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ホログラフィック撮像装置およびホログラフィック撮像方法

国内特許コード P210017897
整理番号 (S2018-0961-N0)
掲載日 2021年9月27日
出願番号 特願2020-539595
出願日 令和元年8月29日(2019.8.29)
国際出願番号 JP2019033982
国際公開番号 WO2020045584
国際出願日 令和元年8月29日(2019.8.29)
国際公開日 令和2年3月5日(2020.3.5)
優先権データ
  • 特願2018-160899 (2018.8.29) JP
発明者
  • 佐藤 邦弘
  • 下田 健作
出願人
  • 兵庫県公立大学法人
発明の名称 ホログラフィック撮像装置およびホログラフィック撮像方法
発明の概要 本発明は、光学系を構成するキューブ型のビーム結合器が有する屈折率の影響が考慮され性能が向上されたホログラフィック撮像装置およびホログラフィック撮像方法を提供する。ホログラフィック撮像装置1は、物体4とイメージセンサ5との間に配置されたキューブ型のビームスプリッタから構成されるビーム結合器3と、インライン球面波参照光Lの集光点P2から放たれる球面波についてビーム結合器3内の伝播を含む光伝播計算を行ってホログラム面50における光波を表すインライン参照光ホログラムjを生成する計算参照光ホログラム生成部14とを備える。インライン参照光ホログラムjは、計算機で生成されたホログラムであり、ホログラム面50における物体光Oとインライン球面波参照光Lを表す複素振幅インラインホログラムJOLから参照光Lの成分を除去して物体光ホログラムgを生成するために用いられる。
従来技術、競合技術の概要

従来から、反射光や透過光などの光波を解析する技術に、光の強度と位相のデータを併せてホログラムと呼ばれる写真乾板などの記録媒体に記録して解析するホログラフィがある。近年のホログラフィは、受光素子と半導体メモリなどを用いて、光波の強度と位相をデジタルデータとして取得したり、計算機上でホログラムを生成したりして、解析することが行われている。このようなホログラフィは、デジタルホログラフィと呼ばれる。

デジタルホログラフィにおいて、ホログラムデータの取得や処理の高速化と高精度化を達成するための種々の技術が提案され、撮像に応用されている。例えば、ワンショットで記録したホログラムデータに空間周波数フィルタリングと空間ヘテロダイン変調とを適用して、物体像再生用の複素振幅インラインホログラムを高速かつ正確に生成するデジタルホログラフィが知られている(例えば、特許文献1参照)。

従来の光学顕微鏡の問題を解決するため、ホログラフィを用いることにより、結像レンズを用いることなく大開口数の物体光を正確にワンショット記録する方法、および記録された物体光を平面波展開によって高分解能3次元像を正確に計算機再生する方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。この方法によれば、無歪な高分解能3次元動画像を記録し再生できるレンズレス3次元顕微鏡が実現される。このような顕微鏡は、結像レンズを用いないので、従来の光学顕微鏡が有する、媒質や結像レンズの影響を受ける問題を解決できる。

また、培養液中細胞や生体組織の内部構造を高分解能で計測するために、反射型レンズレスホログラフィック顕微鏡と波長掃引レーザ光を用いる高分解能断層撮像法が知られている(例えば、特許文献3参照)。

さらに、入射方向の異なる照明光を照射した物体から放射される大開口数の物体光を、照明光の入射方向毎にホログラムデータとして記録し、これらの複数の大開口数ホログラムを一つのホログラムに合成して、1を超える合成開口数のもとで物体光を再生する方法が知られている(例えば、特許文献4参照)。この方法によれば、通常の回折限界を超える分解能を持つ超高分解能3次元顕微鏡が実現できる。

加えて、ワンショットデジタルホログラフィによる光波の正確な記録と記録光波の平面波展開を用いるホログラフィックエリプソメトリ装置が知られている(例えば、特許文献5参照)。このエリプソメトリ装置によれば、非平行の照明光が含む多数の入射角を有する入射光による反射光のデータを一括してホログラムに記録できるので、入射角に対応する多数の波数ベクトル毎にエリプソメトリ角Ψ,Δを求めることができ、測定効率が向上できる。

また、発散ビームを一つのキューブ型のビームスプリッタで分割して照明光と参照光とし、そのビームスプリッタをビーム結合器として用いて、物体光と参照光とを結合するように構成した、レンズレスで小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6参照)。

産業上の利用分野

本発明は、デジタルホログラフィにおけるホログラフィック撮像装置およびホログラフィック撮像方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
ホログラフィック撮像装置において、
照明された物体から放射される物体光(O)と前記物体光(O)に対するインライン光となるインライン球面波参照光(L)の2つの光を同じ条件に維持されているオフアクシス参照光(R)を用いて個別に2種類のオフアクシスホログラム(IOR,ILR)のデータとしてイメージセンサの受光面であるホログラム面において電子的に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データ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、
キューブ型ビームスプリッタから構成されるビーム結合器を備え、
前記ビーム結合器を透過して前記イメージセンサに入射する光を前記2種類のオフアクシスホログラム(IOR,ILR)のデータとして取得し、
前記画像再生部は、
前記2種類のオフアクシスホログラム(IOR,ILR)のデータから、前記物体光(O)と前記インライン球面波参照光(L)の両方の情報を含む複素振幅インラインホログラム(JOL)を前記ホログラム面において生成する複素振幅ホログラム生成部と、
前記ビーム結合器の屈折率を考慮してその内部の伝播を含む光伝播計算を行って前記インライン球面波参照光(L)の光波を表すインライン参照光ホログラム(j)を前記ホログラム面において生成する計算参照光ホログラム生成部と、
前記複素振幅インラインホログラム(JOL)と前記インライン参照光ホログラム(j)のデータを用いて前記物体光(O)のホログラムである物体光ホログラム(g)を前記ホログラム面において生成する物体光ホログラム生成部と、を備え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】
前記計算参照光ホログラム生成部は、
前記インライン球面波参照光(L)の光波長(λ)に係数(m)を掛け算して波長を長くした変換波長(mλ)の光について平面波展開法を用いる光伝播計算を行って、前記ホログラム面における球面波の位相(φLm)を算出し、
前記変換波長(mλ)の光について算出された前記位相(φLm)に前記係数(m)を掛け算して得られる位相(mφLm)を前記インライン参照光ホログラム(j)の位相として前記インライン参照光ホログラム(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撮像装置。

【請求項3】
前記オフアクシス参照光(R)は、集光点(P1)を有する球面波状の光であり、前記ビーム結合器にその側面から入射され、
前記オフアクシス参照光(R)の集光点(P1)と、前記インライン球面波参照光(L)の集光点(P2)とは光学的に互いに近接している、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のホログラフィック撮像装置。

【請求項4】
前記オフアクシス参照光(R)の集光点(P1)と前記インライン球面波参照光(L)の集光点(P2)とは、それぞれ前記ビーム結合器に近接しており、前記ホログラフィック撮像装置が顕微鏡として用いられる、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】
前記ビーム結合器は、開口数NAを1に近い大きな値にするため、前記物体光(O)が入射する光軸方向における厚さが、前記オフアクシス参照光(R)が入射される側面方向の厚さよりも薄く、前記オフアクシス参照光(R)の集光点(P1)が前記ビーム結合器の内部にある、ことを特徴とする請求項4に記載のホログラフィック撮像装置。

【請求項6】
前記ビーム結合器は、前記物体を斜め方向から照明する照明光(Q)と前記ビーム結合器とが干渉しないように形成された面取り部を有する、ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載のホログラフィック撮像装置。

【請求項7】
前記物体を照明する照明光(Q)は、前記ビーム結合器における前記オフアクシス参照光(R)が入射される側面に対向する側面から前記ビーム結合器に入射されて、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、ことを特徴とする請求項4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方法において、
照明された物体から放射され、キューブ型ビームスプリッタから構成されるビーム結合器を直進してイメージセンサに入射する物体光(O)のデータを、前記ビーム結合器に側面から入射しその内部で反射して前記イメージセンサに入射するオフアクシス参照光(R)を用いて、物体光オフアクシスホログラム(IOR)として取得し、
前記オフアクシス参照光(R)のデータを、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)を用いて、前記イメージセンサによって参照光オフアクシスホログラム(ILR)として取得し、
前記2種類のオフアクシスホログラム(IOR,ILR)のデータから、前記イメージセンサの受光面であるホログラム面において前記物体光の複素振幅インラインホログラム(JOL)を生成し、
前記インライン球面波参照光(L)の集光点(P2)から放たれる球面波について、前記ビーム結合器の屈折率を考慮して前記ビーム結合器の内部の伝播を含む光伝播計算を行うことにより、前記ホログラム面における光波を表すインライン参照光ホログラム(j)を生成し、
前記物体光の複素振幅インラインホログラム(JOL)のデータと前記インライン参照光ホログラム(j)のデータとを用いて前記ホログラム面における前記物体光(O)を表す物体光ホログラム(g)を生成する、ことを特徴とするホログラフィック撮像方法。

【請求項9】
前記インライン参照光ホログラム(j)を算出する光伝播計算は、
前記インライン球面波参照光(L)の光波長(λ)に係数(m)を掛け算して波長を長くした変換波長(mλ)の光について平面波展開法を用いる光伝播計算を行って、前記ホログラム面における球面波の位相(φLm)を算出し、
前記変換波長(mλ)の光について算出された前記位相(φLm)に前記係数(m)を掛け算して得られる位相(mφLm)を前記インライン参照光ホログラム(j)の位相とする、ことを特徴とする請求項8に記載のホログラフィック撮像方法。

【請求項10】
イメージセンサから前記インライン球面波参照光(L)の集光点(P2)までの距離(ρ)が、
前記物体に替えて、透光板にスケールパターンを有して構成されるターゲットを配置し、前記インライン球面波参照光(L)で照射したときの透過光であるターゲット物体光(O)のデータを、前記オフアクシス参照光(R)を用いてターゲットオフアクシスホログラム(ITR)として取得し、
前記距離(ρ)をパラメータとして、前記インライン参照光ホログラム(j)を生成し、
前記ターゲットオフアクシスホログラム(ITR)と前記参照光オフアクシスホログラム(ILR)と前記インライン参照光ホログラム(j)とを用いて、前記ホログラム面における前記ターゲットの物体光を表すターゲット物体光ホログラム(g)を生成し、
前記ターゲット物体光ホログラム(g)を光伝播計算によって位置変換して、前記ターゲットの位置における前記ターゲットの画像を再生し、
前記ターゲットの再生画像の寸法が前記ターゲットの寸法と一致するときのパラメータの値として決定され、
前記インライン参照光ホログラム(j)の算出に用いられる、ことを特徴とする請求項8または請求項9に記載のホログラフィック撮像方法。
国際特許分類(IPC)
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