JP6230358B2 - Optical distance measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、レーザー光の照射により表面状態のプロファイルや細胞等の表面状態の計測や観察を極めて高い分解能で実現させる光学的距離計測装置に関し、顕微鏡等の光学機器の分解能を向上させ、かつ、レンズにより取得された欠落された空間周波数情報を正確に再現することにより行路差情報等の観察や計測を定量的に正確に行う装置に好適なものである。   The present invention relates to an optical distance measuring device that realizes measurement and observation of a surface state profile or a surface state of a cell or the like with irradiation of laser light with extremely high resolution, and improves the resolution of an optical instrument such as a microscope, and The present invention is suitable for an apparatus that accurately and accurately observes and measures path difference information and the like by accurately reproducing missing spatial frequency information acquired by a lens.

従来の光学的顕微鏡では、回折限界以下の測定対象物を観測したり計測したりすることが出来なかった。これに代わるものとして、プローブ顕微鏡(STM,AFM,NFOS等)や走査型電子顕微鏡等が開発され、多くの分野で使われている。この走査型電子顕微鏡は、走査電子プローブとしてきわめて細いビームを用いているので、分解能が高く、焦点深度が光学顕微鏡に比べて著しく大きい。しかしながら、細胞のように導電性の低い測定対象物の観測には、測定対象物である試料に導電性のよい白金パラジウムや金をコートする必要性がある。このため、細胞自体の破損を伴うことが多く、当然のことながら生きたままの細胞を観測、計測することは、不可能であった。   With a conventional optical microscope, it was impossible to observe or measure a measurement object below the diffraction limit. As an alternative, probe microscopes (STM, AFM, NFOS, etc.) and scanning electron microscopes have been developed and used in many fields. Since this scanning electron microscope uses a very thin beam as a scanning electron probe, the resolution is high and the depth of focus is significantly larger than that of an optical microscope. However, in order to observe a measurement object with low conductivity such as a cell, it is necessary to coat a sample that is the measurement object with platinum palladium or gold having good conductivity. For this reason, the cells themselves are often damaged, and as a matter of course, it is impossible to observe and measure living cells.

また、プローブ顕微鏡は、測定対象物に対して近接して配置されたプローブをさらに接近させ、原子間力やトンネル電流、光近接場等を利用して、測定対象物との距離を計測するものである。しかしながら、プローブを高速に移動させることは困難であり、かつ、測定対象物との距離が非常に近いので取り扱いが難しく、さらに2次元的な情報を取得するまでに時間が膨大に必要であった。   A probe microscope measures the distance from the measurement object by using an atomic force, tunnel current, optical near field, etc. It is. However, it is difficult to move the probe at high speed, and it is difficult to handle because the distance to the object to be measured is very close, and it takes a lot of time to acquire two-dimensional information. .

この一方、従来の光学的な行路差を検出する手段としては、共焦点顕微鏡やデジタルホログラム顕微鏡等が知られている。
前者の共焦点顕微鏡は、測定対象物にスポットを照射しそのスポットに対してピンホールを介して共焦点位置に配置した受光素子にて受光した光量が最大になるように対物レンズ、または測定対象物を動かすことにより、測定対象物の高さ情報や行路差情報を取得していた。
また、後者のデジタルホログラム顕微鏡は、測定対象物に対して略平行なレーザー光を照射し、測定対象物で回折された光を対物レンズにて集光し、レファランスとなる平面波とCCD等のエリアセンサ上にて干渉させてホログラムを作成し、この干渉縞を計算にて解析することにより元の測定対象物からの波面を復元して、行路差情報を取得するものである。
On the other hand, confocal microscopes, digital hologram microscopes, and the like are known as conventional means for detecting optical path differences.
The former confocal microscope irradiates a measurement object with a spot, and the objective lens or measurement object is set so that the amount of light received by the light receiving element disposed at the confocal position via the pinhole is maximized. By moving the object, the height information and the path difference information of the measurement object are acquired.
Further, the latter digital hologram microscope irradiates a measurement object with a substantially parallel laser beam, collects the light diffracted by the measurement object with an objective lens, and provides a reference plane wave and an area such as a CCD. A hologram is created by causing interference on the sensor, and the wavefront from the original measurement object is restored by analyzing the interference fringes by calculation to obtain path difference information.

ところが、前者の共焦点顕微鏡では、基本的にスポット内に位相分布があるとビームが変形し誤情報となる。特に測定対象物が細胞等の屈折率変化など波面が位相的に変化するようなものに対しては、その値の信頼性は乏しいと言わざるを得ない。また、受光した光量が最大になるように対物レンズや測定対象物を動かす必要性があるので、リアルタイム性に欠けている。   However, in the former confocal microscope, basically, if there is a phase distribution in the spot, the beam is deformed and becomes erroneous information. In particular, if the object to be measured has a wavefront that changes in phase, such as a change in refractive index of a cell or the like, the reliability of the value must be poor. In addition, since it is necessary to move the objective lens and the measurement object so that the received light quantity becomes maximum, the real-time property is lacking.

後者のデジタルホログラム顕微鏡では、対物レンズで回折された光を集光し、その波面を再生して情報としているが、対物レンズで集光できる空間周波数は、対物レンズのNAによりカットオフ周波数が制限されると同時に、DCからカットオフ周波数までほぼ線形に取得できる周波数は減少していくことになる。いわゆるMTF曲線がこれにあたる。
したがって、取得した波面情報は測定対象物が実際に有している空間周波数情報を全く正確に反映しておらず、誤った行路差情報を与えていた。
In the latter digital hologram microscope, the light diffracted by the objective lens is collected and the wavefront is reproduced to obtain information, but the spatial frequency that can be collected by the objective lens is limited by the cutoff frequency of the objective lens due to the NA. At the same time, the frequency that can be acquired almost linearly from the DC to the cut-off frequency decreases. This is the so-called MTF curve.
Therefore, the acquired wavefront information does not accurately reflect the spatial frequency information that the measurement object actually has, and gives incorrect path difference information.

この一方、結像光学系の一部にフーリエ変換面を用意し、このフーリエ変換面に位相型の空間変調器を配置し、0次回折光に位相変調を加える方法も知られている。この方法は、下記特許文献2や非特許文献1、2に表されるように、0次回折光と1次回折光との間に90度ずつ相違する90度、180度、270度の位相差を生じさせた計4種類の画像をレンズの結像面に配置したCCDカメラで撮像し、この4種類の画像の相互の演算から光学的距離を計測する方法とされている。   On the other hand, a method is also known in which a Fourier transform surface is prepared in a part of the imaging optical system, a phase type spatial modulator is disposed on the Fourier transform surface, and phase modulation is applied to the 0th-order diffracted light. As shown in Patent Document 2 and Non-Patent Documents 1 and 2 below, this method has a phase difference of 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees that is different by 90 degrees between the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light. A total of four types of generated images are picked up by a CCD camera arranged on the imaging plane of the lens, and the optical distance is measured from the mutual calculation of these four types of images.

しかしながら、この方法をベースにしたいずれの方法もレンズを用いて結像しているので、前記したようにレンズのMTFの特性を有しているため、空間周波数が高くなるにつれて情報量の欠損が生じる。この為、これらの方法では定量化した情報の信頼性が乏しいと言わざるを得ない。
また、0次回折光だけに位相差を生じさせることは実効的に不可能であった。なぜならば、0次回折光は測定対象物とされる試料からの変調を受けずに透過した光であるが、0次回折光の領域に重なった周波数の低い1次回折光などが0次回折光に含まれ、0次回折光と1回折光を実質的に区別できないからである。
さらに、4つの位相を変えた画像を取得するに当たり、空間光変調器の変調切り替えをする必要性があり、CCDカメラで取得した画像が時間的にずれた情報となっている。従って、比較的高速に変化するような過程の変化を正しく反映しているとは、言いがたかった。
However, since any method based on this method forms an image using a lens, it has the characteristics of the MTF of the lens as described above, so that the loss of information amount increases as the spatial frequency increases. Arise. For this reason, it must be said that the reliability of the quantified information is poor in these methods.
In addition, it is impossible to produce a phase difference only in the 0th-order diffracted light. This is because the 0th-order diffracted light is transmitted without being modulated from the sample to be measured, but the 0th-order diffracted light includes low-order 1st-order diffracted light that overlaps the 0th-order diffracted light region. This is because the 0th order diffracted light and the 1st diffracted light cannot be substantially distinguished.
Furthermore, when acquiring an image with four different phases, it is necessary to switch the modulation of the spatial light modulator, and the image acquired by the CCD camera is information shifted in time. Therefore, it was difficult to say that it correctly reflected changes in the process that change relatively quickly.

他方、この画像が時間的にずれた情報となる影響をできるだけ少なくするために、0次回折光の広がりの周辺部付近のごく狭い領域で本方法を適用することが考えられる。このようにすれば、空間周波数の周波数依存性や0次回折光に含まれる1次回折光の影響を低減できる可能性がある。しかし、この場合には、極めて狭い範囲の光しか有効に取得できなくなるので、極めて光量が低下し、SN比の良好な情報とすることは困難となる。   On the other hand, in order to minimize the influence that this image becomes information shifted in time, it is conceivable to apply this method in a very narrow region near the periphery of the spread of the 0th-order diffracted light. In this way, there is a possibility that the frequency dependence of the spatial frequency and the influence of the first order diffracted light included in the zeroth order diffracted light can be reduced. However, in this case, since only a very narrow range of light can be acquired effectively, the amount of light is extremely reduced, making it difficult to obtain information with a good SN ratio.

また、細胞等を特定の波長による蛍光発色を行わせることにより、細胞等の化学変化を分析したいという要求も知られている。しかし、結像光学系においては本来、対物レンズによる開口制限がある為に、取り入れられる空間周波数に限界があると同時に、空間周波数のコントラストも周波数が高くなるにつれて線形的に漸減する。
この為に、周波数の高い構造部分で蛍光発色するとそのコントラストは低下してしまい、正確な濃度測定等を行うことは困難であった。
There is also a known demand for analyzing a chemical change of a cell or the like by causing the cell or the like to perform fluorescent color development at a specific wavelength. However, the imaging optical system inherently has an aperture limitation by the objective lens, so that the spatial frequency that can be taken in is limited, and at the same time, the contrast of the spatial frequency gradually decreases linearly as the frequency increases.
For this reason, when the fluorescent color is developed in the structure portion having a high frequency, the contrast is lowered, and it is difficult to perform accurate density measurement or the like.

他方、距離を高精度に測定したり、微少なものを高精度に測定したり観察したりするには、へテロダイン干渉法がよく知られている。ここでは、光を用いた光ヘテロダイン法について述べるが、他の電磁波においても同様な考え方で実施されている。この光ヘテロダイン法は、周波数の異なる2つのレーザー光を干渉させて、その差の周波数のビート信号を作成し、このビート信号の位相変化を波長の1/500程度の分解能で検出するものである。つまり、この光ヘテロダイン法によれば、表面の高さ方向の変化を計測しつつ測定対象物までの距離を測定したり、被測定物自体を測定や観察したりできる。   On the other hand, heterodyne interferometry is well known for measuring distances with high accuracy and measuring and observing minute objects with high accuracy. Here, the optical heterodyne method using light is described, but the same concept is applied to other electromagnetic waves. In this optical heterodyne method, two laser beams having different frequencies are caused to interfere with each other, a beat signal having a frequency difference between the two is generated, and a phase change of the beat signal is detected with a resolution of about 1/500 of a wavelength. . That is, according to this optical heterodyne method, the distance to the measurement object can be measured while measuring the change in the height direction of the surface, or the measurement object itself can be measured and observed.

そして、下記特許文献1の特開昭59−214706号公報には、音響光学素子を用いて異なる波長からなる2つのビームを隣接して発生させ、これら2ビーム間の位相変化を検出し、その位相変化を累積して表面プロファイルを得る方法が開示されている。ただし、この特許文献1は、ビームプロファイルよりも僅かに大きく2つのビームを近接させ、2つのビームプロファイル内の平均的な位相差をヘテロダイン検波で検出して、順次積分することにより、凹凸情報を得るものであった。   In Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-214706 of Patent Document 1 below, two beams having different wavelengths are generated adjacent to each other using an acousto-optic device, and a phase change between these two beams is detected. A method for accumulating phase changes to obtain a surface profile is disclosed. However, in this patent document 1, unevenness information is obtained by making two beams close to each other slightly larger than the beam profile, detecting an average phase difference in the two beam profiles by heterodyne detection, and integrating sequentially. It was what you get.

従って、この特許文献1によれば、半導体ウェハーのようなフラットであることが前提となるような測定対象物に対して、その凸凹情報を計測することは出来たが、ビームプロファイル内の情報を引き出すことはできなかった。このため、面内であるビームプロファイル内の分解能を高くすることは出来なかった。   Therefore, according to this Patent Document 1, the unevenness information can be measured for the measurement object that is assumed to be flat such as a semiconductor wafer, but the information in the beam profile is I couldn't pull it out. For this reason, the resolution in the beam profile that is in-plane cannot be increased.

この一方、従来よりDPC(Differential Phase Contrast)法と呼ばれる手法が知られている。これは、最初Dekkers and de Langにより電子顕微鏡に適用された技術であり、その後、Sheppard and Wilson等により光学的顕微鏡への拡張がなされた技術である。このDPC法は、試料に照射された電磁波に対してファーフィールドであって、電磁波の照射軸に対して対称に配置されたディテクタ同士で検出した0次回折光と1次回折光との干渉の結果の差動信号を求めることにより、試料のプロファイル情報を得るものである。しかし、このDPC法も空間周波数が高くなると、これら0次回折光と1次回折光とが干渉できなくなり、その空間周波数が再現されない結果として、測定ができなくなることがあった。   On the other hand, a technique called a DPC (Differential Phase Contrast) method is conventionally known. This is a technique that was first applied to an electron microscope by Dekkers and de Lang, and was later extended to an optical microscope by Sheppard and Wilson et al. This DPC method is a far field with respect to the electromagnetic wave irradiated to the sample, and is a result of interference between the zeroth-order diffracted light and the first-order diffracted light detected by detectors arranged symmetrically with respect to the irradiation axis of the electromagnetic wave. By obtaining the differential signal, the profile information of the sample is obtained. However, in this DPC method, if the spatial frequency becomes high, the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light cannot interfere with each other, and as a result, the spatial frequency is not reproduced, and measurement may not be possible.

つまり、電磁波を用いた一般的な装置類を含め、従来の電磁波を用いた結像型の顕微鏡においては、アッべの理論の限界とされる分解能を超えることはできなかった。この限界は、波動の有する回折現象の結果であり、越えることの出来ない理論限界とされていた。したがって、光学顕微鏡はもとより、電子顕微鏡においても使用している実質的な波長による限界を打破することは困難であった。
また、結像光学系を基にした従来のさまざまな顕微鏡では、レンズの開口制限により、取得できる空間周波数が制限を受けると同時に、空間周波数が高くなるにつれ、試料のコントラストが漸減していた。この為、位相情報等の行路差情報や蛍光発色により濃度情報を正確に取得することは困難であった。
In other words, in conventional imaging microscopes using electromagnetic waves, including general devices using electromagnetic waves, the resolution that is the limit of Abbe's theory could not be exceeded. This limit was a result of the diffraction phenomenon of waves, and was regarded as a theoretical limit that could not be exceeded. Therefore, it has been difficult to overcome the limitations due to the substantial wavelength used not only in the optical microscope but also in the electron microscope.
Further, in various conventional microscopes based on the imaging optical system, the spatial frequency that can be obtained is limited by the lens aperture limitation, and at the same time, the contrast of the sample gradually decreases as the spatial frequency increases. For this reason, it has been difficult to accurately acquire density information by using path difference information such as phase information and fluorescent color development.

特開昭59−214706号公報JP 59-214706 A 特表2007−524075号公報Special table 2007-524075 gazette

Opt.Lett.29(21),2503-2505(2004)Opt. Lett. 29 (21), 2503-2505 (2004) Opt.Exp.19(2),1016-1026(2011)Opt. Exp. 19 (2), 1016-1026 (2011)

以上のように、従来のヘテロダイン検波を用いた距離測定器においては、与える電磁波の波長以下の分解能で、距離を測定することは出来なかった。従って、電磁波の照射領域を波長以下に小さくしても、波長と同程度以上の領域の平均的な距離を算出することしか出来なかった。   As described above, in the distance measuring device using the conventional heterodyne detection, the distance cannot be measured with a resolution equal to or lower than the wavelength of the applied electromagnetic wave. Therefore, even if the electromagnetic wave irradiation region is made smaller than the wavelength, it was only possible to calculate the average distance of the region that is equal to or greater than the wavelength.

同じように従来のヘテロダイン検波を用いた光測定器においても、半導体ウェハーのようなフラットに近いものを主な測定対象としていた。このため、面内の分解能を高くするには、電子顕微鏡やAFM(原子間力顕微鏡)等の近接場を用いざるを得なかった。
しかし、電子顕微鏡に関しては、特に生物や細胞等に対して加工処理する必要性があるので、生きたままの観察や屈折率分布の測定は不可能であった。他方、AFMは、処理速度が十分でないことから、リアルタイムに状態の変化を見ることが出来ないので、生物、細胞の観測には不向きであり、また、測定対象物に対してプローブを近接させなくてはならず、使い勝手も悪かった。
Similarly, in a conventional optical measuring device using heterodyne detection, a main object to be measured is a flat surface such as a semiconductor wafer. For this reason, in order to increase the in-plane resolution, a near field such as an electron microscope or an AFM (atomic force microscope) must be used.
However, with respect to the electron microscope, it is necessary to process living organisms, cells, and the like in particular, so it has been impossible to observe living and measure the refractive index distribution. On the other hand, AFM is not suitable for observation of living organisms and cells because the processing speed is not sufficient, so it is not possible to see changes in state in real time. It was not easy to use.

ここで、結像光学系を用いた従来の顕微鏡における対物レンズのOTF特性について、以下に説明する。
結像光学系を用いた従来の顕微鏡においては、対物レンズにて捉える対称物の空間周波数の1次回折光の成分と0次回折光の成分とが干渉して像形成を行う。このため、レンズの開口に1次回折光が入射されないと、その空間周波数は再現されないことになる。他方、低い周波数から高い周波数に至るにつれてその1次回折光の回折角は次第に大きくなるので、レンズに入力される1次回折光の量が減っていくことになる。その結果として、1次回折光が入力されない周波数がカットオフになり、低い周波数から高い周波数に至る途中で、変調度が次第に落ちていくようになる。
Here, the OTF characteristic of the objective lens in the conventional microscope using the imaging optical system will be described below.
In a conventional microscope using an imaging optical system, the first-order diffracted light component and the zero-order diffracted light component of the symmetrical object captured by the objective lens interfere to form an image. For this reason, unless the first-order diffracted light is incident on the lens opening, the spatial frequency is not reproduced. On the other hand, since the diffraction angle of the first-order diffracted light gradually increases from a low frequency to a high frequency, the amount of the first-order diffracted light input to the lens decreases. As a result, the frequency at which the first-order diffracted light is not input is cut off, and the degree of modulation gradually decreases in the middle from the low frequency to the high frequency.

以上が対物レンズのOTF特性である。したがって、結像系においては対物レンズに入力される1次回折光には自ずと限界があるので、再現される測定対象物の空間周波数に関連して分解能も自ずと限界があることになる。
他方、前記したデジタルホログラム顕微鏡のように、対物レンズを使って結像させるような光学系においては、測定対象物により回折されたレーザー光は、開口の大きさに制限のある対物レンズに入射した時点で、このレーザー光の有する空間周波数の一部が欠落した情報となっている。すなわち、空間周波数が高くなるほど、対物レンズに入力される空間周波数は徐々に低下する。このために、レファランスの波面と干渉させて作ったホログラムは、測定対象物の有する本来の情報を反映していない。この結果、計算にて再生した行路差情報は全くの誤情報となっている。
The above is the OTF characteristic of the objective lens. Therefore, since the first-order diffracted light input to the objective lens is naturally limited in the imaging system, the resolution is naturally limited in relation to the spatial frequency of the measurement object to be reproduced.
On the other hand, in an optical system that forms an image using an objective lens, such as the digital hologram microscope described above, the laser light diffracted by the object to be measured is incident on an objective lens having a limited aperture size. At the time, the information is a part of the spatial frequency of the laser beam missing. That is, as the spatial frequency increases, the spatial frequency input to the objective lens gradually decreases. For this reason, the hologram produced by interfering with the reference wavefront does not reflect the original information of the measurement object. As a result, the path difference information reproduced by calculation is completely erroneous information.

以上の定性的な説明を定量化して、以下に詳細に説明する。
図17のように開口半径がaで焦点距離がfの対物レンズ31に平行光束が入射しているとする。なお、図17においては、照射光軸を光軸L0で表し、この光軸L0に対して角度Θだけ傾く傾斜光軸を光軸L1で表している。通常の結像を用いた顕微鏡では、図17のように光束が試料Sを透過する透過型となるが、光束が試料Sで折り返される反射型として考えてもよい。また、式を簡単にするために、1次元の開口として扱う。
The above qualitative explanation is quantified and explained in detail below.
As shown in FIG. 17, it is assumed that a parallel light beam is incident on an objective lens 31 having an aperture radius a and a focal length f. In FIG. 17, the irradiation optical axis is represented by the optical axis L0, and the inclined optical axis inclined by the angle Θ with respect to the optical axis L0 is represented by the optical axis L1. A microscope using normal imaging is a transmission type in which the light beam passes through the sample S as shown in FIG. 17, but may be considered as a reflection type in which the light beam is folded back on the sample S. In order to simplify the formula, it is treated as a one-dimensional opening.

また、簡単のために試料Sが高さhでピッチdの正弦波状の形状をしているものとする。すなわち、光学的な位相θが以下の式で表される。
θ=2π(h/λ)sin(2πx/d)・・・・・(1)式
試料Sから回折された光の振幅Eは、焦点距離fだけ離れた面において、(1)式のフーリエ変換とレンズの開口とのコンボリューションとして、与えられるので、以下のように表される。ただし、(1)式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は、±1次まで取るものとする。
For simplicity, it is assumed that the sample S has a sine wave shape having a height h and a pitch d. That is, the optical phase θ is expressed by the following formula.
θ = 2π (h / λ) sin (2πx / d) (1) Equation The amplitude E of the light diffracted from the sample S is the Fourier of the equation (1) on the plane separated by the focal length f. Since it is given as a convolution of the transformation and the aperture of the lens, it is expressed as follows. However, the Bessel function that is the Fourier transform of the phase of equation (1) is assumed to be ± 1st order.

Figure 0006230358
Figure 0006230358

ここで、(2)式のフーリエ変換が結像に寄与する。
したがって、強度Iは下記(3)式のようになる。
Here, the Fourier transform of equation (2) contributes to imaging.
Accordingly, the intensity I is expressed by the following equation (3).

Figure 0006230358
Figure 0006230358

この式の意味するところは、d=λf/2a=0.5λ/NAより小さいピッチの情報は欠落するということである。これは、矩形開口のビーム径(sinc(ka)=0の最初の暗環半径wは、ka=πを満たすので、w=0.5λ/NAとなる )と一致する。また、d>0.5λ/NAでもdが小さいほど変調度が低下することを意味している。これを1/dの空間周波数と変調度との関係を示せば、MTFとなっている。ただし、位相情報を単に結像しただけでは、コントラストを有した像形成はされることはなく、位相差顕微鏡のように0次回折光に位相遅れを生じさせる光学素子等を用いてコントラストを生じさせるような手段が必要である。   The meaning of this equation is that information with a pitch smaller than d = λf / 2a = 0.5λ / NA is lost. This coincides with the beam diameter of the rectangular aperture (since the first dark ring radius w of sinc (ka) = 0 satisfies ka = π, w = 0.5λ / NA). Further, even when d> 0.5λ / NA, the smaller the d is, the lower the modulation degree is. If the relationship between the spatial frequency of 1 / d and the modulation factor is shown, this is MTF. However, simply forming the phase information does not form an image with contrast, and the contrast is generated using an optical element or the like that causes phase delay in the 0th-order diffracted light as in a phase contrast microscope. Such means are necessary.

以上に示したように、通常の結像光学系では、対物レンズ31のNAによって再現される空間周波数のリミットは、必然的にd=λf/2a=0.5λ/NAとなり、この値よりも小さいものは、どのようにしても再現されないことになる。これに伴って、対物レンズにより情報を取得するデジタルホログラム顕微鏡を含む従来の光学顕微鏡では、正確な強度情報や行路差情報を取得することはできなかった。   As described above, in a normal imaging optical system, the limit of the spatial frequency reproduced by the NA of the objective lens 31 is necessarily d = λf / 2a = 0.5λ / NA, which is smaller than this value. Things will not be reproduced in any way. Accordingly, conventional optical microscopes including digital hologram microscopes that acquire information using an objective lens cannot acquire accurate intensity information and path difference information.

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、面内の分解能が高く、しかも面外において高さや屈折率分布に対する分解能が高く、また、通常の結像光学系では取得不可能な空間周波数を取得して測定対象物の有する空間周波数情報を正確に再現することで、実効上分解能が高く空間周波数の欠損のない光学的距離計測装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above background, and has a high in-plane resolution and a high resolution with respect to height and refractive index distribution outside the surface, and a spatial frequency that cannot be obtained by a normal imaging optical system. It is an object of the present invention to provide an optical distance measuring device that has high spatial resolution and no spatial frequency loss by accurately acquiring and reproducing spatial frequency information possessed by a measurement object.

請求項1に係る光学的距離計測装置は、測定対象物に光束を照射する光源と、
この光束が入射されるのに伴い測定対象物で回折されて生じた0次回折光および1次回折光を含む光束を2つの光束にする分離素子と、
分離素子により分割された一方の光束を構成する各回折光の内の一部の光束の進行を遅延させる第1の遅延素子と、
第1の遅延素子で一部遅延した0次回折光と1次回折光とを相互に干渉させた状態で、2つの部分に分けて検出する一対の分割受光素子を備えた第1の受光素子と、
分離素子により分割された他方の光束を構成する各回折光の内の一部の光束の進行を第1の遅延素子と異なる位相で遅延させる第2の遅延素子と、
第2の遅延素子で一部遅延した0次回折光と1次回折光とを相互に干渉させた状態で、2つの部分に分けて検出する一対の分割受光素子を備えた第2の受光素子と、
第1の受光素子の一対の分割受光素子でそれぞれ位相が相違されつつ検出される2種類の受光出力の電気信号間及び、第2の受光素子の一対の分割受光素子でそれぞれ位相が相違されつつ検出される2種類の受光出力の電気信号の和や差の出力値を検出する出力和差検出部と、
を含む。
An optical distance measuring device according to claim 1 is a light source that irradiates a measurement object with a light beam;
A separation element that converts a light beam including the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light generated by being diffracted by the measurement object as the light beam is incident into two light beams;
A first delay element that delays the travel of a part of the diffracted light beams constituting each of the light beams divided by the separation element;
A first light-receiving element comprising a pair of divided light-receiving elements that are detected in two parts in a state where the zero-order diffracted light and the first-order diffracted light partially delayed by the first delay element are caused to interfere with each other;
A second delay element for delaying the progress of a part of the diffracted light beams constituting each of the other light beams divided by the separation element with a phase different from that of the first delay element;
A second light-receiving element comprising a pair of divided light-receiving elements that are detected in two parts in a state in which the zero-order diffracted light and the first-order diffracted light partially delayed by the second delay element are caused to interfere with each other;
The phase of the pair of divided light receiving elements of the second light receiving element is different from each other between the electric signals of the two kinds of light receiving outputs detected while the phases of the pair of divided light receiving elements of the first light receiving element are different from each other. An output sum / difference detection unit for detecting an output value of a sum or a difference between electrical signals of two types of detected light reception outputs;
including.

請求項1に係る光学的距離計測装置の作用を以下に説明する。
本発明においては、測定対象物に光源から照射された光束が測定対象物に入射されるのに伴い回折されて、0次回折光および1次回折光を含む光束が出射される。分離素子がこの光束を2つの光束に分割し、分割された一方の光束を構成する各回折光の内の一部の光束の進行を第1の遅延素子が遅延させる。そして、0次回折光と1次回折光とを相互に干渉させた状態として、第1の受光素子の一対の分割受光素子がこの状態の光を別々に検出する。
The operation of the optical distance measuring device according to claim 1 will be described below.
In the present invention, the light beam irradiated from the light source to the measurement object is diffracted as it enters the measurement object, and the light beam including the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light is emitted. The separation element divides this light beam into two light beams, and the first delay element delays the progress of a part of the diffracted light beams that constitute one of the divided light beams. Then, assuming that the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light are caused to interfere with each other, the pair of split light-receiving elements of the first light-receiving element detects the light in this state separately.

他方、分割された他方の光束を構成する各回折光の内の一部の光束の進行を第2の遅延素子が第1の遅延素子と異なる位相で遅延させる。そして、上記と同様に0次回折光と1次回折光とを相互に干渉させた状態として、第2の受光素子の一対の分割受光素子がこの状態の光を別々に検出する。
さらに、出力和差検出部が、第1の受光素子の一対の分割受光素子でそれぞれ位相が相違されつつ検出される2種類の受光出力の電気信号間及び、第2の受光素子の一対の分割受光素子でそれぞれ位相が相違されつつ検出される2種類の受光出力の電気信号の和や差の出力値を検出する。
On the other hand, the second delay element delays the progress of a part of the diffracted light beams constituting the other split light beam with a phase different from that of the first delay element. In the same manner as described above, the pair of divided light receiving elements of the second light receiving element separately detect the light in this state, with the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light being caused to interfere with each other.
Further, the output sum and difference detection unit, between the first of the two light-receiving output of the electric signals each phase a pair of light receiving elements is detected while being the difference in the light receiving element and the pair of division of the second light-receiving element The output value of the sum or difference between the electrical signals of the two types of light receiving outputs detected while the phases of the light receiving elements are different from each other is detected.

従って、本請求項によれば、2種類の受光素子の各一対の分割受光素子で位相の相違した各状態の光を検出することで、光学的距離を定量化するとともに、さらに、これらの情報を電気的に適切に増幅可能となる。このことから、レンズのMTFの特性を考慮して、電気的に適正に周波数フィルタリングを行い、情報量の欠損が生じさせないようにすることで、定量化した情報の信頼性が高くなる。
また、ヘテロダイン検波もしくは変調周波数自体の分析により、空間周波数の情報を電気的な周波数に変換できるので、計4つの位相の相違した情報から、0次回折光の領域に重なった周波数の低い1次回折光を、0次回折光から区別できる。
さらに、計4つの分割受光素子で相互に位相の相違した画像を同時にそれぞれ取り込めるので、画像が時間的にずれた情報とならない。このため、比較的高速に変化するような過程の変化を正しく反映した情報が得られる。これに伴って、光量の低下が抑えられてSN比の良好な情報となる。
Therefore, according to this claim, the optical distance is quantified by detecting the light in each state with different phases by each pair of divided light receiving elements of the two types of light receiving elements, and further, the information Can be appropriately amplified electrically. For this reason, the reliability of the quantified information is increased by performing frequency filtering electrically appropriately in consideration of the characteristics of the MTF of the lens so as not to cause a loss of information amount.
Also, since spatial frequency information can be converted into electrical frequency by heterodyne detection or analysis of the modulation frequency itself, low-order first-order diffracted light that overlaps the zero-order diffracted light region from a total of four different phase information. Can be distinguished from zero-order diffracted light.
Further, since images having different phases can be simultaneously captured by the total of four divided light receiving elements, the information does not become time-shifted information. For this reason, it is possible to obtain information that correctly reflects changes in the process that change relatively quickly. Along with this, a decrease in the amount of light is suppressed, and information with a good SN ratio is obtained.

以上をまとめると、本発明が適用された顕微鏡では、非常に高い面内分解能を有し、さらに2次元走査を一度行うことで、高さや屈折率分布を測定することが出来るので、生きたままの細胞やマイクロマシンなどの状態変化などの3次元計測をリアルタイムに行うことができる。このため、従来の2次元情報を取得し、3次元方向に積算していくようなレーザー走査型共焦点顕微鏡などとは比較にならない大きな特徴を有することとなる。
さらに、本発明を透過型の顕微鏡に適用した場合、生物や細胞を生きたままかつ蛍光着色せず高い分解能で観察、計測できる。このため、細胞等を不活性化して計測する電子顕微鏡にはない大きな特徴を有することとなる。
In summary, the microscope to which the present invention is applied has a very high in-plane resolution and can measure the height and refractive index distribution by performing two-dimensional scanning once, so that it remains alive. 3D measurement such as state changes of cells and micromachines can be performed in real time. For this reason, it has the big characteristic which cannot be compared with the laser scanning confocal microscope etc. which acquire the conventional 2-dimensional information and integrate | accumulate in a 3-dimensional direction.
Furthermore, when the present invention is applied to a transmission microscope, living organisms and cells can be observed and measured with high resolution without being fluorescently colored. For this reason, it has the big characteristic which the electron microscope which inactivates a cell etc. and measures does not have.

以上より、本発明によれば、面内の分解能が高く、しかも面外において高さや屈折率分布に対する分解能が高く、また、通常の結像光学系では取得不可能な空間周波数を取得して測定対象物の有する空間周波数情報を正確に再現することで、実効上分解能が高く空間周波数の欠損のない光学的距離計測装置が提供されるようになる。   As described above, according to the present invention, the in-plane resolution is high, and the resolution for the height and refractive index distribution is high in the out-of-plane, and the spatial frequency that cannot be obtained by a normal imaging optical system is obtained and measured. By accurately reproducing the spatial frequency information possessed by the object, an optical distance measuring device having high resolution and no spatial frequency loss can be provided.

以下に請求項2から請求項6に係る光学的距離計測装置の作用を説明する。
請求項1の分離素子が、傾きを有した傾斜光軸上に配置され、また、0次回折光および1次回折光を含む光束を平行光束とするレンズおよび、これら2つの光束に分割するビームスプリッターにより構成されることで、0次回折光および1次回折光を含む光束を確実に分割可能となる。
The operation of the optical distance measuring device according to claims 2 to 6 will be described below.
The separation element according to claim 1 is disposed on an inclined optical axis having an inclination, and includes a lens that converts a light beam including 0th-order diffracted light and 1st-order diffracted light into a parallel light beam, and a beam splitter that divides the light beam into these two light beams. By being configured, it is possible to reliably split a light beam including 0th-order diffracted light and 1st-order diffracted light.

請求項1の第1の遅延素子及び第2の遅延素子が、1/4波長板或いは1/2波長板とされ、或いは回折格子とされて、光束の位相を90度或いは180度遅延させることで、計4つの位相の相違した情報を確実に作り出せることになる。さらに、第1の遅延素子と第1の受光素子との間および、第2の遅延素子と第2の受光素子の間に、ロンボイドプリズム等のプリズムがそれぞれ配置されていることで、受光素子で0次回折光及び1次回折光を検出する前に、これら回折光とを確実に干渉させることができる。   The first delay element and the second delay element according to claim 1 are a quarter-wave plate, a half-wave plate, or a diffraction grating, and delay the phase of the light beam by 90 degrees or 180 degrees. Thus, a total of four pieces of information with different phases can be reliably generated. Furthermore, a prism such as a rhomboid prism is disposed between the first delay element and the first light receiving element and between the second delay element and the second light receiving element, respectively. Thus, before detecting the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light, these diffracted lights can be reliably interfered.

上記に示したように、本発明の光学的距離計測装置は、面内の分解能が高く、しかも面外において高さや屈折率分布に対する分解能が高く、また、通常の結像光学系では取得不可能な空間周波数を取得して測定対象物の有する空間周波数情報を正確に再現することで、実効上分解能が高く空間周波数の欠損がなく光学的距離を定量的に算出できるという優れた効果を奏する。   As described above, the optical distance measuring device of the present invention has high in-plane resolution and high resolution with respect to height and refractive index distribution outside the surface, and cannot be obtained by a normal imaging optical system. By acquiring a precise spatial frequency and accurately reproducing the spatial frequency information of the measurement object, it is possible to obtain an excellent effect that the optical distance can be quantitatively calculated with high resolution and no spatial frequency loss.

また、各受光素子で検出された信号の周波数は空間周波数に対応しているので、レンズのMTF曲線に対応して周波数の増幅度を変化させることで、試料の有する空間周波数を正しく反映した行路差情報を取得することができる。さらに、試料の有する微細部分の行路差情報や強度情報を観察したい場合には、電気的な高周波の強調を行うことで、空間周波数の高周波領域の強調を行うことができる。   In addition, since the frequency of the signal detected by each light receiving element corresponds to the spatial frequency, the path that correctly reflects the spatial frequency of the sample is changed by changing the frequency amplification corresponding to the MTF curve of the lens. Difference information can be acquired. Furthermore, when it is desired to observe the path difference information and the intensity information of the fine portion of the sample, the high frequency region of the spatial frequency can be emphasized by performing the electrical high frequency enhancement.

さらに、ヘテロダイン方式との融合により、位相変化および強度変化をきわめて精度よく検出することができる点と、受光素子で受光される光が非常に微弱でも検出回路系のゲインを高くすることで、高精度に検出できる点と、検出される信号は変調信号だけなので、外乱光の影響を受けることもなくなる点から、さらに高精度な検出ができる。このことから、非常に微弱でコントラストの低い位相情報やわずかな屈折率変化に対しても非常に高い分解能で観察、計測することが可能となる。   Furthermore, the fusion with the heterodyne method enables phase changes and intensity changes to be detected with extremely high accuracy, and increases the gain of the detection circuit system even if the light received by the light receiving element is very weak. Since it can be detected with high accuracy and the signal to be detected is only a modulated signal, it is not affected by ambient light, so that it can be detected with higher accuracy. This makes it possible to observe and measure with very high resolution even for very weak and low-contrast phase information and slight refractive index changes.

本発明の光学的距離計測装置に係る実施例に適用される光学系のブロック図である。It is a block diagram of the optical system applied to the Example which concerns on the optical distance measuring device of this invention. 図1の対物レンズおよび測定対象物周辺部分を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the objective lens of FIG. 1, and a measurement object peripheral part. 図1の光学系における測定対象物上における光照射領域を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the light irradiation area | region on the measuring object in the optical system of FIG. 本発明の光学的距離計測装置に係る実施例に適用される他の光学系のブロック図である。It is a block diagram of the other optical system applied to the Example which concerns on the optical distance measuring device of this invention. 本発明の光学的距離計測装置に係る実施例1を示す光学系のブロック図である。It is a block diagram of the optical system which shows Example 1 which concerns on the optical distance measuring device of this invention. 実施例1における分岐された一方の光路の光束と遅延素子43Aの関係を示す図であって、光束を構成する半円ビームBA、BBを相互に離して表示した図である。It is a figure which shows the relationship between the light beam of the one optical path branched in Example 1, and the delay element 43A, Comprising: It is the figure which displayed the semicircle beams BA and BB which comprise a light beam mutually separated. 実施例1における分岐された他方の光路の光束と遅延素子43B、43Cの関係を示す図であって、光束を構成する半円ビームBC、BDを相互に離して表示した図である。It is a figure which shows the relationship between the light beam of the other optical path branched in Example 1, and the delay elements 43B and 43C, Comprising: It is the figure which separated and displayed the semicircle beams BC and BD which comprise a light beam. 図6に示す半円ビームBAと半円ビームBBとを平行シフトして合成した状態を表示した図である。FIG. 7 is a diagram showing a state where the semicircular beam BA and the semicircular beam BB shown in FIG. 実施例1における位相ピッチdが0<λf/d<a/2の場合の0次回折光エリアと±1次回折光エリアを示す模式図であって、(A)は0次回折光J0を示し、(B)は1次回折光J1を示し、(C)は−1次回折光-J1を示す。FIG. 4 is a schematic diagram showing a 0th-order diffracted light area and a ± 1st-order diffracted light area when the phase pitch d in Example 1 is 0 <λf / d <a / 2, where (A) shows the 0th-order diffracted light J0; B) shows the first-order diffracted light J1, and (C) shows -1st-order diffracted light -J1. 実施例1における各回折光の重なり方を示す図であって、(A)は0次回折光J0をシフトした状態を示し、(B)は1次回折光J1の一部をシフトした状態を示し、(C)は1次回折光J1の他の一部をシフトしない状態を示し、(D)は−1次回折光-J1をシフトした状態を示す。It is a figure which shows how to overlap each diffracted light in Example 1, Comprising: (A) shows the state which shifted 0th-order diffracted light J0, (B) shows the state which shifted a part of 1st-order diffracted light J1, (C) shows a state where the other part of the first-order diffracted light J1 is not shifted, and (D) shows a state where the -1st-order diffracted light -J1 is shifted. 本実施例の特性曲線を表すグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph showing the characteristic curve of a present Example. 本発明の光学的距離計測装置に係る実施例1の変形例を示す光学系のブロック図である。It is a block diagram of the optical system which shows the modification of Example 1 which concerns on the optical distance measuring device of this invention. 本発明の光学的距離計測装置に係る実施例2を示す光学系のブロック図である。It is a block diagram of the optical system which shows Example 2 which concerns on the optical distance measuring device of this invention. 本発明の光学的距離計測装置に係る実施例3を示す光学系のブロック図である。It is a block diagram of the optical system which shows Example 3 which concerns on the optical distance measuring device of this invention. 本発明の光学的距離計測装置に係る実施例4を示す光学系のブロック図である。It is a block diagram of the optical system which shows Example 4 which concerns on the optical distance measuring device of this invention. 本発明の光学的距離計測装置に係る実施例5を示す光学系のブロック図である。It is a block diagram of the optical system which shows Example 5 which concerns on the optical distance measuring device of this invention. 通常の結像光学系の原理を説明する原理図である。It is a principle figure explaining the principle of a normal image formation optical system.

以下に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例1から実施例5を各図面に基づき、詳細に説明する。   Embodiments 1 to 5 of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例に適用される光学系の概念を以下に説明する。
光源から出射されたレーザーのようなコヒーレントな光を、第1の手段である音響光学素子や空間変調器により実質上2つの異なる周波数の光に変調させる。この時、例えば音響光学素子を用いると、この音響光学素子の表面弾性波と光の相互作用により、回折縞が変調を受ける。ドップラーシフトを受けた光は、周波数変調を受けるとともに、±1次の回折光となって出射される。他方、空間光変調器を用いる場合には、この空間光変調器に書き込んだ回折縞を変調させることでも、同様な効果をもたらす。
The concept of the optical system applied to the embodiment of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below.
Coherent light such as a laser emitted from a light source is modulated into light of substantially two different frequencies by an acousto-optic device or a spatial modulator as the first means. At this time, for example, when an acoustooptic element is used, the diffraction fringes are modulated by the interaction between the surface acoustic wave of the acoustooptic element and light. The light that has undergone Doppler shift undergoes frequency modulation and is emitted as first-order diffracted light. On the other hand, when a spatial light modulator is used, the same effect can be obtained by modulating the diffraction fringes written in the spatial light modulator.

このようにして、周波数変調を受けた光が相互に近接した2つの光に分離されつつ第1の手段から出射される。この2つの光を第2の手段である瞳伝達光学系や2次元走査デバイス等により2次元に走査し、第3の手段である対物レンズ等で試料に照射させる。この試料から離れた位置であって、2つの光の分離方向に沿って2以上に分割されて配置された受光素子を第4の手段とする。この受光素子が、試料から反射し、あるいは試料を透測定対象物G1過した光を、2つの光の分離方向に対して略垂直な方向に伸びる境界線を挟んだ光として、それぞれ受光する。   In this way, the light subjected to frequency modulation is emitted from the first means while being separated into two lights close to each other. The two light beams are scanned two-dimensionally by a pupil transmission optical system, a two-dimensional scanning device, or the like, which is a second means, and the sample is irradiated by an objective lens, etc., which is a third means. A light receiving element that is located away from the sample and is divided into two or more along the separation direction of the two lights is referred to as a fourth means. This light receiving element receives light reflected from the sample or passed through the sample G1 as light across a boundary extending in a direction substantially perpendicular to the separation direction of the two lights.

この様にして受光素子で受光された光は光電変換される。前記の境界線を挟んだ各領域に関して第4の手段の受光素子で光電変換された各々の電気信号の周波数に応じて第5の手段が増幅度を変化させつつ、増幅する。
そして、この第5の手段である信号比較器において2つの光の分離方向に対して略垂直な方向を境界線とし、この境界線を挟んで対称な位置にある各々の出力の差信号または和信号を作成する。この差信号または和信号を第6の手段であるデータ処理部においてヘテロダイン検波することにより、位相差の検出をし、あるいは強度差の検出をする。
In this way, the light received by the light receiving element is photoelectrically converted. The fifth means amplifies while changing the amplification degree in accordance with the frequency of each electric signal photoelectrically converted by the light receiving element of the fourth means for each region sandwiching the boundary line.
Then, in the signal comparator as the fifth means, the direction substantially perpendicular to the separation direction of the two lights is defined as a boundary line, and the difference signal or sum of the outputs at the symmetrical positions across the boundary line. Create a signal. The difference signal or the sum signal is subjected to heterodyne detection in a data processing unit which is a sixth means, thereby detecting a phase difference or detecting an intensity difference.

この検出された位相差や強度差は、反射の場合には試料表面のプロファイルの高さ情報を示し、透過の場合には厚みや屈折率分布等の情報、すなわち、行路差情報を示す。この際、図3に示す光の照射領域A,Bを対物レンズで絞った回折限界スポット径と考えればよい。   The detected phase difference and intensity difference indicate the height information of the profile of the sample surface in the case of reflection, and indicate information such as thickness and refractive index distribution, that is, path difference information in the case of transmission. At this time, the light irradiation areas A and B shown in FIG. 3 may be considered as diffraction limited spot diameters narrowed by the objective lens.

以下、本光学系の動作原理について詳細に説明する。
図3に示す2つの光の照射領域A,B間の中心距離Δxをこれらの光が有する回折限界以下に設定したとする。この場合、各々の光の照射領域A,Bは、アッべの理論の回折限界以下にはならないが、わずかにずらした各々別の周波数の光であるため、これらの光をヘテロダイン検波することにより、微分情報を取得することができる。この時、2以上に分割されて配置された各受光素子の和信号を用いると、実質的に光学顕微鏡の一種の微分干渉顕微鏡と等価になり、これらの差信号を用いると、微分干渉顕微鏡よりはるかに高い横分解能が得られる。
Hereinafter, the operating principle of the present optical system will be described in detail.
Assume that the center distance Δx between the two light irradiation areas A and B shown in FIG. 3 is set to be equal to or less than the diffraction limit of these lights. In this case, the irradiation areas A and B of each light are not lower than the diffraction limit of Abbe's theory, but are light with different frequencies slightly shifted, so that these lights are subjected to heterodyne detection. , Differential information can be obtained. At this time, if the sum signal of each light receiving element arranged in two or more is used, it is substantially equivalent to a kind of differential interference microscope of an optical microscope. If these difference signals are used, A much higher lateral resolution is obtained.

簡単のために1次元で考える。まず、微生物等の試料である測定対象物G1のプロファイルd(x)の位相分布をAejθ(x)とおく。ここで、θ(x)=2πd(x)/λである。本光学系のように反射の場合には、行路差は2倍になるので、観測されるθ(x)の半分を高さ情報とすればよい。
上記のように測定対象物G1上での2つの光の照射領域A,B間の中心距離をΔxとし、光の複素振幅分布をu(x)とする。この場合、測定対象物G1に対して十分離れた場所では、測定対象物G1のプロファイルとビームプロファイルの積のフーリエ変換となる。
Think in one dimension for simplicity. First, the phase distribution of the profile d (x) of the measurement object G1, which is a sample such as a microorganism, is set as Ae jθ (x) . Here, θ (x) = 2πd (x) / λ. In the case of reflection as in the present optical system, the path difference is doubled, so half of the observed θ (x) may be used as height information.
As described above, the center distance between the two light irradiation areas A and B on the measurement object G1 is Δx, and the complex amplitude distribution of light is u (x). In this case, in a place sufficiently away from the measurement object G1, the Fourier transform of the product of the profile of the measurement object G1 and the beam profile is performed.

本光学的距離計測装置においては、一方の受光素子で受信される光は、ej(ωc-ωm)tで変調を受けていることになり、中心距離Δxだけ離れて配置された他方の受光素子で受信される光は、ej(ωc+ωm)tで変調を受けていることになる。
従って、各受光素子上の複素振幅分布Eは、以下のようになる。
E=∫(Aejθ(x) u(x)ejkxdx・ej(ωc-ωm)t+Aejθ(x+Δx) u(x)ejkxdx・ej(ωc+ωm)t
In this optical distance measuring device, the light received by one light receiving element is modulated by ej (ωc-ωm) t , and the other light received by the center distance Δx is separated. The light received by the element is modulated by ej (ωc + ωm) t .
Accordingly, the complex amplitude distribution E on each light receiving element is as follows.
E = ∫ (Ae jθ (x) u (x) e jkx dx · e j (ωc-ωm) t + Ae jθ (x + Δx) u (x) e jkx dx · e j (ωc + ωm) t )

これら各受光素子により強度Iの検出を行うと、I=EE*、さらに、2ωmのヘテロダイン検波を行うので、以下の(4)式のようになる。
I(k)=A2∫ej(θ(x)-θ(x'+Δx') u(x) u(x') ejk(x-x')dxdx'e-j2ωmt
+A2∫e-j(θ(x)-θ(x'+Δx') u(x) u(x') ejk(x-x')dxdx'ej2ωmt・・・・・(4)式
When the intensity I is detected by each of the light receiving elements, I = EE * and further heterodyne detection of 2ωm is performed, so that the following equation (4) is obtained.
I (k) = A 2 ∫e j (θ (x) −θ (x ′ + Δx ′) u (x) u (x ′) e jk (x−x ′) dxdx′e −j2ωmt
+ A 2 ∫e −j (θ (x) −θ (x ′ + Δx ′) u (x) u (x ′) e jk (x−x ′) dxdx′e j2ωmt (4)

そして、2つの光の重なっている照射領域A,Bのほぼ中心を図2、図3の境界線Cとし、この境界線Cを挟んだ位置であって、各々の照射領域A,Bの分離方向に沿った位置に対応して2つの受光素子を測定対象物G1から離して配置する。ここでまず、2つの受光素子で受信した信号の和信号がどのようになるかを考える。測定対象物G1から離れた位置では、フーリエ変換面であると考えられるので、受光素子で受信できる最大空間周波数をKmaxとすると、和信号では強度Iが下記式から求められる。
I=∫I(k)dk(積分範囲は-KmaxからKmax)
=A2∫cos(θ(x)−θ(x'+Δx')−2ωmt) u(x) u(x')sin(Kmax(x-x'))/(x-x')dxdx'
Then, the approximate center of the two irradiation areas A and B where the two lights overlap is the boundary line C in FIGS. 2 and 3, and is a position between which the boundary line C is sandwiched, and the irradiation areas A and B are separated. Two light receiving elements are arranged apart from the measurement object G1 corresponding to the positions along the direction. First, consider what the sum signal of the signals received by the two light receiving elements will be. Since it is considered to be a Fourier transform plane at a position away from the measurement object G1, if the maximum spatial frequency that can be received by the light receiving element is Kmax, the intensity I of the sum signal can be obtained from the following equation.
I = ∫I (k) dk (integration range is -Kmax to Kmax)
= A 2 ∫cos (θ (x) −θ (x ′ + Δx ′) − 2ωmt) u (x) u (x ′) sin (Kmax (x−x ′)) / (x−x ′) dxdx ′

受光素子を大きくして広い空間周波数まで受信するように配置すると、
sin(Kmax(x-x'))/(x-x')=Kδ(x-x')となるので、以下の(5)式のようになる。
I=A2∫cos(θ(x) −θ(x+Δx) −2ωmt) u(x)2dx・・・・・(5)式
If the light receiving element is enlarged and arranged to receive a wide spatial frequency,
Since sin (Kmax (x−x ′)) / (x−x ′) = Kδ (x−x ′), the following equation (5) is obtained.
I = A 2 ∫cos (θ (x) −θ (x + Δx) −2ωmt) u (x) 2 dx (5)

すなわち、2つの光の分離位置の位相差を光のプロファイルのウェイトで積分したことになる。
(5)式を変形すると下記の式を得る。
Iq=A2∫cos(θ(x)−θ(x+Δx) u(x)2dx・cos(2ωmt)
Ii=A2∫sin(θ(x)−θ(x+Δx) u(x)2dx・sin(2ωmt)
That is, the phase difference between the separation positions of the two lights is integrated by the weight of the light profile.
When the equation (5) is modified, the following equation is obtained.
Iq = A 2 ∫cos (θ (x) −θ (x + Δx) u (x) 2 dx · cos (2ωmt)
Ii = A 2 ∫sin (θ (x) −θ (x + Δx) u (x) 2 dx · sin (2ωmt)

従って、直交変換により、観測される位相差Θは以下の(6)式のようになる。
Θ=tan-1(∫sin(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx/∫cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx)・・・・・(6)式
Therefore, the observed phase difference Θ is represented by the following equation (6) by orthogonal transformation.
Θ = tan −1 (∫sin (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx / ∫cos (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx)・ ・ ・ ・ ・ (6)

この一方、2つの受光素子の差信号を考えると、和信号の場合と同様にして下記の式が得られる。
I=∫I(k)dk(積分範囲は0からKmax)−∫I(k)dk(積分範囲は−Kmaxから0)
=A2∫sin(θ(x)−θ(x'+Δx')−2ωmt) u(x) u(x')( cos(Kmax(x-x')-1)/(x-x')dxdx'
On the other hand, considering the difference signal between the two light receiving elements, the following equation is obtained in the same manner as in the case of the sum signal.
I = ∫I (k) dk (integration range is 0 to Kmax) −∫I (k) dk (integration range is −Kmax to 0)
= A 2 ∫sin (θ (x) −θ (x ′ + Δx ′) − 2ωmt) u (x) u (x ′) (cos (Kmax (x−x ′) − 1) / (x−x ′ dxdx '

受光素子を大きくして広い空間周波数まで受信するように配置すると、
(cos(Kmax(x-x')-1)/(x-x')=δ'(x-x')+1/x(δ(x)-1)となるので、下記(7)式のようになる。
I=A2∫d/dx(sin(θ(x)―θ(x+Δx)―2ωmt) )u(x)2dx・・・・・(7)式
さらに、この(7)式を変形すると、下記のようになる。
Iq=A2∫d/dx(sin(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx・cos(2ωmt)
Ii=−A2∫d/dx(cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx・sin(2ωmt)
If the light receiving element is enlarged and arranged to receive a wide spatial frequency,
Since (cos (Kmax (x−x ′) − 1) / (x−x ′) = δ ′ (x−x ′) + 1 / x (δ (x) −1), the following equation (7) become that way.
I = A 2 ∫d / dx (sin (θ (x) −θ (x + Δx) −2ωmt)) u (x) 2 dx (7) Equation (7) Then, it becomes as follows.
Iq = A 2 d / dx (sin (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx · cos (2ωmt)
Ii = −A 2 ∫d / dx (cos (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx · sin (2ωmt)

従って、直交変換により観測される位相差Θは以下の(8)式のようになる。
Θ=tan-1(−∫d/dx(cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx/∫d/dx(sin(θ(x)−θ(x+Δx))u(x)2dx)・・・・・(8)式
Therefore, the phase difference Θ observed by the orthogonal transformation is expressed by the following equation (8).
Θ = tan −1 (−∫d / dx (cos (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx / ∫d / dx (sin (θ (x) −θ (x + Δx )) u (x) 2 dx) (8)

ここで、(6)式と(8)式の比較を行う。定性的には、以下の点がわかる。
まず、(6)式では、照射領域A,Bの中心距離Δxだけ離れた2点の位相差をu(x)の重み関数で、平滑化した結果として得られる位相差を示しているので、照射領域A,B内の平均的な位相差を示している。これは、微分干渉顕微鏡と等価な処理である。
他方、(8)式では、照射領域A,Bの中心距離Δxだけ離れた2点の位相差の微分に対して、u(x)の重み関数で平滑化しているので、おおよそ元の関数を復元していることになる。
従って、照射領域A,Bの分離度に相当する横分解能で、位相差情報および位置情報を取得することが可能となる。
Here, the expression (6) is compared with the expression (8). The following points are qualitatively understood.
First, the equation (6) shows the phase difference obtained as a result of smoothing the phase difference between two points separated by the center distance Δx between the irradiation areas A and B with the weight function of u (x). The average phase difference in the irradiation areas A and B is shown. This is a process equivalent to a differential interference microscope.
On the other hand, in the equation (8), the differential of the phase difference between the two points separated by the center distance Δx between the irradiation areas A and B is smoothed by the weight function u (x). It will be restored.
Therefore, it is possible to acquire phase difference information and position information with a lateral resolution corresponding to the degree of separation between the irradiation areas A and B.

ここでは、2つの受光素子を配置した場合を記述したが、照射領域A,Bの重なった領域の中心付近に、2つの光の分離方向に沿って複数の受光素子を測定対象物G1から離して配置した場合も同様になる。特に、差出力を得る場合には、照射領域A,Bの重なった部分の中心付近に対応して配置した複数の受光素子のうちの、対応する複数の受光素子間同士で差演算を行うようにすれば良い。
また、複数の受光素子の和出力だけを用いるのであれば、実質上1つの受光素子を用いることで、同様のことが実現できることになる。
Although the case where two light receiving elements are arranged is described here, a plurality of light receiving elements are separated from the measurement object G1 along the separation direction of the two lights in the vicinity of the center of the overlapping area of the irradiation areas A and B. The same applies to the case where they are arranged. In particular, when a difference output is obtained, a difference calculation is performed between a plurality of corresponding light receiving elements among the plurality of light receiving elements arranged corresponding to the vicinity of the center of the overlapping portions of the irradiation areas A and B. You can do it.
If only the sum output of a plurality of light receiving elements is used, the same can be realized by using one light receiving element.

尚、説明を簡単にするために取得する空間周波数が広い場合を想定して式を簡略化したが、取得できる空間周波数が大きくない場合には、式中のδ関数の部分がコンボリューションになるだけで、本質的に分解能が向上することに変わりはない。この場合には、測定対象物G1のプロファイル等に多少のボケが生じることになる。   In order to simplify the explanation, the formula is simplified assuming that the spatial frequency to be acquired is wide. However, when the spatial frequency that can be acquired is not large, the δ function portion in the formula becomes a convolution. However, the resolution is essentially improved. In this case, some blurring occurs in the profile of the measurement object G1.

上記説明においては位相に関して詳述したが、強度についても同様なことが言える。特に、照射領域A,Bよりも小さいプロファイルの変化に対しては、照射されている領域のフーリエ変換の0次回折波と1次回折波との干渉により形成された干渉縞のファーフィールドにおけるパターンが2つの受光素子で異なる。このため、受光素子の差信号はプロファイルの傾きに反映した強度差となってあらわれる。
以上述べたように、ヘテロダイン検波を用い、フーリエ変換面にて空間周波数情報を処理することにより、特に差演算では非常に高い横分解能の向上をもたらすことができる。
In the above description, the phase has been described in detail, but the same can be said for the intensity. In particular, for a profile change smaller than that of the irradiation regions A and B, a pattern in the far field of interference fringes formed by interference between the zeroth-order diffracted wave and the first-order diffracted wave of the Fourier transform of the irradiated region. Is different between the two light receiving elements. For this reason, the difference signal of the light receiving element appears as an intensity difference reflected in the inclination of the profile.
As described above, by using heterodyne detection and processing spatial frequency information on the Fourier transform plane, it is possible to bring about a very high improvement in lateral resolution, particularly in the difference calculation.

すなわち、光電変換されたそれぞれの信号の和信号に基づくヘテロダイン検波では、2つの光であるビームの中心距離だけ離れた2点間の位相差をu(x)の重み関数で平滑化し、この結果として得られる位相差を示している。このため、この和信号に基づくヘテロダイン検波は、ビーム内の平均的な位相差を示していることになるが、これは微分干渉顕微鏡と等価な処理である。   That is, in heterodyne detection based on the sum signal of each photoelectrically converted signal, the phase difference between two points that are separated by the center distance of the two light beams is smoothed by the weight function of u (x), and this result Represents the phase difference obtained. For this reason, the heterodyne detection based on this sum signal indicates an average phase difference in the beam, which is a process equivalent to a differential interference microscope.

この一方、光電変換されたそれぞれの信号の差信号に基づくヘテロダイン検波では、ビームの中心距離だけ離れた2点間の位相差の微分に対して、u(x)の重み関数で平滑化しているので、おおよそ元の関数を復元していることになる。
以上より、ビームを瞳伝達光学系により走査した場合、ビーム分離度に相当する横分解能で、位相差および位置情報を取得することが可能となる。
On the other hand, in heterodyne detection based on the difference signal between the photoelectrically converted signals, the differential of the phase difference between two points separated by the center distance of the beam is smoothed with a weight function of u (x). So, it is roughly restoring the original function.
As described above, when the beam is scanned by the pupil transmission optical system, the phase difference and the position information can be acquired with the lateral resolution corresponding to the beam separation degree.

上記においては、光軸を境界線として2分割された受光素子を適用した場合を記述したが、ビームの分離方向に沿って複数の受光素子を試料から離して配置した場合も同様になる。特に、差出力を得る場合には、境界線を挟んで隣り合う受光素子間同士で行うようにすれば良い。また、複数の受光素子の和出力だけを用いるのであれば、実質上1つの受光素子を用いることで、同様のことが実現できることになる。特に、和出力の場合、試料が吸収率や反射率の異なるような強度パターンとなっている場合には有効である。たとえば、対象物が細胞で染色されているような場合である。   In the above description, the case where the light receiving element divided into two with the optical axis as a boundary line is applied is described, but the same applies to the case where a plurality of light receiving elements are arranged away from the sample along the beam separation direction. In particular, when a difference output is obtained, it may be performed between adjacent light receiving elements across a boundary line. If only the sum output of a plurality of light receiving elements is used, the same can be realized by using one light receiving element. In particular, the sum output is effective when the sample has an intensity pattern with different absorptance and reflectance. For example, this is the case when the object is stained with cells.

そして、試料に関し、ビーム内にプロファイルの傾きがあれば、定性的には光が反射または透過する方向が異なるので、2つの受光素子に強度としての差出力が与えられる。具体的に説明すると、ビーム径よりも小さいプロファイルの変化があれば、光が照射されている領域のフーリエ変換の0次回折波と1次回折波との干渉により形成された干渉縞のファーフィールドにおけるパターンが、2つの受光素子間で異なる。このため、これら2つの受光素子の差信号は、プロファイルの傾きを反映した強度差となって表れることになる。
また、詳細は後述するが、対物レンズによる空間周波数はビームの走査と受光素子により電気的な周波数信号に変換しているので、対物レンズが本来有する空間周波数の漸減度を電気的な増幅度で修正することにより、対物レンズで取得できる空間周波数までは完全に復元することができる。
If there is an inclination of the profile in the beam with respect to the sample, the direction in which light is reflected or transmitted is qualitatively different, so that a difference output as intensity is given to the two light receiving elements. More specifically, if there is a profile change smaller than the beam diameter, the far field of interference fringes formed by the interference between the zeroth-order diffracted wave and the first-order diffracted wave of the Fourier transform in the region irradiated with light. The pattern in is different between the two light receiving elements. For this reason, the difference signal between these two light receiving elements appears as an intensity difference reflecting the inclination of the profile.
Although the details will be described later, since the spatial frequency by the objective lens is converted into an electrical frequency signal by scanning the beam and the light receiving element, the gradual decrease of the spatial frequency inherent in the objective lens is expressed by the electrical amplification degree. By correcting, it is possible to completely restore the spatial frequency that can be obtained by the objective lens.

以下、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例に適用される光学系を図面を用いて具体的に説明する。
図1は、実施例に適用される光学系の装置の構成を示すブロック図である。この図1に示すように、レーザー光が出射される光源であるレーザー光源21と、AODドライバー24が接続されて動作が制御される第1の手段である音響光学素子(AOD)23との間に、コリメーターレンズ22が配置されている。
また、この音響光学素子23に対して、2群のレンズからなる瞳伝達拡大レンズ系25、入力されたレーザー光を2次元走査する2次元走査デバイス26、入力されたレーザー光を分離して出射する偏光ビームスプリッター27が順に並んで配置されている。但し、音響光学素子23に対して、瞳伝達拡大レンズ系25、ビームスプリッター27、2次元走査デバイス26の順に並べて配置しても良い。
Hereinafter, an optical system applied to an embodiment of an optical distance measuring device according to the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an optical system apparatus applied to the embodiment. As shown in FIG. 1, between a laser light source 21 that is a light source from which laser light is emitted and an acousto-optic device (AOD) 23 that is a first means to which the operation is controlled by connecting an AOD driver 24. In addition, a collimator lens 22 is arranged.
Further, the acousto-optic element 23 includes a pupil transmission magnifying lens system 25 comprising two groups of lenses, a two-dimensional scanning device 26 for two-dimensionally scanning the input laser light, and separating and emitting the input laser light. The polarizing beam splitters 27 are arranged in order. However, the pupil transmission magnifying lens system 25, the beam splitter 27, and the two-dimensional scanning device 26 may be arranged in this order with respect to the acoustooptic device 23.

さらに、この偏光ビームスプリッター27に隣り合って、2群のレンズからなる瞳伝達レンズ系30が位置し、この隣に対物レンズ31が測定対象物G1と対向して配置されている。つまり、これら部材が光軸Lに沿って並んでいることになる。他方、光軸Lが通過する方向に対して直交する方向であって偏光ビームスプリッター27の両隣の位置には、それぞれ光センサである受光素子28及び受光素子29が配置されている。
これら受光素子28、29が、これら受光素子28、29からの信号を比較する信号比較器33にそれぞれ接続され、この信号比較器33が、最終的にデータを処理して測定対象物G1のプロフィル等を得るデータ処理部34に繋がっている。
Further, a pupil transmission lens system 30 comprising two groups of lenses is located adjacent to the polarization beam splitter 27, and an objective lens 31 is arranged next to the object G1 for measurement. That is, these members are arranged along the optical axis L. On the other hand, a light receiving element 28 and a light receiving element 29, which are optical sensors, are disposed at positions adjacent to the polarization beam splitter 27 in a direction orthogonal to the direction in which the optical axis L passes.
The light receiving elements 28 and 29 are connected to a signal comparator 33 that compares signals from the light receiving elements 28 and 29, respectively. The signal comparator 33 finally processes the data and the profile of the measurement object G1. Etc. are connected to a data processing unit 34 for obtaining the above.

また、このレーザー光源21は、He-Ne等のガスレーザー、もしくは、半導体レーザー、固体レーザーであり、コヒーレントなレーザー光を発生する。このレーザー光をコリメーターレンズ22により平行光束にし、音響光学素子23に入射させる。このとき、レーザー光の入射ビーム径は、後段の瞳伝達拡大レンズ系25との兼ね合いより、絞り機構(図示せず)等を用いて適正化しておくことにする。さらに、この音響光学素子23には、AODドライバー24より、sin(2πfct)sin(2πfmt)のようなDSB変調信号が変調信号として加えられる。   The laser light source 21 is a gas laser such as He—Ne, a semiconductor laser, or a solid laser, and generates coherent laser light. The laser light is converted into a parallel light beam by the collimator lens 22 and is incident on the acoustooptic device 23. At this time, the incident beam diameter of the laser light is optimized using a diaphragm mechanism (not shown) or the like in consideration of the pupil transmission magnifying lens system 25 in the subsequent stage. Further, a DSB modulation signal such as sin (2πfct) sin (2πfmt) is applied as a modulation signal to the acoustooptic device 23 from the AOD driver 24.

この様な変調を行うと、fc+fmとfc-fmの2つの周波数変調が加えられたことになる音響光学素子23は、ブラッグ回折格子のピッチdに相当する音波の粗密波を発生する。すなわち、超音波の速度をVa、印加する周波数をfとすると、d=Va/fとなる。具体的には、この粗密波により、音響光学素子23に入射されたレーザー光であるビームは、±1次回折光に分離され、各々の回折光は周波数fc±fmの周波数で変調される。たとえば、音響光学素子23の材料としてTeO2が用いられるが、この材料の音速は、660m/sである。 When such modulation is performed, the acoustooptic device 23 to which two frequency modulations of fc + fm and fc-fm have been applied generates an acoustic dense wave corresponding to the pitch d of the Bragg diffraction grating. That is, if the velocity of the ultrasonic wave is Va and the applied frequency is f, d = Va / f. Specifically, the beam, which is laser light incident on the acoustooptic device 23, is separated into ± first-order diffracted light by the dense waves, and each diffracted light is modulated at a frequency of frequency fc ± fm. For example, TeO 2 is used as the material of the acoustooptic device 23, and the sound velocity of this material is 660 m / s.

キャリアー周波数の周波数fcとして40MHzを選択すると、d=16.5μmとなり、He-Neレーザーをレーザー光源21に用いた場合、回折角θは2.19791度程度の角度になる。図1においては、光軸Lが変化していないように図示してあるが、実際には音響光学素子23以降の光学系を回折角θだけ傾けておくか、2次元走査デバイス26にバイアスを付与して、回折角θの傾きを実効上与えておくことにする。   When 40 MHz is selected as the frequency fc of the carrier frequency, d = 16.5 μm, and when the He—Ne laser is used for the laser light source 21, the diffraction angle θ is about 2.19791 degrees. In FIG. 1, the optical axis L is illustrated as not changing. However, in practice, the optical system after the acoustooptic element 23 is tilted by the diffraction angle θ or a bias is applied to the two-dimensional scanning device 26. In this case, the inclination of the diffraction angle θ is effectively given.

このキャリアー周波数に10KHz程度の周波数fmを加えると、±1次回折光はθ=2.19847度とθ=2.19737度となり、40.01MHzと39.99MHzでそれぞれ変調されることになる。この角度を維持したまま、対物レンズ31にレーザー光を入射させた場合、対物レンズ31の焦点距離を2mm、NA0.9とすると、ビームの中心距離は、0.6μm程度になり、この時の回折限界はw=0.857μmとなる。つまり、このように回折限界系よりもビームの分離度を小さくしておくことにする。   When a frequency fm of about 10 kHz is added to this carrier frequency, the ± first-order diffracted light becomes θ = 2.19847 degrees and θ = 2.19737 degrees, and is modulated at 40.01 MHz and 39.99 MHz, respectively. When laser light is incident on the objective lens 31 while maintaining this angle, if the focal length of the objective lens 31 is 2 mm and NA 0.9, the center distance of the beam is about 0.6 μm, and the diffraction at this time The limit is w = 0.857 μm. That is, the beam separation degree is made smaller than that of the diffraction limited system.

尚、ビームの中心距離であるビーム分離度をより小さくすれば、分解能を向上させることが出来るが、ヘテロダイン検波の周波数を低下させると、処理スピードが遅くなってしまう。この場合、より音速の早い音響光学素子を使用すれば、ブラッグの回折格子ピッチdを大きくすることが出来るので、処理速度を向上させることが出来る。実際、音速Vaが4.2E+3m/s程度のものも知られ、市販されている。   If the beam separation, which is the center distance of the beam, is further reduced, the resolution can be improved. However, if the frequency of the heterodyne detection is lowered, the processing speed becomes slow. In this case, if an acoustooptic device having a higher sound speed is used, the Bragg diffraction grating pitch d can be increased, and the processing speed can be improved. In fact, a sound velocity Va of about 4.2E + 3 m / s is also known and is commercially available.

ここで、音響光学素子23と偏光ビームスプリッター27との間に配置されている瞳伝達拡大レンズ系25は、音響光学素子23の出射面位置を次の2次元走査デバイス26に共役に伝達するための光学系である。この瞳伝達拡大レンズ系25を通過した光は2次元走査デバイス26に送られるが、対物レンズ31の瞳位置に共役にする瞳伝達レンズ系30により、この2次元走査デバイス26からの光は、角度差を有した±1次回折光として対物レンズ31に入射する。   Here, the pupil transmission magnifying lens system 25 disposed between the acoustooptic element 23 and the polarization beam splitter 27 transmits the position of the exit surface of the acoustooptic element 23 to the next two-dimensional scanning device 26 in a conjugate manner. This is an optical system. The light that has passed through the pupil transmission magnifying lens system 25 is sent to the two-dimensional scanning device 26. By the pupil transmission lens system 30 that is conjugated to the pupil position of the objective lens 31, the light from the two-dimensional scanning device 26 is The light enters the objective lens 31 as ± first-order diffracted light having an angular difference.

つまり、キャリア周波数fcと変調周波数fmの2つのDSB変調された信号を外部からAODドライバー24を経て、音響光学素子23に入力することで、きわめて接近したこれら2つの光束を作成することができる。
そして、上記のように音響光学素子23の実質的な瞳位置を2次元走査デバイス26の瞳位置に伝達する瞳伝達レンズ系25、光を面上に走査する2次元走査デバイス26および、2次元走査デバイス26の瞳位置を対物レンズ31の瞳に伝達するための瞳伝達レンズ系30を経て、対物レンズ31に、きわめて接近した2方向に出射された光束が入射される。
このようにして、図2の実線で示すビームLAおよび点線で示すビームLBのように、非常に接近して相互に同一径とされる2つのビームを得ることができる。
That is, by inputting two DSB-modulated signals having a carrier frequency fc and a modulation frequency fm from the outside to the acoustooptic device 23 via the AOD driver 24, these two light beams that are very close to each other can be created.
As described above, the pupil transfer lens system 25 that transmits the substantial pupil position of the acoustooptic device 23 to the pupil position of the two-dimensional scanning device 26, the two-dimensional scanning device 26 that scans light on the surface, and the two-dimensional Through the pupil transmission lens system 30 for transmitting the pupil position of the scanning device 26 to the pupil of the objective lens 31, light beams emitted in two directions that are very close to each other are incident on the objective lens 31.
In this way, two beams that are very close to each other and have the same diameter can be obtained, such as a beam LA indicated by a solid line and a beam LB indicated by a dotted line in FIG.

この結果として、対物レンズ31で収束された光束であるビームLA、LBは、きわめて接近された2つのスポットとして、測定対象物G1を面上に走査することになる。この2つのスポットは周波数fc+fmと周波数fc−fmの2つの信号となるので、これらの信号をヘテロダイン検波することにより、測定対象物G1の凸凹情報、屈折率分布を反映した信号が得られる。   As a result, the beams LA and LB which are light beams converged by the objective lens 31 scan the measurement object G1 on the surface as two very close spots. Since these two spots become two signals of frequency fc + fm and frequency fc-fm, a signal reflecting unevenness information and refractive index distribution of the measurement object G1 can be obtained by performing heterodyne detection on these signals.

また、これら2つのビームLA、LBの有する周波数は、「光の振動数+キャリア周波数fc±変調周波数fm」となる。2つの接近したビームの中心距離を上記したように回折限界以下に設定した場合、各々のビームは、アッべの理論の回折限界以下にはならないが、わずかにずらした各々別の周波数の光であるために、ヘテロダイン検波をすることにより、微分情報を取得することができる。さらに、図1に示す受光素子29を2分割以上の受光素子とする。そして、光軸Lを境界線として、この境界線を挟んでビームの分離方向に対して垂直な方向に暗線を有するように、これら受光素子を配置し、その和信号あるいは差信号より、ビート信号を取得させる。この時、和信号を用いると、実質的に微分干渉顕微鏡と等価になり、差信号を用いるとはるかに高い横分解能が得られる。   The frequency of the two beams LA and LB is “light frequency + carrier frequency fc ± modulation frequency fm”. When the center distance between two close beams is set below the diffraction limit as described above, each beam does not fall below the diffraction limit of Abbe's theory, but with slightly shifted light at different frequencies. Therefore, differential information can be acquired by performing heterodyne detection. Further, the light receiving element 29 shown in FIG. Then, with the optical axis L as a boundary line, these light receiving elements are arranged so as to have a dark line in a direction perpendicular to the beam separation direction across the boundary line, and a beat signal is obtained from the sum signal or difference signal. To get. At this time, if a sum signal is used, it is substantially equivalent to a differential interference microscope, and if a difference signal is used, a much higher lateral resolution can be obtained.

ここで、測定対象物G1に送られる光の性質について具体的に説明する。対物レンズ31で絞られた光は、図2に示すように近接した2つのビームLA、LBとなり、測定対象物G1に送られる。なお、ビームLAの複素振幅EaおよびビームLBの複素振幅Ebは、下記式のようになる。
Ea=Aexpj(2π(fo+fc+fm)t)
Eb=Bexpj(2π(fo+fc-fm)t+δ)
この複素振幅Ebの式のδは、ビームLAを基準としたビームLBの高さ方向の位相差を表わし、foは光の周波数を表す。なお、前述したようにこの2つのビームの間隔は、音響光学素子23に加えた変調周波数fmによって決定されるので、走査速度とは無関係である。
Here, the property of the light transmitted to the measuring object G1 will be specifically described. The light narrowed down by the objective lens 31 becomes two adjacent beams LA and LB as shown in FIG. 2, and is sent to the measurement object G1. Note that the complex amplitude Ea of the beam LA and the complex amplitude Eb of the beam LB are expressed by the following equations.
Ea = Aexpj (2π (fo + fc + fm) t)
Eb = Bexpj (2π (fo + fc-fm) t + δ)
Δ in the expression of the complex amplitude Eb represents the phase difference in the height direction of the beam LB with respect to the beam LA, and fo represents the frequency of light. Note that, as described above, the interval between the two beams is determined by the modulation frequency fm applied to the acoustooptic device 23, and is thus independent of the scanning speed.

図1および図2に示す測定対象物G1で反射されたこの2つのビームLA、LBは、対物レンズ31、瞳伝達レンズ系30および偏光ビームスプリッター27を介して、受光素子29に導かれる。この受光素子29を2次元走査デバイス26の位置と共役な位置に配しておくと、2つのビームLA、LBは同じ位置に戻るので、2つのビームLA、LBの位相差δがビート信号として検出される。   The two beams LA and LB reflected by the measurement object G1 shown in FIGS. 1 and 2 are guided to the light receiving element 29 via the objective lens 31, the pupil transfer lens system 30, and the polarization beam splitter 27. If the light receiving element 29 is arranged at a position conjugate with the position of the two-dimensional scanning device 26, the two beams LA and LB return to the same position, so that the phase difference δ between the two beams LA and LB becomes a beat signal. Detected.

すなわち、この受光素子29は図示しない光電変換部を有した構造とされているので、受光素子29上における2つのビームLA、LBの強度Iは、下記式に基づく値で受光素子29の光電変換部により検出され、信号比較器33に送られる。
I=(Ea+Eb)(Ea+Eb)*=A2+B2+2ABcos(2π*2fmt+δ)
これに伴い、図1に示す信号比較器33を用いて、周波数2fmのヘテロダイン検波の位相比較を行うことにより、位相差δを測定することができる。このようにして、位相情報を取得する。
That is, since the light receiving element 29 has a structure having a photoelectric conversion unit (not shown), the intensity I of the two beams LA and LB on the light receiving element 29 is a value based on the following formula and the photoelectric conversion of the light receiving element 29 is performed. Is sent to the signal comparator 33.
I = (Ea + Eb) (Ea + Eb) * = A 2 + B 2 + 2ABcos (2π * 2fmt + δ)
Accordingly, the phase difference δ can be measured by performing phase comparison of heterodyne detection at a frequency of 2 fm using the signal comparator 33 shown in FIG. In this way, phase information is acquired.

ところで、受光素子29と偏光ビームスプリッター27を挟んで対向して配置されている受光素子28も図示しない光電変換部を有した構造とされている。そして、音響光学素子23で生じる回折光の入射ビームのビート信号がこの受光素子28に入射されて、受光素子28の光電変換部により検出される。つまり、音響光学素子23までに光学系等で生じた位相差を受光素子28の光電変換部により検出することになるので、この受光素子28は位相の基準を与える役割をしている。   By the way, the light receiving element 28 disposed opposite to the light receiving element 29 with the polarization beam splitter 27 in between also has a structure having a photoelectric conversion unit (not shown). A beat signal of an incident beam of diffracted light generated by the acoustooptic device 23 is incident on the light receiving device 28 and detected by the photoelectric conversion unit of the light receiving device 28. That is, since the phase difference generated in the optical system or the like up to the acoustooptic device 23 is detected by the photoelectric conversion unit of the light receiving device 28, the light receiving device 28 serves to provide a phase reference.

この一方、前述のように受光素子29においては、ビームLAとビームLBの2つのビーム間の位相差情報を加えたビート信号が受光素子29内の光電変換部により検出され、信号比較器33に送られる。したがって、信号比較器33においてこの2つの位相比較を行うことにより、真の位相差δが検出されることになる。この真の位相差δは、ビームLAとビームLBの平均の位相差、すなわち、平均の高さhの差情報であるδh=λδ/4πとなる。ここで、λはレーザー光源21から出射されるレーザー光の波長を表す。   On the other hand, as described above, in the light receiving element 29, a beat signal obtained by adding phase difference information between the two beams of the beam LA and the beam LB is detected by the photoelectric conversion unit in the light receiving element 29 and is sent to the signal comparator 33. Sent. Therefore, the true phase difference δ is detected by performing the two phase comparisons in the signal comparator 33. The true phase difference δ is δh = λδ / 4π, which is the average phase difference between the beam LA and the beam LB, that is, difference information of the average height h. Here, λ represents the wavelength of the laser light emitted from the laser light source 21.

信号比較器33と接続されたCPUやメモリ等からなるデータ処理部34にこれらの情報を送り込めば、データ処理部34でこの情報を平面の走査情報とともに記録していき、測定対象物G1の表面のプロファイル情報を簡単に導くことができる。また、さらに高速なデータを取得するには、できるだけ音速Vaの大きい音響光学素子23を用いれば実現できる。   If these pieces of information are sent to a data processing unit 34 composed of a CPU, a memory, etc. connected to the signal comparator 33, the data processing unit 34 records this information together with the plane scanning information, and the measurement object G1 is recorded. Surface profile information can be easily derived. Further, acquiring higher-speed data can be realized by using the acoustooptic device 23 having the highest sound speed Va as much as possible.

他方、本光学系において、ヘテロダイン検波を行うには、照射された変調信号の一部をビームスプリッター27で取り出して受光素子28でレファランス信号を得る。そして、このレファランス信号と2分割された受光素子29で検出された信号とで差動出力を求め、信号比較器33により位相差情報および強度情報を取得し、データ処理部34に送る。
データ処理部34では走査情報とともに取得された情報を画像やデータの形として、ディスプレイに表示したり、メモリにデータとして蓄積したりする。
On the other hand, in the present optical system, in order to perform heterodyne detection, a part of the irradiated modulation signal is extracted by the beam splitter 27 and a reference signal is obtained by the light receiving element 28. Then, a differential output is obtained from the reference signal and the signal detected by the light-receiving element 29 divided into two, the phase difference information and the intensity information are obtained by the signal comparator 33, and sent to the data processing unit 34.
The data processing unit 34 displays the information acquired together with the scanning information as an image or data form on a display or stores it as data in a memory.

ただし、受光素子28は必ずしも必要ではなく、音響光学素子23に出力する信号、 すなわち音響光学素子23に印加される信号自体と比較してもよい。この場合、回路系や音響光学素子等による遅延が発生するが、予め補正するなどしておけば、位相差検出等に大きな影響を与えることはない。   However, the light receiving element 28 is not necessarily required, and may be compared with a signal output to the acoustooptic element 23, that is, a signal itself applied to the acoustooptic element 23. In this case, a delay occurs due to a circuit system, an acoustooptic device, or the like. However, if it is corrected in advance, it does not have a great influence on phase difference detection or the like.

また、測定対象物G1の表面を面上に走査する極めて接近した2つのスポット光は、相互に周波数の異なる光となる。但し、実質上、瞳伝達レンズ系25、30等の拡大光学系を使用することにより、高い周波数でも極めて接近させたスポットにすることができる。これにより高速な走査により高速な情報取得ができることになる。   Further, two very close spot lights that scan the surface of the measuring object G1 on the surface are lights having different frequencies. However, the use of a magnifying optical system such as the pupil transfer lens systems 25 and 30 can substantially make the spot very close even at a high frequency. Thus, high-speed information acquisition can be performed by high-speed scanning.

以上より、このような本光学系を用いれば、2次元走査を行うたびに3次元計測データを取得することが可能となる。このため、本光学系によれば、細胞や微生物の状態変化や表面状態の過渡的な変化等を、高速に観察、計測することができる。   As described above, using such an optical system makes it possible to acquire three-dimensional measurement data every time two-dimensional scanning is performed. For this reason, according to the present optical system, it is possible to observe and measure the state change of cells and microorganisms, the transient change of the surface state, and the like at high speed.

この一方、このようにして得られた2つの光は、上記手法により分離度を非常に小さくすることができ、実質上1つのビームで走査した情報と変わらない。これに対し、一つのビームで走査し、ファーフィールドに配置した少なくとも2分割された受光素子の差動出力を得る方法が、前記したDPC法である。   On the other hand, the two lights obtained in this way can have a very low degree of separation by the above-described method, and are substantially the same as the information scanned with one beam. On the other hand, the DPC method described above is a method of scanning with one beam and obtaining a differential output of at least two divided light receiving elements arranged in the far field.

つまり、DPC法に比較すると、このような本ヘテロダイン法をさらに使用した方法では、ヘテロダイン検出することにより、位相変化および強度変化をきわめて精度よく検出できる点と、受光素子29で受光される光が非常に微弱でも検出回路系のゲインを高くすることで、高精度に検出できる点と、検出される信号は変調信号だけなので、外乱光の影響を受けることもなくなる点とを有することから、さらに高精度な検出ができることになる。   In other words, compared to the DPC method, in the method further using the present heterodyne method, the phase change and the intensity change can be detected with high accuracy by performing the heterodyne detection, and the light received by the light receiving element 29 is reduced. Even if it is very weak, it can be detected with high accuracy by increasing the gain of the detection circuit system, and since the detected signal is only the modulation signal, it is not affected by disturbance light. High-precision detection can be performed.

また、製品化されている裸眼立体ディスプレイや偏光めがねを使用した3次元ディスプレイ等を用いることにより、3次元立体画像を表示することもできるので、教育や研究、医療において、有用な装置とすることができる。この際、2つのビームの重なりの程度をビーム径よりも小さくしてあるので、2つのビームの行路差はほとんど生じていない。このことから、外乱や振動の影響も2つのビームで同時に生じるので、これらの影響が相殺される。   In addition, since a 3D stereoscopic image can be displayed by using a commercially available autostereoscopic display or a 3D display using polarized glasses, the apparatus should be useful in education, research, and medicine. Can do. At this time, since the degree of overlap of the two beams is made smaller than the beam diameter, the path difference between the two beams hardly occurs. For this reason, the influences of disturbances and vibrations are generated simultaneously by the two beams, and these influences are offset.

他方、本光学系では、ビームの分離度を個々のビーム径よりも非常に小さくした例を示した。但し、変調周波数を高くすることにより、ビームの分離度が大きくなり、かつ、ビーム径程度の分離度が必要となる場合にも、本発明の光学系が有用であることになる。   On the other hand, in this optical system, an example in which the degree of beam separation is much smaller than the individual beam diameters is shown. However, by increasing the modulation frequency, the optical system of the present invention is useful even when the beam separation degree is increased and the degree of separation of the beam diameter is required.

尚、本光学系においては、2次元走査デバイスを用いた例で説明をしたが、単純な一方向だけのデータが必要なアプリケーションであれば、この2次元走査デバイスを1次元走査デバイスに置き換えても同様な効果が得られることになる。これらの1次元走査デバイスとして、ガルバノミラー、レゾナントミラー、回転ポリゴンミラー等を採用することができる。また、2次元走査デバイスは、上記した1次元走査デバイスをX方向用とY方向用の2つを用意し、瞳伝達レンズ系を介すことにより、実現できる。また、マイクロマシーンの技術を用いたマイクロミラーデバイスを用いても良い。このマイクロミラーデバイスとしては、1次元用、2次元用ともに知られ製品化されている。   In this optical system, an example using a two-dimensional scanning device has been described. However, if the application requires simple data in only one direction, the two-dimensional scanning device is replaced with a one-dimensional scanning device. The same effect can be obtained. As these one-dimensional scanning devices, galvanometer mirrors, resonant mirrors, rotating polygon mirrors, and the like can be employed. In addition, the two-dimensional scanning device can be realized by preparing two one-dimensional scanning devices for the X direction and the Y direction and passing through the pupil transfer lens system. Further, a micromirror device using a micromachine technique may be used. As this micromirror device, both one-dimensional and two-dimensional devices are known and commercialized.

以上述べたように、フーリエ変換面にて空間周波数情報を処理することにより、特に差演算では非常に高い横分解能の向上をもたらすことができる。また、前述したように強度差信号がプロファイルデータの高さを反映したデータであることも同様である。   As described above, by processing the spatial frequency information on the Fourier transform plane, it is possible to bring about a very high lateral resolution improvement, particularly in the difference calculation. Similarly, as described above, the intensity difference signal is data that reflects the height of the profile data.

本光学系は、前記説明で述べた反射光学系を透過光学系に置き換えた場合である。
図4は、本光学系に係る透過型の光学系を用いた装置を示すブロック図である。主要な光学系は前記光学系と同じなので説明を割愛するが、本光学系では、図4に示すように、対物レンズ31で集光された光が測定対象物G2を透過することになる。このため、受光素子49は測定対象物G2を挟んで対物レンズ31と反対側に配置されていることが特徴である。つまり、本光学系の場合、対物レンズ31の光軸Lの延長線上に2つのビームの分離方向に対して垂直方向に暗線が伸びる形で分割された受光素子49が配置されている。
This optical system is a case where the reflection optical system described in the above description is replaced with a transmission optical system.
FIG. 4 is a block diagram showing an apparatus using a transmission type optical system according to the present optical system. Since the main optical system is the same as the above optical system, the description thereof will be omitted. However, in this optical system, as shown in FIG. 4, the light collected by the objective lens 31 is transmitted through the measurement object G2. For this reason, the light receiving element 49 is characterized in that it is disposed on the opposite side of the objective lens 31 with the measurement object G2 interposed therebetween. In other words, in the case of this optical system, the light receiving element 49 divided in such a manner that a dark line extends in a direction perpendicular to the separation direction of the two beams is arranged on an extension line of the optical axis L of the objective lens 31.

以上より、本光学系によれば、反射型の光学系に比較し、測定対象物G2に近接して受光素子49を配置できるので、取得できる空間周波数を非常に高く設定することが可能となる。従って、近接した受光素子で得られる電気的な高周波の信号を、本光学系と同様に周波数により信号ゲインを変換することにより、MTF曲線をフラット化して計測に使用したり、高周波強調を行い、細胞等の屈折率変化や形状変化を強調したりすることができる。   As described above, according to the present optical system, the light receiving element 49 can be arranged close to the measurement target G2 as compared with the reflection type optical system, so that the spatial frequency that can be acquired can be set very high. . Therefore, by converting the signal gain of the electrical high frequency signal obtained by the adjacent light receiving element by the frequency in the same manner as this optical system, the MTF curve is flattened and used for measurement, or the high frequency enhancement is performed. It is possible to emphasize the refractive index change and shape change of cells and the like.

特に、透過では、無染色、非侵襲で生きたままの細胞の状態変化をリアルタイムに観察できるので、IPS、ES細胞の正常かどうかの検査やがん細胞の有無検査等に大きな役割を果たすことができる。これは、電子顕微鏡のような高倍率であっても生体を殺した状態でないと観測できない測定器とは大きく異なる特徴である。このように、特に透過では受光素子を近接して配置することができるという大きな特徴を有する。これは、前述したように受光素子が一種のレンズと等価であるために、光学レンズでは不可能な空間周波数情報まで、取得できるということを意味する。   In particular, permeation can play a major role in testing whether IPS and ES cells are normal and checking for the presence or absence of cancer cells because it allows real-time observation of the state of living cells without staining and non-invasiveness. Can do. This is a feature that is greatly different from a measuring instrument such as an electron microscope that cannot be observed unless the living body is killed even at a high magnification. As described above, particularly in transmission, the light receiving element can be arranged close to each other. This means that, as described above, since the light receiving element is equivalent to a kind of lens, it is possible to acquire even spatial frequency information impossible with an optical lens.

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例1を以下に図5を参照しつつ説明する。この図5は、本実施例の光学的距離計測装置の構成を示す概略図である。
以下、説明を簡単にするために、変調しないDPC的な手法を用いて一つのビームによる位相取得方法について説明するが、ヘテロダイン信号を作成する音響光学素子や1次元または2次元の走査系を経て、きわめて隣接した2つのビームを作成するヘテロダイン法においても、同様に説明できる。
A first embodiment of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the optical distance measuring device of this embodiment.
In the following, for the sake of simplicity, a phase acquisition method using a single beam using a non-modulated DPC-like method will be described. However, through an acousto-optic element that creates a heterodyne signal and a one-dimensional or two-dimensional scanning system. The same can be said for the heterodyne method in which two beams that are very adjacent to each other are created.

この図5に示すように、光を照射する光源であって半導体レーザーとされるレーザー光源21が、図示しない光学装置を介して対物レンズ31と対向して配置されている。このレーザー光源21から出射された光は、図示しないコリメーターレンズにより平行光となり、対物レンズ31に入射される。そして、対物レンズ31を透過した光が、透過物の測定対象物である試料Sに収束して照射される。   As shown in FIG. 5, a laser light source 21 that is a light source that emits light and is a semiconductor laser is disposed to face the objective lens 31 via an optical device (not shown). The light emitted from the laser light source 21 becomes parallel light by a collimator lens (not shown) and is incident on the objective lens 31. And the light which permeate | transmitted the objective lens 31 is converged and irradiated to the sample S which is a measurement object of a permeate | transmittance.

本実施例においては、図5に示すように試料Sを透過して回折された光束を平行な光束に集光するための集光レンズ36を0次回折光の光軸L0に対して傾斜して設置している。このことで、0次回折光の一部だけでなく、同じレンズを用いた場合に比較してより高い空間周波数を有した1次回折光の一部を取り入れることができる。つまり、本実施例においては、試料Sに照射された光が試料Sを透過するのに伴い回折されて0次回折光と1次回折光とになる。さらに、これら0次回折光の一部と1次回折光の一部とが、0次回折光と1次回折光との間の中間的な傾き角を有した光軸L3だけ傾けた状態の集光レンズ36に入射される。この集光レンズ36は実質的にフーリエ変換レンズであり、試料Sのフーリエ変換パターンがこの集光レンズ36により伝達される。   In this embodiment, as shown in FIG. 5, a condenser lens 36 for condensing a light beam transmitted through the sample S and diffracted into a parallel light beam is inclined with respect to the optical axis L0 of the 0th-order diffracted light. It is installed. Thus, not only a part of the 0th-order diffracted light but also a part of the 1st-order diffracted light having a higher spatial frequency compared to the case where the same lens is used can be incorporated. In other words, in this embodiment, the light irradiated to the sample S is diffracted as it passes through the sample S to become 0th order diffracted light and 1st order diffracted light. Further, the condensing lens 36 in a state in which a part of the 0th-order diffracted light and a part of the 1st-order diffracted light are inclined by the optical axis L3 having an intermediate inclination angle between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light. Is incident on. The condensing lens 36 is substantially a Fourier transform lens, and the Fourier transform pattern of the sample S is transmitted by the condensing lens 36.

この集光レンズ36の下方の光軸L3上には、集光レンズ36から出射された平行な光束を右方向に分割するための分離素子であるビームスプリッター38が配置されている。そして、光束が直進して送られる光路B1とビームが直角に曲がって送られる光路B2とに、このビームスプリッター38により光束であるビームを2つの光路に分岐する。   On the optical axis L3 below the condenser lens 36, a beam splitter 38, which is a separation element for splitting the parallel light beam emitted from the condenser lens 36 in the right direction, is disposed. The beam splitter 38 splits the beam, which is the light beam, into two optical paths, the optical path B1 where the light beam travels straight and the optical path B2 where the beam is bent at a right angle.

光軸L3に沿った光路B1上には、ロンボイドプリズム39が配置されている。このロンボイドプリズム39の一面が半透鏡39Aとされ、この半透鏡39Aと反対の面が半透鏡39Bとされていて、それぞれの面を通過あるいは反射して光を受光する位置には、受光素子40、41が配置されている。これに対して、光軸L3に対して直交する光路B2上には、ロンボイドプリズム39と同様のロンボイドプリズム49が配置されている。このロンボイドプリズム49の一面が半透鏡49Aとされ、この半透鏡49Aと反対の面が半透鏡49Bとされていて、それぞれの面を通過あるいは反射して光を受光する位置には、受光素子50、51が同じく配置されている。   A rhomboid prism 39 is disposed on the optical path B1 along the optical axis L3. One surface of the rhomboid prism 39 is a semi-transparent mirror 39A, and the surface opposite to the semi-transparent mirror 39A is a semi-transparent mirror 39B. A light receiving element is provided at a position where light passes through or reflects each surface to receive light. 40 and 41 are arranged. On the other hand, a rhomboid prism 49 similar to the rhomboid prism 39 is disposed on the optical path B2 orthogonal to the optical axis L3. One surface of the rhomboid prism 49 is a semi-transparent mirror 49A, and the surface opposite to the semi-transparent mirror 49A is a semi-transparent mirror 49B. A light receiving element is provided at a position where light passes through or reflects each surface. 50 and 51 are similarly arranged.

各光路B1、B2の光束の断面はそれぞれ円形とされるが、光路B1の光束を図5の紙面に対して垂直な方向で半分に分割した半円形の半円ビームBA、BBにそれぞれ分割する。同じく、光路B2のビームを図5の紙面に対して垂直な方向で半分に分割した半円形の半円ビームBC、BDにそれぞれ分割する。   The cross sections of the light beams in the optical paths B1 and B2 are each circular, but the light beams in the optical path B1 are divided into semicircular semicircular beams BA and BB obtained by dividing the light beam in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. . Similarly, the beam of the optical path B2 is divided into semicircular semicircular beams BC and BD, which are divided in half in a direction perpendicular to the paper surface of FIG.

ここで、半円ビームBA、BCは0次回折光の図5における進行方向の右側半分のエリアであるものの、低周波の1次回折光を含む。このエリアを以下、0次回折光エリアと呼ぶ。また、半円ビームBB、BDは1次回折光を含むエリアである。このエリアを以下、1次回折光エリアと呼ぶ。図6および図7は、2つに分岐された光路B1、B2のそれぞれの光束と遅延素子の関係を示す図である。図6に半円ビームBA、BBを相互に離して表示し、図7に半円ビームBC、BDを相互に離して表示してある。   Here, the semicircular beams BA and BC are areas on the right half of the traveling direction in FIG. 5 of the zero-order diffracted light, but include the low-frequency first-order diffracted light. This area is hereinafter referred to as a 0th-order diffracted light area. Semicircular beams BB and BD are areas including first-order diffracted light. This area is hereinafter referred to as a first-order diffracted light area. FIGS. 6 and 7 are diagrams showing the relationship between the respective light fluxes of the optical paths B1 and B2 branched into two and the delay elements. FIG. 6 shows the semicircular beams BA and BB separated from each other, and FIG. 7 shows the semicircular beams BC and BD separated from each other.

光路B1の半円ビームBAの図6の上側半分(図6の下側半分でもよい)は、1/4波長板とされて第1の遅延素子でもある遅延素子43Aによりπ/2だけ位相が遅れた光を生じさせる。そして、半円ビームBAと半円ビームBBは、ロンボイドプリズム39の半透鏡39Aと半透鏡39Bにより平行シフトして、図8に示すように合成される。他方、光路B2の半円ビームBDの図7の上側半分は、1/4波長板とされて第2の遅延素子でもある遅延素子43Bによりπ/2だけ位相が遅れた光を生じさせる。また、半円ビームBDの図7の下側半分は、1/2波長板とされて第2の遅延素子でもある遅延素子43Cによりπだけ位相が遅れた光を生じさせる。そして、半円ビームBCと半円ビームBDは、同様のロンボイドプリズム49の半透鏡49Aと半透鏡49Bにより平行シフトして、同様に合成される。   The upper half of FIG. 6 (may be the lower half of FIG. 6) of the semicircular beam BA in the optical path B1 is a quarter wavelength plate and has a phase of π / 2 by the delay element 43A which is also the first delay element. Produces delayed light. Then, the semicircular beam BA and the semicircular beam BB are parallel-shifted by the semi-transparent mirror 39A and the semi-transparent mirror 39B of the rhomboid prism 39 and synthesized as shown in FIG. On the other hand, the upper half in FIG. 7 of the semicircular beam BD in the optical path B2 is a quarter-wave plate and generates light whose phase is delayed by π / 2 by the delay element 43B which is also the second delay element. Further, the lower half of FIG. 7 of the semicircular beam BD is a half-wave plate and generates light whose phase is delayed by π by the delay element 43C which is also the second delay element. Then, the semicircular beam BC and the semicircular beam BD are shifted in parallel by the semitransparent mirror 49A and the semitransparent mirror 49B of the same rhomboid prism 49, and are similarly synthesized.

上記したように遅延素子43Aが位置する半円ビームBAは0次回折光エリアであり、遅延素子43Bが位置する半円ビームBDは1次回折光エリアであるが、π/2の位相差を生じさせる遅延素子43A、43Bの位置関係を、相互に異なる回折光エリアであればどのように配置してもよい。また、遅延素子43Cは半円ビームBCの下側半分に位置してもよい。   As described above, the semicircular beam BA where the delay element 43A is located is the 0th-order diffracted light area, and the semicircular beam BD where the delay element 43B is located is the 1st-order diffracted light area, but causes a phase difference of π / 2. The positional relationship between the delay elements 43A and 43B may be arranged in any way as long as they are different from each other. The delay element 43C may be positioned in the lower half of the semicircular beam BC.

ここで、ロンボイドプリズム39により合成された光路B1の半円ビームBA、BBは、第1の受光素子である受光素子40に送られる。また、ロンボイドプリズム49により合成された半円ビームBC、BDは、第2の受光素子である受光素子50に送られる。尚、この受光素子50はビームスプリッター38により分岐されたもう一つの光路B2における受光素子40に対応する受光素子である。他方、受光素子40は、紙面を境界として紙面垂直方向に2分割されている分割受光素子40A、40Bにより形成されている。つまり、受光素子40の上側部分を分割受光素子40Aとし、下側部分を分割受光素子40Bとする。同様に、受光素子50の上側部分を分割受光素子50Aとし、下側部分を分割受光素子50Bとしている。   Here, the semicircular beams BA and BB of the optical path B1 synthesized by the rhomboid prism 39 are sent to the light receiving element 40 which is the first light receiving element. The semicircular beams BC and BD synthesized by the rhomboid prism 49 are sent to the light receiving element 50 which is the second light receiving element. The light receiving element 50 is a light receiving element corresponding to the light receiving element 40 in another optical path B2 branched by the beam splitter 38. On the other hand, the light receiving element 40 is formed by divided light receiving elements 40A and 40B which are divided into two in the direction perpendicular to the paper surface with the paper surface as a boundary. That is, the upper part of the light receiving element 40 is a divided light receiving element 40A, and the lower part is a divided light receiving element 40B. Similarly, the upper part of the light receiving element 50 is a divided light receiving element 50A, and the lower part is a divided light receiving element 50B.

以上より、受光素子40で受光される光束は、0次回折光エリアの半円ビームBAと1次回折光エリアの半円ビームBBが合成されたものである。これに伴い、0次回折光エリアの1/2π位相遅れの光と1次回折光エリアの光とを干渉させた光束の上側半分が、受光素子40の上側部分の分割受光素子40Aで受光される。一方、0次回折光エリアの光と1次回折光エリアの光とを位相遅れなく干渉させた光束の下側半分が、受光素子40の下側部分の分割受光素子40Bで受光される。   As described above, the light beam received by the light receiving element 40 is a combination of the semicircular beam BA in the 0th-order diffracted light area and the semicircular beam BB in the 1st-order diffracted light area. Accordingly, the upper half of the light beam obtained by causing the light of 1 / 2π phase delay in the 0th-order diffracted light area to interfere with the light in the 1st-order diffracted light area is received by the divided light receiving element 40 </ b> A in the upper part of the light receiving element 40. On the other hand, the lower half of the light beam in which the light in the 0th-order diffracted light area and the light in the 1st-order diffracted light area interfere with each other without phase delay is received by the divided light receiving element 40B in the lower part of the light receiving element 40.

同様に、受光素子50で受光される光束は、0次回折光エリアの半円ビームBCと1次回折光エリアの半円ビームBDが合成されたものである。これに伴い、1次回折光エリアの1/2π位相遅れの光と0次回折光エリアの光とを干渉させた光束の上側半分が、受光素子50の上側部分の分割受光素子50Aで受光される。一方、1次回折光エリアのπ位相遅れの光と0次回折光エリアの光とを干渉させた光束の下側半分が、受光素子50の下側部分の分割受光素子50Bで受光される。   Similarly, the light beam received by the light receiving element 50 is a combination of the semicircular beam BC in the 0th-order diffracted light area and the semicircular beam BD in the 1st-order diffracted light area. Accordingly, the upper half of the light beam obtained by causing the light of 1 / 2π phase delay in the first-order diffracted light area and the light in the 0th-order diffracted light area to interfere with each other is received by the divided light-receiving element 50A in the upper part of the light-receiving element 50. On the other hand, the lower half of the light beam obtained by causing the light of the π phase delay in the first-order diffracted light area and the light in the 0th-order diffracted light area to interfere with each other is received by the divided light receiving element 50B in the lower part of the light receiving element 50.

以上より、0次回折光エリアの光を基準とすれば、分割受光素子40Aでは1次回折光エリアの光が1/2π進んで受光され、分割受光素子40Bでは1次回折光エリアの光が同位相で受光され、分割受光素子50Aでは1次回折光エリアの光が1/2π遅れて受光され、分割受光素子50Bでは1次回折光エリアの光がπ遅れて受光される。   As described above, when the light in the 0th-order diffracted light area is used as a reference, the divided light-receiving element 40A receives the light in the 1st-order diffracted light area by 1 / 2π, and the divided light-receiving element 40B receives the light in the first-order diffracted light area in the same phase. The divided light receiving element 50A receives the light in the first-order diffracted light area with a delay of 1 / 2π, and the divided light-receiving element 50B receives the light in the first-order diffracted light area with a delay of π.

さらに、前述の分割受光素子40A、40Bや分割受光素子50A、50Bが、これら分割受光素子40A、40Bや分割受光素子50A、50Bからの信号を比較するための比較器7にそれぞれ接続されている。そして、この比較器7が、最終的にデータを処理して試料Sのプロフィル等を得るデータ処理部8に繋がっている。このため、比較器7及びデータ処理部8が、受光素子40の分割受光素子40A、40B間の出力和や出力差および、受光素子50の分割受光素子50A、50B間の出力和や出力差を検出する出力和差検出部とされている。   Further, the divided light receiving elements 40A and 40B and the divided light receiving elements 50A and 50B are connected to the comparator 7 for comparing signals from the divided light receiving elements 40A and 40B and the divided light receiving elements 50A and 50B, respectively. . The comparator 7 is connected to a data processing unit 8 that finally processes data and obtains a profile of the sample S and the like. For this reason, the comparator 7 and the data processing unit 8 calculate the output sum and output difference between the divided light receiving elements 40A and 40B of the light receiving element 40 and the output sum and output difference between the divided light receiving elements 50A and 50B of the light receiving element 50. The output sum / difference detection unit is detected.

次に、このような干渉光がどのような情報をもたらすかを説明する。
説明を簡単にするために、試料Sが高さhでピッチdの正弦波状の形状をしているものとすれば、光学的な位相θが以下の式で表される。
θ=2π(h/λ)sin(2πx/d−θ0)・・・・・(9)式
試料Sから回折された光の振幅Eは、焦点距離fだけ離れた面においては、(9)式のフーリエ変換と対物レンズ31の開口とのコンボリューションとして、与えられるので、以下のように表される。ただし、(9)式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は±1次まで取るものとする。
Next, what kind of information the interference light brings will be described.
In order to simplify the explanation, if the sample S has a sine wave shape with a height d and a pitch d, the optical phase θ is expressed by the following equation.
θ = 2π (h / λ) sin (2πx / d−θ0) (9) Equation (9) The amplitude E of the light diffracted from the sample S is (9) on the surface separated by the focal length f. Since it is given as a convolution of the Fourier transform of the equation and the aperture of the objective lens 31, it is expressed as follows. However, the Bessel function that is the Fourier transform of the phase in equation (9) is assumed to be ± 1st order.

Figure 0006230358
Figure 0006230358

この(10)式の振幅Eを有した光を集光レンズ36にて集光する。このとき、対物レンズ31の開口に対応する0次回折光の出射範囲内の角度である出射角度ξの位置に、図5に示す集光レンズ36の光軸L3があるように傾斜して集光レンズ36を配置する。
以下の説明を簡単にするために、光軸L3の傾斜角を出射角度ξに一致するようにするが、0次回折光J0が入射されれば、この角度よりも大きくても良く、小さくても良い。 このように光軸L3の傾斜角が変化すると、これに伴い、以下に説明するように0次回折光エリアが変わるので、0次回折光J0と1次回折光J1との干渉領域が変わるが、本質的には定量化の議論に影響を与えない。
The light having the amplitude E of the expression (10) is collected by the condenser lens 36. At this time, the light beam is tilted and condensed so that the optical axis L3 of the condensing lens 36 shown in FIG. 5 is at the position of the emission angle ξ that is an angle within the emission range of the 0th-order diffracted light corresponding to the opening of the objective lens 31. A lens 36 is disposed.
In order to simplify the following description, the inclination angle of the optical axis L3 is made to coincide with the emission angle ξ. However, if the 0th-order diffracted light J0 is incident, it may be larger or smaller than this angle. good. When the tilt angle of the optical axis L3 changes in this way, the 0th-order diffracted light area changes as described below, so that the interference region between the 0th-order diffracted light J0 and the first-order diffracted light J1 changes. Does not affect the quantification discussion.

以下、同様に説明を簡単化するために、集光レンズ36を対物レンズ31のNAと一致させる。但し、対物レンズの半径をa、焦点距離をfとする。図9は、位相ピッチdが0<λf/d<a/2の場合の0次回折光エリアと±1次回折光エリアを示す模式図であり、0次回折光及び±1次回折光の各領域を表す。   Hereinafter, in order to simplify the explanation, the condenser lens 36 is made to coincide with the NA of the objective lens 31. Here, the radius of the objective lens is a and the focal length is f. FIG. 9 is a schematic diagram showing the 0th-order diffracted light area and the ± 1st-order diffracted light area when the phase pitch d is 0 <λf / d <a / 2, and represents each region of the 0th-order diffracted light and the ± 1st-order diffracted light. .

集光レンズ36に入射される0次回折光エリアは1点鎖線X1と1点鎖線X2との間の領域とされ、同じく1次回折光エリアは1点鎖線X2よりも右側の領域とされる。図5に示すように、ロンボイドプリズム39により光束が平行シフトして重ね合わせるわけだが、ロンボイドプリズム39の半透鏡39Aで反射される0次回折光エリアと、半透鏡39Bで反射される1次回折光エリアとでは、実質的な光路差が生じている。但し、ロンボイドプリズム39をガラス等の熱膨張が小さく安定な物質で構成すれば、その光路差は一定であり、この行路差をθ1とする。   The 0th-order diffracted light area incident on the condenser lens 36 is an area between the one-dot chain line X1 and the one-dot chain line X2, and the first-order diffracted light area is also an area on the right side of the one-dot chain line X2. As shown in FIG. 5, the light beams are parallel-shifted and superposed by the rhomboid prism 39, but the 0th-order diffracted light area reflected by the semi-transparent mirror 39A of the rhomboid prism 39 and the first-order reflected by the semi-transparent mirror 39B. There is a substantial optical path difference with the folding area. However, if the rhomboid prism 39 is made of a stable material such as glass that has a small thermal expansion, the optical path difference is constant, and this path difference is θ1.

従って、0次回折光エリアの半円ビームBAは1次回折光エリアの半円ビームBBにロンボイドプリズム39により平行シフトされて、重ね合わされる結果として、各回折光は図10(A)〜(D)に示したような重なり方になる。具体的には、図9(A)に示す0次回折光J0は、0からaまでの0次回折光エリアが全体としてaだけシフトされるので、図10(A)に示すようになる。同様に、図9(C)に示す−1次回折光-J1も同様なシフトを受けるので、図10(D)に示すようになる。   Therefore, the semicircular beam BA in the 0th-order diffracted light area is parallel-shifted by the rhomboid prism 39 and superimposed on the semicircular beam BB in the 1st-order diffracted light area. ). Specifically, the 0th-order diffracted light J0 shown in FIG. 9A is as shown in FIG. 10A because the 0th-order diffracted light area from 0 to a is shifted by a as a whole. Similarly, the −1st order diffracted light −J1 shown in FIG. 9C is also subjected to the same shift, and is as shown in FIG. 10D.

図9(B)に示す1次回折光J1は、0次回折光エリアと1次回折光エリアの両方にまたがるので、それぞれシフトを受ける部分とシフトを受けない部分に分かれ、かつ、1次回折光エリアでの光路差θ1が加わる。この様子が図10(B)、(C)に示すようになる。すなわち、図9(B)の0次回折光エリアの部分はaだけシフトするが、1次回折光エリアの部分はそのままである。
この各部の重なり部分を考慮すると、振幅分布Eは以下の式から求まる。
Since the first-order diffracted light J1 shown in FIG. 9B spans both the 0th-order diffracted light area and the first-order diffracted light area, it is divided into a portion that receives the shift and a portion that does not receive the shift. An optical path difference θ1 is added. This is as shown in FIGS. 10B and 10C. That is, the portion of the 0th-order diffracted light area in FIG. 9B is shifted by a, but the portion of the 1st-order diffracted light area remains the same.
In consideration of the overlapping part of these parts, the amplitude distribution E can be obtained from the following equation.

Figure 0006230358
Figure 0006230358

ここで、上記(11)式のαとβは各遅延素子の位相を反映した変数となる。すなわち、0次回折光エリアの半円ビームBAが遅延素子43Aにより遅延し、1次回折光エリアの半円ビームBBがそのままとなる光を受光する分割受光素子40Aでは、α=j、β=1となる。0次回折光エリアの半円ビームBAと1次回折光エリアの半円ビームBBが両方ともそのままとなる光を受光する分割受光素子40Bでは、α=1、β=1となる。   Here, α and β in the above equation (11) are variables reflecting the phase of each delay element. That is, in the divided light receiving element 40A that receives the light in which the semicircular beam BA in the 0th-order diffracted light area is delayed by the delay element 43A and the semicircular beam BB in the 1st-order diffracted light area remains as it is, α = j and β = 1. Become. In the divided light receiving element 40B that receives light in which both the semicircular beam BA in the 0th-order diffracted light area and the semicircular beam BB in the 1st-order diffracted light area remain as they are, α = 1 and β = 1.

また、1次回折光エリアの半円ビームBDが遅延素子43Bにより遅延し、0次回折光エリアの半円ビームBCがそのままとなる光を受光する分割受光素子50aでは、α=1、β=jとなる。1次回折光エリアの半円ビームBDが遅延素子43Cにより遅延し、0次回折光エリアの半円ビームBCがそのままとなる光を受光する分割受光素子50Bでは、α=1、β=−1となる。   In the divided light receiving element 50a that receives the light in which the semicircular beam BD in the first-order diffracted light area is delayed by the delay element 43B and the semicircular beam BC in the zero-order diffracted light area remains as it is, α = 1 and β = j. Become. In the divided light receiving element 50B that receives the light in which the semicircular beam BD in the first-order diffracted light area is delayed by the delay element 43C and the semicircular beam BC in the 0th-order diffracted light area remains as it is, α = 1 and β = −1. .

受光素子40、50は光の干渉した強度情報を受光することになるので、(11)式の強度を計算すればよい。強度をIとすると、分割受光素子40Bと分割受光素子50Bでは(複合同順)、強度Iが下記の式により求まる。   Since the light receiving elements 40 and 50 receive the intensity information of the interference of light, the intensity of equation (11) may be calculated. When the intensity is I, the intensity I is obtained by the following equation in the divided light receiving element 40B and the divided light receiving element 50B (in the same composite order).

Figure 0006230358
Figure 0006230358

同じく強度をIとすると、分割受光素子40Aと分割受光素子50Aでは(複合同順)、強度Iが下記の式により求まる。   Similarly, when the intensity is I, in the divided light receiving element 40A and the divided light receiving element 50A (in the same composite order), the intensity I is obtained by the following equation.

Figure 0006230358
Figure 0006230358

従って、分割受光素子40Bと分割受光素子50Bの差出力ΔIbおよび、分割受光素子40Aと分割受光素子50Aの差出力ΔIaは、以下のようになる。   Accordingly, the difference output ΔIb between the divided light receiving element 40B and the divided light receiving element 50B and the difference output ΔIa between the divided light receiving element 40A and the divided light receiving element 50A are as follows.

Figure 0006230358
Figure 0006230358

一般的に位相変化が小さいとJ0>J1であるので、(12)式、(13)式の2J12sinθ0cos(θ0+θ1)を下記(12)'式、(13)'式のようにそれぞれ無視できる。 In general, since J0> J1 when the phase change is small, 2J1 2 sinθ0cos (θ0 + θ1) in the equations (12) and (13) can be ignored as the following equations (12) ′ and (13) ′. .

Figure 0006230358
Figure 0006230358

(12)'式と(13)'式の比を取得することにより、tanθ=tan(θ0+θ1)より位相θが計測できる。この位相θは遅延素子の有する位相差を含んでいるが、前述したように本実施例を構成した時点で決定される量なので、計測の原点をどこに置くかということと等価となり、無視できる。さらに、実際の振幅分布をEoとすると共に位相をΘとすると、下記式のようになる。 By obtaining the ratio of the expression (12) 'and the expression (13)', the phase θ can be measured from tanθ = tan (θ0 + θ1). This phase θ includes the phase difference of the delay element, but is an amount determined at the time of configuring the present embodiment as described above, and thus is equivalent to where the measurement origin is placed and can be ignored. Further, when the actual amplitude distribution is Eo and the phase is Θ, the following equation is obtained.

Figure 0006230358
Figure 0006230358

以上の考え方で試料Sのピッチdと照射ビーム半径とされる対物レンズの半径aと関連付けると、以下の関係を得る。但し、上記したようにJ0>J1とする。   When the pitch d of the sample S and the radius a of the objective lens, which is the irradiation beam radius, are associated with the above concept, the following relationship is obtained. However, as described above, J0> J1.

Figure 0006230358
Figure 0006230358

横軸をλf/dとし、縦軸を変調量とすると、図11に示すようにMTF曲線に準じた本実施例の特性曲線Cを得ることができる。そして、通常のMTF曲線では対物レンズのカットオフの周波数は2aになるのに対して、本実施例では、この周波数より高い3aの周波数まで取得することが可能となることが、この特性曲線Cより分かる。   When the horizontal axis is λf / d and the vertical axis is the modulation amount, a characteristic curve C of the present embodiment according to the MTF curve can be obtained as shown in FIG. In the normal MTF curve, the cutoff frequency of the objective lens is 2a. In this embodiment, it is possible to obtain a frequency up to 3a higher than this frequency. I understand more.

また、0次回折光エリアに含まれる1次回折光成分を0次回折光と区別することは本来困難であったが、本実施例により、0次回折光エリアの1次回折光を計算して区別することが可能となる。すなわち、図1や図4に示す光学系のようにレーザー光を走査することにより、空間周波数が電気的な変調信号に変換されるのに対して、ヘテロダイン検波もしくは変調周波数自体の分析により、この空間周波数の情報を電気的な周波数に変換できる。   Although it was originally difficult to distinguish the first-order diffracted light component contained in the 0th-order diffracted light area from the 0th-order diffracted light, it is possible to calculate and distinguish the first-order diffracted light in the 0th-order diffracted light area according to this embodiment. It becomes possible. That is, the spatial frequency is converted into an electrical modulation signal by scanning the laser beam as in the optical system shown in FIGS. 1 and 4, whereas this is detected by heterodyne detection or analysis of the modulation frequency itself. Spatial frequency information can be converted to electrical frequency.

従って、上記した一連の空間周波数の変調度を電気的な周波数フィルタにより、本来の1次回折光の大きさを自動的に抽出可能となる。図11において、横軸に沿って線形に変化する0〜a、2a〜3aの範囲の部分については、周波数の変動に対してゲインを双曲線的に変化することにより、ゲインを一定にできる。これに対して、変調量が一定になっているaから2aまでのフラット部CFを一定のゲインにすれば、実効上、周波数依存のない、すなわち、空間周波数に依存しない一定の変調度に、0〜3aの範囲を修正できる。   Therefore, the original magnitude of the first-order diffracted light can be automatically extracted from the above-described series of spatial frequency modulation factors by an electrical frequency filter. In FIG. 11, the gain can be made constant by changing the gain in a hyperbola with respect to the fluctuation of the frequency in the range of 0a, 2a-3a that linearly changes along the horizontal axis. On the other hand, if the flat portion CF from a to 2a where the modulation amount is constant is set to a constant gain, it is effectively frequency independent, that is, a constant modulation degree independent of the spatial frequency. The range of 0-3a can be corrected.

以上のように、εの空間周波数依存性を修正することにより、従来のレンズによる空間周波数の落ち分を修正することができる。これに伴って、実質的に0次回折光エリアに含まれる1次回折光の量を見積もることができ、結果として、γ=J1/J0を正しく評価可能となる。また、本実施例によれば、取得する空間周波数の情報を高くすることができる。すなわち、従来のレンズで獲得できなかった空間周波数まで取得することができるので、位相情報を正しく計算でき、かつ細胞等の透明体の位相情報に対して実効上の超解像を実現することができる。   As described above, the spatial frequency drop due to the conventional lens can be corrected by correcting the spatial frequency dependence of ε. Accordingly, the amount of the first-order diffracted light substantially included in the 0th-order diffracted light area can be estimated, and as a result, γ = J1 / J0 can be correctly evaluated. Further, according to the present embodiment, it is possible to increase the information on the acquired spatial frequency. In other words, since it is possible to acquire even spatial frequencies that could not be obtained with conventional lenses, phase information can be calculated correctly, and effective super-resolution can be realized for phase information of transparent bodies such as cells. it can.

なお、上記した集光レンズ36に入射される0次回折光エリアの光として、0次回折光が実質的に入射されるようにすれば、どのように光軸L3の傾斜を与えてもよい。たとえば、わずかに0次回折光が入射されるように設定した場合、1次回折光との干渉範囲が実効的に広がるので、上記したものよりも空間周波数を大きくできる。この場合、図11の特性曲線Cにおけるフラット部CFが実効的に大きくなるので、空間周波数の低周波部と高周波部を除くとほぼ空間周波数の取得可能な全範囲で、特性をフラットにできる。従って、上記のような周波数フィルタを用いる必要性がなくなる。   In addition, as long as the 0th-order diffracted light is substantially incident as the light in the 0th-order diffracted light area incident on the condenser lens 36, the optical axis L3 may be inclined in any way. For example, when the 0th-order diffracted light is set to be slightly incident, the range of interference with the first-order diffracted light is effectively expanded, so that the spatial frequency can be made larger than that described above. In this case, since the flat portion CF in the characteristic curve C of FIG. 11 is effectively increased, the characteristic can be flattened over almost the entire range where the spatial frequency can be acquired except for the low frequency portion and the high frequency portion of the spatial frequency. Therefore, it is not necessary to use the frequency filter as described above.

しかしながら、この場合には0次回折光との干渉度が減るので、受光素子のゲインを高くする必要性が生じ、SN比の劣化をもたらすことになる。逆に、0次回折光エリアを拡大すると、取得する空間周波数の領域および空間周波数のフラット部が減少するので、周波数フィルタをかけたほうが良好な特性を得ることができる。この場合には、取得信号のSN比も良好となる。他方、対物レンズ31による影響はあまりなく、集光レンズ36により分解能が決定されるので、本実施例によれば、視野範囲が広く、かつ横分解能の高い光学系を実現することもできる。これは、通常の結像光学系には見られない大きな特徴の一つとなる。なお、図5における受光素子41の役割は受光素子40と同じで、光を有効に使用するために用いている。   However, in this case, since the degree of interference with the 0th-order diffracted light is reduced, it is necessary to increase the gain of the light receiving element, resulting in degradation of the SN ratio. On the other hand, when the 0th-order diffracted light area is enlarged, the spatial frequency region to be acquired and the flat portion of the spatial frequency are reduced. Therefore, better characteristics can be obtained by applying a frequency filter. In this case, the SN ratio of the acquired signal is also good. On the other hand, there is not much influence by the objective lens 31, and the resolution is determined by the condensing lens 36. Therefore, according to the present embodiment, an optical system having a wide visual field range and high lateral resolution can be realized. This is one of the major features that cannot be seen in a normal imaging optical system. The role of the light receiving element 41 in FIG. 5 is the same as that of the light receiving element 40, and is used for effective use of light.

ここで、本実施例の変形例として図12に示すものが考えられ、以下にこの変形例を説明する。この変形例では、プリズム39、49の替わりに、キューブ型のビームスプリッター60A、60Bを2つ並べた形のビームスプリッター60を採用する。これにより、2つのビームスプリッター60A、60Bがそれぞれ例えば図5に示すプリズム39の半透鏡39Aと半透鏡39Bが有する機能を構成する。同じくキューブ型のビームスプリッター61A、61Bを2つ並べた形のビームスプリッター61が、プリズム49の半透鏡49Aと半透鏡49Bが有する機能を構成する。従って、本変形例によっても、上記において説明した実施例と同一の作用効果を奏することになる。   Here, a modification shown in FIG. 12 can be considered as a modification of the present embodiment, and this modification will be described below. In this modification, instead of the prisms 39 and 49, a beam splitter 60 in which two cube-type beam splitters 60A and 60B are arranged is employed. Thus, the two beam splitters 60A and 60B constitute the functions of the semi-transparent mirror 39A and the semi-transparent mirror 39B of the prism 39 shown in FIG. 5, for example. Similarly, a beam splitter 61 in which two cube-type beam splitters 61A and 61B are arranged constitutes the function of the semi-transparent mirror 49A and the semi-transparent mirror 49B of the prism 49. Therefore, the present modification also exhibits the same operational effects as the embodiment described above.

次に、本発明に係る光学的距離計測装置の実施例2を以下に図13を参照しつつ説明する。本実施例では、一つの集光レンズ36にて位相情報を定量化する光学系について、図13に基づき述べる。
図13に示すように、本実施例においても、レーザー光源21が図示しない光学装置を介して対物レンズ31と対向して配置されており、対物レンズ31を透過したレーザー光が、透過物の試料Sに収束して照射される。試料Sに照射されたレーザー光は、光軸L0上に位置する集光レンズ36により集光されて、平行な光束とされる。
Next, Embodiment 2 of the optical distance measuring apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIG. In this embodiment, an optical system for quantifying phase information with one condenser lens 36 will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 13, also in this embodiment, the laser light source 21 is arranged to face the objective lens 31 via an optical device (not shown), and the laser beam that has passed through the objective lens 31 is a sample of a transmission material. Irradiates with convergence to S. The laser light applied to the sample S is condensed by a condensing lens 36 located on the optical axis L0 to be a parallel light beam.

レーザー光の光軸L0上の集光レンズ36の直下の位置には、ビームスプリッター71が配置されている。このビームスプリッター71は、相互に逆向きに光束を分離するための2つのビームスプリッター71A、71Bを図13の左右方向に並べて形成した構造とされている。従って、このビームスプリッター71にて、光軸L0を境界として相互に反対方向の2方向と2つの透過方向の計4経路に光束が分離される。   A beam splitter 71 is disposed at a position directly below the condenser lens 36 on the optical axis L0 of the laser light. The beam splitter 71 has a structure in which two beam splitters 71A and 71B for separating light beams in opposite directions are arranged in the left-right direction in FIG. Accordingly, the beam splitter 71 separates the light flux into a total of four paths in two opposite directions and two transmission directions with the optical axis L0 as a boundary.

図13に示す光軸L0を境界とした右側には、ブロック1とブロック2とを組み合わせた光学系が配置されている。各ブロック1、2は、ビームスプリッター72、73、受光素子81、82、遅延素子43A、43B、43C等から構成されている。これらブロック1とブロック2は、0次回折光エリアと1次回折光エリアを含み、これらブロック1、2の組み合わせは、図5に示したビームスプリッター38で分離された後の光学系と実質上同一となっている。
他方、ブロック3とブロック4は、0次回折光エリアと−1次回折光エリアを含み、ブロック1とブロック2の対称系の配置となっていて、ブロック1、2と同様の構成とされる。このため、これらブロック3、4の組み合わせは、図5に示した実施例では示されていない−1次回折光エリアを含む光学系となっているが、図5の実施例と実質上同様に機能する。
An optical system combining the block 1 and the block 2 is disposed on the right side with the optical axis L0 shown in FIG. 13 as a boundary. Each of the blocks 1 and 2 includes beam splitters 72 and 73, light receiving elements 81 and 82, delay elements 43A, 43B, and 43C. These blocks 1 and 2 include a 0th-order diffracted light area and a 1st-order diffracted light area, and the combination of these blocks 1 and 2 is substantially the same as the optical system after being separated by the beam splitter 38 shown in FIG. It has become.
On the other hand, the block 3 and the block 4 include a 0th-order diffracted light area and a −1st-order diffracted light area, are arranged in a symmetrical system of the block 1 and the block 2, and have the same configuration as the blocks 1 and 2. For this reason, the combination of these blocks 3 and 4 is an optical system including a −1st order diffracted light area not shown in the embodiment shown in FIG. 5, but functions in substantially the same manner as in the embodiment of FIG. 5. To do.

以上より、各ブロック1〜4において、図5に示す実施例と同様な作用を奏することになる。本実施例によれば、図5で示された実施例1のような空間周波数の極めて高い情報を得られないが、きわめて簡単な構成で位相情報の定量化が図れることになる。従って、本実施例では、図11で示した特性曲線Cのフラット部CFがなくなるような特性となるが、前述したレーザー光の走査に伴う空間周波数の電気的周波数変換による周波数フィルタが、極めて有効に作用し、集光レンズ36の本質的に有するMTFによる欠落情報を再生することができる。   As described above, each of the blocks 1 to 4 has the same effect as the embodiment shown in FIG. According to the present embodiment, information having an extremely high spatial frequency as in the first embodiment shown in FIG. 5 cannot be obtained, but phase information can be quantified with a very simple configuration. Therefore, in the present embodiment, the characteristic is such that the flat portion CF of the characteristic curve C shown in FIG. 11 is eliminated, but the frequency filter based on the electrical frequency conversion of the spatial frequency accompanying the scanning of the laser light described above is extremely effective. It is possible to reproduce missing information due to the MTF that the condenser lens 36 essentially has.

以上より、本実施例では、集光レンズ36が本来有する試料Sの位相情報を正しく反映した計測値を得ることが可能となる。さらに、各ブロック1〜4が、ビームスプリッター72、73、受光素子81、82、遅延素子43A、43B、43C等を有している。また、図示しないものの前述の比較器7にこれら各ブロック1〜4の受光素子81、82がそれぞれ接続され、この比較器7がデータ処理部8に繋がっている。このことから、図5に示す実施例1と同様な作用効果が本実施例でも得られることになる。また、ビームスプリッター71A、71Bを適正量だけずらしつつ図13の紙面に対して垂直方向等の複数の方向に各ブロック1〜4の光学系をそれぞれ配置することが考えられる。このように各ブロック1〜4を複数配置することで、対物レンズ31側から試料Sを見たときの複数の方向に関する計測値をそれぞれ得ることもできる。   As described above, in this embodiment, it is possible to obtain a measurement value that correctly reflects the phase information of the sample S that the condenser lens 36 originally has. Further, each of the blocks 1 to 4 includes beam splitters 72 and 73, light receiving elements 81 and 82, delay elements 43A, 43B, and 43C. Although not shown, the light receiving elements 81 and 82 of the blocks 1 to 4 are connected to the above-described comparator 7, and the comparator 7 is connected to the data processing unit 8. From this, the same effect as Example 1 shown in FIG. 5 can be obtained also in this example. Further, it is conceivable to arrange the optical systems of the blocks 1 to 4 in a plurality of directions such as a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 13 while shifting the beam splitters 71A and 71B by an appropriate amount. By arranging a plurality of blocks 1 to 4 in this way, it is possible to obtain measurement values relating to a plurality of directions when the sample S is viewed from the objective lens 31 side.

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例3を以下に図14を参照しつつ説明する。
図14は、本実施例の光学的距離計測装置の構成を示す概略図である。本実施例は、この図14に示すように、0次回折光と1次回折光との間に±π/2やπの位相差を与える手段として、正弦波状に形成されたグレーティングである回折格子54をレンズ52の焦点に配置した構造としている。
A third embodiment of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 14 is a schematic diagram showing the configuration of the optical distance measuring device of the present embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 14, as a means for giving a phase difference of ± π / 2 or π between 0th-order diffracted light and 1st-order diffracted light, a diffraction grating 54 which is a grating formed in a sine wave shape. Are arranged at the focal point of the lens 52.

具体的に本実施例では、図14に示すように、傾いた光軸L3上に集光レンズ36を配置し、0次回折光と1次回折光を含む光束を平行光束としている。この集光レンズ36の下方に図5と同様のビームスプリッター38が配置され、この平行光束をこのビームスプリッター38が分岐している。さらに、分岐された一方の平行光束とされる0次回折光と1次回折光を含む光束をビームスプリッター38の下方に位置するレンズ52で絞り、その焦点面付近に回折格子54を配置する。但し、この回折格子54は正弦波位相回折格子である位相型のグレーティングとする。   Specifically, in this embodiment, as shown in FIG. 14, a condensing lens 36 is disposed on an inclined optical axis L3, and a light beam including 0th-order diffracted light and 1st-order diffracted light is made into a parallel light beam. A beam splitter 38 similar to that shown in FIG. 5 is disposed below the condenser lens 36, and the beam splitter 38 divides the parallel light flux. Further, the light beam including the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light, which is one of the branched parallel light beams, is stopped by the lens 52 positioned below the beam splitter 38, and the diffraction grating 54 is disposed near the focal plane. However, the diffraction grating 54 is a phase type grating which is a sine wave phase diffraction grating.

そして、0次回折光エリアに含まれる試料Sで回折された0次回折光と1次回折光のそれぞれをこの回折格子54で干渉させ、また、1次回折光エリアに含まれる試料Sで回折された1次回折光と0次回折光のそれぞれをこの回折格子54で干渉させる。このことで、試料Sで回折された0次回折光と1次回折光を実効的に干渉させるようにする。尚、図14において、斜線を施した部分が、0次回折光と1次回折光が重なる干渉部Kであるが、光軸L3に対して、逆側にも同様な干渉部Kが存在する。さらに、受光素子50でこの干渉された光束を受光するが、この受光素子50が図示しない前述の比較器7に接続され、この比較器7がデータ処理部8に繋がっている。   Then, each of the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light diffracted by the sample S included in the 0th order diffracted light area is caused to interfere with each other by the diffraction grating 54, and the first time diffracted by the sample S included in the 1st order diffracted light area. Each of the folded light and the 0th-order diffracted light is caused to interfere by the diffraction grating 54. Thus, the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light diffracted by the sample S are effectively interfered with each other. In FIG. 14, the hatched portion is the interference portion K where the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light overlap, but a similar interference portion K exists on the opposite side of the optical axis L3. Further, the light receiving element 50 receives the interfered light beam. The light receiving element 50 is connected to the above-described comparator 7 (not shown), and the comparator 7 is connected to the data processing unit 8.

他方、ビームスプリッター38の位置において光軸L3に対して直交する方向には、同様のレンズ52、回折格子54A、受光素子50が同様に配置されていて、上記と同様に作用する。 但し、この回折格子54Aは正弦波振幅回折格子である強度型のグレーティングとする。   On the other hand, in the direction orthogonal to the optical axis L3 at the position of the beam splitter 38, the same lens 52, diffraction grating 54A, and light receiving element 50 are similarly arranged and operate in the same manner as described above. However, the diffraction grating 54A is an intensity type grating which is a sine wave amplitude diffraction grating.

ここで、正弦波振幅回折格子の振幅Eと正弦波位相回折格子の振幅Eとの値が、以下の式により求まる。但し、以下の式では位相をθで表す。
正弦波振幅回折格子では、下記の振幅Eとされる。
E=E0sin(2πx/d-θ)
正弦波位相回折格子では、下記の振幅Eとされる。
Here, the values of the amplitude E of the sine wave amplitude diffraction grating and the amplitude E of the sine wave phase diffraction grating are obtained by the following equations. However, in the following formula, the phase is represented by θ.
In the sine wave amplitude diffraction grating, the following amplitude E is set.
E = E 0 sin (2πx / d-θ)
In the sine wave phase diffraction grating, the following amplitude E is set.

Figure 0006230358
Figure 0006230358

以上より、本実施例では、図14に示したように、0次回折光と1次回折光を含む平行光束をレンズ52で絞り、その焦点面付近に回折格子54、54Aを配置する。このとき、上記した正弦波振幅回折格子では±π/2の位相ずれを生じさせ、正弦波位相回折格子では同相か逆相の位相ずれである0、πの位相ずれを生じさせるので、これらの組み合わせを図5で示した遅延素子の関係に当てはめれば、図5に示す実施例1と同様な光学系を形成することができる。   As described above, in this embodiment, as shown in FIG. 14, the parallel light beam including the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is stopped by the lens 52, and the diffraction gratings 54 and 54A are arranged near the focal plane. At this time, the above-described sine wave amplitude diffraction grating causes a phase shift of ± π / 2, and the sine wave phase diffraction grating causes a phase shift of 0 or π, which is a phase shift of in-phase or anti-phase. If the combination is applied to the relationship of the delay elements shown in FIG. 5, an optical system similar to that of the first embodiment shown in FIG. 5 can be formed.

また、回折格子54、54Aのピッチがレンズ52で絞ったビーム径と同じくらいの大きさであった場合、上記式の位相θに敏感になる。従って、ビームの焦点位置と回折格子54、54Aの位置を相対的に調整することにより、位相θが決まる。たとえば、正弦波振幅回折格子において位相θ=0とすれば、0次回折光と±1次回折光の間で±π/2となり、位相θ=−π/2とすれば、0次回折光と±1次回折光の間で逆相となる。この結果、図5に示す実施例1と同様に、0次回折光と1次回折光との間に±π/2やπの位相差が生じるようになる。   Further, when the pitch of the diffraction gratings 54 and 54A is about the same as the beam diameter narrowed by the lens 52, it becomes sensitive to the phase θ of the above formula. Accordingly, the phase θ is determined by relatively adjusting the focal position of the beam and the positions of the diffraction gratings 54 and 54A. For example, in the sine wave amplitude diffraction grating, if the phase θ = 0, it becomes ± π / 2 between the 0th order diffracted light and the ± 1st order diffracted light, and if the phase θ = −π / 2, then the 0th order diffracted light and ± 1 The phase is reversed between the next diffracted lights. As a result, a phase difference of ± π / 2 or π is generated between the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light, as in the first embodiment shown in FIG.

ここで、本実施例の変形例をこの図14に基づき説明する。例えば、分岐した一方の光束が照射される回折格子54を位相型のグレーティングとし、この一方の光束に関しては、光軸L3を中心として0次回折光と±1次回折光が同相か逆相になるようにこの回折格子54を位置調整して配置する。これとは別に、分岐した他方の光束が照射される回折格子54Aを強度型のグレーティングとし、この他方の光束に関しては、この回折格子54Aを±1/4ピッチだけずらして配置する。この結果、本変形例では、0次回折光と1次回折光との間にπ/4や3π/4の位相差が生じるようになる。   Here, a modification of the present embodiment will be described with reference to FIG. For example, the diffraction grating 54 irradiated with one branched light beam is a phase type grating, and for this one light beam, the 0th order diffracted light and the ± 1st order diffracted light are in phase or out of phase with the optical axis L3 as the center. The diffraction grating 54 is arranged with its position adjusted. Separately, the diffraction grating 54A irradiated with the other branched light beam is an intensity type grating, and the diffraction grating 54A is shifted by ± 1/4 pitch with respect to the other light beam. As a result, in this modification, a phase difference of π / 4 or 3π / 4 is generated between the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light.

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例4を図15を参照しつつ、以下に説明する。
図15は、本実施例の光学的距離計測装置の構成を示す概略図である。この図15に示すように、本実施例においては、0次回折光の光軸L0に対して、集光レンズ36を傾斜して設置している。このことで、0次回折光の一部だけでなく、同じレンズを用いた場合に比較してより高い空間周波数を有した1次回折光の一部を取り入れ、結像光学系にて干渉を実現している。なお、図示しないものの、本実施例においては、軸L0に対して対象な位置に同様な光学系が配置されている。
A fourth embodiment of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 15 is a schematic diagram showing the configuration of the optical distance measuring device of the present embodiment. As shown in FIG. 15, in this embodiment, the condensing lens 36 is inclined with respect to the optical axis L0 of the 0th-order diffracted light. As a result, not only a part of the 0th-order diffracted light but also a part of the 1st-order diffracted light having a higher spatial frequency compared to the case where the same lens is used, and interference is realized in the imaging optical system. ing. Although not shown, in the present embodiment, a similar optical system is disposed at a target position with respect to the axis L0.

集光レンズ36を傾けて0次回折光の一部と1次回折光の一部を取得するところまでは、図5や図14の実施例と同様である。本実施例では、集光レンズ36により平行光束にした回折光同士をレンズ52にて集光する。このレンズ52により回折光同士が焦点近傍で重なり合って、実質的に干渉する。ただし、0次回折光と±1次回折光との干渉ではないので、試料S自体の結像とは異なる。   The process up to obtaining the part of the 0th-order diffracted light and the part of the 1st-order diffracted light by tilting the condenser lens 36 is the same as that of the embodiment of FIGS. In the present embodiment, the diffracted lights that have been converted into parallel light beams by the condenser lens 36 are condensed by the lens 52. The lens 52 causes the diffracted lights to overlap in the vicinity of the focal point and substantially interfere. However, since it is not interference between the 0th order diffracted light and the ± 1st order diffracted light, it is different from the image formation of the sample S itself.

この一方、本実施例でも、図14の実施例3と同様に集光レンズ36とレンズ52との間にビームスプリッター38が配置されている。但し、本実施例ではビームスプリッター38Aがさらに配置され、ビームスプリッター38で分岐された平行光束をこのビームスプリッター38Aでさらに分岐するようになっている。   On the other hand, also in the present embodiment, a beam splitter 38 is disposed between the condenser lens 36 and the lens 52 as in the third embodiment of FIG. However, in the present embodiment, a beam splitter 38A is further arranged, and the parallel light beam branched by the beam splitter 38 is further branched by this beam splitter 38A.

このビームスプリッター38Aの図15の下側には、遅延素子43Aが配置されるだけでなく、レンズ52、拡大光学系53、受光素子50が同様に配置されている。また、ビームスプリッター38Aの図15の右側には、遅延素子43B、43Cが配置されるだけでなく、レンズ52、拡大光学系53、受光素子50が同様に配置されている。なお、これら拡大光学系53は、レンズ52の実効的な焦点距離を長くして、干渉縞自体等を拡大するような機能を有している。つまり、レンズ52の実効的な焦点距離を長くすることで、干渉縞のピッチを広げることができる。   On the lower side of FIG. 15 of the beam splitter 38A, not only the delay element 43A but also the lens 52, the magnifying optical system 53, and the light receiving element 50 are similarly arranged. Further, not only the delay elements 43B and 43C are disposed on the right side of FIG. 15 of the beam splitter 38A, but also the lens 52, the magnifying optical system 53, and the light receiving element 50 are similarly disposed. These magnifying optical systems 53 have a function of enlarging the interference fringes and the like by increasing the effective focal length of the lens 52. That is, by increasing the effective focal length of the lens 52, the pitch of the interference fringes can be increased.

本実施例によれば、光軸L3沿いのレンズ52、拡大光学系53、受光素子50を有している。これに伴い、この拡大光学系53により干渉縞自体を拡大し、受光素子50の大きさにほぼ等しくすれば、1次回折光で自然と逆位相となるので、0次回折光がバイアスになるような形で明暗が逆になる。この様にすれば、極めて簡単に空間周波数の高い領域まで、情報を取得することができるようになる。本実施例の場合、レンズ52を用いているので、このレンズ52に入射される0次回折光と1次回折光の位相差がそのまま反映される程度の波面収差は許容される。したがって、高額なレンズを用いる必要性がなくなる。   According to the present embodiment, the lens 52, the magnifying optical system 53, and the light receiving element 50 along the optical axis L3 are provided. Along with this, if the interference fringes themselves are enlarged by this magnifying optical system 53 and made substantially equal to the size of the light receiving element 50, the first-order diffracted light will naturally have an opposite phase, so that the zero-order diffracted light becomes a bias. Light and dark are reversed in shape. In this way, information can be acquired very easily up to a region having a high spatial frequency. In this embodiment, since the lens 52 is used, a wavefront aberration that allows the phase difference between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light incident on the lens 52 to be reflected as it is is allowed. Therefore, it is not necessary to use an expensive lens.

さらに、本実施例によれば、ビームスプリッター38、38A、遅延素子43A、43B、43C、レンズ52、拡大光学系53及び受光素子50が配置され、これらビームスプリッター38、38Aにより光束が分岐され、最終的に2つの受光素子50がそれぞれ光束を受光する。また、図示しないものの、前述の比較器7に2つの受光素子50それぞれ接続され、この比較器7がデータ処理部8に繋がっている。このことから、図5に示す実施例1と同様な作用効果が本実施例でも得られることになる。   Furthermore, according to the present embodiment, the beam splitters 38 and 38A, the delay elements 43A, 43B, and 43C, the lens 52, the magnifying optical system 53, and the light receiving element 50 are arranged, and the light beams are branched by these beam splitters 38 and 38A. Finally, the two light receiving elements 50 each receive the light flux. Although not shown, the two light receiving elements 50 are connected to the above-described comparator 7, and the comparator 7 is connected to the data processing unit 8. From this, the same effect as Example 1 shown in FIG. 5 can be obtained also in this example.

本発明に係る光学的距離計測装置の実施例5を図16を参照しつつ、以下に説明する。
図16は、本実施例の光学的距離計測装置の構成を示す概略図である。
この図16に示すように、本実施例においては、試料Sに収束した光を入射せず、比較的大きな径を有する平行光束を入射することとする。この場合において、0次回折光の光軸L0に対して集光レンズ36を傾斜して設置することとした。このことで、0次回折光の一部だけでなく、同じレンズを用いた場合に比較してより高い空間周波数を有した1次回折光の一部を取り入れることができる。なお、図示しないものの、本実施例においては、光軸L0に対して対象な位置に同様な光学系が配置されている。
Embodiment 5 of the optical distance measuring device according to the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 16 is a schematic diagram illustrating the configuration of the optical distance measuring device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 16, in this embodiment, the converged light is not incident on the sample S, but a parallel light beam having a relatively large diameter is incident. In this case, the condenser lens 36 is installed to be inclined with respect to the optical axis L0 of the 0th-order diffracted light. Thus, not only a part of the 0th-order diffracted light but also a part of the 1st-order diffracted light having a higher spatial frequency compared to the case where the same lens is used can be incorporated. Although not shown, in the present embodiment, a similar optical system is disposed at a target position with respect to the optical axis L0.

本実施例では、0次回折光および1次回折光をそれぞれ集光光束とするが、集光レンズ36のそれぞれの焦点位置に焦点を有する別々のレンズ64,65を配置し、これらのレンズ64,65により集光光束を平行光束とする。この様に平行光束にした以降は、図5に示す実施例の光学系を用いて、0次回折光の一部と1次回折光の一部とを干渉させる。つまり、本実施例によれば、図16に示すように、ビームスプリッター38B、38C、ビームスプリッター72、73、遅延素子43A、43B、43C、受光素子40、50、比較器7、データ処理部8等を有している。このことから、図5に示す実施例1と同様な作用効果が本実施例でも得られることになる。   In this embodiment, the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light are respectively used as the condensed light beams. However, separate lenses 64 and 65 having focal points are arranged at the respective focal positions of the condensing lens 36, and these lenses 64 and 65 are arranged. Thus, the condensed light beam is changed to a parallel light beam. After the collimated light beam is made in this way, a part of the 0th-order diffracted light and a part of the 1st-order diffracted light are caused to interfere with each other using the optical system of the embodiment shown in FIG. That is, according to the present embodiment, as shown in FIG. 16, the beam splitters 38B and 38C, the beam splitters 72 and 73, the delay elements 43A, 43B and 43C, the light receiving elements 40 and 50, the comparator 7, and the data processing unit 8 Etc. From this, the same effect as Example 1 shown in FIG. 5 can be obtained also in this example.

本実施例の場合、試料Sに入射される光束径は大きいので、面内の情報が平均化されてしまう。そこで、入射された平行光束に図示しない制限開口を設けることで、その部分の情報として解釈するか、もしくは規則正しいパターン中の不規則パターンの検出が可能となる。つまり、規則正しい1次回折光の方向が設計上予め分かっているので、その1次回折光の方向は集光レンズ36の焦点にマスクすることで抑えることができる。   In the case of the present embodiment, since the diameter of the light beam incident on the sample S is large, the in-plane information is averaged. Therefore, by providing a restriction aperture (not shown) in the incident parallel light beam, it can be interpreted as information on that portion, or an irregular pattern in a regular pattern can be detected. That is, since the direction of the regular first-order diffracted light is known in advance by design, the direction of the first-order diffracted light can be suppressed by masking the focal point of the condenser lens 36.

この一方、それ以外の成分はレンズ64、65に入射されるので、欠陥部からの情報を検出することができる。たとえば、半導体ウェハー上の欠陥検査や、ナノ構造の不均一性の検査等への適用が可能である。   On the other hand, since the other components are incident on the lenses 64 and 65, information from the defective portion can be detected. For example, the present invention can be applied to defect inspection on a semiconductor wafer, non-uniformity inspection of nanostructures, and the like.

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。   The embodiments according to the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の光学的距離計測装置は、試料との間の距離や試料の形状を計測できるだけでなく、顕微鏡等のさまざまな種類の測定機器に適用可能となる。
また、本発明の光学的距離計測装置は、顕微鏡だけでなく、さまざまな種類の光学機器や波動を有する電磁波を用いた計測機に適用でき、これら光学機器や波動を有する電磁波を用いた計測機の分解能を向上することができるものである。
The optical distance measuring device of the present invention can be applied not only to the distance to the sample and the shape of the sample, but also to various types of measuring instruments such as a microscope.
The optical distance measuring device of the present invention can be applied not only to a microscope but also to various types of optical devices and measuring devices using electromagnetic waves having waves, and these optical devices and measuring devices using electromagnetic waves having waves. Resolution can be improved.

7 比較器
8 データ処理部
21 レーザー光源
30 瞳伝達レンズ系
31 対物レンズ
36 集光レンズ
38 ビームスプリッター
39 ロンボイドプリズム
40 受光素子
40A、40B 分割受光素子
43A 遅延素子
43B、43C 遅延素子
49 ロンボイドプリズム
50 受光素子
50A、50B 分割受光素子
52 レンズ
53 拡大光学系
54 グレーティング
55、56 レンズ
57、58 受光素子
64、65 レンズ
B1、B2 光路
BA、BB 半円ビーム
BC、BD 半円ビーム
S 試料
L0、L1、L2、L3 光軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 Comparator 8 Data processing part 21 Laser light source 30 Pupil transmission lens system 31 Objective lens 36 Condensing lens 38 Beam splitter 39 Ronoid prism 40 Light receiving element 40A, 40B Division | segmentation light receiving element 43A Delay element 43B, 43C Delay element 49 Ronoid prism 50 Light receiving element 50A, 50B Split light receiving element 52 Lens 53 Magnifying optical system 54 Grating 55, 56 Lens 57, 58 Light receiving element 64, 65 Lens B1, B2 Optical path BA, BB Semicircular beam BC, BD Semicircular beam S Sample L0, L1, L2, L3 Optical axis

Claims (6)

測定対象物に光束を照射する光源と、
この光束が入射されるのに伴い測定対象物で回折されて生じた0次回折光および1次回折光を含む光束を2つの光束にする分離素子と、
分離素子により分割された一方の光束を構成する各回折光の内の一部の光束の進行を遅延させる第1の遅延素子と、
第1の遅延素子で一部遅延した0次回折光と1次回折光とを相互に干渉させた状態で、2つの部分に分けて検出する一対の分割受光素子を備えた第1の受光素子と、
分離素子により分割された他方の光束を構成する各回折光の内の一部の光束の進行を第1の遅延素子と異なる位相で遅延させる第2の遅延素子と、
第2の遅延素子で一部遅延した0次回折光と1次回折光とを相互に干渉させた状態で、2つの部分に分けて検出する一対の分割受光素子を備えた第2の受光素子と、
第1の受光素子の一対の分割受光素子でそれぞれ位相が相違されつつ検出される2種類の受光出力の電気信号間及び、第2の受光素子の一対の分割受光素子でそれぞれ位相が相違されつつ検出される2種類の受光出力の電気信号の和や差の出力値を検出する出力和差検出部と、
を含む光学的距離計測装置。
A light source for irradiating a measurement object with a light beam;
A separation element that converts a light beam including the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light generated by being diffracted by the measurement object as the light beam is incident into two light beams;
A first delay element that delays the travel of a part of the diffracted light beams constituting each of the light beams divided by the separation element;
A first light-receiving element comprising a pair of divided light-receiving elements that are detected in two parts in a state where the zero-order diffracted light and the first-order diffracted light partially delayed by the first delay element are caused to interfere with each other;
A second delay element for delaying the progress of a part of the diffracted light beams constituting each of the other light beams divided by the separation element with a phase different from that of the first delay element;
A second light-receiving element comprising a pair of divided light-receiving elements that are detected in two parts in a state in which the zero-order diffracted light and the first-order diffracted light partially delayed by the second delay element are caused to interfere with each other;
The phase of the pair of divided light receiving elements of the second light receiving element is different from each other between the electric signals of the two kinds of light receiving outputs detected while the phases of the pair of divided light receiving elements of the first light receiving element are different from each other. An output sum / difference detection unit for detecting an output value of a sum or a difference between electrical signals of two types of detected light reception outputs;
An optical distance measuring device.
前記分離素子が、光束の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に配置される請求項1記載の光学的距離計測装置。   The optical distance measuring device according to claim 1, wherein the separation element is disposed on an inclined optical axis having an inclination with respect to an irradiation optical axis of a light beam. 前記分離素子が、
測定対象物を透過するのに伴い回折された0次回折光および1次回折光を含む光束を平行光束とするレンズと、
前記光束を2つの光束に分割するビームスプリッターと、
により構成される請求項1または2に記載の光学的距離計測装置。
The separation element is
A lens that converts a light beam including zeroth-order diffracted light and first-order diffracted light diffracted as it passes through the measurement object into a parallel light beam;
A beam splitter that divides the luminous flux into two luminous fluxes;
The optical distance measuring device according to claim 1 or 2, comprising:
前記第1の遅延素子及び第2の遅延素子が、1/4波長板或いは1/2波長板とされて、光束の位相を90度或いは180度遅延させる請求項1から3のいずれかに記載の光学的距離計測装置。   4. The device according to claim 1, wherein the first delay element and the second delay element are quarter-wave plates or half-wave plates, and delay the phase of the light beam by 90 degrees or 180 degrees. 5. Optical distance measuring device. 前記第1の遅延素子及び第2の遅延素子が、回折格子とされて、光束の位相を90度或いは180度遅延させる請求項1から3のいずれかに記載の光学的距離計測装置。   4. The optical distance measuring device according to claim 1, wherein the first delay element and the second delay element are diffraction gratings and delay the phase of the light beam by 90 degrees or 180 degrees. 5. 第1の遅延素子と第1の受光素子との間および、第2の遅延素子と第2の受光素子の間に、プリズムがそれぞれ配置されていて、
第1の受光素子及び第2の受光素子で0次回折光及び1次回折光を検出する前に、このプリズムにより0次回折光と1次回折光とを相互に干渉させる請求項1から5のいずれかに記載の光学的距離計測装置。
Prisms are respectively disposed between the first delay element and the first light receiving element and between the second delay element and the second light receiving element,
6. The zero-order diffracted light and the first-order diffracted light are caused to interfere with each other by the prism before the first and second light-receiving elements detect the zero-order diffracted light and the first-order diffracted light, respectively. The optical distance measuring device described.
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