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(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】2024-02-07
(45)【発行日】2024-02-16
(54)【発明の名称】位相イメージング装置、位相イメージング方法
(51)【国際特許分類】
G03H 1/04 20060101AFI20240208BHJP
G03H 1/12 20060101ALI20240208BHJP
G03H 1/16 20060101ALI20240208BHJP
G01J 9/00 20060101ALI20240208BHJP
【ＦＩ】
G03H1/04
G03H1/12
G03H1/16
G01J9/00
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2020032168
(22)【出願日】2020-02-27
(65)【公開番号】P2021135409
(43)【公開日】2021-09-13
【審査請求日】2023-01-10
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度 国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、研究タイプ「個人型研究（さきがけ）」、研究領域「量子技術を適用した生命科学基盤の創出」、研究題目「超高感度ラベルフリーイメージング法の開発」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける出願
(73)【特許権者】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(72)【発明者】
【氏名】井手口 拓郎
(72)【発明者】
【氏名】戸田 圭一郎
(72)【発明者】
【氏名】玉光 未侑
【審査官】横尾 雅一
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第１０４５６７６５９（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０１８－００８０４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１１８２９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／０７０４５１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】DUBOIS D , et al.，Dark-field digital holographic microscopy to investigate objects that are nanosized or smaller than，OPTICS LETTERS，2008年11月10日，Vol. 33, No. 22，pp.2605-2607，https://doi.org/10.1364/OL.33.002605
【文献】TODA K , et al.，Adaptive dynamic range shift (ADRIFT) quantitative phase imaging，Light: Science & Applications，2021年01月01日，Vol.10, No.1，pp.1-10，https://doi.org/10.1038/s41377-020-00435-z
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｊ ９／００ － Ｇ０１Ｊ ９／０４
Ｇ０３Ｈ １／０４
Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／６１
Ｇ０１Ｂ ９／００ － Ｇ０１Ｂ ９／１０
Ｇ０１Ｂ １１／００ － Ｇ０１Ｂ １１／３０
Ｇ０２Ｂ １９／００ － Ｇ０２Ｂ ２１／００
Ｇ０２Ｂ ２１／０６ － Ｇ０２Ｂ ２１／３６
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
サンプルの置かれるサンプル面に対して共役な面に設けられ、前記サンプルに照射する照明光または前記サンプルを透過または反射した物体光を空間的に変調可能な空間光変調器と、前記空間光変調器の影響を受けた第１物体光に含まれる非散乱光成分を除去し、第２物体光を生成する暗視野光学系と、
前記第２物体光に関するホログラムを記録するイメージセンサと、
前記空間光変調器に与えた変調パターンにもとづく複素振幅情報と、前記第２物体光に関するホログラムにもとづく複素振幅情報とを合成し、前記サンプルに由来する位相分布を取得する演算処理装置と、
を備え、前記空間光変調器は、前記サンプルの位相分布がキャンセルされるように、位相変調を行うことを特徴とする位相イメージング装置。
【請求項2】
前記変調パターンは、前記暗視野光学系を無効とし、前記空間光変調器にフラットなパターンを与えた状態で前記イメージセンサが記録する第３物体光に関するホログラムにもとづいて生成されることを特徴とする請求項１に記載の位相イメージング装置。
【請求項3】
前記変調パターンは、前記暗視野光学系を有効とした状態で、前記イメージセンサに入射する光の強度が最小化されるように最適化されることを特徴とする請求項１に記載の位相イメージング装置。
【請求項4】
前記変調パターンは、前記第２物体光の非散乱光成分が最大となるように最適化されることを特徴とする請求項１に記載の位相イメージング装置。
【請求項5】
前記暗視野光学系は、集光光学系と、前記集光光学系のフーリエ面に設けられたマスクと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の位相イメージング装置。
【請求項6】
前記イメージセンサに形成される前記物体光と参照光の干渉縞を測定するデジタルホログラフィー装置であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の位相イメージング装置。
【請求項7】
前記イメージセンサの位置をシフトするインライン型のデジタルホログラフィー装置であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の位相イメージング装置。
【請求項8】
前記位相イメージング装置は、パターニングした照明光を、照射角を替えながら照射する光回折トモグラフィーまたは合成瞳関数イメージング装置であり、前記空間光変調器は、前記照明光のパターニングデバイスと兼用されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の位相イメージング装置。
【請求項9】
前記暗視野光学系は、集光光学系と、前記集光光学系の焦点面に設けられたＤＭＤ（Digital Micromirror Device）または可動マスクと、を含むことを特徴とする請求項８に記載の位相イメージング装置。
【請求項10】
サンプルの置かれるサンプル面に対して共役な面に設けられ、前記サンプルに起因する位相遅れをキャンセルする第１空間光変調器と、前記サンプルに由来する位相情報を含む物体光の非散乱光成分の強度を減衰させ、かつ前記非散乱光成分の位相をシフトさせる第２空間光変調器と、
前記物体光に関するホログラムを記録するイメージセンサと、
前記第１空間光変調器に与えた変調パターンにもとづく複素振幅情報と、前記物体光に関するホログラムにもとづく複素振幅情報とを合成し、前記サンプルに由来する位相分布を取得する演算処理装置と、
を備えることを特徴とするＳＬＩＭ（Spatial Light Interference Microscopy）型の位相イメージング装置。
【請求項11】
サンプルが置かれるサンプル面と共役な面に、前記サンプルに照射する照明光または前記サンプル由来の位相情報を含む物体光を空間的に位相変調可能な空間光変調器を挿入するステップと、前記物体光の非散乱光成分を除去するステップと、
前記物体光にもとづくホログラムを記録するイメージセンサと、
前記空間光変調器に所定の変調パターンを与えた状態で、イメージセンサにより、前記物体光にもとづくホログラムを記録するステップと、
前記所定の変調パターンにもとづく複素振幅情報と、前記イメージセンサが記録した前記ホログラムにもとづく複素振幅情報を合成し、前記位相情報を取得するステップと、
を備え、
前記所定の変調パターンは、前記サンプルの位相分布がキャンセルされるように定められることを特徴とする位相イメージング方法。
【請求項12】
前記所定の変調パターンは、前記空間光変調器にフラットなパターンを与え、前記非散乱光成分を除去しない状態で得られる前記ホログラムにもとづいて生成されることを特徴とする請求項１１に記載の位相イメージング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、位相イメージングに関する。
【背景技術】
【0002】
透明物体を高コントラストで可視化するために、位相イメージング（Phase Imaging）が用いられる。その中でも定量位相イメージング（ＱＰＩ：Quantitative Phase Imaging）は、従来の位相差、暗視野、微分干渉顕微鏡とは異なり、物体によって変調された光の複素振幅分布を取得できる（非特許文献１）。ＱＰＩは、その定量性を生かして、細胞内の乾燥質量密度を調べたり、半導体ウェハの欠陥を調べるために利用されている。
【0003】
ＱＰＩにおいて、広いダイナミックレンジは非常に重要である。たとえばレーザ加工のように破壊されてしまうサンプルや、フローサイトメトリーのような動く物体を観測したい場合、細胞内の細胞内ダイナミクスによる微小な変化などを観察したい場合には、シングルショットかつ積算なしでＳＮ比の高いイメージを取得する必要がある。デジタルホログラフィー（ＤＨ：Digital Holography）は、シングルショットＱＰIの代表的な手法である。現行のデジタルホログラフィー技術では、干渉計を安定させることでショットノイズ限界での計測ができるようになっており、ピクセル飽和電荷量～１００００ｅ－１程度の通常のＣＭＯＳイメージセンサで、位相１０ｍｒａｄ程度の検出感度が実現できている。
【0004】
デジタルホログラフィー技術を用いたＱＰＩについて説明する。図１は、デジタルホログラフィーを説明する図である。位相物体であるサンプル２に対して、平面波の照明光ＳＩＬＬを照射する。照明光ＳＩＬＬは、サンプル２を透過（あるいは反射）する際に、その内部の屈折率分布の奥行き方向の積分（あるいは凹凸）にもとづいて空間的に位相変調され、その波面が変化し、位相情報を含む物体光ＳＯＢＪが生成される。物体光ＳＯＢＪと平面波の参照光ＳＲＥＦが形成する干渉縞の強度分布を、ホログラムとしてイメージセンサ４が記録する。ホログラムを演算処理することにより、物体光ＳＯＢＪの位相分布が再構成される。この位相分布は、サンプル２により生ずる定量的な位相変化の分布を表す。
【0005】
現在、ＱＰＩの検出感度はショットノイズによって制限される。弱位相物体では、サンプル情報を含む散乱光成分（１次回折光）の強度が、サンプル情報を含まない非散乱光成分（０次回折光）に対して非常に小さくなるため、現行の技術では、非散乱光成分のショットノイズが原因でダイナミックレンジが制限される。この問題を解決するためには、サンプル由来の情報を含む散乱光成分を、１フレームあたり、より多くイメージセンサに取り込むことが重要である。
【0006】
非散乱光成分を弱めるために、暗視野デジタルホログラフィーが提案されている（非特許文献２）。なお、この手法を公知技術と認定してはならない。図２（ａ）、（ｂ）は、暗視野イメージングの手法を取り入れたデジタルホログラフィーを説明する図である。
【0007】
図２（ａ）には、暗視野（ＤＦ）イメージングとデジタルホログラフィーの組み合わせ（ＤＦＤＨという）が示される。物体光ＳＯＢＪは、反射型対物レンズのような暗視野光学系６によって、位相変化を受けていない平面波の成分（バックグラウンド光）である非散乱光成分（０次回折光）と、サンプル情報を含む散乱光成分（１次回折光）とに分離され、非散乱光成分は遮蔽され、サンプル情報を含む散乱光成分ＳＯＢＪ’のみがイメージセンサに入射し、参照光ＳＲＥＦと干渉縞を形成する。
【0008】
このようにＤＦＤＨの手法によれば、非散乱光成分に対する散乱光成分の強度比を高めることができる。したがってサンプル２に照射する照明光の光量を増やすことで、サンプル由来の位相情報を、１フレーム当たり、より多くイメージセンサに取り込むことが可能となる。図２（ｂ）は、図２（ａ）と同じ光学系で、照明光ＳＩＬＬの強さを増やした様子を示す。
【0009】
図３（ａ）は、図２の技術によるダイナミックレンジのシフトを示す図である。図３（ａ）の左は、サンプル由来の位相変化の分布（１次元）を示しており、通常のデジタルホログラフィーで検出可能なレベルより小さい位相成分を含んでいる。ＤＦＤＨによれば、図３（ａ）の右に示すように、小さい位相成分を拡大して測定することができる。たとえば、視野内の最大位相が０．１ｒａｄであった場合、図２の技術では、ダイナミックレンジの上限を０．１ｒａｄにシフトすることができ、単一計測で、微小位相イメージングが可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0010】
【文献】E. Cuche et. al, "Digital holography for quantitative phase-contrast imaging", Optics Letters 24(5), 291-293 (1999)
【文献】F. Verpillat et. al, "Dark-field digital holographic microscopy for 3D-tracking of gold nanoparticles", Optics Express 19(27), 26044-26055 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
図３（ｂ）は、サンプル由来の位相変化の分布の別の例を示す図である。このサンプルは、視野内の部分Ａに、弱位相ではない物体を含んでいる。ＤＦＤＨの手法では、部分Ａに対応するイメージセンサの画素が飽和するため、サンプルに照射する照明光ＳＩＬＬを増やすことができず、ダイナミックレンジをシフトすることができない。
【0012】
つまりＤＦＤＨによる非散乱光成分の強度操作は、たとえばカバーガラス状の微小粒子を可視化する場合など、ほとんどが人工的に作成したサンプルを観測する限られたアプリケーションに対してのみ有効である。また、非散乱光成分を弱めて、定量位相イメージングする手法は確立されていない。
【0013】
本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ダイナミックレンジを拡大したイメージング装置およびイメージング方法の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
実施の形態に係るイメージング装置／方法では、光路内に空間光変調器が挿入される。そして、この空間光変調器に与える変調パターンを最適化することにより、物体光の大きな位相成分をキャンセルする。そして、強い照明を用いて微小な位相シフトの分布のみを、より高い感度で測定する。そして、微小な位相シフトの分布と、キャンセルした大きな位相分布を合成することにより、広いダイナミックレンジの位相画像を生成する。
【0015】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、定量位相イメージングのダイナミックレンジを拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】デジタルホログラフィーを説明する図である。
【図5】実施の形態に係る定量位相イメージング装置の処理を説明する図である。
【図6】実施例１に係る位相イメージング装置を示す図である。
【図10】実施例２に係る位相イメージング装置を示す図である。
【図11】実施例３に係る位相イメージング装置を示す図である。
【図12】実施例４に係る位相イメージング装置を示す図である。
【図13】実施例５に係る位相イメージング装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
（実施の形態の概要）
一実施の形態に係る位相イメージング装置は、空間光変調器、暗視野光学系、イメージセンサ、演算処理装置を備える。空間光変調器は、サンプル面に対して共役な面に設けられ、サンプルに照射する照明光またはサンプルを透過または反射した物体光を空間的に変調可能に構成される。暗視野光学系は、空間光変調器の影響を受けた第１物体光に含まれる非散乱光成分を除去し、第２物体光を生成する。イメージセンサは、第２物体光に関するホログラムを記録する。演算処理装置は、空間光変調器に与えた変調パターンにもとづく複素振幅情報と、第２物体光に関するホログラムにもとづく複素振幅情報とを合成し、サンプルの位相情報を再構成（reconstruct）する。
一実施の形態に係る位相イメージング装置は、空間光変調器、暗視野光学系、イメージセンサ、演算処理装置を備える。空間光変調器は、サンプル面に対して共役な面に設けられ、サンプルに照射する照明光またはサンプルを透過または反射した物体光を空間的に変調可能に構成される。暗視野光学系は、空間光変調器の影響を受けた第１物体光に含まれる非散乱光成分を除去し、第２物体光を生成する。イメージセンサは、第２物体光に関するホログラムを記録する。演算処理装置は、空間光変調器に与えた変調パターンにもとづく複素振幅情報と、第２物体光に関するホログラムにもとづく複素振幅情報とを合成し、サンプルの位相情報を再構成（reconstruct）する。
【0019】
この構成によれば、変調パターンを最適化することで、サンプル由来の位相変化を粗い精度でキャンセルすることができる（位相キャンセル、ＰＣ：Phase Canceling）。位相キャンセルした状態では、小さな位相成分のみが残留しているため、位相キャンセルしない状態に比べて、後続の暗視野測定において、強い照明光を照射することが可能となる。このときに得られたホログラムからは、残留した微小な位相の空間分布を計算することができる。また、位相キャンセルによってキャンセルした大きな位相の空間分布は、変調パターンから計算することができる。最終的に、２つの位相成分を合成することにより、サンプル由来の定量的な位相変化の分布を得ることができる。この装置によれば、広いダイナミックレンジと高感度を両立できる。なお、「非散乱光成分を除去する」ことは、完全に除去する場合のみでなく、減衰させる場合も含む。
【0020】
イメージセンサは、暗視野光学系を無効とし、空間光変調器にフラットなパターンを与えた状態で得られる第３物体光に関するホログラムを記録してもよい。変調パターンは、第３物体光に関するホログラムにもとづいて生成されてもよい。
【0021】
変調パターンは、暗視野光学系を有効とした状態で、イメージセンサに入射する光の強度が最小化されるように最適化されてもよい。
【0022】
変調パターンは、第１物体光の非散乱光成分が最大となるように最適化されてもよい。
【0023】
暗視野光学系は、集光光学系と、集光光学系のフーリエ面に設けられたマスクと、を含んでもよい。サンプルによる位相変調を受けない成分である非散乱光成分は、平面波であるから、集光光学系により焦点に集光される。したがって焦点の光を除去することで、非散乱光成分を除去できる。
【0024】
位相イメージング装置は、単発測定可能な位相イメージング技術であってもよい。たとえば、イメージセンサに形成される物体光と参照光の干渉縞を測定するオフアクシズ型のデジタルホログラフィーや、回折イメージングが含まれる。
【0025】
位相イメージング装置は、位相シフト法を用いた位相イメージング技術であってもよい。たとえば、イメージセンサへ同軸で入射する物体光と参照光によって形成される干渉縞を、参照光の位相をシフトさせながら記録する位相シフト型のデジタルホログラフィー装置であってもよい。または、ＳＬＩＭ（Spatial Light Interference Microscopy）型の自己参照型位相シフト法であってもよい。ＳＬＩＭを用いる場合は、サンプル面に対して共役な面に設けられ、サンプルによる位相遅れをキャンセルすることができる第１空間光変調器と、サンプルの位相情報を含む物体光の非散乱光の強度を減衰し且つ位相をシフトさせる第２空間光変調器と、物体光にもとづくホログラムを記録するイメージセンサと、空間光変調器に与えた変調パターンにもとづく複素振幅情報と、イメージセンサが記録したホログラムにもとづく複素振幅情報を合成し、サンプルの位相情報を取得する演算処理装置と、を備える。なお、この場合は、ＤＦの様に非散乱光を遮蔽するのではなく、減衰するような実装となる。
【0026】
位相イメージングは、位相回復法を用いた位相イメージング技術であってもよい。たとえば、イメージセンサ上での対象の焦点位置や対象への照明光の角度を掃引し、各条件下での回折強度パターンを取得後、電磁波面の位相を回復するような装置であってもよい。
【0027】
位相イメージング装置は、上述の位相イメージング技術にもとづく光回折トモグラフィーまたは合成瞳関数イメージング装置であってもよい。たとえば、パターニングした照明光を、照射角を替えながら照射する機構に基づいた、光回折トモグラフィーあるいは合成瞳関数イメージング装置であってもよい。空間光変調器は、照明光のパターニングデバイスと兼用されてもよい。暗視野光学系は、レンズと、レンズの焦点面に設けられたＤＭＤ（Digital Micromirror Device）または可動マスクと、を含んでもよい。光回折トモグラフィーあるいは合成瞳関数イメージング装置では、照明光の照射角に応じて、非散乱光の焦点位置がシフトするため、それに追従して、遮光位置をシフトさせることができる。
【0028】
（実施の形態）
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【0029】
（原理）
図４（ａ）～（ｃ）および図５を参照して、実施の形態に係る定量位相イメージングの原理を説明する。図４（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係る定量位相イメージング装置を示す図である。図５は、実施の形態に係る定量位相イメージング装置の処理を説明する図である。
図４（ａ）～（ｃ）および図５を参照して、実施の形態に係る定量位相イメージングの原理を説明する。図４（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係る定量位相イメージング装置を示す図である。図５は、実施の形態に係る定量位相イメージング装置の処理を説明する図である。
【0030】
図４（ａ）～（ｃ）に示すように、定量位相イメージング装置は、主として、イメージセンサ４、暗視野光学系６、空間光変調器８および図示しない演算処理装置（コンピュータ）を備える。空間光変調器８は、物体光の光路内に挿入されている。また暗視野光学系６は、空間光変調器８の影響を受けた物体光ＳＯＢＪの非散乱光成分を除去可能に構成される。
【0031】
このイメージングでは、２回の測定が行われる。１回目は、図４（ａ）に示す通常のデジタルホログラフィーによる測定であり、これにより、物体光ＳＯＢＪの位相分布が、粗い精度で測定される。２回目は、図４（ｃ）に示す位相キャンセルを伴う強い照明光を利用したＤＦＤＨである。
【0032】
図４（ａ）は、１回目の通常のデジタルホログラフィー（ＤＨ）の撮影を示す図である。この工程では、空間光変調器８には均一なパターンが与えられており、その動作が無効化される。また暗視野光学系６も非散乱光成分が透過できるように無効化されている。
【0033】
サンプル２に、コヒーレントな照明光ＳＩＬＬが照射される。照明光ＳＩＬＬが、サンプル２を透過（もしくは反射）すると、サンプル２由来の位相変化の分布を含む物体光ＳＯＢＪ０が生成される。物体光ＳＯＢＪ０と平面波の参照光（不図示）が、イメージセンサ４上に干渉縞を形成する。この干渉縞の強度分布は、ホログラムとしてイメージセンサ４により記録される。ホログラムを演算処理することにより、図５に示すサンプル２由来の定量的な位相変化の分布Ｂが再構成される。この位相分布Ｂは、微小な位相成分がノイズに埋もれており、サンプル２の粗い位相変化の分布を示している。
【0034】
図４（ｂ）に示すように、１回目の測定で得られた位相分布Ｂがキャンセルされるように、空間光変調器８に変調パターンＰＴＮを与える。この変調パターンＰＴＮは、位相分布Ｂの位相の進み／遅れを反転して得ることができる。この測定を、ＰＣ－ＤＦＤＨ（Phase Canceling-Dark Field Digital Holography）測定と表記する。図５には、空間光変調器８により与えられる位相分布Ｂ’が示される。位相分布Ｂ’は、空間光変調器８の階調により離散化され、位相分布Ｂを量子化したものと把握できる。
【0035】
空間光変調器８による位相キャンセルを受けた物体光（第１物体光あるいは位相キャンセル物体光ともいう）ＳＯＢＪ１は、平面波に近づいており、非散乱光成分の成分が支配的となる。この物体光ＳＯＢＪ１が、暗視野光学系６に入射すると、非散乱光成分が除去され、散乱光成分を支配的に含む物体光（第２物体光あるいは微小位相物体光ともいう）ＳＯＢＪ２がイメージセンサ４に入射する。この第２物体光ＳＯＢＪ２にもとづくホログラムは、サンプル由来の本来の位相分布Ａから空間光変調器８が与えた位相分布Ｂ’を減じた位相分布Ａ－Ｂ’を表すが、このときの散乱光成分の強度は弱いため、イメージセンサ４では有意な干渉縞を測定することはできない。
【0036】
そこで、２回目の測定では、図４（ｃ）に示すように、照明光ＳＩＬＬの強度を高めて、ＰＣ－ＤＦＤＨ測定が行われる。これにより、イメージセンサ４に入射する第２物体光ＳＯＢＪ２’の散乱光成分の振幅が大きくなるため、イメージセンサ４によって干渉縞（ホログラム）を測定することが可能となり、微小な位相分布Ａ－Ｂ’を得ることができる。
【0037】
２回目の測定で得られたホログラムにもとづく位相分布Ａ－Ｂ’は、サンプル２に由来する位相分布Ａのうち、キャンセルされずに残った微細な位相成分の分布となる。図５に示すように、空間光変調器８が導入する位相分布Ｂ’と、２回目の測定で得られた位相分布Ａ－Ｂ’を合成することにより、サンプル２に由来する正しい位相分布Ａを得ることができる。
【0038】
この手法によれば、ダイナミックレンジを広げるとともに、それに含まれる微小な位相変化を検出することが可能となる。
【0039】
上の説明では、空間光変調器８として位相空間光変調器（Phase only SLM）を用いてサンプル由来の位相をキャンセルしたが、振幅変調が可能な空間光変調器を追加してもよい。実際に様々なサンプルを計測すると、回折やサンプルの光吸収の影響で光波面の位相のみならず振幅も変調を受ける場合が存在する。そのような場合は、位相だけキャンセルしても波面が平面波に戻らず、暗視野でのダイナミックレンジシフトを十分達成できない場合がある。そこで振幅変調可能なＳＬＭを追加で実装することで、この問題を解決できる。位相空間光変調器と振幅空間光変調器は一体構成されたもの（複素振幅変調器）を用いてもよい。
【0040】
上の説明では、位相キャンセルのための変調パターンＰＴＮを生成するために、通常のＤＨ測定（図４（ａ））を行い、演算により変調パターンＰＴＮ（Ｂ’）を取得したがその限りでない。
【0041】
変調パターンＰＴＮを生成するための１回目の測定は、図４（ｂ）に示すように、暗視野光学系６を有効とした状態で行い、イメージセンサ４に入射する光の強度が最小化されるように、変調パターンＰＴＮを最適化してもよい。別の観点から見ると、変調パターンＰＴＮは、第１物体光ＳＯＢＪ１の非散乱光成分が最大となるように最適化してもよい。
【0042】
またサンプル２が工業製品のような場合、すなわち、サンプル２に由来する物体光の位相分布が既知である場合には、変調パターンＰＴＮを生成するための１回目の測定は省略することができる。
【0043】
本発明は、上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。すなわち位相イメージング装置は、公知のさまざまなデジタルホログラフィー装置のアーキテクチャを用いて構成することができる。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。
【0044】
（実施例１）
図６は、実施例１に係る位相イメージング装置１００Ａを示す図である。この位相イメージング装置１００Ａは、軸外し（Off-axis）型のデジタルホログラフィー装置であり、光源１０２、イメージセンサ１０４、暗視野光学系１０６、空間光変調器１０８、演算処理装置１１０、ビームスプリッタＢＳ１～ＢＳ３、ミラーＭ１、レンズＬ１，Ｌ２を備える。
図６は、実施例１に係る位相イメージング装置１００Ａを示す図である。この位相イメージング装置１００Ａは、軸外し（Off-axis）型のデジタルホログラフィー装置であり、光源１０２、イメージセンサ１０４、暗視野光学系１０６、空間光変調器１０８、演算処理装置１１０、ビームスプリッタＢＳ１～ＢＳ３、ミラーＭ１、レンズＬ１，Ｌ２を備える。
【0045】
光源１０２の出射光は、ビームスプリッタＢＳ１によって、参照光ＳＲＥＦと照明光ＳＩＬＬに分けられる。参照光ＳＲＥＦは、ミラーＭ１およびビームスプリッタＢＳ３を経由して、イメージセンサ１０４に入射する。
【0046】
照明光ＳＩＬＬは、サンプル２に照射される。サンプル２とビームスプリッタＢＳ１の間には、可変ＮＤ（Neutral Density）フィルタ１０９を挿入することができる。この可変ＮＤフィルタ１０９によって、照明光ＳＩＬＬの強度を調節することができる。
【0047】
サンプル２を通過した物体光ＳＯＢＪは、対物レンズＬ１およびレンズＬ２を通過する。空間光変調器１０８は、波面整形（位相キャンセリング）のために設けられた位相空間光変調器（Phase only SLM）であり、サンプル２と共役な面に挿入され、物体光ＳＯＢＪを変調パターンＰＴＮにもとづいて空間的に変調可能に構成される。変調された物体光ＳＯＢＪ＿ＰＣは、暗視野光学系１０６に入射する。空間光変調器１０８は、透過型であると反射型であるとを問わない。
【0048】
暗視野光学系１０６の構成は特に限定されないが、たとえば集光光学系およびマスクを含みうる。この例では集光光学系はレンズＬ３，Ｌ４およびマスク１０７を含んでおり、マスク１０７は、レンズＬ３のフーリエ面に設けられる。レンズＬ３によって、平面波である非散乱光成分は集光され、マスク１０７によって除去され、残りの散乱光成分は暗視野光学系１０６を通過する。マスク１０７は光軸と垂直方向に移動可能であり、光軸から外すことで、暗視野光学系１０６を無効化することができる。なお、集光光学系としては、凹面ミラーなどを用いることができる。
【0049】
暗視野光学系１０６を通過した第２物体光ＳＯＢＪ２は、ビームスプリッタＢＳ３によって反射し、イメージセンサ１０４に導かれる。イメージセンサ１０４に対する第２物体光ＳＯＢＪ２の入射角と、参照光ＳＲＥＦの入射角は、わずかにずれている。
【0050】
１回目は、マスク１０７が光軸から外され、通常のＤＨセットアップで測定が行われる。２回目は、マスク１０７が光軸に配置され、ＤＦＤＨセットアップとされる。このとき可変ＮＤフィルタ１０９の透過率を大きくして、照明光ＳＩＬＬの強度を高める。
【0051】
１回目の測定では、イメージセンサ１０４は、撮像面に形成される物体光ＳＯＢＪと参照光ＳＲＥＦの干渉縞の強度分布を、ホログラムとして記録する。
【0052】
演算処理装置１１０は、空間光変調器１０８に与えた変調パターンＰＴＮにもとづく複素振幅情報と、イメージセンサ１０４が記録したホログラムにもとづく複素振幅情報を合成し、サンプル２の位相情報を取得する。
【0053】
この構成では、参照光ＳＲＥＦを、イメージセンサ１０４に入射しているため、ＤＦＤＨ測定のみでなく、暗視野型のイメージング法においてヘテロダイン検出が可能となっている。これにより、位相キャンセル後において、検出器（イメージセンサ１０４）に入射する光が減少しても、検出器のノイズリミットを避けることができ従来の暗視野イメージングに比べて、位相の検出感度を高めることができる。
【0054】
また十分な参照光をイメージセンサ１０４に入射することで、ショットノイズ限界での測定が可能となる。物体光と参照光の干渉は、原理的に干渉散乱顕微鏡（ｉＳＣＡＴ：Interferometric scattering microscopy）と同様に測定でき、この手法は、ナノスケールのダイナミクスを、高感度で可視化することができる。
【0055】
遅く移動する大きな位相構造を有するサンプルでは、空間光変調器１０８に与える位相（変調パターン）は、毎回、更新する必要がなく、しばらくの間、同じ変調パターンを使用することができる。
【0056】
（位相検出感度について）
実施の形態に係る位相イメージング装置１００における位相検出感度について説明する。ここではレイリー散乱を考慮すべき状況は無視する。ただし、実施の形態に係るイメージング装置／方法は、レイリー散乱の影響が及ぶような用途にも有用である。
実施の形態に係る位相イメージング装置１００における位相検出感度について説明する。ここではレイリー散乱を考慮すべき状況は無視する。ただし、実施の形態に係るイメージング装置／方法は、レイリー散乱の影響が及ぶような用途にも有用である。
【0057】
均一な振幅分布の照明光を仮定し、それをＵ０とする。サンプルにより引き起こされる位相遅延マップをθｍｎ（ｍ∈［０，Ｍ－１］，ｎ∈［０，Ｎ－１］）と表記するとき、イメージセンサにおける複素振幅は、Ｕ０ｅｉθｍｎと表される。Ｍ，Ｎは、イメージセンサの水平方向、垂直方向のピクセル数に相当する。
【0058】
ＤＦイメージングにおいて、イメージセンサ１０４における強度は、｜Ｕ０（ｅｉθｍｎ－１）｜２と表される。位相キャンセルにより、視野（ＦＯＶ）内の最大位相がθｍａｘ≪１となっているとき、最大ＤＦ強度は式（１）で表される。
【数1】
【0059】
また、２回目の測定（ＰＣ－ＤＦＤＨ測定）では、サンプルに照射する照明光ＳＩＬＬ’の強度を、通常のＤＨ測定で用いる照明光ＳＩＬＬの強度の１／θｍａｘ
２倍まで増やすことができる。なぜなら、サンプルアームから供給されるＤＨ強度は、｜Ｕ０ｅｉθｍｎ｜＝Ｕ０
２であるからである。
【0060】
ＰＣ－ＤＦＤＨ測定とＤＨ測定の位相検出感度を比較する。軸ずらし干渉法では、２つのアームの振幅が同一であるときに、最高の検出感度を得ることができる。イメージセンサにおけるＤＨ強度Ｉｍｎ
ＤＨ、ＰＣ－ＤＦＤＨ強度をＩｍｎ
ＰＣ－ＤＦＤＨはそれぞれ、式（２）、（３）で表される。
【数2】
【数3】
【0061】
ここでＵ０は参照光の複素振幅であり、軸ずらし光学系に起因して追加される位相項は、ｋＭｍ＋ｋＮｎである。
【0062】
式（２）において、ＤＨ測定に比べてα倍（１≦１／θｍａｘ
２）強い光の照射を仮定する。このとき、ＰＣ－ＤＦＤＨ測定における位相検出感度δθＰＣ－ＤＦＤＨ
ｍｎと、ＤＨ測定における位相検出感度δθＤＨ
ｍｎの関係は、式（４）で表される。ここでθｍｎ／θｍａｘ≒０と近似している。
【数4】
【0063】
ＰＣ－ＤＦＤＨ測定では、位相検出感度は、２つの要因によって増加する。ひとつは、ＤＦ測定を導入したことによるイメージセンサにおける強度の低下であり、これにより、ショットノイズが減少し、θｍｎ／θｍａｘ≒０の場合、感度は√２倍程度改善される。もうひとつは、ダイナミックレンジのシフトであり、これにより検出感度は、√α倍、改善される。なぜなら、ショットノイズはＤＨ測定に比べて、√α倍小さくなるからである。
【0064】
（実験結果）
位相イメージング装置１００Ａに関する実験結果を説明する。なお、この実験は、暗視野手法を取り入れた定量位相イメージングを初めて実証したものである。サンプルとして、５μｍのシリカマイクロビーズを用いた。
位相イメージング装置１００Ａに関する実験結果を説明する。なお、この実験は、暗視野手法を取り入れた定量位相イメージングを初めて実証したものである。サンプルとして、５μｍのシリカマイクロビーズを用いた。
【0065】
はじめに、位相キャンセルの効果を検証した。図７（ａ）～（ｃ）は、実験結果を示す図である。図７（ａ）は、ＤＨ測定で得られる位相画像を、図７（ｂ）は、ＤＦ測定で得られる強度画像を示す図である。図７（ｃ）は、サンプルアームのＤＨ強度である。上段は位相キャンセル前、下段は位相キャンセル後の画像を示す。なお、図７（ｂ）、（ｃ）では参照光は入れていない。
【0066】
シリカビーズは、１ｒａｄを超える大きな位相シフトを有し、弱位相物体とはいえないため、シリカビーズが存在する箇所において、図７（ｂ）の上図と、図７（ｃ）とでは、強度はそれほど変わらない。つまり、ＤＦ測定を行ったとしても、サンプルに照射する光を増やすことはできない。
【0067】
これに対して、位相キャンセルを行うと、マイクロビーズ由来の位相分布をキャンセルすることができ、視野内の最大位相を０．１ｒａｄ以下に抑えることができている。これにより、図７（ｂ）の下段に示すように、ＤＦ画像の強度は、１／３０倍以下に小さくなっていることがわかる。したがって、照明光の強度を３０倍以上に増やすことが可能である。
【0068】
続いて、位相イメージングの定量性について検討した。図８（ａ）～（ｄ）は、実験結果を示す図である。図８（ａ）および（ｂ）は、ＤＦＤＨ測定およびＤＨ測定で得られる位相分布を示す。両者は良く一致していることがわかる。ＱＰＩの再構成は、ＤＦＤＨで測定したサンプル由来の物体光の情報と、サンプルなしでＤＨ手法で測定した非散乱光成分の情報を組み合わせることで実現できる。
【0069】
視野内の最大位相に応じて、イメージセンサを飽和させずに、サンプルに照射するできる光の強度が変化することを確かめた。空間光変調器１０８に、視野内の最大位相に相当する位相値（０．１６，０．３３，０．５６）を有する～３μｍ程度の位相物体を入力し、その値によってサンプルに照射できる光量の変化を測定した。図８（ｃ）は、視野内の最大位相と、照明光として許容される最大強度の関係を示す図である。この結果から、サンプルに照射できる光の量は、ＤＨ測定に比べて、１／θｍａｘ
２に増やせることがわかる。
【0070】
続いて、ＤＦＤＨ法の検出感度のθｍａｘに対する依存性を調べた。図８（ｄ）は、サンプルに照射する光強度と、位相の検出感度の関係を示す図である。検出感度は、２５フレームの隣接する位相イメージの差分をとり、その時間標準偏差の視野内の平均値をノイズとして計算したものである。ＤＨ法ではサンプルが存在することで、干渉縞の位置がずれるだけなので、視野内の最大位相値によってサンプルに照射できる光強度はかわらず、検出感度は６．０１ｍｒａｄで一定である。一方、ＰＣ－ＤＦＤＨ法の検出感度は、式（３）に、δθＤＨ
ｍｎ＝６．０１ｍｒａｄを代入した曲線と一致しており、強度の増加に伴って検出感度が改善されることが分かる。
【0071】
続いて、ダイナミックレンジの拡大について検討した結果を説明する。この検証のために、中赤外（ＭＩＲ：Mid Infrared）フォトサーマル位相イメージングの実験を行った。図９（ａ）～（ｃ）は、実験結果を示す図である。フォトサーマル位相イメージングでは、励起光の吸収によるサンプルの温度変化、それに伴う屈折率変化、つまり検出光の位相変化を捉える。よって励起光のＯＮ／ＯＦＦの位相イメージの差分をとることで、励起光の吸収量の情報を得ることができる。ここでは５μｍのシリカビーズをマッチングオイルに浸し、励起光としてはＳｉ－Ｏ伸縮振動に共鳴する波長（１０４５ｃｍ－１）の赤外パルスレーザを入射した。図９（ａ）は、ＰＣ－ＤＦＤＨによる復元位相イメージと、ＤＨによる位相イメージを示す。位相キャンセルにより、最大位相を０．１ｒａｄ程度まで減らすことができ、ＤＦＤＨではＤＨの３８倍の光をサンプルに照射した。図９（ｂ）、（ｃ）は、励起光の吸収による位相イメージの変化（すなわちＯＮ／ＯＦＦの差分）を示しており、ＤＨでは位相変化がノイズに埋もれているが、ＰＣ－ＤＦＤＨでは、位相変化が検出できている。ノイズフロアは６．６倍低くなっており、元の位相分布（図９（ａ））と、微小位相変化（図９（ｂ））の両方を捉えられており、位相イメージングのダイナミックレンジが拡大できていることがわかる。
【0072】
（実施例２）
図１０は、実施例２に係る位相イメージング装置１００Ｂを示す図である。この位相イメージング装置１００Ｂは、実施例１の空間光変調器１０８の位置を、サンプル２より前の共役面に配置したものである。
図１０は、実施例２に係る位相イメージング装置１００Ｂを示す図である。この位相イメージング装置１００Ｂは、実施例１の空間光変調器１０８の位置を、サンプル２より前の共役面に配置したものである。
【0073】
（実施例３）
図１１は、実施例３に係る位相イメージング装置１００Ｃを示す図である。この位相イメージング装置１００Ｃは、位相回復法を用いたインライン型のデジタルホログラフィー装置である。この実施例では、参照光を照射する代わりに、イメージセンサ１０４の位置をシフトさせながら、複数回、物体光を測定する。
図１１は、実施例３に係る位相イメージング装置１００Ｃを示す図である。この位相イメージング装置１００Ｃは、位相回復法を用いたインライン型のデジタルホログラフィー装置である。この実施例では、参照光を照射する代わりに、イメージセンサ１０４の位置をシフトさせながら、複数回、物体光を測定する。
【0074】
あるいは位相シフト法を用いたインライン型のデジタルホログラフィー装置にも、本発明は適用可能である。この場合は、イメージセンサに対して物体光と同軸に参照光を入射し、参照光の位相をシフトさせながら、複数個のホログラムを記録後、それらの画像を演算処理することによって、光の複素振幅画像を求めることができる。
【0075】
（実施例４）
図１２は、実施例４に係る位相イメージング装置１００Ｄを示す図である。この位相イメージング装置１００Ｄは、パターニングした照明光ＳＩＬＬを、照射角を替えながらサンプルに照射する光回折トモグラフィーおよび合成瞳関数イメージング装置である。空間光変調器１０８に、回折格子のような位相パターンを与え、サンプル２に斜め方向から照明光を照射し、いくつかの角度で位相情報を測定することで、３次元情報（屈折率情報）あるいは高空間分解能な定量位相画像を得ることができる。なお、これらの技術において参照光の有無は問わない。
図１２は、実施例４に係る位相イメージング装置１００Ｄを示す図である。この位相イメージング装置１００Ｄは、パターニングした照明光ＳＩＬＬを、照射角を替えながらサンプルに照射する光回折トモグラフィーおよび合成瞳関数イメージング装置である。空間光変調器１０８に、回折格子のような位相パターンを与え、サンプル２に斜め方向から照明光を照射し、いくつかの角度で位相情報を測定することで、３次元情報（屈折率情報）あるいは高空間分解能な定量位相画像を得ることができる。なお、これらの技術において参照光の有無は問わない。
【0076】
この装置において、空間光変調器１０８に、位相キャンセルのためのパターンを同時に入れておくことで、本発明を適用することができる。
【0077】
なお、この手法では、暗視野光学系１０６のフーリエ面の非散乱光成分の位置が、照明角度に応じて変化する。したがって、マスク１０７を、非散乱光成分の位置に追従する可動式のものとするとよい。あるいはマスク１０７の代わりにＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用い、非散乱光成分の位置に応じて、各画素のオン、オフを制御してもよい。
【0078】
（実施例５）
図１３は、実施例５に係る位相イメージング装置１００Ｅを示す図である。この位相イメージング装置１００Ｅは、ＳＬＩＭ（Spatial Light Interference Microscopy）型である。第１空間光変調器１０８は、サンプル面と共役な面に設けられ、サンプル２による位相遅れをキャンセル可能である。第２空間光変調器１１２は、サンプル２由来の位相情報を含む物体光ＳＯＢＪの非散乱光成分の強度を減衰させ、かつ位相をシフトさせる。イメージセンサ１０４は、物体光ＳＯＢＪにもとづくホログラムを記録する。
図１３は、実施例５に係る位相イメージング装置１００Ｅを示す図である。この位相イメージング装置１００Ｅは、ＳＬＩＭ（Spatial Light Interference Microscopy）型である。第１空間光変調器１０８は、サンプル面と共役な面に設けられ、サンプル２による位相遅れをキャンセル可能である。第２空間光変調器１１２は、サンプル２由来の位相情報を含む物体光ＳＯＢＪの非散乱光成分の強度を減衰させ、かつ位相をシフトさせる。イメージセンサ１０４は、物体光ＳＯＢＪにもとづくホログラムを記録する。
【0079】
たとえば、第２空間光変調器１１２を、複素振幅変調ＳＬＭとして構成し、物体光の非散乱光成分の強度操作と位相操作の両方を行うようにしてもよい。つまりこの場合は、位相変調器１１２が、ＳＬＩＭイメージングにおける位相変調器と、暗視野光学系１０６の機能を兼ねることとなる。
【0080】
あるいは、第２空間光変調器１１２を、位相操作のためのデバイスと、強度操作のためのデバイスに分割して構成してもよい。この場合、図１３の第２空間光変調器１１２の一に、位相変調器を置いて、位相操作のみを行うようにし、その後ろに、二枚のレンズを追加して、位相変調器と共役面をつくり、そこに非散乱光成分の強度操作を行うデバイスを挿入してもよい。
【0081】
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【0082】
２ サンプル
４ イメージセンサ
６ 暗視野光学系
８ 空間光変調器
１００ 位相イメージング装置
１０２ 光源
１０４ イメージセンサ
１０６ 暗視野光学系
１０７ マスク
１０８ 空間光変調器
１１０ 演算処理装置
１１２ 空間光変調器
４ イメージセンサ
６ 暗視野光学系
８ 空間光変調器
１００ 位相イメージング装置
１０２ 光源
１０４ イメージセンサ
１０６ 暗視野光学系
１０７ マスク
１０８ 空間光変調器
１１０ 演算処理装置
１１２ 空間光変調器
【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】