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(In Japanese)ホログラフィック断層顕微鏡、ホログラフィック断層画像生成方法、およびホログラフィック断層画像用のデータ取得方法 meetings

Patent code P160013468
File No. (S2012-1233-N0)
Posted date Nov 4, 2016
Application number P2014-539842
Patent number P6461601
Date of filing Oct 4, 2013
Date of registration Jan 11, 2019
International application number JP2013077059
International publication number WO2014054776
Date of international filing Oct 4, 2013
Date of international publication Apr 10, 2014
Priority data
  • P2012-223690 (Oct 5, 2012) 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)ホログラフィック断層顕微鏡、ホログラフィック断層画像生成方法、およびホログラフィック断層画像用のデータ取得方法 meetings
Abstract (In Japanese)ホログラフィック断層顕微鏡、ホログラフィック断層画像生成方法、およびホログラフィック断層画像用のデータ取得方法において、断層画像を正確かつ高速に生成可能とする。本方法は、データ取得工程(S1)と、断層画像生成工程(S2乃至S7)とを備える。データ取得工程では、照明光Q、オフアクシス球面波参照光R、インライン球面波参照光Lの波長を変えて各波長λjの光毎に物体光O等のホログラムIjOR,IjQR,IjLRを取得する。断層画像生成工程では、これらのホログラムから、再生面z=zPにおける物体光Ojの再生光波hjと照明光Qjの再生光波cjとを求める。位相を調整した再生光波hj/(cj/|cj|)を各波長(j=1,・・,N)について加算して断層ホログラムHPを求める。これから、焦点の合った無歪で正確な断層画像SP=|HP2が得られる。
【選択図】
 図1
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

従来から、光干渉断層撮像法(OCT:オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィ)の技術が、人体に無害で非侵襲な最先端の医療診断技術として注目されており、装置開発や生体計測への応用研究が精力的に進められている。OCTは、物体の表面から光が進入可能な深さまでの、物体の光応答構造の情報を得る技術であり、眼底検査などに応用されている。当初から提案され実用化されたOCTは、光ビームのスポットサイズを絞ったレーザ光を用いるものである。そのレーザ光を照明光と参照光とに分離し、物体中に照明光を入射させ、物体中から反射して戻ってくる光を参照光との干渉によって観測する。観測された干渉から物体中の光の反射位置や反射強度の情報すなわち光の進行方向(縦方向すなわち深さ方向)における物体中の構造の情報が導出される。レーザ光を入射させる物体表面上の位置を1次元的に移動させれば1面の断層画像が得られ、2次元的に移動させれば物体の3次元構造データが得られ、そのデータから任意断層面における断層画像を再生できる。なお、断層画像は、有限厚みを有する層の厚み方向の平均的な光反射強度の面分布である。その有限厚みを有する層を1面(例えば層の中心面)で代表させる場合、その代表面を断層面または再生面と称する。

OCTは、縦方向の情報を導出する方法の違いにより2つに大別される。1つは光パルスの飛行時間を直接求める時間領域OCT(TD-OCT)であり、他の1つは縦方向の距離の違いを干渉縞の空間周波数から求めるフーリエ領域OCT(FD-OCT)である。前者のTD-OCTは光波の干渉を実空間(時間領域)で処理する。TD-OCTは、最初に実用化されたOCTであり、照明光の1回の照射によって深さ方向の1点の情報しか得られない。従って、TD-OCTによって深さ方向の各点の情報を得るには、参照光の光路長を変化させる必要があり、そのために光路上の参照ミラーを機械的に移動させる。後者のFD-OCTは光波の干渉をフーリエ空間(周波数領域または波長領域)で処理する。FD-OCTは、さらに、波長固定光源と分光器を用いるスペクトル領域OCT(SD-OCT)と、光源の発信波長を変化させる波長掃引型OCT(SS-OCT)とに大別される。これらのFD-OCTは、参照ミラーの機械的移動が不要であり、撮像の高速化が実現される。

しかしながら、いずれのFD-OCTにおいても、ビームスポットサイズを絞ったレーザ光を用いるので、2次元または3次元のデータを得るにはガルバノ走査したり、参照ミラーおよび光干渉計からなる可動ヘッドを物体表面に沿って機械的に1次元的または2次元的に走査したりする必要があり、撮像の高速化が制限される。これに対し、光学系の機械的走査が不要な撮像法として、結像レンズと光波長掃引レーザ光を用いたディジタルホログラフィによる断層撮像方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。また、この断層撮像方法を生物組織に適用した例が報告されている(例えば、非特許文献2参照)。これらの非特許文献1,2に記載された断層撮像方法では、波長掃引平面波光を照明光として用いて、物体光を各波長毎にホログラムに記録する。記録した各波長のホログラムについて、共通の再生位置で各波長毎に物体光の位相を求め、求めた物体光の各位相で各ホログラムを規格化して各ホログラムを互いに加算することにより、その再生位置における断層画像を再生するためのホログラムが求められる。他の位置における断層画像は、その断層画像用のホログラムに記録された光波を伝搬させることによって求められる。

ディジタルホログラフィは、画像を高速撮像して記録する方法として開発が進められている。例えば、オフアクシスホログラフィに空間ヘテロダイン変調と空間周波数フィルタリングを適用して広帯域複素振幅ホログラムを高速かつ正確に記録できるワンショットディジタルホログラフィが提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、従来の光学顕微鏡の問題を解決するため、このワンショットディジタルホログラフィを用いて、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が提案されている(例えば、特許文献2参照)。この顕微鏡は、透過型および反射型の顕微鏡であり、結像レンズを用いないレンズレスホログラフィック顕微鏡であり、従来の媒質や結像レンズの影響を受ける光学顕微鏡の問題を解決することができる。すなわち、この顕微鏡は、結像レンズを用いないことにより、大開口数の物体光を正確にワンショットで記録し無歪で正確な高分解能3次元動画像を計算機を用いて再生することができる。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、光干渉断層撮像技術に係り、ホログラフィによる、断層顕微鏡、断層画像生成方法、および断層画像用のデータ取得方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【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(IOR)、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(IQR)、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(ILR)を、前記光源が波長を変えて放射する各波長(λj,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(IjOR,IjQR,IjLR,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(IjOR,IjQR,IjLR)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(Oj)を記録した複素振幅オフアクシスホログラム(JjOR)、前記照明光(Qj)を記録した複素振幅オフアクシスホログラム(JjQR)、および前記オフアクシス球面波参照光(Rj)を記録した複素振幅オフアクシスホログラム(JjLR)、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(JjOR,JjQR)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(JjLR)のデータでそれぞれ除算することにより、参照光(Rj)成分を除去した複素振幅インラインホログラム(JjOL,JjQL)を生成するインライン化変調部と、
特定の再生面(z=zP)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(JjOL,JjQL)の各々から、物体光(Oj)の再生光波(hj)と、照明光(Qj)の再生光波(cj)と、前記照明光の再生光波(cj)に含まれる位相成分(ξj=cj/|cj|)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(hj/ξj)を求め、それらを前記各波長(λj,j=1,・・,N)について加算して前記特定の再生面(z=zP)におけるホログラムである断層ホログラム(HP=Σhj/ξj)を求め、前記断層ホログラム(HP)から、前記特定の再生面(z=zP)における断層画像(SP=|HP2)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(JjOL,JjQL)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(JjOL,JjQL)に対し、前記インライン球面波参照光(Lj)の予め求めた位相(φjL)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(Lj)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(gj,bj)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(gj,bj)をフーリエ変換した結果である変換関数(Gj,Bj)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(Gj,Bj)を用いて前記物体光(Oj)と照明光(Qj)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(hj,cj)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(gj,bj)を複数枚の微小ホログラム(gji,bji,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(gji,bji)を互いに重ね合わせて合成微小ホログラム(Σj,Πj)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(Σj,Πj)をフーリエ変換することにより前記変換関数(Gj,Bj)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=zP)を複数設定し、それらの各再生面(z=zP,P=1,・・,m)について前記断層画像(SP,P=1,・・,m)を生成し、それらの集合を3次元体積画像(V={SP,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(IOR)と前記照明光(Q)のオフアクシスホログラム(IQR)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(ILR)を記録し、前記オフアクシスホログラム(ILR)を用いて、前記オフアクシスホログラム(IOR,IQR)から、物体光(O)の複素振幅インラインホログラム(JOL)と前記照明光(Q)の複素振幅インラインホログラム(JQL)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(λj,j=1,・・,N)の光(Qj,Rj,Lj,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(JjOL,JjQL,j=1,・・,N)を求め、
特定の再生面(z=zP)において、前記複素振幅インラインホログラム(JjOL,JjQL,j=1,・・,N)の各々から、前記物体光(Oj,j=1,・・,N)の再生光波(hj,j=1,・・,N)と、前記照明光(Qj,j=1,・・,N)の再生光波(cj,j=1,・・,N)と、前記照明光の再生光波(cj,j=1,・・,N)に含まれる位相成分(ξj=cj/|cj|,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(ξj)を除去した位相調整再生光波(hj/ξj,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=zP)におけるホログラムである断層ホログラム(HP=Σhj/ξj)を求め、
前記断層ホログラム(HP)から、前記特定の再生面(z=zP)における断層画像(SP=|HP2)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(hj)と前記照明光の再生光波(cj)とは、前記複素振幅インラインホログラム(JjOL,JjQL)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=zP)を複数設定し、それらの各再生面(z=zP,P=1,・・,m)について前記断層画像(SP,P=1,・・,m)を生成し、それらの集合を3次元体積画像(V={SP,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(hj)と前記照明光の再生光波(cj)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(JjOL,JjQL)のそれぞれから前記インライン球面波参照光(Lj)の位相(φjL)を除去した物体光複素振幅インラインホログラム(gj)および照明光複素振幅インラインホログラム(bj)を求め、
前記物体光複素振幅インラインホログラム(gj)を分割して複数の微小ホログラム(gji,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(Σj)を求め、
前記照明光複素振幅インラインホログラム(bj)を分割して複数の微小ホログラム(bji,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(Πj)を求め、
前記合成微小ホログラム(Σj,Πj)を用いて、前記物体光の再生光波(hj)と前記照明光の再生光波(cj)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(hj)と前記照明光の再生光波(cj)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(iχj(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(hj)と前記照明光の再生光波(cj)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(Qj,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(Oj,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(Qj,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(JjOL,JjQL,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(IOR)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(IQR)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(ILR)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(Qj,Rj,Lj,j=1,・・,N)を用いて行い、各波長毎のホログラム(IjOR,IjQR,IjLR,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(IOR)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(IQR)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(ILR)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(Qj,Rj,Lj,j=1,・・,N)を用いて行い、各波長毎のホログラム(IjOR,IjQR,IjLR,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(IOQR)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(IOR)のデータと前記照明光(Q)のホログラム(IQR)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(IOQR)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(IOQR)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(IOQR)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(IOR)のデータと前記照明光(Q)のホログラム(IQR)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(Qj,Rj,j=1,・・,N)を用いて、前記照明光(Qj)により物体を照明し、前記参照光(Rj)を用いて記録した、前記物体から放たれる物体光(Oj)のホログラム(IjOR)と前記照明光(Qj)のホログラム(IjQR)と、が各波長(λj,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(Oj)は前記物体内部の各点で前記照明光(Qj)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(Oj)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(Qj)の位相とが同じであることに基づいて、特定の再生面(z=zP)において物体光(Oj,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(HP)を求め、その断層ホログラム(HP)を用いて、前記特定の再生面(z=zP)における断層画像(SP=|HP2)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(HP)を用いて、前記特定の再生面(z=zP)から離れた、異なる波長(λj,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=zP+dz,dz<δz)における近傍ホログラム(HPd)を求め、その近傍ホログラム(HPd)を用いて、近傍断層画像(SPd=|HPd2)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(HP)を用いて、前記特定の再生面(z=zP)から、異なる波長(λj,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=zP+kΔz、kは整数)における超周期ホログラム(HPk)を求め、その超周期ホログラム(HPk)を用いて、超周期断層画像(SPk=|HPk2)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。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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