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(In Japanese)ホログラフィック顕微鏡、微小被写体のホログラム画像記録方法、高分解能画像再生用ホログラム作成方法、および画像再生方法 commons meetings

Patent code P130010086
Posted date Nov 25, 2013
Application number P2012-523912
Patent number P5444530
Date of filing Jul 7, 2011
Date of registration Jan 10, 2014
International application number JP2011065531
International publication number WO2012005315
Date of international filing Jul 7, 2011
Date of international publication Jan 12, 2012
Priority data
  • P2010-155024 (Jul 7, 2010) JP
Inventor
  • (In Japanese)佐藤 邦弘
Applicant
  • (In Japanese)公立大学法人兵庫県立大学
Title (In Japanese)ホログラフィック顕微鏡、微小被写体のホログラム画像記録方法、高分解能画像再生用ホログラム作成方法、および画像再生方法 commons meetings
Abstract (In Japanese)微小被写体のホログラム画像記録方法、高分解能画像再生用ホログラム作成方法、画像再生方法、およびホログラフィック顕微鏡において、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記録でき、受光素子の画素間隔の制限を超える分解能かつ無歪画像を再生できるホログラムを作成でき、計算量の増大を圧縮して画像を再生できるようにする。インライン球面波光(L)とオフアクシス参照光(R)とが作る干渉縞(ILR)を受光素子(4)で記録し、空間周波数フィルタリングを適用して複素振幅インラインホログラム(JLR)を求める。球面波光Lで照明した微小被写体からの物体光(O)を参照光(R)を用いて記録したホログラム(IOR)に空間周波数フィルタリングを適用して複素振幅オフアクシスホログラム(JOR)を求め、そのデータをホログラム(JLR)のデータによって除算して参照光R成分を除去した複素振幅インラインホログラム(JOL)を生成し記録する。
【選択図】
 図3
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

近年、従来の光学顕微鏡を改善するものとして、ディジタルホログラフィを用いるホログラフィック顕微鏡が種々提案されている(例えば、非特許文献1参照)。通常の光学顕微鏡は、焦点深度が極めて浅いので観察点の位置が変化すると結像レンズの焦点距離を調節する必要があり、3次元空間中で頻繁に移動したり、運動したりしている微生物などの微小被写体を光学顕微鏡によって観察することはあまり容易ではない。ホログラフィック顕微鏡では、観察物体からの物体光の振幅および位相の空間分布を受光素子を用いてデジタル的にホログラムとして記録し、記録したホログラムを用いて、任意の焦点距離における観察物体の画像を数値計算によって再生することができる。また、ホログラフィック顕微鏡は、物体光の位相分布を再生できるので、光透過物体の定量的分析に応用することができる。

ところで、ホログラフィック顕微鏡は、被写体と受光素子の間に結像レンズを挟むものと、結像レンズを使わないものとに大別される。結像レンズを使って微小被写体の3次元像を受光素子の手前で拡大することにより、拡大3次元像をホログラムとして記録でき、この記録ホログラムから高分解能画像が容易に得られる。しかしながら、結像レンズを使って像を拡大すると、記録可能な空間の奥行きが制限されたり、拡大像の焦点深度が浅くなったりする。また、拡大像にはレンズによる何がしかの歪みやボケが生じるので、正しい形状の画像が得られない。さらに、通常、レンズはレンズ境界における空気との屈折率差によって機能するので、空気と異なる、例えば水中ではそのまま用いることができない。つまり、顕微鏡の結像レンズは、空気中の被写体やカバーガラスで覆われた厚さの薄い被写体の観察を前提にして設計されているので、空気と異なる、例えば水の中の深い位置に存在する被写体を、そのようなレンズを通して記録すると、歪やボケのある像となる。

結像レンズを使わないものとして、球面波光を用いるホログラフィック顕微鏡が知られている(例えば、非特許文献2、特許文献1参照)。これらのホログラフィック顕微鏡は、ピンホールから広がる1つの球面波光を被写体に照射し、非散乱透過光と散乱透過光とが作る干渉縞を記録する、Gabor型インラインホログラフィ方式の透過型顕微鏡である。このホログラフィック顕微鏡は、結像レンズを使わないで開口数(NA)の大きい物体光を記録するので、奥行きのある空間に存在する微小被写体の3次元像をホログラムとして記録でき、また、水のような媒質中の微小被写体の記録も可能になる。また、特許文献1は、大開口数ホログラムから無歪高分解能画像を再生するために、ヘルムホルツ方程式の厳密解を用いて無歪画像を再生する方法を示している。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、球面波光を照明光とする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、微小被写体のホログラム画像記録方法、高分解能画像再生用ホログラム作成方法、および画像再生方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
ホログラフィック顕微鏡であって、
球面波光(LまたはL2)を照明光として用いて微小被写体を照明して微小被写体のオフアクシスホログラム(IOR)を取得し、前記オフアクシスホログラム(IOR)から複素振幅インラインホログラム(JOL)を生成して記録する画像記録部と、
前記画像記録部によって記録された前記複素振幅インラインホログラム(JOL)から画像を再生する画像再生部と、を備え、
前記画像記録部は、
コヒーレント光を放射する光源と、
照明光、参照光、および物体光の伝播を行う光学系と、
参照光および物体光の光強度を記録する受光素子と、
前記光源と前記光学系とが作るインライン球面波光(L)とオフアクシス参照光(R)との干渉縞(ILR)を前記受光素子で記録し、前記記録した干渉縞(ILR)に空間周波数フィルタリングを適用して前記オフアクシス参照光(R)を記録した複素振幅インラインホログラム(JLR)を求める参照光波取得部と、
前記光源と前記光学系とによって、前記インライン球面波光(L)と同じ焦点を持つ球面波光(LまたはL2)を照明光として用いて微小被写体を照明し、その微小被写体から放たれる物体光(O)を、前記オフアクシス参照光(R)を用いて前記受光素子により記録したオフアクシスホログラム(IOR)に、空間周波数フィルタリングを適用して複素振幅オフアクシスホログラム(JOR)を求める複素振幅取得部と、を備え、
前記複素振幅取得部で求めた複素振幅オフアクシスホログラム(JOR)のデータを前記参照光波取得部で取得した複素振幅インラインホログラム(JLR)のデータによって除算処理することにより前記複素振幅オフアクシスホログラム(JOR)から参照光(R)成分を除去した複素振幅インラインホログラム(JOL)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顕微鏡。

【請求項2】
 
前記画像再生部は、
前記複素振幅インラインホログラム(JOL)の空間サンプリング間隔を細分化すると共に、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(JOL)に対し、前記インライン球面波光(LまたはL2)の予め求めた位相(φL)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光(LまたはL2)成分を除去してホログラム面における物体光を表す物体光複素振幅インラインホログラム(g)を生成する空間変調部と、
前記物体光複素振幅インラインホログラム(g)をフーリエ変換した結果である変換関数(G)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)を用いて前記物体光(O)を平面波展開する平面波展開部と、を備えてホログラム面またはその前後の任意位置における光波(h)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顕微鏡。

【請求項3】
 
前記平面波展開部は、
前記物体光複素振幅インラインホログラム(g)を複数枚の微小ホログラム(gi)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(gi)を互いに重ね合わせて合成微小ホログラム(Σ)を生成する合成部と、を備え、
前記合成部によって生成された合成微小ホログラム(Σ)をフーリエ変換することにより前記変換関数(G)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顕微鏡。

【請求項4】
 
前記画像再生部は、
前記複素振幅インラインホログラム(JOL)を分割して複数枚の微小ホログラムを生成した後に前記各微小ホログラムの空間サンプリング間隔を細分化すると共に、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微小ホログラムを生成するか、または、前記複素振幅インラインホログラム(JOL)の空間サンプリング間隔を細分化すると共に、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後に前記画素数を増やした複素振幅インラインホログラム(JOL)を複数枚の微小ホログラム(gi’)に分割する分割補間部と、
前記分割補間部によって画素数を増やした各微小ホログラム(gi’)に対し、前記インライン球面波光(LまたはL2)の予め求めた位相(φL)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光(L)成分を除去し、ホログラム面における物体光を表す、前記各微小ホログラム(gi’)の各々に対する物体光複素振幅インラインホログラム(gj)を生成する空間変調部と、
前記空間変調部によって得られた各物体光複素振幅インラインホログラム(gj)を互いに重ね合わせて合成微小ホログラム(Σ)を生成するホログラム合成部と、
前記ホログラム合成部によって生成された合成微小ホログラム(Σ)をフーリエ変換した結果である変換関数(G)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)を用いて前記物体光(O)を平面波展開することにより、ホログラム面またはその前後の任意位置における画像を生成する画像生成部と、を備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顕微鏡。

【請求項5】
 
前記画像再生部は、
前記複素振幅インラインホログラム(JOL)に対し、前記インライン球面波光(LまたはL2)の予め求めた位相(φL)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光(LまたはL2)成分を除去してホログラム面における物体光を表す物体光複素振幅インラインホログラム(g)を生成する空間変調部と、
前記物体光複素振幅インラインホログラム(g)を複数枚の微小ホログラム(gi)に分割する分割部と、
前記インライン球面波光(LまたはL2)の焦点位置から前記各微小ホログラム(gi)の中心に向かう平行光(Li)の位相(φi)を用いて前記各微小ホログラム(gi)毎に空間ヘテロダイン変調を行うことにより空間周波数を下げた低周波数化微小ホログラム(gi・exp(-iφi))を生成する周波数低減部と、
前記各低周波数化微小ホログラム(gi・exp(-iφi))をそれぞれ離散フーリエ変換した結果である分割変換関数(G’i)を求めるフーリエ変換部と、
前記各分割変換関数(G’i)に空間ヘテロダイン変調を行うことにより空間周波数を上げた分割変換関数(G’i・exp(iφi))を生成し、これらの全体から構成される変換関数(G)および平面波の分散関係を満たす空間周波数(u,v,w)を用いて前記物体光(O)を平面波展開することにより、ホログラム面またはその前後の任意位置における画像を生成する画像生成部と、を備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顕微鏡。

【請求項6】
 
前記画像再生部は、
前記複素振幅インラインホログラム(JOL)に対し、前記インライン球面波光(LまたはL2)の予め求めた位相(φL)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光(LまたはL2)成分を除去してホログラム面における物体光を表す物体光複素振幅インラインホログラム(g)を生成する空間変調部と、
前記物体光複素振幅インラインホログラム(g)を複数枚の微小ホログラム(gi)に分割する分割部と、
前記各微小ホログラム(gi)をそれぞれ離散フーリエ変換した結果である分割変換関数(Gi)を求めるフーリエ変換部と、
前記各分割変換関数(Gi)の全体から構成される変換関数(G)および平面波の分散関係を満たす空間周波数(u,v,w)を用いて前記物体光(O)を平面波展開することにより、ホログラム面またはその前後の任意位置における画像を生成する画像生成部と、を備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顕微鏡。

【請求項7】
 
前記画像記録部は、パルスレーザをホログラム取得用のコヒーレント光源として用いることを特徴とする請求項1乃至請求項6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8】
 
前記画像記録部は、互いに波長領域の異なる複数のレーザを用いて前記オフアクシスホログラム(IOR)を取得することにより、カラーの複素振幅インラインホログラム(JOL)を生成して記録し、
前記画像再生部は、前記カラーの複素振幅インラインホログラム(JOL)からカラーの画像を再生することを特徴とする請求項7に記載のホログラフィック顕微鏡。

【請求項9】
 
微小被写体のホログラム画像記録方法において、
インライン球面波光(L)とオフアクシス参照光(R)とが作る干渉縞(ILR)を受光素子で記録し、記録した干渉縞(ILR)に空間周波数フィルタリングを適用して前記オフアクシス参照光(R)を記録した複素振幅インラインホログラム(JLR)を求める参照光波取得工程と、
前記インライン球面波光(L)と同じ焦点を持つ球面波光(LまたはL2)を照明光として用いて微小被写体を照明し、その微小被写体から放たれる物体光(O)を前記オフアクシス参照光(R)を用いてオフアクシスホログラム(IOR)として前記受光素子によって記録する撮像工程と、
前記オフアクシスホログラム(IOR)に空間周波数フィルタリングを適用して複素振幅オフアクシスホログラム(JOR)を求める複素振幅取得工程と、
前記複素振幅取得工程で求めた複素振幅オフアクシスホログラム(JOR)のデータを前記参照光波取得工程で取得した複素振幅インラインホログラム(JLR)のデータによって除算処理することにより前記複素振幅オフアクシスホログラム(JOR)から参照光(R)成分を除去した複素振幅インラインホログラム(JOL)を生成して記録する画像記録工程と、を備えることを特徴とする微小被写体のホログラム画像記録方法。

【請求項10】
 
前記オフアクシス参照光(R)は球面波であることを特徴とする請求項9に記載の微小被写体のホログラム画像記録方法。

【請求項11】
 
前記物体光(O)は、前記照明された微小被写体の透過光であることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の微小被写体のホログラム画像記録方法。

【請求項12】
 
前記物体光(O)は、前記照明された微小被写体からの反射光であることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の微小被写体のホログラム画像記録方法。

【請求項13】
 
インライン球面波光(LまたはL2)を用いて求められた微小被写体の複素振幅インラインホログラム(JOL)から分解能を高めた画像を再生するための高分解能画像再生用ホログラム作成方法において、
前記複素振幅インラインホログラム(JOL)の空間サンプリング間隔を細分化すると共に、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工程と、
前記画素数増大工程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(JOL)に対し、前記インライン球面波光(LまたはL2)の予め求めた位相(φL)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光(LまたはL2)成分を除去してホログラム面における物体光を表す物体光複素振幅インラインホログラム(g)を生成する空間変調工程と、を備えることを特徴とする高分解能画像再生用ホログラム作成方法。

【請求項14】
 
前記画素数増大工程において、3次式によるデータ補間、またはsinc関数によるデータ補間を行うことを特徴とする請求項13に記載の高分解能画像再生用ホログラム作成方法。

【請求項15】
 
インライン球面波光(LまたはL2)を用いて求められた微小被写体の複素振幅インラインホログラム(JOL)から画像を再生する画像再生方法において、
前記複素振幅インラインホログラム(JOL)の空間サンプリング間隔を細分化すると共に、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工程と、
前記画素数増大工程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(JOL)に対し、前記インライン球面波光(LまたはL2)の予め求めた位相(φL)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光(LまたはL2)成分を除去してホログラム面における物体光を表す物体光複素振幅インラインホログラム(g)を生成する空間変調工程と、
前記物体光複素振幅インラインホログラム(g)をフーリエ変換した結果である変換関数(G)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)を用いて前記物体光(O)を平面波展開する平面波展開工程と、を備えてホログラム面またはその前後の任意位置における光波(h)を生成することを特徴とする画像再生方法。

【請求項16】
 
前記平面波展開工程は、
前記物体光複素振幅インラインホログラム(g)を複数枚の微小ホログラム(gi)に分割する分割工程と、
前記分割工程によって得られた各微小ホログラム(gi)を互いに重ね合わせて合成微小ホログラム(Σ)を生成する合成工程と、を備え、
前記合成工程によって生成された合成微小ホログラム(Σ)をフーリエ変換することにより前記変換関数(G)を求めることを特徴とする請求項15に記載の画像再生方法。

【請求項17】
 
インライン球面波光(LまたはL2)を用いて求められた微小被写体の複素振幅インラインホログラム(JOL)から画像を再生する画像再生方法において、
前記複素振幅インラインホログラム(JOL)を分割して複数枚の微小ホログラムを生成した後に前記各微小ホログラムの空間サンプリング間隔を細分化すると共に、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微小ホログラムを生成するか、または、前記複素振幅インラインホログラム(JOL)の空間サンプリング間隔を細分化すると共に、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後に前記画素数を増やした複素振幅インラインホログラム(JOL)を複数枚の微小ホログラム(gi’)に分割する分割補間工程と、
前記分割補間工程によって画素数を増やした各微小ホログラム(gi’)に対し、前記インライン球面波光(LまたはL2)の予め求めた位相(φL)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光(L)成分を除去し、ホログラム面における物体光を表す、前記各微小ホログラム(gi’)の各々に対する物体光複素振幅インラインホログラム(gj)を生成する空間変調工程と、
前記空間変調工程によって得られた各物体光複素振幅インラインホログラム(gj)を互いに重ね合わせて合成微小ホログラム(Σ)を生成するホログラム合成工程と、
前記ホログラム合成工程によって生成された合成微小ホログラム(Σ)をフーリエ変換した結果である変換関数(G)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)を用いて前記物体光(O)を平面波展開することにより、ホログラム面またはその前後の任意位置における画像を生成する画像生成工程と、を備えることを特徴とする画像再生方法。

【請求項18】
 
前記画素数増大工程において、3次式によるデータ補間、またはsinc関数によるデータ補間を行うことを特徴とする請求項15乃至請求項17のいずれか一項に記載の画像再生方法。

【請求項19】
 
インライン球面波光(LまたはL2)を用いて求められた微小被写体の複素振幅インラインホログラム(JOL)から画像を再生する画像再生方法において、
前記複素振幅インラインホログラム(JOL)に対し、前記インライン球面波光(LまたはL2)の予め求めた位相(φL)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光(LまたはL2)成分を除去してホログラム面における物体光を表す物体光複素振幅インラインホログラム(g)を生成する空間変調工程と、
前記物体光複素振幅インラインホログラム(g)を複数枚の微小ホログラム(gi)に分割する分割工程と、
前記インライン球面波光(LまたはL2)の焦点位置から前記各微小ホログラム(gi)の中心に向かう平行光(Li)の位相(φi)を用いて前記各微小ホログラム(gi)毎に空間ヘテロダイン変調を行うことにより空間周波数を下げた低周波数化微小ホログラム(gi・exp(-iφi))を生成する周波数低減工程と、
前記各低周波数化微小ホログラム(gi・exp(-iφi))をそれぞれ離散フーリエ変換した結果である分割変換関数(G’i)を求めるフーリエ変換工程と、
前記各分割変換関数(G’i)に空間ヘテロダイン変調を行うことにより空間周波数を上げた分割変換関数(G’i・exp(iφi))を生成し、これらの全体から構成される変換関数(G)および平面波の分散関係を満たす空間周波数(u,v,w)を用いて前記物体光(O)を平面波展開することにより、ホログラム面またはその前後の任意位置における画像を生成する画像生成工程と、を備えることを特徴とする画像再生方法。

【請求項20】
 
インライン球面波光(LまたはL2)を用いて求められた微小被写体の複素振幅インラインホログラム(JOL)から画像を再生する画像再生方法において、
前記複素振幅インラインホログラム(JOL)に対し、前記インライン球面波光(LまたはL2)の予め求めた位相(φL)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光(LまたはL2)成分を除去してホログラム面における物体光を表す物体光複素振幅インラインホログラム(g)を生成する空間変調工程と、
前記物体光複素振幅インラインホログラム(g)を複数枚の微小ホログラム(gi)に分割する分割工程と、
前記各微小ホログラム(gi)をそれぞれ離散フーリエ変換した結果である分割変換関数(Gi)を求めるフーリエ変換工程と、
前記各分割変換関数(Gi)の全体から構成される変換関数(G)および平面波の分散関係を満たす空間周波数(u,v,w)を用いて前記物体光(O)を平面波展開することにより、ホログラム面またはその前後の任意位置における画像を生成する画像生成工程と、を備えることを特徴とする画像再生方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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