特許 7500042 光学装置、撮像システム、分析システム、方法、及び空間光変調素子の使用方法

(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】2024-06-07

(45)【発行日】2024-06-17

(54)【発明の名称】光学装置、撮像システム、分析システム、方法、及び空間光変調素子の使用方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/00 20060101AFI20240610BHJP

   G03H 1/16 20060101ALI20240610BHJP

   G03H 1/26 20060101ALI20240610BHJP

   G02B 21/36 20060101ALI20240610BHJP

   G02B 21/02 20060101ALI20240610BHJP

   H04N 23/55 20230101ALI20240610BHJP

   H04N 23/60 20230101ALI20240610BHJP

   G02B 27/40 20060101ALN20240610BHJP

【ＦＩ】

G02B21/00

G03H1/16

G03H1/26

G02B21/36

G02B21/02

H04N23/55

H04N23/60 500

G02B27/40

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2019224774

(22)【出願日】2019-12-12

(65)【公開番号】P2021092732

(43)【公開日】2021-06-17

【審査請求日】2022-07-26

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 公開の事実１：平成３０年１２月１９日、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＤＨＩＰ２０１８ 公開の事実２：平成３０年１２月１９日、Ｔｈｅ ８ｈｔ Ｊａｐａｎ－Ｋｏｒｅａ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ 公開の事実３：令和 １年 ９月 ２日、第２回極みプロジェクトシンポジウム 公開の事実４：令和 １年１２月 ９日、第８回 大阪府立大学・和歌山大学 工学研究シーズ合同発表会

(73)【特許権者】

【識別番号】504145283

【氏名又は名称】国立大学法人 和歌山大学

(74)【代理人】

【識別番号】100111567

【弁理士】

【氏名又は名称】坂本 寛

(72)【発明者】

【氏名】最田 裕介

(72)【発明者】

【氏名】米田 成

(72)【発明者】

【氏名】野村 孝徳

【審査官】岡田 弘

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／０５６６５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－１２８００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１４６５０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／０６３４６３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ １９／００－２１／００

Ｇ０２Ｂ ２１／０６－２１／３６

Ｇ０２Ｂ ９／００－１７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２－２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００－２５／０４

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｇ０２Ｂ ５／３２

Ｇ０３Ｈ １／００－５／００

Ｈ０４Ｎ ５／２２２－５／２５７

Ｇ０１Ｃ ３／００－３／３２

Ｇ０６Ｔ １／００－１／４０

Ｇ０６Ｔ ３／００－５／５０

Ｇ０６Ｔ １１／６０－１３／８０

Ｇ０６Ｔ １７／０５

Ｇ０６Ｔ １９／００－１９／２０

Ｇ０６Ｔ ７／００－７／９０

Ｇ０６Ｖ １０／００－２０／９０

Ｇ０６Ｖ ３０／４１８

Ｇ０６Ｖ ４０／１６－４０／２０

Ｇ０３Ｂ ３／００－３／１２

Ｇ０３Ｂ １３／３０－１３／３６

Ｇ０３Ｂ ２１／５３

Ｇ０２Ｂ ７／２８－７／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

撮像の対象物と撮像装置の撮像面との間に配置される光学装置であって、
前記対象物に対向するレンズと、前記レンズの後側焦点におけるフーリエ変換作用を有する空間光変調素子と、を備え、
前記空間光変調素子は、前記対象物の合焦像に対して異なる複数の点像分布関数が畳み込まれた複数の非合焦像を、前記撮像装置における単一の前記撮像面内において回折格子による０次回折光が表れる位置の周囲に生成するよう構成され、
前記撮像装置における単一の前記撮像面内に生成された前記複数の非合焦像は、それぞれ、非合焦度合いが異なるとともに、合焦位置から光軸方向に変位した複数の異なる非合焦位置において得られる複数の非合焦像に相当する像であり、
前記複数の異なる非合焦位置は、前記合焦位置からの変位量の絶対値が異なる複数の位置を含み、
前記異なる複数の点像分布関数それぞれは、前記複数の非合焦像それぞれの非合焦度合い応じた特性を有する
光学装置。

【請求項2】

対象物に対向する第１レンズと、
前記第１レンズの光軸上に配置された第２レンズと、
前記第１レンズの後側焦点であって前記第２レンズの前側焦点である位置に配置された空間光変調素子と、
を備え、
前記空間光変調素子は、前記第２レンズの後側焦点に位置する撮像面内に、非合焦度合が異なる複数の非合焦像を生成するため、前記対象物の合焦像に対して、前記非合焦度合に応じた異なる複数の点像分布関数を畳み込む光変調特性を有する、
光学装置。

【請求項3】

前記複数の非合焦像は、複数の異なる非合焦位置において得られる複数の非合焦像に相当する像であり、
前記複数の異なる非合焦位置それぞれは、前記撮像面の位置から光軸方向に変位した位置である
請求項２に記載の光学装置。

【請求項4】

前記複数の異なる非合焦位置は、前記撮像面からの距離の絶対値が異なる複数の位置を含む
請求項３に記載の光学装置。

【請求項5】

前記複数の異なる非合焦位置は、前記撮像面からの距離の絶対値が同じであって、距離の符号が異なる複数の位置を含む
請求項４に記載の光学装置。

【請求項6】

前記空間光変調素子は、少なくとも光の振幅変調をすることによって前記光変調特性を生じさせるよう構成されている
請求項２に記載の光学装置。

【請求項7】

前記空間光変調素子は、前記光変調特性を生じさせるよう構成された回折格子を含む
請求項２又は請求項６に記載の光学装置。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光学装置と、
前記光学装置における前記撮像面の位置に配置された撮像装置と、
を備える撮像システム。

【請求項9】

請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光学装置と、
前記光学装置における前記撮像面の位置に配置され、対象物についての前記複数の非合焦像を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置から取得した前記複数の非合焦像に基づいて、対象物の分析をする分析装置と、
を備える分析システム。

【請求項10】

請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光学装置を用いて、前記複数の非合焦像を撮像することを含む方法。

【請求項11】

空間光変調素子の使用方法であって、
前記空間光変調素子は、対象物に対向する第１レンズの光軸上に配置された第２レンズの後側焦点に位置する撮像面内に、非合焦度合が異なる複数の非合焦像を生成するため、前記対象物の合焦像に対して、前記非合焦度合に応じた異なる複数の点像分布関数を畳み込む光変調特性を有し、
前記空間光変調素子を、対象物に対向する第１レンズの後側焦点であって、前記第１レンズの光軸上に配置された第２レンズの前側焦点である位置に配置し、
前記撮像面内の０次回折光が表れる位置の周囲に前記複数の非合焦像を生成する
空間光変調素子の使用方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、非合焦像の生成に関する。

【背景技術】

【0002】

撮像装置を合焦位置から光軸方向にずらして撮影された像（非合焦像）には、様々な応用分野がある。一つの応用分野として、非合焦像を用いた位相計測法がある。

【0003】

位相計測法は、例えば、光の吸収のない透明な物体の観察に用いられる。通常の撮像装置によって取得される合焦像では、光の吸収のない透明な物体の内部構造などの確認は困難である。このような場合、屈折率変化に伴う光学的な位相差を観察することが有用である。

【0004】

位相差は、合焦時の強度にはほとんど影響せず視認することはできない。しかし、合焦位置から光軸方向に撮像装置をずらして撮影される非合焦像では、撮像対象における屈折率変化に対応した強度変化が見られ、合焦位置から離れるほど、強度変化の度合いは大きくなる。

【0005】

非合焦像から撮像対象の位相分布を取得する位相計測法として、強度輸送方程式（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｅｑｕａｔｉｏｎ：ＴＩＥ）を用いた方法などがある。このような位相計測法では、光軸方向の異なる位置で取得された非合焦度合いの異なる複数の非合焦像が用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００７－２５９４０４号公報

【発明の概要】

【0007】

非合焦度合いの異なる複数の非合焦像を得るには、撮像装置を光軸方向に物理的に移動させる必要がある。撮像装置を複数の位置へ移動させることが必要であると、複数の非合焦像を得るのに時間を要する。しかも、撮像装置の移動精度を高くする必要がある。しかも、撮像の対象が動いている場合には、撮像が困難である。したがって、これらの問題の解決が望まれる。

【0008】

本開示の一つの側面は、光学装置である。開示の光学装置は、合焦像に対して異なる複数の点像分布関数それぞれが畳み込まれた複数の非合焦像を、単一の撮像面内に生成するよう構成されている。前記複数の非合焦像は、それぞれ、非合焦度合いが異なる

【0009】

他の観点において、開示の光学装置は、対象物に対向する第１レンズと、前記第１レンズの光軸上に配置された第２レンズと、前記第１レンズの後側焦点であって前記第２レンズの前側焦点である位置に配置された空間光変調素子と、を備え、前記空間光変調素子は、前記第２レンズの後側焦点に位置する撮像面内に、複数の非合焦像を生成する光変調特性を有し、前記複数の非合焦像は、それぞれ、非合焦度合いが異なる。

【0010】

本開示によれば、撮像面に、非合焦度合いが異なる複数の非合焦像が生成される。したがって、１回の撮像によって、複数の非合焦像を取得できる。この結果、撮像装置の移動の必要がなく、撮像の移動によって生じる前述の問題が解決される。

【0011】

なお、特許文献１は、ボケ画像を得ることを開示している。しかし、特許文献１において、１回の撮像で、一つのボケ画像を取得することしか開示しておらず、複数の非合焦像を取得することは開示していない。しかも、特許文献１は、撮像装置を光軸方向に物理的に移動させたときに得られる非合焦像に相当する像を得ることも開示していない。

【0012】

本開示の他の側面は、前記光学装置が用いられる撮像システム、分析システム、及び方法である。本開示の更に他の側面は、前記光学装置に用いられる空間光変調素子である。本開示に関し、更なる詳細は、後述の実施形態として説明される。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、実施形態に係る分析システムの構成図である。

【図2】図２は、複数の非合焦像の取得の説明図である。

【図3】図３は、光軸方向の異なる位置に配置された非合焦像及び合焦像を示す図である。

【図4】図４は、複数の非合焦像の取得のための撮像装置の移動を示す図である。

【図5】図５は、強度輸送方程式に基づく位相イメージングの説明図である。

【図6】図６は、ＣＧＨ作製の説明図である。

【図7】図７は、ホログラム再生の説明図である。

【図8】図８は、非合焦像が畳み込み積分によって表されることの説明図である。

【図9】図９は、ＣＧＨ作製の説明図である。

【図10】図１０は、ホログラム再生の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

＜１．光学装置、撮像システム、分析システム、方法、及び空間光変調素子の概要＞

【0015】

（１）実施形態に係る光学装置は、撮像の対象物の合焦像に対して、異なる複数の点像分布関数が畳み込まれた複数の非合焦像を、単一の撮像面内に生成するよう構成されている。前記複数の非合焦像は、それぞれ、非合焦度合いが異なる。

【0016】

（２）実施形態に係る光学装置は、対象物に対向する第１レンズと、前記第１レンズの光軸上に配置された第２レンズと、前記第１レンズの後側焦点であって前記第２レンズの前側焦点である位置に配置された空間光変調素子と、を備える。前記空間光変調素子は、前記第２レンズの後側焦点に位置する撮像面内に、複数の非合焦像を生成する光変調特性を有し、前記複数の非合焦像は、それぞれ、非合焦度合いが異なる。

【0017】

（３）前記複数の非合焦像は、複数の異なる非合焦位置において得られる複数の非合焦像に相当する像である。前記複数の異なる非合焦位置それぞれは、前記撮像面の位置から光軸方向に変位した位置である。

【0018】

（４）前記複数の異なる非合焦位置は、前記撮像面からの距離の絶対値が異なる複数の位置を含むことができる。

【0019】

（５）前記複数の異なる非合焦位置は、前記撮像面からの距離の絶対値が同じであって、距離の符号が異なる複数の位置を含むことができる。

【0020】

（６）前記空間光変調素子は、少なくとも光の振幅変調をすることによって前記光変調特性を生じさせるよう構成されているのが好ましい。

【0021】

（７）前記空間光変調素子は、前記光変調特性を生じさせるよう構成された回折格子を含むことができる。この場合、回折により生じる共役像が得られるため、複数の非合焦像を得るのが容易になる。

【0022】

（８）実施形態に係る撮像システムは、（１）から（７）のいずれか１項に記載の光学装置と、前記光学装置における前記撮像面の位置に配置された撮像装置と、を備えることができる。前記撮像装置は、例えば、光学顕微鏡、又はカメラである。前記光学装置は、光学顕微鏡用のアタッチメント、又はカメラ用アタッチメントとして構成される。

【0023】

（９）実施形態に係る分析システムは、（１）から（７）のいずれか１項に記載の光学装置と、前記光学装置における前記撮像面の位置に配置され、対象物についての前記複数の非合焦像を撮像する撮像装置と、前記撮像装置から取得した前記複数の非合焦像に基づいて、対象物の分析をする分析装置と、を備えることができる。

【0024】

（１０）実施形態に係る方法は、（１）から（７）のいずれか１項に記載の光学装置を用いて、前記複数の非合焦像を撮像することを含む。

【0025】

（１１）実施形態に係る空間光変調素子は、対象物に対向する第１レンズの後側焦点であって、前記第１レンズの光軸上に配置された第２レンズの前側焦点である位置に配置される空間光変調素子であって、前記第２レンズの後側焦点に位置する撮像面内に、複数の非合焦像を生成する光変調特性を有し、前記複数の非合焦像は、それぞれ、非合焦度合いが異なる。

【0026】

＜２．光学装置、撮像システム、分析システム、方法、及び空間光変調素子の例＞

【0027】

図１は、実施形態に係る光学装置２０を備えた撮像システム１５を示している。撮像システム１５は、対象物１００の非合焦像を取得する。実施形態の撮像システム１５は、複数の非合焦像を１回の撮影によって得ることができる。実施形態において、撮像システム１５は、分析装置５０に接続され、分析システム１０の一部を構成する。

【0028】

対象物１００は、一例として、生体細胞サンプルなどの無色透明な物体（純位相物体）である。対象物１００が透明である場合、合焦像においては、光の強度分布がほとんど生じない。このため、対象物１００の合焦像から、対象物１００の形状又は構造などを分析するのは困難である。実施形態においては、対象物１００の分析のため、複数の非合焦像が取得される。

【0029】

撮像システム１５は、光学装置２０と撮像装置４０とを備える。実施形態に係る光学装置２０は、第１レンズ２１と、第２レンズ２２と、空間光変調素子３０と、を備える。

【0030】

第１レンズ２１は、撮像の対象物１００に対向するよう配置される。第１レンズ２１は、焦点距離ｆを有する。第１レンズ２１の前側焦点位置に対象物１００が配置されると、第１レンズ２１の後側焦点位置では、数学的に対象物１００がフーリエ変換された分布（フーリエスペクトル）が現れる。

【0031】

第２レンズ２２は、第１レンズの光軸上に配置され、焦点距離ｆを有する。なお、ここでは、簡単化のため、第１レンズ２１及び第２レンズ２２の焦点距離が同じ値ｆであるが両レンズ２１，２２の焦点距離は異なっていてもよい。また、図１において、光軸は、ｚ方向に平行な方向である。

【0032】

第２レンズ２２は、第２レンズ２２の前側焦点位置が、第１レンズ２１の後側焦点位置に一致するように配置される。第２レンズ２２の後側焦点位置は、撮像装置４０による撮像位置（撮像面４１）となる。撮像面４１は、図１のｘｙ平面に平行な面である。撮像装置４０は、撮像装置４０が有する撮像素子（イメージセンサ）の面（撮像素子面）が、第２レンズ２２の後側焦点位置に存在するように配置される。前述の空間光変調素子３０が存在しない場合、このように配置された撮像装置４０で、対象物１００を撮影すると、対象物１００の合焦像が得られる。ここでは、合焦像が得られる撮像面４１の位置を「合焦位置」ともいう。

【0033】

実施形態においては、空間光変調素子３０が、第１レンズ２１の後側焦点位置（第２レンズの前側焦点位置でもある）に配置されている。空間光変調素子３０は、空間的に光の振幅及び位相の少なくともいずれか一方を変調するための素子である。実施形態の空間光変調素子３０は、合焦像を撮影できる位置（合焦位置）に配置された撮像装置４０の撮像面４１に、非合焦度合いの異なる複数の非合焦像を生成するよう構成されている。

【0034】

空間光変調素子３０は、複数の非合焦像を生成するため、例えば、回折格子を有し、光の回折により光の振幅を変調するよう構成される。空間光変調素子３０は、振幅に加えて位相を変調するよう構成されていてもよい。一例として、空間光変調素子３０は、光振幅変調作用及び光位相変調作用の少なくともいずれか一方を与える分布を表示した液晶ディスプレイによって構成される。なお、以下の例では、光振幅変調作用を与える分布を表示した液晶ディスプレイが用いられるが、光振幅変調作用に加えて位相変調作用も与える分布を表示した液晶ディスプレイが用いられてもよい。

【0035】

空間光変調素子３０は、液晶ディスプレイによって構成されるものに限られず、光変調作用を与える分布が、微細加工によって予め作製された素子であってもよい。

【0036】

空間光変調素子３０は、回折格子としての作用を有しており、撮像面４１内の異なる位置に複数の非合焦像を生成することができる。空間光変調素子３０の更なる詳細については後述する。

【0037】

図２は、空間光変調素子３０を備える光学装置２０によって、単一の撮像面４１に同時に生成される複数（ここでは一例として８個）の非合焦像Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_－１，Ｂ_－２，Ｂ_－３，Ｂ_－４と、一つの合焦像Ｂ_０と、の計９個の像を示している。なお、図２では、撮像面４１に表れる９個の像Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_－１，Ｂ_－２，Ｂ_－３，Ｂ_－４，Ｂ_０の配置が、配置図４１Ａ中に示されている。８個の非合焦像Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_－１，Ｂ_－２，Ｂ_－３，Ｂ_－４は、合焦像Ｂ_０の周囲に現れる。

【0038】

対象物１００が透明である場合、合焦像においては、対象物１００の形状・構造に基づく光の強度分布がほとんど生じない。しかし、合焦位置から離れた位置で撮像される非合焦像においては屈折率変化に対応した強度変化により、対象物１００の形状・構造に基づく光の強度分布が生じる。強度変化は、合焦位置から離れるほど大きくなる。

【0039】

配置図４１Ａ中の各寸法（１ｍｍ，２ｍｍ，３ｍｍ，４ｍｍ，－１ｍｍ，－２ｍｍ，－３ｍｍ，－４ｍｍ，０ｍｍ）は、撮像面４１の位置（合焦位置）からの光軸方向（ｚ軸方向）への変位量を示している。例えば、非合焦像Ｂ_１の変位量は、１ｍｍであり、これは、非合焦像Ｂ_１が、合焦位置からｚ方向に＋１ｍｍ変位した位置において生じる非合焦像に相当する像であることを示している。

【0040】

同様に、非合焦像Ｂ_２は、合焦位置からｚ方向に＋２ｍｍ変位した位置において生じる非合焦像に相当し、非合焦像Ｂ_３は、合焦位置からｚ方向に＋３ｍｍ変位した位置において生じる非合焦像に相当し、非合焦像Ｂ_４は、合焦位置からｚ方向に＋４ｍｍ変位した位置において生じる非合焦像に相当する。

【0041】

非合焦像Ｂ_－１は、合焦からｚ方向に－１ｍｍ変位した位置において生じる非合焦像に相当し、非合焦像Ｂ_－２は、合焦位置からｚ方向に－２ｍｍ変位した位置において生じる非合焦像に相当し、非合焦像Ｂ_－３は、合焦位置からｚ方向に－３ｍｍ変位した位置において生じる非合焦像に相当し、非合焦像Ｂ_－４は、合焦位置からｚ方向に－４ｍｍ変位した位置において生じる非合焦像に相当する。

【0042】

ここでは、合焦位置（撮像面４１の位置）から、光軸方向（ｚ軸方向）に変位した位置を非合焦位置という。合焦位置にある撮像面４１に表れる非合焦像Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_－１，Ｂ_－２，Ｂ_－３，Ｂ_－４は、図３に示すように、合焦位置から変位した非合焦位置において得られる非合焦像に相当する像である。非合焦像における非合焦度合い（ボケ度合い）は、合焦位置からの変位量（非合焦位置）に応じて決まるため、異なる非合焦位置において得られる非合焦像は、非合焦度合いが異なるものとなる。つまり、複数の非合焦像Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_－１，Ｂ_－２，Ｂ_－３，Ｂ_－４は、それぞれ、非合焦度合いが異なる像である。

【0043】

このように、本実施形態では、１回の撮影によって、単一の撮像面４１に、非合焦度合いが異なる複数の非合焦像Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_－１，Ｂ_－２，Ｂ_－３，Ｂ_－４を得ることができる。実施形態に係る空間光変調素子３０を用いない場合、非合焦度合いが異なる複数の非合焦像を得るには、図４に示すように、撮像装置４０を光軸方向（ｚ軸方向）に移動させる必要がある。しかし、撮像装置４０を移動させることが必要であると、複数の非合焦像を得るのに時間を要する。しかも、撮像装置４０の移動精度を高くする必要がある。しかも、対象物１００が動いている場合には、撮像が困難である。

【0044】

これに対して、本実施形態では、撮像装置４０を移動させることなく、複数の非合焦像が得られる。したがって、短時間で複数の非合焦像が得られる。また、撮像装置４０の移動精度も問題にならなくなる。さらに、対象物１００が動いていても、同一時点における対象物１００の複数の非合焦像を得ることができる。

【0045】

図１に示す分析装置５０は、一例として、複数の非合焦像Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_－１，Ｂ_－２，Ｂ_－３，Ｂ_－４を撮像装置４０から取得し、対象物１００の位相イメージングをすることができる。位相イメージングには、例えば、強度輸送方程式（ＴＩＥ）が用いられる。

【0046】

図５は、ＴＩＥに基づく位相計測を示している。合焦位置における対象物１００の位相分布φ_０（ｘ，ｙ）は、図５中の式（１）によって算出される。式（１）中の点線内の項は、式（２）によって近似（有限差分近似）される。式（２）の左辺は、式（２）の右辺で示されるように、合焦位置から＋Δｚほど変位した位置で得られる非合焦像の光強度分布Ｉ_Δｚ（ｘ，ｙ）と、合焦位置から－Δｚほど変位した位置で得られる非合焦像の光強度分布Ｉ_－Δｚ（ｘ，ｙ）と、によって近似される。

【0047】

図５では、２つの非合焦像を用いて位相分布φ_０（ｘ，ｙ）が算出されるが、より多くの非合焦像を用いる高次強度輸送方程式（ＨＯ－ＴＩＥ）を採用することで、より精度良く位相分布を算出できる。本実施形態の分析装置５０は、８個の非合焦像を用いる高次強度輸送方程式に基づいて、高精度に対象物１００を計測できる。

【0048】

実施形態において、空間光変調素子３０は、計算機合成ホログラム（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ：ＣＧＨ）が表示された液晶ディスプレイによって構成される。ＣＧＨ（以下では、単に、「ホログラム」ということがある）は、対象物１００についての複数の非合焦像を、撮像面４１上に生成するように、設計される。ＣＧＨの設計は、コンピュータによって、光の干渉及び回折を計算することで行える。ＣＧＨの生成については、後述する。

【0049】

図２に示すように、ＣＧＨの変調特性をＨ（μ，ν）とし、対象物１００からの光をａ（ｘ，ｙ）とする。以下では、ａ（ｘ，ｙ）を「物体光」ともいう。物体光ａ（ｘ，ｙ）が、第１レンズ２１を透過すると、第１レンズ２１のフーリエ変換作用によって、第１レンズ２１の後側焦点位置（空間光変調素子３０の位置）に、物体光ａ（ｘ，ｙ）がフーリエ変換された分布（フーリエスペクトル）Ａ（μ，ν）が現れる。第１レンズ２１の後側焦点位置には、空間光変調素子３０が配置されているため、フーリエスペクトルＡ（μ，ν）にＣＧＨの変調特性Ｈ（μ，ν）が乗じられる。したがって、第１レンズ２１の後側焦点位置における光波の複素振幅分布は、Ａ（μ，ν）Ｈ（μ，ν）になる。

【0050】

空間光変調素子３０により変調を受けた光波Ａ（μ，ν）Ｈ（μ，ν）は、第２レンズ２２によってフーリエ変換される。第２レンズ２２によるフーリエ変換演算子をＦＴ［］で表すと、撮像面４１において生じる像は、ＦＴ［Ａ（μ，ν）Ｈ（μ，ν）］で表される。畳み込みの定理より、ＦＴ［Ａ（μ，ν）Ｈ（μ，ν）］＝ａ（ｘ，ｙ）＊ｈ（ｘ，ｙ）になる。ここで、＊は、畳み込み積分演算子である。

【0051】

上記のように、撮像面４１には、物体光ａ（ｘ，ｙ）と、ＣＧＨの変調特性Ｈ（μ，ν）の逆フーリエ変換ｈ（ｘ，ｙ）との畳み込みである非合焦像が現れる。

【0052】

図６に示すように、ＣＧＨは、点像分布関数（Ｐｏｉｎｔ Ｓｐｒｅａｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：ＰＳＦ）から、計算機合成ホログラム技術を用いた計算をコンピュータによって行うことで、作製される。

【0053】

例えば、所望の点像分布関数ｐ_ｎ（ｘ，ｙ）に従った像を撮像面４１に表したい場合、ＣＧＨの変調特性Ｈ（μ，ｖ）は、図６の式（３）に従って計算される。式（３）から明らかなように、ＣＧＨの変調特性Ｈ（μ，ν）は、所望の点像分布関数ｐ_ｎ（ｘ，ｙ）が与えられると計算可能である。点像分布関数ｐ_ｎ（ｘ，ｙ）の特性は、合焦位置からの変位量（非合焦位置ｎ）によって決まるため、非合焦位置ｎを決めれば、その非合焦位置ｎに対応した点像分布関数ｐ_ｎ（ｘ，ｙ）が決まる。

【0054】

図７に示すように、式（３）によって計算された変調特性Ｈ（μ，ν）を有するＣＧＨに対して平面波を与えると、撮像面４１においてＣＧＨの再生像ｈ（ｘ，ｙ）が現れる。ＣＧＨの再生像ｈ（ｘ，ｙ）は、第２レンズ２２によって、変調特性Ｈ（μ，ν）がフーリエ変換されたものである。実施形態のＣＧＨは、回折格子による振幅変調作用を持つよう設計されているため、撮像面４１の中心には、０次光（０次回折光）が現れ、０次光の周囲に、点像分布関数ｐ_ｎ（ｘ，ｙ）の再生像（＋１次光；＋１次回折光）と、点像分布関数ｐ_ｎ（ｘ，ｙ）の共役像（－１次光；－１次回折光）とが現れる。共役像は、点像分布関数ｐ_ｎ（ｘ，ｙ）とは、ｘｙ平面における位置が異なる他の点像分布関数の再生像としてみなすこともできる。なお、振幅変調に加えて位相変調も行うことで、共役像が現れないようにすることも可能である。

【0055】

図２に示すように、対象物１００の撮像時において、撮像面４１に現れるのは、対象物１００の物体光ａ（ｘ，ｙ）と、ＣＧＨの変調特性Ｈ（μ，ν）の逆フーリエ変換である再生像ｈ（ｘ，ｙ）と、の畳み込み積分に相当する像である。

【0056】

前述のように、実施形態においては、ＣＧＨの再生像ｈ（ｘ，ｙ）は、点像分布関数ｐ_ｎ（ｘ，ｙ）の再生像と、点像分布関数ｐ_ｎ（ｘ，ｙ）の共役像と、を含む。このため、図８に示すように、撮像面４１に現れる対象物１００の非合焦像は、物体光（合焦像）ａ（ｘ，ｙ）と点像分布関数ｐ（ｘ，ｙ）との畳み込み積分である第１非合焦像と、物体光（合焦像）ａ（ｘ，ｙ）と点像分布関数ｐ（ｘ，ｙ）の共役複素数ｐ^＊（ｘ，ｙ）との畳み込み積分である第２非合焦像とを含む。図８に示す第１非合焦像は、例えば、図２及び図３に示す非合焦像Ｂ_２（非合焦位置：２ｍｍ）であり、この場合、図８に示す第２非合焦像は、図２及び図３に示す非合焦像Ｂ_－２（非合焦位置：－２ｍｍ）である。このように、一つの点像分布関数ｐ（ｘ，ｙ）から作製されたＣＧＨを用いると、２つの非合焦像を生成できる。これら２つの非合焦像が取得される２つの非合焦位置は、合焦位置から、非合焦像が得られる非合焦位置までの距離（変位量；デフォーカス量）の絶対値が等しく、符号（プラスとマイナス）が異なる関係にある。

【0057】

異なる複数の非合焦位置に対応した複数の点像分布関数ｐ_ｎ（ｘ，ｙ）を用いることで、より多くの非合焦像を生成できる。

【0058】

図９は、図２に示す８個の非合焦像Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_－１，Ｂ_－２，Ｂ_－３，Ｂ_－４を生成するために用いられるＣＧＨの作成を示している。８個の非合焦像を生成するＣＧＨを作製するには、４個（複数）の点像分布関数ｐ_ｉ（ｘ，ｙ）（ｉは１からｎまでの整数；ここでは、ｎ＝４）が用いられる。４個（複数）の点像分布関数ｐ_ｉ（ｘ，ｙ）の特性は、所望される非合焦像に対応する非合焦位置によって決定される。ここでは、４つの非合焦位置を、それぞれ、合焦位置から１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ及び４ｍｍとする。４個（複数）の点像分布関数ｐ_ｉは、図９に示すように、撮像面４１内の異なる位置に配置される。

【0059】

８個の非合焦像を生成するためのＣＧＨの変調特性Ｈ（μ，ｖ）は、図９の式（４）に従って計算される。式（４）から明らかなように、ＣＧＨの変調特性Ｈ（μ，ν）は、４つの点像分布関数ｐ_ｉ（ｘ，ｙ）の特性と位置が与えられると計算可能である。

【0060】

図１０に示すように、式（４）によって計算された変調特性Ｈ（μ，ν）を有するＣＧＨに対して平面波を与えると、撮像面４１においてＣＧＨの再生像ｈ（ｘ，ｙ）が現れる。一つの点像分布関数ｐ_ｉによって、点対称位置に２つの像（点像分布関数の再生像と共役像）が現れるため、ここでは、非合焦度合いの異なる計８個の像が現れる。また、８個の像の中心に、合焦像（０次光）が現れる。

【0061】

このようにして作製されたＣＧＨを用いると、図２に示すように、撮像面４１の中心に合焦像Ｂ０が現れ、その周囲に、非合焦度合いの異なる８個の非合焦像Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，Ｂ_４，Ｂ_－１，Ｂ_－２，Ｂ_－３，Ｂ_－４が現れる。

【0062】

＜３．付記＞

【0063】

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、空間光変調素子３０は、第２レンズ２２と別素子として設けられている必要はない。空間光変調素子３０に、光変調作用だけでなく、第２レンズ２２と同等のフーリエ変換作用をも具備させることで、第２レンズ２２を省略できる。

【0064】

また、複数の非合焦像の用途は、ＴＩＥに限られず、複数の非合焦像を利用可能な他の分析手法であってもよい。さらに、複数の非合焦像の用途は、対象物１００の分析に限られず、非合焦像を用いた画像処理であってもよいし、光学系の検査であってもよい。

【符号の説明】

【0065】

１０ ：分析システム
１５ ：撮像システム
２０ ：光学装置
２１ ：第１レンズ
２２ ：第２レンズ
３０ ：空間光変調素子
４０ ：撮像装置
４１ ：撮像面
４１Ａ ：配置図
５０ ：分析装置
１００ ：対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】