(57)【要約】【課題】物体内部の被測定部位から生じる信号光を的確に抽出し、相対的な信号光強度を測定する。【解決手段】被測定対象物Ａの内部の被測定部位Ａ１に測定光を照射してこの測定光によって被測定部位Ａ１から生じる信号光の情報だけを検出する。一端から被測定部位Ａ１に対して測定光を照射するとともに一端から信号光を含めた反射光を受光する光ファイバ５１と、測定光および反射光を集束するレンズ５８と、光ファイバ５１の一端およびレンズ５８との相対位置を固定して共焦点を保持するホルダー５７と、ホルダー５７を光軸方向に所定の距離移動させて光ファイバ５１による測定光の焦点位置を変更する振動機構５９と、光ファイバ５１の反射光の光強度を測定する測定装置７とを備える。測定光の焦点位置を光軸方向に移動させた場合の反射光の光強度変化に基づいて信号光の相対的光強度を抽出する信号光抽出手段７５が設けられている。【選択図】図４
2007132761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体内部の被測定部位に測定光を照射してこの測定光によって被測定部位から生じる信号光の情報だけを検出する共焦点型信号光検出装置であって、
一端から上記被測定部位に対して上記測定光を照射するとともに当該一端から上記信号光を含めた反射光を受光する光ファイバと、
上記測定光および上記反射光を集束するレンズと、
上記光ファイバの一端および上記レンズとの相対位置を固定することにより共焦点を保持するホルダーと、
上記ホルダーを光軸方向に所定の距離移動させることにより上記光ファイバによる測定光の焦点位置を変更する移動手段と、
上記光ファイバの反射光の光強度を測定する光検出器とを備え、
上記測定光の焦点位置を光軸方向に移動させた場合の反射光の光強度変化に基づいて上記信号光の相対的な光強度を抽出する信号光抽出手段が設けられていることを特徴とする共焦点型信号光検出装置。
【請求項２】
上記信号光抽出手段は、上記測定光の焦点位置を所定位置に合わせた場合における反射光の光強度と、上記測定光の焦点位置をこの所定位置から光軸方向に外れた位置に合わせた場合における反射光の光強度との差分に基づいて、上記信号光の相対的な光強度を抽出するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の共焦点型信号光検出装置。
【請求項３】
上記信号光抽出手段は、上記測定光の焦点位置を移動させた場合の反射光の光強度変化率を算出することにより上記信号光の相対的な光強度を抽出するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の共焦点型信号光検出装置。
【請求項４】
上記信号光抽出手段は、抽出された信号光の相対的光強度を増幅するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の共焦点型信号光検出装置。
【請求項５】
上記移動手段による上記ホルダーの移動距離は、上記測定光を上記被測定対象物の表面に照射した場合の点像応答関数における略半値全幅であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の共焦点型信号光検出装置。
【請求項６】
上記移動手段は、光軸方向に沿った微小範囲で上記ホルダーを振動させるとともに、この振幅中心と被測定対象物との相対距離を光軸方向に上記微小範囲を超えて変更するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の共焦点型信号光検出装置。
【請求項７】
上記レンズの開口数は０．５以上に設定されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の共焦点型信号光検出装置。
【請求項８】
物体内部の被測定部位に測定光を照射してこの測定光によって被測定部位から生じる信号光の情報だけを上記測定光による物体内部の反射光の中から抽出する共焦点型信号光検出方法であって、
共焦点状態における上記測定光の焦点位置を所定位置に合わせた場合における反射光の光強度を測定する第１の反射光測定ステップと、この第１の反射光測定ステップにおける共焦点状態を維持しながら上記測定光の焦点位置を、この所定位置から光軸方向に所定の距離だけ外れた位置に合わせた場合における反射光の光強度を測定する第２の反射光測定ステップと、上記第１および第２の反射光測定ステップによって測定された反射光の光強度の光強度変化に基づいて上記信号光の相対的な光強度を抽出する信号光抽出ステップとを含むことを特徴とする共焦点型信号光検出方法。
【請求項９】
上記信号光抽出ステップでは、上記第１の反射光測定ステップによって測定された光強度と上記第２の反射光測定ステップによって測定された光強度との差分に基づいて、上記信号光の相対的な光強度を抽出することを特徴とする請求項８記載の共焦点型信号光検出方法。
【請求項１０】
上記第１および第２の反射光測定ステップとの間で上記共焦点状態を保ったまま上記反射光の測定を連続的に行い、上記信号光抽出ステップでは、上記測定光の焦点位置を移動させた場合の反射光の光強度変化率を算出することにより上記信号光の相対的な光強度を抽出することを特徴とする請求項８記載の共焦点型信号光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体内部に被測定部位が存在し、共焦点状態においてこの被測定部位に測定光を照射した場合に被測定部位から生じた信号光情報だけを抽出する共焦点型信号光検出装置および共焦点型信号光検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、共焦点型信号光検出装置は、物体の表面形状を非接触で計測する走査型共焦点顕微鏡等に利用されている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に記載の走査型共焦点顕微鏡は、光ファイバに光を入射させる入射光学系と、光ファイバ端面から出射する光を試料面上に集光させると同時に該試料面上からの反射光を上記光ファイバ端面に集光させ、該光ファイバに戻す共焦点型光学系と、この出射光および反射光を集束するレンズと、上記反射光を光ファイバから取り出す分岐光学系と、上記取出光を光検出器で電気信号に変換し信号処理する電気系を有し、上記分岐光学系から取り出される光量に基づいて、上記共焦点光学系の焦点位置に対する前記試料面のずれを検出する共焦点顕微鏡において、上記共焦点型光学系に面する前記光ファイバ端面を光軸方向に移動させるアクチュエータ手段を備え、このアクチュエータ手段によって光ファイバだけを光軸方向に移動させることにより、光ファイバ端面から出射される光の焦点合わせを行い、試料面の表面形状や段差等を観察するものとなされている。
【０００３】
このように顕微鏡として共焦点型信号光検出装置を用いた場合には、試料の表面上に出射光の焦点が合ったときに光検出器で最も強く反射光を受光することができるので、非常に高分解能で表面形状を計測することができるという点で優れている。
【特許文献１】特開平５−２０３４４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記この特許文献１に記載の共焦点顕微鏡では、物体（試料）の表面形状等を観察する上では優れているものの、物体内部の状態、例えば亀裂等を観察するのは難しいという問題があった。すなわち、この共焦点顕微鏡では、光ファイバからの出射光は物体内部に進入したとき散乱により大きく減衰するとともに被測定部位での反射係数が僅かであることなどから観察対象である信号光が極めて小さくなり、しかも上記出射光が物体内部で拡散して物体表面にこの拡散光が表れ、上記信号光とともに光ファイバの端面に入光し、この入光した反射光のうち、信号光が拡散光に埋没して的確に信号光を測定することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、この被測定部位から生じる信号光を的確に抽出し、相対的な信号光強度を測定可能な共焦点型信号光検出装置等を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、鋭意研究の結果、測定光の照射位置とレンズとの相対位置を固定した状態で光軸方向に上記照射位置を移動させても、物体表面に表れる拡散光強度がほとんど変わらないことを知見するに至り、この知見に着目して本発明を完成するに至ったものである。
【０００７】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明に係る共焦点型信号光検出装置は、物体内部の被測定部位に測定光を照射してこの測定光によって被測定部位から生じる信号光の情報だけを検出する共焦点型信号光検出装置であって、一端から上記被測定部位に対して上記測定光を照射するとともに当該一端から上記信号光を含めた反射光を受光する光ファイバと、上記測定光および上記反射光を集束するレンズと、上記光ファイバの一端および上記レンズとの相対位置を固定することにより共焦点を保持するホルダーと、上記ホルダーを光軸方向に所定の距離移動させることにより上記光ファイバによる測定光の焦点位置を変更する移動手段と、上記光ファイバの反射光の光強度を測定する光検出器とを備え、上記測定光の焦点位置を光軸方向に移動させた場合の反射光の光強度変化に基づいて上記信号光の相対的な光強度を抽出する信号光抽出手段が設けられていることを特徴とするものである。
【０００８】
この発明によれば、上記ホルダーによって光ファイバの一端および上記レンズの相対位置が固定されているので、このホルダーを光軸方向に移動させても略同一条件の共焦点状態を維持することができる。このように略同一条件の共焦点状態を維持した場合には、物体表面から放射される拡散光の光強度はこのホルダーの移動前後で略同一と考えられる。このため、上記測定光の焦点位置を光軸方向に移動させた場合の反射光の光強度変化に基づいて、すなわち光軸方向にずれた２点での光強度の差分や光強度の連続的変化の変化率を算出することにより、光ファイバの一端から受光される反射光の光強度から上記拡散光に基づく光強度成分を除去することができ、信号光に関する情報だけを抽出することができる。
【０００９】
すなわち、光ファイバで信号光を受信していない場合には、反射光内に信号光成分を含まないので、上記差分や変化率は０となる。一方、光ファイバで信号光を受信する境界では、移動手段によって共焦点状態を維持したまま焦点位置を移動させると、拡散光の光強度が略一定であるため、信号光成分だけによる影響が反射光の光強度に現れる。しかしながら、この信号光成分は微小であるため、このままでは拡散光成分に埋没して信号光に関する情報を抽出することができない。そこで、移動手段によるホルダーの移動前後での反射光の光強度の差分或いは微分（変化率）を算出することにより、拡散光成分が除去（ないしは無視）され、信号光の変化分或いは変化率が算出されて信号光の相対的光強度を抽出することができる。
【００１０】
つまり、この発明によれば、物体内部の被測定部位についても信号光の相対的光強度を抽出することができ、物体内部の形状等の状態を的確に把握することができる。
【００１１】
具体的には、例えば上記信号光抽出手段は、上記測定光の焦点位置を所定位置に合わせた場合における反射光の光強度と、上記測定光の焦点位置をこの所定位置から光軸方向に所定の距離だけ外れた位置に合わせた場合における反射光の光強度との差分に基づいて、上記信号光の相対的な光強度を抽出するように構成され、或いは、上記信号光抽出手段は、上記測定光の反射光の光強度の変化率を算出することにより上記信号光の相対的な光強度を抽出するように構成されているのがよい（請求項２，請求項３）。
【００１２】
上記信号光抽出手段は、上記信号光の相対的光強度をそのまま抽出してもよいが、抽出された信号光の相対的光強度を増幅するように構成されているのが好ましい（請求項４）。
【００１３】
すなわち、上記信号光の相対的光強度を抽出することができても、この相対的光強度は微小であるためこのままではノイズ等によって的確な測定が困難になる虞がある。ここで、この発明では信号光の相対的な光強度だけが抽出されるので、この信号光成分だけを増幅することができる。したがって、この信号光成分だけを増幅することによって、より的確に信号光の光強度に関する情報だけを抽出することができる。
【００１４】
この移動手段による上記ホルダーの移動距離は、特に限定されるものではなく、例えば上記測定光を被測定対象物の表面に照射した場合の点像応答関数における略半値半幅等であってもよいが、上記移動手段による上記ホルダーの移動距離は、上記測定光を被測定対象物の表面に照射した場合の点像応答関数における略半値全幅であるのが好ましい（請求項５）。
【００１５】
このように構成すれば、被測定部位以外の物体内部の部位に基づく反射光等の影響を抑制することができ、しかも物体内の減衰による影響を抑制しつつ、より正確な信号光の相対的光強度を検出することができる。
【００１６】
この発明において、上記移動手段は、光軸方向に沿った微小範囲で上記ホルダーを振動させるとともに、この振幅中心と被測定対象物との相対距離を光軸方向に上記微小範囲を超えて変更するように構成されているのが好ましい（請求項６）。なお、上記移動手段はホルダーを振動させる振動手段と、上記微小範囲を超えてホルダーを移動させるスライド手段とを一体で構成されるものであってもよいし、別体として構成されるものであってもよい。
【００１７】
このように構成すれば、微小振動させながら物体内部の各深さ（光軸方向の長さ）における信号光の相対的光強度を抽出することができ、信号光を発する被測定部位の物体表面からの深さを測定することができる。
【００１８】
上記レンズの開口数は特に限定されるものではないが、レンズの開口数は、０．５以上に設定されるのが好ましい（請求項７）。
【００１９】
このように構成すれば、半値全幅を狭くすることができ、移動手段によるホルダーの移動距離を短くしつつ、可及的大きな信号光の相対的光強度を抽出することができる。
【００２０】
また、この発明に係る共焦点型信号光検出方法は、物体内部の被測定部位に測定光を照射してこの測定光によって被測定部位から生じる信号光の情報だけを上記測定光による物体内部の反射光の中から抽出する共焦点型信号光検出方法であって、共焦点状態における上記測定光の焦点位置を所定位置に合わせた場合における反射光の光強度を測定する第１の反射光測定ステップと、この第１の反射光測定ステップにおける共焦点状態を維持しながら上記測定光の焦点位置を、この所定位置から光軸方向に所定の距離だけ外れた位置に合わせた場合における反射光の光強度を測定する第２の反射光測定ステップと、上記第１および第２の反射光測定ステップによって測定された反射光の光強度の光強度変化に基づいて上記信号光の相対的な光強度を抽出する信号光抽出ステップとを含むことを特徴とするものである（請求項８）。
【００２１】
これらの発明によっても、上記共焦点型信号光検出装置と同様に、信号光の相対的な光強度を確実に抽出することができる。
【００２２】
具体的には、上記信号光抽出ステップでは、上記第１の反射光測定ステップによって測定された光強度と上記第２の反射光測定ステップによって測定された光強度との差分に基づいて、上記信号光の相対的な光強度を抽出したり（請求項９）、或いは、上記第１および第２の反射光測定ステップとの間で上記共焦点状態を保ったまま上記反射光の測定を連続的に行い、上記信号光抽出ステップでは、上記測定光の焦点位置を移動させた場合の反射光の光強度変化率を算出することにより上記信号光の相対的な光強度を抽出したりする（請求項１０）ことにより行う。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の共焦点型信号光検出装置等によれば、移動手段によるホルダーの移動に伴う測定光の焦点位置の移動前後で略同一条件の共焦点状態を維持することができ、これによりこの移動前後における拡散光等の信号光以外の光の光強度を略一定にすることができる。したがって、この移動前後の反射光の光強度変化に基づいて拡散光等による光強度成分を除去等することができ、信号光に関する情報だけを抽出することができるという利点がある。このため、例えばこの共焦点型信号光検出装置を共焦点顕微鏡として利用すれば、この相対的光強度に基づき、物体内部の被測定部位、例えば内部亀裂等を観察することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は、共焦点型信号光検出装置を示す概略図である。
【００２５】
共焦点型信号光検出装置３は、物体内部の被測定部位に測定光を照射してこの測定光が被測定部位で反射されることによって生じる信号光の情報（相対的な光強度）だけを拡散光を含めた反射光から抽出するものである。当実施形態では、被測定対象物Ａ内に測定光を照射して亀裂などの被測定部分Ａ１で反射された信号光を検出することによってこの被測定部分Ａ１の位置を検出するための位置検出装置として構成されている。
【００２６】
具体的には、この共焦点型信号光検出装置３は、被測定対象物Ａを載置固定する台座部４と、被測定対象物Ａに対して測定光を照射するとともに共焦点状態においてこの測定光による反射光を受光する共焦点光学システム５と、この共焦点光学システム５によって検出された反射光を測定するとともにこの反射光の光強度に基づいて信号光の相対的強度を抽出する測定装置７とを備える。
【００２７】
台座部４は、移動装置９に支持され、前後左右に移動可能に構成されるとともに、上下に昇降可能に構成されている。したがって、移動装置９を駆動させることによりこの台座部４を移動させることができ、これにより、測定光の焦点位置を図１におけるＸ，Ｙ方向だけでなくＺ方向（光軸方向）にも移動させることができる。すなわち、この移動装置９は、被測定対象物Ａとホルダー５７の相対距離および位置を各軸に沿って変更するものであり、その移動距離は後述する焦点深度よりも大きく設定されている。
【００２８】
共焦点光学システム５は、上記測定光を被測定対象物Ａに照射するとともに、この測定光による反射光を上記測定光の照射位置で受光するように構成され、この照射・受光部が後述する光ファイバ５１の一端面で構成されることにより共焦点状態が形成され、測定光の焦点位置での受光量が大きくなるように構成されている。具体的には、この共焦点光学システム５は、カプラ５５を介在させることによって分岐形成された光ファイバ５１と、この光ファイバ５１の一端部５１ａに配設されたヘッド５２と、光ファイバ５１の分岐端部の一方５１ｂに接続された光源部５３とを備え、光ファイバ５１の分岐端部の他方５１ｃに測定装置７が接続されている。そして、共焦点光学システム５は、光源部５３において生じた測定光が光ファイバ５１を通じてその一端部５１ａの端面から上記被測定対象物Ａに照射されるとともに、この測定光による反射光を当該光ファイバ５１の一端部５１ａの端面において受光しカプラ５５で分光されて測定装置７に導くものとなされている。
【００２９】
光ファイバ５１は、コアの周囲にクラッド層および被覆部が設けられた公知の可撓性を有するファイバである。この光ファイバ５１は、図１において省略されているが、比較的長尺に形成されている。したがって、この光ファイバ５１の一端部５１ａに設けられたヘッド５２は、光源部５３や測定装置７に対して比較的自由に移動できるように構成されている。この光ファイバ５１の一端部５１ａは、ヘッド５２の後述するハウジング５６の上面壁を貫通して端面がその内部に配置された状態でヘッド５２の後述するホルダー５７にその一端面を下方（被測定対象物Ａ方向）に指向させた状態で固定されている。
【００３０】
ヘッド５２は、光ファイバ５１の一端部５１ａを保持するとともに、この光ファイバ５１から照射される測定光およびこの測定光による反射光を集束させるための対物レンズ５８を保持するものであり、この光ファイバ５１の一端部５１ａの端面と対物レンズ５８との相対位置を固定した状態で両者５１，５８を測定光の上下方向に、すなわち光軸方向に沿って振動させる振動機構５９が設けられている。
【００３１】
具体的には、ヘッド５２は、光軸方向の一方側（図１では下方）が開口された有底円筒状のハウジング５６と、ハウジング５６の上面壁に配設された振動機構５９と、この振動機構５９によって光軸方向に振動されるホルダー５７と、このホルダー５７に保持された対物レンズ５８とを備え、ホルダー５７に光ファイバ５１の端部５１ａが固定されることによりこの光ファイバ５１と対物レンズ５８との相対位置が固定されて共焦点状態が維持されるとともに、このホルダー５７を後述する所定の振幅（位置Ｆ１と位置Ｆ２との間）で振動機構５９によって振動させることにより上記共焦点状態を維持したまま振動させるように構成されている。なお、図１ではこの振幅は、説明の便宜上比較的大きく記載されているが、実際は後述のように微小距離に設定されている。
【００３２】
ホルダー５７は、断面略Ｕ字状に形成され、上部に光ファイバ５１の一端部５１ａが挿通固定されるとともに、この光ファイバ５１の一端部５１ａの端面から離間させた状態で、その側部の内周で対物レンズ５８が保持されている。このホルダー５７は、ハウジング５６の上面壁に光軸方向（図１では下方）に突出するガイドレール６０に上下移動可能に支持されている。なお、このガイドレール６０は適宜省略することができるが、ホルダー５７を光軸方向に沿って的確に振動させるためには該ガイドレール６０が設けられるのが好ましい。
【００３３】
対物レンズ５８は、上記したように、光ファイバ５１の一端部５１ａの端面から照射される測定光を集束するとともに、この測定光による反射光を集束して光ファイバ５１の一端部５１ａの端面に受光させるものである。この対物レンズ５８の開口数は、特に限定されるものではないが、このレンズ５８によって集束される測定光による信号光の点像応答関数の半値全幅を狭くするには、０．５以上に設定されるのが好ましく、一方、この開口数が大きすぎると焦点深度も浅くなることから、例えば０．５〜１．０の範囲内で設定されるのが好ましい。このように信号光の半値全幅を狭くすると、次述する振動機構５９の振幅も小さくすることができ、この振動機構５９をコンパクトに形成することができる。
【００３４】
振動機構５９は、圧電素子を用いてプローブ（不図示）を上下（光軸方向）に振動させるように構成されるとともに、このプローブがホルダー５７に接続されることにより該ホルダー５７をガイドレール６０に沿って一定の周期で光軸方向に沿って振動させるように構成されている。このホルダー５７が振動すると、図２に示すように、測定光の焦点位置Ｆも振動する。この焦点位置Ｆの振幅中心Ｚｐは、上記移動装置９によって台座部４が上下方向に移動することにより光軸に沿って移動する。すなわち、この測定光の焦点位置Ｆは振幅中心Ｚｐの移動に伴って移動するとともに、この振幅中心Ｚｐの移動に伴って移動する最上点Ｆ１と最下点Ｆ２との間をホルダー５７が振動するものとなされている。
【００３５】
この振動機構５９によるホルダー５７の振動周期は、特に限定されるものではないが、後述する増幅器７２としてロックインアンプを用いるために適当な範囲に設定されている。また、この振動機構５９による振幅ａは、焦点深度ｄｆ（図２参照）を考慮して適宜設定される。すなわち、後述するように、この測定装置７ではこの振幅ａにおける最上点Ｆ１と最下点Ｆ２（図２参照）とにおける反射光の光強度の差分に基づいて信号光の相対的な光強度を抽出するように構成されている。したがって、この振幅ａを大きくして反射光に信号光が含まれる点と反射光に信号光が全く含まれない点との光強度の差分を算出すれば、この差分が顕著に表れる。しかしながら、この差分を大きくとるために、振動機構５９による振幅を大きくし過ぎると、被測定対象物Ａの内部の部位Ａ１以外の部分に測定光が反射されて信号光が生じる場合があり、また測定光の減衰による影響を受けやすくなる虞がある。したがって、この振幅ａは、測定光の焦点深度ａｆを僅かに上回る値に設定されるのが好ましい。
【００３６】
なお、図示していないが、ヘッド５２は、反射光の測定時は接地されて地面に対する相対位置が固定されるように構成されている。このようにヘッド５２を固定することにより被測定対象物Ａとホルダー５７との相対位置を可及的正確に変化させることができ、これにより的確に反射光の測定が可能となる。
【００３７】
光源部５３は、光源により発生した測定光を光ファイバ５１に入光させることができるように構成された公知の光源部である。例えば、この光源部５３は、発光ダイオードや各種レーザ等によって構成された光源から測定光を発生させて干渉フィルタ等を通過させ、集光レンズで光ファイバ５１の分岐端部の一方５１ｂに入光させるように構成されている。この光源部５３は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光が照射されるように構成されている。なお、この光源部５３は、出力する測定光の波長を調整可能に構成されているものであってもよく、この場合には、被測定対象物Ａの素材等に応じて測定光の波長を適宜変更することができる。
【００３８】
一方、測定装置７は、光信号を電気信号に変換するフォトディテクタ（光検出器）７１と、この電気信号を増幅する増幅器７２と、この増幅された信号から信号光に関する情報だけを抽出する信号光抽出装置７５とを備え、光ファイバ５１の分岐端部の他方５１ｃから入光した反射光がフォトディテクタ７１で電気信号に変換され、この電気信号が増幅器７２で増幅されるように構成されている。増幅器７２は、いわゆるロックインアンプ機能を有し、微弱信号を拾いこの信号を増幅可能に構成されている。
【００３９】
この増幅器７２には、上記したように、増幅された電気信号から信号光に関する情報だけを抽出する信号光抽出装置７５が接続されている。この信号光抽出装置７５は、図示を省略するが、ＣＰＵ、メモリ、インターフェース、並びにこれらのユニットを接続するバスを有している。この信号光抽出装置７５のメモリには、各種データやプログラム等が記憶されており、ＣＰＵがこれらのデータやプログラム等を実行することによって、上記移動装置９を制御して台座部４を移動させるとともに、振動機構５９を作動させて互いに異なる位相（当実施形態では最上点と最下点）における反射光の光強度をメモリに記憶して、両者の差分を算出することにより信号光の相対的な光強度を抽出するように構成されている。すなわち、この信号光抽出装置７５は、移動装置９の制御手段と、振動機構５９の制御手段と、信号光の相対的な光強度を算出するための算出手段とを機能的に有している。
【００４０】
なお、この信号光抽出装置７５は、これらの各機能を発揮するために必要な各種センサ等が接続されている。また、信号光抽出装置７５は、各種設定やデータを入力するためのキーボード等の入力手段（図示省略）が設けられているとともに、信号光の相対的な光強度に関する情報を表示するための表示手段７６（例えば液晶ディスプレイ、ＣＲＴ等）が設けられている。
【００４１】
具体的には、信号光抽出装置７５は、振動機構５９によってホルダー５７を振動させてこの振幅の最上点および最下点における反射光の光強度を測定装置７から読み出して、各光強度をメモリに記憶させる。そして、この信号光抽出装置７５は、上記メモリに記憶されている各光強度を呼び出して両者の差分を算出するように構成され、振幅中心が所定の位置（深さ）にある場合のこの振幅中心における信号光の相対的な光強度を抽出するように構成されている。
【００４２】
また、この信号光抽出装置７５は、移動装置９および振動機構５９の動作を制御するように構成され、移動装置９による台座部４の移動と、振動機構５９によるホルダー５７との振動とを同期させるように構成されている。すなわち、信号光抽出装置７５は、振動機構５９を動作せるとともに、この振動機構５９の動作に伴って移動装置９を駆動して、台座部４を光軸方向に移動させるように構成されている。
【００４３】
そして、移動装置９によって台座部４がＺ軸方向に移動されることにより、被測定対象物Ａの深さ方向（光軸方向）にわたって信号光の相対的強度分布を測定するように構成されている。この信号光抽出装置７５の具体的作用は、信号光抽出方法とともに次述する。
【００４４】
次に、上記構成の共焦点型信号光検出装置３を用いて信号光の相対的な光強度を検出する信号光検出方法について、図３および図４を用いて説明する。図３は、測定光の点像応答関数を示すグラフである。また、図４（ａ）は被測定対象物内の反射率を、測定光の点像応答関数とともに示すグラフであり、図４（ｂ）は測定装置で検出される光強度であって、上記測定光の焦点位置を所定位置（位置Ｆ１）に合わせた場合における反射光の光強度と、上記測定光の焦点位置をこの所定位置から光軸方向に外れた位置（位置Ｆ２）に合わせた場合における反射光の光強度との光軸方向の各変化を示すグラフであり、図４（ｃ）は上記各反射光の光強度の差分値を示すグラフである。
【００４５】
ところで、上記のように被測定対象物Ａ内に測定光を照射すると、この対象物Ａ内で測定光はそのほとんどが散乱されて散乱光としての迷光を生じるとともに、直進光が被測定部分Ａ１で反射されて信号光を生じる。この信号光は、上記散乱光とともに被測定対象物Ａの表面に表れ、当該散乱光とともに光ファイバ５１の一端部５１ａの端面に入光される。この信号光は上記迷光に比べて極めて小さいので、このままでは信号光を抽出するのは困難である。そこで、上記共焦点型信号光検出装置３を用いてこの信号光の相対的な光強度を抽出するようにしている。
【００４６】
具体的には、まず台座部４に被測定対象物Ａを配置して固定する。そして、移動装置９を駆動して被測定部分Ａ１が光ファイバ５１の光軸上に配置されるように台座部４をＸＹ平面内で移動させる。次に、移動装置９を駆動して台座部４をＺ軸方向に移動し、測定光の焦点位置Ｆの振動機構５９による振幅中心Ｚｐを被測定対象物Ａの所定深さｚ０に配置する。これらの一連の作業においては、目視により、或いはこれらの操作に必要な情報が表示手段７６に表示されることにより行われる。
【００４７】
上記準備が完了して信号光検出装置３の測定開始スイッチ（不図示）を押圧することにより、光源部５３から光ファイバ５１にレーザ光としての測定光が照射され、この測定光が光ファイバ５１の一端部５１ａの端面から被測定対象物Ａに対して照射される。また、同時に光ファイバ５１の一端部５１ａおよび対物レンズ５８を保持しているホルダー５７が振動機構５９によって振動され往復運動を始める。この振動機構５９の往復運動により、図２に示すように、測定光の焦点位置Ｆも所定位置Ｚｐを中心に位置Ｆ１と位置Ｆ２との間を振幅ａで往復運動し、図３に示すように、この測定光による点像応答関数も関数ｈ１と関数ｈ２との間で光軸方向に沿ってスライド往復する。ここで、点像応答関数ｈ１は、ホルダー５７が最上点Ｆ１にある場合の測定光の点像応答関数であり、点像応答関数ｈ２は、ホルダー５７が最下点Ｆ２にある場合の測定光の点像応答関数である。なお、この図３（ａ）では、点像応答関数の縦軸が光強度ではなく、減衰率等を含めた光強度を示した検出効率として示されている。
【００４８】
この被測定対象物Ａに入射された測定光は、図４（ａ）に示すように、所定の反射率で反射される。この反射率は被測定部分Ａ１が存在する、位置ｚ２から位置ｚ４の間で大きくなっている。すなわち、測定光は、その焦点位置Ｆが被測定部分Ａ１にある場合に、一部が信号光として反射されるとともに、大半が被測定対象物Ａ内に進入することにより拡散され、一方、その焦点位置Ｆが被測定部分Ａ１から外れている場合に、被測定対象物Ａ内に進入することにより拡散される。これらの信号光および拡散光は、反射光として被測定対象物Ａ内の表面に表れ、この反射光が光ファイバ５１の端面に入光し、測定装置７でその光強度が検出される。
【００４９】
より具体的には、振動機構５９による振動が開始されると、測定装置７において反射光の光強度を連続的に測定し、測定光の焦点位置が最上点Ｆ１にある場合の反射光の光強度を信号光抽出装置７５が測定装置７から読み出して、この信号光抽出装置７５のメモリにその光強度を記憶させる（第１の反射光測定ステップ）。例えば、測定光の焦点位置Ｆの振幅中心Ｚｐが、図４（ａ）に示す位置ｚ２にある場合に、図４（ｂ）に示すように、反射光の光強度はＰ１で示される値になり、この値Ｐ１を信号光抽出装置７５のメモリに記憶させる。
【００５０】
続いて、測定光の焦点位置が最下点Ｆ２にある場合の反射光の光強度を信号光抽出装置７５が測定装置７から読み出して、この信号光抽出装置７５のメモリにその光強度を記憶させる（第２の反射光測定ステップ）。例えば、測定光の焦点位置Ｆの振幅中心Ｚｐが、図４（ａ）に示す位置ｚ２にある場合に、図４（ｂ）に示すように、反射光の光強度はＰ２で示される値になり、この値Ｐ２を信号光抽出装置７５のメモリに記憶させる。なお、第１の反射光測定ステップと第２の反射光測定ステップとが時系列的に逆になってもよいことはいうまでもない。
【００５１】
そして、この信号光抽出装置７５において、上記最上点Ｆ１の反射光の光強度Ｐ１と、最下点Ｆ２の反射光の光強度Ｐ２との差分を算出して信号光の相対的な光強度を抽出する（信号光抽出ステップ）。上記例では、図４（ｃ）に示されるように、信号光抽出装置７５が差分値（Ｐ２−Ｐ１）を算出し、この値（Ｐ２−Ｐ１）を信号光抽出装置７５のメモリに記憶させる。
【００５２】
一方、信号光検出装置３は、振動機構５９によるホルダー５７の振動が開始されると、同時に移動装置９が駆動して台座部４を上昇させ、これにより測定光の焦点位置ＦがＺ軸方向に移動するように構成されている。したがって、移動装置９を駆動させることにより、測定光の焦点位置Ｆの振幅中心Ｚｐが位置ｚ０からｚ６方向に移動し、振幅中心Ｚｐが被測定対象物Ａの深さ方向の各点（ｚ０〜ｚ６）にある場合の最上点Ｆ１の反射光の光強度および最下点Ｆ２の反射光の光強度がそれぞれ測定されるとともに、これらの差分値が算出される。この反射光の光強度変化は図４（ｂ）に示す。この図４（ｂ）において、焦点位置Ｆが最上点Ｆ１にある場合の光強度の変化を実線で示し、焦点位置Ｆが最下点Ｆ２にある場合の光強度の変化を二点鎖線で示している。
【００５３】
この図４（ｂ）では、説明の便宜上光強度変化を明確に示しているが、実際は極めて微小であり、これだけでは信号光による変化が拡散光に埋没してその測定は極めて困難である。ここで、この信号光抽出装置７５では、共焦点状態を維持したままホルダー５７を振動させているので、反射光の光強度に含まれる拡散光成分は振動経路のどの点でも略一定であると考えられる。したがって、共焦点状態を維持しつつホルダー５７を振動させて、図４（ｃ）に示すように各反射光の光強度の差分を算出することにより、拡散光による光強度成分を除去することができ、信号光の光強度変化、すなわち、信号光の相対的な光強度だけを抽出することができる。そして、この相対的な光強度だけを増幅すれば、この信号光の相対的な光強度だけを明確に測定することができる。
【００５４】
すなわち、上記共焦点型信号光検出装置３および信号光検出方法によれば、ホルダー５７によって光ファイバ５１の一端および対物レンズ５８の相対位置が固定されているので、このホルダー５７を光軸方向に移動させても略同一条件の共焦点状態を維持することができる。このように略同一条件の共焦点状態を維持した場合には、被測定対象物Ａの表面から放射される拡散光の光強度はこのホルダー５７の移動前後で略同一と考えられる。このため、上記測定光の焦点位置Ｆを光軸方向に振動させた場合の光強度変化に基づき、すなわち測定光の焦点位置Ｆが位置Ｆ１にある場合の反射光の光強度と、測定光の焦点位置Ｆが位置Ｆ２にある場合の反射光の光強度との差分を算出することにより、光ファイバ５１の一端から受光される反射光の光強度から拡散光に基づく光強度成分を除去することができ、信号光に関する情報だけを抽出することができる。
【００５５】
すなわち、光ファイバ５１で信号光を受信していない場合には、反射光内に信号光成分を含まないので、上記差分は図４（ｃ）に示すように、０となる。一方、光ファイバ５１で信号光を受信する境界では、振動機構５９によって焦点位置Ｆを移動させると、共焦点状態を維持しているため、信号光成分だけによる影響が反射光の光強度に現れる。しかしながら、この信号光成分は微小であるため、このままでは拡散光成分に埋没して信号光に関する情報を抽出することができない。そこで、ホルダー５７の移動前後での反射光の光強度の差分を算出することにより、拡散光成分が除去され、信号光の変化分が算出されて信号光の相対的光強度を抽出することができる。
【００５６】
つまり、この装置３および方法によれば、物体内部の被測定部分Ａ１についても信号光の相対的光強度を抽出することができ、これにより被測定対象物Ａ内の亀裂等を的確に把握することができる。
【００５７】
また、ヘッド５２が光ファイバ５１を介して測定装置７や光源部５３に接続されているので、ヘッド５２を大きく移動させる場合であってもその移動を容易に行うことができる。
【００５８】
なお、以上に説明した共焦点型信号光検出装置３は、本発明に係る装置の一実施形態であって、装置の具体的構成等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であり、変形例を以下に説明する。
【００５９】
（１）上記実施形態では、振動機構５９によってホルダー５７を振動させ、測定光の焦点位置Ｆが位置Ｆ１と位置Ｆ２とにある場合の反射光の光強度を測定、抽出してこの反射光の光強度の差分に基づいて信号光の相対的な光強度を算出するものとなされているが、例えば上記光強度変化のいずれか一方の光強度変化の微分値を算出することにより、信号光の相対的な光強度を算出することができる。この場合、上記振動機構５９を省略して、移動装置９によって台座部４を所定の振幅で反復運動させることにより、ロックインアンプ方式で反射光の光強度を測定することができる。
【００６０】
（２）上記実施形態では、移動装置９によって台座部４を移動させることにより、ヘッド５２と被測定対象物Ａとの相対位置を変更するものとなされているが、移動装置によってヘッド５２をＸ，Ｙ，Ｚ軸に沿って移動させるものであってもよい。
【００６１】
（３）上記実施形態では、測定光を照射して被測定部分Ａ１によって反射された反射光を信号光としているが、被測定対象物Ａによっては測定光として励起光を照射し、被測定対象部分によって生じた蛍光を信号光とするものであってもよい。この場合には、図５に示すように、光ファイバ５１の分岐端部の一方５１ｂの途中であって、光源部とカプラ５５との間に特定波長の励起光だけを測定光として抽出する励起フィルタ６５が設けられるとともに、光ファイバ５１の分岐端部の他方５１ｃの途中であって、測定装置とカプラ５５との間に蛍光だけを透過する吸収フィルタ６６が設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本実施形態に係る共焦点型信号光検出装置を示す概略図である。
【図２】振動機構による測定光の焦点位置変化を示す説明図である。
【図３】測定光の点像応答関数を示す説明図である。
【図４】光軸方向の座標と、被測定対象物内の反射率や反射光の光強度等との関係を示す図である。
【図５】共焦点型信号光検出装置の変形例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６３】
Ａ  被測定対象物
Ａ１  被測定部分
３  共焦点型信号光検出装置
５  共焦点光学システム
７  測定装置
９  移動装置（移動手段の一例に相当）
５１  光ファイバ
５２  ヘッド
５３  光源部
５７  ホルダー
５８  対物レンズ
５９  振動機構（移動手段の一例に相当）
７１  フォトディテクタ
７２  増幅器
７５  信号光抽出装置
【図１】
2007132761.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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