(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-19
(45)【発行日】2022-10-27
(54)【発明の名称】ホログラフィック撮像装置および同装置に用いるデータ処理方法
(51)【国際特許分類】
G03H 1/08 20060101AFI20221020BHJP
G02B 21/06 20060101ALI20221020BHJP
G02B 21/18 20060101ALI20221020BHJP
G03H 1/16 20060101ALI20221020BHJP
G03H 1/22 20060101ALI20221020BHJP
G03H 1/28 20060101ALI20221020BHJP
【ＦＩ】
G03H1/08
G02B21/06
G02B21/18
G03H1/16
G03H1/22
G03H1/28
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2019539100
(86)(22)【出願日】2018-07-31
(86)【国際出願番号】 JP2018028725
(87)【国際公開番号】W WO2019044336
(87)【国際公開日】2019-03-07
【審査請求日】2021-06-22
(31)【優先権主張番号】P 2017166256
(32)【優先日】2017-08-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】513099603
【氏名又は名称】兵庫県公立大学法人
(74)【代理人】
【識別番号】100084375
【弁理士】
【氏名又は名称】板谷 康夫
(74)【代理人】
【識別番号】100125221
【弁理士】
【氏名又は名称】水田 愼一
(74)【代理人】
【識別番号】100142077
【弁理士】
【氏名又は名称】板谷 真之
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 邦弘
【審査官】森内 正明
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１５／０６４０８８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１４／０５４７７６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１２／０９９２２０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１２／００５３１５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１１／０８９８２０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－１２２８９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１４－５０７６４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００５－５３７５１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００８／０３７００７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３２０４８５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００８／０２００８３（ＷＯ，Ａ２）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ２１／００ － ２１／３６
Ｇ０３Ｈ １／００ － ５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
照明光（Ｑ）で照明された物体から放たれる物体光（Ｏ）のホログラムを取得するデータ取得部と、前記データ取得部によって取得されたホログラムから前記物体の画像を再生する画像再生部と、を備え、
前記データ取得部は、
光源が放射するコヒーレント光から前記照明光（Ｑ）、前記物体光（Ｏ）に対してインラインとなるインライン球面波参照光（Ｌ）、および前記物体光（Ｏ）に対してオフアクシスとなるオフアクシス球面波参照光（Ｒ）を生成し、これらの光と、前記物体光（Ｏ）とを伝播させ、さらに前記物体に対する前記照明光（Ｑ）の入射方向を変える光学系と、
光強度を電気信号に変換して出力する受光素子と、
前記光学系を用いて互いに入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）が異なる平行光となるように前記照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を生成し、前記平行光である照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）で前記物体を照明することにより放射される前記物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）と前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のオフアクシスホログラムである前記各入射方向毎の物体光ホログラム（Ｉｊ ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）のデータ、および前記インライン球面波参照光（Ｌ）と前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のオフアクシスホログラムである参照光ホログラム（ＩＬＲ）のデータを前記受光素子を介してそれぞれ取得して保存する保存部と、を備え、
前記画像再生部は、
前記参照光ホログラム（ＩＬＲ）と前記物体光ホログラム（Ｉｊ ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）のデータを用いて、前記各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に前記物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の光波を表す物体光波ホログラム（ｇ ｊ（ｘ，ｙ），ｊ＝１，・・，Ｎ）をホログラム取得面（ｚ＝０）において生成する光波生成部と、
前記物体光波ホログラム（ｇ ｊ（ｘ，ｙ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の各々をフーリエ変換して前記ホログラム取得面（ｚ＝０）における空間周波数スペクトル（Ｇ ｊ （ｕ，ｖ），j=1，・・，Ｎ）を生成し、前記ホログラム取得面（ｚ＝０）における前記空間周波数スペクトル（Ｇ ｊ （ｕ，ｖ），j=1，・・，Ｎ）のそれぞれを前記物体の位置（ｚ＝ｚ ｍ ）まで伝播させて前記物体の位置（ｚ＝ｚ ｍ ）における物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）をそれぞれ生成するスペクトル生成部と、
前記物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の各々を、相互相関関数の計算に基づき、空間周波数空間（ｕ，ｖ）の２次元空間においてこれらの前記物体光空間周波数スペクトルの各々の互いに振幅および位相の変化が共通する領域が重なるように移動して配置し、かつ、前記重なり領域を形成する前記物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の相互の振幅と位相を補正するための補正係数（ａαβ，α≠β，α，β＝１，・・，Ｎ）を求めて前記補正係数（ａαβ）を用いて前記重なり領域において整合させ、より広い周波数空間を占有するように拡大された合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））を生成するスペクトル合成部と、を備え、
前記スペクトル合成部によって生成された前記合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））を逆フーリエ変換して、前記物体の画像の再生に用いられる合成物体光波ホログラム（ｈＴ（ｘ，ｙ））を生成する、ことを特徴とするホログラフィック撮像装置。
【請求項2】
前記光学系は、前記物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）に対する前記受光素子の開口数（ＮＡＯ）がゼロに近い値となる構成とされ、多数枚の前記物体光ホログラム（Ｉｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）のデータを用いて前記合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））を生成することにより前記合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））によって定まる合成開口数（ＮＡ
Ｓ
）が１に近づく、ことを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック撮像装置。
【請求項3】
前記光学系は、前記物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）に対する前記受光素子の開口数（ＮＡＯ）が１に近い値となる構成とされ、前記合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））によって定まる合成開口数（ＮＡ
Ｓ
）が１を超える、ことを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック撮像装置。
【請求項4】
前記ホログラフィック撮像装置が反射型の顕微鏡として用いられる場合に、前記受光素子と前記物体との間であって前記物体の前記照明光（Ｑ）によって照明される表面に近い位置に微小球面体を備え、
前記微小球面体の球面からの反射光が前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）として用いられる、ことを特徴とする請求項３に記載のホログラフィック撮像装置。
【請求項5】
前記ホログラフィック撮像装置が透過型の顕微鏡として用いられる場合に、前記受光素子の手前に配置される前記物体のさらに手前に、前記物体の前記照明光（Ｑ）によって照明される表面の位置に焦点を有するように配置された集光レンズを備え、
前記インライン球面波参照光（Ｌ）は、前記物体がない状態で前記集光レンズを通して生成され、
前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）は、前記集光レンズに光軸を傾けて入射した平行光が、前記物体の前記照明光（Ｑ）によって照明される表面に近い位置に集光するように生成される、ことを特徴とする請求項３に記載のホログラフィック撮像装置。
【請求項6】
前記光学系は、シャッタを持つ円形の中心開口と偏芯位置に設けられた偏芯開口とを有し、前記受光素子の中心に向かう光学的な中心軸を中心としてコーン状に広がる光を受けて、前記中心軸の回りに間欠的に回転することにより前記コーン状に広がる光を前記照明光（Ｑ）とするために振り分ける回転板と、
前記回転板によって振り分けられた光の各々を平行光にする複数のレンズを前記中心軸の回りに配置して有するレンズ組体と、
前記レンズ組体からの前記平行光の各々が前記中心軸上の一点を通過するように前記平行光の向きを変えるプリズムまたは回折格子を有する偏向素子組体と、を備えて前記物体に対する前記照明光（Ｑ）の入射方向を変える角度変更部を構成する、ことを特徴とする請求項２に記載のホログラフィック撮像装置。
【請求項7】
前記光学系は、シャッタを持つ円形の中心開口と偏芯位置に設けられた偏芯開口とを有し、前記受光素子の中心に向かう光学的な中心軸を中心としてコーン状に広がる光を受けて、前記中心軸の回りに間欠的に回転することにより前記コーン状に広がる光を前記照明光（Ｑ）とするために振り分ける回転板と、
前記回転板によって振り分けられた光の各々を平行光にする複数のレンズを前記中心軸の回りに配置して有するレンズ組体と、
前記レンズ組体からの前記平行光の各々が前記中心軸上の一点を通過するように前記平行光の向きを変える反射鏡を有する反射鏡組体と、を備えて前記物体に対する前記照明光（Ｑ）の入射方向を変える角度変更部を構成する、ことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載のホログラフィック撮像装置。
【請求項8】
ホログラフィック撮像装置に用いるデータ処理方法であって、物体に対する入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を変えた平行光からなる照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）によって前記物体を順次照明し、前記物体から放射される物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）と前記物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）に対してオフアクシスとなるオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のオフアクシスホログラムである、前記各入射方向毎の、複数の物体光ホログラム（Ｉｊ ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）のデータを取得し、
前記物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）に対してインラインとなるインライン球面波参照光（Ｌ）と前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のオフアクシスホログラムである参照光ホログラム（ＩＬＲ）のデータを取得し、
前記参照光ホログラム（ＩＬＲ）と前記物体光ホログラム（Ｉｊ ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）のデータを用いて、前記各入射方向毎に、ホログラム取得面（ｚ＝０）における前記物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の光波を表す物体光波ホログラム（ｇ ｊ（ｘ，ｙ），ｊ＝１，・・，Ｎ）を生成し、
前記物体光波ホログラム（ｇ ｊ（ｘ，ｙ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の各々をフーリエ変換して前記ホログラム取得面（ｚ＝０）における空間周波数スペクトル（Ｇ ｊ （ｕ，ｖ），j=1，・・，Ｎ）を生成し、前記ホログラム取得面（ｚ＝０）における前記空間周波数スペクトル（Ｇ ｊ （ｕ，ｖ），j=1，・・，Ｎ）のそれぞれを前記物体の位置（ｚ＝ｚ ｍ ）まで伝播させて前記物体の位置（ｚ＝ｚ ｍ ）における物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）を生成し、
前記物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の各々を、相互相関関数の計算に基づき、空間周波数空間（ｕ，ｖ）の２次元空間においてこれらの前記物体光空間周波数スペクトルの各々の互いに振幅および位相の変化が共通する領域が重なるように移動して配置し、かつ、前記重なり領域を形成する前記物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の相互の振幅と位相を補正するための補正係数（ａαβ，α≠β，α，β＝１，・・，Ｎ）を求めて前記補正係数（ａαβ）を用いて前記重なり領域において整合させ、より広い周波数空間を占有するように拡大された合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））を生成し、
前記合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））を逆フーリエ変換して、前記物体の画像の再生に用いられる合成物体光波ホログラム（ｈＴ（ｘ，ｙ））を生成する、ことを特徴とするデータ処理方法。
【請求項9】
前記補正係数（ａαβ，α≠β，α，β＝１，・・，Ｎ）は、互いに前記重なり領域を形成する前記物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の２つから成る対スペクトル（Ｈα，Ｈβ，α≠β）において、前記重なり領域に含まれる各点（ｕ，ｖ）における互いのスペクトル値の比の平均値として求められ、前記対スペクトル（Ｈα，Ｈβ）の一方が各点の振幅値と位相値を補正されて他方に整合される、ことを特徴とする請求項８に記載のデータ処理方法。
【請求項10】
前記物体光ホログラム（Ｉｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）のうち、前記照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の何れかである特定照明光（Ｑｋ）の情報を含む特定物体光ホログラム（Ｉｋ
ＯＲ）と前記参照光ホログラム（ＩＬＲ）とを用いて、前記物体の位置（ｚ＝ｚｍ）における、前記特定照明光（Ｑｋ）の光波を表す照明光波ホログラム（ｄ（ｘ，ｙ））を生成し、前記照明光波ホログラム（ｄ（ｘ，ｙ））を用いて前記特定照明光（Ｑｋ）についての照明光波位相成分（ξ（ｘ，ｙ）＝ｄ（ｘ，ｙ）／｜ｄ（ｘ，ｙ）｜）を算出し、
前記合成物体光波ホログラム（ｈＴ（ｘ，ｙ））を前記照明光波位相成分（ξ（ｘ、ｙ））で割り算して位相を調整した合成物体光波ホログラム（ｈＴ（ｘ，ｙ）／ξ（ｘ，ｙ））を生成する、ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載のデータ処理方法。
【請求項11】
前記物体を正面から非平行光である正面照明光（Ｑｆ）によって照明することにより放射される物体光（Ｏｆ）、前記正面照明光（Ｑｆ）、および前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）の干渉縞のオフアクシスホログラムである正面照明物体光ホログラム（Ｉｆ
ＯＲ）のデータを取得し、前記参照光ホログラム（ＩＬＲ）と前記正面照明物体光ホログラム（Ｉｆ ＯＲ）のデータを用いて、前記物体の位置（ｚ＝ｚｍ）における、前記正面照明光（Ｑ ｆ ）による物体光（Ｏｆ）の光波を表す正面照明物体光波ホログラム（ｈｆ（ｘ，ｙ））と前記正面照明光（Ｑｆ）の光波を表す照明光波ホログラム（ｄ（ｘ，ｙ））とを生成し、
前記照明光波ホログラム（ｄ（ｘ，ｙ））を用いて前記正面照明光（Ｑｆ）についての照明光波位相成分（ξ（ｘ，ｙ）＝ｄ（ｘ，ｙ）／｜ｄ（ｘ，ｙ）｜）を算出し、
前記正面照明物体光波ホログラム（ｈｆ（ｘ，ｙ））を前記照明光波位相成分（ξ（ｘ，ｙ））で割り算して位相を調整した正面照明物体光波ホログラム（ｈｆ（ｘ，ｙ）／ξ（ｘ，ｙ））を生成し、
前記正面照明物体光波ホログラム（ｈｆ（ｘ，ｙ）／ξ（ｘ，ｙ））をフーリエ変換して前記正面照明光（Ｑ ｆ ）による物体光（Ｏｆ）の物体光空間周波数スペクトル（Ｈｆ（ｕ，ｖ））を生成し、
前記正面照明光（Ｑ ｆ ）による前記物体光空間周波数スペクトル（Ｈｆ（ｕ，ｖ））を基準にして、相互相関関数の計算に基づき前記複数の物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）を順次配置し、前記合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））を生成する、ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載のデータ処理方法。
【請求項12】
前記物体の位置（ｚ＝ｚｍ）における前記物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）を任意の位置（ｚ＝ｚａ）における物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ
ａ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）とした上で、前記物体の位置（ｚ＝ｚｍ）において前記物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の各々を移動して前記補正係数（ａαβ）による補正をして整合させた処理と同じ処理を適用して、前記任意の位置（ｚ＝ｚａ）における合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴａ（ｕ，ｖ））を生成し、前記任意の位置（ｚ＝ｚａ）における合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴａ（ｕ，ｖ））を逆フーリエ変換して前記任意の位置（ｚ＝ｚａ）における合成物体光波ホログラム（ｈＴａ（ｘ，ｙ）＝Ｆ－１（ＨＴａ（ｕ，ｖ））を生成する、ことを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載のデータ処理方法。
【請求項13】
前記物体光ホログラム（Ｉｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）のデータの取得は、前記物体の前方または透光性の前記物体の後方に標識パターンを配置して行い、前記相互相関関数の計算は、前記標識パターンに対応する空間周波数スペクトルに基づいて行う、ことを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれか一項に記載のデータ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、デジタルホログラフィに関し、分解能の向上を図るホログラフィック撮像装置および同装置に用いるデータ処理方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、反射光や透過光などの光波を解析する技術に、光の強度と位相のデータを併せてホログラムと呼ばれる写真乾板などの記録媒体に記録して解析するホログラフィがある。近年のホログラフィは、受光素子と半導体メモリなどを用いて、光波の強度と位相をデジタルデータとして取得したり、計算機上でホログラムを生成したりして、解析することが行われている。このようなホログラフィは、デジタルホログラフィと呼ばれる。
【0003】
デジタルホログラフィにおいて、ホログラムデータの取得や処理の高速化と高精度化を達成するための種々の技術が提案され、撮像に応用されている。例えば、ワンショットで取得したホログラムデータに空間周波数フィルタリングと空間ヘテロダイン変調とを適用して、物体像再生用の複素振幅インラインホログラムを高速かつ正確に生成するデジタルホログラフィが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【0004】
従来の光学顕微鏡の問題を解決するために、ホログラフィを用いて結像レンズを用いることなく大開口数の物体光を正確にワンショット取得する方法、および物体光を平面波展開して高分解能３次元像を正確に計算機再生する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。この方法によれば、無歪な高分解能３次元動画像を取得し再生できるレンズレス３次元顕微鏡が実現される。このような顕微鏡は、結像レンズを用いないので、従来の光学顕微鏡が有する、媒質や結像レンズの影響を受ける問題を解決できる。
【0005】
また、培養液中細胞や生体組織の内部構造を高分解能で計測するために、反射型レンズレスホログラフィック顕微鏡と波長掃引レーザ光を用いる高分解能断層撮像法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【0006】
さらに、入射方向の異なる光を照射した物体から放射される大開口数の物体光を入射方向毎に複数のホログラムデータとして取得し、これらのデータを用いて複数の大開口数物体光を合成して１を超える合成開口数のもとで物体光を再生する方法が知られている（例えば、特許文献４参照）。この方法によれば、回折限界を超える分解能を持つ超高分解能３次元顕微鏡が実現できる。
【0007】
また、照明光とオフアクシス参照光の光路差を少なくして光路中のノイズをコモンノイズに限定するため、光路中にピンホールから成る空間フィルタを配置した光学系を有する透過型のホログラフィック顕微鏡が知られている（例えば、特許文献５参照）。
【0008】
また、撮像用のＣＣＤをホログラム面に沿って移動して複数位置で得たホログラムを合成して開口数を大きくすることにより分解能を上げることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【0009】
また、斜め入射照明光の下で試料を回転させて得た多数のホログラムを空間周波数空間において互いの重なり部分を接続して合成し、単一ホログラムによる開口数の２５倍となる合成開口数０．９３を得たホログラフィック顕微鏡が知られている（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【文献】国際公開第２０１１／０８９８２０号
【文献】国際公開第２０１２／００５３１５号
【文献】国際公開第２０１４／０５４７７６号
【文献】国際公開第２０１５／０６４０８８号
【文献】米国特許第９３６０４２３号
【非特許文献】
【0011】
【文献】マルティネス－レオン・ルイス（ＭＡＲＴＩＮＥＺ－ＬＥＯＮ Ｌｌｕｉｓ）、ジャビディ・バーラム（ＪＡＶＩＤＩ Ｂａｈｒａｍ）著 「インプルーブド レゾルーション シンセティック アパチャー ホログライック イメージング（Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ）」、プロシーディング・スパイ（Ｐｒｏｃ ＳＰＩＥ）、Ｖｏｌ．６７７８，ｐｐ６７７８０Ａ．ｌ－６７７８０Ａ．８（２００７）
【文献】トーマス・グツラー他（Ｔｈｏｍａｓ ＧＵＴＺＬＥＲ ｅｔ ａｌ．）著、「コヒーレント アパチャー－シンセシス、ワイド－フィールド、ハイ－レゾルーション ホログラフィック マイクロスコピー（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｐｅｒｔｕｒｅ－Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，Ｗｉｄｅ－ｆｉｅｌｄ，ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｔｉｓｓｕｅ）」、オプティックス・レターズ（Ｏｐｔ Ｌｅｔｔ）、Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．８，ｐｐ１１３６－１１３８（２０１０）
【発明の開示】
【0012】
しかしながら、上述した特許文献１，２，３に示されるような撮像技術や顕微鏡においては、分解能が、従来の光学顕微鏡と同様に光の半波長を超えることはできない。また、上述した特許文献４に示されるような超高分解能３次元顕微鏡は、分解能が光の半波長を超えることができるが、光波の合成のために物体光と照明光を一枚のホログラムとして同時記録する必要がある。この同時記録の条件は、この技術を用いる顕微鏡にとって大きな制限となり、性能向上や機能向上を難しくしている。
【0013】
また、上述した特許文献５に示されるような顕微鏡はノイズを減らすことができても分解能を上げるものではない。非特許文献１に示される方法は、小さなＣＣＤを移動させて大きなＣＣＤとして機能させるものであり、従来の光学顕微鏡における光の半波長という分解能の限界を越えることはできない。
【0014】
上述した非特許文献２に示されるような顕微鏡は、撮影対象が撮影時に回転できる試料に限定されるという問題があり、試料の回転による位置変動に伴うノイズが分解能の向上を難しくすると考えられる。この非特許文献２の顕微鏡は、物体光を平行光にしてオフアクシスホログラムを記録するために対物レンズを用いているので、深度がとれない、媒質中の物体に適用できない、ＣＣＤの開口数を大きくできない、画像に歪が生じるなどの問題を有している。この顕微鏡は、高精度な回転支持機構が必須で高価なものとなる。
【0015】
通常の光顕微鏡の分解能は、光の回折限界である光半波長を超えることはできない。このような分解能限界を超える顕微鏡として、モアレ効果を利用する構造化照明顕微鏡（ＳＩＭ）がある。ＳＩＭは、レンズレスホログラフィック顕微鏡と比べて、対物レンズの使用に伴う多くの問題を有する。また、ＳＩＭは、高価であり、構造が複雑で取扱いが容易ではなく、さらに、モアレ効果は、透過型の顕微鏡に適用することは困難である。
【0016】
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、透過型と反射型のいずれも実現でき、長作動距離広視野または超高分解能を実現できるホログラフィック撮像装置および同装置に用いるデータ処理方法を提供することを目的とする。
【0017】
上記課題を達成するために、本発明のホログラフィック撮像装置は、照明光（Ｑ）で照明された物体から放たれる物体光（Ｏ）のホログラムを取得するデータ取得部と、データ取得部によって取得されたホログラムから物体の画像を再生する画像再生部と、を備え、データ取得部は、光源が放射するコヒーレント光から照明光（Ｑ）、物体光（Ｏ）に対してインラインとなるインライン球面波参照光（Ｌ）、および物体光（Ｏ）に対してオフアクシスとなるオフアクシス球面波参照光（Ｒ）を生成し、これらの光と、物体光（Ｏ）とを伝播させ、さらに物体に対する照明光（Ｑ）の入射方向を変える光学系と、光強度を電気信号に変換して出力する受光素子と、光学系を用いて互いに入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）が異なる平行光となるように照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を生成し、平行光である照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）で物体を照明することにより放射される物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のオフアクシスホログラムである各入射方向毎の物体光ホログラム（Ｉｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）のデータ、およびインライン球面波参照光（Ｌ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のオフアクシスホログラムである参照光ホログラム（ＩＬＲ）のデータを受光素子を介してそれぞれ取得して保存する保存部と、を備え、画像再生部は、参照光ホログラム（ＩＬＲ）と物体光ホログラム（Ｉｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）のデータを用いて、各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の光波を表す物体光波ホログラム（ｇ
ｊ（ｘ，ｙ），ｊ＝１，・・，Ｎ）をホログラム取得面（ｚ＝０）において生成する光波生成部と、物体光波ホログラム（ｇ
ｊ（ｘ，ｙ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の各々をフーリエ変換してホログラム取得面（ｚ＝０）における空間周波数スペクトル（Ｇ
ｊ
（ｕ，ｖ），j=1，・・，Ｎ）を生成し、ホログラム取得面（ｚ＝０）における空間周波数スペクトル（Ｇ
ｊ
（ｕ，ｖ），j=1，・・，Ｎ）のそれぞれを物体の位置（ｚ＝ｚ
ｍ
）まで伝播させて物体の位置（ｚ＝ｚ
ｍ
）における物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）をそれぞれ生成するスペクトル生成部と、物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の各々を、相互相関関数の計算に基づき、空間周波数空間（ｕ，ｖ）の２次元空間においてこれらの物体光空間周波数スペクトルの各々の互いに振幅および位相の変化が共通する領域が重なる
ように移動して配置し、かつ、重なり領域を形成する物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の相互の振幅と位相を補正するための補正係数（ａαβ，α≠β，α，β＝１，・・，Ｎ）を求めて補正係数（ａαβ）を用いて重なり領域において整合させ、より広い周波数空間を占有するように拡大された合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））を生成するスペクトル合成部と、を備え、スペクトル合成部によって生成された合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））を逆フーリエ変換して、物体の画像の再生に用いられる合成物体光波ホログラム（ｈＴ（ｘ，ｙ））を生成する、ことを特徴とする。
ように移動して配置し、かつ、重なり領域を形成する物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の相互の振幅と位相を補正するための補正係数（ａαβ，α≠β，α，β＝１，・・，Ｎ）を求めて補正係数（ａαβ）を用いて重なり領域において整合させ、より広い周波数空間を占有するように拡大された合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））を生成するスペクトル合成部と、を備え、スペクトル合成部によって生成された合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））を逆フーリエ変換して、物体の画像の再生に用いられる合成物体光波ホログラム（ｈＴ（ｘ，ｙ））を生成する、ことを特徴とする。
【0018】
また、本発明のデータ処理方法は、ホログラフィック撮像装置に用いるデータ処理方法であって、物体に対する入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を変えた平行光からなる照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）によって物体を順次照明し、物体から放射される物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）と物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）に対してオフアクシスとなるオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のオフアクシスホログラムである、各入射方向毎の、複数の物体光ホログラム（Ｉｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）のデータを取得し、物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）に対してインラインとなるインライン球面波参照光（Ｌ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のオフアクシスホログラムである参照光ホログラム（ＩＬＲ）のデータを取得し、参照光ホログラム（ＩＬＲ）と物体光ホログラム（Ｉｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）のデータを用いて、各入射方向毎に、ホログラム取得面（ｚ＝０）における物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の光波を表す物体光波ホログラム（ｇ
ｊ（ｘ，ｙ），ｊ＝１，・・，Ｎ）を生成し、物体光波ホログラム（ｇ
ｊ（ｘ，ｙ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の各々をフーリエ変換してホログラム取得面（ｚ＝０）における空間周波数スペクトル（Ｇ
ｊ
（ｕ，ｖ），j=1，・・，Ｎ）を生成し、ホログラム取得面（ｚ＝０）における空間周波数スペクトル（Ｇ
ｊ
（ｕ，ｖ），j=1，・・，Ｎ）のそれぞれを物体の位置（ｚ＝ｚ
ｍ
）まで伝播させて物体の位置（ｚ＝ｚ
ｍ
）における物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）を生成し、物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の各々を、相互相関関数の計算に基づき、空間周波数空間（ｕ，ｖ）の２次元空間においてこれらの物体光空間周波数スペクトルの各々の互いに振幅および位相の変化が共通する領域が重なるように移動して配置し、かつ、重なり領域を形成する物体光空間周波数スペクトル（Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）の相互の振幅と位相を補正するための補正係数（ａαβ，α≠β，α，β＝１，・・，Ｎ）を求めて補正係数（ａαβ）を用いて重なり領域において整合させ、より広い周波数空間を占有するように拡大された合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））を生成し、合成物体光空間周波数スペクトル（ＨＴ（ｕ，ｖ））を逆フーリエ変換して、物体の画像の再生に用いられる合成物体光波ホログラム（ｈＴ（ｘ，ｙ））を生成する、ことを特徴とする。
【0019】
本発明のホログラフィック撮像装置および同装置に用いるデータ処理方法によれば、透過型と反射型のいずれも実現でき、長作動距離広視野または超高分解能を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の第１の実施形態に係るホログラフィック撮像装置に用いるデータ処理方法のフローチャート。
【図4】（ａ）は第２の実施形態に係る透過型のホログラフィック撮像装置の模式的構成を示す側面図、（ｂ）は同装置における正面照明を説明する部分側面図、（ｃ）は同装置における参照光ホログラムの記録を説明する部分側面図。
【図5】（ａ）は同装置の角度変更部の照明光の振り分け用の回転板の平面図、（ｂ）は同角度変更部のレンズ組体の平面図、（ｃ）は同角度変更部の偏向素子組体の平面図。
【図6】（ａ）は同装置を用いて得られるホログラムデータから生成される空間周波数スペクトルを空間周波数空間に配置した模式図、（ｂ）は同装置の変形例によって得られるホログラムデータから生成される空間周波数スペクトルを配置した模式図。
【図7】（ａ）は同装置によるホログラム記録時に、物体と共に撮像される標識パターンの平面図、（ｂ）（ｃ）は同標識パターンの変形例。
【図8】第３の実施形態に係るデータ処理方法における位相調整の処理を説明するフローチャート。
【図9】第４の実施形態に係るデータ処理方法における任意位置での画像再生の処理を説明するフローチャート。
【図10】第５の実施形態に係るデータ処理方法における正面照明光の位相を用いた位相調整の処理を説明するフローチャート。
【図11】第６の実施形態に係る透過型のホログラフィック撮像装置の角度変更部の模式的構成を示す側面図。
【図12】同装置を用いて得られるホログラムデータから生成される空間周波数スペクトルを空間周波数空間に配置した例を示す模式図。
【図13】（ａ）は第７の実施形態に係る反射型のホログラフィック撮像装置の模式的構成を示す側面図、（ｂ）は同装置における正面照明を説明する部分側面図。
【図14】同装置における参照光ホログラムの記録を説明する部分側面図。
【図15】（ａ）は第８の実施形態に係る透過型のホログラフィック撮像装置の模式的構成を示す側面図、（ｂ）は同装置における正面照明を説明する部分側面図。
【図16】（ａ）は同装置における参照光ホログラムの記録を説明する部分側面図、（ｂ）は（ａ）の要部詳細図。
【図17】（ａ）は同装置による物体光ホログラムの記録の際に用いられるマスクの平面図、（ｂ）は同装置による参照光ホログラムの記録の際に用いられるマスクの平面図。
【図18】第９の実施形態に係る反射型のホログラフィック撮像装置の模式的構成を示す側面図。
【図19】同装置における正面照明を説明する側面図。
【図20】同装置におけるオフアクシス球面波参照光の生成と照射を説明する要部側面図。
【図21】同装置における参照光ホログラムの記録を説明する部分側面図。
【図22】（ａ）は第１０の実施形態に係るホログラフィック撮像装置に用いるデータ処理方法の処理の対象となるホログラムの部分図、（ｂ）は（ａ）のホログラムにおける空間サンプリング間隔を増やす様子を示す図。
【図23】（ａ）はホログラムを高速に処理する方法が適用されるホログラムの概念図、（ｂ）は同ホログラムを分割して重ね合わせた概念図、（ｃ）は（ｂ）のホログラムを合成したホログラムの概念図。
【図24】（ａ）は単一のホログラムと再生像の概念図、（ｂ）はホログラムを高速に処理する方法の原理を説明するために複数の再生用ホログラムと再生された複数の像とを示す概念図。
【図25】第１１の実施形態に係るホログラフィック撮像装置のブロック構成図。
【図26】（実施例結果１－１）正面照明光によって得られた物体光の空間周波数スペクトルを示す画像。
【図28】（実施例結果１－２）物体光を９方向からの照明光の各々によって得て、各物体光の空間周波数スペクトルを合成した合成空間周波数スペクトルを示す画像。
【図30】（実施例結果１－３）（ａ）は物体光を４９方向からの照明光の各々によって得て、各物体光の空間周波数スペクトルを合成した合成空間周波数スペクトルを示す画像、（ｂ）は（ａ）の合成空間周波数スペクトルから得られた合成物体光の照明光に対する位相差画像。
【図32】（実施例結果２－１）（ａ）は正面から球面波照明光によって照明して得られた物体光の空間周波数スペクトルを示す画像、（ｂ）は（ａ）の空間周波数スペクトルから得られた物体光の照明光に対する位相差画像。
【図34】（実施例結果２－２）（ａ）は物体光を５方向からの照明光の各々によって得て、各物体光の空間周波数スペクトルを合成した合成空間周波数スペクトルを示す画像、（ｂ）は（ａ）の合成空間周波数スペクトルから得られた合成物体光の照明光に対する位相差画像。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、本発明の一実施形態に係るホログラフィック撮像装置およびホログラフィック撮像装置に用いるデータ処理方法について、図面を参照して説明する。
【0022】
（第１の実施形態：データ処理方法）
図１、図２、図３は、第１の実施形態に係るデータ処理方法を示す。このデータ処理方法は、図１に示すように、データ取得工程（Ｓ１）、光波再生工程（Ｓ２）、初期化工程（Ｓ３）、さらに、入射角方向ループＬＰｓ，ＬＰｅ間の処理に含まれる相互相関工程（Ｓ４）、補正係数算出工程（Ｓ５）、合成工程（Ｓ６）、およびループ処理後の合成光波再生工程（Ｓ７）を備えている。
図１、図２、図３は、第１の実施形態に係るデータ処理方法を示す。このデータ処理方法は、図１に示すように、データ取得工程（Ｓ１）、光波再生工程（Ｓ２）、初期化工程（Ｓ３）、さらに、入射角方向ループＬＰｓ，ＬＰｅ間の処理に含まれる相互相関工程（Ｓ４）、補正係数算出工程（Ｓ５）、合成工程（Ｓ６）、およびループ処理後の合成光波再生工程（Ｓ７）を備えている。
【0023】
本データ処理方法は、斜め入射する平行光による照明光Ｑによって物体を照明し、物体から放射される光である物体光Ｏを参照光Ｒを用いて物体光オフアクシスホログラムＩＯＲとして記録すると、その物体光Ｏの空間周波数スペクトルＨ（ｕ，ｖ）が、照明光Ｑの入射角度θに応じて、空間周波数空間（ｕ，ｖ）においてシフトする、という原理を用いて、ホログラムデータの合成を行う。本実施形態のデータ処理方法は、空間周波数空間（ｕ，ｖ）におけるホログラムデータＩＯＲの合成により、単一のホログラムデータから得られる開口数ＮＡＯよりも大きな値を有する開口数（合成開口数ＮＡＳという）を有するホログラムデータを実現して、分解能の向上を図る。以下、各工程を説明する。
【0024】
データ取得工程（Ｓ１）では、物体に対する入射方向θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎを変えた平行光からなる照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎによって物体を順次照明し、物体から放射される物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎと物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎに対してオフアクシスとなるオフアクシス球面波参照光Ｒとの干渉縞のオフアクシスホログラムである、各入射方向毎の複数の物体光ホログラムＩｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎのデータが取得される。また、物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎに対してインラインとなるインライン球面波参照光Ｌとオフアクシス球面波参照光Ｒとの干渉縞のオフアクシスホログラムである参照光ホログラムＩＬＲのデータが取得される。
【0025】
ここで、ホログラムが形成されるホログラム面と物体とを記述する座標系について説明する。ホログラムは、デジタルホログラフィにおいて、ＣＣＤなどの撮像素子の受光面の位置に形成され、受光面がホログラム面となる。そこで、受光面にｘｙ軸、受光面の法線にｚ軸を設定して、受光面の中央に原点を有する直交座標系ｘｙｚを設定する。受光面は、ｚ＝０であり、物体の位置、例えば平らな表面を有する物体の表面の位置は、ｚ＝ｚｍと表される。これは、受光面と物体が、互いに光学的に正対していることを想定している。受光面と物体が光学的に斜めに対向している場合は、必要に応じて、面間の回転角度に基づく補正処理を追加すればよい。
【0026】
光波再生工程（Ｓ２）では、参照光ホログラムＩＬＲと物体光ホログラムＩｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎのデータを用いて、各入射方向毎に、物体の位置ｚ＝ｚｍにおける物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎの物体光空間周波数スペクトルＨｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎが生成される。光波再生工程（Ｓ２）のより詳細な説明は後述される（図３）。
【0027】
初期化工程（Ｓ３）では、各物体光空間周波数スペクトルＨｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎを合成する処理を行う入射角方向ループＬＰｓ，ＬＰｅに先だって、ｊ＝１の場合の物体光空間周波数スペクトルＨ１（ｕ，ｖ）が、合成空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）に設定される。ここで、ｊ＝１の場合、入射方向θ１＝０が想定されており、物体をその正面から平行照明光Ｑ１によって照射する正面照射が想定されている。平行照明光とは、平行光である照明光のことである。
【0028】
次の一連の入射角方向ループＬＰｓ，ＬＰｅでは、物体光空間周波数スペクトルＨｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎの各々を、空間周波数空間（ｕ，ｖ）の２次元空間において互いに振幅および位相の変化が共通する領域が重なるように所定のシフト量だけ移動して配置し、かつ、各スペクトルＨｊの相互の振幅と位相を補正して重なり領域において整合させ、より広い周波数空間を占有するように拡大された合成物体光空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）を生成する。逆に言えば、物体光ホログラムＩｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎの各々は、このような重なり領域が存在するように、照明光の入射方向θｊを設定して取得されている。
【0029】
相互相関工程（Ｓ４）は、照明光の入射方向θｊを識別するパラメータｊを２からＮまで変化させて順次処理を行う入射角方向ループＬＰｓ，ＬＰｅの最初の処理である。相互相関工程（Ｓ４）では、下式（１）に示す合成空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）と物体光空間周波数スペクトルＨｊ（ｕ，ｖ）との相互相関関数ＣＦ（ｕｓ，ｖｓ）が計算される。下式（１）に示す相互相関関数ＣＦ（ｕｓ，ｖｓ）の計算は、畳み込みの計算である。従って、相互相関関数ＣＦ（ｕｓ，ｖｓ）の計算は、各スペクトルＨＴ
＊（ｕ，ｖ），Ｈｊ（ｕ，ｖ）に対応する各物体光波ホログラムの積ｈＴ（ｘ，ｙ）・ｈｊ＊（ｘ，ｙ）のフーリエ変換によって求めることができる。
【0030】
【数1】
【0031】
図２（ａ）に示すように、空間（ｕｓ，ｖｓ）において相互相関関数ＣＦ（ｕｓ，ｖｓ）の絶対値が最大値となる点の座標として、シフト量（ｕｊ
ｓ，ｖｊ
ｓ）が検出される。点（ｕｊ
ｓ，ｖｊ
ｓ）の位置に、絶対値｜ＣＦ（ｕｓ，ｖｓ）｜のピークが現れる。なお、本例では、ピークの点（ｕｊ
ｓ，ｖｊ
ｓ）がｕｓ軸上に現れているが、物体光ホログラムＩｊ
ＯＲを取得したときの条件に従って、ピークは任意の位置に現れる。相互相関関数ＣＦ（ｕｓ，ｖｓ）の絶対値は、２つの関数の振幅および位相の変化が共通する領域を重ねるための指標である。スペクトルＨｊ（ｕ，ｖ）をシフト量（ｕｊ
ｓ，ｖｊ
ｓ）だけ平行移動させたスペクトルＨｊ（ｕ－ｕｊ
ｓ，ｖ－ｖｊ
ｓ）は、ＨＴ（ｕ，ｖ）に対して共通領域を重ねた配置となる。なお、図中のｕｖ軸における±ａ＝±ＮＡＯ／λで囲まれる領域は、正方形の受光素子、例えばＣＣＤによって、受光される物体光Ｏの取り得る空間周波数帯域を示す。この空間周波数帯域は、受光素子の物体光に対する開口数ＮＡＯと光波長λによって決まる。
【0032】
相互相関工程（Ｓ４）の次の工程では、重なり領域を形成する物体光空間周波数スペクトルＨｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎの相互の振幅と位相を補正するための補正係数ａαβ，α≠β，α，β＝１，・・，Ｎが求められ、その補正係数ａαβを用いて重なり領域における振幅と位相がそれぞれ互いに整合される。より具体的には、補正係数ａαβ，α≠β，α，β＝１，・・，Ｎは、互いに重なり領域を形成する物体光空間周波数スペクトルＨｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎの２つから成る対スペクトルＨα，Ｈβ，α≠βにおいて、重なり領域に含まれる各点（ｕ，ｖ）における互いのスペクトル値の比の平均値として求められ、対スペクトルＨα，Ｈβの一方が各点の振幅値と位相値を補正されて他方に整合される。
【0033】
本実施形態の補正係数算出工程（Ｓ５）では、スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）に対してＨｊ（ｕ－ｕｊ
ｓ，ｖ－ｖｊ
ｓ）の振幅、位相を整合させる補正係数ａｊが求められる。補正係数ａｊは、重なり領域の各点（ｕ，ｖ）における、ＨＴ（ｕ，ｖ）に対するＨｊ（ｕ－ｕｊ
ｓ，ｖ－ｖｊ
ｓ）の比の平均値、として算出される。すなわち、＜＞によって平均値演算を表すと、補正係数ａｊ＝＜Ｈｊ（ｕ－ｕｊ
ｓ，ｖ－ｖｊ
ｓ）／ＨＴ（ｕ，ｖ）＞である。補正の結果、補正後のスペクトルＨｊ（ｕ－ｕｊ
ｓ，ｖ－ｖｊ
ｓ）／ａｊが得られる。多数の比の平均値として補正係数ａｊを設定することにより、ノイズなどによる異常値の影響を排除することができる。
【0034】
合成工程（Ｓ６）では、ＨＴ（ｕ，ｖ）とＨｊ（ｕ－ｕｊ
ｓ，ｖ－ｖｊ
ｓ）／ａｊとを合成して、新たな合成空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）が生成される。ここで、合成は、ＨＴ（ｕ，ｖ）の構成点の集合と、共通領域以外のＨｊ（ｕ－ｕｊ
ｓ，ｖ－ｖｊ
ｓ）／ａｊの構成点の集合との和集合を得る処理である。
【0035】
図２（ｂ）は、ｊ＝２の場合に、空間周波数空間（ｕ，ｖ）において、スペクトルＨ１に、ｊ＝２のスペクトルＨ２を移動配置して、重なり領域Ｈｘを介して互いに合成され、新たな合成物体光空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）が設定される様子を示す。新たなＨＴ（ｕ，ｖ）は、次のｊ＝３のスペクトルＨ３（ｕ，ｖ）との相互相関関数の計算に用いられる。
【0036】
上述のループ処理が終了すると、各物体光空間周波数スペクトルＨｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎを互いに合成し、かつｊ＝２，・・，ＮのスペクトルＨｊ（ｕ，ｖ）の各々の振幅と位相が、正面照明の場合のｊ＝１のスペクトルＨ１（ｕ，ｖ）の振幅と位相に対して整合された合成物体光空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）が得られる。合成物体光空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）は、単一スペクトルの場合に比べて、空間周波数大域が拡張されており、より大きな開口数を有するスペクトルとなっている。
【0037】
合成光波再生工程（Ｓ７）では、合成物体光空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）が逆フーリエ変換され、物体の画像の再生に用いられる合成物体光波ホログラムｈＴ（ｘ，ｙ）が生成される。すなわち、Ｆ－１（＊）によって、＊の逆フーリエ変換を表すと、ｈＴ（ｘ，ｙ）＝Ｆ－１（ＨＴ（ｕ，ｖ））である。合成物体光波ホログラムｈＴ（ｘ，ｙ）によって、高分解能の画像が再生される。
【0038】
次に、図３を参照して、上述の光波再生工程（Ｓ２）を説明する。光波再生工程（Ｓ２）は、複素振幅ホログラム生成工程（Ｓ２１）、インライン化工程（Ｓ２２）、光波ホログラム生成工程（Ｓ２３）、平面波展開工程（Ｓ２４）、および光波伝搬工程（Ｓ２５）を備えている。以下に概要を示した後、ホログラムデータとその処理の詳細を、数式を用いて説明する。
【0039】
複素振幅ホログラム生成工程（Ｓ２１）では、ホログラムＩＯＲ，ＩＬＲ，ｊ＝１，・・，Ｎに空間周波数フィルタリング、を適用して複素振幅ホログラムＪＯＲ，ＪＬＲ，Ｊ＝１，・・，Ｎが生成される。
【0040】
インライン化工程（Ｓ２２）では、複素振幅ホログラムＪＯＲ，ＪＬＲ，ｊ＝１，・・，Ｎからオフアクシス参照光Ｒの成分を除去し、複素振幅インラインホログラムＪＯＬ，ｊ＝１，・・，Ｎが生成される。
【0041】
光波ホログラム生成工程（Ｓ２３）では、複素振幅インラインホログラムＪＯＬ，ｊ＝１，・・，Ｎからインライン参照光Ｌの成分を除去し、物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎのみの物体光波ホログラムｇｊ（ｘ，ｙ），ｊ＝１，・・，Ｎが生成される。
【0042】
平面波展開工程（Ｓ２４）では、物体光ｇｊ（ｘ，ｙ），ｊ＝１，・・，Ｎを平面波展開（フーリエ変換）して、ホログラム面の位置ｚ＝０における空間周波数スペクトルＧｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎが生成される。
【0043】
光波伝搬工程（Ｓ２５）では、空間周波数スペクトルＧｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎをｚ方向に伝搬させ、物体の位置ｚ＝ｚｍにおける空間周波数スペクトルＨｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎが生成される。光波の伝搬は、ｚ方向の波数ｗを用いて実行でき、Ｈｊ（ｕ，ｖ）＝Ｇｊ（ｕ，ｖ）・ｅｘｐ｛ｉ２πｗ・ｚｍ｝となる。
【0044】
（ホログラムデータとその処理）
ホログラムデータとその処理を数式表現に基づいて説明する。ホログラムには、オフアクシス参照光Ｒ、インライン球面波参照光Ｌ、物体光Ｏなどが関与する。ここで、ｘｙｚ右手系直交座標系がホログラム面（受光素子の受光面）の中央に設定されている。位置座標（ｘ，ｙ）を用いて、物体光Ｏ（ｘ，ｙ，ｔ）、オフアクシス参照光Ｒ（ｘ，ｙ，ｔ）、およびインライン球面波参照光Ｌ（ｘ，ｙ，ｔ）を、それぞれ一般的な形で、下式（２）（３）（４）で表す。これらの光は互いにコヒーレントな角周波数ωの光である。各式中の係数、引数、添え字などは、一般的な表現と意味に解釈される。以下の各式において、位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）、空間周波数（ｕ，ｖ，ｗ）の明示などは、適宜省略される。
ホログラムデータとその処理を数式表現に基づいて説明する。ホログラムには、オフアクシス参照光Ｒ、インライン球面波参照光Ｌ、物体光Ｏなどが関与する。ここで、ｘｙｚ右手系直交座標系がホログラム面（受光素子の受光面）の中央に設定されている。位置座標（ｘ，ｙ）を用いて、物体光Ｏ（ｘ，ｙ，ｔ）、オフアクシス参照光Ｒ（ｘ，ｙ，ｔ）、およびインライン球面波参照光Ｌ（ｘ，ｙ，ｔ）を、それぞれ一般的な形で、下式（２）（３）（４）で表す。これらの光は互いにコヒーレントな角周波数ωの光である。各式中の係数、引数、添え字などは、一般的な表現と意味に解釈される。以下の各式において、位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）、空間周波数（ｕ，ｖ，ｗ）の明示などは、適宜省略される。
【0045】
【数2】
【0046】
上式におけるＯ（ｘ，ｙ，ｔ）とＲ（ｘ，ｙ，ｔ）が作る合成光の光強度ＩＯＲ（ｘ，ｙ）、およびＬ（ｘ，ｙ，ｔ）とＲ（ｘ，ｙ，ｔ）が作る合成光の光強度ＩＬＲ（ｘ，ｙ）は、それぞれ下式（５）（６）で表される。これらの光強度ＩＯＲ，ＩＬＲが、受光素子５を通して、ホログラムのデータとして取得される。
【0047】
【数3】
【0048】
上式（５）（６）において、右辺の第１項は物体光Ｏまたはインライン球面波参照光Ｌの光強度成分、第２項はオフアクシス参照光Ｒの光強度成分である。また、各式の第３項と第４項は、それぞれ物体光Ｏまたはインライン球面波参照光Ｌがオフアクシス参照光Ｒによって変調されて作られる、直接像成分と共役像成分である。
【0049】
なお、上記第３項の直接像成分が、必要な物体光Ｏまたは参照光Ｌの情報すなわち上式（２）（４）のＯ０ｅｘｐ（ｉφＯ）とＬ０ｅｘｐ（ｉφＬ）を含む項である。この第３項の直接像成分は、その物体光Ｏまたは参照光Ｌの位相部分［ｉφＯ］，［ｉφＬ］が、これらの光を定義している上式（２）（４）の位相部分［ｉφＯ］，［ｉφＬ］と同じである。他方、第４項の物体光Ｏまたは参照光Ｌの位相部分［－ｉφＯ］，［－ｉφＬ］は、これらの光を定義している上式（２）（４）の位相部分［ｉφＯ］，［ｉφＬ］の複素共役になっており、このことにより、第４項が共役像成分と呼ばれる。
【0050】
オフアクシス参照光Ｒを用いることにより、そのオフアクシスの効果によって、ホログラムを空間周波数空間において表現したときに直接像成分（第３項）が光強度成分（第１，２項）および共役像成分（第４項）から分離するホログラムを取得できる。空間周波数フィルタリングを適用して上式（５）（６）の第３項のみを取り出すことにより、物体光Ｏを記録した物体光複素振幅ホログラムＪＯＲと、インライン球面波参照光Ｌを記録した複素振幅ホログラムＪＬＲが、それぞれ下式（７）（８）のように得られる。これらの複素振幅ホログラムは、オフアクシス参照光Ｒの成分を含んでいるホログラムである。
【0051】
【数4】
【0052】
空間周波数フィルタリングは、上式（５）（６）を空間周波数空間における表現に変換するフーリエ変換と、バンドパスフィルタによるフィルタリングと、その後の、逆フーリエ変換とによって行われる。なお、受光素子における画素が画素ピッチｄで２次元配列されているとすると、受光素子を用いて記録可能なホログラムの最高空間周波数は、空間周波数ｆｓ＝１／ｄとなる。
【0053】
上記の式（７）を式（８）で割る除算処理を行うと、式（７）からオフアクシス参照光Ｒの振幅Ｒ０と位相φＲとを取り除くことができる。この処理は、位相の引き算を行う処理、すなわち周波数変換を行う処理であり、ヘテロダイン変調の処理である。これにより、インライン球面波参照光Ｌに対する物体光Ｏの複素振幅インラインホログラムＪＯＬが下式（９）のように得られる。
【0054】
【数5】
【0055】
ホログラフィック撮像装置に用いるデータ処理方法において、物体に対する入射方向θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎを変えた照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎによって、各入射方向毎の複数の物体光ホログラムＩｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎのデータを取得する場合、これらのホログラムＩｊ
ＯＲに対して共通のホログラムＩＬＲを用いて上式（９）の処理をすることができる。つまり、インライン球面波参照光Ｌについては、１枚のオフアクシスホログラムＩＬＲに記録し、１枚の複素振幅ホログラムＪＬＲを作成しておけばよい。
【0056】
式（９）にＬ０（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（ｉ（φＬ（ｘ，ｙ））を乗じることにより、上式（９）からインライン球面波参照光Ｌの成分を除去することができ、物体光Ｏの光波だけを含んでいるホログラムが得られる。このホログラムの用語は、光波を再生するために必要なデータを全て含んでいるという意味で用いられている。インライン球面波参照光Ｌの振幅Ｌ０（ｘ，ｙ）は、一定値であると見做して残しておくこともできる。位相成分ｅｘｐ（ｉ（φＬ（ｘ，ｙ））は、参照光Ｌが球面波であることから、その集光点の位置を受光素子に対して求めておくことにより、容易に関数式の形に求めることができる。
【0057】
インライン球面波参照光Ｌは、参照光Ｒのデータをオフアクシスホログラムである参照光ホログラムＩＬＲとして取得して保存するための参照光であり、かつ、ホログラムデータのディジタル処理における基準光としての役割を有する。インライン球面波参照光Ｌは、参照光Ｒのデータを含まないホログラムである複素振幅インラインホログラムＪＯＬを生成するために用いられる。インライン球面波参照光Ｌは、その球面波としての特性により、集光点の位置と波長または周波数とを決めることにより、数式で表現して、ディジタル処理に用いることができる。
【0058】
インライン球面波参照光Ｌの集光点の位置（ホログラム面からの距離）の情報は、インライン球面波参照光Ｌを照明光として用いて寸法既知パターンを有する目盛板などの物体を照明し、その目盛の画像をホログラムＩＳＲとして取得することによって得られる。ホログラムＩＳＲから目盛板の画像を再生する際に、ホログラム面から参照光Ｌの集光点までの距離がパラメータとして用いられる。再生画像が原寸大の大きさに再生できるパラメータの値が、参照光Ｌの集光点までの距離となる。画像再生面における再生画像の寸法は、受光素子（例えばＣＣＤ）の既知の画素ピッチによって測定できる。
【0059】
式（９）にＬ０（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（ｉ（φＬ（ｘ，ｙ））を乗じることにより、振幅因子Ｌ０（ｘ，ｙ）による振幅変調と、位相因子ｅｘｐ（ｉ（φＬ（ｘ，ｙ））によるヘテロダイン変調が実行され、受光素子５の表面（ホログラム面、ｘｙ平面、または面ｚ＝０）における物体光Ｏの光波を表す光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）が下式（１０）のように得られる。光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）を生成する工程は、物体光Ｏを再生する工程である。光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）の絶対値の２乗｜ｇ（ｘ，ｙ）｜２をディスプレイに表示して、物体光Ｏを画像として見ることができる。
【0060】
【数6】
【0061】
（物体光の平面波展開）
電磁波に関するヘルムホルツ方程式の厳密解として平面波がある。この厳密解である平面波を用いて物体光Ｏの光波を展開することができる。この平面波展開は、上式（１０）の光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換することにより実行される。すなわち、フーリエ変換が平面波展開である。平面波展開の結果、物体光Ｏについての空間周波数スペクトルＧ（ｕ，ｖ）が下式（１１）のように得られる。空間周波数スペクトルＧ（ｕ，ｖ）は、波数ベクトル（ｕ，ｖ）を有する平面波の複素振幅であり、複素振幅Ｇ（ｕ，ｖ）とも称される。
電磁波に関するヘルムホルツ方程式の厳密解として平面波がある。この厳密解である平面波を用いて物体光Ｏの光波を展開することができる。この平面波展開は、上式（１０）の光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換することにより実行される。すなわち、フーリエ変換が平面波展開である。平面波展開の結果、物体光Ｏについての空間周波数スペクトルＧ（ｕ，ｖ）が下式（１１）のように得られる。空間周波数スペクトルＧ（ｕ，ｖ）は、波数ベクトル（ｕ，ｖ）を有する平面波の複素振幅であり、複素振幅Ｇ（ｕ，ｖ）とも称される。
【0062】
【数7】
【0063】
上式（１１）中のｕ，ｖは、それぞれｘ方向とｙ方向のフーリエ空間周波数である。ｚ方向のフーリエ空間周波数ｗは、下式（１２）のように、平面波の分散式（波数と波長の関係式）から求められる。分散式は、（ｎ／λ）２の形で屈折率ｎを含む。下式（１２）はｎ＝１の場合を示し、λは光波長である。
【0064】
【数8】
【0065】
（開口数と合成開口数）
ここで、光波合成によるホログラフィック撮像装置の高分解能化について説明する。波長λの垂直入射平行照明光、つまり入射角θｉ＝０の平行照明光を間隔ｄの回折縞に入射させると、回折角θｒと波長λおよび間隔ｄとの関係式として下式（１３）が成り立つ。回折縞の空間周波数ｕは下式（１４）である。開口数がＮＡＯである正方形の受光素子で回折光を記録する場合、記録可能な回折縞の空間周波数帯域は下式（１５）と表せる。この空間周波数帯域幅に対する理論分解能δは下式（１６）となる。
ここで、光波合成によるホログラフィック撮像装置の高分解能化について説明する。波長λの垂直入射平行照明光、つまり入射角θｉ＝０の平行照明光を間隔ｄの回折縞に入射させると、回折角θｒと波長λおよび間隔ｄとの関係式として下式（１３）が成り立つ。回折縞の空間周波数ｕは下式（１４）である。開口数がＮＡＯである正方形の受光素子で回折光を記録する場合、記録可能な回折縞の空間周波数帯域は下式（１５）と表せる。この空間周波数帯域幅に対する理論分解能δは下式（１６）となる。
【0066】
【数9】
【0067】
受光素子の開口数はＮＡＯ＜１であるので、光学的な解像限界はλ／２となる。これは、伝搬する物体光を開口数ＮＡＯのホログラムとして記録したときの解像限界を表す。
【0068】
入射角θｉの斜め平行照明光の場合には、上式（１３）の関係式は下式（１７）となる。回折縞の空間周波数ｕは下式（１８）となるので、開口数ＮＡＯの正方形受光素子で記録する場合、記録可能な回折縞の空間周波数帯域は下式（１９）と表すことができ、斜め平行照明光によって空間周波数帯域はシフトする。照明光の入射角θｉを－ＮＡＱ＜ｓｉｎθｉ＜ＮＡＱの範囲で変化させると、記録可能な回折縞の空間周波数帯域を下式（２０）の範囲まで拡大することができる。
【0069】
【数10】
【0070】
入射角θｉ＝０の垂直照明の場合、空間周波数ｕが－（１／λ）以下および（１／λ）以上の回折縞成分によって発生する波は伝搬できないエバネッセント波となる。斜め照明の場合には、このエバネッセント波の一部が斜め照明によって伝搬可能な波に変化する。式（２０）中のＮＡＱ＋ＮＡＯは、照明光の入射角変化によって拡大された開口数を表す。開口数はＮＡＯ＜１およびＮＡＱ＜１であるので、照明光の方向を変えながら物体光を記録すると開口数ＮＡＳ＝ＮＡＱ＋ＮＡＯを最大２まで大きくできる。また、記録可能な最大の空間周波数帯域は下式（２１）となる。
【0071】
【数11】
【0072】
（第２の実施形態：透過型の長作動距離広視野撮像装置）
図４乃至図７を参照して、第２の実施形態に係る透過型のホログラフィック撮像装置１を説明する。ホログラフィック撮像装置１は、第１の実施形態のデータ処理方法を用いる装置であり、長作動距離を有し、かつ広視野撮像を実現できる装置である。
図４乃至図７を参照して、第２の実施形態に係る透過型のホログラフィック撮像装置１を説明する。ホログラフィック撮像装置１は、第１の実施形態のデータ処理方法を用いる装置であり、長作動距離を有し、かつ広視野撮像を実現できる装置である。
【0073】
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、ホログラフィック撮像装置１は、照明光Ｑで照明された透光性の物体４から放たれる物体光Ｏのホログラムを取得するデータ取得部１０と、データ取得部１０によって取得されたホログラムから物体４の画像を再生する画像再生部１２と、を備えている。データ取得部１０は、光を成形し伝搬させる光学系２と光強度を電気信号に変換して出力する受光素子５と、オフアクシスホログラムのデータを受光素子５を介して取得してメモリに保存する保存部６と、を備えている。ホログラフィック撮像装置１は、コンピュータから成る制御部１１によって制御され、保存部６と画像再生部１２とは制御部１１に備えられている。以下、各部を説明する。
【0074】
光学系２は、光源２０が放射するコヒーレント光２０ａから照明光Ｑ、物体光Ｏに対してインラインとなるインライン球面波参照光Ｌ、および物体光Ｏに対してオフアクシスとなるオフアクシス球面波参照光Ｒを生成し、これらの光と、物体光Ｏとを伝播させる。光学系２は、ビームスプリッタＢＳを備えて、コヒーレント光２０ａを、照明光Ｑ、インライン球面波参照光Ｌ、およびオフアクシス球面波参照光Ｒを生成するための光に分岐する。また、光学系２は、物体４に対する照明光Ｑの入射方向を変える角度変更部３を備えている。
【0075】
ここで、照明光の光軸Ａｘを、受光素子５の中心に向かう、受光素子５の光学的な中心軸によって定義する。光軸Ａｘは、ホログラム面に定義されるｚ軸に一致する。照明光Ｑ用の光学系２は、光軸Ａｘに沿って、コヒーレント光２０ａをコーン状に広げるレンズ２１と、角度変更部３と、４５°配置された反射鏡Ｍ１と、４５°配置されたハーフミラーＨＭとを有する。反射鏡Ｍ１とハーフミラーＨＭとの間に透光性の物体４が配置される。ハーフミラーＨＭは、受光素子５に４５°の角度で対向している。レンズ２１によってコーン状に広げられた光は、角度変更部３に入射される。
【0076】
角度変更部３は、構成部品として、回転板３ａと、レンズ組体３ｂと、偏向素子組体３ｃを備えている（図５を参照）。回転板３ａ、レンズ組体３ｂ、および偏向素子組体３ｃは、照明光の光軸Ａｘを共通の中心軸としている。回転板３ａは光軸Ａｘ回りに回転自在とされている。レンズ組体３ｂと偏向素子組体３ｃは、ホログラフィック撮像装置１に固定されている。回転板３ａは、シャッタ３２を持つ円形の中心開口３０と偏芯位置に設けられた偏芯開口３１とを有し、コーン状に広がる光を受けて、光軸Ａｘの回りに間欠的に回転することによりコーン状に広がる光を照明光Ｑとするために振り分ける。シャッタ３２を開けることにより、物体４を正面から照明する照明光Ｑｊ，ｊ＝１が、中心開口３０から放射される。この正面照明の場合、シャッタ３２は、偏芯開口３１を閉じるために用いられる。
【0077】
レンズ組体３ｂは、回転板３ａによって振り分けられた光の各々を平行光にするための、光軸Ａｘの回りに配置された複数のレンズ２２と、正面照明光を平行光にするため光軸Ａｘ上に配置されたレンズ２２とを有している。各レンズ２２は、支持板２２ａに固定されている。偏向素子組体３ｃは、レンズ組体３ｂからの平行光の各々が照明光の光軸Ａｘ上の一点を通過するように平行光の向きを変えるプリズム２３を有している。各プリズム２３は、光軸Ａｘの回りに配置されるように、支持板２３ａに固定されている。支持板２３ａは、正面照明光を透過させるための中心開口３０ａを有している。
【0078】
本実施形態の角度変更部３は、レンズ組体３ｂが円周状に配列されたレンズ２２を８個有し、偏向素子組体３ｃが、レンズ組体３ｂの円周状に配列されたレンズ２２に対応させて、円周状に配列されたプリズム２３を８個有している。回転板３ａは、間欠的に回転して、その偏芯開口３１がレンズ組体３ｂの円周状に配列されたレンズ２２の１つに対応する位置毎に停止する。円周上のレンズ２２およびそのレンズと対になるプリズム２３は、偏芯開口３１からの光を受けて、光軸Ａｘに対して所定の角度で交わる平行光からなる照明光Ｑｊ，ｊ＝２，・・，９を生成する。なお、本実施形態において、レンズ２２とプリズム２３の対が８個とされているが、８個に限られず、任意個数の対とすることができる。また、偏向素子組体３ｃは、プリズム２３に替えて回折格子を備える構成としてもよい。
【0079】
角度変更部３の前方の反射鏡Ｍ１は、照明光の光軸Ａｘを直角に曲げて物体４に向かわせる。角度変更部３を通して生成される照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，９は、物体４の位置で、照明光の光軸Ａｘ上の一点を通過する。すなわち、照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，９は、物体４の位置に集光点を有する。
【0080】
オフアクシス球面波参照光Ｒ用の光学系は、コヒーレント光２０ａから球面波を生成する集光レンズ２４を有する。集光レンズ２４を通過した光は、集光点Ｐ１を形成した後、広がりながら受光素子５の前方のハーフミラーＨＭを透過して、受光素子５に入射する。集光レンズ２４の光軸は、参照光Ｒをオフアクシスとするために受光素子５の法線に対して傾斜している。
【0081】
インライン球面波参照光Ｌ用の光学系は、コヒーレント光２０ａから球面波を生成する集光レンズ２５を有する。集光レンズ２５の光軸は、照明光の光軸Ａｘ、すなわち受光素子５の中心に向かう光学的な中心軸に一致している。集光レンズ２５を通過した光は、物体４が配置される位置で、集光点Ｐ２を形成した後、広がりながら受光素子５の前方のハーフミラーＨＭで反射して、受光素子５に入射する。
【0082】
インライン球面波参照光Ｌは、その光波が、解析的に表されてデータ処理に用いられることを前提にしている。球面波を解析的に表わすには、球面波の波長と球面波の中心位置が把握されていればよい。逆に、インライン球面波参照光Ｌそのものも、解析的なデータ処理に対応できるように、歪のない球面波として生成される。そこで、インライン球面波参照光Ｌ用の光学系は、集光点Ｐ２の位置にピンホールを有するマスクＭｓｋを備えることにより、インライン球面波参照光Ｌを、歪やノイズのない球面波として生成する。
【0083】
集光点Ｐ２は、照明光の光軸Ａｘ上にあることから、インライン球面波参照光Ｌは、物体光ホログラムと参照光ホログラムとを互いに重ねたときに、物体光Ｏとインライン関係となる。また、オフアクシス球面波参照光Ｒは、物体光Ｏに対してオフアクシスの関係に設定されており、同様に、インライン球面波参照光Ｌに対してオフアクシスの関係にある。また、集光点Ｐ１とＰ２とは、光学的に互いに近接するように設定されている。この設定により、参照光ホログラムＩＬＲの空間周波数帯域を狭くすることができる。
【0084】
本実施形態のホログラフィック撮像装置１の光学系２は、物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎに対する受光素子５の開口数ＮＡＯがゼロに近い値となる構成とされている。このホログラフィック撮像装置１は、多数枚の物体光ホログラムＩｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎのデータを用いて合成物体光空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）を生成することにより合成物体光空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）によって定まる合成開口数が１に近づく。この光学系では、受光素子５から被写体（物体４）までの距離を大きく取ることができ、サイズの大きい被写体を撮像することができる。
【0085】
次に、ホログラフィック撮像装置１の動作を説明する。光学系２の角度変更部３を用いて互いに入射方向θｊ，ｊ＝１，・・，９が異なる平行光である照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，９が生成される。照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，９で透光性の物体４を照明することにより、物体４から放射される物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，９とオフアクシス球面波参照光Ｒとの干渉縞のオフアクシスホログラムである各入射方向毎の物体光ホログラムＩｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，９のデータが受光素子５を介して取得され保存部６に保存される。
【0086】
物体光ホログラムＩｊ
ＯＲは、ｊ＝１の正面照明の場合だけ、物体４を透過した照明光Ｑの情報を有している。他の斜め照明光Ｑｊ，ｊ＝２，・・，９の場合、照明光Ｑが受光素子５に入射することはなく、従って、物体光ホログラムＩｊ
ＯＲは、照明光Ｑの情報を含まない。
【0087】
参照光ホログラムＩＬＲのデータは、インライン球面波参照光Ｌとオフアクシス球面波参照光Ｒとの干渉縞のオフアクシスホログラムとして、受光素子５を介して取得され保存部６に保存される。参照光ホログラムＩＬＲは、オフアクシス球面波参照光Ｒのデータを記録し保存するものである。参照光ホログラムＩＬＲは、物体光複素振幅ホログラムＪｊ
ＯＲからオフアクシス球面波参照光Ｒの成分を除去するために用いられる。従って、物体光ホログラムＩｊ
ＯＲを取得する際のオフアクシス球面波参照光Ｒが一定の状態に保たれている限り、そのオフアクシス球面波参照光Ｒによる参照光ホログラムＩＬＲが１枚だけあればよい。
【0088】
図６（ａ）は、ホログラフィック撮像装置１で得られたホログラムのデータを、第１の実施形態で説明したデータ処理方法によって処理して生成される空間周波数スペクトルを空間周波数空間に配置して得た合成空間周波数スペクトルＨＴを示す。回転対称の角度変更部３を用いて生成した照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，９を用いたことにより、空間周波数スペクトルＨｊ、ｊ＝２，・・，９が円周上に配置されている。図６（ｂ）は、角度変更部３の変形例を用いて物体光ホログラムＩｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，２１を取得して合成空間周波数スペクトルＨＴを生成した例を示す。この変形例は、角度変更部３の外周円上に、レンズ２２とプリズム２３の対を１２個追加したものである。
【0089】
図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、ホログラフィック撮像装置１で物体光ホログラムＩｊ
ＯＲ，のデータを取得する際に、物体４と共に撮像される標識パターンＭＰを示す。このような標識パターンＭＰは、透光性の物体４の前方または後方に、物体４に密着させて、または離間させて配置することができる。標識パターンＭＰは、例えば、透明ガラスに成膜した金属膜をエッチング処理して形成したものである。ここに示した標識パターンＭＰは、回転対称の図形パターンであり、空間周波数空間において放射状の特徴的なパターンとなる。相互相関関数の計算の際に、標識パターンＭＰに対応する空間周波数スペクトルに基づいて相関関数の計算を、計算誤差を低減して行うことができる。
【0090】
本実施形態のホログラフィック撮像装置１によれば、照明光の伝播方向を切り替えながら多数枚の物体光を記録することにより、多数枚の小開口数物体光から大開口数物体光を合成でき、合成物体光から高分解能な広視野画像を再生することが可能になる。記録枚数を増やして合成物体光の開口数を１に近い値まで大きくすると、再生画像のサイズを変えないで画像の解像度を光波長の２分の１まで高めることができる。ホログラフィック撮像装置１によれば、被写体から遠い位置で高分解能な広視野３次元像を記録再生できる長作動距離広視野ホログラフィック顕微鏡が実現される。
【0091】
本実施形態のホログラフィック撮像装置１によれば、長い作動距離と広い視野を持つ３次元顕微鏡を実現でき、体積の大きい溶液中の培養細胞の顕微観察や広い物体表面上の微小なキズやホコリの検出・検査を高速に行う手段とすることができる。他方、従来の高分解能光学顕微鏡の作動距離は通常１センチ以下であり、観察可能な視野の広さは光学系の分解能と受光素子の画像数から定まっている。また、従来の光学顕微鏡技術を使って長い作動距離と広い視野を持つ光学顕微鏡を開発するには、径の大きい対物レンズや膨大な画素数を持つ受光素子が必要であり、実用化は困難である。
【0092】
（第３の実施形態：データ処理方法）
図８を参照して、第３の実施形態に係るデータ処理方法における位相調整の処理を説明する。本実施形態は、照明光の位相による物体光の位相調整の方法を示すものであり、この処理により、位相差画像の観察が可能となる。この処理は、第１の実施形態におけるフローチャートに示した処理の継続として実施することができる。
図８を参照して、第３の実施形態に係るデータ処理方法における位相調整の処理を説明する。本実施形態は、照明光の位相による物体光の位相調整の方法を示すものであり、この処理により、位相差画像の観察が可能となる。この処理は、第１の実施形態におけるフローチャートに示した処理の継続として実施することができる。
【0093】
照明光抽出工程（Ｓ８）では、物体光ホログラムＩｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎのうち、照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎの何れかである特定照明光Ｑｋの情報を含む特定物体光ホログラムＩｋ
ＯＲから、照明光データが抽出される。特定照明光Ｑｋは、例えば、物体を正面から照明する平行照明光である。特定照明光Ｑｋのデータは、参照光ホログラムＩＬＲを用いて、適宜の位置ｚ＝ｚｐで、抽出される。参照光ホログラムＩＬＲは、物体光ホログラムＩｋ
ＯＲ，から、複素振幅インラインホログラムＪｋ
ＯＬを生成するために用いられる。続いて、複素振幅インラインホログラムＪｋ
ＯＬから球面波参照光Ｌの成分が除去された物体光波ホログラムｇｋ（ｘ，ｙ）が生成される。これらの処理は、ホログラム面ｚ＝０で行われる。この物体光波ホログラムｇｋ（ｘ，ｙ）は、特定照明光Ｑｋのデータを含むホログラムである。
【0094】
物体光波ホログラムｇｋ（ｘ，ｙ）から特定照明光Ｑｋのデータを抽出するために、物体光波ホログラムｇｋ（ｘ，ｙ）すなわち物体光波が、適宜の位置ｚ＝ｚｐに伝搬される。適宜の位置ｚ＝ｚｐは、空間周波数空間において物体光Ｏｋと特定照明光Ｑｋとが分離でき、フィルタリングによって特定照明光Ｑｋだけを取り出すことができる位置であり、例えば、特定照明光Ｑｋが集光点を有する場合はその集光点の位置である。平行光の照明光の場合は、数値レンズ（ニューメリカルレンズ）を用いる数値処理によって特定照明光Ｑｋを任意の位置に集光させて特定照明光Ｑｋを取り出し、集光した特定照明光Ｑｋを再び数値処理して平行光に戻せばよい。なお、照明光Ｑを取り出すこのような手法は、他の物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎにノイズとして照明光Ｑが混入した場合に、ノイズ除去の方法として用いることができる。
【0095】
第１の実施形態の場合、照明光は全て平行光と想定されているが、特定照明光Ｑｋは、平行光ではない、例えば適宜の位置ｚ＝ｚｐに集光点を有する照明光が特定照明光Ｑｋとして記録されている場合、位置ｚ＝ｚｐにおいて、分散する物体光から局在する照明光を、より純粋な状態で抽出することができる。適宜の位置ｚ＝ｚｐで抽出された特定照明光Ｑｋの光波は、物体の位置ｚ＝ｚｍに伝搬されて、物体の位置ｚ＝ｚｍにおける照明光波ホログラムｄ（ｘ，ｙ）とされる。
【0096】
照明光位相計算工程（Ｓ９）では、照明光波ホログラムｄ（ｘ，ｙ）を用いて、特定照明光Ｑｋについての照明光波位相成分ξ（ｘ，ｙ）＝ｄ（ｘ，ｙ）／｜ｄ（ｘ，ｙ）｜が算出される。
【0097】
位相調整工程（Ｓ１０）では、合成物体光波ホログラムｈＴ（ｘ，ｙ）を照明光波位相成分ξ（ｘ、ｙ）で割り算して位相を調整した合成物体光波ホログラムｈＴ（ｘ，ｙ）／ξ（ｘ，ｙ）が生成される。
【0098】
（第４の実施形態：データ処理方法）
図９を参照して、第４の実施形態に係るデータ処理方法における任意位置ｚａでの合成物体光波ホログラムの生成を説明する。
図９を参照して、第４の実施形態に係るデータ処理方法における任意位置ｚａでの合成物体光波ホログラムの生成を説明する。
【0099】
スペクトル生成整合工程（＃１）では、まず、物体の位置ｚ＝ｚｍにおける物体光空間周波数スペクトルＨｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎを任意の位置ｚ＝ｚａにおける物体光空間周波数スペクトルＨｊ
ａ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎとする。得られた任意位置ｚ＝ｚａにおける空間周波数スペクトルＨｊ
ａ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎを、物体位置ｚ＝ｚｍで求めたａｊ，ｕｊ
ｓ，ｖｊ
ｓを用いて、シフトおよび補正する。このシフトおよび補正の処理は、第１の実施形態における相互相関工程（Ｓ４）のシフト量（ｕｊ
ｓ，ｖｊ
ｓ）、および補正係数算出工程（Ｓ５）の補正係数ａｊを用いる。この処理により、空間周波数空間における所定の位置に移動配置され、振幅および位相が調整された変換スペクトルＫｊ
ａ（ｕ，ｖ）＝Ｈｊ
ａ（ｕ－ｕｊ
ｓ，ｖ－ｖｊ
ｓ）／ａｊ，ｊ＝１，・・，Ｎが生成される。
【0100】
合成工程（＃２）では、第１の実施形態における合成工程（Ｓ６）と同様に、変換スペクトルＫｊ
ａ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎを合成して、任意位置ｚ＝ｚａにおける、合成空間周波数スペクトルＨＴａ（ｕ，ｖ）が生成される。空間周波数スペクトルＨＴａ（ｕ，ｖ）は、変換スペクトルの和集合、すなわち、ＨＴａ（ｕ，ｖ）＝｛Ｋｊ
ａ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ｝である。
【0101】
合成光波生成工程（＃３）では、第１の実施形態における工程（Ｓ７）と同様に、合成空間周波数スペクトルＨＴａ（ｕ，ｖ）を逆フーリエ変換して、任意位置ｚ＝ｚａにおける、合成物体光波ホログラムｈＴａ（ｘ，ｙ）＝Ｆ－１（ＨＴａ（ｕ，ｖ））が生成される。
【0102】
（第５の実施形態：データ処理方法）
図１０を参照して、第５の実施形態に係るデータ処理方法における正面照明光の位相を用いた位相調整の処理を説明する。この実施形態のデータ処理は、物体を正面から非平行光である正面照明光Ｑｆによって照明した場合において、正面照明光の位相を用いた位相調整の処理に適用できる一般的な処理であり、平行光である正面照明光によって照明した場合にも適用できる。この実施形態のデータ処理（Ｓ３１～Ｓ３４）は、第１の実施形態におけるｊ＝１のデータのみが非平行光である正面照明光Ｑ１の場合に、初期化工程（Ｓ３）に取って代わることにより、他の処理は第１の実施形態の処理をそのまま用いて、合成光波ｈＴ（ｘ，ｙ）を生成可能とする処理である。
図１０を参照して、第５の実施形態に係るデータ処理方法における正面照明光の位相を用いた位相調整の処理を説明する。この実施形態のデータ処理は、物体を正面から非平行光である正面照明光Ｑｆによって照明した場合において、正面照明光の位相を用いた位相調整の処理に適用できる一般的な処理であり、平行光である正面照明光によって照明した場合にも適用できる。この実施形態のデータ処理（Ｓ３１～Ｓ３４）は、第１の実施形態におけるｊ＝１のデータのみが非平行光である正面照明光Ｑ１の場合に、初期化工程（Ｓ３）に取って代わることにより、他の処理は第１の実施形態の処理をそのまま用いて、合成光波ｈＴ（ｘ，ｙ）を生成可能とする処理である。
【0103】
照明光抽出工程（Ｓ３１）では、参照光ホログラムＩＬＲと、正面照明光Ｑ１の情報を含む物体光ホログラムＩ１
ＯＲとから、適宜の位置ｚ＝ｚｐで、照明光データを抽出し、物体の位置ｚ＝ｚｍにおける照明光波ホログラムｄ（ｘ，ｙ）が生成される。ここで、ｊ＝１の照明光Ｑ１が正面照明光とされているが、ｊによる番号付け任意であり、以下では、ｊ＝１の代わりにｆが用いられる。
【0104】
そこで、より一般的に述べると、まず、物体を正面から非平行光である正面照明光Ｑｆによって照明することにより放射される物体光Ｏｆ、正面照明光Ｑｆ、およびオフアクシス球面波参照光Ｒの干渉縞のオフアクシスホログラムである正面照明物体光ホログラムＩｆ
ＯＲのデータを取得する。取得された参照光ホログラムＩＬＲと正面照明物体光ホログラムＩｆ
ＯＲのデータを用いて、物体の位置ｚ＝ｚｍにおける、正面照明による物体光Ｏｆの光波を表す正面照明物体光波ホログラムｈｆ（ｘ，ｙ）と、正面照明光Ｑｆの光波を表す照明光波ホログラムｄ（ｘ，ｙ）とが生成される。このホログラムｈｆ（ｘ，ｙ）とｄ（ｘ，ｙ）を生成する処理は、第３の実施形態における照明光抽出工程（Ｓ８）で説明したフィルタリング処理を用いて行われる。
【0105】
照明光位相計算工程（Ｓ３２）では、照明光波ホログラムｄ（ｘ，ｙ）を用いて正面照明光Ｑｆについての照明光波位相成分ξ（ｘ，ｙ）＝ｄ（ｘ，ｙ）／｜ｄ（ｘ，ｙ）｜を算出し、正面照明物体光波ホログラムｈｆ（ｘ，ｙ）を照明光波位相成分ξ（ｘ，ｙ）で割り算して位相を調整した正面照明物体光波ホログラムｈｆ（ｘ，ｙ）／ξ（ｘ，ｙ）が生成される。第３の実施形態における照明光位相計算工程（Ｓ９）では位相調整処理が、最終の合成物体光波ホログラムｈＴ（ｘ，ｙ）に対して行われているが、本実施形態では合成前のホログラムに対して行われている。
【0106】
位相調整工程（Ｓ３３）では、位相調整物体光波ｈｆ（ｘ，ｙ）／ξ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換して正面照明による物体光Ｏｆの物体光空間周波数スペクトルＨｆ（ｕ，ｖ）が生成される。
【0107】
初期化工程（Ｓ３４）では、位相調整後のＨｆ（ｕ，ｖ）を、Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１としてｊによる符号付けを行い、第１の実施形態における初期化工程（Ｓ３）と同様に、Ｈｆ（ｕ，ｖ）＝Ｈｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１を、合成空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）とする。合成物体光波ホログラムｈＴ（ｘ，ｙ）を得る処理は、第１の実施形態の処理と同様である。
【0108】
第１の実施形態とは切り離して述べると、正面照明による物体光空間周波数スペクトルＨｆ（ｕ，ｖ）を基準にして、相互相関関数の計算に基づき複数の物体光空間周波数スペクトルＨｊ（ｕ，ｖ），ｊ＝１，・・，Ｎ）を順次を配置し、合成物体光空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）が生成される。各スペクトルＨｊ（ｕ，ｖ）間の振幅と位相の補正処理は、第１の実施形態と同様にスペクトルＨｊを順次を配置する際に逐次行ってもよく、配置完了後に行ってもよい。
【0109】
（第６の実施形態：透過型の長作動距離広視野撮像装置）
図１１、図１２を参照して、第６の実施形態に係る透過型のホログラフィック撮像装置の角度変更部の模式的構成を説明する。図１１に示すように、本実施形態の角度変更部３は、平行光である照明光Ｑを任意方向に偏向させる２軸回転反射鏡ＭＶと、２つのレンズ２２を組み合わせた４ｆレンズ系とを備えて構成されている。４ｆレンズ系は、ある放射点から任意方向に伝搬される平行光を、放射点から離れた収束点を通過するように、伝搬させる光学系である。本実施形態では、２軸回転反射鏡ＭＶの位置に放射点、物体４の位置に収束点が設定される。
図１１、図１２を参照して、第６の実施形態に係る透過型のホログラフィック撮像装置の角度変更部の模式的構成を説明する。図１１に示すように、本実施形態の角度変更部３は、平行光である照明光Ｑを任意方向に偏向させる２軸回転反射鏡ＭＶと、２つのレンズ２２を組み合わせた４ｆレンズ系とを備えて構成されている。４ｆレンズ系は、ある放射点から任意方向に伝搬される平行光を、放射点から離れた収束点を通過するように、伝搬させる光学系である。本実施形態では、２軸回転反射鏡ＭＶの位置に放射点、物体４の位置に収束点が設定される。
【0110】
図１２に示すように、この角度変更部３を用いて、１つの正面照明光と、８つの斜入射照明光とを生成して物体光ホログラムを得て生成した物体光波の合成空間周波数スペクトルＨＴは、各スペクトルＨｊを格子状に配列した形状と成る。なお、図中に記載の空間周波数帯域の用語は、空間周波数スペクトルと同じ意味合いで用いられている。
【0111】
本実施形態における角度変更部３の機械的動作部は２軸回転反射鏡ＭＶであり、上述の図４、図５に示した第２の実施形態における機械的動作部は回転板３ａである。いずれの角度変更部３も安定的に再現性良く角度変更した照明光Ｑを生成することができる。
【0112】
（第７の実施形態：反射型の長作動距離広視野撮像装置）
図１３、図１４を参照して、第７の実施形態に係る反射型のホログラフィック撮像装置を説明する。本実施形態のホログラフィック撮像装置１は、第２の実施形態に係る透過型のホログラフィック撮像装置１を反射型に構成したものである。この反射型のホログラフィック撮像装置１は、透過型の装置と同様に、長作動距離を有し、かつ広視野撮像を実現できる。
図１３、図１４を参照して、第７の実施形態に係る反射型のホログラフィック撮像装置を説明する。本実施形態のホログラフィック撮像装置１は、第２の実施形態に係る透過型のホログラフィック撮像装置１を反射型に構成したものである。この反射型のホログラフィック撮像装置１は、透過型の装置と同様に、長作動距離を有し、かつ広視野撮像を実現できる。
【0113】
図１３（ａ）（ｂ）に示すように、ホログラフィック撮像装置１は、第２の実施形態における角度変更部３と同様の角度変更部３を備えている。角度変更部３を通して生成された平行光である照明光Ｑは、そのまま直進して物体４を照明する。照明された物体４の表面から放射される物体光Ｏは、照明光Ｑに対して逆進し、受光素子５の前面に置かれたハーフミラーＨＭで反射されて受光素子５に入射する。
【0114】
オフアクシス球面波参照光Ｒは、集光レンズ２４を通って集光点Ｐ１を形成した後、広がりながら反射鏡Ｍ２で反射されて受光素子５に向い、受光沿い５の前方のハーフミラーＨＭを透過して、受光素子５に入射する。
【0115】
インライン球面波参照光Ｌは、図１４に示すように、球面波を生成する集光レンズ２５を通って集光点Ｐ２を形成した後、広がりながら受光素子５の前方のハーフミラーＨＭで反射して、受光素子５に入射する。インライン球面波参照光Ｌの光学系は、集光点Ｐ２の位置にピンホールを有するマスクＭｓｋを有する。
【0116】
（第８の実施形態：透過型の超高分解能顕微鏡）
図１５、図１６、図１７を参照して、第８の実施形態に係る透過型のホログラフィック撮像装置を説明する。本実施形態のホログラフィック撮像装置１は、第１の実施形態のデータ処理方法を用いる装置であり、超高分解能を有する透過型の顕微鏡を実現できる。
図１５、図１６、図１７を参照して、第８の実施形態に係る透過型のホログラフィック撮像装置を説明する。本実施形態のホログラフィック撮像装置１は、第１の実施形態のデータ処理方法を用いる装置であり、超高分解能を有する透過型の顕微鏡を実現できる。
【0117】
図１５（ａ）（ｂ）に示すように、ホログラフィック撮像装置１は、透過型の超高分解能顕微鏡を実現するために、物体４に対する照明光Ｑの入射方向を変える角度変更部３と、大開口数の受光部５と、大開口数のオフアクシス球面波参照光Ｒおよびインライン球面波参照光Ｌを生成するための集光レンズ２９と、を備えている。集光レンズ２９は、受光素子５の手前に配置される物体４のさらに手前に、物体４の照明光Ｑによって照明される表面の位置に焦点を有するように配置されている。集光レンズ２９を含む光学系２は、物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎに対する受光素子５の開口数ＮＡＯが１に近い値となる構成とされ、合成物体光空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）によって定まる合成開口数が１を超える。
【0118】
角度変更部３は、回転板３ａと、レンズ組体３ｂと、反射鏡組体３ｄと、を備える。回転板３ａは、第２の実施形態の回転板３ａと同様に、シャッタを持つ円形の中心開口３０と偏芯位置に設けられた偏芯開口３１とを有している。回転板３ａは、光軸Ａｘを中心としてコーン状に広がる光を受けて、光軸Ａｘの回りに間欠的に回転することによりコーン状に広がる光を照明光Ｑとするために偏芯開口３１によって振り分ける。回転板３ａの中心開口３０の光軸Ａｘ上には、正面照明用の光を集光レンズ２９に入射させるためのレンズ２８を備えている。
【0119】
レンズ組体３ｂは、回転板３ａによって振り分けられた光の各々を顕微観察に適したサイズのビームスポットを形成する細い平行光にする複数のレンズ２６，２７を光軸Ａｘの回りに配置して有する。反射鏡組体３ｄは、レンズ組体３ｂからの平行光の各々が光軸Ａｘ上の一点を通過するように平行光の向きを変える反射鏡Ｍ３を有する。
【0120】
オフアクシス球面波参照光Ｒは、集光レンズ２９に光軸を傾けて入射した平行光が、物体４の照明光Ｑによって照明される表面に近い位置に集光するように生成される。集光レンズ２９の入口には、ハーフミラーＨＭが設けられている。ハーフミラーＨＭは、光軸Ａｘの側方から入射されるオフアクシス球面波参照光Ｒを反射して集光レンズ２９に入射させる。オフアクシス球面波参照光Ｒは、光軸Ａｘを外れた位置に焦点を結んだ後、広がりながら受光素子５に入射する。ハーフミラーＨＭは、正面照明用の光を透過させて集光レンズ２９に入射させる。
【0121】
集光レンズ２９と受光素子５の間であって、斜め入射の各照明光Ｑが集光する位置に、集光レンズ２９によって集光する正面照明光Ｑも集光し、その集光位置に透光性の物体４が配置される。このような照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎが物体４を通過することによって、物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎが発生する。物体４を透過する斜め照明光Ｑは受光素子５に入射しないが、正面照明光Ｑは受光素子５に入射する。正面照明光Ｑと物体光Ｏは、物体光ホログラムＩＯＲに共に記録されているが、ホログラムデータの後処理によって、互いに分離することができる。すなわち、正面照明光Ｑは、集光レンズ２９によって焦点を結んだ後の光であり、その焦点の位置で、拡がった物体光Ｏと分離できる。
【0122】
照明光Ｑの集光位置に隣接、従って物体光Ｏが発生する位置に隣接するオフアクシスとなる位置に、オフアクシス球面波参照光Ｒが集光する。物体４の裏面側、すなわち受光素子５に面する側には、オフアクシス球面波参照光Ｒと物体光Ｏとが、それぞれ分離された状態で通過する窓を有するマスクＭｓｋ１が配置される。マスクＭｓｋ１は、例えば、ガラス基板に積層した金属薄膜で形成され、物体４を下方から支持する支持体として用いることができる。図１７（ａ）は、マスクＭｓｋ１の例を示す。窓Ｒｗは焦点を結ぶオフアクシス球面波参照光Ｒが通過する窓、四角の窓Ｏｗは物体光Ｏが通過する窓である。
【0123】
図１６（ａ）（ｂ）は、参照光ホログラムＩＬＲを取得する際の光学系を示す。インライン球面波参照光Ｌは、物体４がない状態で集光レンズ２９を通して生成される。インライン球面波参照光Ｌ用の光は、正面照明光Ｑと同じである。参照光Ｌ用の光は、回転板３ａの中央から、レンズ２８、ハーフミラーＨＭ、集光レンズ２９を通して、物体が配置される位置に集光し、球面波となって広がりながら受光素子５に入射する。また、オフアクシス球面波参照光Ｒ用の光は、物体光ホログラムＩＯＲを取得するときと同じ状態で、ハーフミラＨＭで反射され、集光レンズ２９を通してオフアクシスの状態で集光され、球面波となって広がりながら受光素子５に入射する。
【0124】
図１６（ｂ）は、オフアクシス球面波参照光Ｒの焦点Ｐ１、インライン球面波参照光Ｌの焦点Ｐ２、および参照光ホログラムＩＬＲ測定時に用いられるマスクＭｓｋ２の位置関係を示す。焦点Ｐ１，Ｐ２は、互いにオフアクシスの関係にある。また、インライン球面波参照光Ｌの焦点Ｐ２の位置は、物体光Ｏに対してインラインの関係になる。図１７（ｂ）に示すマスクＭｓｋ２におけるピンホールＬｐｈは、インライン球面波参照光Ｌを通過させるピンホールである。マスクＭｓｋ１，Ｍｓｋ２を互いに重ねると、両者の窓Ｒｗは一致し、物体光Ｏ用の窓Ｏｗの中心に参照光Ｌ用のピンホールＬｐｈが来る。
【0125】
この実施形態のホログラフィック撮像装置１は、物体光Ｏに対する受光素子５の開口数ＮＡＯが１に近い値となる構成とされ、また、斜め入射される照明光Ｑによる物体光Ｏのデータを用いるので照明光による開口数の寄与を加算することができ、超高分解能を有する透過型の顕微鏡を実現できる。
【0126】
（第９の実施形態：反射型の超高分解能顕微鏡）
図１８乃至図２１を参照して、第９の実施形態に係る反射型のホログラフィック撮像装置を説明する。本実施形態のホログラフィック撮像装置１は、第１の実施形態のデータ処理方法を用いる装置であり、超高分解能を有する反射型の顕微鏡を実現できる。
図１８乃至図２１を参照して、第９の実施形態に係る反射型のホログラフィック撮像装置を説明する。本実施形態のホログラフィック撮像装置１は、第１の実施形態のデータ処理方法を用いる装置であり、超高分解能を有する反射型の顕微鏡を実現できる。
【0127】
図１８に示すように、ホログラフィック撮像装置１は、反射型の超高分解能顕微鏡を実現するために、物体４に対する照明光Ｑの入射方向を変える角度変更部３と、大開口数の受光部５と、大開口数のオフアクシス球面波参照光Ｒを生成するための微小球面体ＭＢとを備えている。角度変更部３は、第８の実施形態における角度変更部３と同様の回転板３ａと、レンズ組体３ｂと、反射鏡組体３ｄと、を備える。
【0128】
図１９に示すように、光学系２は、回転板３ａの中央開口３０からの光を、顕微観察に適した細いビーム状とするレンズ２６，２７と、ビーム状の照明光Ｑを受光素子５の中央前方に導く反射鏡Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６と、受光素子５の中央前方にあって正面照明光Ｑを物体４に垂直入射させる反射鏡Ｍ７とを備えている。反射鏡Ｍ７は、物体光Ｏの伝搬をできるだけ乱さないように、小さなハーフミラーとされている。
【0129】
図２０に示すように、微小球面体ＭＢは、受光素子５と物体４との間であって物体４の照明光Ｑによって照明される物体４の表面に近い位置に、支持棒や支持板などに固定されて配置されている。オフアクシス球面波参照光Ｒの光は、細いビーム状の光とされて、物体４の表面に近い位置に配置された反射鏡Ｍ８と、受光素子５の中央表面近くに配置された反射鏡Ｍ９とによって反射伝搬して、微小球面体ＭＢを照射する。微小球面体ＭＢの球面からの反射光がオフアクシス球面波参照光Ｒとして受光素子５に向けて放射される。微小球面体ＭＢの中心が、球面波参照光Ｒの焦点Ｐ１となる。
【0130】
図２１に示すように、インライン球面波参照光Ｌは、物体４がない状態で、受光素子５の中央正面に位置して物体４の位置に対応する位置に焦点Ｐ２を有する集光レンズ２９によって、平行光から生成される。焦点Ｐ２には、マスクＭｓｋによって、ピンホールが配置される。インライン球面波参照光Ｌの焦点Ｐ２は、物体光Ｏが発生する位置とは、インライン関係にあり、オフアクシス球面波参照光Ｒの焦点Ｐ１は焦点Ｐ２に対してオフアクシスの関係にある。
【0131】
物体光ホログラムＩＯＲは、斜め照明光Ｑの場合は図１８の光学系２を用いて、入射方向を切り替えながら取得され、正面照明光Ｑの場合は図１９の光学系２を用いて取得される。また、参照光ホログラムＩＬＲは、図２１の光学系２を用いて取得される。照明光Ｑの伝播方向を切り替えながら大開口数物体光を複数枚のホログラムとして記録すると、ホログラムから再生した物体光を計算機合成して開口数が２に近い大開口数物体光を作成することができ、通常の光学顕微鏡の解像限界を超える超高分解能ホログラフィック顕微鏡を実現できる。
【0132】
（第１０の実施形態：データ処理）
図２２乃至図２４を参照して、光波ホログラムｇと空間サンプリング間隔δについて説明する。上述の各ホログラフィック撮像装置は、球面波状に広がる物体光Ｏの発生点に近い位置に焦点Ｐ１がある球面波参照光Ｒを用いて、物体光Ｏを記録している。従って、物体光Ｏと参照光Ｒの干渉縞のホログラムは、空間周波数帯域が狭められている。このようなホログラムから、物体光Ｏのみのホログラムを単独で取り出すと、空間周波数帯域が広くなる。このことから、物体光Ｏの波面を表す上式（１０）の光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）は、上式（９）の複素振幅インラインホログラムＪＯＬ（ｘ，ｙ）に比べて、より広い空間周波数帯域を有することがわかる。
図２２乃至図２４を参照して、光波ホログラムｇと空間サンプリング間隔δについて説明する。上述の各ホログラフィック撮像装置は、球面波状に広がる物体光Ｏの発生点に近い位置に焦点Ｐ１がある球面波参照光Ｒを用いて、物体光Ｏを記録している。従って、物体光Ｏと参照光Ｒの干渉縞のホログラムは、空間周波数帯域が狭められている。このようなホログラムから、物体光Ｏのみのホログラムを単独で取り出すと、空間周波数帯域が広くなる。このことから、物体光Ｏの波面を表す上式（１０）の光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）は、上式（９）の複素振幅インラインホログラムＪＯＬ（ｘ，ｙ）に比べて、より広い空間周波数帯域を有することがわかる。
【0133】
光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）の空間変化は、ホログラム中心から離れるにつれて大きくなりホログラムの端で最大になる。ホログラムの開口数をＮＡＯ、光波長をλとすると光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）の最大空間周波数ｆＭは、ｆＭ＝ＮＡＯ／λで表される。そして、この広帯域の光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）を離散値で表すためには、サンプリング定理の制約から、空間サンプリング間隔δを、例えばデータ補間を用いて、δ＝１／（２ｆＭ）＝λ／（２ＮＡＯ）以下の値に設定する必要がある。サンプリング定理の制約を打開するために、サンプリング点増加とデータ補完が行われる。狭い帯域の複素振幅インラインホログラムＪＯＬは、受光素子５の画素ピッチｄで緩やかに変化するので、データ補間においては３次式を用いた高速計算が可能である。
【0134】
図２２（ａ）（ｂ）は、光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）を得るために、データ補間を用いてホログラムの空間サンプリング間隔δを小さくする方法を示す。複素振幅インラインホログラムＪＯＬは、結像レンズを用いることなく得られている。従って、空間サンプリング間隔を細分化して光波長程度まで小さくしても歪みは発生しない。そこで、実質的に画素数を増やす画素数増大工程によってサンプリング間隔を小さくすることができる。
【0135】
画素数増大工程において、受光素子５の画素ピッチｄに対応する空間サンプリング間隔ｄを有する複素振幅インラインホログラムＪＯＬに対して、空間サンプリング間隔ｄを細分化して空間サンプリング間隔δとする。その後、細分化によって生じた新たなサンプリング点に対してデータ補間を行って実質的に画素数を増やす。データ補間の方法として、画像処理における周知の３次式によるデータ補間やｓｉｎｃ関数によるデータ補間を用いることができる。データ補間としてｓｉｎｃ補間を用いれば、３次式を用いた補間に比べて数値計算に時間がかかるが、より正確な結果を得ることができる。
【0136】
複素振幅インラインホログラムＪＯＬに対してデータ補間によって画素数を増やした結果を、改めて複素振幅インラインホログラムＪＯＬとする。なお、受光素子５の画素ピッチｄは、画素の配列方向（ｘｙ方向）で互いに異なってもよく、空間サンプリング間隔δも画素の配列方向で互いに異なるものとすることができる。画素数を増やした複素振幅インラインホログラムＪＯＬは、画素数増大工程の処理を行わない場合のホログラムに較べて、上述の画素ピッチｄと空間サンプリング間隔δとの比に基づいて、歪みなしで倍率ｄ／δ倍に拡大された像、すなわち分解能を高めた像を記録したホログラムとなる。
【0137】
（高速処理）
図２３（ａ）（ｂ）、図２４（ａ）（ｂ）は、光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）を高速に処理する方法を示す。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いてホログラムデータを処理する場合、必要なサンプリング点数が大きくなりすぎると、光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）の処理が困難になる。ところで、異なる周波数帯域に記録されたそれぞれの情報は空間的に重ねても失われずに保存される。このことを利用すると、広帯域の大開口数物体光である光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）を重ねて、広帯域の微小ホログラム（データ点数の少ないホログラム）を作成することができる。また、ホログラムは、分割した各領域の各々に、光波を再生するための情報を保持している。
図２３（ａ）（ｂ）、図２４（ａ）（ｂ）は、光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）を高速に処理する方法を示す。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いてホログラムデータを処理する場合、必要なサンプリング点数が大きくなりすぎると、光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）の処理が困難になる。ところで、異なる周波数帯域に記録されたそれぞれの情報は空間的に重ねても失われずに保存される。このことを利用すると、広帯域の大開口数物体光である光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）を重ねて、広帯域の微小ホログラム（データ点数の少ないホログラム）を作成することができる。また、ホログラムは、分割した各領域の各々に、光波を再生するための情報を保持している。
【0138】
そこで、図２３（ａ）に示すように、光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）を幅ｄｘ，ｄｙの複数枚の微小ホログラムｇｉに分割し、図２３（ｂ）（ｃ）に示すように、各微小ホログラムｇｉを互いに重ね合わせて合成微小ホログラムΣを生成する。この合成微小ホログラムΣに対して、上式（１１）に基づく計算を行えば、計算時間を短縮して複素振幅Ｇ（ｕ，ｖ）が得られる。図２４（ａ）は、幅Ｄの光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）を幅ｄｘ，ｄｙの微小ホログラムｇ１，ｇ２，ｇ３に分割する様子を示す。この光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）は、１枚で光波（再生像９）を再生する。
【0139】
このような光波ホログラムｇ（ｘ，ｙ）を、図２４（ｂ）に示すように、例えばｘ方向に幅ｄｘだけずらしながら重ねたホログラムは、幅ｄｘの周期的なホログラムになり、多数の同じ再生像９を幅ｄｘの間隔ごとに再生できる。計算点数は、重ね合わせた微小ホログラムｇｉの枚数の逆数分に圧縮される。つまり、ｎ枚重ねると、計算量は、１／ｎになる。
【0140】
（離散フーリエ変換による高速処理）
上記の複素振幅Ｇ（ｕ，ｖ）の算出は、空間サンプリング間隔の細分化とデータ補間、ホログラムの分割と重ね合せによる合成微小ホログラムΣの作成、およびホログラムΣのフーリエ変換による平面波展開処理を経ている。この算出方法は、サンプリング間隔の細分化とデータ補間およびホログラムの重ね合せの計算に時間を要する。データ補間を行わずに微小分割ホログラムｇｉから直接的に複素振幅Ｇ（ｕ，ｖ）を求めることができれば、算出の高速化が図られる。
上記の複素振幅Ｇ（ｕ，ｖ）の算出は、空間サンプリング間隔の細分化とデータ補間、ホログラムの分割と重ね合せによる合成微小ホログラムΣの作成、およびホログラムΣのフーリエ変換による平面波展開処理を経ている。この算出方法は、サンプリング間隔の細分化とデータ補間およびホログラムの重ね合せの計算に時間を要する。データ補間を行わずに微小分割ホログラムｇｉから直接的に複素振幅Ｇ（ｕ，ｖ）を求めることができれば、算出の高速化が図られる。
【0141】
上式（１０）で表される光波ホログラムｇは、中央部から端に行くほどその空間周波数が高くなる。球面波参照光Ｌの焦光点ｚＬから各分割ホログラムｇｉの中心に向けて照射した平行光Ｌｉを考えると、物体光Ｏと平行光Ｌｉとのなす角度は小さくなる。平行光Ｌｉの位相をφｉ（ｘ，ｙ）で表し、ホログラムｇｉに位相因子ｅｘｐ（－ｉφｉ）を乗じると、ｇｉｅｘｐ（－ｉφｉ）の空間周波数は低くなる。
【0142】
下式（２２）に示すように、画素数Ｎ×Ｎのホログラムｇｉにおける画素（ｋ，ｌ）の座標（ｘ，ｙ）を、（ｘ，ｙ）＝（ｋｄ，ｌｄ）で表す。また、下式（２３）に示すように、整数値の組（ｍｉＣ，ｎｉＣ）を導入する。これにより、下式（２４）に示すように、画素（ｋ，ｌ）における位相φｉ（ｋ，ｌ）を、整数化した値（ｍｉＣ，ｎｉＣ）を用いて表す。
【0143】
【数12】
【0144】
ここに、θｘとθｙはそれぞれホログラムｇｉへ入射する平行光Ｌｉのｘ方向とｙ方向の入射角を表す。サンプリング点ｋ＝０，１，２，．．，Ｎ－１と、ｌ＝０，１，２，．．，Ｎ－１における値ｇｉ（ｋ，ｌ）ｅｘｐ（－ｉφｉ（ｋ，ｌ））、および、その離散フーリエ変換Ｇｉ’（ｍ，ｎ）は、それぞれ下式（２６）（２７）で与えられる。
【0145】
【数13】
【0146】
上式（２５）から分かるようにＧｉ’（ｍ，ｎ）は、ｍ，ｎに対して周期Ｎの周期関数になる。空間周波数の低い関数ｇｉｅｘｐ（－ｉφｉ）の最大空間周波数ｆＭは不等式ｆＭ＜１／（２ｄ）を満たすのでサンプリング定理に従って、区間－Ｎ／２＜ｍ＜Ｎ／２と－Ｎ／２＜ｎ＜Ｎ／２における空間周波数成分Ｇｉ’（ｍ，ｎ）を用いて、周期関数ｇｉｅｘｐ（ｉφｉ）を正確に記述できる。つまり、周期関数ｇｉｅｘｐ（－ｉφｉ）の空間周波数成分としてＧｉ’（ｍ，ｎ）が得られる。また、周波数の高い関数ｇｉの空間周波数成分として、上式（２６）よりＧｉ’（ｍ＋ｍｉｃ，ｎ＋ｎｉｃ）が得られる。
【0147】
各ホログラムｇｉの周波数成分Ｇｉ’（ｍ＋ｍｉｃ，ｎ＋ｎｉｃ）はお互いに重なり合わないので、広い周波数帯域に亘ってＧｉ’（ｍ＋ｍｉｃ，ｎ＋ｎｉｃ）を足し合わせることによって合成微小ホログラムΣの複素振幅Ｇを求めることができる。この方法では、サンプリング間隔の細分化やホログラムのデータ補間を行う必要がなく、複素振幅Ｇを高速に計算することが可能になる。
【0148】
（他の高速処理）
空間周波数成分Ｇｉ’（ｍ，ｎ）を計算する際には、不等式ｆＭ＜１／（２ｄ）を満足させるために高周波数の関数ｇｉを低周波数の関数ｇｉｅｘｐ（－ｉφｉ）に変換した。ここでは、関数ｇｉのサンプリング値ｇｉ（ｋ，ｌ）に対する、下式（２７）の離散フーリエ変換を考える。
空間周波数成分Ｇｉ’（ｍ，ｎ）を計算する際には、不等式ｆＭ＜１／（２ｄ）を満足させるために高周波数の関数ｇｉを低周波数の関数ｇｉｅｘｐ（－ｉφｉ）に変換した。ここでは、関数ｇｉのサンプリング値ｇｉ（ｋ，ｌ）に対する、下式（２７）の離散フーリエ変換を考える。
【0149】
【数14】
【0150】
高周波数の関数ｇｉの最大空間周波数ｆＭは不等式ｆＭ＜１／（２ｄ）を満たさないので、区間－Ｎ／２＜ｍ＜Ｎ／２、－Ｎ／２＜ｎ＜Ｎ／２における空間周波数成分Ｇｉ（ｍ，ｎ）を用いて周期関数ｇｉを正確に表すことはできない。しかしながら、Ｇｉ（ｍ，ｎ）は上式（２７）から分かるように、ｍ，ｎに対して周期Ｎの周期関数となり、この周期性および上式（２５）（２７）を使ってＧｉ（ｍ，ｎ）＝Ｇｉ’（ｍ＋ｍｉｃ，ｎ＋ｎｉｃ）が得られる。従って、高周波数の関数ｇｉを区間ｍｉｃ－Ｎ／２＜ｍ＜ｍｉｃ＋Ｎ／２とｎｉｃ－Ｎ／２＜ｎ＜ｎｉｃ＋Ｎ／２における周波数成分Ｇｉ（ｍ，ｎ）を用いて正確に表すことが可能になる。周波数ｆＭが不等式ｆＭ＜１／（２ｄ）を満たさない場合においても、Ｇｉ（ｍ，ｎ）の周期性と上式（２８）を使って関数ｇｉの周波数成分Ｇｉ（ｍ，ｎ）を直接的に求めることができる。上式（２７）は式（２５）と比較して簡単であり、式（２７）を用いると空間周波数成分をより高速に計算することができる。
【0151】
（第１１の実施形態：撮像装置）
図２５は、第１１の実施形態に係るホログラフィック撮像装置１を示す。ホログラフィック撮像装置１は、入射方向を変えた照明光Ｑを用いて物体４のホログラムを取得するデータ取得部１０と、データ取得部１０によって取得されたホログラムから画像を再生する画像再生部１２と、を備えている。ホログラフィック撮像装置１は、さらに、データ取得部１０および画像再生部１２を制御する制御部１１と、ＦＦＴ等の計算用プログラム、制御用データ等を記憶するメモリ１１ａとを備えている。
図２５は、第１１の実施形態に係るホログラフィック撮像装置１を示す。ホログラフィック撮像装置１は、入射方向を変えた照明光Ｑを用いて物体４のホログラムを取得するデータ取得部１０と、データ取得部１０によって取得されたホログラムから画像を再生する画像再生部１２と、を備えている。ホログラフィック撮像装置１は、さらに、データ取得部１０および画像再生部１２を制御する制御部１１と、ＦＦＴ等の計算用プログラム、制御用データ等を記憶するメモリ１１ａとを備えている。
【0152】
データ取得部１０は、光源２０と、光学系２と、受光素子５と、保存部６とを備えている。光源２０は、コヒーレント光を放射するレーザである。光学系２は、物体に対する照明光Ｑの入射方向θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎを順次、または任意の方法で変更する角度変更部３を備えている。
【0153】
光学系２は、角度変更部３を用いて、光源２０が放射する光から照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ、オフアクシス球面波参照光Ｒ、およびインライン球面波参照光Ｌを構成し、これらの光と照明光Ｑｊによって照明される物体４から放たれる物体光Ｏｊとを伝搬させる。受光素子５は、光強度を電気信号に変換して保存部６に出力する。保存部６は、受光素子５を介して得られたホログラムＩＬＲ，Ｉｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎを保存するための処理を行う。ホログラムのデータは、メモリ１１ａに保存される。
【0154】
画像再生部１２は、図１、図３、図８、図９、図１０に示した各工程の処理を行う。これらの処理を行うため、画像再生部１２は、光波生成部１３，スペクトル生成部１４、スペクトル合成部１５、画像計算部１６、表示部１７を備えている。光波生成部１３は、フィルタリング部１３ａ、インライン化部１３ｂ、照明光分離部１３ｃを備えている。フィルタリング部１３ａは、保存部６に保存されたホログラムＩｊ
ＯＲ，ＩＬＲ等に空間周波数フィルタリングを適用して、それぞれ、複素振幅オフアクシスホログラムＪｊ
ＯＲ，ＪＬＲ等を生成する。
【0155】
インライン化部１３ｂは、フィルタリング部１３ａによって生成された各複素振幅オフアクシスホログラムＪｊ
ＯＲ等のデータを、フィルタリング部１３ａによって生成された複素振幅オフアクシスホログラムＪＬＲのデータでそれぞれ除算することにより、参照光Ｒ成分を除去した複素振幅インラインホログラムＪｊ
ＯＬを生成する。照明光分離部１３ｃは、物体光Ｏと照明光Ｑの混合光のホログラムから照明光波ホログラムｄ（ｘ，ｙ）を分離する。
【0156】
スペクトル生成部１４は、物体光波ホログラムｇ，ｈ等から、空間周波数スペクトルＧ，Ｈ等を生成する。スペクトル合成部１５は、相互相関関数の計算を行って、空間周波数スペクトルＨｊから合成空間周波スペクトルＨＴを生成する。
【0157】
画像計算部１６は、合成物体光ホログラムｈＴから画像｜ｈＴ｜２を求める。表示部１７は、液晶表示装置などのＦＰＤであり、画像等を表示する。画像再生部１２の各部は、表示部１７を除いて、コンピュータ上で動作するプログラムとそのサブルーティン群を含むソフトウエアを用いて構成される。
【0158】
（実施例１：長作動距離、広視野、透過型の撮像装置の構成）
第６の実施形態（図１１）に示した角度変更部３を有するホログラフィック撮像装置を用いて、ＵＳＡＦテストターゲットを被写体（物体４）として撮像試験を行った。光源はグリーンの半導体励起固体レーザ（波長５３２ｎｍ、出力５０ｍＷ）を使用し、オフアクシス球面波参照光Ｒの生成は開口数０．２８の対物レンズを使用した。受光素子５はモノクロカメラリンクＣＣＤカメラを使用した。ＣＣＤからターゲットまでの距離と開口数および記録可能な視野サイズＷはそれぞれｚｍ＝５２．４ｃｍ，ＮＡＯ＝０．０１９，Ｗ＝２５ｍｍである。開口数ＮＡＯ＝０．０１９から決まる理論分解能は１４．０μｍになる。
第６の実施形態（図１１）に示した角度変更部３を有するホログラフィック撮像装置を用いて、ＵＳＡＦテストターゲットを被写体（物体４）として撮像試験を行った。光源はグリーンの半導体励起固体レーザ（波長５３２ｎｍ、出力５０ｍＷ）を使用し、オフアクシス球面波参照光Ｒの生成は開口数０．２８の対物レンズを使用した。受光素子５はモノクロカメラリンクＣＣＤカメラを使用した。ＣＣＤからターゲットまでの距離と開口数および記録可能な視野サイズＷはそれぞれｚｍ＝５２．４ｃｍ，ＮＡＯ＝０．０１９，Ｗ＝２５ｍｍである。開口数ＮＡＯ＝０．０１９から決まる理論分解能は１４．０μｍになる。
【0159】
この開口数ＮＡＯ＝０．０１９を有するホログラフィック撮像装置の光学系の構成は、物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎに対する受光素子５の開口数ＮＡＯがゼロに近い値の構成と見做すことができ、長作動距離広視野撮像装置の構成になる。このような撮像装置によると、多数枚の物体光ホログラムＩｊ
ＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎのデータを用いて合成物体光空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）を生成することにより合成物体光空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）によって定まる合成開口数が１に近づく。
【0160】
（結果１－１）
図２６は正面照明で得られた１枚の物体光ホログラムの空間周波数スペクトルを示し、図２７（ａ）（ｂ）はＣＣＤから距離ｚｍ＝５２．４ｃｍの位置において図２６の空間周波数スペクトルを用いて再生された画像とその部分拡大図を示す。
図２６は正面照明で得られた１枚の物体光ホログラムの空間周波数スペクトルを示し、図２７（ａ）（ｂ）はＣＣＤから距離ｚｍ＝５２．４ｃｍの位置において図２６の空間周波数スペクトルを用いて再生された画像とその部分拡大図を示す。
【0161】
図２６より開口数ＮＡＯ＝０．０１９が読み取れる。図２７（ａ）においてはっきりと識別可能な線幅（矢印Ａで示す）は１３．９μｍであり、この値は理論分解能の値１４．０μｍとよく一致している。図２７（ｂ）の再生画像の拡大図から分かるように、６グループと７グループの全ての線は不明瞭で識別不可能である。
【0162】
（結果１－２）
図２８は照明方向の異なる９枚の物体光ホログラムを使って合成した合成空間周波数スペクトルを示し、図２９（ａ）（ｂ）はＣＣＤから距離ｚｍ＝５２．４ｃｍの位置において図２８の合成空間周波数スペクトルを用いて再生された画像とその部分拡大図を示す。
図２８は照明方向の異なる９枚の物体光ホログラムを使って合成した合成空間周波数スペクトルを示し、図２９（ａ）（ｂ）はＣＣＤから距離ｚｍ＝５２．４ｃｍの位置において図２８の合成空間周波数スペクトルを用いて再生された画像とその部分拡大図を示す。
【0163】
図２８から、合成物体光の合成開口数ＮＡＳ＝０．０４９が求まり、開口数０．０４９に対する理論分解能は５．４３μｍとなる。図２９（ｂ）の拡大画像においてはっきりと分解可能な線幅（矢印Ｂで示す）は５．５２μｍであり、この値は理論分解能の値５．４３μｍとよく一致している。
【0164】
（結果１－３）
図３０（ａ）は物体光を４９方向からの照明光の各々によって得て、各物体光の空間周波数スペクトルを合成した合成空間周波数スペクトルを示す画像を示し、図３０（ｂ）は（ａ）の合成空間周波数スペクトルから得られた合成物体光の照明光に対する位相差画像を示し、図３１（ａ）（ｂ）はＣＣＤから距離ｚｏ＝５２．４ｃｍの位置において図３０（ａ）に示した合成空間周波数スペクトルから再生された画像とその部分拡大図を示す。
図３０（ａ）は物体光を４９方向からの照明光の各々によって得て、各物体光の空間周波数スペクトルを合成した合成空間周波数スペクトルを示す画像を示し、図３０（ｂ）は（ａ）の合成空間周波数スペクトルから得られた合成物体光の照明光に対する位相差画像を示し、図３１（ａ）（ｂ）はＣＣＤから距離ｚｏ＝５２．４ｃｍの位置において図３０（ａ）に示した合成空間周波数スペクトルから再生された画像とその部分拡大図を示す。
【0165】
図３０（ａ）から合成物体光の縦方向と横方向の各合成開口数はＮＡＳ＝０．１４２と求まり、開口数０．１４２に対する理論分解能は１．８３μｍとなる。
【0166】
図３１（ｂ）の拡大図から分かるように、７グループのすべての線が識別可能である。物体光の合成によって高い空間周波数を持つ物体光波が加算され、これによって高分解能化が実現されている。図３０（ｂ）の位相差画像および図３１（ａ）（ｂ）における矩形領域の外形には歪が見られない。すなわち、各矩形領域の外形が角が欠けることなく直線で構成されていることが確認でき、再生画像に全く歪が生じていないことが分かる。図３０（ｂ）の位相差画像は、合成物体光から求めた物体光と照明光との間の位相差分布を表す画像である。位相差を求めることにより、光が物体を透過中に生じる位相差を数値として正確に評価することができる。
【0167】
受光素子５（ＣＣＤ）から物体４（被写体）までの距離を大きくして記録ホログラム（物体光ホログラム）の枚数を増やせば、さらに大きい視野サイズの高分解能画像を記録できる。以上の結果は、本発明の光波合成方法により長作動距離広視野ホログラフィック撮像装置の有効性を示している。
【0168】
（実施例２：超高分解能、反射型の撮像装置の構成による撮像例）
第９の実施形態（図１６乃至図２１）に示した光学系２を有するホログラフィック撮像装置を用いて、ＵＳＡＦテストターゲットを被写体として撮像試験を行った。光源はグリーンの半導体励起固体レーザ（波長５３２ｎｍ、出力５０ｍＷ）を使用し、オフアクシス参照光Ｒとインライン球面波参照光Ｌは開口数０．８の対物レンズを用いて生成した。このインライン球面波参照光Ｌは、ターゲットを正面から照明するための球面波光としても使用した。
（結果２－１）
図３２（ａ）（ｂ）は正面から球面波照明光によって照明して得られた１枚の物体光ホログラムの空間周波数スペクトルを示す画像と同空間周波数スペクトルから得られた物体光の照明光に対する位相差画像を示し、図３３（ａ）（ｂ）は図３２（ａ）の空間周波数スペクトルから再生された画像とその部分拡大図を示す。
第９の実施形態（図１６乃至図２１）に示した光学系２を有するホログラフィック撮像装置を用いて、ＵＳＡＦテストターゲットを被写体として撮像試験を行った。光源はグリーンの半導体励起固体レーザ（波長５３２ｎｍ、出力５０ｍＷ）を使用し、オフアクシス参照光Ｒとインライン球面波参照光Ｌは開口数０．８の対物レンズを用いて生成した。このインライン球面波参照光Ｌは、ターゲットを正面から照明するための球面波光としても使用した。
（結果２－１）
図３２（ａ）（ｂ）は正面から球面波照明光によって照明して得られた１枚の物体光ホログラムの空間周波数スペクトルを示す画像と同空間周波数スペクトルから得られた物体光の照明光に対する位相差画像を示し、図３３（ａ）（ｂ）は図３２（ａ）の空間周波数スペクトルから再生された画像とその部分拡大図を示す。
【0169】
図３２（ａ）から記録物体光の開口数はＮＡＯ＝０．６１と求まり、開口数０．６１に対する理論分解能は０．４３６μｍとなる。
【0170】
（結果２－２）
図３４（ａ）（ｂ）は５方向からの照明光の各々によって得た物体光ホログラムの各々の空間周波数スペクトルを合成した合成空間周波数スペクトルと、その合成空間周波数スペクトルから得られた合成物体光の照明光に対する位相差画像を示し、図３５（ａ）（ｂ）はその合成空間周波数スペクトルから再生された画像とその部分拡大図を示す。
図３４（ａ）（ｂ）は５方向からの照明光の各々によって得た物体光ホログラムの各々の空間周波数スペクトルを合成した合成空間周波数スペクトルと、その合成空間周波数スペクトルから得られた合成物体光の照明光に対する位相差画像を示し、図３５（ａ）（ｂ）はその合成空間周波数スペクトルから再生された画像とその部分拡大図を示す。
【0171】
図３４（ａ）より記録物体光の合成開口数は、通常の光学顕微鏡の開口数の理論限界値である１を超えて、ＮＡＳ＝１．５５と求まる。この実施例に用いたホログラフィック撮像装置は、光学系２が、物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎに対する受光素子５の開口数ＮＡＯが１に近い値となる構成とされており、従って、合成物体光空間周波数スペクトルＨＴ（ｕ，ｖ）によって定まる合成開口数が１を超える装置となっている。合成開口数１．５５に対する理論分解能は０．１７２μｍとなる。図３３（ｂ）の画像と図３５（ｂ）の画像を比較すると、図３５（ｂ）では光波合成により線の輪郭が鮮明になっていることが分かる。
【0172】
開口数０．６１と合成開口数１．５５に対する理論分解能は９グループの最小線幅０．７８μｍより小さく、図３３（ｂ）と図３５（ｂ）のいずれの再生画像においても全ての線が識別できる。図３３（ａ）と図３５（ａ）における矩形領域の外形には歪が見られなく、再生画像に歪が生じていないことが分かる。
【0173】
対物レンズの開口数をさらに大きくし、かつ、照明光の入射角を９０°に近づけることにより、合成物体光による合成開口数の値を２に近づけることができる。なお、この実施例２において、インライン球面波参照光Ｌの焦点Ｐ２におけるピンホールによるマスクは用いていない。そのピンホールマスクを用いれば、さらにきれいな画像が得られる。
【0174】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【0175】
本発明に係る長作動距離かつ広視野のホログラフィック撮像装置、または超高分解能のホログラフィック撮像装置、および同装置に用いる光波合成による高分解能化のデータ処理方法は、以下の多くのことを可能とする：結像レンズを用いない透過物体光または反射物体光の正確な記録；波動方程式の厳密解を用いた無歪物体光の再生；受光面から遠い場所に置かれた被写体の高分解能広視野３次元画像の記録と再生；多数枚ホログラム記録による大量物体光情報の取得；大開口数物体光の合成による超高分解能３次元画像の記録と再生；位相差画像を用いた光透過物体の定量的解析。
【0176】
従って、本発明は、精密光計測分野、細胞分化・組織形成分野、再生医療分野、バイオテクノロジ分野、医療診断分野などにおいて広い用途に適用できる。例えば、大量画像情報を活かした大面積表面の微小キズやホコリなどの高精度検出と計測、体積中微粒子の精密光計測、培養液中の生体組織や生体細胞の長作動距離広視野高分解能計測または超高分解能計測、低エネルギー照明による生きた生体組織の超高分解能計測、光位相画像を使った透明生体組織の超高分解能計測、反射物体光を使った超高分解能な３次元光計測の用途に適用できる。
【0177】
本発明のホログラフィック撮像装置とデータ処理方法は、原理と技術の観点から、光学、デジタルホログラフィ、光計測、応用光情報、顕微鏡の分野に属し、技術応用の観点から、精密計測、ナノテクノロジ、細胞分化・組織形成、生体光計測、バイオテクノロジ、医療診断などの分野に属する。
【符号の説明】
【0178】
１ ホログラフィック撮像装置
２ 光学系
２０ 光源
２９ 集光レンズ
２０ａ コヒーレント光
２２，２６，２７ レンズ
３ 角度変更部
３ａ 回転板
３ｂ レンズ組体
３ｃ 偏向素子組体
３ｄ 反射鏡組体
３０ 中心開口
３１ 偏芯開口
４ 物体
５ 受光素子
１０ データ取得部
１２ 画像再生部
１３ 光波生成部
１４ スペクトル生成部
１５ スペクトル合成部
Ａｘ 光軸（中心軸）
ＣＦ（ｕｓ，ｖｓ） 相互相関関数
Ｈｊ（ｕ，ｖ），Ｈｆ（ｕ，ｖ） 物体光空間周波数スペクトル
ＨＴ（ｕ，ｖ） 合成物体光空間周波数スペクトル
Ｈαβ 対スペクトル
ＩＬＲ 参照光ホログラム
Ｉｊ ＯＲ 物体光ホログラム
Ｉｆ ＯＲ 正面照明物体光ホログラム
Ｍ３ 反射鏡
ＭＢ 微小球面体
ＭＰ 標識パターン
ＮＡＯ 物体光（受光素子）の開口数
ＮＡＱ 照明光の開口数
ＮＡＳ 合成開口数
Ｏ，Ｏｊ，Ｏｆ 物体光
Ｑ，Ｑｊ 照明光
Ｑｆ 正面照明光
Ｑｋ 特定照明光
Ｒ オフアクシス球面波参照光
Ｌ インライン球面波参照光
ａαβ 補正係数
ｄ（ｘ，ｙ） 照明光波ホログラム
ｈｊ（ｘ，ｙ） 物体光波ホログラム
ｈｆ（ｘ，ｙ） 正面照明物体光波ホログラム
ｈＴ（ｕ，ｖ） 合成物体光波ホログラム
ｚａ 任意の位置
ｚｍ 物体の位置
θｊ 入射方向
ξ（ｘ，ｙ） 照明光波位相成分
２ 光学系
２０ 光源
２９ 集光レンズ
２０ａ コヒーレント光
２２，２６，２７ レンズ
３ 角度変更部
３ａ 回転板
３ｂ レンズ組体
３ｃ 偏向素子組体
３ｄ 反射鏡組体
３０ 中心開口
３１ 偏芯開口
４ 物体
５ 受光素子
１０ データ取得部
１２ 画像再生部
１３ 光波生成部
１４ スペクトル生成部
１５ スペクトル合成部
Ａｘ 光軸（中心軸）
ＣＦ（ｕｓ，ｖｓ） 相互相関関数
Ｈｊ（ｕ，ｖ），Ｈｆ（ｕ，ｖ） 物体光空間周波数スペクトル
ＨＴ（ｕ，ｖ） 合成物体光空間周波数スペクトル
Ｈαβ 対スペクトル
ＩＬＲ 参照光ホログラム
Ｉｊ ＯＲ 物体光ホログラム
Ｉｆ ＯＲ 正面照明物体光ホログラム
Ｍ３ 反射鏡
ＭＢ 微小球面体
ＭＰ 標識パターン
ＮＡＯ 物体光（受光素子）の開口数
ＮＡＱ 照明光の開口数
ＮＡＳ 合成開口数
Ｏ，Ｏｊ，Ｏｆ 物体光
Ｑ，Ｑｊ 照明光
Ｑｆ 正面照明光
Ｑｋ 特定照明光
Ｒ オフアクシス球面波参照光
Ｌ インライン球面波参照光
ａαβ 補正係数
ｄ（ｘ，ｙ） 照明光波ホログラム
ｈｊ（ｘ，ｙ） 物体光波ホログラム
ｈｆ（ｘ，ｙ） 正面照明物体光波ホログラム
ｈＴ（ｕ，ｖ） 合成物体光波ホログラム
ｚａ 任意の位置
ｚｍ 物体の位置
θｊ 入射方向
ξ（ｘ，ｙ） 照明光波位相成分
【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】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
