅(すなわちxy分解能)は収差の有無によりほとんど変化していないことがわかる。
【0038】
xy分解能は、基本的にはスポットサイズによって決まり、無収差の場合にはλ/NAに比例する。信号光に収差が付与されるとスポットサイズは大きくなる(xy分解能が低くなる)傾向にあり、信号光のスポットサイズは参照光の波面形状とは無関係に決まる。したがって、光学部材113が参照光に収差を付与することにより、信号光に付与された収差によるスポットサイズの増大は抑制することができない。しかし図3Bの計算結果が示すように、収差の発生にともなうxy分解能の低下は、z分解能の低下と比べるとはるかに小さいので、実用上ほとんど問題が生じないことが多いといえる。
【0039】
<実施の形態1:光学系について>
干渉光学系126の機能について数式を用いて説明する。干渉光学系126へ入射する時点における合成光のジョーンズベクトルを下記式1で表すこととする。式1において、Esigは対物レンズ108の焦点から反射した信号光の複素振幅、Erefは参照光の複素振幅で、rは光軸に垂直な方向の位置座標、tは時刻である。
【0040】
【数1】
【0041】
ハーフビームスプリッタ119とλ/2板120を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは、下記式2で表される。
【0042】
【数2】
【0043】
式2で示される合成光は、ウォラストンプリズム122によってp偏光成分とs偏光成分に2分岐されたのち、電流差動型の光検出器127によって差動検出される。このとき光検出器127が出力する差動出力信号129(記号I)は、下記式3で表される。AsigとAref、θsigとθrefは、それぞれ複素数EsigとErefを極座標表示で表した際の振幅と位相である。dは光検出器の受光部の半径である。積分領域は光検出器127の受光部の面内である。1/πdは計算を簡略化するために導入した因子である。ここでは信号光と参照光は平坦な強度分布を持つものと仮定して、電場振幅は積分の外に出した。
【0044】
【数3】
【0045】
θsig、θrefはそれぞれ、空間に依存しない成分(無収差成分)θ(0)sig、θ(0)refと空間に依存する成分(収差成分)φsig、φrefに分けて、下記式4と式5によって表すことができる。
【0046】
【数4】
【0047】
【数5】
【0048】
信号光の収差成分φsigと参照光の収差成分φrefは、それぞれサンプル容器109と光学部材113によって発生したものであり、集光位置の走査にともない時間的に変化するが、上述したようにその収差量は等しい。すなわち本実施形態1においては、光学部材113を挿入した効果により、近似的に下記式6が成り立つ。
【0049】
【数6】
【0050】
式4〜6を式3に代入することにより、式7が得られる。
【0051】
【数7】
【0052】
ハーフビームスプリッタ119で反射され、さらにλ/4板123を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは、下記式8のようになる。
【0053】
【数8】
【0054】
式4で示される合成光は、ウォラストンプリズム125によってp偏光成分とs偏光成分に2分岐された後、電流差動型の光検出器128によって差動検出される。このとき光検出器128が出力する差動出力信号130(記号Q)は下記式9で表される。
【0055】
【数9】
【0056】
差動出力信号129の場合と同じように、式4〜6を式9に代入することにより、下記式10が得られる。
【0057】
【数10】
【0058】
画像生成部131は、式7と式5により表わされる信号に対して、下記式11の演算を実施することにより、信号光と参照光の位相差に依存しない、信号光の強度に比例した反射信号強度Sを生成する。式11には収差成分φsigとφrefが含まれておらず、信号から収差の影響が取り除かれていることが分かる。
【0059】
【数11】
【0060】
<実施の形態1:まとめ>
本実施形態1に係る光画像計測装置100は、サンプル容器109が信号光に対して付与する収差とほぼ同一の収差を、光学部材113によって参照光に対して付与する。これにより、参照光を通常の平面ミラーに照射する場合(参照光に収差を付与しない場合)と比べると、信号光の波面形状と参照光の波面形状が一致しないことによる信号強度の低下やz分解能の低下を大幅に抑制することができる。したがって、曲面を有するサンプル容器109越しに正確な測定結果を得ることができる。
【0061】
本実施形態1においては、光学部材113として、サンプル容器109と同一形状のものを用いたが、参照光に対して信号光と同じ収差を付与することができればどのようなものを用いてもよい。例えば空間位相変調器やデフォーマブルミラーなどのように、発生する収差量を電気的に制御する素子を用いることもできる。
【0062】
<実施の形態2>
図4は、本発明の実施形態2に係る光画像計測装置100の構成を示す模式図である。図1に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態2においては、信号光の集光位置を走査するためにガルバノミラー401と402を用い、参照光の集光位置を走査するためにガルバノミラー403と404を用いる。すなわち信号光と参照光それぞれを走査するために個別の光学素子を用いる。さらに光学部材113と反射部114は空間的に離間して形成されており、参照光は光学部材113を透過して反射部114に入射する。その他の構成は実施形態1と概ね同様であるので、以下では差異点について主に説明する。
【0063】
光源101から出射されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ106によって信号光と参照光に分岐される。偏光ビームスプリッタ106を反射した信号光は、ガルバノミラー401と402を反射し、光学軸方向が水平方向に対して約22.5度に設定されたλ/4板107によって偏光状態をs偏光から円偏光に変換された後、対物レンズ108によってサンプル110に集光して照射される。このとき、対物レンズ108による信号光の集光位置は、ガルバノミラー401と402によって、光軸に垂直な平面内で2次元的に走査される。
【0064】
偏光ビームスプリッタ106を透過した参照光は、ガルバノミラー403と404を反射し、光学軸方向が水平方向に対して約22.5度に設定されたλ/4板111によって偏光状態をp偏光から円偏光に変換された後、参照光レンズ112によって光学部材113に集光して照射される。このとき、参照光レンズ112による参照光の集光位置は、ガルバノミラー403と404によって、信号光の集光位置の走査と同期して光軸に垂直な平面内で2次元的に走査される。
【0065】
本実施形態2においては、信号光の集光位置の走査と参照光の集光位置の走査に異なるガルバノミラーペアを用いているので、それぞれの集光位置を独立に走査することができる。これにより、収差の影響を最小に抑えるために、参照光の集光位置走査の振幅や方向などを自由に調整できる。したがってサンプル容器109で発生する収差の影響をより高精度に抑制することができる。例えば、光学部材113とサンプル容器109が異なる曲率半径を有する球面から構成される場合においては、その曲率半径の違いを考慮したうえで、参照光に付与される収差と信号光に付与される収差が常にほぼ等しくなるように、参照光の集光位置を走査することができる。
【0066】
本実施形態2においては、反射部114は光学部材113から空間的に離間して形成されており、その位置はステージ405によって調整することができる。すなわち、光学部材113の位置と反射部114の位置を独立に調整することができる。このような構成とすることにより、収差の影響を最小に抑えるための調整の自由度が向上する。したがってサンプル容器109で発生する収差の影響をより高精度に抑制することができる。具体的には、実施形態1においては、光学部材113と反射部114が一体に形成されているので、参照光の光軸方向の集光位置は反射部114に固定せざるを得ない。すなわち光学部材113の光軸方向の位置は実質的に調整の自由度が存在しなかった。本実施形態2においては、参照光に付与される収差が信号光に付与される収差とほぼ等しくなうように、光軸方向位置も含めて自由に調整することができる。
【0067】
<実施の形態2:まとめ>
本実施形態2に係る光画像計測装置100は、信号光の集光位置と参照光の集光位置をそれぞれ独立した走査部により走査し、さらに光学部材113と反射部114を空間的に離間して形成した。これにより、サンプル容器109で発生する収差の影響を実施形態1よりも高精度に抑制し、正確な計測結果を得ることができる。
【0068】
<実施の形態3>
図5は、本発明の実施形態3に係る光画像計測装置100の構成を示す模式図である。図1に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態3においては、サンプル容器109からの反射光を参照光として利用している点が、実施形態1と異なる。以下では主に実施形態1との差異点について説明する。
【0069】
光源101から直線偏光状態で出射されたレーザ光は、コリメートレンズ102によって平行光に変換され、結晶軸方向を調整可能なλ/2板105によって偏光状態を調整され、偏光ビームスプリッタ501によって信号光と参照光とに分岐される。偏光ビームスプリッタ501を反射した信号光は、ミラー502を反射したのち、デフォーカス調整レンズ503と505を通過し、ミラー506を反射して偏光ビームスプリッタ507に入射される。デフォーカス調整レンズ503の光軸方向位置は、アクチュエータ504によって調整することができる。これにより信号光に任意のデフォーカス収差を付与することができる。本実施形態3においては、デフォーカス調整レンズ503の光軸方向位置を調整することにより、対物レンズ108による信号光の光軸方向の集光位置を任意の位置に設定することができる。
【0070】
偏光ビームスプリッタ507を反射した信号光は、ハーフビームスプリッタ508を反射したのち、ガルバノミラー103と104を通過し、対物レンズ108によってサンプル容器109のなかに配置されたサンプル110に集光して照射される。サンプル110から反射した信号光は、再びガルバノミラー103と104を通過し、さらにハーフビームスプリッタ508を透過したのちに、デフォーカス調整部515に入射する。
【0071】
デフォーカス調整部515に入射した信号光は、偏光ビームスプリッタ509を反射し、光学軸方向が水平方向に対して約22.5度に設定されたλ/4板510によって偏光状態をs偏光から円偏光に変換されたのちに、デフォーカス調整レンズ511を透過してデフォーマブルミラー512に入射する。デフォーマブルミラー512は、信号光がデフォーカス調整レンズ511を再び通過する際に、信号光が平行光に変換されるように、波面形状を調整する。デフォーマブルミラー512を反射した信号光は、デフォーカス調整レンズ511によって平行光に変換され、λ/4板510によって偏光状態を円偏光からp偏光に変換されたのち、偏光ビームスプリッタ509を透過する。偏光ビームスプリッタ509を透過した信号光は、光学軸方向が水平方向に対して約22.5度に設定されたλ/4板513によって偏光状態をp偏光から円偏光に変換されたのち、ミラー514を反射し、λ/4板513によって偏光状態を円偏光からs偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ509に再び入射する。
【0072】
本実施形態3においては、デフォーカス調整部515が備えるデフォーカス調整レンズ503と505が信号光に付与されたデフォーカスを補正する。これにより信号光の波面形状と参照光の波面形状を一致させることができる。
【0073】
偏光ビームスプリッタ507を透過した参照光は、信号光と同様にガルバノミラー103と104を通過し、対物レンズ108によってサンプル容器109のサンプル110側の面に集光して照射される。このとき、参照光は信号光と同一の光路で、同一のサンプル容器109を通過するので、サンプル容器109によって信号光に付与される収差とほぼ等しい収差が参照光にも付与される。これにより、参照光へ収差を付与するための光学部材113を別途設ける実施形態1と比べ、光学部材113の寸法誤差などの影響を受けることなく、信号光の波面と参照光の波面を高精度で一致させることができる。したがってサンプル容器109の収差の影響を高い精度で補正することができる。サンプル容器109を反射した参照光は、再びガルバノミラー103と104を通過し、さらにハーフビームスプリッタ508を透過したのちに、偏光ビームスプリッタ509に入射する。
【0074】
信号光と参照光は偏光ビームスプリッタ509によって波面がほぼ一致した状態で合波され、合成光が生成される。その後の光学系の動作は実施形態1と全く同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0075】
<実施の形態3:まとめ>
本実施形態3に係る光画像計測装置100は、サンプル容器109からの反射光を参照光として利用する。これにより、サンプル容器109で発生する収差の影響を実施形態1よりも高精度に抑制し、正確な計測結果を得ることができる。
【0076】
<本発明の変形例について>
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【0077】
画像生成部131は、これらの機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアを用いて構成することもできるし、これらの機能を実装したソフトウェアを演算装置が実行することにより構成することもできる。
【0078】
実施形態1において、ユーザがCCDカメラ118の出力をモニタすることにより、干渉縞を抑制するように光学部材113の位置を調整することとした。これに代えて例えば画像生成部131などの演算部が電動ステージ115を制御することにより、干渉縞を抑制するように光学部材113の位置を自動調整してもよい。例えばCCDカメラ118の出力を取得し、これに対して画像解析を実施することにより、干渉縞の程度を数値化することができる。その数値が小さくなるように、電動ステージ115を制御すればよい。干渉縞の程度は、例えば干渉縞がない(または少ない)画像パターンとの間の類似度を算出することにより数値化することもできるし、干渉縞のエッジを検出することにより数値化することもできる。その他適当な画像解析手法を用いてもよい。
【0079】
以上の実施形態においては、サンプル容器109として底面が曲面形状のものを使用したが、本発明の適用範囲は曲面形状には限定されず、V字形状や非球面形状などあらゆる形状(あるいはあらゆる材料、厚み)のサンプル容器109に対して適用することができる。例えば、曲率を持った流路やキャピラリにサンプル110を収容した場合であっても本発明を適用することができる。
【0080】
以上の実施形態においては、干渉光学系126において4つの干渉光を生成することとしたが、位相に依存しない信号を取得する上では、干渉光の数は3つ以上であればいくつでもかまわない。
【符号の説明】
【0081】
101:光源
102:コリメートレンズ
103,104:ガルバノミラー
106:偏光ビームスプリッタ
105,120:λ/2板
107,111,123:λ/4板
108:対物レンズ
109:サンプル容器
110:サンプル
112:参照光レンズ
113:光学部材
114:反射部
116:ハーフビームスプリッタ
121,124:集光レンズ
122,125:ウォラストンプリズム
126:干渉光学系
127,128:電流差動型の光検出器
131:画像生成部
132:画像表示部
図1
図2
図3A
図3B
図4
図5