デジタルホログラフィック撮像装置及び照明装置

本発明は、デジタルホログラフィック撮像装置及びこれに使用可能な照明装置に関するものである。

デジタルホログラフィック撮像装置として、例えば特許文献1−3に開示のものが知られている。特許文献1に開示のデジタルホログラフィック撮像装置は、光源から射出される光を、ハーフミラーにより参照光と物体照明光とに空間的に分離し、物体照明光により照明された物体からの反射光(物体光)と参照光とをハーフミラーにより干渉させて、それにより生成される干渉パターンを撮像素子で撮像している。

また、特許文献2、3に開示のデジタルホログラフィック撮像装置は、光源から放射された光を、ほぼ共通の光路に配置された反射表面及び物体に照射し、反射表面で反射された光(参照光)と物体で反射された光(物体光)とを干渉させて、それにより生成される干渉パターンを撮像素子で撮像している。

特許第3471556号公報

特開2013−228735号公報

特開2013−228736号公報

しかしながら、特許文献1に開示のデジタルホログラフィック撮像装置は、参照光と物体照明光とを空間的に分離するため、装置が大型化することが懸念される。

これに対し、特許文献2、3に開示のデジタルホログラフィック撮像装置は、参照光と物体照明光との光路が空間的にほぼ共通であることから、装置の小型化に有利となる。しかし、かかるデジタルホログラフィック撮像装置は、光源として点光源を用いている。そのため、広視野を得ようとすると、光源と物体との間の距離を大きくする必要があり、装置の大型化を招くことになる。

したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、小型な構成で、広視野に亘って干渉パターンを撮像可能なデジタルホログラフィック撮像装置及びこれに使用可能な照明装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明に係るデジタルホログラフィック撮像装置は、 特定波長のコヒーレント光を照明光として被検物側に向けて射出する照明光射出面と、該照明光射出面に対して前記被検物側とは反対側に位置し、前記照明光とは反対の方向に前記コヒーレント光を参照光として射出する参照光射出面と、を有する照明部と、 該照明部の前記参照光射出面側に位置し、前記照明光のうち被検物で変調されて前記照明部を透過した物体光と前記参照光との干渉パターンを撮像する、2次元状に配列された画素からなる画素列を有する撮像素子と、 を有するものである。

さらに、上記目的を達成する本発明に係る照明装置は、 特定波長のコヒーレント光を射出する光源部と、 該光源部からの前記コヒーレント光を伝播しながら第1の方向に射出する第1の光射出平面と、前記第1の方向とは反対の第2の方向に射出する第2の光射出平面とを有する平面型光導波路と、 前記光源部からの前記コヒーレント光の位相を調整する位相調整部と、 前記平面型光導波路に積層する方向に並んで位置し、前記位相調整部で位相が調整された前記コヒーレント光を伝播しながら前記第1の方向に射出する第3の光射出平面と、前記第2の方向に射出する第4の光射出平面とを有する調光用平面型光導波路と、 を有するものである。

本発明によれば、小型な構成で、広視野に亘って干渉パターンを撮像することが可能となる。

第1実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。

第2実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。

第3実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。

第3実施の形態の変形例を示す図である。

第3実施の形態の変形例を示す図である。

第4実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。

第4実施の形態の変形例を示す図である。

第5実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。

第6実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。

第7実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。

第8実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。

第1構成例の平面型光導波路を示す概略断面図である。

図11のグレーティングの形成例を説明する図である。

図11のグレーティングの形成例を説明する図である。

図11のグレーティングの形成例を説明する図である。

図11のグレーティングの形成例を説明する図である。

図11の平面型光導波路の機能を説明する図である。

スラブ型光導波路の基本構造を示す図である。

第2構成例の平面型光導波路をz方向から見た拡大概略図である。

第2構成例の平面型光導波路をx方向から見た拡大概略図である。

第3構成例の平面型光導波路をz方向から見た拡大概略図である。

第3構成例の平面型光導波路をx方向から見た拡大概略図である。

第4構成例の平面型光導波路を説明するための図である。

一定の高さのグレーティングを示す図である。

図17A及び図17Bのグレーティングによる回折照明光の強度分布を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

(第1実施の形態) 図1は、第1実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。本実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置は、照明部10と撮像素子50とを備える。照明部10は、光源部20と平面型光導波路部30とを備える。

光源部20は、特定波長のコヒーレント光を射出する例えば1つの半導体レーザからなる光源21を有して構成される。光源21は、平面型光導波路部30に直接結合してもよいし、光ファイバ等の導光体を介して平面型光導波路部30に結合してもよい。図1は、光源21が平面型光導波路部30に直接結合されている場合を例示している。

平面型光導波路部30は、光源21からのコヒーレント光を伝播する1つの平面型光導波路31を有して構成される。平面型光導波路31は、光源21からのコヒーレント光を照明光として被検物側に向けて平面波状に射出する照明光射出面32iと、該照明光射出面32iに対して被検物側とは反対側に位置し、照明光とは反対の方向にコヒーレント光を参照光として平面波状に射出する参照光射出面32rとを有する。照明光射出面32i及び参照光射出面32rは、それぞれ平面からなり、平行に延在している。

平面型光導波路31は、照明光射出面32iと参照光射出面32rとの間に位置するグレーティング部33を有する。平面型光導波路31は、光源21からのコヒーレント光を伝播しながらグレーティング部33で回折させて、照明光射出面32iから照明光として射出させるとともに、参照光射出面32rから参照光として射出させる。換言すると、照明光及び参照光の双方は、グレーティング部33により回折されてから、平面型光導波路31の外部に射出される。図1において、平面型光導波路31は、光源21からのコヒーレント光の伝播方向をy、照明光射出面32i及び参照光射出面32rの法線方向をzとするyz面の概略断面図で示している。平面型光導波路の詳細な構成については、後述する。

撮像素子50は、平面型光導波路31の参照光射出面32rと対向して配置される。撮像素子50は、参照光射出面32rと略平行な面に沿って2次元状に配列された画素列51を備える。

図1において、照明光射出面32iから射出される平面波状の照明光は、被検物1に照射される。被検物1は、照明光を反射させる例えば金属のような不透明サンプル、高密度な生物組織サンプル、光学素子等からなる。被検物1で反射される照明光は、物体光として平面型光導波路31を透過して、撮像素子50の画素列51に物体光として入射する。また、画素列51には、参照光射出面32rから射出された平面波状の参照光が入射する。これにより、画素列51上には、被検物1で反射された物体光と、被検物1に作用しない参照光との干渉パターンが形成される。したがって、撮像素子50により干渉パターンを撮像すれば、その干渉パターンを演算処理することにより被検物1の形状測定が可能となる。

図1において、照明光射出面32iの面積をS、照明光射出面32iから撮像素子50の画素列51までの距離をZとするとき、好ましくは、0.0000001

2/S<16、を満足する。ここで、Z

²/Sは、0.0000001以下になると、撮像素子50を載置するスペースを確保することが困難になる。そのため、Z

²/Sは、0.0000001を超える値、好ましくは0.001以上とするとよい。また、Z

²/Sは、16以上になると小型化が困難になることから、16未満、好ましくは4以下、より好ましくは1以下とするとよい。また、本実施の形態では、照明部10の照明光射出面32iの面積Sが、照明光射出面32iから撮像素子50の画素列51までの距離Zの2乗に対して大きいので、広視野に亘って干渉パターンを撮影することができる。さらに、撮像素子50の画素列51の配置された領域の面積は、照明光射出面32iの面積Sの0.8倍以上であることが、広視野化の上で好ましい。

本実施の形態によると、平面型光導波路31を被検物1に近づけても広い撮影エリアが得られる。したがって、小型な構成で、広視野に亘って干渉パターンを撮像することが可能となる。

なお、図1において、平面型光導波路31内に示す実線矢印は、平面型光導波路31内でのコヒーレント光の伝播方向を示す。平面型光導波路31の照明光射出面32iから被検物1に向かう実線矢印は、照明光を示す。平面型光導波路31の参照光射出面32rから撮像素子50に向かう実線矢印は、参照光を示す。被検物1から撮像素子50に向かう破線矢印は、物体光を示す。また、照明光、物体光及び参照光とそれぞれ交差する破線は、それぞれの波面を示す。これらの表現は、他の図においても同様である。

(第2実施の形態) 図2は、第2実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。本実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置は、図1に示した構成において、照明部10の被検物1側すなわち照明光射出面32i側に配置された被検物保持部60を有する。

被検物保持部60は、照明部10から射出される照明光に対して透過性を有する材質で平板状に形成され、照明光射出面32iとほぼ平行に配置される。被検物保持部60は、照明光射出面32iと対向する面とは反対側の面(被検物接触面)61上に被検物1を着脱自在に保持可能である。被検物保持部60は、被検物1によっては、被検物接触面61が被検物1に接離可能に接触してもよい。

図2において、照明部10の照明光射出面32iの面積をS、照明光射出面32iから被検物保持部60の被検物接触面61までの距離をZ₁₀、被検物接触面61から撮像素子50の画素列51までの距離をZ₂₀とするとき、好ましくは、0.0000001

10

²/S<4、及び、0.0000001

20

²/S<4、を満足する。したがって、第1実施の形態で説明した、0.0000001

2/S<16、も満足する。その他の構成は、第1実施の形態と同様であるので説明を省略する。

ここで、Z₁₀²/Sは、0.0000001以下になると、被検物保持部60を配置するスペースを確保することが困難になることから、0.0000001を超える値、好ましくは0.001以上とするとよい。また、Z₁₀²/Sは、4以上になると、小型化が困難になることから4未満、好ましくは1以下、より好ましくは0.25以下とするとよい。Z₂₀²/Sは、0.0000001以下になると、撮像素子50を配置するスペースを確保することが困難になることから、0.0000001を超える値、好ましくは0.001以上とするとよい。また、Z₂₀²/Sは、4以上になると、小型化が困難になることから4未満、好ましくは1以下、より好ましくは0.25以下とするとよい。また、好ましくは、0.25

10/Z

₂₀<4、を満足するとよい。

本実施の形態によると、被検物保持部60を被検物1に近づけても広い撮影エリアが得られるので、小型な構成で、広視野に亘って干渉パターンを撮像することが可能となる。

(第3実施の形態) 図3は、第3実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。本実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置は、図1に示した構成において、照明部10の被検物1側すなわち照明光射出面32i側に配置された照明光角度変更部70を有する。

照明光角度変更部70は、yz断面が楔形状を有する楔プリズム71からなる。楔プリズム71は、照明光射出面32iとほぼ平行に離間対向する面71aと、照明光射出面32iに対して傾斜した斜面71bとを有し、斜面71b側に被検物1が配置される。楔プリズム71は、例えば照明光射出面32iから楔プリズム71の斜面71bの最大高さの距離をZ₃₀とするとき、好ましくはZ₃₀=Z₁₀として、第2実施の形態と同様の条件を満たすように配置される。

上記構成において、照明光射出面32iから射出される平面波状の照明光は、楔プリズム71の斜面71bで屈折されて、照明光射出面32iからの射出方向とは異なる方向から被検物1を照明する。これにより、被検物1で反射されて楔プリズム71及び平面型光導波路31を透過する物体光は、参照光射出面32rから射出される参照光とは異なる角度で撮像素子50に入射するので、撮像素子50上には物体光と参照光との入射角度に応じた周波数(キャリア周波数)をもつ干渉パターンが生成される。したがって、撮像素子50により干渉パターンを撮像すれば、その出力に基づいて公知のフーリエ縞解析法により定量的な位相情報を取得することができ、被検物1の形状を精密に測定することが可能となる。

本実施の形態によると、楔プリズム71を被検物1に近づけても広い撮影エリアが得られるので、小型な構成で、広視野に亘って干渉パターンを撮像することが可能となる。しかも、本実施の形態では、オフアクシスホログラムを生成する構成と同様の構成を有するので、被検物1の精密測定が可能となる。

(第3実施の形態の変形例) 図4A及び図4Bは、図3の変形例を示すものである。図4Aに示すデジタルホログラフィック撮像装置は、図3において楔プリズム71の斜面71bに被検物1を保持するようにして、照明光角度変更部70を被検物保持部としても機能させたものである。

図4Bに示すデジタルホログラフィック撮像装置は、楔プリズム71の面71aを平面型光導波路31の照明光射出面32iに接合して、楔プリズム71の斜面71bに被検物1を保持するようにしたものである。すなわち、図4Bは、照明光角度変更部70を被検物保持部としても機能させて、照明部10と一体化したものである。

したがって、図4A及び図4Bの構成によると、図3の場合と同様の効果に加え、被検物保持部を別途設けることなく楔プリズム71に被検物1を保持することができるので、被検物保持部を要する場合の構成を簡略化できる。また、特に、図4Bにおいては、照明部10と、被検物保持部と、照明光角度変更部70とが一体化されるので、小型化により有利となる。

(第4実施の形態) 図5は、第4実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。本実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置は、図2に示した構成において、照明部10の照明光射出面32iと被検物保持部60との間に、第3実施の形態で説明した照明光角度変更部70を構成する楔プリズム71を配置したものである。図5は、楔プリズム71の面71aが照明光射出面32iに接合されて、照明部10と照明光角度変更部70とが一体化されている場合を例示している。

被検物保持部60は、好ましくは、第2実施の形態で説明した条件を満たし、楔プリズム71を配置するスペースを確保できるように配置される。その他の構成は、第2実施の形態と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態においても、第3実施の形態と同様に、定量的な位相情報を取得することができるので、被検物1の形状を精密に測定することが可能となる。

(第4実施の形態の変形例) 図6は、図5の変形例を示すものである。図6に示すデジタルホログラフィック撮像装置は、図5において楔プリズム71を省略し、被検物保持部60を照明光射出面32iに対して傾斜して配置したものである。すなわち、図6は、被検物保持部60を照明光角度変更部としても機能させたものである。

図6の構成によると、図5の構成と比較して、楔プリズム71を省略できることで、より小型化及び低コスト化が可能となる。

(第5実施の形態) 図7は、第5実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。本実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置は、図1に示した構成において、照明部10の被検物1側すなわち照明光射出面32i側に配置された位相変更部80を有する。

位相変更部80は、照明光射出面32iから射出されて被検物1に照射される照明光の位相を動的にシフトするもので、例えば液晶素子等によって構成される。位相変更部80は、例えば照明光射出面32iから位相変更部80の被検物側の面までの距離をZ₄₀とするとき、好ましくはZ₄₀=Z₁₀として、第2実施の形態と同様の条件を満たすように配置される。図7は、位相変更部80を照明光射出面32iに結合して配置した場合を例示している。

上記構成において、照明光射出面32iから射出される平面波状の照明光は、位相変更部80で位相がシフトされて被検物1を照明する。これにより、被検物1で反射される物体光は、参照光射出面32rから射出される参照光とは異なる位相を基準に変調され、さらに位相変更部80を透過して位相シフトされた後、平面型光導波路31を透過して撮像素子50上に参照波との干渉パターンを生成する。

したがって、位相変更部80により照明光の位相シフト量を順次変更して、それぞれの位相シフト量に応じて撮像素子50上に生成される干渉パターンを撮像すれば、それらの干渉パターンの撮像出力に基づいて公知の位相シフト法により被検物1の形状を解析することが可能となる。位相変更部80による順次の位相シフト量は、任意の量をランダムにシフトしてもよいし、例えばπ/4ずつシフトして撮像素子50に入射する物体光が参照光の位相に対して0、π/2、π、3π/2シフトした位相を基準に変調されるようにしてもよい。

本実施の形態によると、位相変更部80を被検物1に近づけても広い撮影エリアが得られるので、小型な構成で、広視野に亘って干渉パターンを撮像することが可能となる。しかも、本実施の形態では、位相変更部80の位相シフト機能により定量的な位相情報を得ることが可能となるので、被検物1の精密測定が可能になるとともに、オフアクシスホログラムの構成と比較して高解像度の測定が可能となる。

(第6実施の形態) 図8は、第6実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。本実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置は、図7において位相変更部80を省略し、平面型光導波路部30を複数の平面型光導波路を有して構成して照明光の位相を順次変調する。図8は、3つの平面型光導波路31a、31b及び31cを用いた場合を例示している。

平面型光導波路31a、31b及び31cは、図1に示した平面型光導波路31と同様に構成される。したがって、図8において、図1に示した平面型光導波路31と同一構成要素には、同一符号に対応するサフィックスを付して示す。平面型光導波路31a、31b及び31cは、平面型光導波路31aの参照光射出面32arと平面型光導波路31bの照明光射出面32biとが対向し、平面型光導波路31bの参照光射出面32brと平面型光導波路31cの照明光射出面32ciとが対向するように、積層する方向に並べて配置される。

平面型光導波路31a、31b及び31cには、光源部20から同一波長のコヒーレント光を順次入射させる。光源部20は、例えば一つの光源から射出されるコヒーレント光を3つの光路に分岐し、各光路のコヒーレント光を光スイッチ及び光ファイバ等の導光体を介して平面型光導波路31a、31b及び31cに順次切り替えて入射させる。あるいは、光源部20は、同一波長のコヒーレント光を射出する3つの光源を有し、これら3つの光源と平面型光導波路31a、31b及び31cとを直接又は光ファイバ等の導光体を介して結合して、3つの光源から対応する平面型光導波路31a、31b及び31cに順次同一波長のコヒーレント光を入射させてもよい。図8では、3つの光源21a、21b及び21cを対応する平面型光導波路31a、31b及び31cにそれぞれ結合して、平面型光導波路31a、31b及び31cに同一波長のコヒーレント光を順次入射させる場合を例示している。

被検物1は、平面型光導波路31aの照明光射出面32ai側に配置される。撮像素子50は、平面型光導波路31cの参照光射出面32cr側に配置される。

平面型光導波路31a、31b及び31cは、光源21a、21b及び21cから射出されるコヒーレント光の波長をλ、いずれの2つの組合せにおける平面型光導波路の双方のグレーティング部間の距離の空気換算長をD、Dをλで割った余りの値をmod(D,λ)とするとき、いずれの2つの組合せにおいて、0

例えば、平面型光導波路31aを基準(0)とするとき、平面型光導波路31aのグレーティング部33aと平面型光導波路31bのグレーティング部33bとの間の距離の空気換算長Dは、λ/8(+nλ/2)(位相にしてπ/4(+nπ))とする。但し、nは0又は正の整数である。また、平面型光導波路31aのグレーティング部33aと平面型光導波路31cのグレーティング部33cとの間の距離の空気換算長Dは、λ/4(+nλ/2)(位相にしてπ/2(+nπ))とする。したがって、この場合、平面型光導波路31bのグレーティング部33bと平面型光導波路31cのグレーティング部33cとの間の距離の空気換算長Dは、λ/8(+nλ/2)となる。

また、図8において、平面型光導波路31a、31b、31cの照明光射出面32ai、32bi、32ciの各面積をS、平面型光導波路31aの照明光射出面32aiから撮像素子50の画素列51までの距離をZとするとき、好ましくは、第1実施の形態と同様に、0.0000001

2/S<16、を満足する。

上記構成において、光源21aからコヒーレント光が射出されると、平面型光導波路31aの参照光射出面32arから射出される参照光は、平面型光導波路31b及び31cを順次透過して撮像素子50に入射する。また、平面型光導波路31aの照明光射出面32aiから射出される照明光は、被検物1で反射されて変調され、その反射光(物体光)が自己の平面型光導波路31aを透過した後、平面型光導波路31b及び31cを順次透過して撮像素子50に入射する。このときの撮像素子50上での参照光と物体光との位相差を基準位相差とする。これにより、撮像素子50上には、参照光に対して基準位相差の照明光で変調された物体光による干渉パターンが生成される。

次に、光源21bからコヒーレント光が射出されると、平面型光導波路31bの参照光射出面32brから射出される参照光は、平面型光導波路31aの参照光に比べ空気換算長でλ/8(+nλ/2)だけ短い距離を伝播して撮像素子50に入射する。また、平面型光導波路31bの照明光射出面32biから射出される照明光は、平面型光導波路31aの照明光に比べ空気換算長でλ/8(+nλ/2)だけ長い距離を伝播して被検物1に照射される。被検物1で反射されて変調された反射光(物体光)の通る光路は平面型光導波路31aの物体光と等しい。これにより、撮像素子50上には参照光に対して、基準位相差に対しπ/2の位相差を有する照明光で変調された物体光による干渉パターンが生成される。つまり、この場合は、参照光と照明光との位相差が、基準位相差とπ/2異なることになる。

次に、光源21cからコヒーレント光が射出されると、平面型光導波路31cの参照光射出面32crから射出される参照光は、平面型光導波路31aの参照光に比べ空気換算長でλ/4(+nλ/2)だけ短い距離を伝播して撮像素子50に直接入射する。また、平面型光導波路31cの照明光射出面32ciから射出される照明光は、平面型光導波路31aの照明光に比べ空気換算長でλ/4(+nλ/2)だけ長い距離を伝播して被検物1に照射される。被検物1で反射されて変調された反射光(物体光)の通る光路は平面型光導波路31aの物体光と等しい。これにより、撮像素子50上には、参照光に対して、基準位相差に対してπの位相差を有する照明光で変調された物体光による干渉パターンが生成される。つまり、この場合は、参照光と照明光との位相差が、基準位相差とπ異なることになる。

本実施の形態によると、光源21a,21b及び21cの発光タイミングに同期して、撮像素子50上に生成される干渉パターンを撮像すれば、第5実施の形態の場合と同様にして、公知の位相シフト法により被検物1の形状を解析することが可能となり、第5実施の形態と同様の効果が得られる。しかも、本実施の形態では、平面型光導波路31a、31b及び31cの配置によって位相シフトするので、第5実施の形態と比較して簡易に構成できる利点がある。なお、図8では、3つの平面型光導波路31a、31b及び31cを用いた場合を例示したが、4つ以上の平面型光導波路を用いて、さらに多くの位相の組合せによる干渉パターンを撮像するようにしてもよい。

(第7実施の形態) 図9は、第7実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。本実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置は、図1に示した構成において、照明部10の被検物1側すなわち照明光射出面32i側に配置された第1の1/4波長板81と、照明部10と撮像素子50との間の光路中に配置された第2の1/4波長板82と、撮像素子50と第2の1/4波長板82との間に配置された検光子アレイ83とを有する。

検光子アレイ83は、撮像素子50の1又は複数の画素ごとに偏光の透過方向が異なる複数の検光子を並べて配置して構成される。本実施の形態では、図9に部分拡大平面図をも示すように、透過方向が異なる4つの検光子84a〜84dを1組として、複数組を並べて配置する。検光子84a〜84dの各々は、撮像素子50の1又は複数の画素に対応している。

ここで、各組の4つの検光子84a〜84dの透過方向は、例えば平面型光導波路31の参照光射出面32rから射出される参照光の直線偏光の方向をyz面と直交する方向(x方向)とするとき、y方向、x方向、第1の1/4波長板81及び第2の1/4波長板82の結晶軸方向、及び該結晶軸方向と直交する方向とほぼ一致している。つまり、4つの検光子84a〜84dは、透過方向が0、π/2、π及び3π/2と、π/2ずつ異なっている。

また、第1の1/4波長板81は、例えば照明光射出面32iから第1の1/4波長板81の被検物1側の面までの距離をZ₅₀とするとき、好ましくはZ₅₀=Z₁₀として、第2実施の形態と同様の条件を満たすように配置される。同様に、第2の1/4波長板82は、好ましくは第2実施の形態で説明したZ₂₀の条件を満たし、第2の1/4波長板82を配置するスペースを確保できるように配置される。

上記構成において、平面型光導波路31の照明光射出面32iから射出されるx方向の直線偏光の参照光は、第1の1/4波長板81を透過することで例えば右回りの円偏光に変換されて被検物1に照射される。そして、被検物1で反射される物体光は、入射する照明光の円偏光とは反対回りの左回りの円偏光となり、さらに第1の1/4波長板81を透過することで、照明光射出面32iから射出される照明光の直線偏光方向と直交するy方向の直線偏光に変換される。そして、このy方向の直線偏光は、平面型光導波路31を透過し、さらに第2の1/4波長板82を透過することで、例えば左回りの円偏光に変換されて検光子アレイ83に入射する。

一方、平面型光導波路31の参照光射出面32rから射出されるx方向の直線偏光の参照光は、第2の1/4波長板82を透過することで、物体光の円偏光とは逆回りの左回りの円偏光に変換されて検光子アレイ83に入射する。

その結果、物体光及び参照光が検光子アレイ83を透過すると、撮像素子50上には、物体光と参照光との位相関係が0、π/2、π及び3π/2の4つの干渉パターンが同時に生成される。したがって、撮像素子50上に生成される干渉パターンを撮像すれば、その出力に基づいて公知の並列位相シフト法により被検物1の形状を解析することが可能となる。

本実施の形態によると、第1の1/4波長板81を被検物1に近づけても広い撮影エリアが得られるので、小型な構成で、広視野に亘って干渉パターンを撮像することが可能となる。しかも、本実施の形態では、物体光と参照光との位相関係が異なる複数の干渉パターンを同時に得ることができるので、被検物1を高速かつ高精度で解析することが可能となる。

(第8実施の形態) 図10は、第8実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の要部の概略構成図である。本実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置は、図1に示した構成において、照明部10が位相調整部85と、調光用平面型光導波路31Vとをさらに有する。

本実施の形態では、光源部20から同一波長の2本のコヒーレント光を射出させる。2本のコヒーレント光は、2つの光源から射出させてもよいし、1つの光源から射出されるコヒーレント光を2本に分岐してもよい。図10では、1つの光源21から射出されるコヒーレント光を2本の光束に分岐する場合を例示している。

光源部20から射出される2本のコヒーレント光は、一方を光ファイバ等の導光体を介して平面型光導波路31に入射させ、他方を光ファイバ等の導光体を介して位相調整部85に入射させる。位相調整部85は、入射光の位相を調整可能な例えば電気光学素子、音響光学素子、熱光学素子等を有して構成される。位相調整部85で位相調整されたコヒーレント光は、光ファイバ等の導光体を介して調光用平面型光導波路31Vに入射される。

調光用平面型光導波路31Vは、平面型光導波路31と同様の構成からなり、照明光射出面32Viと、参照光射出面32Vrと、グレーティング部33Vとを有する。調光用平面型光導波路31Vは、撮像素子50と被検物1との間で平面型光導波路31に積層する方向に並んで配置される。例えば、調光用平面型光導波路31Vは、グレーティング部33Vと平面型光導波路31のグレーティング部33との間の空気換算長Dが、λ/4(+nλ/2)(位相にしてπ/2(+nπ))を満たすように配置される。

調光用平面型光導波路31Vは、位相調整部85を経て入射される光源21からのコヒーレント光を伝播しながらグレーティング部33で回折させて、照明光射出面32iから照明光として射出させるとともに、参照光射出面32rから参照光として射出させる。図10では、調光用平面型光導波路31Vが平面型光導波路31の照明光射出面32i側に配置されているが、平面型光導波路31の参照光射出面32r側に配置されてもよい。

図10において、調光用平面型光導波路31Vの照明光射出面32Vi及び平面型光導波路31の照明光射出面32iの各面積をS、調光用平面型光導波路31Vの照明光射出面32Viから撮像素子50の画素列51までの距離をZとするとき、好ましくは、第1実施の形態と同様に、0.0000001

2/S<16、を満足する。

上記構成において、光源21からコヒーレント光が射出されると、平面型光導波路31の照明光射出面32iから射出される照明光は、調光用平面型光導波路31Vの照明光射出面32Viから射出される照明光と干渉し、被検物1で反射される。2つの照明光の干渉光の振幅は、調光用平面型光導波路31Vのグレーティング部33Vと平面型光導波路31のグレーティング部33との間の空気換算長D(位相にしてπ/2(+nπ))、および位相調整部85の与える位相量Φに従って決定される。反射光(物体光)は調光用平面型光導波路31V及び平面型光導波路31を順次透過して撮像素子50に入射する。

一方、平面型光導波路31の参照光射出面32rから射出される参照光は、調光用平面型光導波路31Vの参照光射出面32Vrから射出され、平面型光導波路31を透過した参照光と干渉し、撮像素子50に入射する。2つの参照光の干渉光の振幅は、調光用平面型光導波路31Vのグレーティング部33Vと平面型光導波路31のグレーティング部33との間の空気換算長D(位相にして−π/2(+nπ))、および位相調整部85の与える位相量Φに従って決定される。これにより、撮像素子50上には、平面型光導波路31及び調光用平面型光導波路31Vからそれぞれ射出された照明光による物体光と参照光とによる干渉パターンが生成される。照明光と参照光とでは、調光用平面型光導波路31Vのグレーティング部33Vと平面型光導波路31のグレーティング部33との間の空気換算長Dによって生じる位相差符号が反転するため、位相調整部85の与える位相量Φを変化させることにより、照明光と参照光との比率を変化させることが出来る。

本実施の形態では、撮像素子50上に生成される干渉パターンのコントラストが高くなるように、位相調整部85により調光用平面型光導波路31Vに入射されるコヒーレント光の位相が調整される。

本実施の形態によると、調光用平面型光導波路31Vを被検物1に近づけても広い撮影エリアが得られるので、小型な構成で、広視野に亘って干渉パターンを撮像することが可能となる。しかも、本実施の形態では、位相調整部85により調光用平面型光導波路31Vに入射されるコヒーレント光の位相を調整することにより、生成される干渉パターンのコントラストを調整できるので、被検物1として多様な反射率を有する種々の被検物を測定することが可能となる。

なお、本実施の形態は、上述した他の実施の形態や変形例に適用してもよい。ここで、図8に示した第6実施の形態に適用する場合は、1つの調光用平面型光導波路を設けてもよいし、平面型光導波路31a、31b及び31cの各々にペアとなる調光用平面型光導波路を設けてもよい。あるいは、専用の調光用平面型光導波路を設けることなく、平面型光導波路31a、31b及び31cを調光用平面型光導波路としても機能させてもよい。例えば、平面型光導波路31a、31b及び31cの各々に位相調整部を結合し、平面型光導波路31aによる干渉パターンを得る場合は、当該平面型光導波路31aに結合された位相調整部はオフとして、光源からのコヒーレント光を位相調整することなく当該平面型光導波路31aに入射させ、他の平面型光導波路31b及び31cのいずれか一方に結合された位相調整部によって光源からのコヒーレント光の位相を調整して対応する平面型光導波路31b又は31cに入射させる。同様にして、2つの平面型光導波路に入射させるコヒーレント光の一方の位相を調整する。

次に、上記実施の形態に示した平面型光導波路の構成例について、詳細に説明する。なお、上述した平面型光導波路31、31a、31b、31c及び調光用平面型光導波路31Vは同様に構成されるので、平面型光導波路31について説明する。

(平面型光導波路の第1構成例) 図11は、平面型光導波路31の第1構成例を示す概略断面図である。平面型光導波路31は、コア35と、コア35の上側のクラッド36Uと、下側のクラッド36Dと、グレーティング部33とを有して構成される。コア35は、yz面と直交するx方向の断面が、例えば円形、楕円形、矩形等の任意の形状に形成される。クラッド36U及び36Dは、コア35のy方向の両端を除く周囲で、少なくとも照明光の射出領域の上下に形成される。クラッド36Uは、グレーティング部33と対応するコア35と反対側の面(上面)が照明光射出面32iを構成する。同様に、クラッド36Dは、グレーティング部33と対応するコア35と反対側の面(下面)が参照光射出面32rを構成する。

グレーティング部33は、照明光射出面32iと参照光射出面32rとの間において、平面型光導波路31を伝播するコヒーレント光をz方向に射出するように、コア35と一方のクラッド(図11では、クラッド36U)との界面又はコア35内にy方向に沿って形成される。グレーティング部33は、例えば、図12Aに示す矩形状の溝、図12Bに示す鋸歯形状をした溝、図12Cに示す波形状の溝、図12Dに示す矩形状で屈折率の異なる溝で形成される。

次に、平面型光導波路31の機能について、図13を参照して説明する。図13に示す平面型光導波路31は、屈折率Nsのクラッド36Dの上に、厚さT、屈折率Nfのコア35が積層され、その境界に屈折率Ng、周期Λ、グレーティングファクタa、高さhgのグレーティング部33が形成され、さらにコア35の上に屈折率Ncのクラッド36Uが積層されて構成されている。クラッド36D、コア35及びクラッド36Uは、平面型光導波路31を構成する。

図13において、平面型光導波路31内に入射されたコヒーレント光(波長λ)は、屈折率の異なるコア35とクラッド36D及び36Uとの境界面で全反射を繰り返すことで閉じ込められて、平面型光導波路31内をある導波モードで伝播する。平面型光導波路31内を伝播するコヒーレント光は、周期Λのグレーティング部33が配置された部分で下記(1)式の条件を満たすと、導波モードと放射モードとの間の結合が起こる。これにより、平面型光導波路31内をy方向に伝搬定数β₀を持つコヒーレント光が伝搬する場合、このコヒーレント光に付随してy方向の伝搬定数β_qをもつ空間高調波が発生する。このとき平面型光導波路31内を伝搬するコヒーレント光は、放射モードにより放射角度(θc)で照明光射出面32i及び参照光射出面32rから外部へ平面波として、面積を有する帯状(1次元状)に放射される。

ただし、k₀は真空波数、N_effはコヒーレント光の実効屈折率である。

ここで、平面型光導波路31内をy方向に伝播するコヒーレント光の伝播モードは、平面型光導波路31を構成するパラメータ条件(屈折率、厚さ、波長)によって、複数の伝搬定数が存在するマルチモード伝搬と、基本モードの1つの伝搬定数のみが存在するシングルモード伝搬とに分けることができる。

平面型光導波路31から特定の放射角度(θc)の平面波のみを出力させる場合は、特定の伝搬モードに対して、(1)式のqが1つに定まる周期Λのグレーティング部33を形成して、シングルモード光を伝搬させる。このように構成すると、伝搬光に付随して、特定の放射モードにより平面型光導波路31の外部へ光が放射されるため、最終的に平面型光導波路31から特定の放射角度の平面波のみを射出させることができる。

例えば、伝播するコヒーレント光の波長(λ)が、λ=546.074nmの場合、コア35の屈折率(Nf)及びグレーティング部33の屈折率(Ng)をNf=Ng=1.5354、クラッド36D及び36Uの屈折率(Ns、Nc)をNs=Nc=1.46008、グレーティング部33の周期(Λ)をΛ=339nmとして平面型光導波路31を構成する。この場合、平面型光導波路31の実効屈折率N_effはN_eff=1.50788となり、放射光の放射角度(θc)はθc=−4.0°となる。グレーティングファクタa及び高さhgは、a=0.5、hg=50nmである。なお、放射光の放射角度θcは、0°であっても良いことはもちろんである。

第1構成例の平面型光導波路31によると、薄型かつ小型な構成で、コヒーレント光を所望の方向に広視野に亘って帯状に射出させることが可能となる。

(平面型光導波路の第2構成例) 平面型光導波路31の第2構成例においては、第1構成例において、平面型光導波路31がスラブ型光導波路として構成され、平面波の照明光及び参照光を所望の方向に面状(2次元状)に射出させる。

図14は、スラブ型光導波路の基本構造を示す図である。スラブ型光導波路41は、平板状のコア42と、その両面に積層されたクラッド43とを有する。図14において、光の伝播方向をy方向、コアの厚み方向をz方向、y方向及びz方向と直交する方向をx方向とするとき、コア42のx方向の両端面にはクラッドが形成されておらず、z方向にはコア42とクラッド43との屈折率差が存在する。コア42にy方向から導入された光は、コア42とクラッド43との屈折率差によりコア42内に閉じ込められてy方向に伝播される。

図15A及び図15Bは、スラブ型光導波路構造からなる平面型光導波路31を示すもので、図15Aは平面型光導波路31をz方向から見た拡大概略図であり、図15Bはx方向から見た拡大概略図である。平面型光導波路31は、一端から他端に向けて拡開するテーパ状光導波路37と、テーパ状光導波路37の拡開した他端に結合された矩形状光導波路38とを備える。テーパ状光導波路37及び矩形状光導波路38は、xy平面に延在するコア35と、コア35のz方向に対向する両面に形成されたクラッド36U及び36Dとを有し、矩形状光導波路38にグレーティング部33が形成されている。クラッド36Uは、グレーティング部33と対応するコア35と反対側の面(上面)が照明光射出面32iを構成する。同様に、クラッド36Dは、グレーティング部33と対応するコア35と反対側の面(下面)が参照光射出面32rを構成する。

テーパ状光導波路37及び矩形状光導波路38は、例えば一体に形成されて、テーパ状光導波路37の矩形状光導波路38とは反対側の端面からコヒーレント光が入射される。図15A及び図15Bでは、テーパ状光導波路37に光源11を結合した場合を例示している。

図15A及び図15Bにおいて、光源11から射出されたコヒーレント光は、テーパ状光導波路37においてz方向に閉じ込められてy方向に伝播される。また、テーパ状光導波路37に入射されたコヒーレント光は、x方向には球面波として広がって伝播されて面積が拡大される。グレーティング部33は、yz平面においては所定の形状(図では矩形)及び周期で形成され、xy平面においてはコヒーレント光の球面波に合わせて球面状に形成される。

第2構成例の平面型光導波路31によると、薄型かつ小型な構成で、コヒーレント光を所望の方向に大面積の面状に広視野に亘って射出させることが可能となる。

(平面型光導波路の第3構成例) 図16A及び図16Bは、平面型光導波路31の第3構成例の説明図である。第3構成例は、第2構成例において、テーパ状光導波路37が、伝播するコヒーレント光の波面を変換する変換グレーティング部39を有するものである。

図16Aは平面型光導波路31をz方向から見た拡大概略図であり、図16Bはx方向から見た拡大概略図である。変換グレーティング部39は、テーパ状光導波路37におけるコヒーレント光の伝播路の任意の位置に形成されて、テーパ状光導波路37を伝播するコヒーレント光をxy平面において球面波から平面波に変換する。また、矩形状光導波路38のグレーティング部33は、yz平面においては所定の形状(図では矩形)及び周期で形成され、xy平面においてはコヒーレント光の平面波に合わせて直線状に形成される。

第3構成例の平面型光導波路31によると、矩形状光導波路38のグレーティング部33をxy平面においてコヒーレント光の平面波に合わせて直線状に形成することができるので、第2構成例の効果に加えてグレーティング部33を容易に作成できる利点がある。

(平面型光導波路の第4構成例) 図17Aは、平面型光導波路31の第4構成例を説明するための図である。第4構成例では、第1〜3構成例において、グレーティング部33の高さhgを、照明光の伝播方向(y方向)におけるグレーティング長さLが長くなるのに従って高くする。

すなわち、図17Bに示すように、グレーティング部33の高さhgがグレーティング長さLに亘って一定の場合、グレーティング部33で回折されて平面型光導波路31から射出されるコヒーレント光の強度は、平面型光導波路31内でのコヒーレント光の伝播方向におけるグレーティング長さLが長くなるに従って、図18に実線で示すように指数関数的に減衰する。そこで、第4構成例では、図18に破線で示すように、グレーティング長さLに亘って回折されるコヒーレント光の強度がほぼ一定となるように、図17Aに示すように、グレーティング部33の高さhgを、グレーティング長さLが長くなるのに従って高くする。その他の構成は、上記の対応する構成例と同様である。

したがって、第1構成例に適用した場合は、平面波の照明光及び参照光を、ほぼ一定の強度でより長い帯状に射出させることが可能となる。また、第2〜3構成例に適用した場合は、平面波の照明光及び参照光を、ほぼ一定の強度でより伝播方向に長い面状の大面積で、より広視野に亘って射出させることが可能となる。

本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形または変更が可能である。例えば、本発明は、図10において、撮像素子50を省略し、光源部20、平面型光導波路31、位相調整部85及び調光用平面型光導波路31Vを有する照明装置として構成することも可能である。この場合、平面型光導波路31の照明光射出面32iが例えば第1の光射出平面に相当し、照明光射出面32iからの照明光の射出方向が第1の方向に相当し、参照光射出面32rが例えば第2の光射出平面に相当し、参照光射出面32rからの参照光の射出方向が第2の方向に相当し、グレーティング部33が第1のグレーティング部に相当する。同様に、調光用平面型光導波路31Vの照明光射出面32Viが例えば第3の光射出平面に相当し、参照光射出面32Vrが例えば第4の光射出平面に相当し、グレーティング部33Vが第2のグレーティング部に相当する。

また、照明部は、平面型光導波路部を複数の平面型光導波路を積層して構成して、複数の平面型光導波路から同一波長の照明光及び参照光を異なる方向に射出するように構成してもよいし、異なる波長の照明光及び参照光を同一又は異なる方向に射出するように構成してもよい。

1 被検物 10 照明部 20 光源部 21 光源 30 平面型光導波路部 31、31a、31b、31c、31V 平面型光導波路 32i、32ai、32bi、32ci、32Vi 照明光射出面 32r、32ar、32br、32cr、32Vr 参照光射出面 33、33a、33b、33c、33V グレーティング部 50 撮像素子 51 画素列 60 被検物保持部 61 被検物接触面 70 照明光角度変更部 80 位相変更部 81 第1の1/4波長板 82 第2の1/4波長板 83 検光子アレイ 85 位相調整部