(57)【要約】      （修正有）【課題】異なる波長を有する複数の光を用いる際に、インラインホログラムに生じうる歪みをより簡便な方法で抑制しつつ、光エネルギーの利用効率をより向上させて、より精度の良い画像を得ること。【解決手段】観察装置１は、各発光点の大きさが１００λ（λ：発光波長）未満であり、かつ、発光波長が相異なる複数の発光ダイオードが、隣り合う前記発光ダイオード間の離隔距離が１００λ（λ：発光波長）以下となるように配置されている光源部１１と、観察対象物を介して前記光源部と対向するように設けられたイメージセンサ１３と、を備える。【選択図】図１Ａ
2020046308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各発光点の大きさが１００λ（λ：発光波長）未満であり、かつ、発光波長が相異なる複数の発光ダイオードが、隣り合う前記発光ダイオード間の離隔距離が１００λ（λ：発光波長）以下となるように配置されている光源部と、
観察対象物を介して前記光源部と対向するように設けられたイメージセンサと、
を備える、観察装置。
【請求項２】
前記離隔距離の大きさは、前記発光点の大きさの５倍以下である、請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
前記観察対象物と前記光源部との間に、前記複数の発光ダイオードそれぞれのピーク波長に透過波長帯域が設定されたバンドパスフィルタが設けられる、請求項１に記載の観察装置。
【請求項４】
前記イメージセンサで生成された、前記発光波長ごとの撮像画像を用いて、前記観察対象物の画像を得るための演算処理が実施される演算処理部を更に備え、
前記演算処理部は、
前記発光波長ごとの撮像画像に対して、前記複数の発光ダイオードの位置関係に応じた画像のシフト補正を少なくとも含む前処理を実施する前処理部と、
前記前処理後の前記撮像画像を用いて、前記観察対象物の画像を再構成する再構成処理部と、
を有する、請求項１に記載の観察装置。
【請求項５】
前記前処理部は、それぞれの前記発光ダイオードが設けられた位置に起因する前記撮像画像の間の位置ズレが解消されるように、前記シフト補正を実施する、請求項４に記載の観察装置。
【請求項６】
前記前処理部は、
前記複数の発光ダイオードの中から、基準とする前記発光ダイオードを一つ選択し、
前記複数の発光ダイオードのうち、前記基準とする発光ダイオード以外の残りの前記発光ダイオードを用いて撮像された前記撮像画像の空間座標を、前記基準とする発光ダイオードを用いて撮像された前記撮像画像の方向にシフトさせる、請求項４に記載の観察装置。
【請求項７】
前記光源部では、相異なる発光波長を有する３個の前記発光ダイオードが、一列に配置されており、
前記前処理部は、両端に位置する前記発光ダイオードを用いて撮像された前記撮像画像の空間座標を、中央に位置する前記発光ダイオードを用いて撮像された前記撮像画像の方向に、以下の式（１）で算出される補正量δだけシフトさせる、請求項４に記載の観察装置。
【数１】
2020046308.tif 000010
ここで、上記式（１）において、
δ：補正量
Ｌ：光源部−イメージセンサ間距離
Ｚ：観察対象物−イメージセンサ間距離
ｐ：発光ダイオード間距離
である。
【請求項８】
前記光源部では、相異なる発光波長を有する３個の前記発光ダイオードが、三角形状に配置されており、
前記前処理部は、何れか２つの前記発光ダイオードを用いて撮像された前記撮像画像の空間座標を、残りの１つの前記発光ダイオードを用いて撮像された前記撮像画像の方向にシフトさせる、請求項４に記載の観察装置。
【請求項９】
前記観察対象物は、生体材料である、請求項１に記載の観察装置。
【請求項１０】
各発光点の大きさが１００λ（λ：発光波長）未満であり、かつ、発光波長が相異なる複数の発光ダイオードが、隣り合う前記発光ダイオード間の離隔距離が１００λ（λ：発光波長）以下となるように配置されている光源部から、観察対象物に対して、前記発光波長ごとに光を照射することと、
前記観察対象物を介して前記光源部と対向するように設けられたイメージセンサにより、前記発光波長ごとに前記観察対象物を撮像することと、
を含む、観察方法。
【請求項１１】
各発光点の大きさが１００λ（λ：発光波長）未満であり、かつ、発光波長が相異なる複数の発光ダイオードが、隣り合う前記発光ダイオード間の離隔距離が１００λ（λ：発光波長）以下となるように配置されている光源部と、
観察対象物を介して前記光源部と対向するように設けられたイメージセンサと、
前記イメージセンサで生成された、前記発光波長ごとの撮像画像を用いて、前記観察対象物の画像を得るための演算処理が実施される演算処理部と、
を備える、観察システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、観察装置、観察方法及び観察システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、小型で低コストな顕微鏡として、光学レンズを用いないレンズレス顕微鏡（「レンズフリー顕微鏡」とも呼ばれる。）が提案されている。かかるレンズレス顕微鏡は、イメージセンサと、コヒーレンス光源とから構成されている。レンズレス顕微鏡では、コヒーレンス光源から出射し、かつ、生体材料等の観察対象物で回折した光と、コヒーレンス光源から出射した直接光と、のインラインホログラムが、距離や波長等といった条件を変えながら複数撮像される。その後、光伝播計算により、観察対象物の振幅画像及び位相画像が再構成され、これら画像がユーザに提供される。
【０００３】
このようなレンズレス顕微鏡では、従来、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）と空間アパーチャ（例えば、ピンホールやシングルコア光ファイバ）との組み合わせが、コヒーレンス光源として用いられいる。例えば、以下の非特許文献１では、発光ダイオードとピンホールとを組み合わせたコヒーレンス光源を用いたレンズレス顕微鏡が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｏ．Ｍｕｄａｎｙａｌｉ  ｅｔ．ａｌ．，Ｌａｂ  Ｃｈｉｐ，２０１０，１０，ｐ．１４１７−１４２８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１で開示されているような、ＬＥＤと空間アパーチャとの組み合わせでは、ＬＥＤから出射された光の大部分が空間アパーチャを通過することができず、エネルギーの利用効率が低かった。その結果、電源部などにおいてコストが増加し、本来のレンズレス顕微鏡が有する利点が十分に発揮できなかった。
【０００６】
また、イメージセンサと観察対象物との間の離隔距離を変えながらインラインホログラムを得る場合に、上記非特許文献１で開示されているようなレンズレス顕微鏡では、例えば観察対象物が載置されているステージの位置を変更する制御が行われる。しかしながら、ステージの位置決め精度が低い場合には、ステージ位置のズレが誤差要因となり、得られる画像の精度が低下してしまう。
【０００７】
また、異なる波長を有する複数の光を用いる場合、発光点から離れるほど光線の角度差が大きくなり、記録されるインラインホログラムに歪みが生じ、画像の再構成に不具合が生じることが懸念される。光線の角度差に起因する歪みを防止するためには、同一の光ファイバに複数の光を導入する、ダイクロイックミラーを用いて複数の光を合波する、等といった解決策が、一見考えられる。しかしながら、このような解決策を用いた場合、顕微鏡全体が大型化したり、コストが増加したりすることとなり、小型で低コストというレンズレス顕微鏡の利点に反するものであった。
【０００８】
そこで、本開示では、上記事情に鑑みて、異なる波長を有する複数の光を用いる際に、インラインホログラムに生じうる歪みをより簡便な方法で抑制しつつ、光エネルギーの利用効率をより向上させて、より精度の良い画像を得ることが可能な、観察装置、観察方法及び観察システムを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示によれば、各発光点の大きさが１００λ（λ：発光波長）未満であり、かつ、発光波長が相異なる複数の発光ダイオードが、隣り合う前記発光ダイオード間の離隔距離が１００λ（λ：発光波長）以下となるように配置されている光源部と、観察対象物を介して前記光源部と対向するように設けられたイメージセンサと、を備える、観察装置が提供される。
【００１０】
また、本開示によれば各発光点の大きさが１００λ（λ：発光波長）未満であり、かつ、発光波長が相異なる複数の発光ダイオードが、隣り合う前記発光ダイオード間の離隔距離が１００λ（λ：発光波長）以下となるように配置されている光源部から、観察対象物に対して、前記発光波長ごとに光を照射することと、前記観察対象物を介して前記光源部と対向するように設けられたイメージセンサにより、前記発光波長ごとに前記観察対象物を撮像することと、を含む、観察方法が提供される。
【００１１】
また、本開示によれば、各発光点の大きさが１００λ（λ：発光波長）未満であり、かつ、発光波長が相異なる複数の発光ダイオードが、隣り合う前記発光ダイオード間の離隔距離が１００λ（λ：発光波長）以下となるように配置されている光源部と、観察対象物を介して前記光源部と対向するように設けられたイメージセンサと、前記イメージセンサで生成された、前記発光波長ごとの撮像画像を用いて、前記観察対象物の画像を得るための演算処理が実施される演算処理部と、を備える、観察システムが提供される。
【００１２】
本開示によれば、所定の条件を満足するように設けられた複数の発光ダイオードを含む光源部から観察対象物に対して光が照射され、照射された光によって生じるインラインホログラムが、観察対象物を介して光源部と対向するように設けられたイメージセンサによって撮像される。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本開示によれば、異なる波長を有する複数の光を用いる際に、インラインホログラムに生じうる歪みをより簡便な方法で抑制しつつ、光エネルギーの利用効率をより向上させて、より精度の良い画像を得ることが可能となる。
【００１４】
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、又は、本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】本開示の実施形態に係る観察装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。
【図１Ｂ】同実施形態に係る観察装置の構成の他の一例を模式的に示した説明図である。
【図２Ａ】同実施形態に係る観察装置が備える光源部の構成の一例を模式的に示した説明図である。
【図２Ｂ】同実施形態に係る観察装置が備える光源部の構成の他の一例を模式的に示した説明図である。
【図３】同実施形態に係る観察装置が備える演算処理部の構成の一例を示したブロック図である。
【図４】同実施形態に係る演算処理部が備える画像算出部の構成の一例を示したブロック図である。
【図５】同実施形態に係る画像算出部が備える前処理部の構成の一例を示したブロック図である。
【図６】同実施形態に係る画像算出部が備える再構成処理部で実施される再構成処理を説明するための説明図である。
【図７】同実施形態に係る再構成処理の流れの一例を示した流れ図である。
【図８】同実施形態に係る画像算出部が備える再構成処理部で実施される再構成処理を説明するための説明図である。
【図９】同実施形態に係る観察装置で得られる再構成画像の一例を示した説明図である。
【図１０】同実施形態に係る演算処理部のハードウェア構成の一例を示したブロック図である。
【図１１】同実施形態に係る観察方法の流れの一例を示した流れ図である。
【図１２】実施例について説明するための説明図である。
【図１３】実施例について説明するための説明図である。
【図１４】実施例について説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．実施形態
１．１．観察装置について
１．１．１．観察装置の全体構成及びホログラム取得部について
１．１．２．演算処理部について
１．２．観察方法について
２．実施例
【００１８】
（実施形態）
＜観察装置について＞
以下では、図１Ａ〜図１０を参照しながら、本開示の実施形態に係る観察装置について、詳細に説明する。
【００１９】
［観察装置の全体構成及びホログラム取得部について］
まず、図１Ａ〜図２Ｂを参照しながら、本実施形態に係る観察装置の全体構成と、本実施形態に係る観察装置が備えるホログラム取得部について、詳細に説明する。
図１Ａは、本実施形態に係る観察装置の構成の一例を模式的に示した説明図であり、図１Ｂは、本実施形態に係る観察装置の構成の他の一例を模式的に示した説明図である。図２Ａは、本実施形態に係る観察装置が備える光源部の構成の一例を模式的に示した説明図であり、図２Ｂは、本実施形態に係る観察装置が備える光源部の構成の他の一例を模式的に示した説明図である。
【００２０】
◇観察装置の全体構成
本実施形態に係る観察装置１は、所定の観察対象物を観察するために用いられる装置であり、観察対象物を透過した光と、観察対象物で回折した光と、の相互干渉により生じるホログラム（より詳細には、インラインホログラム）画像を用いて、観察対象物の画像を再構成する装置である。
【００２１】
ここで、本実施形態に係る観察装置１が着目する観察対象物は、観察に用いる光がある程度透過し、かつ、観察対象物を透過した光と、観察対象物で回折した光と、が互いに干渉することが可能なものであれば、任意の物体を観察対象物とすることが可能である。このような観察対象物としては、例えば、観察に用いる所定の波長を有する光にとって、ある程度透明とみなすことが可能な位相物体を挙げることができ、このような位相物体としては、例えば、生物の細胞、生体組織、精子、卵子、受精卵、微生物等のような、各種の生体材料を挙げることができる。
【００２２】
以下では、観察対象物の一例としての細胞等の生体材料が、所定の試料ホルダ中に存在している場合を例に挙げて説明を行うものとする。
【００２３】
上記のような観察対象物を観察するための、本実施形態に係る観察装置１は、図１Ａ及び図１Ｂに示したように、観察対象物を観察して観察対象物のホログラム画像を取得するためのホログラム取得部１０と、得られたホログラム画像から、着目する観察対象物の画像を再構成する一連の演算処理を実施する演算処理部２０と、を備える。
【００２４】
本実施形態に係るホログラム取得部１０は、後述する演算処理部２０による制御のもとで、観察ステージＳｔの所定の位置に載置された試料ホルダＨ中に存在する観察対象物Ｃのホログラム画像を取得する。ホログラム取得部１０により取得された、観察対象物Ｃのホログラム画像は、後述する演算処理部２０へと出力される。かかる機能を有するホログラム取得部１０の詳細な構成については、以下で改めて説明する。
【００２５】
演算処理部２０は、ホログラム取得部１０におけるホログラム画像の取得処理を統括的に制御する。また、演算処理部２０は、ホログラム取得部１０により取得されたホログラム画像を用いて、着目する観察対象物Ｃの画像を再構成する一連の処理を実施する。かかる一連の処理によって得られた画像が、着目する観察対象物Ｃを撮像した画像として、観察装置１のユーザに提示される。かかる機能を有する演算処理部２０の詳細な構成についても、以下で改めて説明する。
【００２６】
以上、本実施形態に係る観察装置１の全体構成について、簡単に説明した。
なお、本実施形態に係る観察装置１は、以下で詳述するような構成を有するホログラム取得部１０を有するホログラム取得ユニットと、以下で詳述するような構成を有する演算処理部２０を備える演算処理ユニットと、からなる観察システムとして実現することも可能である。
【００２７】
◇ホログラム取得部について
次に、図１Ａ〜図２Ｂを参照しながら、本実施形態に係る観察装置１におけるホログラム取得部１０について、詳細に説明する。なお、以下では、便宜的に、図１Ａ〜図２Ｂに示した座標系を用いながら、ホログラム取得部１０を構成する各部材の位置関係を説明する。
【００２８】
本実施形態に係るホログラム取得部１０は、図１Ａに示したように、観察対象物Ｃのホログラム画像を取得するために用いられる照明光を照射する光源部１１と、生成された観察対象物Ｃのホログラム画像を撮像するイメージセンサ１３と、を有している。かかる光源部１１及びイメージセンサ１３は、演算処理部２０によって、その動作が制御されている。また、ホログラム取得部１０に設けられた観察ステージＳｔについても、演算処理部２０によって、そのｚ方向位置が制御されてもよい。
【００２９】
光源部１１からの照明光は、観察ステージＳｔ上に載置された試料ホルダＨ中に支持されている観察対象物Ｃに照射される。ここで、試料ホルダＨは、図１Ａに模式的に示したように、観察対象物Ｃを支持する支持面Ｓ１を有している。試料ホルダＨは、特に限定されるものではないが、例えば、スライドガラス及びカバーガラスを有するプレパラートであり、光透過性を有する。
【００３０】
また、観察ステージＳｔは、光源部１１の照明光を透過させる光透過性を有する領域が存在し、かかる領域上に試料ホルダＨが載置される。観察ステージＳｔに設けられた光透過性を有する領域は、例えばガラス等により構成されていてもよく、ｚ軸方向に沿って観察ステージＳｔの上面と下面とを連通させる開口部で構成されていてもよい。
【００３１】
照明光が観察対象物Ｃに照射されると、かかる照明光は、観察対象物Ｃを透過する透過光Ｈ１と、観察対象物Ｃで回折する回折光Ｈ２と、に分離される。かかる透明光Ｈ１と、回折光Ｈ２とが相互に干渉することで、観察対象物Ｃを介して光源部１１と対向するように設けられたイメージセンサ１３のセンサ面Ｓ２上に、観察対象物Ｃのホログラム（インラインホログラム）画像が生成される。ここで、本実施形態に係る観察装置１において、支持面Ｓ１と、センサ面Ｓ２との間の離隔距離の大きさを、Ｚと表し、光源部１１（より詳細には、照射光の出射口）と、イメージセンサ１３（センサ面Ｓ２）との間の離隔距離の大きさを、Ｌと表すこととする。本実施形態において、透過光Ｈ１は、観察対象物Ｃのホログラムを生成するための参照光として機能する。このようにして生成された観察対象物Ｃのホログラム画像（以下、単に「ホログラム」ともいう。）が、演算処理部２０へと出力される。
【００３２】
ここで、本実施形態に係るホログラム取得部１０は、図１Ｂに示したように、光源部１１と観察対象物Ｃとの間の光路上に、バンドパスフィルタ１５を更に有することが好ましい。かかるバンドパスフィルタ１５は、光源部１１から照射された照明光の波長を透過波長帯域に含むように設計されている。このようなバンドパスフィルタ１５を更に設けることで、光源部１１から照射される照明光の空間的コヒーレンス及び時間的コヒーレンスをより向上させることが可能となり、よりコントラストの高いより優れたホログラムを得ることが可能となる。
【００３３】
このように、本実施形態に係るホログラム取得部１０は、従来のレンズレス顕微鏡のように、空間アパーチャが用いられていないため、光源部１１から照射される照明光のエネルギーをより効率良く用いることができる。
【００３４】
本実施形態に係る観察装置１において、光源部１１からは、互いに波長の異なる複数の照明光が照射される。かかる光源部１１は、波長の異なる複数の照明光を照射するために、部分コヒーレントな光を照射することが可能な、発光波長の互いに異なる複数の発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）を有している。そのため、上記バンドパスフィルタ１５は、それぞれのＬＥＤの発光波長に対応するように、１又は複数の透過波長帯域を有するように設計された、マルチバンドパスフィルタとして機能する。
【００３５】
光源部１１を構成する各ＬＥＤの発光波長は、ＬＥＤ間で互いに異なっていれば特に限定されるものではなく、任意の波長帯域に属する任意の発光ピーク波長を有する光を使用することが可能である。各ＬＥＤの発光波長（発光ピーク波長）は、例えば、紫外光帯域に属していてもよいし、可視光帯域に属していてもよいし、近赤外帯域に属していてもよい。また、光源部１１を構成する各ＬＥＤは、以下で詳述する２種類の大きさに関する条件を満たしうるものであれば、公知の任意のＬＥＤを用いることが可能である。
【００３６】
本実施形態に係る光源部１１において、ＬＥＤの個数は、２個以上であれば特に限定するものではない。ただ、ＬＥＤの個数が多くなるほど光源部１１の大きさも大きくなるため、観察装置１の小型化を考慮すると、光源部１１は、発光波長の互いに異なる３個のＬＥＤを有していることが好ましい。以下では、光源部１１が発光波長の互いに異なる３個のＬＥＤで構成されている場合を例に挙げて、説明を行うこととする。
【００３７】
本実施形態に係る光源部１１において、光源部１１を構成する各ＬＥＤの発光点の大きさは、１００λ（λ：発光波長）未満である。また、光源部１１を構成する各ＬＥＤは、隣り合うＬＥＤ間の離隔距離が１００λ（λ：発光波長）以下となるように、それぞれ配置されている。この際、発光点の大きさ、及び、ＬＥＤ間の離隔距離の基準となる発光波長λは、光源部１１が備える各ＬＥＤから出射される光のピーク波長のうち、最も短いピーク波長を用いることとする。
【００３８】
各発光点の大きさが１００λ未満となり、かつ、隣り合うＬＥＤ間の離隔距離が１００λ以下となるように各ＬＥＤが近接していることで、本実施形態に係る観察装置１では、ＬＥＤの発光点が一致していないことに起因するホログラム間の歪みを、以下で詳述するような簡便なシフト補正により相殺することが可能となり、より精度の良い画像を得ることができる。以下、上記のような２つの条件を満足するＬＥＤ群のことを、「マイクロＬＥＤ」とも称する。ここで、各発光点の大きさが１００λ以上となる場合、又は、隣り合うＬＥＤ間の離隔距離が１００λを超える場合には、各ＬＥＤ間の発光点のズレが顕著となり、以下で詳述するようなシフト補正を行ったとしても、ホログラム間の歪みを相殺することができない。各発光点の大きさは、好ましくは、８０λ未満であり、より好ましくは、４０λ未満である。また、隣り合うＬＥＤ間の離隔距離は、好ましくは、８０λ以下であり、より好ましくは、６０λ以下である。なお、発光点の大きさ、及び、隣り合うＬＥＤ間の離隔距離は、小さければ小さいほどよく、下限値は特に限定されるものではない。
【００３９】
また、上記離隔距離の大きさは、上記発光点の大きさの５倍以下であることが、より好ましい。発光点の大きさと離隔距離の大きさとが上記のような関係を満たすことで、ホログラム間の歪みをより確実に相殺することが可能となり、より一層優れた精度の画像を得ることができる。上記離隔距離の大きさは、更に好ましくは、上記発光点の大きさの１．５倍以下である
【００４０】
本実施形態に係る光源部１１は、例えば図２Ａに示したように、相異なる発光波長を有する３個のＬＥＤ１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ（以下、複数のＬＥＤをまとめて、「発光ダイオード１０１」又は「ＬＥＤ１０１」と称することがある。）が、一列に配置されているものであってもよい。図２Ａに示した例では、３個のＬＥＤ１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃが、ｘ軸方向に沿って一列に配置されている。また、図２Ａにおいて、ｄで表される大きさが、ＬＥＤ１０１の発光点の大きさに対応しており、ｐで表される中心間距離の大きさが、隣り合うＬＥＤ１０１間の離隔距離（換言すれば、隣り合うＬＥＤ１０１間のピッチ）の大きさに対応している。
【００４１】
また、本実施形態に係る光源部１１は、例えば図２Ｂに示したように、相異なる発光波長を有する３個のＬＥＤ１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃが、三角形状となるように配置されているものであってもよい。図ＢＡに示した例では、３個のＬＥＤ１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃを、ｚ軸に沿った上方から光源部１１を見下ろした場合の態様を模式的に示しており、３個のＬＥＤ１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃが、ｘｙ平面においてその集合の外形が三角形状となるように配置されている。図２Ｂに示した例においても、ｄで表される大きさが、ＬＥＤ１０１の発光点の大きさに対応しており、ｐで表される中心間距離の大きさが、隣り合うＬＥＤ１０１間の離隔距離の大きさに対応している。
【００４２】
ここで、図２Ａ及び図２Ｂに示した光源部１１において、各ＬＥＤの発光ピーク波長は、例えば、４６０ｎｍ、５２０ｎｍ、６３０ｎｍの組み合わせから選択することができる。なお、かかる発光ピーク波長の組み合わせは、あくまでも一例にすぎず、任意の発光ピーク波長の組み合わせを採用することができる。
【００４３】
以上のような構成を有する光源部１１は、演算処理部２０による制御のもとで、各ＬＥＤ１０１のそれぞれを順次点灯し、各発光波長におけるホログラムを生じさせる。
【００４４】
再び図１Ａ及び図１Ｂに戻って、本実施形態に係るホログラム取得部１０におけるイメージセンサ１３について説明する。
本実施形態に係るイメージセンサ１３は、演算処理部２０による制御のもとで、各ＬＥＤの点灯状態と同期するようにして、図１Ａ及び図１Ｂに示したセンサ面Ｓ２に生じた観察対象物Ｃのホログラム（インラインホログラム）を記録する。これにより、イメージセンサ１３は、光源部１１におけるＬＥＤの発光波長の個数と同数の、ホログラムに関する画像データ（すなわち、ホログラム画像のデータ）を生成する。かかるイメージセンサ１３は、光源部１１として用いられる各種のＬＥＤから出射される照明光の波長帯域に感度を有するものであれば、特に限定されるものではなく、公知の各種のイメージセンサを用いることが可能である。このようなイメージセンサとして、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）センサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサ等を挙げることができる。これらのイメージセンサは、モノクロ用のセンサであってもよいし、カラー用のセンサであってもよい。また、これらのイメージセンサの画素サイズは、光源部１１として用いられるＬＥＤ１０１の発光点の大きさ等に応じて適宜選択すればよく、特に限定されるものではないが、例えば、１００μｍ程度の大きさであることが好ましい。
【００４５】
ここで、本実施形態に係るホログラム取得部１０では、センサ面Ｓ２において、ホログラムの光強度分布（振幅の二乗値）のみが記録され、位相の分布については、記録されない。しかしながら、演算処理部２０において、以下で詳述するようない一連の画像再構成処理が実施されることで、ホログラムの位相の分布が再現される。
【００４６】
また、図１Ｂに示したような、本実施形態に係るバンドパスフィルタ１５は、光源部１１と観察対象物Ｃとの間の光路上に設置されて、光源部１１から照射された照明光のみを観察対象物Ｃの側へと透過させる。かかるバンドパスフィルタ１５を設けることで、照明光の空間的コヒーレンス及び時間的コヒーレンスをより一層向上させることが可能となり、より高効率の部分コヒーレンス照明を実現することができる。かかるバンドパスフィルタ１５は、その透過波長帯域が光源部１１に設けられたＬＥＤの発光ピーク波長に対応するように設計されていれば、特に限定されるものではなく、公知の各種のバンドパスフィルタを適宜用いることが可能である。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態に係るホログラム取得部１０は、発光点の大きさ及びピッチが特定の条件を満足するＬＥＤと、イメージセンサと、を備え、更に、必要に応じてバンドパスフィルタを有するような、非常に少ない部品点数で、観察対象物に関するより精度の高いホログラム画像を取得することができる。
【００４８】
以上、図１Ａ〜図２Ｂを参照しながら、本実施形態に係る観察装置１におけるホログラム取得部１０の構成について、詳細に説明した。
【００４９】
［演算処理部について］
次に、図３〜図１０を参照しながら、本実施形態に係る観察装置１が備える演算処理部について、詳細に説明する。
【００５０】
本実施形態に係る演算処理部２０は、本実施形態に係る観察装置１が備えるホログラム取得部１０の稼働状態を統括的に制御する。また、演算処理部２０は、ホログラム取得部１０が取得した観察対象物Ｃのホログラム画像を用いて、かかるホログラム画像から観察対象物Ｃの画像を再構成する一連の処理を実施する。
【００５１】
◇演算処理部の全体構成
かかる演算処理部２０は、図３に模式的に示したように、ホログラム取得制御部２０１と、データ取得部２０３と、画像算出部２０５と、出力制御部２０７と、表示制御部２０９と、記憶部２１１と、を備える。
【００５２】
ホログラム取得制御部２０１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、入力装置、通信装置等により実現される。ホログラム取得制御部２０１は、ユーザ操作によって入力されたホログラム取得部１０の各種観察条件に関する観察条件情報に基づき、ホログラム取得部１０の稼働状態を統括的に制御する。具体的には、ホログラム取得制御部２０１は、ホログラム取得部１０の光源部１１に設けられた複数のＬＥＤ１０１を制御して、各ＬＥＤ１０１の点灯状態を制御する。また、ホログラム取得制御部２０１は、イメージセンサ１３の稼働状態を制御して、各ＬＥＤ１０１の点灯状態に同期させながら、イメージセンサ１３のセンサ面Ｓ２における観察対象物Ｃの、発光波長ごとのホログラム（インラインホログラム）画像を生成させる。
【００５３】
また、ホログラム取得制御部２０１は、ホログラム取得部１０に設けられた観察ステージＳｔのｚ軸方向に沿った位置を制御することも可能である。ホログラム取得制御部２０１は、観察条件情報や、ホログラム取得部１０の稼働状態に関する各種の情報を、データ取得部２０３及び画像算出部２０５に出力して、データ取得部２０３及び画像算出部２０５における各種処理に利用させてもよい。
【００５４】
データ取得部２０３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。データ取得部２０３は、ホログラム取得制御部２０１の制御のもとでホログラム取得部１０によって取得された、観察対象物Ｃの発光波長ごとのホログラム画像に関する画像データを、ホログラム取得部１０から取得する。データ取得部２０３は、ホログラム取得部１０から画像データを取得すると、取得したホログラム画像の画像データを、後述する画像算出部２０５に出力する。また、データ取得部２０３は、取得したホログラム画像の画像データに、かかる画像データを取得した日時等に関する時刻情報を関連づけた上で、後述する記憶部２１１に履歴情報として記録してもよい。
【００５５】
画像算出部２０５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。画像算出部２０５は、データ取得部２０３から出力された、観察対象物Ｃの発光波長ごとのホログラム画像に関する画像データを用いて、観察対象物Ｃの画像を再構成する一連の画像算出処理を実施する。かかる画像算出部２０５の詳細な構成、及び、かかる画像算出部２０５で実施される画像算出処理の詳細については、以下で改めて説明する。
【００５６】
出力制御部２０７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置、通信装置等により実現される。出力制御部２０７は、画像算出部２０５により算出された観察対象物Ｃの画像に関する画像データの出力を制御する。例えば、出力制御部２０７は、画像算出部２０５により算出された観察対象物Ｃの画像データを、プリンタ等の出力装置を介して出力させて、ユーザに紙媒体として提供してもよいし、各種の記録媒体に出力させてもよい。また、出力制御部２０７は、画像算出部２０５により算出された観察対象物Ｃの画像データを、外部に設けられたコンピュータ、サーバ、プロセスコンピュータ等といった各種の情報処理装置に出力させて、画像データの共有を図るようにしてもよい。また、出力制御部２０７は、後述する表示制御部２０９と連携しながら、画像算出部２０５により算出された観察対象物Ｃの画像データを、観察装置１が備える各種のディスプレイ等の表示装置や、観察装置１の外部に設けられた各種のディスプレイ等の表示装置に出力させてもよい。
【００５７】
表示制御部２０９は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置、通信装置等により実現される。表示制御部２０９は、画像算出部２０５により算出された、観察対象物Ｃの画像や、かかる画像に関連する各種の情報を、演算処理部２０が備えるディスプレイ等の出力装置や演算処理部２０の外部に設けられた出力装置等に表示する際の表示制御を行う。これにより、観察装置１のユーザは、着目している観察対象物に関する様々な情報を、その場で把握することが可能となる。
【００５８】
記憶部２１１は、例えば、演算処理部２０が有するＲＡＭやストレージ装置等により実現される。記憶部２１１は、ホログラム取得制御部２０１や画像算出部２０５が各種の処理を実施する際に利用する各種のデータベースやソフトウェアプログラム等が格納されている。また、記憶部２１１には、ホログラム取得制御部２０１が実施するホログラム取得部１０の制御処理や画像算出部２０５が実施する各種の画像処理等における各種の設定情報や、本実施形態に係る演算処理部２０が何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等が、適宜記録される。この記憶部２１１は、ホログラム取得制御部２０１、データ取得部２０３、画像算出部２０５、出力制御部２０７、表示制御部２０９等が、自由にデータのリード／ライト処理を行うことが可能である。
【００５９】
以上、図３を参照しながら、本実施形態に係る観察装置１が備える演算処理部２０の全体構成について説明した。
【００６０】
◇画像算出部の構成について
画像算出部２０５は、観察対象物Ｃの発光波長ごとのホログラム画像に関する画像データを用いて、観察対象物Ｃの画像を再構成する一連の画像算出処理を実施する。かかる画像算出部２０５は、図４に模式的に示したように、伝搬距離算出部２２１と、前処理部２２３と、再構成演算部２２５Ａ及び振幅置換部２２５Ｂを有する再構成処理部２２５と、を有する。なお、以下の説明では、便宜的に、図１Ａ及び図１Ｂに示したｚ軸座標において、支持面Ｓ１の位置がｚ＝０であり、センサ面Ｓ２の位置がｚ＝Ｚであるものとする。また、光源部１１から、発光ピーク波長λ１、λ２、λ３の照明光が照射され、イメージセンサ１３により、ホログラム画像ｇλ１、ｇλ２、ｇλ３（より詳細には、ホログラムの振幅強度に関する画像）が取得されるものとする。
【００６１】
伝搬距離算出部２２１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。伝搬距離算出部２２１は、レイリー・ゾンマーフェルト（Ｒａｙｌｅｉｇｈ−Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ）の回折積分を用いたデジタルフォーカス技術（デジタルフォーカシング）を用いて、図１Ａ及び図１Ｂに示した離隔距離Ｚ（支持面Ｓ１とセンサ面Ｓ２との間の離隔距離）の具体的な値を、伝搬距離Ｚとして算出する。ここで、デジタルフォーカシングとは、支持面Ｓ１とセンサ面Ｓ２との間の伝搬距離Ｚ（図１Ａ及び図１Ｂに示した離隔距離Ｚ）を調整することで、各ホログラム画像ｇλ１、ｇλ２、ｇλ３の焦点位置を決定する手法である。
【００６２】
この場合、予め、ホログラム取得制御部２０１は、ホログラム取得部１０を制御して、観察ステージＳｔのｚ座標位置を変えながら、各発光波長におけるフォーカス画像ａ（ｘ，ｙ，ｚ）を取得しておく。この場合、ａ（ｘ，ｙ，０）が、センサ面Ｓ２において生成されるホログラム画像ｇλｎに対応する。
【００６３】
伝搬距離算出部２２１は、まず、ｚ座標位置の異なる複数のフォーカス画像を用いて、以下の式（１０１）で表される、フォーカス画像間の輝度の差分値ｆ（ｚ＋Δｚ／Ｚ）を算出する。以下の式（１０１）から明らかなように、画像データを構成する各点での輝度差について、画像全体での総和が算出される。かかる総和を用いることで、輝度値がｚ軸方向（光路方向）に沿ってどのように変化したかを表す出力カーブを得ることができる。
【００６４】
【数１】
2020046308.tif 000003
【００６５】
続いて、伝搬距離算出部２２１は、式（１０１）に基づき算出されたｆ（ｚ＋Δｚ／Ｚ）の変数ｚによる微分値ｆ’（ｚ）を算出する。その上で、得られた微分値ｆ’（ｚ）のピークを与えるｚ位置が、着目するホログラム画像ｇのフォーカス位置となる。かかるフォーカス位置を、図１Ａ及び図１Ｂに示した離隔距離Ｚの具体的な値とし、伝搬距離となる。
【００６６】
伝搬距離算出部２２１は、このようにして得られた伝搬距離Ｚに関する情報を、後段の前処理部２２３及び再構成処理部２２５に出力する。
【００６７】
なお、以上の説明では、伝搬距離算出部２２１が、レイリー・ゾンマーフェルトの回折積分を用いたデジタルフォーカス技術により離隔距離Ｚを算出する場合について説明したが、伝搬距離算出部２２１は、ホログラム取得部１０のメカ精度（観察ステージＳｔの位置決め精度）によって、伝搬距離Ｚを算出してもよい。
【００６８】
前処理部２２３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。前処理部２２３は、発光波長ごとの撮像画像（すなわち、ホログラム画像ｇλｎ）に対して、複数の発光ダイオードの位置関係に応じた画像のシフト補正を少なくとも含む前処理を実施する。この前処理部２２３は、図５に示したように、階調補正部２３１と、アップサンプル部２３３と、画像シフト部２３５と、画像端処理部２３７と、初期複素振幅生成部２３９と、を有している。
【００６９】
階調補正部２３１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。階調補正部２３１は、イメージセンサ１３の階調補正（例えば、ダークレベル補正、及び、逆ガンマ補正）を行い、データ取得部２０３から出力されたホログラム画像ｇλ１，ｇλ２，ｇλ３に基づく画像信号を線形な状態に戻す処理を実施する。ここで、実施される階調補正の具体的な処理内容については、特に限定されるものではなく、公知の各種の処理内容を適宜利用することが可能である。階調補正部２３１は、階調補正後のホログラム画像ｇλ１，ｇλ２，ｇλ３を、後段のアップサンプル部２３３に出力する。
【００７０】
アップサンプル部２３３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。アップサンプル部２３３は、階調補正後のホログラム画像ｇλ１，ｇλ２，ｇλ３の画像信号を、アップサンプリングする。本実施形態に係るホログラム取得部１０は、いわゆるレンズレス顕微鏡として構成されているため、その分解能は、イメージセンサ１３のナイキスト周波数を超えてしまう可能性がある。そのため、限界性能を発揮させるために、階調補正後のホログラム画像ｇλ１，ｇλ２，ｇλ３に対して、アップサンプリング処理を実施する。ここで、具体的に実施されるアップサンプリング処理については、特に限定されるものではなく、公知の各種のアップサンプリング処理を適宜利用することができる。
【００７１】
画像シフト部２３５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。画像シフト部２３５は、ホログラム取得部１０により取得された、発光波長ごとのホログラム画像（より詳細には、上記階調補正処理及びアップサンプリング処理の施されたホログラム画像）に対して、複数の発光ダイオードの位置関係に応じた画像のシフト補正を実施する。
【００７２】
より詳細には、画像シフト部２３５は、それぞれのＬＥＤ１０１が設けられた位置に起因するホログラム画像の間の位置ズレが解消されるように、シフト補正を実施する。かかるシフト補正は、ホログラム画像の画素位置を規定する空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、所定の方向にシフトさせることで行われる。
【００７３】
すなわち、画像シフト部２３５は、複数のＬＥＤ１０１の中から、基準とするＬＥＤ１０１を一つ選択し、かかる複数のＬＥＤ１０１のうち、基準とするＬＥＤ以外の残りのＬＥＤ１０１を用いて撮像されたホログラム画像の空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、基準とするＬＥＤを用いて撮像されたホログラム画像の方向にシフトさせる。かかるシフトを行う際の移動量（シフト量）は、着目するＬＥＤ１０１間の位置ズレ量、及び、光源部１１と支持面Ｓ１との間の距離（Ｌ−Ｚ）と、支持面Ｓ１とセンサ面Ｓ２との間の距離Ｚとで決まる倍率、に応じて決定される。ここで、距離Ｚは、伝播距離算出部２２１により算出された伝播距離となる。
【００７４】
例えば、図２Ａに模式的に示したように、光源部１１において、相異なる発光波長を有する３個のＬＥＤ１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃが、ｘ軸方向に沿って一列に配置されている場合を考える。この場合に、基準とするＬＥＤを、中央に位置するＬＥＤ１０１Ｂとした場合、残りのＬＥＤ１０１，１０１Ｃは、基準とするＬＥＤ１０１Ｂから考えると、それぞれ、ｘ軸負方向に−ｐ、ｘ軸正方向に＋ｐだけズレた位置に存在している。光源部１１の位置における大きさ｜ｐ｜のズレは、センサ面Ｓ２では、｛Ｚ／（Ｌ−Ｚ）｝倍に拡大される。従って、画像シフト部２３５は、ＬＥＤ１０１Ａを用いて撮像されたホログラム画像をシフト補正する際には、以下の式（１１１）で算出される補正量だけ、かかるホログラム画像の画素位置を規定する空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、（ｘ＋δ，ｙ，ｚ）と補正する。同様に、画像シフト部２３５は、ＬＥＤ１０１Ｃを用いて撮像されたホログラム画像をシフト補正する際には、以下の式（１１１）で算出される補正量だけ、かかるホログラム画像の画素位置を規定する空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、（ｘ−δ，ｙ，ｚ）と補正する。このようなシフト処理を行うことで、ＬＥＤ１０１が設けられた位置に起因するホログラム画像の間の位置ズレが解消される。
【００７５】
【数２】
2020046308.tif 000004
【００７６】
ここで、上記式（１１１）において、
δ：補正量
Ｌ：光源部−イメージセンサ間距離
Ｚ：観察対象物−イメージセンサ間距離
ｐ：発光ダイオード間距離
である。
【００７７】
なお、上記説明では、図２Ａにおいて中央に位置するＬＥＤ１０１Ｂを基準としたが、ＬＥＤ１０１Ａ又はＬＥＤ１０１Ｃを基準とすることも可能である。この場合においても、上記と同様にして、光源部１１の位置におけるＬＥＤ間の距離と、光源部１１、観察対象物Ｃ、及び、イメージセンサ１３の位置関係により定まる倍率｛Ｚ／（Ｌ−Ｚ）｝と、に基づいて、ホログラム画像を構成する画素位置を規定する空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、基準とするＬＥＤの方向にシフトさせればよい。
【００７８】
また、例えば図２Ｂに示したように、光源部１１において、相異なる発光波長を有する３個のＬＥＤ１０１が、三角形状に配置されている場合を考える。この場合に、基準とするＬＥＤを、中央に位置するＬＥＤ１０１Ａとした場合、残りのＬＥＤ１０１Ｂ，１０１Ｃを用いて得られるホログラム画像の空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、ｘ軸方向及びｙ軸方向のそれぞれでシフトさせればよい。
【００７９】
例えば、ＬＥＤ１０１ＡとＬＥＤ１０１Ｂに着目すると、ＬＥＤ１０１Ａ−ＬＥＤ１０１Ｂ間のｘ軸方向のズレ量は、（ｐ／２）であり、ｙ軸方向のズレ量は、｛（３０．５／２）×ｐ｝である。従って、画像シフト部２３５は、ＬＥＤ１０１Ｂを用いて得られるホログラム画像の画素位置を規定する空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、（ｘ＋（ｐ／２）×｛Ｚ／（Ｌ−Ｚ）｝，ｙ−｛（３０．５／２）×ｐ｝×｛Ｚ／（Ｌ−Ｚ）｝，ｚ）と補正する。同様に、ＬＥＤ１０１ＡとＬＥＤ１０１Ｃに着目した場合、画像シフト部２３５は、ＬＥＤ１０１Ｂを用いて得られるホログラム画像の画素位置を規定する空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、（ｘ−（ｐ／２）×｛Ｚ／（Ｌ−Ｚ）｝，ｙ−｛（３０．５／２）×ｐ｝×｛Ｚ／（Ｌ−Ｚ）｝，ｚ）と補正する。
【００８０】
図２Ｂに示した例においても、ＬＥＤ１０１Ｂ又はＬＥＤ１０１Ｃを基準とすることも可能である。この場合においても、上記と同様にして、光源部１１の位置におけるＬＥＤ間の距離と、光源部１１、観察対象物Ｃ、及び、イメージセンサ１３の位置関係により定まる倍率｛Ｚ／（Ｌ−Ｚ）｝と、に基づいて、ホログラム画像を構成する画素位置を規定する空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、基準とするＬＥＤの方向にシフトさせればよい。
【００８１】
なお、上記のようなシフト補正では、パラメータｐ，Ｚ，Ｌの長さ単位系で、シフト量が計算される。そのため、画像シフト部２３５は、最終的にイメージセンサ１３の画素ピッチをもとに、ピクセル単位系に補正量を変換することが好ましい。
【００８２】
以上説明したようなシフト補正は、本実施形態に係る光源部１１において、先だって言及したような、大きさに関する２つの条件が満たされた状態にある、マイクロＬＥＤが用いられているからこそ、実現できるものである。光源部１１において、上記のような大きさに関する２つの条件が満たされていない場合、以上説明したような思想に基づきホログラム画像の画素位置を規定する空間座標をシフトさせたとしても、ホログラム画像の間の位置ズレを解消することはできない。
【００８３】
画像シフト部２３５は、上記のようにして、階調補正及びアップサンプリング処理の施されたホログラム画像に対してシフト補正を実施すると、シフト補正後のホログラム画像を、後段の画像端処理部２３７に出力する。
【００８４】
ここで、以上の説明では、基準とするＬＥＤ１０１の位置を選択し、かかるＬＥＤ１０１の位置にホログラム画像を構成する画素位置を規定する空間座標をシフトさせる場合について着目した。しかしながら、画像シフト部２３５は、基準とするＬＥＤ１０１の位置ではなく、例えば、複数のＬＥＤ１０１の配置位置の重心などのような基準となる位置を選択し、かかる位置にホログラム画像を構成する画素位置を規定する空間座標をシフトさせてもよい。
【００８５】
画像端処理部２３７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。画像端処理部２３７は、画像シフト後のホログラム画像ｇλ１，ｇλ２，ｇλ３に対して、画像端部の処理を行う。画像の端部では、入力値の外は画素値＝０という境界条件が適用され、画像の端部にナイフエッジが存在するのと同様の条件となっているため、回折光が生じて新たなアーティファクトの要因となる。そこで、画像端処理部２３７は、元画像の画素数の縦横２倍の画素数を用意し、中心に配置した元画像の外側に、最端部の輝度値を埋め込む処理を行う。これにより、画像端の処理によって生じる回折縞が元画像の範囲内に影響を及ぼさないようにすることができる。画像端処理部２３７は、以上のような処理を実施すると、実施後のホログラム画像ｇλ１，ｇλ２，ｇλ３を、後段の初期複素振幅生成部２３９に出力する。
【００８６】
初期複素振幅生成部２３９は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。初期複素振幅生成部２３９は、ホログラム画像ｇλ１，ｇλ２，ｇλ３に対して、ホログラムの複素振幅の実数部を、画素値（輝度値）の平方根とし、かつ、虚数部を０として、複素振幅の初期値とする。これにより、振幅成分のみを有するホログラム画像ｇλ１，ｇλ２，ｇλ３の初期複素振幅が生成される。なお、上記の画素値（輝度値）とは、上述したような各種前処理が施された後の画素値（輝度値）である。これにより、再構成処理部２２５において一連の再構成処理が施される前処理画像が生成される。
【００８７】
初期複素振幅生成部２３９は、上記のようにして前処理画像を生成すると、生成した前処理画像を、再構成処理部２２５に出力する。
【００８８】
以上、本実施形態に係る前処理部２２３の構成を、図５を参照しながら説明した。
続いて、再び図４に戻って、本実施形態に係る画像算出部２０５が備える再構成処理部２２５について、詳細に説明する。
【００８９】
図４に示したように、再構成処理部２２５は、再構成演算部２２５Ａ及び振幅置換部２２５Ｂを有している。再構成処理部２２５は、前処理部２２３から出力されたホログラム画像（より詳細には、前処理画像）を拘束条件として、センサ面Ｓ２と支持面Ｓ１との間の平面間の伝搬を繰り返すことにより、センサ面Ｓ２で失われたホログラムに関する複素振幅分布の位相成分を回復させる。
【００９０】
具体的には、再構成処理部２２５は、再構成演算部２２５Ａによる光波伝搬計算により、ホログラム画像を伝播させつつ、振幅置換部２２５Ｂがこれらの振幅成分の置き換えを繰り返すことで、失われた位相成分を回復させる。この際、再構成処理部２２５では、伝搬計算の結果から得られたホログラム画像の複素振幅分布の振幅成分を、位相成分のみ残るように、実測した振幅成分に差し替えるサイクルを繰り返し実行する。
【００９１】
ここで、無損失で等方的な一様媒質中では、マクスウェル方程式は波動方程式に帰着する。また、時間発展を考えない単色光において、電界と磁界の各成分は、以下の式（２０１）で表されるヘルムホルツ方程式を満足する。ここで、以下の式（２０１）において、ｇ（ｘ，ｙ，ｚ）は、電磁界ベクトル成分の複素振幅成分であり、ｋは、以下の式（２０３）で表される波数である。本実施形態に係る「ホログラム画像の伝播」とは、特定の平面（伝播元平面）で与えられたホログラム画像の境界条件ｇ（ｘ、ｙ、Ｚ）（すなわち、センサ面Ｓ２におけるホログラム画像の複素振幅成分）に対して、別の平面（本実施形態では、支持面Ｓ１）におけるヘルムホルツ方程式の解を求める一連の処理である。このような伝播処理は、角スペクトル法（平面波展開法）と呼ばれる。
【００９２】
【数３】
2020046308.tif 000005
【００９３】
伝播元と平行な平面を支持面Ｓ１と考え、かかる支持面Ｓ１におけるヘルムホルツ方程式の解をｇ（ｘ，ｙ，０）とすると、その厳密解は、レイリー・ゾンマーフェルト回折積分とも呼ばれる、以下の式（２０５）で与えられる。ここで、以下の式（２０５）において、ｒ’は、以下の式（２０７）である。
【００９４】
【数４】
2020046308.tif 000006
【００９５】
上記式（２０５）に示したような積分形式の状態では、演算に時間がかかるため、本実施形態では、上記式（２０５）の両辺をフーリエ変換した、以下の式（２０９）で与えられる式が採用される。なお、以下の式（２０９）において、Ｇは、複素振幅成分ｇのフーリエ変換を表し、Ｆ−１は、フーリエ逆変換を意味する。また、ｕ，ｖ，ｗは、それぞれ、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の空間周波数成分を表す。ここで、ｕ，ｖは、波数ベクトルｋ＝ｋｘ・ｘ＋ｋｙ・ｙ＋ｋｚ・ｚ（ｘ，ｙ，ｚは、単位ベクトル）の対応する成分と、ｕ＝ｋｘ／２π、ｖ＝ｋｙ／２πと関連付けられるが、ｗについては、以下の式（２１１）のようになる。
【００９６】
【数５】
2020046308.tif 000007
【００９７】
本実施形態に係る再構成処理部２２５は、後述するように、センサ面Ｓ２から所定の波長で支持面Ｓ１に伝搬されたホログラムの複素振幅分布から、支持面Ｓ１から上記波長とは異なる波長でセンサ面Ｓ２に伝搬するホログラムの複素振幅分布を再計算する。従って、本実施形態では、上記式（２０９）が、下記式（２１３）となった計算式が採用される。
【００９８】
【数６】
2020046308.tif 000008
【００９９】
ここで、上記式（２１３）では、波長λ１でセンサ面Ｓ２から支持面Ｓ１に伝搬したホログラムｇλ１の複素振幅分布から、波長λ２で支持面Ｓ１からセンサ面Ｓ２に伝搬するホログラムｇλ２の複素振幅分布を算出することを意味している。
【０１００】
本実施形態では、再構成演算部２２５Ａが、上記式（２０９）、式（２１３）の伝搬計算の式に基づき、センサ面Ｓ２と支持面Ｓ１との間における光波伝搬計算を繰り返し実行するものとなる。例えば、振幅置換部２２５Ｂが、以下で説明するように、支持面Ｓ１において振幅置換を実行しない場合は、再構成演算部２２５Ａにおいて、式（２１３）に基づく伝搬計算が実行される。一方、振幅置換を実行する場合は、上記式（２０９）に基づき、波長λ１でセンサ面Ｓ２から支持面Ｓ１に伝搬したホログラムｇλ１の複素振幅分布の振幅成分を所定の振幅代表値に置換してから、波長λ２で支持面Ｓ１からセンサ面Ｓ２に伝搬するホログラムｇλ２の複素振幅分布が算出される。
【０１０１】
以下では、図６及び図７を参照しながら、再構成処理部２２５により実施される一連の伝播計算処理を、具体的に説明する。
【０１０２】
まず、前処理部２２３から出力される前処理画像のうち、入力画像Ｉｉｎ１が読み込まれ（ステップＳ１０１）、再構成演算部２２５Ａは、ホログラム画像ｇλ１の複素振幅分布（光強度分布）を、センサ面Ｓ２から支持面Ｓ１に伝搬させる第１の光波伝搬計算を実行する（ステップＳ１０３）。前処理部２２３から出力されたホログラム画像ｇλ１の複素振幅分布は、下記式（２２１）で表され、支持面Ｓ１に伝搬したホログラム画像ｇλ１の複素振幅分布は、下記式（２２３）で表される。
【０１０３】
下記式（２２３）で表されるホログラムｇλ１の複素振幅分布は、上記第１の光波伝搬計算の結果得られるホログラム画像ｇλ１の複素振幅分布である。なお、本実施形態のホログラム画像の複素振幅分布とは、当該ホログラムを形成する光の複素振幅分布であり、以下の説明においても同義とする。
【０１０４】
また、以下の式（２２１）において、Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）は振幅成分であり、ｅｘｐ（ｉφ（ｘ，ｙ，ｚ））は、位相成分（設定された初期値）である。同様に、以下の式（２２３）において、Ａ’（ｘ，ｙ，０）は振幅成分であり、ｅｘｐ（ｉφ’（ｘ，ｙ，０））は位相成分である。
【０１０５】
ｇλ１（ｘ，ｙ，ｚ）＝Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）ｅｘｐ（ｉφ（ｘ，ｙ，ｚ））  
・・・式（２２１）
ｇλ１（ｘ，ｙ，０）＝Ａ’（ｘ，ｙ，０）ｅｘｐ（ｉφ’（ｘ，ｙ，０））
・・・式（２２３）
【０１０６】
続いて、振幅置換部２２５Ｂは、支持面Ｓ１に波長λ１で伝搬されたホログラム画像ｇλ１に関する複素振幅分布の振幅成分Ａ’を分離し、この振幅成分Ａ’の平均値Ａａｖｅを算出する。次いで、振幅置換部２２５Ｂは、ホログラム画像ｇλ１に関する複素振幅分布の振幅成分Ａ’を、後述する第２の光波伝搬計算の一環として、支持面Ｓ１上において平均値Ａａｖｅに置換する（ステップＳ１０５）。
【０１０７】
これにより、ホログラム画像ｇλ１における複素振幅分布の振幅成分が平滑化され、以降の反復処理における計算負荷が低減する。振幅成分Ａ’が平均値Ａａｖｅに置換されたホログラム画像ｇλ１は、下記式（２２５）で表される。また、置換される平均値Ａａｖｅは、以下の式（２２７）に示した通りである。ここで、以下の式（２２７）におけるパラメータＮは、全画素数である。
【０１０８】
ｇλ１（ｘ，ｙ，０）＝Ａａｖｅ・ｅｘｐ（ｉφ’（ｘ，ｙ，０））
・・・式（２２５）
Ａａｖｅ＝１／Ｎ（ΣΣＡ’（ｘ，ｙ，０））  ・・・式（２２７）
【０１０９】
なお、本実施形態に係る平均値Ａａｖｅは、典型的には、上記第１の光波伝搬計算の結果得られる複素振幅分布（式（２２３））における振幅成分Ａ’の平均値である。かかる平均値とは、ホログラム画像ｇλ１（ｘ，ｙ，０）の画素数Ｎに対する、ホログラム画像ｇλ１（ｘ，ｙ，０）の各画素に対応した振幅成分の総和の割合（積算平均）とすることができる。
【０１１０】
また、上記の例では、振幅成分Ａ’は、平均値Ａａｖｅに置換されるが、これに限定されるものではなく、ホログラム画像ｇλ１の複素振幅分布（式（２２３））の振幅成分Ａ’における所定の振幅代表値を用いることも可能である。例えば、振幅置換部２２５Ｂは、振幅成分Ａ’を、平均値Ａａｖｅ以外に、振幅成分Ａ’の中央値に置換してもよく、振幅成分Ａ’のローパスフィルタ透過成分に置換してもよい。
【０１１１】
続いて、再構成演算部２２５Ａは、振幅成分Ａ’が平均値Ａａｖｅに置換されたホログラム画像ｇλ１の複素振幅分布を、支持面Ｓ１から波長λ２でセンサ面Ｓ２に伝搬させる第２の光波伝搬計算を実行する（ステップＳ１０７）。すなわち、上記式（２２５）で表されるホログラム画像ｇλ１の複素振幅分布から、センサ面Ｓ２に波長λ２で伝搬するホログラムｇλ２の複素振幅分布を、伝搬計算により求める。かかるホログラム画像ｇλ２に関する複素振幅分布は、下記の式（２２９）で表される。
【０１１２】
ｇλ２（ｘ，ｙ，ｚ）＝Ａ”（ｘ，ｙ，ｚ）ｅｘｐ（ｉφ”（ｘ，ｙ，ｚ））
・・・式（２２９）
【０１１３】
次いで、振幅置換部２２５Ｂは、波長λ２で伝搬されたホログラム画像ｇλ２の複素振幅分布の振幅成分Ａ”を、上記第１の光波伝搬計算の一環として、センサ面Ｓ２上において振幅成分Ａ”の実測値Ａλ２に置換する（ステップＳ１０９）。この実測値Ａλ２は、入力画像Ｉｉｎ２として取得したホログラム画像ｇλ２から分離された振幅成分である。
【０１１４】
センサ面Ｓ２上において、振幅成分Ａ”が実測値Ａλ２に置換されたホログラム画像ｇλ２は、下記の式（２３１）で表される。これにより、位相成分を有するホログラム画像ｇλ２を得ることができる。ここで、以下の式（２３１）において、Ａλ２（ｘ，ｙ，ｚ）は振幅成分であり、ｅｘｐ（ｉφ”（ｘ，ｙ，ｚ））は、回復された位相成分である。
【０１１５】
ｇλ２（ｘ，ｙ，ｚ）＝Ａλ２（ｘ，ｙ，ｚ）ｅｘｐ（ｉφ”（ｘ，ｙ，ｚ））
・・・式（２３１）
【０１１６】
このようにして、再構成処理部２２５は、センサ面Ｓ２で取得した観察対象物Ｃのホログラム画像の光強度分布を含む複素振幅分布を、センサ面Ｓ２から支持面Ｓ１まで伝搬させる第１の光伝搬計算を実行し、第１の光伝搬計算の結果得られる複素振幅分布を、支持面Ｓ１からセンサ面Ｓ２まで伝搬させる第２の光伝搬計算を実行するサイクルが行われる。
【０１１７】
本実施形態では、図６及び図７に示すように、このようなサイクルが、全てのホログラム画像ｇλ１、ｇλ２、ｇλ３に対して、順に実施される（ステップＳ１１１〜ステップＳ１３３）。これにより、３種類のホログラム画像ｇλ１、ｇλ２、ｇλ３について、イメージセンサ１３では記録されなかった位相成分が、上記のような伝播計算により回復されることとなる。
【０１１８】
次に、再構成演算部２２５Ａは、上記のような伝播計算が収束したか否かを判断する（ステップＳ１３５）。収束判断の具体的な手法については、特に限定されるものではなく、公知の各種手法を用いることが可能である。再構成演算部２２５Ａは、位相回復のための一連の演算処理が収束していないと判断した場合（ステップＳ１３５−ＮＯ）、再構成演算部２２５Ａは、ステップＳ１０３に戻って、位相回復のための一連の演算処理を再開する。一方、位相回復のための一連の演算処理が収束したと判断した場合（ステップＳ１３５−ＹＥＳ）、再構成演算部２２５Ａは、図６に示したように、得られたホログラム画像の複素振幅分布を最後に支持面Ｓ１に伝搬させることで、観察対象物Ｃの再構成画像を得た後、得られた再構成画像を出力する。
【０１１９】
ここで、上記説明では、収束判定により位相回復のための一連の演算処理を終了する時点を判断していたが、本実施形態では、上記のような収束判定ではなく、上記のような一連の演算が規定回数実行されたか否かに基づき、一連の演算処理を終了する時点を判断してもよい。この場合、演算の反復回数は特に規定するものではないが、例えば、１０回〜１００回程度とすることが好ましい。
【０１２０】
また、再構成演算部２２５Ａは、再構成画像を得るに際して、最終的に得られた複素振幅分布の実部（Ｒｅ）及び虚部（Ｉｍ）を用いて、Ｒｅ２＋Ｉｍ２という演算を行うことで、着目する観察対象物Ｃの振幅画像を得ることができ、Ａｔａｎ（Ｉｍ／Ｒｅ）という演算を行うことで、着目する観察対象物Ｃの位相画像を得ることができる。
【０１２１】
なお、図６及び図７では、センサ面Ｓ２と支持面Ｓ１との間で繰り返されるホログラムの画像伝搬において、伝搬波長がλ１→λ２→λ２→λ３→λ３→λ２→λ２→λ１→λ１の順に用いられる場合に着目した。しかしながら、伝播波長の順序については図６及び図７に示した例に限定されるものではなく、順不同である。例えば、再構成処理部２２５は、λ１→λ３→λ３→λ２→λ２→λ３→λ３→λ１→λ１の順で伝播波長を選択してもよいし、λ３→λ１→λ１→λ２→λ２→λ１→λ１→λ３→λ３等の順で伝播波長を選択してもよい。また、光源部１１が２つのＬＥＤ１０１から構成される場合、又は、４つ以上のＬＥＤ１０１から構成される場合についても、上記と同様にして、再構成画像を得ることができる。
【０１２２】
図６及び図７では、位相回復のための反復処理の際に、再構成演算部２２５Ａが、支持面Ｓ１において振幅置換処理を毎回実施する場合について説明したが、図８に示したように、支持面Ｓ１における振幅の置換操作は、一連のループのうち、１回だけであってもよい。
【０１２３】
以上のような一連の処理が行われることで、再構成処理部２２５は、着目する観察対象物Ｃの振幅画像及び位相画像を算出することができる。このようにして得られた観察対象物の位相画像の一例を、図９に示した。図９は、心筋細胞を本実施形態に係る観察装置１により観察した例であるが、心筋細胞の画像が良好に得られていることがわかる。
【０１２４】
以上、本実施形態に係る画像算出部２０５の構成について、詳細に説明した。
【０１２５】
以上、本実施形態に係る演算処理部２０の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。
【０１２６】
なお、上述のような本実施形態に係る演算処理部の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。
【０１２７】
◇演算処理部のハードウェア構成
次に、図１０を参照しながら、本開示の実施形態に係る演算処理部２０のハードウェア構成について、詳細に説明する。図１０は、本開示の実施形態に係る演算処理部２０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
【０１２８】
演算処理部２０は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、演算処理部２０は、更に、ホストバス９０７と、ブリッジ９０９と、外部バス９１１と、インターフェース９１３と、入力装置９１５と、出力装置９１７と、ストレージ装置９１９と、ドライブ９２１と、接続ポート９２３と、通信装置９２５とを備える。
【０１２９】
ＣＰＵ９０１は、演算処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１９、又はリムーバブル記録媒体９２７に記録された各種プログラムに従って、演算処理部２０内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるホストバス９０７により相互に接続されている。
【０１３０】
ホストバス９０７は、ブリッジ９０９を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バス９１１に接続されている。
【０１３１】
入力装置９１５は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ及びレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９１５は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、演算処理部２０の操作に対応した携帯電話やＰＤＡ等の外部接続機器９２９であってもよい。さらに、入力装置９１５は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。ユーザは、この入力装置９１５を操作することにより、演算処理部２０に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。
【０１３２】
出力装置９１７は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置及びランプなどの表示装置や、スピーカ及びヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置９１７は、例えば、演算処理部２０が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、演算処理部２０が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。
【０１３３】
ストレージ装置９１９は、演算処理部２０の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１９は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、又は光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１９は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、及び外部から取得した各種データなどを格納する。
【０１３４】
ドライブ９２１は、記録媒体用リーダライタであり、演算処理部２０に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、ＤＶＤメディア、ＨＤ−ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２７は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、フラッシュメモリ、又は、ＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ  Ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｅｍｏｒｙ  ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  ｃａｒｄ）又は電子機器等であってもよい。
【０１３５】
接続ポート９２３は、機器を演算処理部２０に直接接続するためのポートである。接続ポート９２３の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。接続ポート９２３の別の例として、ＲＳ−２３２Ｃポート、光オーディオ端子、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。この接続ポート９２３に外部接続機器９２９を接続することで、演算処理部２０は、外部接続機器９２９から直接各種データを取得したり、外部接続機器９２９に各種データを提供したりする。
【０１３６】
通信装置９２５は、例えば、通信網９３１に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９２５は、例えば、有線又は無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又はＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９２５は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ  Ｌｉｎｅ）用のルータ、又は、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９２５は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９２５に接続される通信網９３１は、有線又は無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信又は衛星通信等であってもよい。
【０１３７】
以上、本開示の実施形態に係る演算処理部２０の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。
【０１３８】
＜観察方法について＞
続いて、図１１を参照しながら、以上説明したような観察装置１を用いた、観察対象物の観察方法の流れについて、簡単に説明する。図１１は、本実施形態に係る観察方法の流れの一例を示した流れ図である。
【０１３９】
本実施形態に係る観察方法では、図１１に示したように、まず、観察装置１のホログラム取得部１０は、演算処理部２０による制御のもとで、着目する観察対象物のホログラム画像を、光源部１１から照射される照明光の発光波長毎に取得する（ステップＳ１１）。取得したホログラム画像は、観察装置１の演算処理部２０へと出力される。
【０１４０】
次に、観察装置１の演算処理部２０が備える伝播距離算出部２２１は、取得したホログラム画像を用いて、伝播距離ｚを算出し（ステップＳ１３）、得られた結果を、前処理部２２３及び再構成処理部２２５へと出力する。その後、前処理部２２３は、得られたホログラム画像と、伝播距離算出部２２１が算出した伝播距離と、を用いて、先だって説明したような、一連の前処理を実施する（ステップＳ１５）。かかる前処理において、ＬＥＤの位置に基づく画像のシフト補正が行われることで、本実施形態に係る観察方法では、異なる波長を有する複数の光を用いる際にインラインホログラムに生じうる歪みを、より簡便な方法で抑制することができる。
【０１４１】
その後、再構成処理部２２５は、前処理後のホログラム画像（前処理画像）を用いて、先だって説明したような一連の再構成処理を実施する（ステップＳ１７）。これにより、再構成処理部２２５は、着目する観察対象物の再構成画像（振幅画像、位相画像）を得ることができる。再構成処理部２２５は、着目する観察対象物の再構成画像を算出すると、かかる再構成画像の画像データを、出力制御部２０７に出力する。
【０１４２】
出力制御部２０７は、再構成処理部２２５から出力された再構成画像を、例えばユーザが指定した方法により出力して、ユーザに提示する（ステップＳ１９）。これにより、ユーザは、着目する観察対象物を観察することが可能となる。
【０１４３】
以上、図１１を参照しながら、本実施形態に係る観察方法について、簡単に説明した。
【０１４４】
このように、本実施形態に係る観察装置及び観察方法によれば、ＬＥＤ、イメージセンサ、バンドパスフィルタという非常に少ない部品点数で構成されるホログラム取得部により、例えば細胞等の透明な位相物体を良好に観測可能な装置を提供する。かかる装置は、小型化が極めて容易であるため、バイオリアクター内などのように、これまでは顕微鏡を設置不能だった領域に対しても観察装置を配置することが可能となる。その結果、細胞等の生体材料の位相画像を、より簡便に取得可能となる。
【０１４５】
また、本実施形態に係る観察装置では、空間アパーチャ等により、光線を捨てることがないため、高効率、かつ、低消費電力の光源を有する観察装置を実現することが可能となる。また、互いに近接した波長の異なるマイクロＬＥＤを用いることで、複雑な前処理が不要となって、処理の簡便化、高速化を図ることが可能となる。
【実施例】
【０１４６】
以下では、具体的な画像を示しながら、本開示の実施形態に係る観察装置及び観察方法について簡単に説明する。以下に示す例では、図１Ｂ及び図２Ａに示したような構成を有する観察装置を用い、市販の解像度テストチャートの一部を観察した。また、比較のために、観察装置の光源部を一般的に用いられるＬＥＤに換えた装置と、従来方式（光ファイバ及びピンホールを併用する方式）のレンズレス顕微鏡と、を用いた場合についても、同様に観察を行った。
【０１４７】
得られた結果を、図１２にあわせて示した。
図１２（ｂ）、図１２（ｃ）を比較すると明らかなように、本開示の実施形態に係る観察装置では、良好な干渉縞が見られ、かつ、非常に高い周波数のコントラストが観察されており、従来方式と同程度の画像を得ることができた。
【０１４８】
一方、図１２（ａ）と図１２（ｂ）を比較すると明らかなように、一般的なＬＥＤを光源として用いた場合には、干渉縞は観察されるものの、全体的にコントラストが低いことがわかる。
【０１４９】
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示した結果を、より分かりやすく比較するために、図１２（ａ）〜図（ｃ）に示した画像のそれぞれをフーリエ変換することでＦＦＴスペクトルを得て、記録されているインラインホログラムの周波数特性を比較した。得られた結果を、図１３（ａ）〜図１４（ｃ）に示した。図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、長さ単位系を基準としたＦＦＴスペクトルであって、横軸の単位は、［ｍｍ−１］である。図１４（ａ）〜図１４（ｃ）は、ピクセル単位系を基準としたＦＦＴスペクトルであって、横軸の単位は、［ｐｉｘｅｌ−１］である。
【０１５０】
図１３（ａ）〜図１３（ｃ）、及び、図１４（ａ）〜図１４（ｃ）において、同じ振幅が得られる周波数を比較すると、図１３（ａ）及び図１４（ａ）に示した一般的なＬＥＤをコヒーレンス光源として用いた場合には、その周波数は、１０８ｍｍ−１（０．１２ｐｉｘｅｌ−１）となった。０．１２ｐｉｘｅｌ−１という周波数は、８．３ｐｉｘｅｌ幅の干渉縞を与える周波数である。
【０１５１】
一方、図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）に示した、本開示の実施形態に係る観察装置を用いた場合には、その周波数は、その周波数は、２７９ｍｍ−１（０．３１ｐｉｘｅｌ−１）となった。０．３１ｐｉｘｅｌ−１という周波数は、３．２ｐｉｘｅｌ幅の干渉縞を与える周波数である。また、図１３（ｃ）及び図１４（ｃ）に示した、従来方式のコヒーレンス光源を用いた場合には、その周波数は、その周波数は、２１９ｍｍ−１（０．２５ｐｉｘｅｌ−１）となった。０．２５ｐｉｘｅｌ−１という周波数は、４．０ｐｉｘｅｌ幅の干渉縞を与える周波数である。
【０１５２】
これらの結果から明らかなように、本開示の実施形態に係る観察装置を用いた場合、一般的なＬＥＤをコヒーレンス光源として用いるよりも、より細かい周波数成分を含んでいることがわかる。また、従来方式よりも、本開示の実施形態に係る観察装置の方が、より細かい周波数成分まで記録されていることがわかる。かかる結果は、本開示の実施形態に係る観察装置の方が、従来方式よりもより精度の高いインラインホログラム（換言すれば、より高周波の干渉）を記録できていることを示している。これは、本開示の実施形態に係る観察装置の光源部の方が、従来方式のピンホールよりも発光点が小さいために生じた結果であると推察される。
【０１５３】
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１５４】
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
【０１５５】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
各発光点の大きさが１００λ（λ：発光波長）未満であり、かつ、発光波長が相異なる複数の発光ダイオードが、隣り合う前記発光ダイオード間の離隔距離が１００λ（λ：発光波長）以下となるように配置されている光源部と、
観察対象物を介して前記光源部と対向するように設けられたイメージセンサと、
を備える、観察装置。
（２）
前記離隔距離の大きさは、前記発光点の大きさの５倍以下である、（１）に記載の観察装置。
（３）
前記観察対象物と前記光源部との間に、前記複数の発光ダイオードそれぞれのピーク波長に透過波長帯域が設定されたバンドパスフィルタが設けられる、（１）又は（２）に記載の観察装置。
（４）
前記イメージセンサで生成された、前記発光波長ごとの撮像画像を用いて、前記観察対象物の画像を得るための演算処理が実施される演算処理部を更に備え、
前記演算処理部は、
前記発光波長ごとの撮像画像に対して、前記複数の発光ダイオードの位置関係に応じた画像のシフト補正を少なくとも含む前処理を実施する前処理部と、
前記前処理後の前記撮像画像を用いて、前記観察対象物の画像を再構成する再構成処理部と、
を有する、（１）〜（３）の何れか１つに記載の観察装置。
（５）
前記前処理部は、それぞれの前記発光ダイオードが設けられた位置に起因する前記撮像画像の間の位置ズレが解消されるように、前記シフト補正を実施する、（４）に記載の観察装置。
（６）
前記前処理部は、
前記複数の発光ダイオードの中から、基準とする前記発光ダイオードを一つ選択し、
前記複数の発光ダイオードのうち、前記基準とする発光ダイオード以外の残りの前記発光ダイオードを用いて撮像された前記撮像画像の空間座標を、前記基準とする発光ダイオードを用いて撮像された前記撮像画像の方向にシフトさせる、（４）又は（５）に記載の観察装置。
（７）
前記光源部では、相異なる発光波長を有する３個の前記発光ダイオードが、一列に配置されており、
前記前処理部は、両端に位置する前記発光ダイオードを用いて撮像された前記撮像画像の空間座標を、中央に位置する前記発光ダイオードを用いて撮像された前記撮像画像の方向に、以下の式（１）で算出される補正量δだけシフトさせる、（４）〜（６）の何れか１つに記載の観察装置。
（８）
前記光源部では、相異なる発光波長を有する３個の前記発光ダイオードが、三角形状に配置されており、
前記前処理部は、何れか２つの前記発光ダイオードを用いて撮像された前記撮像画像の空間座標を、残りの１つの前記発光ダイオードを用いて撮像された前記撮像画像の方向にシフトさせる、（４）〜（６）の何れか１つに記載の観察装置。
（９）
前記観察対象物は、生体材料である、（１）〜（８）の何れか１つに記載の観察装置。
（１０）
各発光点の大きさが１００λ（λ：発光波長）未満であり、かつ、発光波長が相異なる複数の発光ダイオードが、隣り合う前記発光ダイオード間の離隔距離が１００λ（λ：発光波長）以下となるように配置されている光源部から、観察対象物に対して、前記発光波長ごとに光を照射することと、
前記観察対象物を介して前記光源部と対向するように設けられたイメージセンサにより、前記発光波長ごとに前記観察対象物を撮像することと、
を含む、観察方法。
（１１）
各発光点の大きさが１００λ（λ：発光波長）未満であり、かつ、発光波長が相異なる複数の発光ダイオードが、隣り合う前記発光ダイオード間の離隔距離が１００λ（λ：発光波長）以下となるように配置されている光源部と、
観察対象物を介して前記光源部と対向するように設けられたイメージセンサと、
前記イメージセンサで生成された、前記発光波長ごとの撮像画像を用いて、前記観察対象物の画像を得るための演算処理が実施される演算処理部と、
を備える、観察システム。
【０１５６】
【数７】
2020046308.tif 000009
【０１５７】
ここで、上記式（１）において、
δ：補正量
Ｌ：光源部−イメージセンサ間距離
Ｚ：観察対象物−イメージセンサ間距離
ｐ：発光ダイオード間距離
である。
【符号の説明】
【０１５８】
１    観察装置
１０    ホログラム取得部
１１    光源部
１３    イメージセンサ
１５    バンドパスフィルタ
２０    演算処理部
１０１    発光ダイオード
２０１    ホログラム取得制御部
２０３    データ取得部
２０５    画像算出部
２０７    出力制御部
２０９    表示制御部
２１１    記憶部
２２１    伝播距離算出部
２２３    前処理部
２２５    再構成処理部
２２５Ａ  再構成演算部
２２５Ｂ  振幅置換部
２３１    階調補正部
２３３    アップサンプル部
２３５    画像シフト部
２３７    画像端処理部
２３９    初期複素振幅生成部
【図１Ａ】
2020046308.tif 000011
【図１Ｂ】
2020046308.tif 000012
【図２Ａ】
2020046308.tif 000013
【図２Ｂ】
2020046308.tif 000014
【図３】
2020046308.tif 000015
【図４】
2020046308.tif 000016
【図５】
2020046308.tif 000017
【図６】
2020046308.tif 000018
【図７】
2020046308.tif 000019
【図８】
2020046308.tif 000020
【図９】
2020046308.tif 000021
【図１０】
2020046308.tif 000022
【図１１】
2020046308.tif 000023
【図１２】
2020046308.tif 000024
【図１３】
2020046308.tif 000025
【図１４】
2020046308.tif 000026