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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024063351
(43)【公開日】2024-05-13
(54)【発明の名称】観察装置および観察方法
(51)【国際特許分類】
G02B 27/52 20060101AFI20240502BHJP
G02B 21/06 20060101ALI20240502BHJP
G02B 21/36 20060101ALI20240502BHJP
G02B 21/18 20060101ALI20240502BHJP
G02F 1/11 20060101ALI20240502BHJP
G01N 21/45 20060101ALI20240502BHJP
G01N 15/1434 20240101ALI20240502BHJP
G02F 1/01 20060101ALI20240502BHJP
【ＦＩ】
G02B27/52
G02B21/06
G02B21/36
G02B21/18
G02F1/11 503
G01N21/45 A
G01N15/14 D
G02F1/01 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022171221
(22)【出願日】2022-10-26
(71)【出願人】
【識別番号】000236436
【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140442
【弁理士】
【氏名又は名称】柴山 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100110582
【弁理士】
【氏名又は名称】柴田 昌聰
(72)【発明者】
【氏名】藤森 勇気
(72)【発明者】
【氏名】安彦 修
(72)【発明者】
【氏名】山田 秀直
【テーマコード（参考）】
2G059
2H052
2K102
【Ｆターム（参考）】
2G059AA02
2G059BB06
2G059DD12
2G059EE02
2G059EE09
2G059FF01
2G059GG01
2G059JJ22
2G059JJ30
2G059KK04
2G059MM01
2H052AB01
2H052AB24
2H052AB26
2H052AC05
2H052AC16
2H052AC18
2H052AC34
2H052AF04
2H052AF14
2H052AF25
2K102AA30
2K102BA05
2K102BA07
2K102BC07
2K102BD09
2K102DA01
2K102DB04
2K102DC08
2K102EA21
2K102EB02
2K102EB08
2K102EB10
2K102EB20
2K102EB22
2K102EB26
(57)【要約】
【課題】移動している観察対象物を安価な構成で容易に観察することができる装置および方法を提供する。
【解決手段】観察装置１は、光源１１、分岐部１２、合波部１５、第１変調部２１、第２変調部２２、撮像部２３および処理部２４等を備える。第１変調部２１は、ミラー１３から到達した第１分岐光Ｌ１を入力し、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光Ｌ１を変調し、その周波数変調後の第１分岐光Ｌ１を出力する。レンズ３１～３３は、第１変調部２１により変調された第１分岐光Ｌ１を変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射する。撮像部２３は、観察対象物Ｓの像が形成される撮像面（Ｐ３面）において、第１分岐光Ｌ１による観察対象物Ｓの像の移動方向と交差する方向に１次元配列された複数の画素を有する。撮像部２３は、合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する。
【選択図】図１
【解決手段】観察装置１は、光源１１、分岐部１２、合波部１５、第１変調部２１、第２変調部２２、撮像部２３および処理部２４等を備える。第１変調部２１は、ミラー１３から到達した第１分岐光Ｌ１を入力し、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光Ｌ１を変調し、その周波数変調後の第１分岐光Ｌ１を出力する。レンズ３１～３３は、第１変調部２１により変調された第１分岐光Ｌ１を変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射する。撮像部２３は、観察対象物Ｓの像が形成される撮像面（Ｐ３面）において、第１分岐光Ｌ１による観察対象物Ｓの像の移動方向と交差する方向に１次元配列された複数の画素を有する。撮像部２３は、合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
移動している観察対象物を観察する装置であって、
光を出力する光源と、
前記光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐部と、
互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する第１変調部と、
前記第１変調部により変調された前記第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って前記観察対象物に照射する照射部と、
前記観察対象物を通過した後の前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波部と、
前記観察対象物の像が形成される撮像面において前記観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有し、これら複数の画素により前記合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像部と、
前記撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される前記１次元干渉画像の時系列データに基づいて、前記複数の変調周波数に対応する前記観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて前記観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理部と、
を備える観察装置。
光を出力する光源と、
前記光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐部と、
互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する第１変調部と、
前記第１変調部により変調された前記第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って前記観察対象物に照射する照射部と、
前記観察対象物を通過した後の前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波部と、
前記観察対象物の像が形成される撮像面において前記観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有し、これら複数の画素により前記合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像部と、
前記撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される前記１次元干渉画像の時系列データに基づいて、前記複数の変調周波数に対応する前記観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて前記観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理部と、
を備える観察装置。
【請求項2】
前記分岐部と前記第１変調部との間の前記第１分岐光の光路上、または、前記分岐部と前記合波部との間の前記第２分岐光の光路上に設けられ、前記第１分岐光と前記第２分岐光との間に周波数差を与える第２変調部を更に備える、
請求項１に記載の観察装置。
請求項１に記載の観察装置。
【請求項3】
前記第１変調部は、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含み、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を前記音響光学素子に与えるとともに、前記音響光学素子に前記第１分岐光を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で前記第１分岐光を変調する、
請求項１または２に記載の観察装置。
請求項１または２に記載の観察装置。
【請求項4】
前記第１変調部は、ラマンナス回折により光を周波数変調する音響光学素子を含み、単一の周波数のＲＦ信号を前記音響光学素子に与えるとともに、前記音響光学素子に前記第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する、
請求項１または２に記載の観察装置。
請求項１または２に記載の観察装置。
【請求項5】
前記第１変調部は、互いに異なる複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録された板状物体を含み、前記板状物体を移動させるとともに、前記板状物体に前記第１分岐光を通過させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する、
請求項１または２に記載の観察装置。
請求項１または２に記載の観察装置。
【請求項6】
前記第１変調部は、位相変調型の空間光変調器を含み、前記空間光変調器の変調面の領域によって互いに異なる速さで位相変調量を変化させるとともに、前記空間光変調器の変調面に前記第１分岐光を入射させることで、前記空間光変調器の変調面の各領域の位相変調量の変化の速さに応じた変調周波数で前記第１分岐光を変調する、
請求項１または２に記載の観察装置。
請求項１または２に記載の観察装置。
【請求項7】
前記第１変調部は、強度変調型の空間光変調器を含み、前記空間光変調器の変調面の所定方向に沿った強度変調量分布を、互いに異なる複数の空間周波数成分を有するものとし、前記空間光変調器の変調面において前記強度変調量分布を前記所定方向に移動させるとともに、前記空間光変調器の変調面に前記第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する、
請求項１または２に記載の観察装置。
請求項１または２に記載の観察装置。
【請求項8】
前記観察対象物の移動経路上の前記第１分岐光の照射位置を検出する照射位置検出部と、
前記照射位置検出部により検出された照射位置に基づいて、前記撮像部の前記複数の画素により前記合波光を受光することができるように前記観察対象物から前記撮像部までの光学系または前記撮像部の位置を制御する制御部と、
を更に備える請求項１または２に記載の観察装置。
前記照射位置検出部により検出された照射位置に基づいて、前記撮像部の前記複数の画素により前記合波光を受光することができるように前記観察対象物から前記撮像部までの光学系または前記撮像部の位置を制御する制御部と、
を更に備える請求項１または２に記載の観察装置。
【請求項9】
移動している観察対象物を観察する方法であって、
分岐部を用いて、光源から出力された光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐ステップと、
第１変調部を用いて、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する第１変調ステップと、
前記第１変調部により変調された前記第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って前記観察対象物に照射する照射ステップと、
合波部を用いて、前記観察対象物を通過した後の前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波ステップと、
前記観察対象物の像が形成される撮像面において前記観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有する撮像部を用いて、これら複数の画素により前記合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像ステップと、
前記撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される前記１次元干渉画像の時系列データに基づいて、前記複数の変調周波数に対応する前記観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて前記観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理ステップと、
を備える観察方法。
分岐部を用いて、光源から出力された光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐ステップと、
第１変調部を用いて、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する第１変調ステップと、
前記第１変調部により変調された前記第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って前記観察対象物に照射する照射ステップと、
合波部を用いて、前記観察対象物を通過した後の前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波ステップと、
前記観察対象物の像が形成される撮像面において前記観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有する撮像部を用いて、これら複数の画素により前記合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像ステップと、
前記撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される前記１次元干渉画像の時系列データに基づいて、前記複数の変調周波数に対応する前記観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて前記観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理ステップと、
を備える観察方法。
【請求項10】
前記分岐部と前記第１変調部との間の前記第１分岐光の光路上、または、前記分岐部と前記合波部との間の前記第２分岐光の光路上に設けられた第２変調部を用いて、前記第１分岐光と前記第２分岐光との間に周波数差を与える第２変調ステップを更に備える、
請求項９に記載の観察方法。
請求項９に記載の観察方法。
【請求項11】
前記第１変調ステップにおいて、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む前記第１変調部を用いて、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を前記音響光学素子に与えるとともに、前記音響光学素子に前記第１分岐光を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で前記第１分岐光を変調する、
請求項９または１０に記載の観察方法。
請求項９または１０に記載の観察方法。
【請求項12】
前記第１変調ステップにおいて、ラマンナス回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む前記第１変調部を用いて、単一の周波数のＲＦ信号を前記音響光学素子に与えるとともに、前記音響光学素子に前記第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する、
請求項９または１０に記載の観察方法。
請求項９または１０に記載の観察方法。
【請求項13】
前記第１変調ステップにおいて、互いに異なる複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録された板状物体を含む前記第１変調部を用いて、前記板状物体を移動させるとともに、前記板状物体に前記第１分岐光を通過させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する、
請求項９または１０に記載の観察方法。
請求項９または１０に記載の観察方法。
【請求項14】
前記第１変調ステップにおいて、位相変調型の空間光変調器を含む前記第１変調部を用いて、前記空間光変調器の変調面の領域によって互いに異なる速さで位相変調量を変化させるとともに、前記空間光変調器の変調面に前記第１分岐光を入射させることで、前記空間光変調器の変調面の各領域の位相変調量の変化の速さに応じた変調周波数で前記第１分岐光を変調する、
請求項９または１０に記載の観察方法。
請求項９または１０に記載の観察方法。
【請求項15】
前記第１変調ステップにおいて、強度変調型の空間光変調器を含む前記第１変調部を用いて、前記空間光変調器の変調面の所定方向に沿った強度変調量分布を、互いに異なる複数の空間周波数成分を有するものとし、前記空間光変調器の変調面において前記強度変調量分布を前記所定方向に移動させるとともに、前記空間光変調器の変調面に前記第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する、
請求項９または１０に記載の観察方法。
請求項９または１０に記載の観察方法。
【請求項16】
前記観察対象物の移動経路上の前記第１分岐光の照射位置を検出し、この検出された照射位置に基づいて、前記撮像部の前記複数の画素により前記合波光を受光することができるように前記観察対象物から前記撮像部までの光学系または前記撮像部の位置を制御する、
請求項９または１０に記載の観察方法。
請求項９または１０に記載の観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、移動している観察対象物を観察する装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
特許文献１に、移動している観察対象物を観察する装置および方法の発明が開示されている。この文献に記載された観察装置は、光源から出力された光を分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、移動している観察対象物を経ることでドップラーシフトした第１分岐光と、光周波数をヘテロダイン周波数だけシフトさせた第２分岐光とを合波して、第１分岐光と第２分岐光とをヘテロダイン干渉させる。そして、この観察装置は、カメラの撮像面に到達した干渉光の強度画像（２次元干渉画像）の時系列データに基づいて、撮像面における第１分岐光の複素振幅画像の時系列データを取得することができる。この観察装置は、移動している観察対象物を非染色・非侵襲でイメージングすることができ、例えば、フローサイトメータで移動している細胞を観察するのに用いられ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開第２０１３／０６５７９６号
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】W. Choi, C. Fang-Yen, K.Badizadegan, S. Oh, N. Lue, R. R. Dasari, and M. S. Feld, "Tomographicphase microscopy," Nat Meth 4(9), 717-719 (2007).
【非特許文献2】Y. Sung, W. Choi, C. Fang-Yen, K.Badizadegan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, "Optical diffraction tomographyfor high resolution live cell imaging," Optics Express 17(1), 266 (2009).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に開示された発明をフローサイトメータに適用する場合を考えると、干渉光の強度画像を取得するカメラは、撮像面において複数の画素が２次元（例えば１２８０×８００）に配列されたエリアカメラであってフレームレートが高いもの（例えば２５ｋｆｐｓ）である必要がある。このようなカメラは非常に高価であり、それ故、観察装置も高価なものとなる。
【0006】
また、特許文献１に開示された発明では、観察対象物からカメラまでの光学系が特殊であることから、この光学系の調整が容易でなく、観察対象物の観察も容易でない。
【0007】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、移動している観察対象物を安価な構成で容易に観察することができる装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の観察装置は、移動している観察対象物を観察する装置である。
本発明の観察装置の第１態様は、(1) 光を出力する光源と、(2) 光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐部と、(3) 互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する第１変調部と、(4) 第１変調部により変調された第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って観察対象物に照射する照射部と、(5) 観察対象物を通過した後の第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波部と、(6) 観察対象物の像が形成される撮像面において観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有し、これら複数の画素により合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像部と、(7) 撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される１次元干渉画像の時系列データに基づいて、複数の変調周波数に対応する観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理部と、を備える。
本発明の観察装置の第１態様は、(1) 光を出力する光源と、(2) 光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐部と、(3) 互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する第１変調部と、(4) 第１変調部により変調された第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って観察対象物に照射する照射部と、(5) 観察対象物を通過した後の第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波部と、(6) 観察対象物の像が形成される撮像面において観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有し、これら複数の画素により合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像部と、(7) 撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される１次元干渉画像の時系列データに基づいて、複数の変調周波数に対応する観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理部と、を備える。
【0009】
本発明の観察装置の第２態様は、第１態様に加えて、分岐部と第１変調部との間の第１分岐光の光路上、または、分岐部と合波部との間の第２分岐光の光路上に設けられ、第１分岐光と第２分岐光との間に周波数差を与える第２変調部を更に備える。
【0010】
本発明の観察装置の第３態様では、第１態様または第２態様に加えて、第１変調部は、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含み、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、音響光学素子に第１分岐光を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で第１分岐光を変調する。
【0011】
本発明の観察装置の第４態様では、第１態様または第２態様に加えて、第１変調部は、ラマンナス回折により光を周波数変調する音響光学素子を含み、単一の周波数のＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、音響光学素子に第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する。
【0012】
本発明の観察装置の第５態様では、第１態様または第２態様に加えて、第１変調部は、互いに異なる複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録された板状物体を含み、板状物体を移動させるとともに、板状物体に第１分岐光を通過させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する。
【0013】
本発明の観察装置の第６態様では、第１態様または第２態様に加えて、第１変調部は、位相変調型の空間光変調器を含み、空間光変調器の変調面の領域によって互いに異なる速さで位相変調量を変化させるとともに、空間光変調器の変調面に第１分岐光を入射させることで、空間光変調器の変調面の各領域の位相変調量の変化の速さに応じた変調周波数で第１分岐光を変調する。
【0014】
本発明の観察装置の第７態様では、第１態様または第２態様に加えて、第１変調部は、強度変調型の空間光変調器を含み、空間光変調器の変調面の所定方向に沿った強度変調量分布を、互いに異なる複数の空間周波数成分を有するものとし、空間光変調器の変調面において強度変調量分布を所定方向に移動させるとともに、空間光変調器の変調面に第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する。
【0015】
本発明の観察装置の第７態様は、第１～第７の態様の何れかに加えて、(1) 観察対象物の移動経路上の第１分岐光の照射位置を検出する照射位置検出部と、(2) 照射位置検出部により検出された照射位置に基づいて、撮像部の複数の画素により合波光を受光することができるように観察対象物から撮像部までの光学系または撮像部の位置を制御する制御部と、を更に備える。
【0016】
本発明の観察方法は、移動している観察対象物を観察する方法である。
本発明の観察方法の第１態様は、(1) 分岐部を用いて、光源から出力された光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐ステップと、(2) 第１変調部を用いて、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する第１変調ステップと、(3) 第１変調部により変調された第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って観察対象物に照射する照射ステップと、(4) 合波部を用いて、観察対象物を通過した後の第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波ステップと、(5) 観察対象物の像が形成される撮像面において観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有する撮像部を用いて、これら複数の画素により合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像ステップと、(6) 撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される１次元干渉画像の時系列データに基づいて、複数の変調周波数に対応する観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理ステップと、を備える。
本発明の観察方法の第１態様は、(1) 分岐部を用いて、光源から出力された光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐ステップと、(2) 第１変調部を用いて、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する第１変調ステップと、(3) 第１変調部により変調された第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って観察対象物に照射する照射ステップと、(4) 合波部を用いて、観察対象物を通過した後の第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波ステップと、(5) 観察対象物の像が形成される撮像面において観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有する撮像部を用いて、これら複数の画素により合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像ステップと、(6) 撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される１次元干渉画像の時系列データに基づいて、複数の変調周波数に対応する観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理ステップと、を備える。
【0017】
本発明の観察方法の第２態様は、第１態様に加えて、分岐部と第１変調部との間の第１分岐光の光路上、または、分岐部と合波部との間の第２分岐光の光路上に設けられた第２変調部を用いて、第１分岐光と第２分岐光との間に周波数差を与える第２変調ステップを更に備える。
【0018】
本発明の観察方法の第３態様では、第１態様または第２態様に加えて、第１変調ステップにおいて、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む第１変調部を用いて、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、音響光学素子に第１分岐光を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で第１分岐光を変調する。
【0019】
本発明の観察方法の第４態様では、第１態様または第２態様に加えて、第１変調ステップにおいて、ラマンナス回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む第１変調部を用いて、単一の周波数のＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、音響光学素子に第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する。
【0020】
本発明の観察方法の第５態様では、第１態様または第２態様に加えて、第１変調ステップにおいて、互いに異なる複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録された板状物体を含む第１変調部を用いて、板状物体を移動させるとともに、板状物体に第１分岐光を通過させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する。
【0021】
本発明の観察方法の第６態様では、第１態様または第２態様に加えて、第１変調ステップにおいて、位相変調型の空間光変調器を含む第１変調部を用いて、空間光変調器の変調面の領域によって互いに異なる速さで位相変調量を変化させるとともに、空間光変調器の変調面に第１分岐光を入射させることで、空間光変調器の変調面の各領域の位相変調量の変化の速さに応じた変調周波数で第１分岐光を変調する。
【0022】
本発明の観察方法の第７態様では、第１態様または第２態様に加えて、第１変調ステップにおいて、強度変調型の空間光変調器を含む第１変調部を用いて、空間光変調器の変調面の所定方向に沿った強度変調量分布を、互いに異なる複数の空間周波数成分を有するものとし、空間光変調器の変調面において強度変調量分布を所定方向に移動させるとともに、空間光変調器の変調面に第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する。
【0023】
本発明の観察方法の第８態様は、第１～第７の態様の何れかに加えて、観察対象物の移動経路上の第１分岐光の照射位置を検出し、この検出された照射位置に基づいて、撮像部の複数の画素により合波光を受光することができるように観察対象物から撮像部までの光学系または撮像部の位置を制御する。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、移動している観察対象物を安価な構成で容易に観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図9】図９は、第１変調部２１Ａの板状物体に記録される回折格子を説明する図である。図９（ａ）は、複数の空間周波数成分ｋｎ（ｋｍｉｎ～ｋｍａｘ）を有する回折格子それぞれの変調分布を示す。図９（ｂ）は、複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされた後の変調分布を示す。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0027】
図１は、観察装置１の構成を示す図である。観察装置１は、移動している観察対象物Ｓを観察する装置であって、光源１１、分岐部１２、合波部１５、第１変調部２１、第２変調部２２、撮像部２３および処理部２４等を備える。また、この観察装置１を用いた観察方法は、分岐ステップ、合波ステップ、第１変調ステップ、第２変調ステップ、撮像ステップおよび処理ステップ等を備える。
【0028】
光源１１は、光を出力する。好適には、光源１１は、単一の光周波数ω０を有するレーザ光を出力するレーザ光源である。光源１１は例えばＨｅ-Ｎｅレーザ光源である。分岐部１２は、光源１１と光学的に接続されている光学系である。分岐部１２は、光源１１から出力された光を入力し、その光を２分岐して第１分岐光Ｌ１および第２分岐光Ｌ２とする（分岐ステップ）。分岐部１２は、第１分岐光Ｌ１をミラー１３へ出力し、第２分岐光Ｌ２を第２変調部２２へ出力する。分岐部１２は、ビームスプリッタであり、ハーフミラーであってもよい。
【0029】
ミラー１３は、分岐部１２と光学的に接続されている。ミラー１３は、分岐部１２から出力された第１分岐光Ｌ１を入力し、その第１分岐光Ｌ１を反射させて第１変調部２１へ出力する。ミラー１４は、第２変調部２２と光学的に接続されている。ミラー１４は、分岐部１２から出力されて第２変調部２２を経た第２分岐光Ｌ２を入力し、その第２分岐光Ｌ２を反射させてレンズ３６へ出力する。
【0030】
合波部１５は、ミラー１３で反射されて第１変調部２１および観察対象物Ｓ等を経た第１分岐光Ｌ１を入力するとともに、ミラー１４で反射されてレンズ３６等を経た第２分岐光Ｌ２を入力する光学系である。合波部１５は、これら入力した第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２とを合波して合波光をレンズ３５へ出力する（合波ステップ）。合波部１５は、ビームスプリッタであり、ハーフミラーであってもよい。
【0031】
撮像部２３は、合波部１５から出力されてレンズ３５を経た合波光を受光して、第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２との干渉画像を表す検出信号を処理部２４へ出力する（撮像ステップ）。処理部２４は、撮像部２３から繰り返し出力される検出信号に基づいて、観察対象物Ｓの３次元屈折率分布画像を生成する（処理ステップ）。
【0032】
分岐部１２からミラー１３，１４を経て合波部１５に至るまでの光学系は、マッハツェンダ干渉計を構成している。観察対象物Ｓは、ミラー１３から合波部１５に至るまでの第１分岐光Ｌ１の光路と交差するように移動する。観察対象物Ｓは、例えば、断面サイズが２５０×２５０μｍ２であるフローサイトメータの流路を平均速さ２０ｍｍ／ｓで一列に整列して移動している細胞である。以下では、ｘｙｚ直交座標系を設定し、観察対象物Ｓの移動方向をｙ方向とし、観察対象物Ｓの後段にあるレンズ３４の光軸に平行な方向をｚ方向とし、これらｙ方向およびｚ方向の双方に直交する方向をｘ方向とする。
【0033】
ミラー１３から観察対象物Ｓに至るまでの第１分岐光Ｌ１の光路上に、第１変調部２１、レンズ３１、レンズ３２およびレンズ３３が順に配置されている。観察対象物Ｓから合波部１５に至るまでの第１分岐光Ｌ１の光路上に、レンズ３４が配置されている。分岐部１２からミラー１４を経て合波部１５に至るまでの第２分岐光Ｌ２の光路上に、第２変調部２２、レンズ３６、レンズ３７およびレンズ３８が順に配置されている。合波部１５から撮像部２３に至るまでの合波光の光路上に、レンズ３５が配置されている。
【0034】
第１変調部２１は、ミラー１３から到達した第１分岐光Ｌ１を入力し、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光Ｌ１を変調し、その周波数変調後の第１分岐光Ｌ１を出力する（第１変調ステップ）。第１変調部２１は、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む構成とすることができる。この場合、第１変調部２１は、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、この音響光学素子に第１分岐光Ｌ１を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で第１分岐光Ｌ１を変調することができる。
【0035】
第１分岐光Ｌ１の波長をλとし、音響光学素子における音響波の速度をＶａとし、ＲＦ信号のＮ個の周波数成分Ω１～ΩＮのうちの第ｎの周波数成分をΩｎとすると、周波数Ωｎで変調された第１分岐光Ｌ１の回折角θｎは、下記（１）式で表される。第１変調部２１は、各周波数Ωｎで変調された光周波数ω０＋Ωｎの第１分岐光Ｌ１を回折角θｎの方向に出力することができる。すなわち、第１変調部２１は、Ｎ個の周波数成分Ω１～ΩＮそれぞれで変調した第１分岐光Ｌ１を互いに異なる方向へ出力することができる。
【0036】
【数1】
【0037】
例えば、正の回折次数を有する回折光（音響波の進行方向と同じ方向に出力される回折光）を用いることとする。観察対象物Ｓの移動速度Ｖｓを２０ｍｍ／ｓとし、光学分解能Δｙを０.２μｍとして、バンド幅ＢＷを１００ｋＨｚ（＝Ｖｓ／Δｙ）とする。変調周波数の間隔を１００ｋＨｚとし、Ｎ＝１００とし、Ωｎ＝（１９５＋０.１ｎ）ＭＨｚとする。すなわち、最小の変調周波数Ω１を１９５.１ＭＨｚとし、最大の変調周波数ΩＮを２０５.０ＭＨｚとする。
【0038】
レンズ３１～３３は、照射部を構成している光学系であり、第１変調部２１により変調された第１分岐光Ｌ１を変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射する（照射ステップ）。レンズ３１およびレンズ３２はシリンドリカルレンズである。レンズ３３は球面レンズである。この図では、ｙｚ面内（紙面内）における第１分岐光Ｌ１の光束が実線で示され、ｘｚ面内（紙面に対して垂直面内）における第１分岐光Ｌ１の光束が破線で示されている（第２分岐光Ｌ２についても同様であり、以降の図でも同様である）。また、破線で示されたシリンドリカルレンズのレンズ形状は、ｘｚ面内（紙面に対して垂直面内）のレンズ形状を示す。
【0039】
レンズ３２は、レンズ３３の前焦点面（Ｐ１面）においてｙ方向に沿った離散的な位置に、変調周波数Ωｎ毎に第１分岐光Ｌ１の点像を形成する。レンズ３３の後焦点面（Ｐ２面）は、観察対象物Ｓの移動経路を含む面である。図２は、レンズ３３の前焦点面（Ｐ１面）に形成される変調周波数Ωｎ毎の第１分岐光の点像を示す図である。各点像が黒丸で示されている。Ｐ１面はＰ２面のフーリエ面であるから、Ｐ１面の横軸（ｘ軸）はＰ２面のｘ方向の空間周波数ｋｘに相当し、Ｐ１面の縦軸（ｙ軸）はＰ２面のｙ方向の空間周波数ｋｙに相当する。レンズ３３は、図２に示される変調周波数Ωｎ毎の第１分岐光Ｌ１の点像からの光を入力して、変調周波数Ωｎ毎の第１分岐光Ｌ１を平面波として変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射することができる。
【0040】
図３は、レンズ３３による観察対象物Ｓへの第１分岐光の照射を説明する図である。この図は、周波数Ω１で変調された光周波数ωｍｉｎ（＝ω０＋Ω１）の第１分岐光Ｌ１がＰ２面へ平面波として入射するときの波数ベクトルのｙ成分がｋｍｉｎであることを示し、周波数ΩＮで変調された光周波数ωｍａｘ（＝ω０＋ΩＮ）の第１分岐光Ｌ１がＰ２面へ平面波として入射するときの波数ベクトルのｙ成分がｋｍａｘであることを示している。
【0041】
レンズ３４およびレンズ３５は、観察対象物Ｓを通過した第１分岐光Ｌ１を入力して、観察対象物Ｓの像を撮像部２３の撮像面（Ｐ３面）上に形成する結像光学系を構成している。撮像面（Ｐ３面）は、観察対象物Ｓの移動経路を含む面（Ｐ２面）に対し光学的な共役関係にある。例えば、レンズ３４は倍率６０倍の対物レンズであり、レンズ３５は焦点距離２００ｍｍの結像レンズである。レンズ３４とレンズ３５との間の光路上に合波部１５が配置されている。
【0042】
第２変調部２２は、第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２との間に周波数差を与える（第２変調ステップ）。第２変調部２２は、第２分岐光Ｌ２の光路上に配置されている。第２変調部２２は、第２分岐光Ｌ２を入力し、その第２分岐光Ｌ２を周波数変調して出力する。第２変調部２２は、例えば、音響光学周波数シフタ（Acousto Optic Frequency Shifter、ＡＯＦＳ、例えばISOMET社の型番1250C）、ファンクションジェネレータ（例えばTektronics社製AFG3252C）および高速アンプを含む構成とすることができる。この場合、ファンクションジェネレータから出力された正弦波信号を高速アンプにより例えば＋２５ｄＢの増幅率で増幅し、その増幅により例えば振幅２５ｄＢｍとされた正弦波信号をＡＯＦＳに与える。このＡＯＦＳに第２分岐光Ｌ２を入射させることで、周波数ΩＬＯで第２分岐光Ｌ２を変調することができる。正の回折次数を有する回折光（音響波の進行方向と同じ方向に出力される回折光）を用いれば、変調後の第２分岐光Ｌ２の光周波数ωＬＯはω０＋ΩＬＯとなる。例えば、ΩＬＯ＝１９５ＭＨｚとする。
【0043】
第２変調部２２は、光ヘテロダイン周波数ΔΩｎ（合波部１５による合波の際の第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２との間の光周波数差）が撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳの２分の１以下となるように調整をする為に設けられる。したがって、第１分岐光Ｌ１の変調周波数Ωｎが十分に小さく、ΩＬＯ＝０であっても光ヘテロダイン周波数ΔΩｎが撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳの２分の１以下であれば、第２変調部２２は設けられなくてもよい。
【0044】
レンズ３６～３８は、第２変調部２２による変調後の第２分岐光Ｌ２を合波部１５へ入射させる光学系を構成している。レンズ３６，３７は、それぞれ球面レンズであり、第２分岐光Ｌ２のビーム径を拡大するビームエキスパンダを構成している。レンズ３８はシリンドリカルレンズである。レンズ３６～３８は、レンズ３５とともに、撮像部２３の撮像面においてライン状に第２分岐光Ｌ２を集光する。
【0045】
撮像部２３は、観察対象物Ｓの像が形成される撮像面（Ｐ３面）において、第１分岐光Ｌ１による観察対象物Ｓの像の移動方向と交差する方向に１次元配列された複数の画素を有する。撮像部２３として例えばラインセンサ等のセンサを用いることができる。第２分岐光Ｌ２は、これら１次元配列された複数の画素に沿ってライン状に集光される。撮像部２３は、１次元配列された複数の画素により合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する。
【0046】
第１変調部２１により周波数変調された第１分岐光Ｌ１のうちで最も低い光周波数ωｍｉｎ（＝ω０＋Ω１）、第１変調部２１により周波数変調された第１分岐光Ｌ１のうちで最も高い光周波数ωｍａｘ（＝ω０＋ΩＮ）、および、第２変調部２２により周波数変調された第２分岐光Ｌ２の光周波数ωＬＯ（＝ω０＋ΩＬＯ）の間で、下記（２）式の関係が満たされることが好ましい。ω０は、光源１１から出力された光の光周波数である。また、撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳは、下記（３）式または下記（４）式の条件を満たすのが好ましい。
【0047】
【数2】
【0048】
【数3】
【0049】
【数4】
【0050】
第１分岐光Ｌ１の最大変調周波数ΩＮを２０５ＭＨｚとし、第２分岐光Ｌ２の変調周波数ΩＬＯを１９５ＭＨｚとした場合、光ヘテロダイン周波数の最大値は１０ＭＨｚであるので、撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳを２０ＭＨｚとすればよい。
【0051】
処理部２４は、撮像部２３から繰り返し出力される検出信号から生成される１次元干渉画像の時系列データに基づいて、複数の変調周波数に対応する観察対象物Ｓへの複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成する。処理部２４は、例えばプロセッサであるＣＰＵ（Central Processing Unit）あるいはＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、記憶媒体であるＲＡＭ（Random Access Memory）又はＲＯＭ（Read Only Memory）、通信モジュール、及び入出力モジュール等を内蔵する演算装置（コンピュータ等）である。また例えば、処理部２４は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）によって構成されていてもよい。そして、処理部２４は、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて観察対象物Ｓの３次元屈折率分布画像を生成する。具体的には以下のとおりである。
【0052】
撮像部２３から繰り返し出力される検出信号から生成される１次元干渉画像の時系列データをＩ（ｘ，ｔ）と表す。ｘは、撮像部２３の撮像面において１次元配列された複数の画素それぞれの位置（ｘ方向位置）を表す変数である。ｔは、撮像部２３が１次元干渉画像を撮像した時刻を表す変数である。処理部２４は、この時系列データＩ（ｘ，ｔ）に対して時刻ｔに関するフーリエ変換を行う。このフーリエ変換の結果をＪ（ｘ，ｆ）と表す。ｆは、周波数を表す変数である。
【0053】
処理部２４は、このＪ（ｘ，ｆ）のデータのうちから光ヘテロダイン周波数ΔΩｎを中心とするバンド幅ＢＷの周波数範囲（ΔΩｎ－ＢＷ／２＜ｆ＜ΔΩｎ＋ＢＷ／２）のデータを抽出し、その抽出した周波数範囲のデータに対して周波数ｆに関するフーリエ変換を行う。このフーリエ変換の結果をＩｎ（ｘ，ｔ）と表す。ここで、観察対象物Ｓがｙ方向に移動しているので、時刻を表す変数ｔは、ｙ方向位置を表す変数ｙに変換することができる。したがって、Ｉｎ（ｘ，ｔ）はＩｎ（ｘ，ｙ）と表すことができる。
【0054】
Ｉｎ（ｘ，ｙ）は、光ヘテロダイン周波数ΔΩｎに応じた照射方向（すなわち、変調周波数Ωｎに応じた照射方向）に沿って第１分岐光Ｌ１を観察対象物Ｓに照射したときに、撮像部２３の撮像面に到達した第１分岐光Ｌ１による観察対象物Ｓの２次元複素振幅画像を表す。処理部２４は、各変調周波数Ωｎに対応する観察対象物Ｓへの照射方向について複素振幅画像Ｉｎ（ｘ，ｙ）を生成する。
【0055】
そして、処理部２４は、複数の照射方向それぞれの複素振幅画像Ｉ１（ｘ，ｙ）～ＩＮ（ｘ，ｙ）に基づいて、観察対象物Ｓの３次元屈折率分布画像を生成する。複素振幅画像Ｉ１（ｘ，ｙ）～ＩＮ（ｘ，ｙ）に基づいて３次元屈折率分布画像を生成する際に、非特許文献１または非特許文献２に記載された手法を用いることができる。非特許文献１に記載された手法は、フーリエ断層定理（Fourier Slice theorem）を用いるものであり、観察対象物Ｓにおける光の散乱を無視することができる場合に適用可能なものである。非特許文献２に記載された手法は、フーリエ回折定理（Fourier Diffraction theorem）を用いるものであり、観察対象物Ｓにおける光の散乱を考慮して観察対象物Ｓの３次元屈折率分布画像を生成するものである。
【0056】
以上のように、観察装置１は、撮像部２３としてエリアセンサではなくラインセンサを用いることができるので、ラインレート（サンプリング周波数ΩＳ）を高くすることができ、また、安価な構成とすることができる。さらに、観察対象物Ｓから撮像部２３までの光学系を通常の結像光学系とすることができるので、この光学系を容易に調整することができ、観察対象物Ｓを容易に観察することができる。
【0057】
次に、観察装置１の全体構成の変形例について図４～図６を用いて説明する。
図４に示される第１変形例の観察装置１Ａは、観察装置１（図１）の構成と比べると、第２変調部２２が配置されている位置の点で相違する。観察装置１（図１）では、第２変調部２２は第２分岐光Ｌ２の光路上に配置されていた。これに対して、観察装置１Ａ（図４）では、第２変調部２２は、分岐部１２と第１変調部２１との間の第１分岐光Ｌ１の光路上に配置されている。この構成においても、第２変調部２２は、光ヘテロダイン周波数ΔΩｎ（合波部１５による合波の際の第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２との間の光周波数差）が撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳの２分の１以下となるように調整をすることができる。
図４に示される第１変形例の観察装置１Ａは、観察装置１（図１）の構成と比べると、第２変調部２２が配置されている位置の点で相違する。観察装置１（図１）では、第２変調部２２は第２分岐光Ｌ２の光路上に配置されていた。これに対して、観察装置１Ａ（図４）では、第２変調部２２は、分岐部１２と第１変調部２１との間の第１分岐光Ｌ１の光路上に配置されている。この構成においても、第２変調部２２は、光ヘテロダイン周波数ΔΩｎ（合波部１５による合波の際の第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２との間の光周波数差）が撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳの２分の１以下となるように調整をすることができる。
【0058】
図５に示される第２変形例の観察装置１Ｂは、観察装置１（図１）および観察装置１Ａ（図４）の各構成と比べると、第２変調部２２が設けられていない点で相違する。前述したとおり、第１分岐光の変調周波数Ωｎが十分に小さく、ΩＬＯ＝０であっても光ヘテロダイン周波数ΔΩｎが撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳの２分の１以下であれば、第２変調部２２は設けられなくてもよい。
【0059】
図６に示される第３変形例の観察装置１Ｃは、観察装置１（図１）の構成と比べると、合波部１５、レンズ３４およびレンズ３５の配置の点で相違する。観察装置１（図１）では、レンズ３４とレンズ３５との間の光路上に合波部１５が配置されていた。これに対して、観察装置１Ｃ（図６）では、レンズ３５の後段に合波部１５が配置されている。また、これに伴い、観察装置１Ｃ（図６）では、レンズ３６は球面レンズであり、レンズ３７，３８はシリンドリカルレンズである。
【0060】
なお、図６に示される第３変形例の観察装置１Ｃにおいて、第２変調部２２は、第２分岐光Ｌ２の光路上ではなく、分岐部１２と第１変調部２１との間の第１分岐光Ｌ１の光路上に配置されていてもよい。また、図６に示される第３変形例の観察装置１Ｃにおいて、第１分岐光の変調周波数Ωｎが十分に小さく、ΩＬＯ＝０であっても光ヘテロダイン周波数ΔΩｎが撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳの２分の１以下であれば、第２変調部２２は設けられなくてもよい。
【0061】
次に、第１変調部２１の構成例について図７～図１２を用いて説明する。
既に説明した第１変調部２１は、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む構成としたものであった。この第１変調部２１は、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、この音響光学素子に第１分岐光Ｌ１を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で第１分岐光Ｌ１を変調することができる。第１変調部２１は、Ｎ個の周波数成分Ω１～ΩＮそれぞれで変調した第１分岐光Ｌ１を互いに異なる方向へ出力することができる。
既に説明した第１変調部２１は、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む構成としたものであった。この第１変調部２１は、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、この音響光学素子に第１分岐光Ｌ１を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で第１分岐光Ｌ１を変調することができる。第１変調部２１は、Ｎ個の周波数成分Ω１～ΩＮそれぞれで変調した第１分岐光Ｌ１を互いに異なる方向へ出力することができる。
【0062】
第１変形例の第１変調部は、ラマンナス回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む構成としてもよい。この場合、第１変調部は、単一の周波数（例えば３ＭＨｚ）のＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、この音響光学素子に第１分岐光Ｌ１を入射させることで、回折次数に応じて互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光Ｌ１を変調することができる。第１変調部は、Ｎ個の周波数成分Ω１～ΩＮそれぞれで変調した第１分岐光Ｌ１を、回折次数に応じて互いに異なる方向へ出力することができる。この第１変調部と観察対象物Ｓとの間の照射部の光学系は、図１と同様の構成とすることができる。
【0063】
図７および図８に示される第２変形例の第１変調部２１Ａは、互いに異なる複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録された板状物体を含む。これらの図に示される第１変調部２１Ａの板状物体は、ｘｙ面に平行な円盤形状のものであり、ｚ方向に平行な中心軸Ｏの周りに回転可能であって、周方向に沿って複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録されている。第１変調部２１Ａは、この板状物体を中心軸の周りに一定速度で回転させるとともに、この板状物体に第１分岐光Ｌ１を通過させる。このとき、板状物体の回転の中心軸Ｏを含む略ｘｚ平面内の位置に第１分岐光Ｌ１を入射させ、その入射位置では板状物体がｙ方向に移動しているようにする。これにより、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光Ｌ１を変調することができる。
【0064】
図７に示される構成では、第１変調部２１Ａと観察対象物Ｓとの間の照射部の光学系は、２個のシリンドリカルレンズ４１，４２を含む。図８に示される構成では、第１変調部２１Ａと観察対象物Ｓとの間の照射部の光学系は、１個のシリンドリカルレンズ４３を含む。何れの場合にも、照射部は、第１変調部２１Ａにより変調された第１分岐光Ｌ１を変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射する。
【0065】
図９は、第２変形例の第１変調部２１Ａの板状物体に記録される回折格子を説明する図である。この図で、横軸は周方向の位置であり、縦軸は変調量を表す。図９（ａ）は、複数の空間周波数成分ｋｎ（ｋｍｉｎ～ｋｍａｘ）を有する回折格子それぞれの変調分布を示す。図９（ｂ）は、複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされた後の変調分布を示す。
【0066】
図７および図８に示された第１変調部２１Ａの板状物体は円盤形状のものであったが、互いに異なる複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録される板状物体は帯状のものであってもよい。この場合、第１変調部２１Ａの帯状の板状物体は、ｙ方向に移動可能であって、その移動方向に沿って複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録されている。第１変調部２１Ａは、この帯状の板状物体をｙ方向に移動させるとともに、この板状物体に第１分岐光Ｌ１を通過させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光Ｌ１を変調することができる。帯状の板状物体の両端を互いに接続してリング形状とし、そのリング形状とした板状物体を回転させることで、板状物体をｙ方向に長時間に亘って移動させることができる。
【0067】
図１０に示される第３変形例の第１変調部２１Ｂは、位相変調型の空間光変調器（Spatial Light Modulator、ＳＬＭ）を含む。この図では、反射型の空間光変調器が示されている。図１０（ａ）は、第１変調部２１Ｂおよび周辺の光学系を示す。図１０（ｂ）は、第１変調部２１Ｂの空間光変調器の変調面における各領域の変調周波数を濃淡で示す。
【0068】
第１変調部２１Ｂの空間光変調器は、変調面（Ｐ１面）のうちｘ方向について幅が限られた領域において、ｙ方向に沿って区分された複数の領域それぞれで互いに異なる速さで位相変調量を変化させる。すなわち、各領域の位相変調量φを時刻ｔに対しφ＝Ωｎｔなる関係で時間的に連続的に変化させる。第１分岐光Ｌ１は、シリンドリカルレンズ５２，５３を経た後にビームスプリッタ５１で反射されて、空間光変調器の変調面に入射する。シリンドリカルレンズ５２は凹レンズであり、シリンドリカルレンズ５３は凸レンズである。空間光変調器の変調面のうちｙ方向に延在する領域（ｘ方向については幅が限られた領域）に第１分岐光Ｌ１を入射させることで、空間光変調器の変調面のｙ方向に沿った各領域において変調周波数Ωｎで第１分岐光Ｌ１を変調することができる。変調された第１分岐光Ｌ１は、ビームスプリッタ５１を透過した後に、シリンドリカルレンズ５４により変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射される。なお、位相変調量が時間的に連続的に変化していない変調面で反射される光は、マスク等によって観察対象物Ｓには照射されないようにする（不図示）。
【0069】
図１１に示される第４変形例の第１変調部２１Ｃも、位相変調型の空間光変調器（ＳＬＭ）を含む。この図でも、反射型の空間光変調器が示されている。図１１（ａ）は、第１変調部２１Ｃおよび周辺の光学系を示す。図１１（ｂ）は、第１変調部２１Ｃの空間光変調器の変調面における各領域の変調周波数を濃淡で示す。
【0070】
第１変調部２１Ｃの空間光変調器は、変調面（Ｐ１面）のｘ方向の全体に亘る領域において、ｙ方向に沿って区分された複数の領域それぞれで互いに異なる速さで位相変調量を変化させる。すなわち、各領域の位相変調量φを時刻ｔに対しφ＝Ωｎｔなる関係で時間的に連続的に変化させる。第１分岐光は、レンズ６２，６３によりビーム径が拡大された後にビームスプリッタ６１で反射されて、空間光変調器の変調面の略全体に入射する。空間光変調器の変調面の略全体に第１分岐光Ｌ１を入射させることで、空間光変調器の変調面のｙ方向に沿った各領域において変調周波数Ωｎで第１分岐光Ｌ１を変調することができる。変調された第１分岐光Ｌ１は、ビームスプリッタ６１を透過した後に、レンズ６４，６５により変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射される。なお、位相変調量が時間的に連続的に変化していない変調面で反射される光は、マスク等によって観察対象物Ｓには照射されないようにする（不図示）。
【0071】
図１２に示される第５変形例の第１変調部２１Ｄは、強度変調型の空間光変調器（ＳＬＭ）を含む。この図でも、反射型の空間光変調器が示されている。図１２（ａ）は、第１変調部２１Ｄおよび周辺の光学系を示す。図１２（ｂ）は、第１変調部２１Ｄの空間光変調器の変調面における各領域の強度変調量を濃淡で示す。図１２（ｃ）は、第１変調部２１Ｄの空間光変調器の変調面におけるｙ方向に沿った各領域での強度変調量をグラフで示す。
【0072】
第１変調部２１Ｄの空間光変調器は、変調面（Ｐ０面）のうちｘ方向について幅が限られた領域において、ｙ方向に沿って区分された複数の領域それぞれで強度変調量を設定し、その強度変調量のｙ方向分布をｙ方向に移動させる。その強度変調量分布が周期ｋｉの正弦波形状であってｙ方向移動速度がＶであると、変調面（Ｐ０面）に対するフーリエ面（Ｐ１面）では、ｅｘｐ(ｉｋｉＶｔ)で位相シフトが生じ、Ω＝ｋｉＶの周波数変調が生じる。第５変形例では、このことを利用する。
【0073】
空間光変調器の変調面のｙ方向に沿った強度変調量分布を、互いに異なる複数の空間周波数成分を有するものとし、空間光変調器の変調面において強度変調量分布をｙ方向に一定速度で移動させる。第１分岐光Ｌ１は、シリンドリカルレンズ７２，７３を経た後にビームスプリッタ７１で反射されて、空間光変調器の変調面に入射する。シリンドリカルレンズ７２は凹レンズであり、シリンドリカルレンズ７３は凸レンズである。シリンドリカルレンズ７４の前焦点面が空間光変調器の変調面（Ｐ０面）であって、シリンドリカルレンズ７４の後焦点面がＰ１面である。シリンドリカルレンズ７５の前焦点面がＰ１面であって、シリンドリカルレンズ７５の後焦点面が観察対象物Ｓの移動経路を含む面（Ｐ２面）である。
【0074】
空間光変調器の変調面（Ｐ０面）のうちｙ方向に延在する領域（ｘ方向については幅が限られた領域）に第１分岐光Ｌ１を入射させると、図２と同様に、Ｐ１面においてｙ方向に沿った各領域において変調周波数Ωｎで変調された第１分岐光Ｌ１の点像を形成することができる。そして、レンズ７５は、Ｐ１面における変調周波数Ωｎ毎の第１分岐光Ｌ１の点像からの光を入力して、変調周波数Ωｎ毎の第１分岐光Ｌ１を平面波として変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射することができる。
【0075】
なお、第３～第５の変形例の第１変調部２１Ｂ～２１Ｄは、反射型の空間光変調器を含む構成であったが、透過型の空間光変調器を含む構成としてもよい。また、反射型で強度変調型の空間光変調器としてＤＭＤ（Digital Mirror Device）を用いてもよく、この場合には、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調により多段階の強度変調を光に与えることができる。
【0076】
次に、撮像部２３の周辺の構成の変形例について図１３を用いて説明する。この図に示される変形例の構成では、レンズ８１、照射位置検出部８２、制御部８３および移動部８４が更に設けられる。レンズ３４とレンズ３５との間の光路上に配置されている合波部１５は、第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２とを合波して、合波光をレンズ３５へ出力するとともに、合波光をレンズ８１へも出力する。
【0077】
レンズ８１は、合波部１５と照射位置検出部８２との間の合波光の光路上に配置されている。レンズ３４およびレンズ８１は、観察対象物Ｓを通過した第１分岐光Ｌ１を入力して、観察対象物Ｓの像を照射位置検出部８２の撮像面（Ｐ４面）上に形成する結像光学系を構成している。照射位置検出部８２は、観察対象物Ｓの移動経路上の第１分岐光Ｌ１の照射位置を検出するものであり、例えば２次元像を撮像することができるエリアカメラである。このエリアカメラは高速撮像が可能である必要はない。
【0078】
制御部８３は、照射位置検出部８２により検出された照射位置に基づいて移動部８４を駆動することで、撮像部２３の１次元配列された複数の画素により合波光を受光することができるように撮像部２３のｙ方向位置を制御する。移動部８４は、制御部８３による駆動に従って、撮像部２３の撮像面（Ｐ３面）上の観察対象物Ｓの像の移動方向（ｙ方向）に撮像部２３を移動させるものであり、例えば電動アクチュエータ付きの一軸ステージである。
【0079】
このような構成とすることにより、観察対象物Ｓの移動経路上の第１分岐光Ｌ１の照射位置がｙ方向に時間的にドリフトする場合であっても、撮像部２３の撮像面（Ｐ３面）への第１分岐光Ｌ１の入射位置を固定することができるので、撮像部２３は１次元干渉画像を常に安定して取得することができる。
【0080】
なお、撮像部２３の１次元配列された複数の画素により合波光を安定して受光することができるようにするために、撮像部２３のｙ方向位置を制御することに加えて又は替えて、観察対象物Ｓから撮像部２３までの光学系を制御することにしてもよい。後者の場合、例えば、観察対象物Ｓから撮像部２３までの光学系の途中に反射面の方位が可変であるミラーを配置して、このミラーの反射面の方位を制御部８３により制御すればよい。
【0081】
また、照射位置検出部８２は、観察対象物Ｓの移動経路上の第１分岐光Ｌ１の照射位置を検出することができればよいので、合波光を受光するのではなく、第１分岐光Ｌ１のみを受光することができればよい。例えば、図６に示された構成において、レンズ３４とレンズ３５との間にビームスプリッタを配置し、このビームスプリッタにより分岐された第１分岐光Ｌ１による観察対象物Ｓの像を、レンズ８１により照射位置検出部８２の撮像面（Ｐ４面）上に形成してもよい。
【0082】
また、照射位置検出部８２として、スポット光入射位置検出用の重心演算回路付プロファイルセンサ（例えば浜松ホトニクス株式会社製Ｓ１５３６６－５１２）を用いてもよいし、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector、例えば浜松ホトニクス株式会社製Ｓ２０４４）を用いてもよい。
【符号の説明】
【0083】
１，１Ａ～１Ｃ…観察装置、１１…光源、１２…分岐部、１３，１４…ミラー、１５…合波部、２１，２１Ａ～２１Ｄ…第１変調部、２２…第２変調部、２３…撮像部、２４…処理部、３１～３８…レンズ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】