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波面歪み量測定装置、波面補償装置、光学測定装置、および方法 NEW 新技術説明会

国内特許コード P190016300
整理番号 08352
掲載日 2019年8月23日
出願番号 特願2014-266374
公開番号 特開2016-125895
登録番号 特許第6379031号
出願日 平成26年12月26日(2014.12.26)
公開日 平成28年7月11日(2016.7.11)
登録日 平成30年8月3日(2018.8.3)
発明者
  • 磯部 圭佑
  • 緑川 克美
出願人
  • 国立研究開発法人理化学研究所
発明の名称 波面歪み量測定装置、波面補償装置、光学測定装置、および方法 NEW 新技術説明会
発明の概要 【課題】波面歪み量の測定および補償を正確かつ高速に行う。
【解決手段】波面歪み量測定装置は、レンズの瞳面もしくは当該瞳面と共役な位置に配置された波面変調器と、前記波面変調器および前記レンズを介して入射する光の強度分布を検出する光検出器と、前記波面変調器の位相変調量を制御する制御手段と、前記波面変調器の前記局所領域に与える位相変調量を変化させた際に前記光検出器から得られる強度分布に基づいて、前記局所領域を通過する光と前記局所領域以外を通過する光の干渉成分を取得する干渉成分取得手段と、前記干渉成分をフーリエ変換し、フーリエ変換された干渉成分の位相成分を波面歪み量として算出する波面歪み量算出手段と、を備える。波面歪み量測定装置は、波面歪みを補償する補償光学装置や、波面補償をして測定を行う光学測定装置に好適に適用できる。
【選択図】図6
従来技術、競合技術の概要 光学顕微鏡などの光を用いたイメージングにおいて、試料内部や光学系にて生じる波面歪みによって、空間分解能が劣化する。劣化の度合いが大きいと、試料の観察が不可能となる。波面歪みを補償するには、空間位相変調器などの波面補償器を用いて、試料内部で生じる波面歪みと逆の波面歪みを与えればよい。

従来の波面補償技術は以下の2つの手法に大別される。第1の手法は、波面測定光学系を用いて波面歪みを測定し、その歪み量をもとに補償する手法である。第1の手法の例として、シャックハルトマン波面センサーを用いる技術(非特許文献1)や干渉計を用いる技術(非特許文献2)が知られている。第2の手法は、波面歪みを測定することなく、仮定した波面を与えて信号が改善されるかどうか試行錯誤を繰返し行い、最適波面を探索する手法(非特許文献3)である。
産業上の利用分野 本発明は、波面歪み量の測定および波面歪みの補償に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】
レンズの瞳面もしくは当該瞳面と共役な位置に配置された波面変調器と、
前記波面変調器および前記レンズを介して入射する光の強度分布を検出する光検出器と、
前記波面変調器の位相変調量を制御する制御手段と、
前記波面変調器の局所領域に与える位相変調量を変化させた際に前記光検出器から得られる強度分布に基づいて、前記局所領域を通過する光と前記局所領域以外を通過する光の干渉成分を取得する干渉成分取得手段と、
前記干渉成分をフーリエ変換し、フーリエ変換された干渉成分の位相成分を波面歪み量として算出する波面歪み量算出手段と、
を備える、波面歪み量測定装置。

【請求項2】
前記制御手段は、前記局所領域に少なくとも3つの異なる変調量を与えるように前記波面変調器を制御し、
前記干渉成分取得手段は演算装置であり、前記少なくとも3つの異なる変調量を前記波面変調器に与えた際に前記光検出器からそれぞれ得られる少なくとも3つの強度分布に基づいて、演算により前記干渉成分を算出する、
請求項1に記載の波面歪み量測定装置。

【請求項3】
前記制御手段は、前記波面変調器の前記局所領域に与える位相変調量を、周期的に変化させ、
前記干渉成分取得手段は、前記光検出器から出力される信号を入力とするロックイン検出器である、
請求項1に記載の波面歪み量測定装置。

【請求項4】
前記光検出器は、前記レンズの焦点面に配置され、光源から前記波面変調器を介して前記レンズに入射した光を検出する、
請求項1~3のいずれか1項に記載の波面歪み量測定装置。

【請求項5】
前記光検出器は、前記レンズを介して測定対象物から生じる光が結像される位置に配置される、
請求項1~3のいずれか1項に記載の波面歪み量測定装置。

【請求項6】
前記波面歪み量算出手段は、前記波面変調器の第1から第3の局所領域のそれぞれに位相変調を与えて得られる3つの前記干渉成分の位相成分から、前記測定対象物の位相情報を除去した波面歪み量を算出する、
請求項5に記載の波面歪み量測定装置。

【請求項7】
前記第2の局所領域は、前記第1の局所領域から第1の方向に変位した位置であり、
前記第3の局所領域は、前記第1の局所領域から前記第1の方向と直交する第2の方向に変位した位置である、
請求項6に記載の波面歪み量測定装置。

【請求項8】
請求項1から7のいずれか1項に記載の波面歪み量測定装置を含む波面補償装置であって、
前記制御手段は、前記波面歪み量算出手段によって取得される前記波面歪み量を打ち消す位相変調を前記波面変調器に与える、
波面補償装置。

【請求項9】
前記波面歪み量算出手段によって取得される前記波面歪み量を打ち消す位相変調を前記波面変調器に与えた状態で、前記波面変調器の局所領域に与える位相変調量を変化させて波面歪み量の算出し、当該波面歪み量に基づいて、前記波面変調器に与える位相変調量を更新する、
請求項8に記載の波面補償装置。

【請求項10】
請求項8または9に記載の波面補償装置と、
前記波面歪み量を打ち消す位相変調を前記波面変調器に与えた状態で、前記光検出器によって測定を行い、測定結果を出力する出力手段と、
を備える、光学測定装置。

【請求項11】
前記光学測定装置は、レーザー走査型光学測定装置であり、
レーザー光を発生させる光源と、
前記レーザー光を前記レンズの焦点面に配置された測定対象物に導く光学系と、
前記レーザー光を測定対象物上で走査するための走査手段と、
をさらに備え、
前記波面変調器は、前記光源と前記測定対象物を結ぶ光路上に配置される、
請求項10に記載の光学測定装置。

【請求項12】
前記光学測定装置は、広視野光学測定装置であり、
前記光検出器は、測定対象物から生じる光が結像される位置に配置された2次元光検出器であり、
前記波面変調器は、前記測定対象物と前記2次元光検出器とを結ぶ光路上に配置される、
請求項10に記載の光学測定装置。

【請求項13】
前記光学測定装置は、非線形光学測定装置であり、
第1の励起光を発生させる第1の光源と、
第2の励起光を発生させる第2の光源と、
前記第1の励起光と前記第2の励起光を前記レンズの焦点面に配置された測定対象物に導く光学系と、
前記第1の励起光を前記第2の励起光に対して測定対象物上で走査するための走査手段と、
前記第1の励起光と前記第2の励起光により測定対象物内において非線形光学過程を誘起し、信号光を発生させる手段と、
をさらに備え、
前記波面変調器は、前記第1の光源と前記測定対象物を結ぶ光路上に第1の波面変調器と、前記第2の光源と前記測定対象物を結ぶ光路上に第2の波面変調器を含み、
第1の励起光の波面歪み量および第2の励起光の波面歪み量をそれぞれ求め、それぞれの波面歪み量を打ち消す位相変調を前記第1の波面変調器および前記第2の波面変調器に与えた状態で、前記測定対象物の測定を行う、
請求項10に記載の光学測定装置。

【請求項14】
レンズの瞳面もしくは当該瞳面と共役な位置に配置された波面変調器の局所領域に与える位相変調量を変化させる位相変調ステップと、
前記波面変調器および前記レンズを介して入射する光の強度を光検出器によって検出する検出ステップと、
前記光検出器から得られる信号から、前記局所領域を通過する光と前記局所領域以外を通過する光の干渉成分を取得する干渉成分取得ステップと、
前記干渉成分をフーリエ変換し、フーリエ変換された干渉成分の位相成分を波面歪み量として算出する波面歪み量算出ステップと、
含む、波面歪み量測定方法。

【請求項15】
前記位相変調ステップでは、前記局所領域に少なくとも3つの異なる変調量を与え、
前記干渉成分取得ステップでは、前記少なくとも3つの異なる変調量を前記波面変調器に与えた際にそれぞれ得られる少なくとも3つの強度分布に基づいて、演算により前記干渉成分を算出する、
請求項14に記載の波面歪み量測定方法。

【請求項16】
前記位相変調ステップでは、前記波面変調器の前記局所領域に与える位相変調量を周期的に変化させ、
前記干渉成分取得ステップでは、前記光検出器から出力される信号を入力とするロックイン検出器を用いて、前記干渉成分を取得する、
請求項14に記載の波面歪み量測定方法。

【請求項17】
前記光検出器は、前記レンズの焦点面に配置され、光源から前記波面変調器を介して前記レンズに入射した光の空間強度分布を検出する、
請求項14~16のいずれか1項に記載の波面歪み量測定方法。

【請求項18】
前記光検出器は、前記レンズを介して測定対象物から生じる光が結像される位置に配置
され、測定対象物から生じる光の空間強度分布を検出する、
請求項14~16のいずれか1項に記載の波面歪み量測定方法。

【請求項19】
前記検出ステップは、
前記レンズを介してレーザー光を測定対象物上に集光し、前記測定対象物から生じる光を前記光検出器により検出する信号光検出ステップと
レーザー光を測定対象物上で走査し、信号強度分布を取得する信号強度分布取得ステップ
を含む、請求項14~16のいずれか1項に記載の波面歪み量測定方法。

【請求項20】
前記検出ステップは、
前記レンズを介して第1および第2のレーザー光を測定対象物上に集光し、測定対象物内において非線形光学過程を誘起し、発生させた信号光を検出する非線形信号光検出ステ
ップと、
前記第1のレーザー光を前記第2のレーザー光に対して測定対象物上で走査し、信号強度分布を取得する非線形信号強度分布取得ステップと、
を含む、請求項14~16のいずれか1項に記載の波面歪み量測定方法。

【請求項21】
前記波面変調器の第1から第3の局所領域のそれぞれを対象として、前記位相変調ステップ、前記検出ステップ、および前記干渉成分取得ステップを実行して、第1から第3の干渉成分をそれぞれ取得し、
前記波面歪み量算出ステップでは、前記第1から第3の干渉成分の位相成分から、前記測定対象物の位相情報を除去した波面歪み量を算出する、
請求項18または19に記載の波面歪み量測定方法。

【請求項22】
前記波面変調器の第1から第3の局所領域のそれぞれを対象として、前記位相変調ステップ、前記検出ステップ、および前記干渉成分取得ステップを実行して、第1から第3の干渉成分をそれぞれ取得し、
前記波面歪み量算出ステップでは、前記第1から第3の干渉成分の位相成分から、前記第2のレーザー光が関連する位相情報を除去した波面歪み量を算出する、
請求項20に記載の波面歪み量測定方法。

【請求項23】
前記第2の局所領域は、前記第1の局所領域から第1の方向に変位した位置であり、
前記第3の局所領域は、前記第1の局所領域から前記第1の方向と直交する第2の方向に変位した位置である、
請求項21または22に記載の波面歪み量測定方法。

【請求項24】
請求項14~23のいずれか1項に記載の波面歪み量測定方法の各ステップと、
前記波面歪み量算出ステップにおいて取得される波面歪み量を打ち消す位相変調を前記波面変調器に与える波面補償ステップと、
を含む、波面補償方法。

【請求項25】
前記波面歪み量算出ステップにおいて取得される前記波面歪み量を前記波面変調器に与えた状態で、前記位相変調ステップ、前記検出ステップ、前記干渉成分取得ステップ、および前記波面歪み量算出ステップを行って波面歪み量を算出し、当該波面歪み量に基づいて、前記波面補償ステップにおいて前記波面変調器に与える位相変調量を更新する、
請求項24に記載の波面補償方法。

【請求項26】
請求項24または25に記載の波面補償方法の各ステップと、
前記波面歪み量を打ち消す位相変調を前記波面変調器に与えた状態で、前記光検出器を
用いて測定を行う測定ステップと、
を含む、光学測定方法。

【請求項27】
コンピュータに、請求項14から26のいずれか1項に記載の方法を実行させるための、コンピュータプログラム。

【請求項28】
レンズの瞳面もしくは当該瞳面と共役な位置に配置された波面変調器と、
前記波面変調器の位相変調量を制御する制御手段と、
前記波面変調器の局所領域に与える位相変調量を変化させた際に前記波面変調器および前記レンズを介して入射する光の強度分布を検出する光検出器から得られる強度分布に基づいて、前記局所領域を通過する光と前記局所領域以外を通過する光の干渉成分を取得する干渉成分取得手段と、
前記干渉成分をフーリエ変換し、フーリエ変換された干渉成分の位相成分を波面歪み量
として算出する波面歪み量算出手段と、
を備える、波面歪み量測定装置。
国際特許分類(IPC)
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