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ホログラフィック顕微鏡および高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法 NEW

国内特許コード P170013984
整理番号 (S2014-0111-N0)
掲載日 2017年4月7日
出願番号 特願2015-544801
出願日 平成26年10月28日(2014.10.28)
国際出願番号 JP2014005448
国際公開番号 WO2015064088
国際出願日 平成26年10月28日(2014.10.28)
国際公開日 平成27年5月7日(2015.5.7)
優先権データ
  • 特願2013-223761 (2013.10.28) JP
発明者
  • 佐藤 邦弘
出願人
  • 公立大学法人兵庫県立大学
発明の名称 ホログラフィック顕微鏡および高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法 NEW
発明の概要 本発明は、透過型と反射型のいずれも実現でき、従来の光学顕微鏡の分解能を超えることができるホログラフィック顕微鏡、高分解能画像用のホログラムデータ取得方法、および高分解能ホログラム画像再生方法を提供する。球面波参照光(R)を用いてインライン球面波参照光(L)をホログラム(ILR)に記録し、入射方向を変えた照明光(Q,j=1,・・,N)で物体を照明し、物体光(O)と照明光(Q)を球面波参照光(R)を用いてホログラム(IOQR)に記録する。これらのホログラムから参照光(R)成分を除去したホログラム(JOQL)を生成し、そのホログラムから光波(h)を生成する。光波(h)から照明光(Q)の光波(c)を分離し、その位相成分(ξ=c/|c|)によって位相調整再生光波を求めて加算し(H=Σh/ξ)、物体の画像(S=|H)を再生する。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


従来、開口数の大きい複素振幅インラインホログラムをワンショットでかつ結像レンズを用いることなく記録して微小物体の画像を再生する透過型および反射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1参照)。この顕微鏡は、結像レンズを用いないので、従来の光学顕微鏡における媒質や結像レンズの影響を受けるという問題を解決できる。

産業上の利用分野


本発明は、球面波参照光を用いたオフアクシスホログラフィに基づくホログラフィック顕微鏡および高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
ホログラフィック顕微鏡であって、
物体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インライン球面波参照光(L)、照明光(Q)、およびオフアクシス球面波参照光(R)を生成し、かつ、これらの光と、前記照明光(Q)によって照明される物体から放たれる物体光(O)とを伝播させる光学系と、
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)との干渉縞のホログラムである参照光オフアクシスホログラム(ILR)、前記光学系および前記角度変更部によって前記コヒーレント光から構成される入射方向(θ,j=1,・・,N)の異なる照明光(Q,j=1,・・,N)を照射された物体から放たれる物体光(O,j=1,・・,N)と前記オフアクシス球面波参照光(R)との干渉縞のホログラムである物体光オフアクシスホログラム(IOR,j=1,・・,N)、および前記照明光(Q,j=1,・・,N)と前記オフアクシス球面波参照光(R)との干渉縞のホログラムである照明光オフアクシスホログラム(IQR,j=1,・・,N)を前記受光素子を用いてメモリに記録する記録部と、を備え、
前記画像再生部は、
前記各入射方向(θ,j=1,・・,N)毎に、前記参照光オフアクシスホログラム(ILR)、前記物体光オフアクシスホログラム(IOR,)、および前記照明光オフアクシスホログラム(IQR)から、前記オフアクシス球面波参照光(R)の成分を除去した物体光複素振幅インラインホログラム(JOL)および照明光複素振幅インラインホログラム(JQL)を生成するインライン化変調部と、
前記各入射方向(θ,j=1,・・,N)毎に、任意の再生面(z=z)において、前記物体光複素振幅インラインホログラム(JOL)および前記照明光複素振幅インラインホログラム(JQL)の各々から、前記物体光(O)の再生光である物体光再生光波(h)と、前記照明光(Q)の再生光である照明光再生光波(c)と、前記照明光再生光波(c)に含まれる位相成分(ξ=c/|c|)と、前記物体光再生光波(h)から前記位相成分(ξ)を除去した位相調整再生光波(h/ξ)と、を求める光波計算部と、
前記位相調整再生光波(h/ξ)を前記各入射方向(θ,j=1,・・,N)について加算して前記任意の再生面(z=z)における光波である合成光波(H=Σh/ξ)を求めて、前記合成光波(H)を用いて、物体の画像(S=|H)を再生する画像計算部と、を備えることを特徴とするホログラフィック顕微鏡。

【請求項2】
前記画像再生部は、前記物体光複素振幅インラインホログラム(JOL)および前記照明光複素振幅インラインホログラム(JQL)の空間サンプリング間隔を細分化し、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した物体光複素振幅インラインホログラム(KOL)および照明光複素振幅インラインホログラム(KQL)を生成する画素数増大部を備え、
前記光波計算部は、前記画素数を増やした物体光複素振幅インラインホログラム(KOL)および前記画素数を増やした照明光複素振幅インラインホログラム(KQL)を用いて前記位相調整再生光波(h/ξ)を求め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顕微鏡。

【請求項3】
前記画像再生部は、前記物体光(O)と前記照明光(Q)とが互いに分離されずに記録されたホログラムから前記照明光(Q)の再生光波を分離して生成する照明光分離部を備え、
前記記録部は、前記物体光(O)と前記照明光(Q)とが互いに分離されない場合に、前記物体光(O)と前記照明光(Q)と前記オフアクシス球面波参照光(R)との干渉縞のホログラムを物体光照明光オフアクシスホログラム(IOQR)としてメモリに記録し、
前記インライン化変調部は、前記参照光オフアクシスホログラム(ILR)および前記物体光照明光オフアクシスホログラム(IOQR)から、前記オフアクシス球面波参照光(R)の成分を除去した物体光照明光複素振幅インラインホログラム(JOQL)を生成し、
前記照明光分離部は、特定の再生面(z=z)において、前記物体光照明光複素振幅インラインホログラム(JOQL)から前記照明光(Q)を含んでいる前記物体光(O)の再生光波である物体光再生光波(h)を生成し、前記物体光再生光波(h)から前記照明光(Q)の再生光波である照明光再生光波(c)を分離して生成し、
前記光波計算部は、前記照明光分離部が生成した前記物体光再生光波(h)および前記照明光再生光波(c)の各々を前記特定の再生面(z=z)とは異なる任意の再生面(z=z)に伝搬させた新たな物体光再生光波(h)および照明光再生光波(c)を生成し、これらの新たな再生光波を用いて前記位相調整再生光波(h/ξ)を求め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顕微鏡。

【請求項4】
前記画像再生部は、前記物体光照明光複素振幅インラインホログラム(JOQL)の空間サンプリング間隔を細分化し、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した物体光照明光複素振幅インラインホログラム(KOQL)を生成する画素数増大部を備え、
前記照明光分離部は、前記画素数を増やした物体光照明光複素振幅インラインホログラム(KOQL)を用いて前記物体光再生光波(h)を求め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顕微鏡。

【請求項5】
前記角度変更部は、集光レンズと、前記集光レンズに、その入り口側の開口径よりも大きな径を有する平行光を、該集光レンズの光軸に対して傾いた任意の方向から入射させる反射鏡と、を備えることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載のホログラフィック顕微鏡。

【請求項6】
高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法であって、
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)との干渉縞のホログラムである参照光オフアクシスホログラム(ILR)を記録し、
物体に対する入射方向(θ,j=1,・・,N)を変えた照明光(Q,j=1,・・,N)によって前記物体を照明し、前記各入射方向毎に、前記物体から放たれる物体光(O,j=1,・・,N)と前記オフアクシス球面波参照光(R)との干渉縞のホログラムである物体光オフアクシスホログラム(IOR,j=1,・・,N)、および前記照明光(Q,j=1,・・,N)と前記オフアクシス球面波参照光(R)との干渉縞のホログラムである照明光オフアクシスホログラム(IQR,j=1,・・,N)を記録し、
前記各物体光(O,j=1,・・,N)が局在領域から放射され、前記局在領域と前記インライン球面波参照光(L)および前記オフアクシス球面波参照光(R)の各仮想点光源とが互いに近接した条件で、前記各オフアクシスホログラム(ILR,IOR,IQR,j=1,・・,N)が記録されることを特徴とする高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。

【請求項7】
前記オフアクシス球面波参照光(R)は、微小球面からの反射光であることを特徴とする請求項6に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。

【請求項8】
前記物体光が放射される局在領域を望むように複数の受光素子を配置し、前記複数の受光素子によって前記各ホログラムを記録することを特徴とする請求項6または請求項7に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。

【請求項9】
前記ホログラムに記録された物体光(O)は前記物体における前記局在領域の各点で前記照明光(Q)が反射して生じる反射光が重なり合った光であり、該物体光(O)を構成する前記反射光が発生する位置における該反射光の位相とその位置における該反射光を生成する前記照明光(Q)の位相とが同じであることに基づいて、任意の再生面(z=z)において物体光(O,j=1,・・,N)の位相を調整した光波を加算して構成した合成光波(H)を求め、その合成光波(H)を用いて、物体の画像(S=|H)を再生することを特徴とする請求項6乃至請求項8のいずれか一項に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。

【請求項10】
前記各入射方向(θ,j=1,・・,N)毎に、前記参照光オフアクシスホログラム(ILR)、物体光オフアクシスホログラム(IOR,)および照明光オフアクシスホログラム(IQR)から、前記オフアクシス球面波参照光(R)の成分を除去した物体光複素振幅インラインホログラム(JOL)および照明光複素振幅インラインホログラム(JQL)を生成し、
前記各入射方向(θ,j=1,・・,N)毎に、任意の再生面(z=z)において、前記物体光複素振幅インラインホログラム(JOL)および前記照明光複素振幅インラインホログラム(JQL)の各々から、前記物体光(O)の物体光再生光波(h)と、前記照明光(Q)の照明光再生光波(c)と、前記照明光再生光波(c)に含まれる位相成分(ξ=c/|c|)と、前記物体光再生光波(h)から前記位相成分(ξ)を除去した位相調整再生光波(h/ξ)と、を求め、
前記位相調整再生光波(h/ξ)を前記各入射方向(θ,j=1,・・,N)について加算して前記任意の再生面(z=z)における光波である合成光波(H=Σh/ξ)を求め、前記合成光波(H)を用いて、物体の画像(S=|H)を再生することを特徴とする請求項6乃至請求項8のいずれか一項に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。

【請求項11】
前記物体光複素振幅インラインホログラム(JOL)および前記照明光複素振幅インラインホログラム(JQL)の空間サンプリング間隔を細分化し、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した物体光複素振幅インラインホログラム(KOL)および照明光複素振幅インラインホログラム(KQL)を生成し、前記画素数を増やした物体光複素振幅インラインホログラム(KOL)および前記画素数を増やした照明光複素振幅インラインホログラム(KQL)を用いて前記位相調整再生光波(h/ξ)を求めることを特徴とする請求項10に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。

【請求項12】
前記各入射方向(θ,j=1,・・,N)における前記物体光(O)と前記照明光(Q)とが互いに分離して記録されない場合に、前記物体光(O)と前記照明光(Q)と前記オフアクシス球面波参照光(R)との干渉縞のホログラムである物体光照明光オフアクシスホログラム(IOQR)を各入射方向毎に記録し、
前記各オフアクシスホログラム(ILR,IOQR,j=1,・・,N)は、前記局在領域と前記インライン球面波参照光(L)および前記オフアクシス球面波参照光(R)の各仮想点光源とが互いに近接した条件で記録されることを特徴とする請求項6乃至請求項8のいずれか一項に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。

【請求項13】
前記照明光(Q,j=1,・・,N)は、集光点を有し、その集光点を経過して広がった状態で前記各物体光照明光オフアクシスホログラム(IOQR,j=1,・・,N)に記録されることを特徴とする請求項12に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。

【請求項14】
前記各入射方向(θ,j=1,・・,N)毎に、前記参照光オフアクシスホログラム(ILR)および前記物体光照明光オフアクシスホログラム(IOQR)から前記参照光(R)の成分を除去した物体光照明光複素振幅インラインホログラム(JOQL)を生成し、
前記各入射方向(θ,j=1,・・,N)毎に、特定の再生面(z=z)において、前記物体光照明光複素振幅インラインホログラム(JOQL)から前記照明光(Q)を含んでいる前記物体光(O)の再生光波である物体光再生光波(h)を生成し、前記物体光再生光波(h)から前記照明光(Q)の再生光波である照明光再生光波(c)を分離し、
前記各入射方向(θ,j=1,・・,N)毎に、前記物体光再生光波(h)および前記照明光再生光波(c)の各々を前記特定の再生面(z=z)とは異なる任意の再生面(z=z)に伝搬させた新たな物体光再生光波(h)および照明光再生光波(c)を生成し、前記任意の再生面(z=z)において、前記照明光再生光波(c)に含まれる位相成分(ξ=c/|c|)と、前記物体光照明光再生光波(h)から前記位相成分(ξ)を除去した位相調整再生光波(h/ξ)と、を求め、
前記位相調整再生光波(h/ξ)を前記各入射方向(θ,j=1,・・,N)について加算して前記任意の再生面(z=z)における光波である合成光波(H=Σh/ξ)を求め、前記合成光波(H)を用いて、物体の画像(S=|H)を再生することを特徴とする請求項12または請求項13に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。

【請求項15】
前記物体光照明光複素振幅インラインホログラム(JOQL)の空間サンプリング間隔を細分化し、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した物体光照明光複素振幅インラインホログラム(KOQL)を生成し、前記画素数を増やした物体光照明光複素振幅インラインホログラム(KOQL)を用いて前記位相調整再生光波(h/ξ)を求めることを特徴とする請求項14に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。
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