JP3107034U - スペックルを低減させる方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スペックルを低減させる。
【解決手段】 光ビームを作るためのコヒーレント光源、光ビームを標本の表面上の少なくも１個のスポットに集光するようにされた画像化用光学系、及び標本表面から反射された光を受けかつ検出するようにされた検出器を備えた非平面の標本の共焦点画像化用に適合された装置である。画像化用光学系は、標本表面から反射された光がその経路を通って検出器に通過するように置かれた少なくも１個の光学素子を備える。この光学素子は、検出器の集積時間内で、少なくも１個のスポットを、ある運動範囲内で、装置の光学軸に直角な平面内で多数の別個の位置に動かすために可動である。
【選択図】 図２

Description

本考案は、コヒーレント光源を使用する画像化用光学系を備えた光学システムにおけるスペックルの低減に関する。

画像化用光学系におけるレーザーのようなコヒーレント光源の使用に伴う共通の問題は、スペックルとして知られる現象である。スペックルは、粗い面からの散乱されたコヒーレント光が、観察者の眼又は検出器のような有限開口を有する強度検出器により検出されるときに発生する。スクリーン上の像は、検出器の解像度スポットに等しい寸法を有する小さい区域内に量子化される。検出されたスポットの強度は、スポット内で散乱している点の寄与が破壊的に干渉する場合は最暗から不規則に変動して見え、建設的に干渉する場合は最も輝いて見える。このスポットからスポットへの強度の変動がスペックルと呼ばれる。検出器において得られるスペックル化された光信号は、いかなるセンサーが画像化システムにおいて使用される場合も空間的かつ時間的なノイズとして現れる。

スペックルの低減は、ある数の独立したスペックルの形態を平均化することを含むこと即ち、相関がなくかつ干渉しない種々の反射ビームから得られることが知られている。スペックルは本質的に３種の光のパラメーター、即ち照射しているレーザービームの角度、偏光、及び波長に依存するため、独立したスペックル形態は、これら３種の光のパラメーターのいずれかの多様化により作ることができる。スペックルの問題を解決するために、ディフューザー及び／又は可動の光学素子の手段により、或いは偏光多様化の手段により得られた角度多様化に最も多く基づいた多くのの試みが行われた。

イー（Ｉｈ）の特許文献１において、揺動手段を有しこれにより角度の多様化が得られるミラー上に拡散光を指向させることを含んだコヒーレント光画像化システムにおける像の作成を改良するための方法及び装置が明らかにされる。揺動運動は反射光線を２次元区域に掃引させ、像の作成に使用するために光を視準するより前にディフューザーを通る反射光の焦点を合わせる。ミラーを取り付けた３個の独立した圧電結晶体に、電圧の組合せを加えてミラーの揺動運動を作る。

シャラペノク他の特許文献２は、ディフューザーの使用により、及びレーザーのパラメーターと関係付けられた回転速度を有する回転マイクロレンズアレイにより、光学系におけるスペックルを無くすための方法及び装置を明らかにする。マイクロレンズの照明が静止のディフューザーから外れ、そして結局は均一かつスペックルなしの照明を有する大きな区域を提供する。

スカリイの特許文献３は、粗さがレーザー光の波長を越える個別目標から反射されたレーザー光のためのレーザー目標スペックル消去装置を明らかにする。この装置は、ハーフプレート（ｈａｌｆ−ｐｌａｔｅ）ウエーブ素子、第１の偏光ビームスプリッター素子、全反射直角プリズム、及び第２の偏光ビームスプリッター素子を備え、これらの全てが直列の光学的整列にある。組み合わせられて使用される既知コヒーレント長を有する線形（即ち垂直方向）の偏光したレーザービームを、互いにコヒーレントでない２個の合致した直角方向に偏光した光に変換する。得られたビームは、レーザーの既知コヒーレント長を越える別の光学的経路を有し、これによりこの系におけるスペックルを無くす。

ザヴィスランの特許文献４において、直角方向に偏光化され揃えられたビームの利用により画像化されている部分の外側（上方及び下方）にある散乱由来のスペックルを低減さえるための走査レーザー共焦点顕微鏡システムを明らかにする。共用ビームは横方向又は縦方向でずらされたスポットに焦点を合わせられる。偏光ビームは円偏光と反対の方向を持つ。
米国特許第４，１５５，６３０号 明細書 米国特許第６，０８１，３８１号 明細書 米国特許第４，５１１，２２０号 明細書 米国特許第６，５７７，３９４号 明細書 国際公開第００／０８４１５号 明細書

本考案により、コヒーレント光を使用する画像化システムにおけるスペックル低減のための方法及び装置であって、共焦点画像化により非平面の対象物／標本の表面のプロフィルを決定するために特に有用な方法及び装置が提供される。かかる画像化を実行するために、装置は、典型的に、共焦点開口及び複数の軸方向位置において入射ビームを集光するための手段を備える。共焦点顕微鏡法としても知られる画像化においては、共焦点画像化過程が標本表面においてレーザー光を集光させることを要求するため、多くのスペックルが発生したときは、スペックルが特に問題である。

そこで、本考案の装置は、光ビームを作るためのコヒーレント光源、光ビームを標本の表面上の少なくも１個のスポットに集光するようにされた画像化用光学系、及び標本表面から反射された光を受けかつ検出するようにされた検出器を備え、この画像化用光学系は、標本表面から反射された光がその経路を通って検出器に通過するように置かれた少なくも１個の光学素子を備え、この光学素子は、検出器の集積時間内で、少なくも１個のスポットを光学軸に直角な平面内で所定数の別個の位置に動かすように可動である。

非平面の標本を共焦点式に画像化するための本考案の方法は、
コヒーレント光源及び検出器を備えた装置を提供し、
コヒーレント光を、可動の光学素子を備えた画像化用光学系の手段により標本の表面上の少なくも１個のスポットに集光し、
表面から反射された光を可動の光学素子を介して検出器に指向させ、
この光を検出器により検出し、そして
検出器の集積時間内で、少なくも１個のスポットを多数の別個の位置に動かすように可動の光学素子を動かす
ことを含む。

光学素子の運動は、互いに最も遠い２個のスポット位置間の距離が装置の横方向解像度を越えないような運動である。

装置の横方向解像度は、装置が高さの差を区別できるための、標本上の２個の隣接した点の間の最小の横方向距離である。

入射光及び反射光の両者の通過を確保する本考案の可動光学素子の特別な位置決めのため、検出器は光学素子の運動を感知せず、即ち検出された像は静止している。

上に定められた光学素子の運動中、スポットはある位置から他の位置に動かされる。このため、スポットの個別位置の数に相当する多数の独立しスペックル形態が得られ、これらは、その集積時間にわたり検出器により平均化される。

本考案の共焦点画像化装置は、好ましくは、ビームスプリッター及び視準用レンズと対物レンズとを含んだ画像化用光学系を備え、少なくも１個の対物レンズがビームスプリッターと標本との間に配置される。

上に引用された可動の光学素子は、対物レンズそれ自体又はビームスプリッターと標本との間に置かれた追加の素子とすることができる。かかる追加の素子は、透明クサビ又はミラーとすることができる。

光学素子の運動は規則的又は不規則的とすることができる。光学素子の規則的運動の一例は、光学素子が静止の場合は、標本の表面上のスポットを、スポットの中心位置まわりの円形経路に従うようにさせることである。対物レンズの円形運動によりこの円形経路を達成すること、即ち、レンズの中心を光学軸まわりの円形内で動かすことができる。

本考案は、出願人の特許文献５に明らかにされた共焦点走査装置におけるような多スポット共焦点システムに等しくうまく応用することができる。この場合、レーザー光ビームは、標本表面上の多数のスポットを得るために、多数のビームに分割される。かかる装置においては、本考案による可動の光学素子は、上述された方法で各スポットを動かすであろう。

考案を実施するための最適の形態

本考案を理解するため及び実際にこれをいかに実行するかを知るために、好ましい実施例が付属図面を参照し例示のみの方法で説明されるであろう。

図１は、対象物／標本、例えば歯の表面の３次元プロフィル、又はトポグラフを、希望の横方向及び軸方向の解像度で決定するための典型的な装置を示す。この装置は、コヒーレント光源１２を構成するレーザー１０、放射光をビーム１６に視準するためにレーザーの前面に配置された視準用レンズ１４、視準されたビーム１６が通過するビームスプリッター１８、トポグラフを決定すべき非平面標本２２において光ビームをビーム１７（以下「入射光ビーム」と呼ぶ）に集光させるための対物レンズ２０の形式の光学的画像化用構成要素を備えた共焦点画像化システムである。上述の諸構成要素は光学軸Ａに沿って配置される。標本２２は、斜視図において、これが、（光学軸Ａと一致するＺ方向における）深さ、並びに（光学軸と直角のＸＹ平面内の）長さ及び幅を有することを誇張して示される。標本２２を照明しかつその上にスポット３８を形成する入射光ビーム１７は、反射されてレンズ２０を通って戻り、反射ビーム１９を作り、これがレンズ２０を通過してビームスプリッター１８に向かう。この装置は、更にある集積時間を有する画像検出器３０、及びこの検出器とビームスプリッターとの間に配置された共焦点開口又はピンホール２８を備え、このため、ビーム１９はビームスプリッター１８により反射されて焦点用レンズ２６とピンホール２８とを通過して検出器３０に向かう。

標本の軸方向変位により、又は対物レンズ２０の軸方向変位により標本２２が軸方向（Ｚ軸方向）で走査されると、標本は、その表面上で入射光ビーム１７が焦点を結び又は結ばないであろう位置を取るであろう。後者の場合、反射光１９はピンホール２８により部分的に阻止され、従って検出器３０において低強度の信号を作る。標本２２が焦点内の位置に接近すると、ピンホール２８を通過する光の量が増加し、最良の焦点において検出器３０から最大の信号が生ずる。

従って、信号の強度は、走査された点における深さ（即ち、ｚ軸に沿った深さ）に関係する。多くの深さ（ｚ座標）において画像化することにより、光学的断面プロフィル（ＯＳＰ）３４として知られる強さのプロフィルが得られる。ＯＳＰ３４のピークは、走査されている標本の表面の点の相対深さ又は位置を与える。標本表面の各Ｘ及びＹの位置に対して深さ走査過程を繰り返して、標本の全３次元プロフィル又はトポグラフを得る。

反射光におけるスペックルの現象が、図１における波形の線３６に見られるノイズのあるＯＳＰ３４を生じ、深さ座標決定の精度に害を与える。検出器３０により記録されるノイズは、最も望ましくないＯＳＰ３４のピークにおいてより重要であるため、標本２２における走査スポット３８に焦点を合わせるためにより近づくとスペックルのコントラストがより強くなる。

図２は本考案の第１の実施例を示し、これは図１に示されたものと同様に、対物レンズ２０は、矢印４２及び４４で示されたようなレンズの運動を作るために組み合わせられた運動機構４０を持つ。可能な運動機構４２は、圧電式アクチュエーターとすることができる。

対物レンズ２０の運動は、スポット４８により標本上のいて作られる同じ経路が、ある速度で繰り返されるような周期的な方法である。この経路において、スポット４８は、標本２２のある区域４６内で別個の位置に行くように動かされる。この経路は、適宜の形、例えば円形、長円形、正方形、長方形、多角形、不規則な形などとすることができる。図２におけるスポットの軌跡４７は、対物レンズ２０の運動により作られたスポット４８により得られた円形経路の軌跡の例である。対物レンズ２０の円形運動が、この円形経路を即ち、レンズの中心が光学軸Ａの周りの円において動く経路を達成する。

スポット４８の経路の長さは、最大の統計的な標本採取のために、位置の数に相当した多数の独立したスペックル形態を提供するように、できるだけ大きいことが好ましい。しかし、スポットの運動中における最も離れたスポット位置間の距離は、装置の横方向解像度より小さくすべきである。レンズの運動は、検出器３０の集積時間と同期させ、これにより、スポットの運動の１周期の全部、又はそのある部分にわたる独立したスペックル形態の平均化を実行することができる。

検出器３０は、これら独立のスペックル形態を平均し、これにより、図２に示されるように比較的平滑なＯＳＰ４９を得る。集積時間中に集められ平均化された信号は、更に説明されることのない公知の手段により自動的に記録することができる。

標本の粗さ又はトポグラフを決定するために、各走査された点において比較的平滑なＯＳＰ４９を作るように、上述された作業が繰り返されるであろう。

図３は、本考案の別の実施例による装置を示し、これは図２を参照して上述された装置と同様であり、相違点は、例えばガラスで作られかつビームスプリッター１８と静止の対物レンズ２０との間に配置された透明クサビ５０の形式の可動の光学素子を有することである。クサビ５０は、ある角度で入射ビーム１７を揺らすように回転でき、これにより図２に関連して説明されたように、走査されている表面２２上のスポット３８の対応した運動を支援する。

クサビ５０は屈折用光学素子の単なる一例であり、その回転が入射ビーム１７に適切な角度の多様化を作ることを理解すべきである。明らかにかかる素子は別の適宜適切な形状とすることができる。

図４は、本考案の更なる実施例による装置を示し、これは図２を参照して上述された装置と同様であり、相違点は、ビームスプリッター１８と静止の対物レン２０との間に置かれたミラー６０（好ましくは２軸ミラー）の形式の回転可能な反射用光学素子を備えることである。

ミラー６０の運動が、視準された入射ビーム１７をある角度で動かし、これにより標本２２におけるレーザースポットの対応した運動を支援する。

本考案の装置の基本的な価値は、標本２２上でスポットを調和して動かす運動する光学素子（例えば、対物レンズ２０、クサビ５０、及びミラー６０）はあるが、画像化（又は共焦点測定）の品質における損失がないことである。反射ビーム１９は動いている光学素子（対物レンズ２０、クサビ５０、及びミラー６０）を通過して戻るため、検出器３０は標本２２上の光のスポットの動きは観察しない。そこで、検知器上のスポットは、静止した回折の限定されたスポットのままである。

図５は本考案の更なる実施例を示し、これにおいては、出願者の特許文献５に明らかにされた形式の多スポット平行共焦点システムが使用される。このシステムにおいては、格子又はスポットアレイ７０が標本２２（図５においては歯として示される）を照明し、このアレイの各スポット７０ｎが標本を軸方向に走査し、標本２２上の対応したＸ−Ｙ区域４６ｎの比較的平滑なＯＳＰ４９ｎを作る。換言すれば、アレイ７０の各照明スポット７０ｎは深さ走査を受ける。

図５に見られるように、単一のレーザービーム７２が視準され、そして複数のマイクロレンズ７４ｎよりなるマイクロレンズアレイ７４内に通過する。アレイ７４は、希望のスポットアレイ７０を対応して作っているマイクロレンズ７４の焦点において、１マイクロレンズ当たり１個のスポットを作る。スポットアレイ７０は、光源側対物レンズ７６及び標本側対物レンズ７８を備えた拡大用光学系を使用し、更に、ビームスプリッター７５を介して標本２２上に指向される。反射光は、同じレンズ７６と７８及びビームスプリッター７５を介して検知器８２に向けられる。この検知器は、ｎ個の検出素子のアレイを有し更にマイクロレンズアレイ７４のマイクロレンズ７４ｎに対応したｎ個のピンホール８０を持つ。

対応した各Ｘ−Ｙ区域４６ｎにおいて、検出アレイ８２の各検出素子から比較的平滑なＯＳＰ４９ｎが作られ、従ってＺ座標が決定される。この場合も、希望の走査深さにわたってＺ軸に沿って標本側対物レンズ７８を動かすことにより、共焦点走査が得られる。

図２ないし４を参照して以上説明されたスペックル低減の実施例は、いずれも多スポット共焦点装置に適用することができる。

以上説明されたスペックル低減の装置及び方法は、多種の実施例において実現することができ、従ってこれら上に説明された実施例は単なる例示であることが認識できる。例えば、スペックルを減らすために標本上で入射ビームを動かすに適したその他の光学素子がある。更に、上述の素子は、互いに、又はその他の光学素子と組み合わせて使うことができる。

本技術において知られる共焦走査システムの略図である。 本考案の一実施例による共焦走査システムの略図である。 本考案の別の実施例による共焦走査システムの略図である。 本考案の更なる実施例による共焦走査システムの略図である。 本考案のなお別な実施例による共焦走査システムの略図である。

Claims (12)

1. 非平面の標本の共焦点画像化をするようにされた装置であって、光学軸及び所定の横方向解像度を有し、光ビームを作るためのコヒーレント光源、光ビームを標本の表面上の少なくも１個のスポットに集光するようにされた画像化用光学系、及び集積時間を有しかつ前記表面から反射された光を受けかつ検出するようにされた検出器を備え、前記画像化用光学系は標本表面から反射された光がその経路を通って検出器に通過するように置かれた少なくも１個の光学素子を備え、前記光学素が、検出器の前記集積時間内で、ある運動範囲内で少なくも１個のスポットを光学軸に直角な平面内の所定数の別個の位置に動かすために可動である前記装置。
2. 動いている光学素子が対物レンズである請求項１による装置。
3. 対物レンズが光学軸まわりに円形に動くようにされる請求項２による装置。
4. 動いている光学素子が反射用光学素子ある請求項１による装置。
5. 反射用光学素子が２個の軸上で動くように設計される請求項４による装置。
6. 動いている光学素子が非画像化用光学素子ある請求項１による装置。
7. 動いている光学素子が一般にクサビ状の透明な素子である請求項６による装置。
8. 透明な素子がガラスで作られる請求項７による装置。
9. 透明な素子が装置の光学軸まわりに回転可能である請求項７による装置。
10. 動いている光学素子が標本上の円形のスポットパターンを作るように設計される請求項１による装置。
11. 光ビームが光ビームのアレイからなる請求項１による装置。
12. 装置が更にビームスプリッターを備える請求項１による装置。

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