(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定試料に光を照射することにより生じた、前記測定試料に関する位相情報を含む被測定光を集束光に変換する収束光学系と、
前記集束光の集光位置に配されており、前記集束光を偏光方向が互いに異なる２つの偏光に分離すると共に反射させることにより、前記収束光学系側に向かう１次の回折光である第１の偏光と０次の回折光である第２の偏光とを形成する反射型偏光分離素子と、
前記第１及び第２の偏光の前記収束光学系による集光位置に配されており、前記第１及び第２の偏光の一方から測定試料による位相遅れと散乱成分を含まない参照光を生じさせ、前記第１及び第２の偏光の他方から測定試料による位相遅れと散乱成分を含む物体光を生じさせる空間フィルタと、
前記物体光の実像を結像させるとともに前記参照光を物体光の実像と同一面に投影させて干渉縞画像を形成する干渉縞画像形成光学系と、
前記干渉縞画像から前記測定試料の面内位相分布を算出する演算部と、
前記収束光学系と前記空間フィルタとの間に配されており、被測定光の少なくとも一部を前記収束光学系側に反射させると共に、前記第１及び第２の偏光の少なくとも一部を前記空間フィルタ側に透過させるか、被測定光の少なくとも一部を前記収束光学系側に透過させると共に、前記第１及び第２の偏光の少なくとも一部を前記空間フィルタ側に反射させるビームスプリッタと、
を備える、定量位相測定装置。
【請求項２】
前記空間フィルタが開口とピンホールを有しており、
前記開口に前記第２の偏光が導かれ、前記開口が１次回折光および高次回折光を遮蔽して、前記測定試料の位相情報を含む物体光を生じ、
前記ピンホールに前記第１の偏光が導かれ、前記ピンホールが前記第１の偏光に含まれる前記測定試料による散乱光成分を遮蔽して、前記測定試料の位相情報を含まない参照光を生じる、請求項１に記載の定量位相測定装置。
【請求項３】
前記反射型偏光分離素子は、反射型平面回折格子により構成されている、請求項１または２に記載の定量位相測定装置。
【請求項４】
前記ビームスプリッタは、ハーフミラーまたは偏光分離素子により構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の定量位相測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定量位相測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、細胞などの微小な３次元物体の立体形状をナノメーター精度で測定できる装置として、原子間力顕微鏡や走査型電子顕微鏡が知られている。しかしながら、原子間力顕微鏡や走査型電子顕微鏡を用いた場合は、測定に先立って細胞に面倒な前処理を行う必要がある場合があり、また、測定時に細胞に回復不能なダメージを与える。このため、細胞などの微小な３次元物体の立体形状を、サンプルにダメージを与えることなく測定できる装置が種々検討されている。
【０００３】
例えば特許文献１では、細胞などのサンプルにダメージを与えることなく測定できる定量位相顕微鏡が提案されている。
【０００４】
図８に特許文献１に記載の定量位相顕微鏡１００の模式的構成図を示す。図８に示すように、定量位相顕微鏡１００は、測定試料Ｓと撮像装置１０１との間にこの順番で配された、対物レンズ１０２、全反射型ミラー１０３、透過型偏光分離素子１０４、集光レンズ１０５、空間フィルタ１０６、半波長板１０７及び合成レンズ１０８を備えている。
【０００５】
定量位相顕微鏡１００では、測定試料Ｓを透過した被測定光Ｈ１０１は、対物レンズ１０２によって平行光Ｈ１０２に変換される。光Ｈ１０２は、全反射型ミラー１０３によって透過型偏光分離素子１０４側に反射される。
【０００６】
光Ｈ１０２は、透過型偏光分離素子１０４において、そのまま直進して透過する光Ｈ１０３ａと、光Ｈ１０３ａに対して屈折した光Ｈ１０３ｂとに分離される。これら光Ｈ１０３ａと光Ｈ１０３ｂとは、偏光方向が互いに直交した直線偏光の光である。
【０００７】
次に、直線偏光Ｈ１０３ａと直線偏光Ｈ１０３ｂとは、集光レンズ１０５によって、それぞれ、集束光Ｈ１０４（Ｈ１０４ａ、Ｈ１０４ｂ）に変換され、空間フィルタ１０６の開口１０６ａ及びピンホール１０６ｂに集光される。
【０００８】
開口１０６ａを通過する集束光Ｈ１０４ａは、被測定光Ｈ１０１と同じ位相情報を保持したままの物体光Ｈ１０５として出射される。
【０００９】
一方、ピンホール１０６ｂを通過する集束光Ｈ１０４ｂは、被測定光Ｈ１０１と同じ位相情報を含まず、これとは別の一様な位相情報のみを有する参照光Ｈ１０６に変換される。参照光Ｈ１０６は、空間フィルタ１０６の後方に設置された半波長板１０７によって物体光Ｈ１０５と偏光方向が等しくなるように偏光される。
【００１０】
物体光Ｈ１０５と参照光Ｈ１０６とは、合成レンズ１０８において重なり合わされ、干渉縞が形成される。撮像装置１０１は、この干渉縞を撮像する。撮像された干渉縞から、被測定光の位相情報の定量化が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−２９２９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
定量位相顕微鏡１００では、細胞などのサンプルにダメージを与えることなくサンプルの厚みなどを測定することができる。しかしながら、定量位相顕微鏡１００には、小型化が困難であるという問題がある。
【００１３】
本発明は、小型な定量位相測定装置を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る定量位相測定装置は、収束光学系と、反射型偏光分離素子と、空間フィルタと、干渉縞画像形成光学系と、演算部と、ビームスプリッタとを備える。収束光学系は、測定試料に光を照射することにより生じた、測定試料に関する位相情報を含む被測定光を集束光に変換する。反射型偏光分離素子は、集束光の集光位置に配されている。反射型偏光分離素子は、集束光を偏光方向が互いに異なる２つの偏光に分離すると共に反射させることにより、収束光学系側に向かう１次の回折光である第１の偏光と０次の回折光である第２の偏光とを形成する。空間フィルタは、第１及び第２の偏光の収束光学系による集光位置に配されている。空間フィルタは、第１及び第２の偏光の一方から測定試料による位相遅れと散乱成分を含まない参照光を生じさせ、第１及び第２の偏光の他方から測定試料による位相遅れと散乱成分を含む物体光を生じさせる。干渉縞画像形成光学系は、物体光の実像を結像させるとともに参照光を物体光の実像と同一面に投影させて干渉縞画像を形成する。演算部は、干渉縞画像から測定試料の面内位相分布を算出する。ビームスプリッタは、収束光学系と空間フィルタとの間に配されている。ビームスプリッタは、被測定光の少なくとも一部を収束光学系側に反射させると共に、第１及び第２の偏光の少なくとも一部を空間フィルタ側に透過させるか、被測定光の少なくとも一部を収束光学系側に透過させると共に、第１及び第２の偏光の少なくとも一部を空間フィルタ側に反射させる。
【００１５】
空間フィルタが開口とピンホールを有していてもよい。その場合、開口に第２の偏光が導かれ、開口が１次回折光および高次回折光を遮蔽して、測定試料の位相情報を含む物体光を生じることが好ましい。ピンホールに第１の偏光が導かれ、ピンホールが第１の偏光に含まれる測定試料による散乱光成分を遮蔽して、測定試料の位相情報を含まない参照光を生じることが好ましい。
【００１６】
反射型偏光分離素子は、反射型平面回折格子が好適に使用されるが、光軸の異なる複数の光に分離する効果をもつ同様の光学素子であってもよい。
【００１７】
ビームスプリッタは、ハーフミラーまたは偏光分離素子により構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、小型な定量位相測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、第１の実施形態における定量位相測定装置の略図的構成図である。
【図２】図２は、空間フィルタの略図的平面図である。
【図３】図３は、干渉縞画像の模式的平面図である。
【図４】図４は、参考例における定量位相測定装置の略図的構成図である。
【図５】図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、それぞれ、干渉縞のフーリエスペクトルの処理を説明するための模式図である。
【図６】図６は、第２の実施形態における定量位相測定装置の略図的構成図である。
【図７】図７は、第３の実施形態における定量位相測定装置の略図的構成図である。
【図８】図８は、特許文献１に記載の定量位相顕微鏡１００の模式的構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００２１】
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における定量位相測定装置１の略図的構成図である。定量位相測定装置１は、例えば、細胞などの光を透過させる微小な測定試料の厚みなどの立体形状を非接触で光学的に測定することができる装置である。定量位相測定装置１によれば、例えば、生物細胞試料を生きた環境のまま前処理なしにリアルタイムで分析することができる。従って、定量位相測定装置１は、例えば、創薬、健康管理、国家安全保障、食品産業あるいは花粉アレルギー、パンデミック感染症の予防、バイオテロ監視、あるいはバクテリア汚染検知の各分野において有効に利用される。
【００２３】
定量位相測定装置１は、光源１０と、コリメータ１１と、測定試料設置台１２と、対物レンズ１３と、絞り１４と、ビームスプリッタ１５と、収束光学系１６と、反射型偏光分離素子１７と、空間フィルタ１８と、干渉縞画像形成光学系１９と、撮像素子２０とを備えている。コリメータ１１と、測定試料設置台１２と、対物レンズ１３と、絞り１４と、ビームスプリッタ１５と、収束光学系１６と、反射型偏光分離素子１７と、空間フィルタ１８と、干渉縞画像形成光学系１９とは、光源１０と撮像素子２０との間の光路上に、光源１０側から撮像素子２０側に向けてこの順番で配置されている。以下の説明において、部材等の配置関係は、光源１０から撮像素子２０への光路における配置関係である。光源１０から撮像素子２０への光路において、光源１０側を「上流側」とし、撮像素子２０側を「下流側」とする。
【００２４】
光源１０は、定量位相測定に使用する光を測定試料設置台１２の上に配された測定試料Ｓに対して照射する。光源１０は、例えば、特定の偏光のみを出射するものであってもよいし、非偏光を出射するものであってもよい。
【００２５】
光源１０と測定試料Ｓとの間には、コリメータ１１が配されている。コリメータ１１は、光源１０から出射された発散光Ｌ１を平行光Ｌ２に変換する。なお、光源１０が平行光を出射する場合は、コリメータ１１を設ける必要は必ずしもない。
【００２６】
測定試料設置台１２には、図示しない開口が形成されている。測定試料Ｓは、この開口の少なくとも一部の上に配されている。通常は、開口の全体が測定試料Ｓにより覆われるように測定試料Ｓが配されている。従って、測定試料Ｓを透過した被測定光Ｌ３は、測定試料設置台１２を経由して下流側に進行する。
【００２７】
なお、被測定光Ｌ３は、測定試料Ｓに関する位相情報を含んでいる。即ち、被測定光Ｌ３は、平行光Ｌ２が測定試料Ｓを透過することにより、位相が変化された光である。具体的には、被測定光Ｌ３は、測定試料Ｓの屈折率と厚みとに応じた分だけ、平行光Ｌ２から位相が変化された光である。
【００２８】
測定試料設置台１２の下流側には、焦点距離がｆ０である対物レンズ１３、絞り１４及びビームスプリッタ１５が配されている。ビームスプリッタ１５のさらに下流側には、収束光学系１６と反射型偏光分離素子１７とが配されている。測定試料設置台１２、対物レンズ１３、絞り１４及びビームスプリッタ１５は、直線状に配されている。ビームスプリッタ１５、収束光学系１６及び反射型偏光分離素子１７は、直線状に配されている。測定試料設置台１２、対物レンズ１３、絞り１４及びビームスプリッタ１５間の光路と、ビームスプリッタ１５、収束光学系１６及び反射型偏光分離素子１７間の光路とは、傾斜している。具体的には、測定試料設置台１２、対物レンズ１３、絞り１４及びビームスプリッタ１５間の光路と、ビームスプリッタ１５、収束光学系１６及び反射型偏光分離素子１７間の光路とは、直交している。
【００２９】
対物レンズ１３及び絞り１４を透過した被測定光Ｌ３の少なくとも一部は、ビームスプリッタ１５により反射され、収束光学系１６及び反射型偏光分離素子１７側に導かれる。このように、ビームスプリッタ１５により被測定光Ｌ３の少なくとも一部の進行方向が変更される。具体的には、ビームスプリッタ１５により被測定光Ｌ３の少なくとも一部の進行方向が９０°屈曲される。従って、ビームスプリッタ１５により屈曲光学系が構成されている。なお、ビームスプリッタ１５は、被測定光Ｌ３の実質的に全部を反射させるものであってもよい。
【００３０】
ビームスプリッタ１５により反射された被測定光Ｌ３は、収束光学系１６により集束光Ｌ４に変換される。本実施形態では、収束光学系１６は、焦点距離がｆ１である凸レンズにより構成されている。
【００３１】
反射型偏光分離素子１７は、集束光Ｌ４の集光位置に配されている。即ち、反射型偏光分離素子１７は、収束光学系１６を構成している凸レンズの主面から、凸レンズの焦点距離ｆ１だけ離れた位置に配されている。
【００３２】
反射型偏光分離素子１７は、集束光Ｌ４を偏光方向が互いに異なる２つの偏光に分離すると共に反射させることにより、収束光学系１６側に向かう１次の回折光である第１の偏光Ｌ５と、０次の回折光である第２の偏光Ｌ６とを形成する。即ち、反射型偏光分離素子１７は、集束光Ｌ４を、一の偏光成分を有する第１の偏光Ｌ５を構成する直線偏光と、他の偏光成分を有する第２の偏光Ｌ６を構成する直線偏光とに分けて、互いに異なる方向に反射させる。第１の偏光Ｌ５と第２の偏光Ｌ６とは、偏光方向が互いに９０°異なっていることが好ましい。例えば、集束光Ｌ４がＰ偏光成分とＳ偏光成分とを含む光である場合は、第１の偏光Ｌ５をＰ偏光の反射光とし、第２の偏光Ｌ６をＳ偏光の反射光とすることができる。
【００３３】
なお、図１において、第１の偏光Ｌ５を一点破線で示しており、第２の偏光Ｌ６を破線で示している。第２の偏光Ｌ６は、反射型偏光分離素子１７とビームスプリッタ１５との間において被測定光Ｌ３及び集束光Ｌ４と重なっている。
【００３４】
なお、反射型偏光分離素子１７を光路上において移動させたり、反射型偏光分離素子１７の回転位置を変化させたりすることによって、集光位置を調節することができる。
【００３５】
反射型偏光分離素子１７は、例えば、反射型平面回折格子により構成することができる。反射型平面回折格子としては、ブレーズド・ホログラフィック・平面回折格子が好ましく用いられる。高い回折効率が得られると共に、迷光が生じにくいためである。ただし、反射型偏光分離素子１７は、高い偏光分離度が要求されるものではないため、反射型平面回折格子に限られるものでなく、軸ずらし光分離効果をもつ同様の光学素子により置換可能である。
【００３６】
なお、反射型偏光分離素子１７と収束光学系１６との間に、透過型空間光位相変調器をさらに配置してもよい。透過型空間光位相変調器は、空間的に分布する光束の振幅・位相を様々にダイナミックに変調することができる。
【００３７】
反射型偏光分離素子１７において生成された第１の偏光Ｌ５と第２の偏光Ｌ６とは、それぞれ、収束光学系１６に再び入射し、集束光とされる。
【００３８】
収束光学系１６において集束光とされた第１及び第２の偏光Ｌ５，Ｌ６の集光位置には、空間フィルタ１８が配されている。即ち、収束光学系１６を構成している凸レンズの主面から、反射型偏光分離素子１７とは反対側に凸レンズの焦点距離ｆ１だけ離れた位置に空間フィルタ１８が配されている。空間フィルタ１８と収束光学系１６との間には、ビームスプリッタ１５が位置している。第１及び第２の偏光Ｌ５，Ｌ６の少なくとも一部は、ビームスプリッタ１５を透過し、空間フィルタ１８に入射する。
【００３９】
ビームスプリッタ１５は、被測定光Ｌ３の少なくとも一部を反射させ、且つ、第１及び第２の偏光Ｌ５，Ｌ６の少なくとも一部を透過させるものである限りにおいて特に限定されない。ビームスプリッタ１５は、例えば、ハーフミラーまたは偏光分離素子により構成することができる。ハーフミラーとしては、例えば金属蒸着ミラーを用いることができる。ビームスプリッタ１５として偏光分離素子を用いる場合には、付加的な四分の一波長板をビームスプリッタ１５と収束光学系１６との間に付設することがある。
【００４０】
空間フィルタ１８は、第１の偏光Ｌ５及び第２の偏光Ｌ６の一方と、第１の偏光Ｌ５及び第２の偏光Ｌ６の他方とから測定試料による位相遅れと散乱成分を含む物体光と、測定試料による位相遅れと散乱成分を含まない参照光とを生じさせる。具体的には、本実施形態では、空間フィルタ１８は、第２の偏光Ｌ６から物体光Ｌ６−１と、第１の偏光Ｌ５からの参照光Ｌ５−１とを生じさせる。
【００４１】
より具体的には、本実施形態では、空間フィルタ１８は、図２に示されるように、開口１８ａ及びピンホール１８ｂが形成された板状部材により構成されている。開口１８ａは、第２の偏光Ｌ６の集光位置に配されている。開口１８ａは、１次回折光または高次回折光を遮蔽するが、０次の回折光である偏光Ｌ６を通過する形状寸法に形成されている。第２の偏光Ｌ６は、測定試料Ｓの位相情報を含んだ状態のまま開口１８ａを通過する。従って、開口１８ａを通過した光は、測定試料Ｓの位相情報を含む物体光Ｌ６−１を構成する。
【００４２】
一方、ピンホール１８ｂは、１次の回折光である第１の偏光Ｌ５の集光位置に配されている。ピンホール１８ｂは、第１の偏光Ｌ５から測定試料Ｓによる散乱光に起因する成分を遮蔽するような形状寸法に形成されている。このため、第１の偏光Ｌ５は、ピンホール１８ｂを通過することによって、測定試料Ｓの位相情報を含まず、これとは別の一様な位相情報のみを有する参照光Ｌ５−１を構成する。
【００４３】
ここで、開口１８ａの直径ｄ２は、下記式（１）により求められる。
【００４４】
ｄ２＝２Ｄ      ………  （１）
但し、
Ｄ：絞り１４の開口径、
である。開口１８ａは、減光フィルタや絞り、もしくは半波長板のような付加的な光学要素をその前後に配置してもよい。
【００４５】
ピンホール１８ｂの直径ｄ３は、下記の式（２）の関係を満たすことが好ましい。
【００４６】
ｄ３＝１．２２ λ ｆ０／Ｄ    ………  （２）
但し、
λ：被測定光Ｌ３の波長、
【００４７】
空間フィルタ１８の下流側には、干渉縞画像形成光学系１９が配されている。干渉縞画像形成光学系１９は、物体光Ｌ６−１の実像を結ぶととともに、参照光Ｌ５−１を、同一面内に投影させる。これにより、物体光と参照光との位相差に起因して、図３に示されるような干渉縞画像Ｇが撮像素子２０の像面上に形成される。
【００４８】
撮像素子２０に接続された演算部２１は、干渉縞画像Ｇから測定試料Ｓの面内位相分布を算出し、それに基づいて測定試料Ｓの厚みなどを算出する。
【００４９】
具体的には、
測定試料Ｓの厚み：ｔ、
測定試料Ｓの被測定光Ｌ３の波長（λ＝光源１０から出射される光の波長）における屈折率：ｎｃ、
媒質の被測定光Ｌ３の波長（λ）における屈折率：ｎ０、
とすると、位相差Δφは、下記の式（３）により表される。
【００５０】
Δφ＝（２π／λ）（ｎｃ−ｎ０）ｔ    ………  （３）
【００５１】
干渉縞画像Ｇには、この位相差Δφに起因する歪が生じる。
【００５２】
測定試料Ｓの位相差は、干渉縞画像Ｇから以下のように算出される。干渉縞画像Ｇにおいて、測定試料Ｓが無い場合の干渉縞の間隔(以下、「干渉縞のキャリア間隔」と呼ぶ)ｄ０は、下記の式（４）により求められる。
ｄ０＝λｆ２／ｄ１    ………  （４）
但し、
λ：光源１０から出射される光の波長、
ｆ２：干渉縞画像形成光学系を構成している凸レンズの焦点距離、
ｄ１：開口１８ａとピンホール１８ｂとの中心間距離、
である。
【００５３】
なお、撮像素子２０における画素ピッチは、干渉縞のキャリア間隔ｄ０の３分の１以下であることが好ましい。また、光源１０に固体レーザーダイオード（λ＝６３８ｎｍ）を使用して測定試料Ｓの厚みの変化をサブミクロン精度で測定するためには、撮像素子２０のビット深度は１０ｂｉｔ以上であることが好ましい。
【００５４】
干渉縞画像Ｇの位置（ｘ，ｙ）  おける輝度値ｇ（ｘ，ｙ）は、下記の式（５）で表される。
【００５５】
ｇ（ｘ，ｙ）＝ａ（ｘ，ｙ）＋ｂ（ｘ，ｙ）ｃｏｓ［２πｐ０ｘ＋φ（ｘ，ｙ）］    ………  （５）
式（５）において、
ａ（ｘ，ｙ）：光源の光量ムラや光学系の不均一に起因するバックグランド成分
ｂ（ｘ，ｙ）：光源の光量ムラや光学系の不均一に起因する強度ファクター
である。
ｃｏｓ［２πｐ０ｘ＋φ（ｘ，ｙ）］は、理想化された干渉縞に相当する。
ここで、
ｐ０は、干渉縞の空間周波数、すなわち、干渉縞のキャリア間隔ｄ０の逆数であり、
φ（ｘ，ｙ）が位相物体の厚さに応じた位相遅れである。
【００５６】
位相遅れの抽出は、下記の式（６）に基づいて行うことができる。
ｇ（ｘ，ｙ）＝ａ（ｘ，ｙ）＋ｃ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ［２πｉｐ０ｘ＋φ（ｘ，ｙ）］＋ｃ＊（ｘ，ｙ）ｅｘｐ［−２πｉｐ０ｘ＋φ（ｘ，ｙ）］    ………  （６）
【００５７】
ここで、ｃ（ｘ，ｙ）＝（１／２）ｂ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ［ｉφ（ｘ，ｙ）］であり、ｃ＊はｃの共役複素数である。式（６）に対してフーリエ変換を行うと、
Ｇ（ｐ，ｙ）＝Ａ（ｐ，ｙ）＋Ｃ（ｐ−ｐ０，ｙ）＋Ｃ＊（ｐ＋ｐ０，ｙ）
となり、図５（Ａ）に示すようなフーリエスペクトルを得ることができる。
【００５８】
次に、スペクトル成分のＣ（ｐ−ｐ０，ｙ）を図５（Ｂ）にＣ（ｐ，ｙ）と示したように原点に移動し、ついで逆フーリエ変換を行うことで、ｃ（ｘ，ｙ）を求めることができる。また、この操作により、不要成分ａ（ｘ，ｙ）を除去することができる。
【００５９】
次に、ｃ（ｘ，ｙ）の実数部（Ｒｅ）と虚数部（Ｉｍ）は、
Ｒｅ［ｃ（ｘ，ｙ）］＝（１／２）ｂ（ｘ，ｙ）  ｃｏｓ［φ（ｘ，ｙ）］
Ｉｍ［ｃ（ｘ，ｙ）］＝（１／２）ｂ（ｘ，ｙ）  ｓｉｎ［φ（ｘ，ｙ）］
となる。これらを用いて、
φ（ｘ，ｙ）＝ｔａｎ−１（Ｉｍ［ｃ（ｘ，ｙ）］／Ｒｅ［ｃ（ｘ，ｙ）］）
から各点の位相遅れφ（ｘ，ｙ）を導くことができる。
【００６０】
このとき、Ｉｍ［ｃ（ｘ，ｙ）］／Ｒｅ［ｃ（ｘ，ｙ）］除算により、不要成分ｂ（ｘ，ｙ）を除去することができる。干渉縞の空間周波数は、１／８ｃｙｃｌｅ／ｐｉｘｅｌとするのが望ましい。
【００６１】
なお、φ（ｘ，ｙ）の値域は、−πから＋πの値をとる。対象試料が無い部分の位相遅れをφ（ｘ，ｙ）の頻度分布から推定してφ０として求め、各点の位相遅れφ（ｘ，ｙ）から差し引けば、対象試料の厚みの影響による位相差Δφ（ｘ，ｙ）が求まる。位相差Δφ（ｘ，ｙ）と式（３）の関係から対象試料の厚みを求めることができる。ただし、対象試料の厚みが大きく、位相差が２πを超える場合には、Δφ（ｘ，ｙ）が０から２πの間に入り、厚さの計算結果が面内で不連続となる。従って、この場合には、位相差Δφ（ｘ，ｙ）に２π単位の補正を加えることによって、近傍の点との連続性の条件が事前に満たすようにする。このようにして、位相差が２πを超える場合についても、対象試料の面内の各点の厚みを求めることができる。
【００６２】
本実施形態の定量位相測定装置１によれば、蛍光色素や、金粒子など細胞の性質を損なわせる反射増強剤、構造的な損傷を与える機械的プローブ等を使わない非侵襲測定を行うことができる。このため、定量位相測定装置１を用いることにより、細胞等の測定試料Ｓを損傷することなく、厚みなどの測定試料Ｓの立体形状を測定することができる。また、定量位相測定装置１を用いることにより、生きている細胞の運動の様子を可視化できる。従って、定量位相測定装置１は、細胞の動的形態変化の観察に役立つ。
【００６３】
また、定量位相測定装置１では、物体光Ｌ６−１と参照光Ｌ５−１とが殆ど同じ環境を通過する。このため、振動や空気の揺らぎ等の外乱が物体光と参照光に及ぼす影響がほぼ等しく、干渉縞画像Ｇが形成される際に、それらの影響が相殺される。従って、定量位相測定装置１では、外乱によって測定精度が低下しにくい。
【００６４】
また、測定試料Ｓに照明するレーザー光の偏光方向を制御することにより、物体光Ｌ６−１と参照光Ｌ５−１との光強度比を調節することができる。このため、コントラストが高い干渉縞画像を生成させることができる。
【００６５】
図４は、参考例における定量位相測定装置２００の略図的構成図である。定量位相測定装置２００は、特許文献１に記載の定量位相測定顕微鏡１００と同様に、透過型偏光分離素子２０１を用いている点で、反射型偏光分離素子１７を用いた定量位相測定装置１とは異なる。また、特許文献１に記載の定量位相測定装置１００は撮像素子上に物体光の実像を結像しないが、定量位相測定装置２００は、定量位相測定装置１と同様に撮像素子上に物体光の実像を結像する点において定量位相測定装置１００とも異なる。
なお、定量位相測定装置２００の説明において、定量位相測定装置１において説明した部材と実質的に同様の機能を有する部材を同じ符号で参照することとする。
【００６６】
透過型偏光分離素子２０１を用いた定量位相測定装置２００では、透過型偏光分離素子２０１と空間フィルタ１８との間に、集光レンズ２０２を別途設ける必要がある。このため、集光レンズ２０２の焦点距離をｆ２とすると、収束光学系１６の主面と撮像素子２０の撮像面との間の距離は、ｆ１＋２ｆ３＋２ｆ２となる。
【００６７】
一方、本実施形態に係る定量位相測定装置１では、収束光学系１６の主面と撮像素子２０の撮像面との間の距離は、２ｆ１＋２ｆ２となる。ここで、通常は、ｆ１＝ｆ２＝ｆ３と考えてよい。このため、ｆ１＝ｆ２＝ｆ３＝ｆとすると、参考例の定量位相測定装置２００における収束光学系１６の主面と撮像素子２０の撮像面との間の距離は、５ｆとなる。一方、本実施形態の定量位相測定装置１における収束光学系１６の主面と撮像素子２０の撮像面との間の距離は、４ｆとなる。また、定量位相測定装置１の方が、定量位相測定装置２００よりも、集光レンズ２０２の分だけ構成要素が少ない。このことから、定量位相測定装置１のように、反射型偏光分離素子１７を用いることにより、光路長を短くすることができる。また、対物レンズとの位置関係においても全体をよりコンパクトにまとめることができる。このため定量位相測定装置１を軽量化及び小型化することができることが分かる。
【００６８】
また、反射型偏光分離素子１７を用いることにより、透過型の偏光分離素子を用いた場合よりも光量ロスを少なくし得る。従って、定量位相測定装置１の測定感度を高め得る。
【００６９】
なお、測定試料Ｓを透過した光に替えて、測定試料Ｓで反射した光を測定に用いるようにしてもよい。
【００７０】
各光学系は、単一のレンズにより構成されていてもよいし、複数のレンズにより構成されていてもよい。
【００７１】
以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
【００７２】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態における定量位相測定装置２の略図的構成図である。
第１の実施形態における定量位相測定装置１では、ビームスプリッタ１５が、被測定光Ｌ３の少なくとも一部を収束光学系１６側に反射させると共に、第１及び第２の偏光Ｌ４，Ｌ５の少なくとも一部を空間フィルタ１８側に透過させる例について説明した。それに対して、第２の実施形態における定量位相測定装置２では、ビームスプリッタ１５は、被測定光Ｌ３の少なくとも一部を収束光学系１６側に透過させると共に、第１及び第２の偏光Ｌ４，Ｌ５の少なくとも一部を空間フィルタ１８側に反射させる。このような場合であっても、第１の実施形態において説明した効果と実質的に同様の効果が得られる。
【００７３】
（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態における定量位相測定装置３の略図的構成図である。
定量位相測定装置３では、ビームスプリッタ１５は、被測定光Ｌ３の一部を反射型偏光分離素子１７側に反射し、一部を透過させる。ビームスプリッタ１５を透過した光は、結像光学系３１によって、撮像素子３０の撮像面上に結像される。このため、定量位相測定装置３では、測定試料Ｓの画像観察も可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１〜３…定量位相測定装置
１０…光源
１１…コリメータ
１２…測定試料設置台
１３…対物レンズ
１５…ビームスプリッタ
１６…収束光学系
１７…反射型偏光分離素子
１８…空間フィルタ
１８ａ…開口
１８ｂ…ピンホール
１９…干渉縞画像形成光学系
２０…撮像素子
２１…演算部
３０…撮像素子
３１…結像光学系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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