Top > Search of International Patents > HOLOGRAPHIC IMAGING DEVICE AND DATA PROCESSING METHOD THEREFOR

HOLOGRAPHIC IMAGING DEVICE AND DATA PROCESSING METHOD THEREFOR meetings

Foreign code F190009797
File No. S2017-1039-C0
Posted date May 8, 2019
Country WIPO
International application number 2018JP028725
International publication number WO 2019044336
Date of international filing Jul 31, 2018
Date of international publication Mar 7, 2019
Priority data
  • P2017-166256 (Aug 30, 2017) JP
Title HOLOGRAPHIC IMAGING DEVICE AND DATA PROCESSING METHOD THEREFOR meetings
Abstract The present invention provides a holographic imaging device that can be produced as either a transmissive type or a reflection type and capable of achieving a wide field of view at a long operation distance or at ultra-high resolution, and a data processing method therefor. Object light Oj is recorded into a plurality of object light holograms IjOR for each incident direction using off-axis spherical-wave reference light R, the object light Oj being generated from an object that is sequentially illuminated with parallel illumination light Qj with varied incident directions θj. The reference light R is recorded into a reference light hologram ILR using inline spherical-wave reference light L that is in line with the object light Oj. An object light wave hologram hj (x, y) and the spatial frequency spectrum Hj (u, v) thereof are produced at the object position for each incident direction using each hologram ILR, IjOR. Each spectrum Hj (u, v) is caused to match in an overlapping area to produce a synthetic spectrum HT (u, v) that occupies a wider frequency space, thereby creating a synthetic object light wave hologram hT (x, y) with increased numerical apertures.
Outline of related art and contending technology BACKGROUND ART
Conventionally, such as reflected light or transmitted light to techniques for analyzing light, the intensity of the light and the phase of the data is also referred to as a recording medium such as a photographic plate in the hologram recorded in the holography analysis. Is holographic in recent years, a light receiving element using a semiconductor memory, and the intensity of light acquired as a digital data phase, or a computer generated hologram, the analysis is performed. In this way is the holography, referred to as digital holography.
In the digital holography, the hologram data acquisition and processing of high speed and high accuracy in order to achieve a variety of techniques have been proposed, which imaging applications. For example, the hologram data acquired in one shot the spatial frequency filtering and the spatial heterodyne modulation is applied, the complex amplitude in-line hologram for reproducing the object image at a high speed and accurately generating digital holography has been known (for example, see Patent Document 1).
The conventional optical microscope in order to solve the problems, the holographic imaging lens using a large numerical aperture of the object without using light of a method of acquiring a one-shot, the object and the plane wave light 3 and developed a high-resolution three-dimensional image accurately known a method of reproducing a computer (for example, see Patent Document 2). According to this method, no strain to obtain a high resolution three-dimensional moving image can be reproduced 3 utilizes three-dimensional microscope lens 3 are realized. In such a microscope, because imaging lens is not used, in a conventional optical microscope, the lens and the imaging medium under the influence of the problem can be solved.
In addition, the internal structure of the biological tissue and cells in culture in order to measure a high resolution, a reflection-type wavelength swept laser light is used for the microscope lens-less holographic high-resolution tomographic imaging method is known (for example, see Patent Document 3).
Further, different incident direction of light emitted from an object irradiated with a large numerical aperture of the object light for each direction of the incident light acquired as a plurality of hologram data, by using a plurality of these data are synthesized and a large numerical aperture more than 1 object based on the number of synthetic aperture has been known a method of reproducing light (for example, see Patent Document 4). According to this method, ultra-high resolution having a resolution that exceeds the diffraction limit can be three-dimensional microscope 3.
In addition, the off-axis illumination light path of reference light and to reduce a difference in the optical path for the common noise of the noise is not limited to, a pin hole in the optical path from the spatial filter consisting of the transmission type having an optical system which is disposed a holographic microscope has been known (for example, see Patent Document 5).
In addition, an imaging CCD is moved along the surface of a hologram obtained by combining a plurality of positions in the hologram by increasing the numerical aperture is known to increase a resolution (for example, see Non-Patent Document 1).
In addition, the oblique incidence of the illumination light to the sample is rotated under a large number of holograms in a spatial frequency space to obtain an overlapping portion of the combined connected to each other, the numerical aperture of 25 times by the single hologram and a holographic microscope to obtain the synthetic aperture number 0.93 has been known (for example, see Non-Patent Document 2).
Scope of claims (In Japanese)[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(θ j,j=1,・・,N)が異なる平行光となるように前記照明光(Q j,j=1,・・,N)を生成し、前記平行光である照明光(Q j,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(O j,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(I j 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(I LR)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(I LR)と前記物体光ホログラム(I j OR,j=1,・・,N)のデータを用いて、前記各入射方向(θ j,j=1,・・,N)毎に前記物体光(O j,j=1,・・,N)の光波を表す物体光波ホログラム(h j(x,y),j=1,・・,N)を前記物体の位置(z=z m)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(h j(x,y),j=1,・・,N)の各々をフーリエ変換して物体光空間周波数スペクトル(H j(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(H j(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(H j(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(a αβ,α≠β,α,β=1,・・,N)を求めて前記補正係数(a αβ)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(H T(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(H T(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(h T(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(O j,j=1,・・,N)に対する前記受光素子の開口数(NA O)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(I j 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(H T(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(H T(u,v))によって定まる合成開口数が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(O j,j=1,・・,N)に対する前記受光素子の開口数(NA O)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(H T(u,v))によって定まる合成開口数が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(θ j,j=1,・・,N)を変えた平行光からなる照明光(Q j,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(O j,j=1,・・,N)と前記物体光(O j,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(I j OR,j=1,・・,N)のデータを取得し、
 前記物体光(O j,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(I LR)のデータを取得し、
 前記参照光ホログラム(I LR)と前記物体光ホログラム(I j OR,j=1,・・,N)のデータを用いて、前記各入射方向毎に、前記物体の位置(z=z m)における前記物体光(O j,j=1,・・,N)の光波を表す物体光波ホログラム(h j(x,y),j=1,・・,N)を生成し、
 前記物体光波ホログラム(h j(x,y),j=1,・・,N)の各々をフーリエ変換して物体光空間周波数スペクトル(H j(u,v),j=1,・・,N)を生成し、
 前記物体光空間周波数スペクトル(H j(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(H j(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(a αβ,α≠β,α,β=1,・・,N)を求めて前記補正係数(a αβ)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(H T(u,v))を生成し、
 前記合成物体光空間周波数スペクトル(H T(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(h T(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(a αβ,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(H j(u,v),j=1,・・,N)の2つから成る対スペクトル(H α,H β,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(H α,H β)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(I j OR,j=1,・・,N)のうち、前記照明光(Q j,j=1,・・,N)の何れかである特定照明光(Q k)の情報を含む特定物体光ホログラム(I k OR)と前記参照光ホログラム(I LR)とを用いて、前記物体の位置(z=z m)における、前記特定照明光(Q k)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(Q k)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(h T(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(h T(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(Q f)によって照明することにより放射される物体光(O f)、前記正面照明光(Q f)、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(I f OR)のデータを取得し、
 前記参照光ホログラム(I LR)と前記正面照明物体光ホログラム(I f OR)のデータを用いて、前記物体の位置(z=z m)における、前記正面照明による物体光(O f)の光波を表す正面照明物体光波ホログラム(h f(x,y))と前記正面照明光(Q f)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(Q f)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(h f(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(h f(x,y)/ξ(x,y))を生成し、
 前記正面照明物体光波ホログラム(h f(x,y)/ξ(x,y))をフーリエ変換して前記正面照明による物体光(O f)の物体光空間周波数スペクトル(H f(u,v))を生成し、
 前記正面照明による物体光空間周波数スペクトル(H f(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(H j(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(H T(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=z m)における前記物体光空間周波数スペクトル(H j(u,v),j=1,・・,N)を任意の位置(z=z a)における物体光空間周波数スペクトル(H j a(u,v),j=1,・・,N)とした上で、前記物体の位置(z=z m)において前記物体光空間周波数スペクトル(H j(u,v),j=1,・・,N)の各々を移動して前記補正係数(a αβ)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=z a)における合成物体光空間周波数スペクトル(H Ta(u,v))を生成し、
 前記任意の位置(z=z a)における合成物体光空間周波数スペクトル(H Ta(u,v))を逆フーリエ変換して前記任意の位置(z=z a)における合成物体光波ホログラム(h Ta(x,y)=F -1(H Ta(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(I j 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。
  • Applicant
  • ※All designated countries except for US in the data before July 2012
  • UNIVERSITY OF HYOGO
  • Inventor
  • SATO, Kunihiro
IPC(International Patent Classification)

PAGE TOP

close
close
close
close
close
close