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HOLOGRAPHIC MICROSCOPE, HOLOGRAPHIC IMAGE GENERATION METHOD, AND METHOD FOR ACQUIRING DATA FOR HOLOGRAPHIC IMAGE meetings

Foreign code F140008036
File No. S2012-1233-C0
Posted date Nov 19, 2014
Country WIPO
International application number 2013JP077059
International publication number WO 2014054776
Date of international filing Oct 4, 2013
Date of international publication Apr 10, 2014
Priority data
  • P2012-223690 (Oct 5, 2012) JP
Title HOLOGRAPHIC MICROSCOPE, HOLOGRAPHIC IMAGE GENERATION METHOD, AND METHOD FOR ACQUIRING DATA FOR HOLOGRAPHIC IMAGE meetings
Abstract In the present invention, a tomographic image can be accurately generated at high speed in a holographic microscope, a holographic (tomographic) image generation method, and a method for acquiring data for a holographic (tomographic) image. The present method includes a data acquisition process (S1) and a tomographic image generation process (S2 through S7). In the data acquisition process, holograms (IjOR, IjQR, IjLR) of object light (O) and so forth are acquired for each light with a wavelength (λj) by changing the wavelengths of the illumination light (Q), off-axis spherical wave reference light (R), and inline spherical wave reference light (L). In the tomographic image generation process, a reproduced light wave (hj) of the object light (Oj) and a reproduced light wave (cj) of the illumination light (Qj) on a reproduced surface (z = zP) are acquired from these holograms. A reproduced light wave (hj / (cj / |cj|) with adjusted phase is added for each wavelength (j = 1, ⋅ ⋅, N) to acquire a tomographic hologram (HP). From this, a focused tomographic image SP = |HP|2 which is accurate without distortion can be acquired.
Outline of related art and contending technology BACKGROUND ART
Conventionally, optical coherence tomography (OCT: Optical, coherence, tomography) techniques, harmless to human body-the-art non-invasive medical diagnosis and technology, research and development of an apparatus application to a living body measuring device has been actively researched. The OCT, light from the surface of the object to a depth that can be entered, to obtain information about the structure of the optical response of the object in the art, are used in applications such as fundus examination. Initially proposed OCT is put to practical use, the spot size of the beam is to use the laser light. The laser beam is separated into illumination light and the reference light, the illumination light is incident into an object, is reflected back from the object and the light that is transmitted by the interference of the reference light is observed. The object from the interference observed in the reflection position of light and reflection intensity information that is the light traveling direction (longitudinal or depth direction) of the structure of the object in the derived information. The laser beam incident position on the surface of the object 1 is moved two-dimensionally obtained tomographic image of the surface 1, 2 for transfer to a three-dimensional object 3 and the resulting three-dimensional structure data, any tomographic image data from the tomographic plane can be reproduced. Incidentally, since the tomographic image, a layer having a thickness in the thickness direction of a finite average light reflection intensity distribution of the surface. 1 A layer having a thickness such that as the surface (e.g. layer center plane) when used as a representative, a typical surface referred to as the surface of the slice plane or reproduction.
OCT is, to derive information of the vertical direction depending on a manner of being classified into 2. 1 Light pulse time of flight of the two time-domain OCT (TD-OCT) to directly obtain and, in the vertical direction 1 of the other one of the difference in the distance from a spatial frequency of interference fringes obtained in the Fourier domain OCT (FD-OCT) is. TD-OCT interference of the light waves of the former is processed in the real space (time domain). TD-OCT is, the first OCT and put to practical use, 1 of the illumination light 1 in the depth direction by irradiation at a time point information are obtained. Therefore, the depth direction by the TD-OCT obtaining information of each point, change the optical path length of the reference light is needed, therefore in the light path of the reference mirror is moved mechanically. FD-OCT interference of the light waves of the latter is in the Fourier space (frequency or wavelength region) treatment. FD-OCT is, further, the fixed wavelength light source and the spectroscope is used (SD-OCT) OCT and the spectral region, to change the oscillation wavelength of the light source-OCT(SS-OCT) the wavelength-divided into a display. FD-OCT of the, the mechanical movement of the reference mirror is not necessary, to achieve the high-speed imaging.
However, any of the FD-OCT also, because of the use of laser light of the beam spot size, 2 or 3 in order to obtain a three-dimensional data two-dimensional scanning a galvanometer, the reference mirror and the light from the interferometer along the surface of the object at which the movable head 1 is mechanically or 2 two-dimensionally or two-dimensionally scanning the need to, the imaging speed is limited. On the other hand, does not require mechanical scanning of the optical system as an imaging method, the imaging lens and the optical wavelength swept laser light is used by the tomographic imaging method is digital holography has been proposed (for example, see Non-Patent Document 1). In addition, the tomographic imaging method is applied to the biological tissue has been reported (for example, see Non-Patent Document 2). These non-patent document 1, 2 in the tomographic imaging method described in, the plane wave light of the wavelength sweep is used as illumination light, the object light is recorded in the hologram for each wavelength. For a hologram recording at each wavelength, a reproduction position at a common phase of the object light in each wavelength is obtained, each of the hologram at each phase of the object beam is obtained and then normalized by adding each hologram with each other, and the reproduced at the position where the hologram for reproducing the image is obtained. At other positions on the tomographic image is, for the tomographic image recorded on the hologram obtained by the propagating light waves.
Is digital holography, as a method of capturing and recording a high speed has been developed. For example, the spatial heterodyne modulation off-axis holography apply filtering the spatial frequency of the broadband complex amplitude holograms can be recorded on the high speed and accurately one-shot digital holography has been proposed (for example, see Patent Document 1). In addition, to solve the problem of the conventional optical microscope, using this one-shot digital holography, the holographic microscope, a small hologram of the object in the image recording method, a method for making a hologram for reproducing the high resolution image, and the image reproducing method has been proposed (for example, see Patent Document 2). The microscope, and a transmission type and the reflection-type microscope, the microscope and the imaging lens is not used lens-less holographic, conventional media or an imaging lens to solve the problem of the influence of the optical microscope. That is, the microscope, by not using the imaging lens, the object light of a large numerical aperture of the one-shot 3 with a high resolution and accurate distortion-free three-dimensional moving image can be reproduced using a computer.
Scope of claims (In Japanese)請求の範囲 [請求項1]
 ホログラフィック断層顕微鏡であって、
 波長掃引光を用い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前記物体の断層画像を生成する断層画像生成部と、を備え、
 前記データ取得部は、
 コヒーレント光を放射する波長掃引型の光源と、
 前記光源が放射する光から照明光(Q)、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、
 光強度を電気信号に変換して出力する受光素子と、
 前記物体光(O)と前記オフアクシス球面波参照光(R)との干渉縞(I OR)、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(I QR)、および、前記オフアクシス球面波参照光(R)と前記インライン球面波参照光(L)との干渉縞(I LR)を、前記光源が波長を変えて放射する各波長(λ j,j=1,・・,N)の光毎に、前記受光素子から出力される電気信号に基づいてホログラム(I j OR,I j QR,I j LR,j=1,・・,N)として記録する記録部と、を備え、
 前記断層画像生成部は、
 前記記録部によって記録された前記ホログラム(I j OR,I j QR,I j LR)に空間周波数フィルタリングを適用して、それぞれ、前記物体光(O j)を記録した複素振幅オフアクシスホログラム(J j OR)、前記照明光(Q j)を記録した複素振幅オフアクシスホログラム(J j QR)、および前記オフアクシス球面波参照光(R j)を記録した複素振幅オフアクシスホログラム(J j LR)、を生成するフィルタリング部と、
 前記フィルタリング部によって生成された前記各複素振幅オフアクシスホログラム(J j OR,J j QR)のデータを、前記フィルタリング部によって生成された前記複素振幅オフアクシスホログラム(J j LR)のデータでそれぞれ除算することにより、参照光(R j)成分を除去した複素振幅インラインホログラム(J j OL,J j QL)を生成するインライン化変調部と、
 特定の再生面(z=z P)において、前記変調部によって生成された前記複素振幅インラインホログラム(J j OL,J j QL)の各々から、物体光(O j)の再生光波(h j)と、照明光(Q j)の再生光波(c j)と、前記照明光の再生光波(c j)に含まれる位相成分(ξ j=c j/|c j|)とを求め、前記各波長の光毎に前記物体光の再生光波から前記位相成分を除去した位相調整再生光波(h j/ξ j)を求め、それらを前記各波長(λ j,j=1,・・,N)について加算して前記特定の再生面(z=z P)におけるホログラムである断層ホログラム(H P=Σh j/ξ j)を求め、前記断層ホログラム(H P)から、前記特定の再生面(z=z P)における断層画像(S P=|H P2)を生成する断層画像計算部と、を備えることを特徴とするホログラフィック断層顕微鏡。

[請求項2]
 前記断層画像生成部は、
 前記複素振幅インラインホログラム(J j OL,J j QL)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す画素数増大部と、
 前記画素数増大部によって画素数を増やした複素振幅インラインホログラム(J j OL,J j QL)に対し、前記インライン球面波参照光(L j)の予め求めた位相(φ j L)を用いて空間ヘテロダイン変調を行うことによりインライン球面波参照光(L j)成分を除去してホログラム面における複素振幅インラインホログラム(g j,b j)を生成する空間変調部と、
 前記複素振幅インラインホログラム(g j,b j)をフーリエ変換した結果である変換関数(G j,B j)を求め、平面波の分散関係を満たす空間周波数(u,v,w)および前記変換関数(G j,B j)を用いて前記物体光(O j)と照明光(Q j)とを平面波展開する平面波展開部と、を備え、これらを用いて前記再生光波(h j,c j)を生成す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断層顕微鏡。

[請求項3]
 前記断層画像生成部は、
 前記複素振幅インラインホログラム(g j,b j)を複数枚の微小ホログラム(g j i,b j i,i=1,・・,n)に分割する分割部と、
 前記分割部によって得られた各微小ホログラム(g j i,b j i)を互いに重ね合わせて合成微小ホログラム(Σ j,Π j)を生成する合成部と、をさらに備え、
 前記平面波展開部は、前記合成部によって生成された合成微小ホログラム(Σ j,Π j)をフーリエ変換することにより前記変換関数(G j,B j)を求め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断層顕微鏡。

[請求項4]
 前記断層画像生成部は、
 前記特定の再生面(z=z P)を複数設定し、それらの各再生面(z=z P,P=1,・・,m)について前記断層画像(S P,P=1,・・,m)を生成し、それらの集合を3次元体積画像(V={S P,P=1,・・,m})として記録することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のホログラフィック断層顕微鏡。

[請求項5]
 ホログラフィック断層画像生成方法であって、
 照明光(Q)により物体を照明し、オフアクシス球面波参照光(R)を用いて、前記物体から放たれる物体光(O)のオフアクシスホログラム(I OR)と前記照明光(Q)のオフアクシスホログラム(I QR)とを記録し、インライン球面波参照光(L)を用いて、前記オフアクシス球面波参照光(R)のオフアクシスホログラム(I LR)を記録し、前記オフアクシスホログラム(I LR)を用いて、前記オフアクシスホログラム(I OR,I QR)から、物体光(O)の複素振幅インラインホログラム(J OL)と前記照明光(Q)の複素振幅インラインホログラム(J QL)とを求める処理を、前記照明光(Q)、前記オフアクシス球面波参照光(R)、および前記インライン球面波参照光(L)の波長を変えた各波長(λ j,j=1,・・,N)の光(Q j,R j,L j,j=1,・・,N)を用いて行い、各波長毎の複素振幅インラインホログラム(J j OL,J j QL,j=1,・・,N)を求め、
 特定の再生面(z=z P)において、前記複素振幅インラインホログラム(J j OL,J j QL,j=1,・・,N)の各々から、前記物体光(O j,j=1,・・,N)の再生光波(h j,j=1,・・,N)と、前記照明光(Q j,j=1,・・,N)の再生光波(c j,j=1,・・,N)と、前記照明光の再生光波(c j,j=1,・・,N)に含まれる位相成分(ξ j=c j/|c j|,j=1,・・,N)とを求め、
 前記各波長毎に前記物体光の再生光波から前記位相成分(ξ j)を除去した位相調整再生光波(h j/ξ j,j=1,・・,N)を求め、それらを前記各波長について加算して前記特定の再生面(z=z P)におけるホログラムである断層ホログラム(H P=Σh j/ξ j)を求め、
 前記断層ホログラム(H P)から、前記特定の再生面(z=z P)における断層画像(S P=|H P2)を生成して記録することを特徴とするホログラフィック断層画像生成方法。

[請求項6]
 前記物体光の再生光波(h j)と前記照明光の再生光波(c j)とは、前記複素振幅インラインホログラム(J j OL,J j QL)のサンプリング間隔を細分化して実質的にサンプル数を増やす処理を行ったホログラムを用いて求めることを特徴とする請求項5に記載のホログラフィック断層画像生成方法。

[請求項7]
 前記特定の再生面(z=z P)を複数設定し、それらの各再生面(z=z P,P=1,・・,m)について前記断層画像(S P,P=1,・・,m)を生成し、それらの集合を3次元体積画像(V={S P,P=1,・・,m})として記録することを特徴とする請求項5または請求項6に記載のホログラフィック断層画像生成方法。

[請求項8]
 前記物体光の再生光波(h j)と前記照明光の再生光波(c j)とは、それぞれ前記物体中の光路を含む光路における光の屈折率を考慮して求めることを特徴とする請求項5乃至請求項7のいずれか一項に記載のホログラフィック断層画像生成方法。

[請求項9]
 前記複素振幅インラインホログラム(J j OL,J j QL)のそれぞれから前記インライン球面波参照光(L j)の位相(φ j L)を除去した物体光複素振幅インラインホログラム(g j)および照明光複素振幅インラインホログラム(b j)を求め、
 前記物体光複素振幅インラインホログラム(g j)を分割して複数の微小ホログラム(g j i,i=1,・・,n)を生成し、これらを互いに重ねて合成した合成微小ホログラム(Σ j)を求め、
 前記照明光複素振幅インラインホログラム(b j)を分割して複数の微小ホログラム(b j i,i=1,・・,n)を生成し、これらを互いに重ねて合成した合成微小ホログラム(Π j)を求め、
 前記合成微小ホログラム(Σ j,Π j)を用いて、前記物体光の再生光波(h j)と前記照明光の再生光波(c j)とを求めることを特徴とする請求項5乃至請求項8のいずれか一項に記載のホログラフィック断層画像生成方法。

[請求項10]
 前記物体光の再生光波(h j)と前記照明光の再生光波(c j)とを求める際に、屈折率の空間変化による光収差を補正するように構成した位相シフト関数(exp(iχ j(x,y)))を用いることを特徴とする請求項5乃至請求項9のいずれか一項に記載のホログラフィック断層画像生成方法。

[請求項11]
 前記物体光の再生光波(h j)と前記照明光の再生光波(c j)とを求める際に、前記物体中の光路を含む光路における平均的な光の分散特性に基づいて色収差を補正することを特徴とする請求項5乃至請求項10のいずれか一項に記載のホログラフィック断層画像生成方法。

[請求項12]
 前記物体における自由空間との境界に物質によって平面境界を構成し、その平面境界に向けて前記照明光(Q j,j=1,・・,N)を照射し、前記平面境界を通過した光による照明によって前記物体から放たれる光を前記物体光(O j,j=1,・・,N)のホログラムとして記録し、前記平面境界からの反射光を前記照明光(Q j,j=1,・・,N)のホログラムとして記録して、これらのホログラムを用いて前記複素振幅インラインホログラム(J j OL,J j QL,j=1,・・,N)を求めることを特徴とする請求項5乃至請求項11のいずれか一項に記載のホログラフィック断層画像生成方法。

[請求項13]
 ホログラフィック断層画像用のデータ取得方法であって、
 照明光(Q)により物体を照明し、その物体から放たれる物体光(O)をオフアクシス球面波参照光(R)を用いてオフアクシスホログラム(I OR)に記録し、
 前記オフアクシス球面波参照光(R)を用いて前記照明光(Q)をオフアクシスホログラム(I QR)に記録し、
 インライン球面波参照光(L)を用いて前記オフアクシス球面波参照光(R)をオフアクシスホログラム(I LR)に記録する処理を、
 前記照明光(Q)、前記オフアクシス球面波参照光(R)、および前記インライン球面波参照光(L)の波長を変えた光(Q j,R j,L j,j=1,・・,N)を用いて行い、各波長毎のホログラム(I j OR,I j QR,I j LR,j=1,・・,N)を求めこれらのデータをホログラフィック断層画像用として記録することを特徴とするホログラフィック断層画像用のデータ取得方法。

[請求項14]
 ホログラフィック断層画像用のデータ取得方法であって、
 照明光(Q)により物体を照明し、その物体から放たれる物体光(O)を参照光(R)を用いてホログラム(I OR)に記録し、
 前記参照光(R)を用いて前記照明光(Q)をホログラム(I QR)に記録し、
 インライン参照光(L)を用いて前記参照光(R)をオフアクシスホログラム(I LR)に記録する処理を、
 前記照明光(Q)、前記参照光(R)、および前記インライン参照光(L)の波長を変えた光(Q j,R j,L j,j=1,・・,N)を用いて行い、各波長毎のホログラム(I j OR,I j QR,I j LR,j=1,・・,N)のデータをホログラフィック断層画像用として取得することを特徴とするホログラフィック断層画像用のデータ取得方法。

[請求項15]
 前記物体の手前に透過鏡を配置し、
 前記透過鏡を通して前記照明光(Q)により前記物体を照射し、
 前記透過鏡を透過した物体光(O)と、前記透過鏡によって反射された照明光(Q)とを、1枚の共通ホログラム(I OQR)に同時に記録することにより、前記物体光(O)のホログラム(I OR)のデータと前記照明光(Q)のホログラム(I QR)のデータとを取得することを特徴とする請求項14に記載のホログラフィック断層画像用のデータ取得方法。

[請求項16]
 前記照明光(Q)と前記参照光(R)とを、互いに直交する偏光状態とし、
 前記物体光(O)と前記照明光(Q)の反射光とを偏光板を透過させることによって前記照明光(Q)の反射光を減衰させた状態で、前記共通ホログラム(I OQR)のデータを取得することを特徴とする請求項15に記載のホログラフィック断層画像用のデータ取得方法。

[請求項17]
 前記透過鏡の奥方で集光する光を前記照明光(Q)として用いて前記共通ホログラム(I OQR)を取得し、
 前記照明光(Q)の反射光が集光する位置において、前記共通ホログラム(I OQR)から再生光を生成し、その再生光を前記照明光(Q)とそれ以外とに分離することにより、前記物体光(O)のホログラム(I OR)のデータと前記照明光(Q)のホログラム(I QR)のデータとを取得することを特徴とする請求項15または請求項16に記載のホログラフィック断層画像用のデータ取得方法。

[請求項18]
 ホログラフィック断層画像生成方法であって、
 互いにコヒーレントな照明光(Q)および参照光(R)の波長を変えた光(Q j,R j,j=1,・・,N)を用いて、前記照明光(Q j)により物体を照明し、前記参照光(R j)を用いて記録した、前記物体から放たれる物体光(O j)のホログラム(I j OR)と前記照明光(Q j)のホログラム(I j QR)と、が各波長(λ j,j=1,・・,N)毎に与えられ、
 前記ホログラムに記録された物体光(O j)は前記物体内部の各点で前記照明光(Q j)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 j)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 j)の位相とが同じであることに基づいて、特定の再生面(z=z P)において物体光(O j,j=1,・・,N)の位相を調整したものを加算して構成したホログラムである断層ホログラム(H P)を求め、その断層ホログラム(H P)を用いて、前記特定の再生面(z=z P)における断層画像(S P=|H P2)を生成することを特徴とするホログラフィック断層画像生成方法。

[請求項19]
 前記断層ホログラム(H P)を用いて、前記特定の再生面(z=z P)から離れた、異なる波長(λ j,j=1,・・,N)を有する光波を重ね合わせたときに現れるパルス列のパルスの幅(δz)内の近傍再生面(z=z P+dz,dz<δz)における近傍ホログラム(H Pd)を求め、その近傍ホログラム(H Pd)を用いて、近傍断層画像(S Pd=|H Pd2)を生成することを特徴とする請求項18に記載のホログラフィック断層画像生成方法。

[請求項20]
 前記断層ホログラム(H P)を用いて、前記特定の再生面(z=z P)から、異なる波長(λ j,j=1,・・,N)を有する光波を重ね合わせたときに現れるパルス列の周期(Δz)の倍数だけ離れた超周期再生面(z=z P+kΔz、kは整数)における超周期ホログラム(H Pk)を求め、その超周期ホログラム(H Pk)を用いて、超周期断層画像(S Pk=|H Pk2)を生成することを特徴とする請求項18に記載のホログラフィック断層画像生成方法。

  • Applicant
  • ※All designated countries except for US in the data before July 2012
  • UNIVERSITY OF HYOGO
  • Inventor
  • SATO, Kunihiro
IPC(International Patent Classification)
Specified countries National States: AE AG AL AM AO AT AU AZ BA BB BG BH BN BR BW BY BZ CA CH CL CN CO CR CU CZ DE DK DM DO DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM GT HN HR HU ID IL IN IR IS JP KE KG KN KP KR KZ LA LC LK LR LS LT LU LY MA MD ME MG MK MN MW MX MY MZ NA NG NI NO NZ OM PA PE PG PH PL PT QA RO RS RU RW SA SC SD SE SG SK SL SM ST SV SY TH TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN ZA ZM ZW
ARIPO: BW GH GM KE LR LS MW MZ NA RW SD SL SZ TZ UG ZM ZW
EAPO: AM AZ BY KG KZ RU TJ TM
EPO: AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
OAPI: BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW KM ML MR NE SN TD TG

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