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JP2013145199A - Optical interference observation device - Google Patents

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JP2013145199A JP2012006179A JP2012006179A JP2013145199A JP 2013145199 A JP2013145199 A JP 2013145199A JP 2012006179 A JP2012006179 A JP 2012006179A JP 2012006179 A JP2012006179 A JP 2012006179A JP 2013145199 A JP2013145199 A JP 2013145199A
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繁 中山
Hidemitsu Toba
英光 鳥羽
Saori Udagawa
里織 宇田川
Kumiko Nishimura
久美子 西村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical interference observation device capable of observing and measuring a three-dimentional object such as a biological sample or a fine uneven surface shape.SOLUTION: The optical interference observation device for observing a structure of an observation object, comprises: a light source that emits light having a plurality of wavelengths; an illumination optical system that splits the light from the light source into reference light and illumination light to irradiate the observation object with the illumination light from at least two directions; a detection unit that allows measurement light including structure information of the observation object, the measurement light being generated by irradiating the observation object with the illumination light to interfere with the reference light, and detects first and second interference light generated by interference between the measurement light and the reference light generated by the irradiation from the two directions, respectively; and an image data processing unit that generates image data on the basis of the first interference light and the second interference light detected by the detection unit.

Description

本発明は、生物試料などの3次元物体観察、微細な凹凸表面形状測定等に用いられる光干渉観察装置に関する。   The present invention relates to an optical interference observation apparatus used for observation of a three-dimensional object such as a biological sample, measurement of a fine uneven surface shape, and the like.

従来、生物試料などの3次元構造を観察するには、コンフォーカル顕微鏡やOCT(Optical Coherence Tomography)などが用いられている。コンフォーカル顕微鏡は、高分解能の3次元情報を得ることができるが、3次元的なプローブ走査が必要である。   Conventionally, a confocal microscope, OCT (Optical Coherence Tomography), or the like is used to observe a three-dimensional structure of a biological sample or the like. A confocal microscope can obtain high-resolution three-dimensional information, but requires three-dimensional probe scanning.

OCTは、μmオーダーの深さ方向の分解能とmmオーダーの深さ方向の観察範囲という特長を備えており、細胞の三次元構造を観察する有望な技術である(例えば、非特許文献1参照)。OCTは干渉の原理を利用し、光軸方向(Z方向)においては高い分解能を得ることができる。これは光源スペクトルの幅で決まる。フーリエドメイン方式のOCTでは、XY面内をプローブで走査するだけでZ方向に分解した情報を得ることができる。しかしながら、XY面内で高い分解能を得ようとすると、対物レンズのNAを大きくせざるを得ず、一度のXY面内走査で得られるピントずれが少ないZ方向の幅は制限される。したがって、所望のZ方向の領域を観察しようとすると、XY面内の精密な走査とZ方向のステップが必要になる。   OCT is a promising technique for observing a three-dimensional structure of a cell, having features of a resolution in the depth direction on the order of μm and an observation range in the depth direction on the order of mm (for example, see Non-Patent Document 1). . OCT uses the principle of interference and can obtain high resolution in the optical axis direction (Z direction). This is determined by the width of the light source spectrum. In Fourier domain OCT, information decomposed in the Z direction can be obtained simply by scanning the XY plane with a probe. However, if an attempt is made to obtain a high resolution in the XY plane, the NA of the objective lens must be increased, and the width in the Z direction with little focus shift obtained by one XY in-plane scan is limited. Therefore, to observe a desired region in the Z direction, precise scanning in the XY plane and a step in the Z direction are required.

上記フーリエドメイン方式には、主に、白色光源に分光器を組み合わせたタイプ、波長走査型光源を用いたタイプがある。タイムドメイン方式のOCTでは、XY面内のプローブ走査に加えて、物体あるいは参照面をZ方向に機械的に走査する必要がある。フルフィールド型のOCTは、空間的にコヒーレントな平面波で照明し、XY面内の2次元走査なしに3次元情報を得ることができる。このタイプのOCTにも、物体あるいは参照面を機械的に走査するタイムドメイン方式、波長走査型光源を用いたフーリエドメイン方式が存在する。   The Fourier domain method mainly includes a type in which a white light source is combined with a spectroscope and a type in which a wavelength scanning light source is used. In time domain OCT, in addition to probe scanning in the XY plane, it is necessary to mechanically scan an object or reference plane in the Z direction. Full-field OCT is illuminated with a spatially coherent plane wave, and three-dimensional information can be obtained without two-dimensional scanning in the XY plane. This type of OCT also includes a time domain system that mechanically scans an object or a reference surface and a Fourier domain system that uses a wavelength scanning light source.

D.huang, EA Swanson, cP Lin, JS Schuman, WG Stinson, W Chang, MR Hee, t Flotte, K Gragory, CA Puliafito and et. al, “Optical coherence tomography” Science Vol.254, No.5035, 1178-1181, 1991D. huang, EA Swanson, cP Lin, JS Schuman, WG Stinson, W Chang, MR Hee, t Flotte, K Gragory, CA Puliafito and et.al, “Optical coherence tomography” Science Vol.254, No.5035, 1178 -1181, 1991

ところで、上記のフルフィールド型OCTにおいてもピントの合致範囲が狭い場合にはZ方向のステップが必要となる。また、フルフィールド型OCTでは平面波を照射するため、試料の散乱ポテンシャルの3次元検出帯域が通常のOCTに比べて狭くなってしまう。また、OCT全般として、落射照明を用いて試料からの後方散乱光を検出しているので、後方散乱の弱い物体の観察や光軸に略平行な面構造、線構造の検出には不向きであるといった問題があった。   By the way, even in the above-described full-field OCT, if the focus matching range is narrow, a step in the Z direction is necessary. Further, since full-field OCT irradiates a plane wave, the three-dimensional detection band of the scattering potential of the sample becomes narrower than that of normal OCT. Further, as OCT in general, back-scattered light from a sample is detected using epi-illumination, it is not suitable for observation of an object with weak back-scattering, detection of a surface structure or line structure substantially parallel to the optical axis. There was a problem.

本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであり、広い検出帯域を有するとともに短時間で観察を行うことができる光干渉観察装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an optical interference observation apparatus that has a wide detection band and can perform observation in a short time.

本発明の光干渉観察装置は、複数の波長の光を放射する光源と、前記光源からの光を被観察物に少なくとも2方向から照射する照明光学系と、前記照明光学系からの光を参照光と照明光とに分岐する光分岐部材と、前記照明光を被観察物に照射することで発生する前記被観察物の構造情報を含んだ測定光と前記参照光とを干渉させ、前記2方向からの照射で発生するそれぞれの前記測定光と前記参照光とが干渉して生じた第一、第二干渉光を検出する検出部と、前記検出部で検出された前記第一干渉光および前記第二干渉光に基づき画像データを生成する画像データ処理部とを備え、前記被観察物の構造を観察することを特徴とする。   The optical interference observation apparatus of the present invention refers to a light source that emits light of a plurality of wavelengths, an illumination optical system that irradiates an object to be observed from at least two directions, and light from the illumination optical system. A light branching member that branches into light and illumination light, and interference between measurement light including structural information of the observed object generated by irradiating the observed light with the illumination light and the reference light, A detection unit for detecting first and second interference light generated by interference between the measurement light and the reference light generated by irradiation from a direction; the first interference light detected by the detection unit; An image data processing unit for generating image data based on the second interference light, and observing the structure of the object to be observed.

また、上記光干渉観察装置においては、前記画像データ処理部は、前記第一干渉光に基づき第一画像データを生成すると共に、前記第二干渉光に基づき第二画像データを生成し、
前記第一及び第二画像データを前記光源の光の波数毎に所定の変換処理を行うことで前記被観察物の構造情報としての物体散乱ポテンシャル情報を生成して前記被観察物の画像データを生成するのが好ましい。
In the optical interference observation apparatus, the image data processing unit generates first image data based on the first interference light, and generates second image data based on the second interference light.
The first and second image data is subjected to a predetermined conversion process for each wave number of light of the light source, thereby generating object scattering potential information as structure information of the object to be observed, and image data of the object to be observed. Preferably it is produced.

また、上記光干渉観察装置においては、前記光源は、前記被観察物に照射される光の波長を走査する波長走査型光源であるのが好ましい。   In the optical interference observation apparatus, it is preferable that the light source is a wavelength scanning light source that scans a wavelength of light applied to the object to be observed.

また、上記光干渉観察装置においては、前記照明光学系は、レーザー光源と前記レーザー光源の光を複数に分割するビームスプリッターと前記分割された光を前記被観察部に導く複数の光ファイバーとから構成されているのが好ましい。   In the optical interference observation apparatus, the illumination optical system includes a laser light source, a beam splitter that divides the light of the laser light source into a plurality of pieces, and a plurality of optical fibers that guide the divided light to the observation portion. It is preferable.

また、上記光干渉観察装置においては、前記画像データ処理部は、前記第一及び前記第二画像データを前記波数の関数としてフーリエ変換処理するステップと、前記波数ごとの複素振幅分布を算出するステップと、前記複素振幅分布に関して2次元フーリエ変換処理して前記複素振幅分布のスペクトルを求めるステップと、求められた前記複素振幅分布のスペクトルに基づき物体散乱ポテンシャルの3次元スペクトルを求めて合成するステップと、合成した散乱ポテンシャルの3次元スペクトルを3次元逆フーリエ変換処理して前記被観察物の散乱ポテンシャルを求めるステップとから成るのが好ましい。   In the optical interference observation apparatus, the image data processing unit performs a Fourier transform process on the first and second image data as a function of the wave number, and calculates a complex amplitude distribution for each wave number. A step of obtaining a spectrum of the complex amplitude distribution by performing a two-dimensional Fourier transform process on the complex amplitude distribution; a step of obtaining and synthesizing a three-dimensional spectrum of the object scattering potential based on the obtained spectrum of the complex amplitude distribution; And a step of obtaining a scattering potential of the object to be observed by performing a three-dimensional inverse Fourier transform on the synthesized three-dimensional spectrum of the scattering potential.

また、上記光干渉観察装置においては、前記照明光学系は、少なくとも2つの方向から前記被観察物を照明するための第一照明部と第二照明部とを備え、前記第一照明部と前記第二照明部とは前記被観察物に対して少なくとも2方向から照明するのが好ましい。   In the optical interference observation apparatus, the illumination optical system includes a first illumination unit and a second illumination unit for illuminating the object to be observed from at least two directions, and the first illumination unit and the second illumination unit The second illumination unit preferably illuminates the object to be observed from at least two directions.

また、上記光干渉観察装置においては、前記照明光学系の第一照明部および第二照明部は、該照明光学系の光軸に対して所定の角度をなす前記照明光を射出可能な光学ユニットを有するのが好ましい。   In the optical interference observation apparatus, the first illumination unit and the second illumination unit of the illumination optical system can emit the illumination light having a predetermined angle with respect to the optical axis of the illumination optical system. It is preferable to have.

また、上記光干渉観察装置においては、前記照明光学系は、落斜照明光学系又は透過照明光学系の少なくとも一方を含むのが好ましい。   In the optical interference observation apparatus, it is preferable that the illumination optical system includes at least one of a falling-down illumination optical system or a transmission illumination optical system.

また、上記光干渉観察装置においては、前記照明光学系は、落斜照明光学系および透過照明光学系を組み合わせることで構成されているのが好ましい。   In the optical interference observation apparatus, it is preferable that the illumination optical system is configured by combining a falling-down illumination optical system and a transmission illumination optical system.

また、上記光干渉観察装置においては、前記光学ユニットは、前記所定の角度の前記照明光を射出する光射出部を複数有するのが好ましい。   In the optical interference observation apparatus, it is preferable that the optical unit includes a plurality of light emitting units that emit the illumination light at the predetermined angle.

また、上記光干渉観察装置においては、前記照明光学系は、前記複数の光射出部から前記被観察物に対して前記照明光を異なる方向から同時に射出させるのが好ましい。   In the optical interference observation apparatus, it is preferable that the illumination optical system simultaneously emits the illumination light from different directions to the object to be observed from the plurality of light emitting units.

また、上記光干渉観察装置においては、前記照明光学系は、前記複数の光射出部から前記被観察物に対して前記照明光を異なる方向から時間順次に射出させるのが好ましい。   In the optical interference observation apparatus, it is preferable that the illumination optical system emits the illumination light from the plurality of light emission units to the object to be observed in time order from different directions.

また、上記光干渉観察装置においては、前記複数の光射出部は所定の光路長差を有し、前記複数の光射出部における光路長差を較正する光路長較正部を備えるのが好ましい。   Moreover, in the said optical interference observation apparatus, it is preferable that the said some light emission part has a predetermined optical path length difference, and is equipped with the optical path length calibration part which calibrates the optical path length difference in these several light emission parts.

また、上記光干渉観察装置においては、前記光路長較正部は、較正用部材の特徴点による干渉光を用いて被観察物位置の座標と画像検出器上の座標関係も較正するのが好ましい。   In the optical interference observation apparatus, it is preferable that the optical path length calibration unit also calibrates the coordinates of the position of the object to be observed and the coordinate relationship on the image detector using interference light from the characteristic points of the calibration member.

また、上記光干渉観察装置においては、前記光学ユニットは、照明光を異なる方向に反射させる走査ミラーを含み、前記走査ミラーは、前記照明光のスポットがリング上を移動するように前記照明光を反射させ、前記光源は、前記リング上を移動するスポット位置ごとに所定の波長走査を行うのが好ましい。   In the optical interference observation apparatus, the optical unit includes a scanning mirror that reflects illumination light in different directions, and the scanning mirror transmits the illumination light so that a spot of the illumination light moves on a ring. It is preferable that the light source performs a predetermined wavelength scan for each spot position that is reflected and moves on the ring.

本発明によれば、機械的な走査なしに、広い検出帯域を有するとともに短時間で観察を行うことができる。   According to the present invention, observation can be performed in a short time while having a wide detection band without mechanical scanning.

第1実施形態に係る観察装置の概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the observation apparatus which concerns on 1st Embodiment. 光源の構成を示した図。The figure which showed the structure of the light source. 光ファイバー102から照射される照明光で得られる帯域を示す図。The figure which shows the zone | band obtained with the illumination light irradiated from the optical fiber. 光ファイバー103から照射される照明光で得られる帯域を示す図。The figure which shows the zone | band obtained with the illumination light irradiated from the optical fiber 103. FIG. 光ファイバー104から照射される照明光で得られる帯域を示す図。The figure which shows the zone | band obtained with the illumination light irradiated from the optical fiber 104. FIG. 光ファイバー105から照射される照明光で得られる帯域を示す図。The figure which shows the zone | band obtained with the illumination light irradiated from the optical fiber 105. FIG. 光ファイバー106から照射される照明光で得られる帯域を示す図。The figure which shows the zone | band obtained with the illumination light irradiated from the optical fiber. 合成によって得られる帯域を示す図。The figure which shows the zone | band obtained by composition. 偏光ビームスプリッターに代えてビームスプリッターを備え、1/4波長板に代えて偏光板を備えた観察装置に係る構成を示す図。The figure which shows the structure which concerns on the observation apparatus provided with the beam splitter instead of the polarizing beam splitter, and was replaced with the polarizing plate instead of the quarter wavelength plate. 第2実施形態に係る観察装置が備える波長走査型レーザーの概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the wavelength scanning laser with which the observation apparatus which concerns on 2nd Embodiment is provided. 第2実施形態において測定光と参照光との干渉強度を示す図。The figure which shows the interference intensity | strength of measurement light and reference light in 2nd Embodiment. 図8に示した信号をフーリエ変換したスペクトルを示す図。The figure which shows the spectrum which carried out the Fourier-transform of the signal shown in FIG. 第1および第2実施形態の観察装置の変形例に係る構成を示す図。The figure which shows the structure which concerns on the modification of the observation apparatus of 1st and 2nd embodiment. 第3実施形態により付加される透過照明系の構成を示す図。The figure which shows the structure of the transmission illumination system added by 3rd Embodiment. 透過照明による3次元検出帯域を示す図。The figure which shows the three-dimensional detection zone | band by transmitted illumination. 落射照明と透過照明とを組み合わせた3次元検出帯域を示す図。The figure which shows the three-dimensional detection zone | band which combined epi-illumination and transmitted illumination. 本実施形態における効果を説明するための図。The figure for demonstrating the effect in this embodiment. 第4実施形態に係る観察装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the observation apparatus which concerns on 4th Embodiment. 光路長差の較正方法を説明するための図。The figure for demonstrating the calibration method of an optical path length difference. 複数の点光源を形成する別の構成を示す図。The figure which shows another structure which forms a some point light source.

以下、本発明の光干渉観察装置に係る実施形態として3次元観察装置に適用した構成について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a configuration applied to a three-dimensional observation apparatus as an embodiment of the optical interference observation apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
本実施形態に係る観察装置は、波長走査型の光源からの射出光を分岐して複数の照明光と参照光を生成し、照明光で試料を照明し、試料からの後方散乱光(測定光)を参照光との干渉によって検出するフルフィールド型のOCTから構成されるものである。また、本実施形態では、波長走査型光源を用いたフーリエドメイン方式のOCTについて説明する。
(First embodiment)
The observation apparatus according to this embodiment divides the light emitted from the wavelength scanning light source to generate a plurality of illumination light and reference light, illuminates the sample with the illumination light, and backscattered light (measurement light from the sample) ) Is detected by interference with the reference light, and is composed of a full-field type OCT. In this embodiment, Fourier domain OCT using a wavelength scanning light source will be described.

図1は第1実施形態に係る観察装置の概略構成を示す図である。図2(a)は光源の構成を示した図であり、図2(b)は各照明光を照射する光ファイバーの位置関係を示す図である。
図1において、光軸方向をZ方向とし、光軸に垂直で紙面に垂直な方向をX方向、紙面内の方向をY方向とする。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an observation apparatus according to the first embodiment. FIG. 2A is a diagram showing the configuration of the light source, and FIG. 2B is a diagram showing the positional relationship of the optical fibers that irradiate each illumination light.
In FIG. 1, the optical axis direction is the Z direction, the direction perpendicular to the optical axis and perpendicular to the paper surface is the X direction, and the direction in the paper surface is the Y direction.

図1、2に示されるように、本実施形態に係る観察装置100は、光源(照明光学系)50のレーザー光源部51の光を複数のビームスプリッター(分岐手段)52a〜52fで分割し、光ファイバー(光出射部)101〜106を用いて参照光及び照明光を生成するようになっている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the observation apparatus 100 according to the present embodiment divides the light from the laser light source unit 51 of the light source (illumination optical system) 50 by a plurality of beam splitters (branching means) 52a to 52f. Reference light and illumination light are generated using optical fibers (light emitting units) 101 to 106.

レーザー光源部51の波長走査の条件の一例としては、例えば試料13として光散乱性の強い生体試料を用いた場合、中心波長800nm、走査幅100nmに設定される。なお、生体試料であっても、散乱が弱い場合は中心波長を近赤外域とする必要は無く、上記波長走査条件は限定されるものではない。   As an example of the wavelength scanning condition of the laser light source 51, for example, when a biological sample having a high light scattering property is used as the sample 13, the center wavelength is set to 800 nm and the scanning width is set to 100 nm. Even in the case of a biological sample, if the scattering is weak, the center wavelength does not need to be in the near infrared region, and the wavelength scanning condition is not limited.

具体的にビームスプリッター52aは、レーザー光源部51に最も近い位置に配置されており、レーザー光源部51から照射された光の一部を透過させることで光ファイバー101〜103に導くとともに、レーザー光源部51から照射された光の一部を反射させることで光ファイバー104〜106に導くようになっている。   Specifically, the beam splitter 52a is disposed at a position closest to the laser light source unit 51 and transmits a part of the light emitted from the laser light source unit 51 to guide it to the optical fibers 101 to 103, and at the same time, the laser light source unit. A part of the light emitted from 51 is reflected so as to be guided to the optical fibers 104 to 106.

ビームスプリッター52bは、ビームスプリッター52aを透過した光の一部を反射させてレンズ53を介して光ファイバー101に導くとともに、それ以外の光を透過させるようになっている。このような構成に基づき、光ファイバー101は、参照光を照射する点光源を構成している。   The beam splitter 52b reflects part of the light transmitted through the beam splitter 52a and guides it to the optical fiber 101 through the lens 53, and transmits other light. Based on such a configuration, the optical fiber 101 constitutes a point light source that emits reference light.

ビームスプリッター52cは、ビームスプリッター52bを透過した光の一部を反射させることで、レンズ53を介して光ファイバー102に導くとともに、ビームスプリッター52bを透過した光の一部を透過させることでレンズ53を介して光ファイバー103に導くようになっている。   The beam splitter 52c reflects a part of the light transmitted through the beam splitter 52b, thereby guiding the light to the optical fiber 102 through the lens 53, and transmits the part of the light transmitted through the beam splitter 52b through the lens 53. Through the optical fiber 103.

ビームスプリッター52dは、ビームスプリッター52aで反射されたレーザー光源部51からの照射光の一部を透過又は反射させ、ビームスプリッター52f、52eに向かう照射光に分割する。   The beam splitter 52d transmits or reflects part of the irradiation light from the laser light source 51 reflected by the beam splitter 52a, and divides the irradiation light toward the beam splitters 52f and 52e.

ビームスプリッター52eはビームスプリッター52dで反射された光を透過及び反射させることで、レンズ53を介して透過光を光ファイバー104に導き、レンズ53を介して反射光を光ファイバー105に導くようになっている。   The beam splitter 52e transmits and reflects the light reflected by the beam splitter 52d, so that the transmitted light is guided to the optical fiber 104 via the lens 53, and the reflected light is guided to the optical fiber 105 via the lens 53. .

ビームスプリッター52fはビームスプリッター52dを透過した光を反射させることで光ファイバー106へと導くようになっている。なお、光ファイバー102〜106は、各々が照明光を照射する点光源を構成している。   The beam splitter 52f guides the light transmitted through the beam splitter 52d to the optical fiber 106 by reflecting the light. Each of the optical fibers 102 to 106 constitutes a point light source that emits illumination light.

本実施形態に係る光源50は、図2(a)に示すようにレーザー光源部51及び光ファイバー101間における光路長と、レーザー光源部51及び光ファイバー102〜106間における光路長とが異なっており、レーザー光源部51及び光ファイバー101間における光路長の方が短く設定され、レーザー光源部51及び光ファイバー102〜106間における光路長はそれぞれ同じ値に設定されている。ここで、光ファイバー101〜106は等しい長さのものを用いている。また、光ファイバー102〜106は、図2(b)に示すように、それぞれの照明光が後述のように試料13に対して所定の異なる方向から所定の角度で照射される位置に設けられている。   In the light source 50 according to the present embodiment, the optical path length between the laser light source unit 51 and the optical fiber 101 is different from the optical path length between the laser light source unit 51 and the optical fibers 102 to 106 as shown in FIG. The optical path length between the laser light source 51 and the optical fiber 101 is set shorter, and the optical path length between the laser light source 51 and the optical fibers 102 to 106 is set to the same value. Here, optical fibers 101 to 106 having the same length are used. Further, as shown in FIG. 2B, the optical fibers 102 to 106 are provided at positions where each illumination light is irradiated to the sample 13 from a predetermined different direction at a predetermined angle as will be described later. .

図1に示したように、光ファイバー101から照射された参照光用の光束は、コリメートレンズ1で光軸に平行な平面波に変換されるようになっている。また、光ファイバー102〜106から照射された照明光用の光束の各々はコリメートレンズ2で、それぞれ光軸に対して所定の角度、方位をもつ平面波に変換されるようになっている。   As shown in FIG. 1, the reference light beam emitted from the optical fiber 101 is converted into a plane wave parallel to the optical axis by the collimator lens 1. Further, each of the illumination light beams emitted from the optical fibers 102 to 106 is converted by the collimator lens 2 into a plane wave having a predetermined angle and direction with respect to the optical axis.

また、光源50は、光ファイバー101を介してP偏光の直線偏光からなる参照光を照射し、光ファイバー102〜106を介してS偏光の直線偏光からなる照明光を照射するように構成されている。これにより、光ファイバー101から照射された参照光(P偏光)は偏光ビームスプリッター3を透過し、光ファイバー102〜106から照射された照明光の各々(S偏光)は偏光ビームスプリッター3で反射されるようになっている。   The light source 50 is configured to irradiate reference light composed of P-polarized linearly polarized light via the optical fiber 101 and irradiate illumination light composed of S-polarized linearly polarized light via the optical fibers 102 to 106. Thereby, the reference light (P-polarized light) irradiated from the optical fiber 101 is transmitted through the polarization beam splitter 3, and each of the illumination light (S-polarized light) irradiated from the optical fibers 102 to 106 is reflected by the polarization beam splitter 3. It has become.

また、光ファイバー101から照射された参照光は偏光ビームスプリッター4を透過し、1/4波長板5、対物光学系6を経て参照ミラー7に入射するようになっている。対物光学系6は第1対物レンズ6aおよび第2対物レンズ6bから構成されるものである。   The reference light emitted from the optical fiber 101 passes through the polarization beam splitter 4 and enters the reference mirror 7 through the quarter-wave plate 5 and the objective optical system 6. The objective optical system 6 includes a first objective lens 6a and a second objective lens 6b.

参照ミラー7で反射された光は参照光として、対物光学系6、1/4波長板5を経て偏光ビームスプリッター4に入射するようになっている。そして、参照光は1/4波長板5を2回通過して偏光面が90°回転しているので偏光ビームスプリッター4で反射されるようになっている。   The light reflected by the reference mirror 7 enters the polarization beam splitter 4 through the objective optical system 6 and the quarter wavelength plate 5 as reference light. The reference light is reflected by the polarization beam splitter 4 because it passes through the quarter-wave plate 5 twice and its polarization plane is rotated by 90 °.

偏光ビームスプリッター4で反射した参照光はリレー光学系8、偏光板9を経て2次元画像検出器(光検出部)10に入射する。2次元画像検出器10は、例えばCCD等から構成されるものである。リレー光学系8は第1リレーレンズ8aおよび第2リレーレンズ8bから構成される。   The reference light reflected by the polarizing beam splitter 4 enters a two-dimensional image detector (light detection unit) 10 through a relay optical system 8 and a polarizing plate 9. The two-dimensional image detector 10 is composed of a CCD, for example. The relay optical system 8 includes a first relay lens 8a and a second relay lens 8b.

一方、偏光ビームスプリッター4で反射された各照明光は、1/4波長板11、対物光学系12を経て試料13に入射するようになっている。対物光学系(観察光学系)12は第1対物レンズ12aおよび第2対物レンズ12bから構成される。   On the other hand, each illumination light reflected by the polarization beam splitter 4 enters the sample 13 through the quarter-wave plate 11 and the objective optical system 12. The objective optical system (observation optical system) 12 includes a first objective lens 12a and a second objective lens 12b.

試料13からの後方散乱光は測定光となって光路をもどり、偏光ビームスプリッター4を透過して2次元画像検出器10へと入射する。ここで、測定光と参照光とは偏光板9を通ることで干渉する。すなわち、偏光板9は、参照光及び測定光を合成する合成手段を構成している。これにより、2次元画像検出器10には干渉画像が検出されることとなる。なお、全ての照明光の光路長差は既知とされているが、観察装置100は後述のように光路長差を検出し、該光路長差を較正するようにしている。   Backscattered light from the sample 13 returns to the optical path as measurement light, passes through the polarization beam splitter 4, and enters the two-dimensional image detector 10. Here, the measurement light and the reference light interfere with each other through the polarizing plate 9. That is, the polarizing plate 9 constitutes a combining unit that combines the reference light and the measurement light. Thereby, an interference image is detected by the two-dimensional image detector 10. Although the optical path length difference of all illumination light is known, the observation apparatus 100 detects the optical path length difference and calibrates the optical path length difference as will be described later.

本実施形態に係る観察装置100は、光源50が不図示のシャッター機構で光ファイバー102〜106を介して照射される5つの照明光を切り換え、各々を別々に試料13に照射可能となっている。
このような構成に基づき、観察装置100は、各測定光及び参照光における干渉画像を2次元画像検出器10が検出し、該2次元画像検出器10に接続された画像処理部40が試料13におけるデータ(干渉強度データ)を取得することができる。画像処理部40は取得したデータに基づいて後述のように試料13の散乱ポテンシャルを算出し、散乱ポテンシャルのデータに基づき試料13の画像を生成し、不図示の表示部に表示させるようになっている。
In the observation apparatus 100 according to the present embodiment, the light source 50 can switch the five illumination lights irradiated via the optical fibers 102 to 106 by a shutter mechanism (not shown), and each can irradiate the sample 13 separately.
Based on such a configuration, in the observation apparatus 100, the two-dimensional image detector 10 detects the interference image in each measurement light and reference light, and the image processing unit 40 connected to the two-dimensional image detector 10 has the sample 13. Data (interference intensity data) can be acquired. The image processing unit 40 calculates the scattering potential of the sample 13 based on the acquired data as described later, generates an image of the sample 13 based on the scattering potential data, and displays the image on a display unit (not shown). Yes.

続いて、本実施形態における画像処理部40によるデータの取得手順について具体的に説明する。
まず、観察装置100は、光源50の不図示のシャッターを制御し、光ファイバー102から照明光を射出させ、他の光ファイバー103〜106からの照明光を遮断する。そして、観察装置100は、この状態で波長走査データのセットを2次元画像検出器10によって取得する。
Subsequently, a data acquisition procedure by the image processing unit 40 in the present embodiment will be specifically described.
First, the observation apparatus 100 controls a shutter (not shown) of the light source 50, emits illumination light from the optical fiber 102, and blocks illumination light from the other optical fibers 103 to 106. And the observation apparatus 100 acquires the set of wavelength scanning data by the two-dimensional image detector 10 in this state.

続いて、観察装置100は、光源50のシャッターの開閉を順次制御することでファイバーを光ファイバー103から光ファイバー106へと切り換えつつ、波長走査データのセットを2次元画像検出器10によって取得する。   Subsequently, the observation apparatus 100 acquires a set of wavelength scanning data by the two-dimensional image detector 10 while switching the fiber from the optical fiber 103 to the optical fiber 106 by sequentially controlling the opening and closing of the shutter of the light source 50.

ここで、各々の照明光でレーザー光源部51が波長走査してえられた画像データのセットをD(x、y、k)とする。なお、x、yとは2次元画像検出器10上の座標から倍率関係で変換した物体(試料13)上の横座標を表すものである。また、kとは波長走査で変化する光の波数を表すものである。mとは光ファイバー102〜106から照射される各照明光を表し、本実施例ではm=0〜4により表される。 Here, a set of image data obtained by wavelength scanning of the laser light source unit 51 with each illumination light is defined as D m (x, y, k). Note that x and y represent the abscissa on the object (sample 13) converted from the coordinates on the two-dimensional image detector 10 in a magnification relationship. Further, k represents the wave number of light that changes in wavelength scanning. m represents each illumination light irradiated from the optical fibers 102 to 106, and is represented by m = 0 to 4 in this embodiment.

続いて、画像処理部40によるデータ解析方法及び作用について説明する。
まず、座標(x、y)ごとに、Dを波数kでフーリエ変換し、所定のバンドパスフィルターを施して信号成分を抽出し、DC成分、共役成分を除去する。さらに、逆フーリエ変換を施すことによって複素振幅分布U(x、y、k)を算出する。これにより、光波数ごとに分解された複素振幅分布を得ることができる。複素振幅分布U(x、y、k)は、試料の散乱ポテンシャル、照明光の複素振幅分布、瞳関数と式(1)の関係がある。ここで、式(1)中のW(x、y、z)は、試料の散乱ポテンシャル(V(x、y、z))及び照明光の複素振幅分布(Q(x、y、z))の積である。なお、照明光の複素振幅分布Qは、Q(x、y、z)=exp[ik(μx+μy+μz)]で表され、照明光(m=0〜4)に対応したμ、μ、μが適用される。
Next, a data analysis method and operation by the image processing unit 40 will be described.
First, for each coordinate (x, y), the Fourier transform of D m in the wave number k, it extracts a signal component by performing a predetermined band-pass filter, DC component, the conjugate components removed. Further, the complex amplitude distribution U m (x, y, k) is calculated by performing inverse Fourier transform. Thereby, the complex amplitude distribution decomposed | disassembled for every light wave number can be obtained. The complex amplitude distribution U m (x, y, k) is related to the scattering potential of the sample, the complex amplitude distribution of the illumination light, the pupil function, and Equation (1). Here, W (x, y, z) in Equation (1) is the sample scattering potential (V (x, y, z)) and the complex amplitude distribution of illumination light (Q (x, y, z)). Is the product of The complex amplitude distribution Q of the illumination light is represented by Q (x, y, z) = exp [ik (μ x x + μ y y + μ z z)], and illumination light (m = 0 to 4). Μ x , μ y , and μ z corresponding to are applied.

Figure 2013145199
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続いて、較正等によって既知である照明光間の光路長差の影響を補正する。基準とする照明光(m=0)に対する光路長差をδ(m=1〜4)とすると、exp(−ikδ)を複素振幅分布Uに乗算する。 Subsequently, the influence of the optical path length difference between illumination lights, which is known by calibration or the like, is corrected. When the optical path length difference with respect to the reference illumination light (m = 0) is δ m (m = 1 to 4), exp (−ik δ m ) is multiplied by the complex amplitude distribution U m .

続いて、補正を施したU(x、y、k)をx、yに関して2次元フーリエ変換を行い、複素振幅分布のスペクトルを求める。複素振幅分布のスペクトルは、物体散乱ポテンシャルの3次元スペクトルと下式(2)のような関係になっている。また、下式(3)のν、ν、νの関係式を満たす。この装置で検出される散乱ポテンシャルは、光学系の瞳内を通過する検出光と照明光の波数ベクトルの差に対応した波数ベクトルをもつことになる。 Subsequently, the corrected U m (x, y, k) is subjected to a two-dimensional Fourier transform with respect to x and y to obtain a spectrum of a complex amplitude distribution. The spectrum of the complex amplitude distribution has a relationship represented by the following equation (2) with the three-dimensional spectrum of the object scattering potential. Moreover, the relational expression of ν x , ν y , ν z in the following expression (3) is satisfied. The scattering potential detected by this apparatus has a wave vector corresponding to the difference between the wave vector of the detection light passing through the pupil of the optical system and the illumination light.

Figure 2013145199
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Figure 2013145199
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続いて、光の波数、照明光の波数ベクトルを参照しながら、物体散乱ポテンシャルの3次元スペクトルを合成する。この3次元スペクトルの合成においては、各々の照明条件で得られたスペクトルデータから等間隔格子点上のスペクトルデータを補間によって求める。それらを合成する際に、格子点上に1つのスペクトルデータしかない場合にはそのデータを採用し、複数存在する場合には平均値を採用する。さらに、画像処理部40は、合成した散乱ポテンシャルの3次元スペクトルを3次元逆フーリエ変換して、物体の散乱ポテンシャルを求める。合成した3次元スペクトルを下式(4)する。そして、下式(5)の演算を行う。     Subsequently, a three-dimensional spectrum of the object scattering potential is synthesized with reference to the wave number of light and the wave vector of illumination light. In the synthesis of the three-dimensional spectrum, spectral data on equidistant grid points is obtained by interpolation from spectral data obtained under each illumination condition. When combining them, if there is only one spectrum data on a lattice point, that data is adopted, and if there are a plurality of them, an average value is adopted. Further, the image processing unit 40 obtains the scattering potential of the object by performing a three-dimensional inverse Fourier transform on the synthesized three-dimensional spectrum of the scattering potential. The synthesized three-dimensional spectrum is expressed by the following formula (4). Then, the following equation (5) is calculated.

Figure 2013145199
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Figure 2013145199
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ところで、本実施形態に係る観察装置100は、光ファイバー102〜106から照射される照明光の方位、角度に対応した3次元検出帯域内の情報を測定できる。図3は光ファイバー102から照射される照明光で得られる3次元検出帯域(物体散乱ポテンシャルの中でこの境界で囲まれた空間周波数領域内の成分が検出される)を示すものである。図3は説明の都合上、左図と右図に分けて2次元的な表現をしている。図3のρ、ρ、ρは、波数ベクトルのx、y、z成分を示す。図3の左図は検出される空間周波数領域のρ断面図(ρ=0)であり、右図はこの空間周波数領域をρの負から正の方向に眺めた矢視図である。よって、図3の3次元検出帯域は、ρ軸を回転中心として左図を回転した駒状の領域となる。
同様に、図4は光ファイバー103から照射される照明光で得られる3次元検出帯域を示すものであり、図5は光ファイバー104から照射される照明光で得られる3次元検出帯域を示すものであり、図6は光ファイバー105から照射される照明光で得られる3次元検出帯域を示すものであり、図7は光ファイバー106から照射される照明光で得られる3次元検出帯域を示すものである。
図3と同様に、図4〜図7のρ、ρ、ρは、波数ベクトルのx、y、z成分を示す。図4および図6の左図はρ断面(ρ=0)を、図5および図7の左図はρ断面(ρ=0)を示している。右図はこの空間周波数領域をρの負から正の方向に眺めた矢視図である。
By the way, the observation apparatus 100 according to the present embodiment can measure information in the three-dimensional detection band corresponding to the azimuth and angle of illumination light emitted from the optical fibers 102 to 106. FIG. 3 shows a three-dimensional detection band (a component in the spatial frequency region surrounded by this boundary is detected in the object scattering potential) obtained by the illumination light irradiated from the optical fiber 102. For convenience of explanation, FIG. 3 is a two-dimensional representation divided into a left diagram and a right diagram. Ρ x , ρ y , and ρ z in FIG. 3 indicate the x, y, and z components of the wave vector. The left diagram of FIG. 3 is a ρ xz cross-sectional view (ρ y = 0) of the detected spatial frequency region, and the right diagram is an arrow view of this spatial frequency region viewed from the negative direction of ρ z to the positive direction. FIG. Thus, three-dimensional detection zone in FIG. 3 is a piece-like region by rotating the left as the center of rotation of the [rho z-axis.
Similarly, FIG. 4 shows a three-dimensional detection band obtained with illumination light emitted from the optical fiber 103, and FIG. 5 shows a three-dimensional detection band obtained with illumination light emitted from the optical fiber 104. 6 shows a three-dimensional detection band obtained with illumination light irradiated from the optical fiber 105, and FIG. 7 shows a three-dimensional detection band obtained with illumination light irradiated from the optical fiber 106. FIG.
Similar to FIG. 3, ρ x , ρ y , and ρ z in FIGS. 4 to 7 indicate the x, y, and z components of the wave vector. 4 and 6 show the ρ xz cross section (ρ y = 0), and the left diagrams of FIGS. 5 and 7 show the ρ yz cross section (ρ x = 0). Right figure is an arrow view as viewed the spatial frequency domain from a negative [rho z in the positive direction.

なお、本実施形態においては、3次元スペクトルの合成において各3次元帯域が重なる部分では平均操作を行ったが、光軸に平行な照明光(m=0)で得られるスペクトルを優先して使用することも可能である。このような合成によって得られる3次元検出帯域は図8に示されるものとなる。図8の左図は合成された検出帯域のρ断面図(ρ=0)を示し、右図は合成された領域をρの負から正の方向に眺めた矢視図である。 In this embodiment, the averaging operation is performed in the portion where the three-dimensional bands overlap in the synthesis of the three-dimensional spectrum, but the spectrum obtained with the illumination light parallel to the optical axis (m = 0) is used with priority. It is also possible to do. The three-dimensional detection band obtained by such synthesis is shown in FIG. The left diagram of FIG. 8 shows a ρ xz cross-sectional view (ρ y = 0) of the synthesized detection band, and the right diagram is an arrow view of the synthesized region viewed from the negative to the positive direction of ρ z . It is.

ところで、照明光の試料13に対する入射角は、物体(試料13)の散乱ポテンシャルの着目する周波数成分によって選択可能である。すなわち、照明光の入射角を大きくすれば、検出帯域に隙間が生じるものの、高い周波数成分を得ることができる。   Incidentally, the incident angle of the illumination light with respect to the sample 13 can be selected depending on the frequency component of interest of the scattering potential of the object (sample 13). That is, if the incident angle of the illumination light is increased, a high frequency component can be obtained although a gap is generated in the detection band.

一般に物体散乱ポテンシャルの高周波成分ほど小さく、それに相当する信号光が弱くなる傾向があり、本実施形態では入射角の大きな照明光が高周波成分を検出するようになっている。したがって、入射角の大きな照明光の振幅を大きくすることにより、或いは信号の強度に基づいて、照明光の振幅を調整することにより、SN比の改善を図ることも可能である。   In general, the high-frequency component of the object scattering potential is smaller and the corresponding signal light tends to be weaker. In this embodiment, illumination light having a large incident angle detects a high-frequency component. Therefore, the SN ratio can be improved by increasing the amplitude of the illumination light having a large incident angle or adjusting the amplitude of the illumination light based on the signal intensity.

以上述べたように、本実施形態に係る観察装置100によれば、試料13に対して光ファイバー102〜106から照明光を順次照射し、照明光の各々により上述のような検出帯域が得られるので、単一点光源照明の場合(図3参照)に比べて広い検出帯域での物体(試料13)の散乱ポテンシャル情報を取得することができる。   As described above, according to the observation apparatus 100 according to the present embodiment, the illumination light is sequentially irradiated from the optical fibers 102 to 106 to the sample 13, and the detection band as described above can be obtained by each of the illumination lights. The scattering potential information of the object (sample 13) in a wider detection band than in the case of single point light source illumination (see FIG. 3) can be acquired.

なお、上記実施形態では、レーザー光源部51からの射出光を複数(5つ)に分割して照明光を形成したが、レーザー光路を切り換えて複数の照明光を得るようにしてもよい。この場合、レーザーを参照光用と照明光用の2つに分割し、照明光の光路を切り換えればよい。また、5つに分割して照明光を形成したが、照明用光ファイバー(102〜106)は、最低限2つ以上の方向から試料を照明すればよく、少なくとも2つ以上の光ファイバーがあればよい。   In the above embodiment, the illumination light is formed by dividing the light emitted from the laser light source unit 51 into a plurality (five), but a plurality of illumination lights may be obtained by switching the laser light path. In this case, the laser may be divided into reference light and illumination light, and the optical path of the illumination light may be switched. In addition, although the illumination light is divided into five, the illumination optical fibers (102 to 106) may illuminate the sample from at least two directions, and at least two or more optical fibers may be provided. .

また、上記実施形態では、偏光ビームスプリッター4と1/4波長板11、5とを用いて参照光および照明光を分離及び合成する制御を行っているが、偏光ビームスプリッター4及び1/4波長板11、5を用いない構成も適用可能である。   In the above embodiment, the polarization beam splitter 4 and the quarter wavelength plates 11 and 5 are used to control to separate and combine the reference light and the illumination light. However, the polarization beam splitter 4 and the quarter wavelength are used. A configuration in which the plates 11 and 5 are not used is also applicable.

図9は、偏光ビームスプリッター4に代えてビームスプリッター20を備え、1/4波長板11、5に代えて偏光板21、22を備えた観察装置100に係る構成を示す図である。なお、図9に示す構成は、ビームスプリッター20及び偏光板21、22以外の構成については上記実施形態と同様であることから詳細な説明については省略するものとする。
図9に示した構成によれば、上記実施形態に比べて、2次元画像検出器10に入射する光量が減少するものの、同様に広い検出帯域での散乱ポテンシャル情報を得ることができる。
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of an observation apparatus 100 that includes a beam splitter 20 instead of the polarizing beam splitter 4 and includes polarizing plates 21 and 22 instead of the quarter-wave plates 11 and 5. The configuration shown in FIG. 9 is the same as that of the above-described embodiment except for the beam splitter 20 and the polarizing plates 21 and 22, and therefore detailed description thereof will be omitted.
According to the configuration shown in FIG. 9, although the amount of light incident on the two-dimensional image detector 10 is reduced as compared with the above embodiment, the scattering potential information in a wide detection band can be obtained similarly.

また、光源50の波長走査は、光の波数kが等間隔になるように走査するのが望ましい。例えば波数kの間隔が等間隔から大きくずれてしまう場合、2次元画像データのピクセルごとに、波数kで等間隔になるように干渉強度信号に補間操作を施すようにすればよい。   Further, the wavelength scanning of the light source 50 is desirably performed so that the wave number k of light is at equal intervals. For example, when the wavenumber k interval deviates greatly from the equal interval, the interpolation operation may be performed on the interference intensity signal so that the pixels of the two-dimensional image data have equal intervals at the wavenumber k.

(第2実施形態)
続いて、観察装置の第2実施形態に係る構成について説明する。本実施形態と上記第1実施形態との違いは、波長走査型レーザーの構成及びデータ解析方法の一部であり、それ以外の構成については同一である。そこで、以下の説明では、第1実施形態と同一の部材及び構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略若しくは簡略化するものとする。
(Second Embodiment)
Subsequently, a configuration according to the second embodiment of the observation apparatus will be described. The difference between the present embodiment and the first embodiment is part of the configuration of the wavelength scanning laser and the data analysis method, and the other configurations are the same. Therefore, in the following description, the same members and configurations as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted or simplified.

図10は第2実施形態に係る観察装置が備える光源部150の概略構成を示す図である。本実施形態に係る光源部150は、第1実施形態と異なり、各照明光の光路長が、所定の異なる光路長になるように設定されている。また、本実施形態では、シャッターによる照明光の切り換えは行わず、異なる光路長差を付与した各照明光を同時に試料に照明しつつ波長走査を行うようになっている。   FIG. 10 is a diagram illustrating a schematic configuration of the light source unit 150 included in the observation apparatus according to the second embodiment. Unlike the first embodiment, the light source unit 150 according to the present embodiment is set such that the optical path length of each illumination light has a predetermined different optical path length. In this embodiment, the illumination light is not switched by the shutter, and the wavelength scanning is performed while simultaneously illuminating the sample with each illumination light having different optical path length differences.

本実施形態では、光ファイバー101から照射される参照光と光ファイバー102〜106から照射される各照明光との光路差を9mm、10.5mm、12mm、13.5mm、15mmに設定している。各光ファイバー101〜106の長さを等しくし、図10の様にレンズ53の配置位置の違いによって、光路長差を調整する。この場合、高い波長走査分解能が必要となる。なお、図10に示す構成は、ビームスプリッター52c〜52fとレンズ53との間隔d1〜d5が順次大きくなるように設定される点において図2に示す図とは異なっている。   In this embodiment, the optical path difference between the reference light irradiated from the optical fiber 101 and each illumination light irradiated from the optical fibers 102 to 106 is set to 9 mm, 10.5 mm, 12 mm, 13.5 mm, and 15 mm. The lengths of the optical fibers 101 to 106 are made equal, and the optical path length difference is adjusted according to the difference in the arrangement position of the lens 53 as shown in FIG. In this case, high wavelength scanning resolution is required. 10 differs from the diagram shown in FIG. 2 in that the distances d1 to d5 between the beam splitters 52c to 52f and the lens 53 are set so as to increase sequentially.

図11は本実施形態において、試料13で反射された照明光(測定光)と参照光との干渉強度を示す図である。なお、図11における横軸は、光の波数(単位;mm−1)を示し、中心波数を2000mm−1(波長:500nm)とした。また、縦軸は干渉強度を示すものである。
図11は異なる光路長差をもった光の多光束干渉を示し、この信号を波数kでフーリエ変換することで図12に示されるスペクトルが得られる。このように本実施形態においては、多光束干渉の干渉強度をフーリエ変換することで該干渉強度に含まれる試料13からの反射散乱光成分を上記スペクトルとして抽出する。
FIG. 11 is a diagram showing the interference intensity between the illumination light (measurement light) reflected by the sample 13 and the reference light in the present embodiment. The horizontal axis in FIG. 11 represents the wave number (unit: mm −1 ) of light, and the center wave number was 2000 mm −1 (wavelength: 500 nm). The vertical axis indicates the interference intensity.
FIG. 11 shows multi-beam interference of light having different optical path length differences, and the spectrum shown in FIG. 12 is obtained by Fourier transforming this signal with a wave number k. As described above, in this embodiment, the reflected and scattered light component from the sample 13 included in the interference intensity is extracted as the spectrum by performing Fourier transform on the interference intensity of the multi-beam interference.

図12はこの信号を波数kでフーリエ変換したスペクトルを示すものである。なお、図12における横軸は変調周波数を示し、縦軸は信号スペクトルを示している。図12においては、ゼロ周波数近傍の信号はDC成分を示し、低周波の信号は測定光間の干渉成分(異なる照明光による)を示している。   FIG. 12 shows a spectrum obtained by Fourier-transforming this signal at a wave number k. In FIG. 12, the horizontal axis represents the modulation frequency, and the vertical axis represents the signal spectrum. In FIG. 12, a signal near zero frequency indicates a DC component, and a low-frequency signal indicates an interference component (due to different illumination light) between measurement lights.

解析に必要な参照光と測定光の干渉成分は比較的高い周波数をもつ5つのピークをもった信号である。そのため、これらの5つの信号成分を個別にバンドパスフィルターで切り出したものは、第1実施形態の解析で得られるものと同じ情報となる。ただし、あらかじめ付与した照明光の光路長差の情報は上述のように既知とされており、その光路長差に対応した補正処理を行うことが前提となる。
具体的には、上述した(数式1)の複素振幅分布U(x、y、k)に対して、較正等によって既知である照明光間の光路長差の影響を補正する。すなわち、基準とする照明光(m=0)に対する光路長差をδ(m=1〜4)とすると、exp(−ikδ)を乗算する。この後のデータ処理については第1実施形態と同様であることから説明を省略する。
The interference component between the reference light and the measurement light necessary for the analysis is a signal having five peaks having a relatively high frequency. Therefore, the information obtained by individually cutting out these five signal components with the band-pass filter is the same information as obtained by the analysis of the first embodiment. However, the information of the optical path length difference of the illumination light given in advance is known as described above, and it is assumed that correction processing corresponding to the optical path length difference is performed.
Specifically, for the complex amplitude distribution U m (x, y, k) of (Expression 1) described above, the influence of the optical path length difference between illumination lights that is known by calibration or the like is corrected. That is, if the optical path length difference with respect to the reference illumination light (m = 0) is δ m (m = 1 to 4), exp (−ik δ m ) is multiplied. Since the subsequent data processing is the same as in the first embodiment, a description thereof will be omitted.

なお、例えば参照光の強度を調整することで、この不要な成分(測定光間の干渉成分)を信号成分に対して相対的に低減させるようにしても良い。このように不要な成分を無視することができれば、上述した光路差を0.75mm、2.25mm、3.75mm、5.25mm、6.75mmに設定することができる。これによれば、上述した場合(光路差9mm、10.5mm、12mm、13.5mm、15mmの場合)に比べて低い波長走査分解能が許される。   For example, this unnecessary component (interference component between measurement beams) may be reduced relative to the signal component by adjusting the intensity of the reference beam. If unnecessary components can be ignored in this way, the optical path difference described above can be set to 0.75 mm, 2.25 mm, 3.75 mm, 5.25 mm, and 6.75 mm. According to this, a lower wavelength scanning resolution is allowed as compared with the case described above (when optical path differences are 9 mm, 10.5 mm, 12 mm, 13.5 mm, and 15 mm).

以上述べたように、本実施形態によれば、第1実施形態と異なり、5つの照明光の切り替え操作を行わずに同時に試料13に対して照射するので、より高速にデータを取得することができる。さらに、後述する照明光の光路長差検出も複数の照明光に対して同時にリアルタイム検出が可能となるため、高精度を得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, unlike the first embodiment, the sample 13 is irradiated simultaneously without performing the switching operation of the five illumination lights, so that data can be acquired at a higher speed. it can. Furthermore, since the optical path length difference detection of illumination light described later can be simultaneously detected in real time for a plurality of illumination lights, high accuracy can be obtained.

また、上記第2実施形態においては、5つの照明光を同時に照射する場合を例に説明したが、複数の照明光を複数のグループ分け、照明光を照射するグループを順次切り替えるようにしても良い。例えば、5つの照明光の中心に対応する光および周辺の1個に対応する光のグループを4回切り替えて測定しても構わない。また、5つの照明光の中心に対応する光および周辺の2個に対応する光のグループを2回切り替えて測定しても構わない。なお、各グループには5つの照明光の中心部に対応する照明光が常に含まれるようにし、照明光の位相関係を補正する。   Moreover, in the said 2nd Embodiment, although the case where the five illumination lights were irradiated simultaneously was demonstrated to the example, you may make it switch the group which irradiates illumination light to a plurality of groups by dividing a plurality of illumination lights sequentially. . For example, the measurement may be performed by switching the light corresponding to the center of five illumination lights and the group of light corresponding to one of the surroundings four times. Further, the measurement may be performed by switching the light corresponding to the center of the five illumination lights and the group of light corresponding to the two peripheral lights twice. Each group always includes illumination light corresponding to the central part of the five illumination lights, and the phase relationship of the illumination light is corrected.

続いて、上記実施形態1,2に係る観察装置の変形例について説明する。なお、本変形例は暗視野照明で観察を行う点において上記実施形態と相違しており、それ以外の構成は同一である。図13(a)は本変形例に係る観察装置に係る構成を示す図であり、図13(b)は各照明光を照射する光ファイバーの位置関係を示す図である。なお、図13は図9に係る構成について本変形例を適用した構成を示すものである。
図13(a)においても、光軸方向をZ方向とし、光軸に垂直で紙面に垂直な方向をX方向、紙面内の方向をY方向とする。
Subsequently, a modification of the observation apparatus according to Embodiments 1 and 2 will be described. Note that this modification is different from the above-described embodiment in that observation is performed with dark field illumination, and other configurations are the same. FIG. 13A is a diagram illustrating a configuration of an observation apparatus according to this modification, and FIG. 13B is a diagram illustrating a positional relationship of optical fibers that irradiate each illumination light. FIG. 13 shows a configuration in which the present modification is applied to the configuration according to FIG.
Also in FIG. 13A, the optical axis direction is the Z direction, the direction perpendicular to the optical axis and perpendicular to the paper surface is the X direction, and the direction in the paper surface is the Y direction.

本変形例では、図13(a),(b)に示されるように、光軸に平行な照明光(光ファイバー102)を除く光ファイバー103〜106を介して照明光を照射する。そして、リレー光学系8の物体側NA(開口数)を対物光学系6、12の像側NAよりも小さくするようにしている。この状態で、照明光の対物光学系6、12への入射角が、対物光学系の像側NA相当よりも小さく、かつ、リレー光学系8の物体側NA相当よりも大きくなるように設定する(暗視野照明)。このような構成では、図13に示されるように試料13がガラス基板(光軸に垂直)Gなどの試料室で保持されている場合に、試料室のガラス基板G平面からの正反射光を除去することができる。   In this modification, as shown in FIGS. 13A and 13B, illumination light is irradiated through optical fibers 103 to 106 excluding illumination light (optical fiber 102) parallel to the optical axis. The object side NA (numerical aperture) of the relay optical system 8 is made smaller than the image side NA of the objective optical systems 6 and 12. In this state, the incident angle of the illumination light to the objective optical systems 6 and 12 is set to be smaller than the image side NA equivalent of the objective optical system and larger than the object side NA equivalent of the relay optical system 8. (Dark field illumination). In such a configuration, as shown in FIG. 13, when the sample 13 is held in a sample chamber such as a glass substrate (perpendicular to the optical axis) G, the specularly reflected light from the plane of the glass substrate G in the sample chamber is generated. Can be removed.

(第3実施形態)
続いて、観察装置の第3実施形態に係る構成について説明する。本実施形態は、第1実施形態に係る構成に対して透過照明を追加した構成となっており、それ以外の構成については同一である。そこで、以下の説明では、第1実施形態と同一の部材及び構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略若しくは簡略化するものとする。
(Third embodiment)
Subsequently, a configuration according to the third embodiment of the observation apparatus will be described. This embodiment has a configuration in which transmitted illumination is added to the configuration according to the first embodiment, and the other configurations are the same. Therefore, in the following description, the same members and configurations as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted or simplified.

本実施形態では、光源50の分割数を4つ増やし、透過照明にも所定の入射角で4方位からの照明を行う構成になっている。図14は本実施形態により付加した透過照明系の構成を示す図であり、図14(a)は透過照明系の構成を示した図であり、図14(b)は各透過照明光を照射する光ファイバーの位置関係を示す図である。なお、光学系の屈折率分散の影響を抑えるために、透過照明系についても落射照明系と同じ構成を採用している。図14(a)においても、光軸方向をZ方向とし、光軸に垂直で紙面に垂直な方向をX方向、紙面内の方向をY方向とする。   In the present embodiment, the number of divisions of the light source 50 is increased by four, and the illumination from four directions is also performed for the transmitted illumination at a predetermined incident angle. FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a transmission illumination system added according to the present embodiment, FIG. 14 (a) is a diagram showing a configuration of the transmission illumination system, and FIG. 14 (b) is an irradiation of each transmission illumination light. It is a figure which shows the positional relationship of the optical fiber to perform. In addition, in order to suppress the influence of the refractive index dispersion of the optical system, the same configuration as the epi-illumination system is adopted for the transmission illumination system. Also in FIG. 14A, the optical axis direction is the Z direction, the direction perpendicular to the optical axis and perpendicular to the paper surface is the X direction, and the direction in the paper surface is the Y direction.

透過照明系90は、図14(a)に示すように光ファイバー202〜205を介して照射された照明光の光束の各々はコリメートレンズ2で、それぞれ光軸に対して所定の角度、方位をもつ平面波に変換されるようになっている。本実施形態では、光軸と平行な照明光を除いた4方向から光ファイバー202〜205を介して照射するようにしている。   In the transmission illumination system 90, as shown in FIG. 14A, each of the light beams of illumination light irradiated through the optical fibers 202 to 205 is a collimator lens 2 and has a predetermined angle and direction with respect to the optical axis. It is converted to a plane wave. In the present embodiment, irradiation is performed via the optical fibers 202 to 205 from four directions excluding illumination light parallel to the optical axis.

透過照明光は、偏光ビームスプリッター108を反射し、偏光ビームスプリッター109で反射された後、1/4波長板110、対物光学系111を経て試料13を透過する。対物光学系111は第1対物レンズ111aおよび第2対物レンズ111bから構成される。試料13を透過した透過散乱光は、図1に示した対物光学系12、1/4波長板11、偏光ビームスプリッター4、リレー光学系8、及び偏光板9を経て、2次元画像検出器10へと入射する。
ここで、本実施形態に係る透過照明による3次元検出帯域(例えば、光ファイバー203から照射される透過照明光によるもの)を図15に示す。また、本実施形態で得られる落射照明と透過照明とを組み合わせた3次元検出帯域を図16に示す。図15および図16の左図は検出される空間周波数領域のρ断面図(ρ=0)であり、右図はこの空間周波数領域をρの負から正の方向に眺めた図である。
The transmitted illumination light is reflected by the polarization beam splitter 108, reflected by the polarization beam splitter 109, and then transmitted through the sample 13 through the quarter wavelength plate 110 and the objective optical system 111. The objective optical system 111 includes a first objective lens 111a and a second objective lens 111b. Transmitted scattered light that has passed through the sample 13 passes through the objective optical system 12, the quarter wavelength plate 11, the polarizing beam splitter 4, the relay optical system 8, and the polarizing plate 9 shown in FIG. Incident to.
Here, a three-dimensional detection band (for example, transmitted light transmitted from the optical fiber 203) by transmitted illumination according to this embodiment is shown in FIG. FIG. 16 shows a three-dimensional detection band obtained by combining epi-illumination and transmission illumination obtained in this embodiment. 15 and 16 are ρ xz cross-sectional views (ρ y = 0) of the detected spatial frequency domain, and the right diagram shows the spatial frequency domain viewed from the negative of ρ z to the positive direction. It is a figure.

図16に示されるように、落射照明だけの帯域(第1実施形態の図8参照)に比べて、さらに帯域を拡大できることがわかる。本実施形態によれば、例えば試料13として図17に模式的に示したような立体的な細胞を観察した場合に、細胞膜の上面部13aに加えて側面部分13bも検出できるようになる。第1実施形態では、試料13の後方散乱性が弱いときには検出できないものの、透過照明を付加した本実施形態によれば良好な観察を行うことができる。   As shown in FIG. 16, it can be seen that the band can be further expanded as compared with the band of only the epi-illumination (see FIG. 8 of the first embodiment). According to this embodiment, for example, when a three-dimensional cell as schematically shown in FIG. 17 is observed as the sample 13, the side surface portion 13b can be detected in addition to the upper surface portion 13a of the cell membrane. In the first embodiment, although it cannot be detected when the backscattering property of the sample 13 is weak, good observation can be performed according to the present embodiment to which transmitted illumination is added.

(第4実施形態)
続いて、観察装置の第4実施形態に係る構成について説明する。本実施形態は上記第1実施形態に対して照明光学系を変更した構成となっており、それ以外の構成については同一である。そこで、以下の説明では、第1実施形態と同一の部材及び構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略若しくは簡略化するものとする。
(Fourth embodiment)
Subsequently, a configuration according to the fourth embodiment of the observation apparatus will be described. The present embodiment has a configuration in which the illumination optical system is changed with respect to the first embodiment, and the other configurations are the same. Therefore, in the following description, the same members and configurations as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted or simplified.

第1実施形態では、照明光として固定された複数の点光源を用いたが、本実施形態においては、照明光がリング上を回転する走査型光源から照射されるようになっている。図18は本実施形態に係る観察装置300の構成を示す図である。   In the first embodiment, a plurality of point light sources fixed as illumination light are used. However, in this embodiment, illumination light is emitted from a scanning light source that rotates on a ring. FIG. 18 is a diagram illustrating a configuration of the observation apparatus 300 according to the present embodiment.

本実施形態に係る観察装置300では、光源350にてレーザー光源部51の光が参照光用と照明光用とに分割される。光源350は、レーザー光源部51と、該レーザー光源部51から照射された光を参照光用と照明光用とに分離するビームスプリッター(不図示)と、分離後の照明光を照射する光ファイバー301と、分離後の参照光を照射する光ファイバー302と、を含んでいる。   In the observation apparatus 300 according to the present embodiment, the light from the laser light source unit 51 is divided by the light source 350 into reference light and illumination light. The light source 350 includes a laser light source unit 51, a beam splitter (not shown) that separates light emitted from the laser light source unit 51 into reference light and illumination light, and an optical fiber 301 that emits the separated illumination light. And an optical fiber 302 that emits the reference light after separation.

第1実施形態では、照明光用として複数のビームスプリッター52a〜52fにより分離された5つの点光源を用いたが、本実施形態では光ファイバー301から照射された照明光はレンズ303を介して走査ミラーMRで反射される。ここで、走査ミラーMRは、集光レンズ304の焦点面上にリング状のスポットの軌跡を描くように照明光を反射させるようになっている。そして、集光レンズ304を通った光は、コリメートレンズ305で光軸に対して所定の角度、方位をもつ平面波に変換されるようになっている。すなわち、本実施形態では、走査ミラーMRで照明光を反射させることで複数の光ファイバーを用いることなく、上記実施形態と同様に異なる方向から所定角度で試料13に入射する複数種類の照明光を生成することができる。
一方、光ファイバー302から照射された照明光はコリメートレンズ306で光軸に平行な平面波に変換されるようになっている。
In the first embodiment, five point light sources separated by a plurality of beam splitters 52 a to 52 f are used for illumination light. In this embodiment, illumination light emitted from the optical fiber 301 is scanned by a scanning mirror via a lens 303. Reflected by MR. Here, the scanning mirror MR reflects illumination light so as to draw a locus of a ring-shaped spot on the focal plane of the condenser lens 304. The light passing through the condenser lens 304 is converted into a plane wave having a predetermined angle and direction with respect to the optical axis by the collimator lens 305. That is, in this embodiment, the illumination light is reflected by the scanning mirror MR, and a plurality of types of illumination light incident on the sample 13 from different directions are generated from different directions as in the above embodiment without using a plurality of optical fibers. can do.
On the other hand, the illumination light irradiated from the optical fiber 302 is converted into a plane wave parallel to the optical axis by the collimator lens 306.

このようにして生成された照明光及び参照光は、上記実施形態と同様、干渉画像が2次元画像検出器10によって検出され、観察装置300は試料13におけるデータ(干渉強度データ)を取得することができる。   In the illumination light and the reference light generated in this manner, the interference image is detected by the two-dimensional image detector 10 as in the above embodiment, and the observation apparatus 300 acquires data (interference intensity data) in the sample 13. Can do.

ここで、リング上の各点ごとに波長走査のデータセットを取得し、データ解析を行う。本実施形態で得られる帯域は、図8に示した中心の帯域を除き、方位をステップ数に応じて増やしたものとなるため、より等方的な検出帯域を得ることができる。なお、リング上を回転する走査型光源を第3実施形態で説明した透過照明系に適用するようにしても構わない。   Here, a data set of wavelength scanning is acquired for each point on the ring, and data analysis is performed. The band obtained in the present embodiment is obtained by increasing the azimuth according to the number of steps except for the central band shown in FIG. 8, and thus a more isotropic detection band can be obtained. A scanning light source that rotates on the ring may be applied to the transmission illumination system described in the third embodiment.

本実施形態によれば、照明光を走査ミラーMRで反射させることでスポットの軌跡がリング上を移動するため、上記実施形態と同様、光ファイバー301のみを介して複数の照明光を照射することができる。よって、単一点光源照明の場合に比べて広い検出帯域を有する。   According to this embodiment, since the locus of the spot moves on the ring by reflecting the illumination light with the scanning mirror MR, a plurality of illumination lights can be irradiated only through the optical fiber 301 as in the above embodiment. it can. Therefore, it has a wider detection band than the case of single point light source illumination.

以上述べたように、本発明では、上述した実施形態のように、異なる角度、方位の照明光によって得られる散乱光を検出し、物体散乱ポテンシャルのスペクトルを合成するため、照明光間の位相関係が重要となる。そこで、上記実施形態では複数の照明光の光路長差の較正を行っている。以下、較正方法について説明する。   As described above, in the present invention, as in the above-described embodiment, the scattered light obtained by illumination light having different angles and directions is detected, and the spectrum of the object scattering potential is synthesized. Is important. Therefore, in the above embodiment, calibration of the optical path length differences of the plurality of illumination lights is performed. Hereinafter, the calibration method will be described.

図19は光路長差の較正方法を説明するための図である。光路長差を較正する方法としては、後述する3つの方法を例示することができる。なお、図19は第1実施形態に係る観察装置100の構成を例に挙げて図示している。   FIG. 19 is a diagram for explaining a calibration method of the optical path length difference. As a method for calibrating the optical path length difference, the following three methods can be exemplified. FIG. 19 illustrates the configuration of the observation apparatus 100 according to the first embodiment as an example.

第1としては、画像処理部40は、例えば光学系の倍率関係があらかじめ既知の場合に、図19に示される較正用平面ミラー30を設置して波長走査データを取得することで照明角、方位、照明光間の光路長差を抽出することが可能となる。これにより、画像処理部40は光路長差を較正することで高精度かつ高精細な観察を行うことができる。   First, the image processing unit 40 installs the calibration plane mirror 30 shown in FIG. 19 and acquires the wavelength scanning data when the magnification relationship of the optical system is known in advance, for example, and the illumination angle and direction. It becomes possible to extract the optical path length difference between illumination lights. Thereby, the image processing unit 40 can perform high-precision and high-definition observation by calibrating the optical path length difference.

第2としては、例えば光学系(図1における対物光学系6,12、及びリレー光学系8)の倍率関係が既知で無い場合に、図19に示される較正用リファレンス31を設置して波長走査データを取得することで光路長差を抽出することができる。この較正用リファレンス31は、複数の微小な散乱点を既知の座標に配置したものであり、該較正用リファレンス31に対して光源50から照明光を照射することで散乱点からの散乱光と参照光の干渉光に基づいて光学系の倍率、照明角、方位、照明光間の光路長差を抽出することが可能となる。これにより、画像処理部40は光路長差を較正することで高精度かつ高精細な観察を行うことができる。   Second, for example, when the magnification relationship of the optical system (the objective optical systems 6 and 12 and the relay optical system 8 in FIG. 1) is not known, the calibration reference 31 shown in FIG. The optical path length difference can be extracted by acquiring the data. The calibration reference 31 has a plurality of minute scattering points arranged at known coordinates. By irradiating the calibration reference 31 with illumination light from the light source 50, reference is made to scattered light from the scattering points. Based on the interference light, it is possible to extract the magnification of the optical system, the illumination angle, the direction, and the optical path length difference between the illumination lights. Thereby, the image processing unit 40 can perform high-precision and high-definition observation by calibrating the optical path length difference.

第3としては、例えば試料13を一対のガラス基板G間に保持する試料ホルダー33に平面部がある場合には、その平面部を較正用ミラーとして利用するものである。具体的に、平面部33aに複数の微小な散乱点を既知の座標に配置した試料ホルダー33を基準点付きホルダーとして利用し、該平面部33aに対して光源50から照明光を照射することで散乱点からの散乱光と参照光の干渉光に基づいて光学系の倍率、照明角、方位、照明光間の光路長差を抽出することが可能となる。この場合、試料ホルダー33に試料13を保持した状態で光路長差を抽出できるので、リアルタイムでの較正が可能となり、試料13の温度変化などに起因したドリフトの影響を軽減できる。   Thirdly, for example, when the sample holder 33 that holds the sample 13 between the pair of glass substrates G has a flat portion, the flat portion is used as a calibration mirror. Specifically, a sample holder 33 in which a plurality of minute scattering points are arranged at known coordinates on the plane portion 33a is used as a holder with a reference point, and illumination light is emitted from the light source 50 to the plane portion 33a. Based on the scattered light from the scattering point and the interference light of the reference light, the magnification of the optical system, the illumination angle, the direction, and the optical path length difference between the illumination light can be extracted. In this case, since the optical path length difference can be extracted while the sample 13 is held in the sample holder 33, real-time calibration is possible, and the influence of drift due to a temperature change of the sample 13 can be reduced.

なお、第2実施形態に示したように複数の角度、方位の照明光を上記試料ホルダー33(平面部33a)に同時に入射するようにすれば、照明光間の光路長差をリアルタイムに検出、較正できるので、より高精度、高精細な観察を行うことができる。本説明では、画像処理部40が光路長差を較正する光路長較正部を兼ねた場合について説明したが、光路長較正部を画像処理部40とは別途に設けるようにしても良いし、観察装置の全体の制御を行う制御部の一部が光路長較正部を構成するようにしても良い。   As shown in the second embodiment, if illumination light having a plurality of angles and directions is simultaneously incident on the sample holder 33 (plane portion 33a), the optical path length difference between the illumination lights can be detected in real time. Since calibration can be performed, observation with higher precision and higher definition can be performed. In this description, the case where the image processing unit 40 also serves as the optical path length calibration unit that calibrates the optical path length difference has been described. However, the optical path length calibration unit may be provided separately from the image processing unit 40 or may be observed. A part of the control unit that controls the entire apparatus may constitute the optical path length calibration unit.

また、上記実施形態では、生物試料等について3次元観察を行う場合を例に説明したが、本発明は微細な凹凸を含む2次元的な表面形状測定に適用することもできる。このような測定は、5つの照明光を同時に被検面に入射させ、反射光を検出する上記第2実施形態に係る観察装置により実現可能である。なお、光学系のピントは被検面に合わせる。   In the above-described embodiment, the case where three-dimensional observation is performed on a biological sample or the like has been described as an example. However, the present invention can also be applied to two-dimensional surface shape measurement including fine unevenness. Such a measurement can be realized by the observation apparatus according to the second embodiment in which five illumination lights are simultaneously incident on the test surface and the reflected light is detected. The focus of the optical system is adjusted to the surface to be measured.

表面形状測定を行う場合のデータ解析は、第2実施形態と同様、波長走査して得られた画像データセットを、波数kでフーリエ変換して、照明角ごとの干渉信号成分をバンドパスフィルターで別々に抽出し、それぞれを逆フーリエ変換する。これにより、照明角ごと、光の波数ごとの複素振幅分布に分解できる。   As in the second embodiment, the data analysis when measuring the surface shape is performed by Fourier transforming the image data set obtained by wavelength scanning with the wave number k, and the interference signal component for each illumination angle is obtained with a bandpass filter. Separately extract and inverse Fourier transform each. Thereby, it can be decomposed into a complex amplitude distribution for each illumination angle and for each wave number of light.

続いて、求めた複素振幅分布に照明光間の光路長差の補正を施し、複素振幅分布にXYの2次元フーリエ変換を施す。また、照明角ごとに付与された波数ベクトル分だけスペクトルをシフトして合成する。さらに、逆フーリエ変換を行い、複素振幅分布を求める。求めた複素振幅分布から位相を算出し、被検面の形状を算出する。これら一連の解析処理によって、光の波数ごとに被検面形状の測定値が算出される(波長走査ポイント数分の被検面形状データが得られる)。なお、スペクトル合成時には必要に応じて平均処理を施すことでより高精度な測定結果を得ることができる。   Subsequently, the obtained complex amplitude distribution is corrected for an optical path length difference between illumination lights, and XY two-dimensional Fourier transform is performed on the complex amplitude distribution. Further, the spectrum is shifted and synthesized by the wave number vector given for each illumination angle. Further, inverse Fourier transform is performed to obtain a complex amplitude distribution. The phase is calculated from the obtained complex amplitude distribution, and the shape of the test surface is calculated. Through these series of analysis processes, measured values of the test surface shape are calculated for each wave number of light (test surface shape data corresponding to the number of wavelength scanning points is obtained). In addition, a more accurate measurement result can be obtained by performing an averaging process as necessary at the time of spectrum synthesis.

このように第2実施形態に係る観察装置を2次元的な表面形状測定に適用すれば、照明光の切り換えが不要となるため、高速で測定を行うことができる。このとき、被検面形状の検出帯域は、単一点光源照明の場合に比べて帯域が拡大するので、より微細な構造の定量的な測定が可能になる。また、前述の方法により照明光の光路長差を較正するようにすれば、より高精度な計測を行うことができる。   As described above, when the observation apparatus according to the second embodiment is applied to two-dimensional surface shape measurement, it is not necessary to switch illumination light, so that measurement can be performed at high speed. At this time, since the detection band of the test surface shape is expanded compared to the case of single point light source illumination, quantitative measurement of a finer structure is possible. Further, if the optical path length difference of the illumination light is calibrated by the above-described method, more accurate measurement can be performed.

上記実施形態に係る観察装置のように本発明に係る構成を生物試料等の3次元観察に適用した場合は、波長走査(波長幅)、複数角度の照明によって3次元検出帯域の拡大効果を得ることができる。一方、本発明を2次元的な表面形状計測に適用した場合は、波長走査により、DC、信号成分、共役成分の分離、位相分布抽出の効果を得ることができ、2次元的な検出帯域の拡大効果は複数角度の照明によって得ることができる。   When the configuration according to the present invention is applied to the three-dimensional observation of a biological sample or the like like the observation device according to the above embodiment, the effect of expanding the three-dimensional detection band is obtained by wavelength scanning (wavelength width) and illumination at a plurality of angles. be able to. On the other hand, when the present invention is applied to two-dimensional surface shape measurement, the effects of DC, signal component, conjugate component separation, and phase distribution extraction can be obtained by wavelength scanning. The magnification effect can be obtained by illumination at multiple angles.

なお、本発明は上記実施形態或いは変形例に係る構成に限定されることは無く、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、波長走査可能な光源50であればレーザー光を用いる必要は無い。   In addition, this invention is not limited to the structure which concerns on the said embodiment or modification, In the range which does not deviate from the meaning of invention, it can change suitably. For example, in the embodiment described above, it is not necessary to use laser light as long as the light source 50 is capable of wavelength scanning.

また、上記実施形態では、光源の光ファイバー101(参照光)と光ファイバー102〜106(照明光)とを別の場所に配置して、偏光ビームスプリッター3を介して分岐していたが、これに限ることは無く、同一箇所に配置ができる。具体的には、例えば図1において、光ファイバー101の場所に、光ファイバー101の代わりに光ファイバー102〜106の照明光源を配置し、偏光ビームスプリッター3を外す。そして、参照ミラー7の光軸上の位置を移動して、試料13と所定の光路長差を設けるようにする。このように図1の構成を変更することで、光源(光ファイバー)を一箇所に配置できる。   Moreover, in the said embodiment, although the optical fiber 101 (reference light) of the light source and the optical fibers 102-106 (illumination light) were arrange | positioned in another place and branched via the polarization beam splitter 3, it is restricted to this. There is nothing and can be arranged in the same place. Specifically, for example, in FIG. 1, the illumination light sources of the optical fibers 102 to 106 are arranged in place of the optical fiber 101 at the place of the optical fiber 101, and the polarization beam splitter 3 is removed. Then, the position on the optical axis of the reference mirror 7 is moved to provide a predetermined optical path length difference from the sample 13. Thus, by changing the configuration of FIG. 1, the light source (optical fiber) can be arranged in one place.

このとき、光ファイバー102からの射出光を試料13に向かう照明光と参照ミラーに向かう参照光に分岐するために、PBS4に対するS偏光、P偏光の2つの偏光成分を同時に射出するようになっている。例えば、射出光が直線偏光で、その偏光面がPBSのS偏光、P偏光と平行ではない所定の角度を有する状態にする。   At this time, in order to branch the emitted light from the optical fiber 102 into illumination light directed to the sample 13 and reference light directed to the reference mirror, two polarization components of S-polarized light and P-polarized light for the PBS 4 are emitted simultaneously. . For example, the emitted light is linearly polarized light, and the polarization plane is set to a state having a predetermined angle that is not parallel to the S-polarized light and P-polarized light of PBS.

光ファイバー102が偏波面保存ファイバーの場合は、例えば、偏波面の方位を回転、調整する機構を付与し、照明光と参照光の強度比を調整できるようにしてもよい。   When the optical fiber 102 is a polarization plane preserving fiber, for example, a mechanism for rotating and adjusting the orientation of the polarization plane may be provided so that the intensity ratio of the illumination light and the reference light can be adjusted.

また、上記変形例の参照ミラー7の光軸上の位置を変更しない場合には、光ファイバー102に偏波面保存ファイバーを用い、伝搬する2つの偏光成分(直交)に光路長差を付与するような構成とすればよい。   Further, when the position on the optical axis of the reference mirror 7 of the above modification is not changed, a polarization plane preserving fiber is used for the optical fiber 102, and an optical path length difference is given to two propagating polarization components (orthogonal). What is necessary is just composition.

また、上記2つの変形例ではPBS4等による偏光制御によって参照光と照明光の分岐を行ったが、偏光を用いずに分岐させることも可能である。この場合、PBS4をBSに置き換え、QWP5、11(両腕)を除いた構成とする。   Further, in the above two modified examples, the reference light and the illumination light are branched by the polarization control by the PBS 4 or the like. However, it is possible to branch without using the polarized light. In this case, PBS 4 is replaced with BS, and QWPs 5 and 11 (both arms) are removed.

さらに対物レンズ6(参照腕側)の瞳面上の光ファイバー103〜106の射出点に相当する位置に、これらファイバーから来る光をカットする遮光部材を配置し、光ファイバー102からの光だけが通過するようにする。   Further, a light shielding member for cutting light coming from these fibers is arranged at a position corresponding to the exit point of the optical fibers 103 to 106 on the pupil plane of the objective lens 6 (reference arm side), and only the light from the optical fiber 102 passes. Like that.

また、上記実施形態では、光源50からの光束の分割、引き回しに光ファイバー101〜106を用いたが、レンズアレイ等を用いて複数の点光源を形成するような構成にしてもよい。図20は複数の点光源を形成する別の構成を示す図である。図20に示されるように、マルチレンズアレイ60、ビームスプリッター61、反射ミラー62を組み合わせることで複数の点光源を形成し、コリメートレンズ63で光軸に対して所定の角度、方位の照明光を形成することができる。この場合、反射ミラー62は複数の照明光における光路長がそれぞれ異なるように配置されている。なお、ビームスプリッター61に代えて、偏光ビームスプリッターおよび1/4波長板の組み合わせを用いるようにしても構わない。   Moreover, in the said embodiment, although the optical fibers 101-106 were used for the division | segmentation and routing of the light beam from the light source 50, you may make it the structure which forms a some point light source using a lens array etc. FIG. FIG. 20 is a diagram showing another configuration for forming a plurality of point light sources. As shown in FIG. 20, a plurality of point light sources are formed by combining a multi-lens array 60, a beam splitter 61, and a reflecting mirror 62, and illumination light having a predetermined angle and direction with respect to the optical axis is generated by a collimator lens 63. Can be formed. In this case, the reflection mirror 62 is disposed so that the optical path lengths of the plurality of illumination lights are different from each other. Instead of the beam splitter 61, a combination of a polarizing beam splitter and a quarter wavelength plate may be used.

また、上記実施例では、波長走査型の光源を使用していたが、これに限られず、例えば、参照面を走査する方式の光干渉観察装置でも良い。
具体的には、下記の通りである。
参照面走査方式の光干渉観察装置は、光源として、波長幅が広く、空間的にコヒーレントな光源が必要である。例えば、波長幅の広いSLDが望ましい。あるいは、白色光源を一旦レンズで集光してPH(ピンホール)を介して、空間コヒーレントを付与した光源が採用できる。その検出器としては、2次元画像センサー(CCD)などである。参照面を光軸方向に等速で走査し、測定光と参照光の干渉強度を検出する。この検出に使用する領域としては、加速−等速−減速の制御で等速部分を使えばよい。また、正弦波状に走査して、等速と見なせる部分を用いることなども可能である。2次元画像センサーのピクセルごとに、「参照面走査距離L」対「干渉強度I」のデータを得る。2次元画像センサーのピクセルごとに上記データをフーリエ変換し、信号成分をバンドパスフィルタで抽出する(DC成分、共役成分は不要)。この抽出した成分が上記式(1)に相当する。周波数をfとすると(fはLだけ走査したときの振動回数)、光の波数kとは次式、
k=2πf/2L
の関係がある。
分母が2Lとなっているのは、往復で光路長が2倍変化するためである。このように、よく知られたフーリエ分光の原理で、光の波数ごとに上記式(1)の情報が得られることになる。なお、上記以外は波長走査のときと同じである。
In the above embodiment, the wavelength scanning type light source is used. However, the present invention is not limited to this. For example, an optical interference observation apparatus that scans the reference surface may be used.
Specifically, it is as follows.
A reference surface scanning type optical interference observation apparatus requires a spatially coherent light source having a wide wavelength width as a light source. For example, an SLD with a wide wavelength width is desirable. Alternatively, a light source in which a white light source is once condensed by a lens and spatial coherence is imparted through a PH (pinhole) can be employed. The detector is a two-dimensional image sensor (CCD) or the like. The reference surface is scanned in the optical axis direction at a constant speed, and the interference intensity between the measurement light and the reference light is detected. As a region used for this detection, a constant velocity portion may be used in acceleration-constant velocity-deceleration control. It is also possible to use a portion that can be regarded as constant speed by scanning in a sine wave shape. Data of “reference plane scanning distance L” vs. “interference intensity I” is obtained for each pixel of the two-dimensional image sensor. The data is subjected to Fourier transform for each pixel of the two-dimensional image sensor, and a signal component is extracted by a bandpass filter (DC component and conjugate component are unnecessary). This extracted component corresponds to the above formula (1). If the frequency is f (f is the number of vibrations when scanning by L), the light wave number k is the following equation:
k = 2πf / 2L
There is a relationship.
The reason that the denominator is 2L is that the optical path length changes twice as long as it goes back and forth. Thus, the information of the above formula (1) is obtained for each wave number of light by the well-known principle of Fourier spectroscopy. Other than the above, the operation is the same as in the wavelength scanning.

9…偏光板(合成手段)、12…対物光学系(観察光学系)、30…較正用平面ミラー、31…較正用リファレンス、33…試料ホルダー、40…画像処理部、50,350…光源(照明光学系)、52a〜52f…ビームスプリッター(分岐手段)、90…透過照明系、101〜106…光ファイバー(光出射部)、202〜205…光ファイバー(光出射部)、100,300…観察装置、301,302…光ファイバー DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Polarizing plate (synthesis | combination means), 12 ... Objective optical system (observation optical system), 30 ... Calibration flat mirror, 31 ... Calibration reference, 33 ... Sample holder, 40 ... Image processing part, 50, 350 ... Light source ( Illumination optical system), 52a to 52f ... beam splitter (branching means), 90 ... transmission illumination system, 101-106 ... optical fiber (light emitting part), 202-205 ... optical fiber (light emitting part), 100, 300 ... observation device , 301, 302: optical fiber

Claims (15)

複数の波長の光を放射する光源と、
前記光源からの光を参照光と照明光に分岐して照明光を被観察物に少なくとも2方向から照射する照明光学系と、
前記照明光を被観察物に照射することで発生する前記被観察物の構造情報を含んだ測定光と前記参照光とを干渉させ、前記2方向からの照射で発生するそれぞれの前記測定光と前記参照光とが干渉して生じた第一、第二干渉光を検出する検出部と、
前記検出部で検出された前記第一干渉光および前記第二干渉光に基づき画像データを生成する画像データ処理部とを備え、
前記被観察物の構造を観察する
ことを特徴とする光干渉観察装置。
A light source that emits light of multiple wavelengths;
An illumination optical system that divides light from the light source into reference light and illumination light and irradiates the observation light from at least two directions;
The measurement light including the structural information of the object to be observed generated by irradiating the object with the illumination light interferes with the reference light, and each of the measurement light generated by irradiation from the two directions A detector for detecting first and second interference light generated by interference with the reference light;
An image data processing unit that generates image data based on the first interference light and the second interference light detected by the detection unit;
An optical interference observation apparatus for observing the structure of the object to be observed.
請求項1に記載の光干渉観察装置において、
前記画像データ処理部は、前記第一干渉光に基づき第一画像データを生成すると共に、前記第二干渉光に基づき第二画像データを生成し、
前記第一及び第二画像データを前記光源の光の波数毎に所定の変換処理を行うことで前記被観察物の構造情報としての物体散乱ポテンシャル情報を生成して前記被観察物の画像データを生成する
ことを特徴とする光干渉観察装置。
The optical interference observation apparatus according to claim 1,
The image data processing unit generates first image data based on the first interference light, and generates second image data based on the second interference light,
The first and second image data is subjected to a predetermined conversion process for each wave number of light of the light source, thereby generating object scattering potential information as structure information of the object to be observed, and image data of the object to be observed. The optical interference observation apparatus characterized by producing | generating.
請求項1に記載の光干渉観察装置において、
前記光源は、前記被観察物に照射される光の波長を走査する波長走査型光源である
ことを特徴とする光干渉観察装置。
The optical interference observation apparatus according to claim 1,
The optical interference observation apparatus, wherein the light source is a wavelength scanning light source that scans a wavelength of light applied to the object to be observed.
請求項1に記載の光干渉観察装置において、
前記照明光学系は、レーザー光源と前記レーザー光源の光を複数に分割するビームスプリッターと前記分割された光を前記被観察部に導く複数の光ファイバーとから構成されている
ことを特徴とする光干渉観察装置。
The optical interference observation apparatus according to claim 1,
The illumination optical system is composed of a laser light source, a beam splitter that divides the light of the laser light source into a plurality, and a plurality of optical fibers that guide the divided light to the observed portion. Observation device.
請求項2に記載の光干渉観察装置において、
前記画像データ処理部は、
前記第一及び前記第二画像データを前記波数の関数としてフーリエ変換処理するステップと、
前記波数ごとの複素振幅分布を算出するステップと、
前記複素振幅分布に関して2次元フーリエ変換処理して前記複素振幅分布のスペクトルを求めるステップと、
求められた前記複素振幅分布のスペクトルに基づき物体散乱ポテンシャルの3次元スペクトルを求めて合成するステップと、
合成した散乱ポテンシャルの3次元スペクトルを3次元逆フーリエ変換処理して前記被観察物の散乱ポテンシャルを求めるステップとから成る
ことを特徴とする光干渉観察装置。
The optical interference observation apparatus according to claim 2,
The image data processing unit
Fourier transforming the first and second image data as a function of the wave number;
Calculating a complex amplitude distribution for each wave number;
Obtaining a spectrum of the complex amplitude distribution by performing a two-dimensional Fourier transform on the complex amplitude distribution;
Obtaining and synthesizing a three-dimensional spectrum of the object scattering potential based on the obtained spectrum of the complex amplitude distribution;
An optical interference observation apparatus comprising: a step of obtaining a scattering potential of the object to be observed by performing a three-dimensional inverse Fourier transform process on a three-dimensional spectrum of the synthesized scattering potential.
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の光干渉観察装置において、
前記照明光学系は、少なくとも2つの方向から前記被観察物を照明するための第一照明部と第二照明部とを備え、
前記第一照明部と前記第二照明部とは前記被観察物に対して少なくとも2方向から照明する
ことを特徴とする光干渉観察装置。
In the optical interference observation apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The illumination optical system includes a first illumination unit and a second illumination unit for illuminating the object to be observed from at least two directions,
The first illumination unit and the second illumination unit illuminate the object to be observed from at least two directions.
請求項6に記載の光干渉観察装置において、
前記照明光学系の第一照明部および第二照明部は、該照明光学系の光軸に対して所定の角度をなす前記照明光を射出可能な光学ユニットを有する
ことを特徴とする光干渉観察装置。
In the optical interference observation apparatus according to claim 6,
The first illumination unit and the second illumination unit of the illumination optical system have an optical unit capable of emitting the illumination light having a predetermined angle with respect to the optical axis of the illumination optical system. apparatus.
請求項1に記載の光干渉観察装置において、
前記照明光学系は、落斜照明光学系又は透過照明光学系の少なくとも一方を含む
ことを特徴とする光干渉観察装置。
The optical interference observation apparatus according to claim 1,
The illumination optical system includes at least one of a falling-down illumination optical system or a transmission illumination optical system.
請求項1に記載の光干渉観察装置において、
前記照明光学系は、落斜照明光学系および透過照明光学系を組み合わせることで構成されている
ことを特徴とする光干渉観察装置。
The optical interference observation apparatus according to claim 1,
The said illumination optical system is comprised by combining a falling-down illumination optical system and a transmission illumination optical system. The optical interference observation apparatus characterized by the above-mentioned.
請求項7に記載の光干渉観察装置において、
前記光学ユニットは、前記所定の角度の前記照明光を射出する光射出部を複数有する
ことを特徴とする光干渉観察装置。
In the optical interference observation apparatus according to claim 7,
The optical unit includes a plurality of light emitting units that emit the illumination light at the predetermined angle.
請求項10に記載の光干渉観察装置において、
前記照明光学系は、前記複数の光射出部から前記被観察物に対して前記照明光を異なる方向から同時に射出させる
ことを特徴とする光干渉観察装置。
In the optical interference observation apparatus according to claim 10,
The illumination optical system causes the illumination light to be simultaneously emitted from different directions from the plurality of light emission units to the object to be observed.
請求項10に記載の光干渉観察装置において、
前記照明光学系は、前記複数の光射出部から前記被観察物に対して前記照明光を異なる方向から時間順次に射出させる
ことを特徴とする光干渉観察装置。
In the optical interference observation apparatus according to claim 10,
The illumination optical system emits the illumination light from the plurality of light emitting units to the object to be observed in time order from different directions.
請求項10に記載の光干渉観察装置において、
前記複数の光射出部は所定の光路長差を有し、
前記複数の光射出部における光路長差を較正する光路長較正部を備える
ことを特徴とする光干渉観察装置。
In the optical interference observation apparatus according to claim 10,
The plurality of light emitting portions have a predetermined optical path length difference,
An optical interference observation apparatus comprising: an optical path length calibration unit that calibrates optical path length differences in the plurality of light emitting units.
請求項13に記載の光干渉観察装置において、
前記光路長較正部は、較正用部材の特徴点による干渉光を用いて被観察物位置の座標と画像検出器上の座標関係も較正する
ことを特徴とする光干渉観察装置。
In the optical interference observation apparatus according to claim 13,
The optical path length calibration unit calibrates the coordinates of the position of the object to be observed and the coordinates on the image detector using the interference light from the feature point of the calibration member.
請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載の光干渉観察装置において、
前記光学ユニットは、照明光を異なる方向に反射させる走査ミラーを含み、
前記走査ミラーは、前記照明光のスポットがリング上を移動するように前記照明光を反射させ、
前記光源は、前記リング上を移動するスポット位置ごとに所定の波長走査を行う
ことを特徴とする光干渉観察装置。
The optical interference observation apparatus according to any one of claims 3 to 5,
The optical unit includes a scanning mirror that reflects illumination light in different directions;
The scanning mirror reflects the illumination light so that the spot of the illumination light moves on a ring,
The light source performs predetermined wavelength scanning for each spot position moving on the ring.
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