(57)【要約】  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＝｜ＨＰ｜２が得られる。【選択図】図１
2014054776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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＝｜ＨＰ｜２）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＝｜ＨＰ｜２）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＝｜ＨＰ｜２）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＝｜ＨＰｄ｜２）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＝｜ＨＰｋ｜２）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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】リンフォン・ユー（Lingfeng Yu）、ミユン・ケイ・キム（Myung K. Kim）著  「ウエイブレングス−スキャニング  ディジタル  インターファレンス  ホログラフィ  フォー  トモグラフィック  スリー−ディメンショナルイメージング  バイ  ユース  オブ  ジ  アンギュラースペクトラム  メソッド（Wavelength-scanning digital interference holography for tomographic three-dimensional imaging by use of the angular spectrum method）」、オプティックス  レターズ（Optics Letters）、Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１６，ｐｐ．２０９２−２０９４（２００５）
【非特許文献２】リンフォン・ユー（Lingfeng Yu）、ミユン・ケイ・キム（Myung K. Kim）著、「ウエイブレングス  スキャニング  ディジタル  インターファレンス  ホログラフィ  フォー  バリアブル  トモグラフィック  スキャニング（Wavelength scanning digital interference holography for variable tomographic scanning）」、オプティックス  エクスプレス（Optics Express）」、Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．１５，ｐｐ．５６２１−５６２７（２００５）
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０８９８２０号
【特許文献２】国際公開第２０１２／００５３１５号
【発明の開示】
【０００８】
しかしながら、上述の非特許文献１，２に示されるようなディジタルホログラフィによる断層撮像方法は、従来のＯＣＴにおける光学系の機械的走査を不要とするものの、実用上の問題がある。これらの非特許文献１，２に記載された方法における断層画像用のホログラムは、物体光の位相に基づいて導出されている。従って、物体光の発生位置が限定されているコインなどの非透明物体の断層画像生成には有効と考えられる。言い換えれば、半透明物体の断層画像取得の場合、物体光は、一般に半透明物体中の各点から放出されるので、物体光の位相を一意的に決めることができず、物体光の位相のみに基づいて導出した断層画像は誤差を含み、また、Ｓ／Ｎ比の悪い画像となる。特に、物体中で生じた反射光が深さ方向において連続的に重なり合う場合に、このような断層撮像方法による実用的な断層画像を導出することが困難になる。また、上述した特許文献２に示されるようなホログラフィック顕微鏡は、無歪で正確な高分解能３次元動画像を再生することができるものの、断層画像の取得と観察用に開発されたたものではない。
【０００９】
断層画像の取得と観察の技術は、主に生体画像診断に用いられ、医療技術として大きな役割を担っている。医療現場において、細胞レベルの病変を診断するには１μｍ以下の分解能が要求される。ビームスポットサイズを絞ったレーザ光を用いるＯＣＴは、現在広く実用化されているが、照明光のスポットサイズによって横分解能、すなわち光の伝搬方向に直交する方向の分解能が決まるので、その高分解能化は難しく横分解能は光学顕微鏡と比べて１桁以上低い値に留まっている。また、従来のＯＣＴは、例えば、癌の早期診断を初め、より多くの疾患の診断に対応するには、依然として解像度が低く、また高速撮像ができないので、動く被写体の断層画像の実時間撮像も難しい。
【００１０】
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、培養液中細胞や生体組織などの内部構造を観察するために、任意媒質中の半透明物体の３次元体積画像を精度良く生成することができるホログラフィック断層画像生成方法を提供し、高分解能の平面断層画像を作成するデータを高速に取得することができるホログラフィック断層画像用のデータ取得方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、高速に無歪のホログラムを記録して被写体の内部の動きを観察することができるホログラフィック断層顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１１】
上記課題を達成するために、本発明は、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、データ取得部によって取得されたホログラムから物体の断層画像を生成する断層画像生成部と、を備え、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、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）とを伝搬させる光学系と、光強度を電気信号に変換して出力する受光素子と、物体光（Ｏ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞（ＩＯＲ）、照明光（Ｑ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞（ＩＱＲ）、および、オフアクシス球面波参照光（Ｒ）とインライン球面波参照光（Ｌ）との干渉縞（ＩＬＲ）を、光源が波長を変えて放射する各波長（λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の光毎に、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、断層画像生成部は、記録部によって記録されたホログラム（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、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）、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、フィルタリング部によって生成された各複素振幅オフアクシスホログラム（ＪｊＯＲ，ＪｊＱＲ）のデータを、フィルタリング部によって生成された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、変調部によって生成された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、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、各波長の光毎に物体光の再生光波から位相成分を除去した位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を求め、それらを各波長（λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）について加算して特定の再生面（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、断層ホログラム（ＨＰ）から、特定の再生面（ｚ＝ｚＰ）における断層画像（ＳＰ＝｜ＨＰ｜２）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。
【００１２】
このホログラフィック断層顕微鏡において、断層画像生成部は、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、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、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、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）および変換関数（Ｇｊ，Ｂｊ）を用いて物体光（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、これらを用いて再生光波（ｈｊ，ｃｊ）を生成するようにしてもよい。
【００１３】
このホログラフィック断層顕微鏡において、断層画像生成部は、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、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、平面波展開部は、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変換関数（Ｇｊ，Ｂｊ）を求めるようにしてもよい。
【００１４】
このホログラフィック断層顕微鏡において、断層画像生成部は、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｝）として記録するようにしてもよい。
【００１５】
また、本発明は、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、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、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、オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）を用いて、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、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）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、複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ，ＪｊＱＬ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の各々から、物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の再生光波（ｈｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）と、照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の再生光波（ｃｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）と、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、各波長毎に物体光の再生光波から位相成分（ξｊ）を除去した位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を求め、それらを各波長について加算して特定の再生面（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、断層ホログラム（ＨＰ）から、特定の再生面（ｚ＝ｚＰ）における断層画像（ＳＰ＝｜ＨＰ｜２）を生成して記録することを特徴とする。
【００１６】
このホログラフィック断層画像生成方法において、物体光の再生光波（ｈｊ）と照明光の再生光波（ｃｊ）とは、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ようにしてもよい。
【００１７】
このホログラフィック断層画像生成方法において、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｝）として記録するようにしてもよい。
【００１８】
このホログラフィック断層画像生成方法において、物体光の再生光波（ｈｊ）と照明光の再生光波（ｃｊ）とは、それぞれ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ようにしてもよい。
【００１９】
このホログラフィック断層画像生成方法において、複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ，ＪｊＱＬ）のそれぞれから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、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、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、合成微小ホログラム（Σｊ，Πｊ）を用いて、物体光の再生光波（ｈｊ）と照明光の再生光波（ｃｊ）とを求めるようにしてもよい。
【００２０】
このホログラフィック断層画像生成方法において、物体光の再生光波（ｈｊ）と照明光の再生光波（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）））を用いるようにしてもよい。
【００２１】
このホログラフィック断層画像生成方法において、物体光の再生光波（ｈｊ）と照明光の再生光波（ｃｊ）とを求める際に、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ようにしてもよい。
【００２２】
このホログラフィック断層画像生成方法において、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照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を照射し、平面境界を通過した光による照明によって物体から放たれる光を物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）のホログラムとして記録し、平面境界からの反射光を照明光（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複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ，ＪｊＱＬ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を求めるようにしてもよい。
【００２３】
また、本発明は、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、オフアクシス球面波参照光（Ｒ）を用いて照明光（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、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）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。
【００２４】
また、本発明は、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、参照光（Ｒ）を用いて照明光（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、照明光（Ｑ）、参照光（Ｒ）、およびインライン参照光（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。
【００２５】
この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、物体の手前に透過鏡を配置し、透過鏡を通して照明光（Ｑ）により物体を照射し、透過鏡を透過した物体光（Ｏ）と、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、物体光（Ｏ）のホログラム（ＩＯＲ）のデータと照明光（Ｑ）のホログラム（ＩＱＲ）のデータとを取得するようにしてもよい。
【００２６】
この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、照明光（Ｑ）と参照光（Ｒ）とを、互いに直交する偏光状態とし、物体光（Ｏ）と照明光（Ｑ）の反射光とを偏光板を透過させることによって照明光（Ｑ）の反射光を減衰させた状態で、共通ホログラム（ＩＯＱＲ）のデータを取得するようにしてもよい。
【００２７】
この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、透過鏡の奥方で集光する光を照明光（Ｑ）として用いて共通ホログラム（ＩＯＱＲ）を取得し、照明光（Ｑ）の反射光が集光する位置において、共通ホログラム（ＩＯＱＲ）から再生光を生成し、その再生光を照明光（Ｑ）とそれ以外とに分離することにより、物体光（Ｏ）のホログラム（ＩＯＲ）のデータと照明光（Ｑ）のホログラム（ＩＱＲ）のデータとを取得するようにしてもよい。
【００２８】
また、本発明は、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、照明光（Ｑｊ）により物体を照明し、参照光（Ｒｊ）を用いて記録した、物体から放たれる物体光（Ｏｊ）のホログラム（ＩｊＯＲ）と照明光（Ｑｊ）のホログラム（ＩｊＱＲ）と、が各波長（λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に与えられ、ホログラムに記録された物体光（Ｏｊ）は物体内部の各点で照明光（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、特定の再生面（ｚ＝ｚＰ）における断層画像（ＳＰ＝｜ＨＰ｜２）を生成することを特徴とする。
【００２９】
このホログラフィック断層画像生成方法において、断層ホログラム（ＨＰ）を用いて、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＝｜ＨＰｄ｜２）を生成するようにしてもよい。
【００３０】
このホログラフィック断層画像生成方法において、断層ホログラム（ＨＰ）を用いて、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＝｜ＨＰｋ｜２）を生成するようにしてもよい。
【００３１】
本発明のホログラフィック断層画像用のデータ取得方法によれば、光学系の機械的な走査を行うことなく波長掃引のみによって３種類のホログラムを各波長について取得するだけで断層画像用のデータを取得することができるので、より高速に短時間でデータを取得して記録できる。本発明のホログラフィック断層画像生成方法によれば、波長掃引される照明光Ｑと参照光Ｒ，Ｌとを用い取得されたホログラムを用いて断層画像を生成するので、光学系の機械的な走査が不要であり、また、物体光Ｏと照明光Ｑの両方のホログラムを用いるので、断層面において断層面以外からの物体光による擾乱を受けることなく断層を切り出してＳ／Ｎ比の大きな断層画像を生成でき、それらの集合によって３次元体積画像を生成できる。本発明のホログラフィック断層顕微鏡によれば、球面波参照光Ｒ，Ｌを用いるので、結像レンズを用いることなく正確に無歪の断層画像を生成でき、また、機械的な走査が不要であるので、高速に撮像データを取得し記録できる。従って、本断層顕微鏡によれば、低エネルギー照明の下で生きた生体組織の高速連続断層撮像が可能になり、装置の低価格化と小型化を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係るホログラフィック断層画像生成方法を示すフローチャート。
【図２】同断層画像生成方法の実施時にオフアクシス球面波参照光Ｒのデータをインライン球面波参照光Ｌによって取得する装置の模式的構成図。
【図３】同断層画像生成方法の実施時に照明光Ｑのデータをオフアクシス球面波参照光Ｒによって取得する装置の模式的構成図。
【図４】同断層画像生成方法の実施時に物体光Ｏのデータをオフアクシス球面波参照光Ｒによって取得する装置の一例を示す模式的構成図。
【図５】図２の要部詳細図。
【図６】図３の要部詳細図。
【図７】図４の要部詳細図。
【図８】同断層画像生成方法で用いる異波長光の重ね合わせを説明する概念図。
【図９】異波長光の重ね合わせによって発生するパルス列を説明する概念図。
【図１０】同断層画像生成方法における高分解能化処理のフローチャート。
【図１１】（ａ）はホログラムの部分図、（ｂ）は同ホログラムにおける空間サンプリング間隔を増やす様子を示すホログラムの部分図。
【図１２】（ａ）はホログラムの概念図、（ｂ）は同ホログラムを分割して重ね合わせた概念図、（ｃ）は（ｂ）のホログラムを合成したホログラムの概念図。
【図１３】（ａ）は単一の再生用ホログラムと再生像の概念図、（ｂ）は複数の再生用ホログラムと再生された複数の像とを示す概念図。
【図１４】同断層画像生成方法における高速化処理のフローチャート。
【図１５】本発明の一実施形態に係るホログラフィック断層画像用のデータ取得方法を示すフローチャート。
【図１６】同データ取得方法の変形例を示すフローチャート。
【図１７】同データ取得方法を光路によって説明する模式図。
【図１８】同データ取得方法の他の変形例を光路によって説明する模式図。
【図１９】他の実施形態に係るホログラフィック断層画像生成方法を示すフローチャート。
【図２０】同断層画像生成方法の変形例を示すフローチャート。
【図２１】同断層画像生成方法の他の変形例を示すフローチャート。
【図２２】本発明の一実施形態に係るホログラフィック断層顕微鏡を示すブロック構成図。
【図２３】同断層顕微鏡を用いて照明光の波長を変えて取得したＵＳＡＦテストターゲットの複数枚のホログラムのうちの１枚のホログラムの画像を示す図。
【図２４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図２３に示したホログラムと共に取得された複数枚のホログラムを用いて、それぞれ再生位置を変えて再生した断層画像を示す図。
【図２５】再生光の平均光強度の測定値および理論値のターゲット面位置からの距離依存性を示す図。
【図２６】図２４（ｃ）の画像とその部分拡大画像を示す図。
【図２７】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ図２４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した断層画像の再生位置において、図２３に示した１枚のホログラムから比較例として再生した画像を示す図。
【図２８】（ａ）は同断層顕微鏡を用いて断層画像を取得する対象物の断面構成図、（ｂ）は（ａ）の断面構成を説明する断面分解図。
【図２９】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、同断層顕微鏡を用いて照明光の波長を変えて図２８（ａ）（ｂ）に示した対象物の複数枚のホログラムを取得し、それぞれ再生位置を変えて再生した断層画像を示す図。
【図３０】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ図２９（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した断層画像の再生位置において、１枚のホログラムから比較例として再生した画像を示す図。
【図３１】（ａ）（ｂ）は同断層顕微鏡を用いて、それぞれ再生位置を変えて取得したタマネギ鱗葉の断層画像を示す図。
【図３２】（ａ）（ｂ）は図３１（ｂ）からさらに、それぞれ再生位置を変えて取得したタマネギ鱗葉の断層画像を示す図。
【図３３】（ａ）（ｂ）は図３２（ｂ）からさらに、それぞれ再生位置を変えて取得したタマネギ鱗葉の断層画像を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の一実施形態に係るホログラフィック断層画像生成方法、ホログラフィック断層画像用のデータ取得方法、およびホログラフィック断層顕微鏡について、図面を参照して説明する。
【００３４】
（ホログラフィック断層画像生成方法）
図１乃至図１２は、ホログラフィック断層画像生成方法を示す。ホログラフィック断層画像生成方法は、図１に示すように、データ取得工程（Ｓ１）と、その後のデータ処理によって断層画像を生成する断層画像生成工程（Ｓ２乃至Ｓ７）とを備えている。データ取得工程（Ｓ１）では、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の波長を変えた各波長λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎのコヒーレントな光Ｑｊ，Ｒｊ，Ｌｊ，ｊ＝１，・・，Ｎを用いる。これらの波長掃引光によって生成される光の干渉縞が、ホログラムＩｊＯＲ，ＩｊＱＲ，ＩｊＬＲとして、各波長λｊ毎に取得される。各波長λｊは、一定周波数間隔で変えてもよく、一定波長間隔で変えてもよく、また、任意間隔で変えてもよい。
【００３５】
ホログラムＩｊＯＲは、照明光Ｑにより半透明物体を照明し、その半透明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を用いて記録したオフアクシスホログラムである。半透明物体における半透明とは、照明光Ｑに対して半透明ということであり、この半透明性により、物体内部の断層情報が得られる。ホログラムＩｊＱＲは、照明光Ｑをオフアクシス球面波参照光Ｒを用いて記録したオフアクシスホログラムである。ホログラムＩｊＬＲは、オフアクシス球面波参照光Ｒをインライン球面波参照光Ｌを用いて記録したオフアクシスホログラムである。これらのホログラムＩｊＯＲ，ＩｊＱＲ，ＩｊＬＲは、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という球面波の参照光を用いるものであり、このことから、これらのホログラムは大開口数（大ＮＡ数）のホログラムとなる。そして、これらの大開口数ホログラムＩｊＯＲ，ＩｊＱＲ，ＩｊＬＲから、下記の如く、大開口数複素振幅インラインホログラムＪｊＯＬ，ＪｊＱＬが得られる。
【００３６】
断層画像生成工程（Ｓ２乃至Ｓ７）は、波長掃引ループＬＰｓ−ＬＰｅにおいて各波長λｊについて一連の処理を行う工程（Ｓ２乃至Ｓ５）と、波長掃引ループで得られた結果を統合して断層画像を生成する工程（Ｓ６，Ｓ７）とを備えている。波長掃引ループＬＰｓ−ＬＰｅは、フィルタリング工程（Ｓ２）、インライン化変調工程（Ｓ３）、光波計算工程（Ｓ４）、位相調整工程（Ｓ５）を備えている。フィルタリング工程（Ｓ２）では、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、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、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。インライン化変調工程（Ｓ３）では、フィルタリング工程によって生成された各複素振幅オフアクシスホログラムＪｊＯＲ，ＪｊＱＲのデータを、同じくフィルタリング工程によって生成された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。
【００３７】
光波計算工程（Ｓ４）では、特定の再生面ｚ＝ｚＰにおいて、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、照明光の再生光波ｃｊに含まれる位相成分ξｊ＝ｃｊ／｜ｃｊ｜とを求める。再生面ｚ＝ｚＰは、例えば、ホログラムを取得する際に用いられたＣＣＤなどの受光素子の受光面に平行な面である。この場合、ｚ軸は、その受光面に直交する軸として設定される受光面の光軸であり、ｚ軸上の位置を特定することによって、ｚ軸に直交する１つの平面を指定できる。また、ｚ軸は、物体光Ｏを放つ物体の深さ方向に合理的に設定された光軸であり、断層画像は、このｚ軸に垂直な断層面について生成される。
【００３８】
位相調整工程（Ｓ５）では、各波長の光毎に物体光の再生光波から位相成分を除去した位相調整再生光波ｈｊ／ξｊを求める。位相調整再生光波ｈｊ／ξｊを求める操作は、各波長λｊに対する再生光波ｈｊの位相を互いに規格化するものである。物体光Ｏは物体内部の各点で生じる反射光が重なり合った光であり、各反射光の位相は、その反射光が発生する位置において、その反射光を生成する照明光Ｑの位相と同じになる。言い換えると、物体内部の各点で生じる各物体光は、その物体光が発生する各位置において、各物体光を発生させる各照明光と同相である。そこで、この除算による位相調整の操作によって、再生面ｚ＝ｚＰにおいて、各波長の物体光の位相が０に調整される。
【００３９】
光波総和工程（Ｓ６）では、位相調整再生光波ｈｊ／ξｊを各波長λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎについて加算して再生面ｚ＝ｚＰにおけるホログラムである断層ホログラムＨＰ＝Σｈｊ／ξｊを求める。物体光Ｏを構成する反射光の位相は、その反射光が発生する位置において、物体光Ｏの位相と照明光Ｑの位相とは一致しているので、光波総和工程（Ｓ６）の加算により、断層内部で発生する物体光は加算されて強くなり、断層外部で発生する物体光は互いに打ち消されて弱くなる。個数Ｎの物体光Ｏｊを再生面で加算することにより、物体光の振幅がＮ倍になり、再生される断層画像の光強度はＮ２倍になる。また、概念的に表現すれば、再生面以外の物体光はＮ２分の１になる。従って、Ｓ／Ｎ比（ノイズに対する信号の割合）に優れた断層画像を生成することができるので、焦点の合った鮮明な断層画像を生成でき、断層外部の物体光に埋もれた断層内部の弱い光であっても再生することができる。
【００４０】
光強度計算工程（Ｓ７）では、断層ホログラムＨＰから、再生面ｚ＝ｚＰにおける断層画像ＳＰ＝｜ＨＰ｜２が生成される。断層画像ＳＰは、モニタ画面に画像として表示することができる。再生面ｚ＝ｚＰは、通常、受光面（ホログラム面）に平行な面とされるので、ホログラム面に平行（光学的な意味で平行）な表面を有する半透明物体のその表面を照明光Ｑで照明した場合に、半透明物体の表面に平行な断層画像が得られる。ここで、２面が光学的な意味で平行とは、その２面がいずれも光軸に対して直交するという意味であり、途中に鏡が存在することなどにより、実空間で２面が平行とは限らない。
【００４１】
再生面ｚ＝ｚＰの位置を変えて上述の光波計算工程（Ｓ４）以降の工程を繰り返すことにより、半透明物体中の光軸に垂直な任意の再生面における断層画像ＳＰが得られる。そこで、再生面ｚ＝ｚＰを複数設定し、それらの各再生面ｚ＝ｚＰ，Ｐ＝１，・・，ｍについて断層画像ＳＰ，Ｐ＝１，・・，ｍを生成し、それらの集合を３次元空間の各点において焦点の合った３次元体積画像Ｖ＝｛ＳＰ，Ｐ＝１，・・，ｍ｝として記録することができる。３次元体積画像Ｖを再生できるデータとして、断層ホログラムＨＰの集合による３次元体積データＶｈ＝｛ＨＰ，Ｐ＝１，・・，ｍ｝を記録してもよい。なお、受光面（ホログラム面）に平行でない再生面においても、同様に、焦点の合った断層画像ＳＰを得ることもできる。上述の位相調整工程（Ｓ５）と、この光波総和工程（Ｓ６）とは、波長掃引光とディジタルホログラフィとを用いて、機械的な走査をすることなく、半透明物体中の特定の再生面における物体光の再生を可能とするための、重要な処理である（図８、図９参照）。以下では、上記の各工程を詳述する。
【００４２】
（データ取得工程Ｓ１）
データ取得工程（Ｓ１）は、図２、図３、図４に示すデータ取得装置１０を用いて実行される。オフアクシスホログラムＩｊＬＲは、図２に示すデータ取得装置１０を用いて取得される。データ取得装置１０は、コヒーレント光を放射する光源２と、光の伝搬を行う光学系３と、光強度を検出して電気信号を出力する受光素子４と、受光素子４からの信号をホログラムＩｊＯＲ，ＩｊＱＲ，ＩｊＬＲとして記録する記録部５と、を備えている。光源２は、光波長掃引レーザである。光学系３は、２つの球面波参照光Ｒ，Ｌを生成するために、光源２からのレーザ光を、直進光と、これに直交する方向に向きを変えた光（９０°偏向光）との２つに分けるビームスプリッタＢＳを備えている。直進光の光路上には、レーザ光のビーム径を広げる２つのレンズ３１，３２、および拡径したレーザ光を球面波参照光Ｒに変換する集光レンズ３３を備えている。集光レンズ３３の前方正面には、受光素子４が配置されている。集光レンズ３３からの光は、ｚ軸から光軸を傾けたオフアクシス球面波参照光Ｒとして、広がりながら受光素子４に入射する。
【００４３】
ビームスプリッタＢＳで９０°偏向された光の光路上には、９０°反射鏡Ｍ１、拡径用のレンズ３４，３４、９０°反射鏡Ｍ２、拡径したレーザ光を球面波参照光Ｌに変換する集光レンズ３６、および９０°偏向用のハーフミラーＨＭとを備えている。集光レンズ３６からの光は、ハーフミラーＨＭによって反射した後、ｚ軸に対する光軸の傾きのないインライン球面波参照光Ｌとして、広がりながら受光素子４に入射する。なお、参照光Ｒは、ハーフミラーＨＭを通過して受光素子４に入射する。受光素子４に入射した球面波参照光Ｒ，Ｌは、互いに干渉して受光素子４の受光面に干渉縞を生成する。受光素子４は、その干渉縞の光強度に応じた電気信号を出力し、記録部５が、その出力を、オフアクシスホログラムＩｊＬＲとして記録する。ホログラムＩｊＬＲは、オフアクシス球面波参照光Ｒをインライン球面波参照光Ｌによって記録するホログラムである。
【００４４】
照明光ＱのオフアクシスホログラムＩｊＱＲは、図３に示すデータ取得装置１０を用いて取得される。データ取得装置１０は、図２に示した光学系３の構成において、インライン球面波参照光Ｌを伝搬させる構成に替えて、照明光Ｑを伝搬させる構成としたものである。オフアクシス球面波参照光Ｒの光学系は上記と同じである。ビームスプリッタＢＳで９０°偏向された光の光路上には、９０°反射鏡Ｍ３、拡径用のレンズ３７，３８、９０°反射鏡Ｍ４、拡径したレーザ光のビームスポットを絞るためのレンズ３９、カバーガラス６１、および９０°偏向用のハーフミラーＨＭとを備えている。カバーガラス６１を通過した先には断層撮像のターゲットである半透明物体６の存在が想定されている。カバーガラス６１に入射する光は、照明光Ｑを構成する。カバーガラス６１の表面で後方に反射した光は、照明光Ｑを記録するための光として、９０°偏向用のハーフミラーＨＭで反射した後、受光素子４に入射する。受光素子４に入射する光（照明光Ｑ）は、オフアクシス球面波参照光Ｒと干渉して受光素子４の受光面に干渉縞を生成する。その干渉縞は、照明光Ｑを記録するオフアクシスホログラムＩｊＱＲとして記録部５に記録される。レンズ３９は、半透明物体６に入射する照明光Ｑのビームスポットの大きさを調整するためのものである。照明光Ｑは、半透明物体６における注目部位を照明して物体光Ｏを発生させることができる光として構成されていればよく、収束光に限らず発散光でもよい。また、照明光Ｑの情報だけを取得する場合には、カバーガラス６１に替えて、反射鏡を用いることができる。
【００４５】
物体光ＯのオフアクシスホログラムＩｊＯＲは、図４に示すデータ取得装置１０を用いて取得される。この図４のデータ取得装置１０は、図３に示した光学系３の構成において、カバーガラス６１の背後に半透明物体６を配置した構成になっている。カバーガラス６１を透過して半透明物体６に達した照明光Ｑが、半透明物体６の表面や内部で反射（後方散乱）する光が物体光Ｏとなる。物体光Ｏは、半透明物体６における個々の反射点から放たれ、カバーガラス６１を透過し、ハーフミラーＨＭで反射されて受光素子４に入射する。受光素子４に入射した物体光Ｏは、オフアクシス球面波参照光Ｒと干渉して受光素子４の受光面に干渉縞を生成し、オフアクシスホログラムＩｊＯＲとして記録される。
【００４６】
図５、図６、図７は、それぞれ、図２、図３、図４におけるハーフミラーＨＭと受光素子４の周辺の光伝搬の様子を示す。図５に示すように、球面波参照光Ｒは受光素子４に対して、光軸を傾けたオフアクシス配置とされており、球面波参照光Ｌは受光素子４に対して光軸を合わせたインライン配置とされている。図６に示す照明光Ｑのホログラムの取得は、図７における物体光Ｏのホログラムの取得と同時に行うことができる。照明光ＱのホログラムＩｊＱＲは、半透明物体６において物体光Ｏが発生する位置に到達する照明光Ｑの情報を取得することを目的としている。このような照明光Ｑの情報は、物体光Ｏから断層画像を生成するために使用される。すなわち、断層画像の作成には、物体光Ｏの情報だけでなく、物体光Ｏが発生する位置（断層画像を作成する位置）での照明光Ｑの位相を用いるので、その位相のデータが必要になる。
【００４７】
半透明物体６の表面における凹凸は、光を乱反射させるので、物体光Ｏの正確な測定に対する阻害要因となる。断層画像を生成するには、媒質中の物体光だけでなく照明光の位相も正確に再生する必要があるが、物体表面に凹凸がある場合、平面波展開を用いて物体光や照明光を再生すると凹凸に起因した誤差が生じ、正確な光波面再生ができなくなる。そこで、照明光Ｑや物体光Ｏを正確に記録し、再生するために、図６、図７に示すカバーガラス６１の平面が効果的に用いられる。この平面の平坦度は、その表面の凹凸変化が照明光Ｑの波長λ程度以下であればよい。これを言い換えれば、光の伝搬解析ができる照明光Ｑと物体光Ｏが得られる平坦度が必要である。照明光Ｑの情報と物体光Ｏの情報を別々のホログラムに記録する場合、カバーガラス６１に替えて、例えば、エレクトロクロミズムの原理に基づく調光ミラーデバイスを用いることができる。これにより、カバーガラス６１や半透明物体６の配置を操作することなく、調光ミラーデバイスによる反射と透光とを電気的に切り替えて、照明光Ｑの反射光だけを、物体光Ｏと分離して効率的に記録することができる。また、後述の偏光と偏光板を用いる方法（図１７参照）と組み合わせて、物体光Ｏを、照明光Ｑと分離して効率的に記録することができる。
【００４８】
カバーガラス６１の平面は、半透明物体６の内部と外界との境界を平面に保つことができる。また、図７に示すように、カバーガラス６１と半透明物体６との間に、液体やゼリー状の半透明物質６２を充填することにより、例えば、磨りガラスを水で濡らすときのように、半透明物体６の表面の凹凸の問題を解消することができる。すなわち、半透明物体６における自由空間との境界に半透明物質６２によって平面境界を構成し、照明光Ｑと物体光Ｏをそのような平面境界を通過させてホログラムを取得する。この場合、半透明物質６２の屈折率は、半透明物体６の表面の屈折率に合わせるのが好ましい。また、カバーガラス６１の上面には、例えば、光を通さない金属蒸着膜層などによって形成した、ピンホールマスク６３を設けることが好ましい。マスク６３の開口は、例えば、照明光Ｑを通過させる大きさに制限する。マスク６３により、半透明物体６の内部で発生する多重反射光などの擾乱光（バックグラウンド光）が受光素子４に入射するのを防止することができ、高品質のホログラムを取得できる。
【００４９】
（断層画像生成工程の詳細）
以下では、ホログラムの処理等について、数式表現を用いて説明する。各式中の係数、引数、添え字などは、一般的な表現と意味に解釈される。また、以下の各式において、位置座標（ｘ，ｙ）の明示、各波長λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎを区別する添え字ｊなどは、適宜省略される。ホログラムの取得には、参照光Ｒ，Ｌ、物体光Ｏ、照明光Ｑなどが関与する。そこで、受光素子４の受光面における位置座標（ｘ，ｙ）を用いて、参照光Ｒ（ｘ，ｙ，ｔ），Ｌ（ｘ，ｙ，ｔ）、物体光Ｏ（ｘ，ｙ，ｔ）、および照明光Ｑ（ｘ，ｙ，ｔ）を、それぞれ一般的な形で、下式（１）〜（４）のように表す。これらの光は、互いにコヒーレントな角周波数ωの光である。受光素子４の表面における干渉縞の光強度ＩＬＲ（ｘ、ｙ），ＩＯＲ（ｘ、ｙ），ＩＱＲ（ｘ、ｙ）は下式（５）（６）（７）となり、これらがホログラムとして記録される。
【００５０】
【数１】
2014054776.tif 000003
【００５１】
（フィルタリング工程Ｓ２）
上式（５）（６）（７）に空間周波数フィルタリングを適用して各式の右辺第３項のみを取り出す。空間周波数フィルタリングは、上式（５）（６）（７）を空間周波数空間における表現にするフーリエ変換と、バンドパスフィルタによるフィルタリングと、その後の、逆フーリエ変換とによって行われる。この工程により、参照光Ｒを記録した複素振幅ホログラムＪＬＲ、物体光Ｏを記録した複素振幅ホログラムＪＯＲ、および照明光Ｑを記録した複素振幅ホログラムＪＱＲが、下式（８）（９）（１０）に得られる。参照光Ｒ，Ｌとして球面波を用いると、空間周波数空間において、光強度成分および共役像成分から、直接像成分を分離することが、特に容易となる。なお、受光素子４における画素が画素ピッチｄで２次元配列されているとすると、受光素子４を用いて記録可能なホログラムの最大空間周波数は、ｆｓ＝１／ｄとなる。
【００５２】
【数２】
2014054776.tif 000004
【００５３】
（インライン化変調工程Ｓ３）
得られたＪＬＲによってＪＯＲ，ＪＱＲを割ると、式（９）（１０）から参照光Ｒの振幅Ｒ０と位相φＲとを取り除くことができる。この除算処理により、像再生に用いる物体光Ｏの複素振幅ホログラムＪＯＬ、および照明光Ｑの複素振幅ホログラムＪＱＬが、下式（１１）（１２）に得られる。この割り算の処理は、空間ヘテロダイン変調の処理であり、かつ、強度に対する処理でもあり、複素振幅ホログラムＪＯＲ，ＪＱＲから、参照光Ｒの成分（強度と位相の両方）を除去する処理である。
【００５４】
【数３】
2014054776.tif 000005
【００５５】
上式（１）（２）において、参照光Ｒをオフアクシス球面波参照光Ｒ、参照光Ｌをインライン球面波参照光Ｌとすると、オフアクシスホログラムＩＬＲ、オフアクシスホログラムＩＯＲ，ＩＱＲが得られ、これらから、それぞれ、インラインホログラムＪＯＬ，ＪＱＬが得られる。この場合のホログラムは、参照光Ｒ，Ｌが球面波であることから、大開口数を有する。すなわち、上記の除算処理により、像再生に用いる物体光Ｏの大開口数複素振幅インラインホログラムＪＯＬ、および照明光Ｑの大開口数複素振幅インラインホログラムＪＱＬが得られる。以下では、当面、このようなオフアクシス球面波参照光Ｒとインライン球面波参照光Ｌとを用いる場合について述べる。その後に、一般化した場合についても述べられる（図１５、図１６、図１９等）。
【００５６】
（光波計算工程Ｓ４）
光波計算工程（Ｓ４）では、まず、複素振幅インラインホログラムＪＯＬ，ＪＱＬに対し、インライン球面波参照光Ｌの位相φＬを用いて空間ヘテロダイン変調を行う。インライン球面波参照光Ｌの受光素子４の受光面における位相φＬ（ｘ，ｙ）は、光が球面波であることを用いて容易に関数式の形に求めることができる。位相φＬを用いる空間ヘテロダイン変調は、上式（１１）（１２）に、ｅｘｐ（ｉφＬ（ｘ，ｙ））を乗じることで実施される。この空間ヘテロダイン変調の結果、下式（１３）（１４）に示す物体光Ｏの複素振幅インラインホログラムｇ（ｘ，ｙ）、および照明光Ｑの複素振幅インラインホログラムｂ（ｘ，ｙ）が得られる。球面波の位相φＬ（ｘ，ｙ）が数学的に正確に求められるので、得られるホログラムｇ（ｘ，ｙ），ｂ（ｘ，ｙ）も数学的に正確なものとなる。
【００５７】
【数４】
2014054776.tif 000006
【００５８】
この複素振幅インラインホログラムｇ（ｘ，ｙ）は、受光素子４の受光面における物体光Ｏの波面、すなわち、受光面の法線方向にとられたｚ軸における受光面の位置をｚ＝０としたときのｚ＝０における物体光の光波分布を表す。同様に、複素振幅インラインホログラムｂ（ｘ，ｙ）は、受光素子４の受光面における照明光Ｑの光波分布を表す。球面波参照光Ｒ，Ｌを用いて大開口数でホログラムを記録することにより、非球面波参照光を用いる場合よりも、空間周波数帯域を狭くすることができる。開口数が大きくなればなるほど、物体光や照明光を表すホログラムｇ（ｘ，ｙ），ｂ（ｘ，ｙ）の空間周波数帯域は広くなる。ホログラムｇ（ｘ，ｙ），ｂ（ｘ，ｙ）の空間変化は、凸レンズによるニュートンリングのごとく、ホログラム中心から離れるにつれて大きくなりホログラムの端で最大になる。ホログラムの開口数ＮＡおよび光波長λを用いると、ホログラムｇ（ｘ，ｙ），ｂ（ｘ，ｙ）の最大空間周波数はＮＡ／λで表される。
【００５９】
（平面波展開）
ｚ軸上の任意位置での波面は、以下に示す平面波展開法によって、受光面上のホログラムｇ（ｘ，ｙ），ｂ（ｘ，ｙ）から再生することができる。平面波展開法は、各複素振幅インラインホログラムｇ，ｂをフーリエ変換した結果である変換関数Ｇ，Ｂを求め、平面波の分散関係を満たす空間周波数（ｕ，ｖ，ｗ）および変換関数Ｇ，Ｂを用いて物体光Ｏ、および照明光Ｑを、平面波の重ね合わせによって再生する方法である。電磁波に関するヘルムホルツ方程式の厳密解として球面波と平面波がある。この厳密解である平面波を用いて物体光Ｏや照明光Ｑを記録したホログラムを展開すると、それらの光の正確な光波面を再生できる。そこで、まず、上式（１３）（１４）のｇ（ｘ，ｙ），ｂ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換して、ｚ＝０における変換関数Ｇ，Ｂを、下式（１５）（１６）のように求める。この変換関数Ｇ，Ｂは、それぞれ、物体光Ｏおよび照明光Ｑの空間周波数スペクトルである。
【００６０】
【数５】
2014054776.tif 000007
【００６１】
次に、平面波の分散関係を満たす空間周波数（ｕ，ｖ，ｗ）および上記の変換関数Ｇ，Ｂを用いて、下式（１７）（１８）に示すように、ｚ＝ｚＰにおけるｘｙ平面上の物体光Ｏと照明光Ｑの光波ｈ（ｘ，ｙ），ｃ（ｘ，ｙ）を再生する。これらの再生光波、例えば、光波ｈ（ｘ，ｙ）は、物体光Ｏの空間周波数スペクトルである変換関数Ｇの重み付けによって平面波を重ね合わせることにより求められる。光波ｃ（ｘ，ｙ）についても同様である。ｚＰは任意の値とすることができる。ここで、（ｕ，ｖ，ｗ）におけるｕ，ｖはそれぞれｘ，ｙ方向の空間周波数である。また、ｚ方向の空間周波数ｗは、下式（１９）に示すように、平面波の分散式から求められる。式（１９）におけるλは光波長であり、ｎは、半透明物体６中の光路を含む光路における光の屈折率である。
【００６２】
【数６】
2014054776.tif 000008
【００６３】
式（１７）の光波ｈ（ｘ，ｙ）は、受光素子４の受光面における境界条件ｇ（ｘ，ｙ）を満たすヘルムホルツ方程式の厳密解である。光波ｃ（ｘ，ｙ）についても同様である。ここで、光波ｃ（ｘ，ｙ）の位相成分ξを、ξ＝ｃ／｜ｃ｜によって求めておく。再生光波のうち、例えば、物体光Ｏの光波ｈ（ｘ，ｙ）は、その絶対値の２乗｜ｈ（ｘ，ｙ）｜２によって求めた画素毎の光の強度を電子ディスプレイに表示することにより、無歪の画像を見ることができる。無歪の画像は、物体光Ｏと受光素子４との間に結像レンズを設けないことによって実現される。式（１７）におけるｚ＝ｚＰの値を変えることにより、記録された３次元画像中の任意の位置の画像を表示することができる。
【００６４】
（位相調整工程Ｓ５）
この工程は、断層画像を生成するための重要な工程である。位相調整工程（Ｓ５）は、物体光Ｏの光波ｈ（ｘ，ｙ）から、照明光Ｑの光波ｃ（ｘ，ｙ）の位相成分を除去する工程である。位相成分の除去は、光波ｈ（ｘ，ｙ）を位相成分ξによって除算して、位相調整再生光波ｈ／ξ、すなわち、ｈ／（ｃ／｜ｃ｜）を求めることで実施される。上述の各工程（Ｓ１乃至Ｓ５）の処理は、各波長λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎの光について行われる。このことを明示して位相調整再生光波ｈ／ξを表示すると、ｈｊ／ξｊ，ｊ＝１，・・，Ｎとなる。
【００６５】
物体光Ｏｊの再生光波ｈｊ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））を用いるようにしてもよい。例えば、断層画像撮像の対象である半透明物体６の事前の測定、撮像条件、蓄積された情報等に基づいて、補正用の関数χｊ（ｘ，ｙ）を求めておき、位相シフト関数ｅｘｐ（ｉχｊ（ｘ，ｙ））を再生光波ｈｊに乗算すればよい。必要ならば、照明光Ｑｊの反射光に基づく再生光波ｃｊについても、同様の補正を行うことができる。また、物体光の再生光波ｈｊと照明光の再生光波ｃｊとをそれぞれ求める際に、半透明物体６中の光路を含む全光路における平均的な光の分散特性に基づいて、それぞれ色収差を補正するようにしてもよい。このような分散特性は、半透明物体６の事前の測定、撮像条件、蓄積された情報等に基づいて求めることができ、この色収差の補正により、画像品質を、より高めることができる。
【００６６】
（光波総和工程Ｓ６と光強度計算工程Ｓ７）
これらの工程において、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および断層画像ＳＰが、下式（２０）（２１）のように生成される。位相成分ξによる位相調整を経て再生面上の画像のみを切り出すことができるので、他の位置からの物体光による擾乱のない、高画質の断層画像を得ることができる。また、座標ｚＰを変えながら作成した断層画像を蓄積すると、３次元体積画像Ｖ＝｛ＳＰ（ｘ，ｙ，ｚＰ），Ｐ＝１，・・，ｍ｝のデータや３次元体積データＶｈ＝｛ＨＰ，Ｐ＝１，・・，ｍ｝を得ることができ、これらの体積画像データを使って任意位置や任意方向の断層画像を作成することができる。
【００６７】
【数７】
2014054776.tif 000009
【００６８】
（光波の重ね合わせについて）
ここで、図８、図９を参照して、各波長λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎの光波の重ね合わせ（合成）について説明する。図８に示すように周波数掃引間隔（分割幅）δｆで互いに周波数値が異なる有限個（Ｎ個）のｚ方向に伝搬する光波を重ねる。空間周波数帯域幅Δｆは、最大波長λｍａｘと最小波長λｍｉｎとを用いてΔｆ＝（１／λｍｉｎ−１／λｍａｘ）＝（Ｎ−１）δｆとなる。最大波長λｍａｘを対応する最小空間周波数ｆｍｉｎ＝１／λｍａｘで表わす。ここで、重ね合わせる光波として物質中で照明光の反射波として発生する物体光を考える。すなわち、照明光の周波数を、周波数ｆｍｉｎから掃引間隔δｆずつ増加させながら、Ｎ回、物体光の波面を記録して重ね合わせたとする。有限個の物体光を合成した合成波の強度分布は、図９に示すように、パルス間隔Δｚ＝１／（２δｆ）、パルス幅δｚ＝Δｚ／Ｎのパルス列となる。空間周波数帯域幅Δｆが狭い場合は、周波数掃引と波長掃引とが、互いに近似的に線形関係になる。
【００６９】
この物体光の合成波を数式で説明するために、各波長の物体光を定式化する。一般に、ｚ軸方向の空間周波数ｆの照明光を位置ｚＰの物体と位置ｚの物体とに照射して反射による物体光が発生したとき、ｚ軸と反対の方向に反射する２つの物体光の位相差は４πｆ（ｚ−ｚＰ）になる。一方、照明光と反射光とは、物体光の発生位置で同位相になる。従って、位置ｚの物体からの反射光と照明光の位相差は位置ｚＰにおいて４πｆ（ｚ−ｚＰ）となる。物体光が反射光であることにより、その位相変化量は２πｆ（ｚ−ｚＰ）の２倍になる。物体光は照明光を用いて位相調整した後の位置ｚの物体中からの反射光と仮定し、また、物体光の発生効率と振幅が一定であると仮定する。すると、合成される各反射光は、下式（２２）のように定式化される。下式（２２）の物体光を重ね合わせた合成波は、等比級数の和の公式を用いて和を求めて変形すると、下式（２３）で与えられる。下式（２４）（２５）は、式（２３）の右辺の２項を分離したものであり、それぞれ、振幅と位相を表す。下式（２６）（２７）は、それぞれパルス間隔（周期）Δｚ、パルス幅δｚを表す。
【００７０】
【数８】
2014054776.tif 000010
【００７１】
上式（２４）はディリクレ核と呼ばれる関数であり、この関数の２乗のグラフは、図９に示すように、パルス列を表し、Ｎを大きくとれば周期的なデルタ関数、くし形関数に近づく。図９は、Ｎ＝２０の場合の例である。上式（２５）の位相の式において、｛ｆｍｉｎ＋Δｆ／２｝（これをｆｃとする）は、掃引周波数の中央値である。従って、上式（２３）で表される合成波のホログラムである断層ホログラムＨＰから得られる物体光の位相分布は、この周波数ｆｃを中央値として持つパルス波の光を用いて記録した物体光の位相分布と等しくなる。言い換えれば、断層ホログラムＨＰは、照明光と参照光が周波数の中央値としてｆｃを有するパルス光であり、かつ、そのパルス光のパルス幅（またはコヒーレント長）が２δｚであるという光を用いて記録したホログラムと同等である。この特徴に関して、さらに後述する（図２０、図２１参照）。
【００７２】
上式（２６）のパルス間隔Δｚは、上式（２４）の２乗の関数の周期である。上式（２７）のパルス幅δｚは、通常行われるように、上式（２４）の２乗の関数が最大値をとる点と最初に最小値をとる点の間隔として求めている。パルス幅δｚは、断層画像として表される断層の厚さに対応しており、深さ方向に試料（半透明物体６）の構造を分離できるｚ方向分解能（縦分解能）を表す指標となる。断層画像は、深さ方向にパルス間隔Δｚだけ離れた位置ｚ＝ｚＰ＋ｋΔｚ（ｋは整数）に周期的に現れる。従って、ある深さの断層画像を周期的に現れるその他の深さの断層画像と完全に分離して観察する場合には、試料の厚さをパルス間隔Δｚ未満にすればよい。
【００７３】
図９について、さらに説明する。パルス（光強度のピーク）は、各波長の光の位相が揃った位置に発生する。逆に、任意の位置で、位相を揃えることにより、その位置にパルスを発生させることができる。位相を揃えてパルスを発生させることは、そのパルスの位置以外の光強度を抑制することを意味する。そこで、この原理に基づいて、ｚ軸上の任意の位置ｚｐにおいて断層ホログラムＨＰが求められる。位相を合わせる手段として、物体光Ｏが発生する位置における照明光Ｑの位相情報が用いられる。これにより、他の位置で発生した物体光による擾乱を除くことができる。位置ｚＰからパルス間隔Δｚずつ離れた位置に、他のパルスが現れるが、それらのパルス位置における像は焦点の合っていないぼけた像となる。このような物体光の合成波の周期性の結果、パルス間隔Δｚ内で、パルス幅δｚの間隔ｚ（Ｐ＋１）−ｚＰ＝δｚで、断層ホログラムＨＰ（ｘ，ｙ，ｚＰ），Ｐ＝１，・・，ｍを取得すると、この場合ｍ＝Ｎであり、この１周期分の断層ホログラムＨＰによって、記録されたホログラムに含まれる全空間の断層画像が得られる。
【００７４】
さらに述べると、空間を伝搬する平面波パルスレーザ光または球面波パルスレーザ光は波長の異なる多数の平面波または球面波に展開できる。逆に、波長の異なる多数の平面波または球面波の重ね合わせによって空間伝搬するパルスレーザ光を合成することができる。そこで、上述のように、ある平面上で位相が同期した多種波長の光を重ね合わせると、その平面上で光強度がピークになるような周期的なパルス波が形成される。このようなピークを生成する操作により、特定の断層に注目した断層画像が得られる。パルスの空間周期であるパルス間隔ΔｚはΔｚ＝１／（２δｆ）であり、周波数掃引間隔（分割幅）δｆが狭いほど広くなる。また、パルス幅δｚは、δｚ＝Δｚ／Ｎであり、異波長光波の数Ｎが多いほど、狭くなる。パルス幅δｚは、半透明物体６の深さ方向における断層画像の厚さに相当すると考えることができる。厚さが薄いほど、深さ方向について高分解能となる。波長可変レーザ光を用いて多種波長のホログラムを記録することにより、多種波長再生光の計算機合成によってホログラムからパルス幅δｚで切り取られた断層画像が再生される。
【００７５】
上述したように、パルス波の分解と合成という相補的な考えに基づいて、例えば、パルス幅（コヒーレント長）が２δｚのパルス光からなる参照光Ｒ，Ｌ、および照明光Ｑを用いて、反射光である物体光Ｏを取得することにより、縦方向の測定精度がδｚの断層画像ＳＰが得られる。測定精度がパルス幅２δｚの半分になるのは、ある物体の長さを巻き尺で測定する場合、その物体の一端に巻き尺の端を固定し、その物体の他端まで行って折り返すことにより物体の２倍の長さを測定し、その測定値の半分を物体の長さとして求めると、測定精度は往復しない場合の２倍に向上することに例えられる。これは、２倍に拡大された物体の両端間の長さの測定値の半分を物体の長さとして求める場合と同じである。いずれにしても、物差しとしてのパルス光による測定精度がパルス幅２δｚである場合、往復パルス光（行きは照明光Ｑ、帰りは反射光Ｏ）による測定精度は２倍に向上してδｚとなる。
【００７６】
（画像の高分解能化）
図１０、図１１（ａ）（ｂ）は画像の横方向の分解能の高分解能化、すなわち、断層画像の面内分解能の向上について示す。この高分解能化は、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ことで実現される。上述した複素振幅インラインホログラムＪｊＯＬ，ＪｊＱＬは、球面波参照光Ｒ，Ｌを用いて、また、結像レンズを用いることなく求められている。従って、空間サンプリング間隔を細分化して光波長程度まで小さくするように画像を拡大しても歪みは発生しない。そこで、図１０に示すように、この高分解能化の処理工程は、実質的に画素数を増やす画素数増大工程（Ｓ１１）と、空間変調工程（Ｓ１２）と、変換関数生成工程（Ｓ１３）と、平面波展開工程（Ｓ１４）と、を備えている。これらの工程（Ｓ１１乃至Ｓ１４）は、図１に示した光波計算工程（Ｓ４）に対する分解能についての改良版になっている。
【００７７】
画素数増大工程（Ｓ１１）では、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、受光素子４の画素ピッチｄに対応する空間サンプリング間隔ｄを有する複素振幅インラインホログラムＪｊＯＬ，ＪｊＱＬに対して、空間サンプリング間隔ｄを細分化して空間サンプリング間隔δとする。その後、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。データ補間の方法として、画像処理における周知の３次式によるデータ補間やｓｉｎｃ関数によるデータ補間を用いることができる。データ補間としてｓｉｎｃ補間を用いれば、３次式を用いた補間に比べて数値計算に時間がかかるが、より正確な結果を得ることができる。複素振幅インラインホログラムＪｊＯＬ，ＪｊＱＬに対してデータ補間によって画素数を増やした結果を複素振幅インラインホログラムＫｊＯＬ，ＫｊＱＬと表すことにする。なお、受光素子４の画素ピッチｄは、画素の配列方向（ｘｙ方向）で互いに異なってもよく、空間サンプリング間隔δも画素の配列方向で互いに異なるものとすることができる。
【００７８】
空間変調工程（Ｓ１２）では、複素振幅インラインホログラムＫｊＯＬ，ＫｊＱＬに対し、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。これにより、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（受光素子４の受光面、ｚ＝０）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。
【００７９】
変換関数生成工程（Ｓ１３）では、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を求める。平面波展開工程（Ｓ１４）では、平面波の分散関係を満たす空間周波数（ｕ，ｖ，ｗ）および変換関数Ｇｊ，Ｂｊを用いて物体光Ｏｊと照明光Ｑｊとを平面波展開し、再生光波ｈｊ，ｃｊを生成する。これらの再生光波ｈｊ，ｃｊを用いて再生される画像は、分解能がｄ／δ倍に高められた画像であり、歪みなしで倍率ｄ／δ倍に拡大された像を得ることができる。画像の大きさ（絶対寸法）は、画素ピッチｄを物差しとして計測される。
【００８０】
（画像再生の高速化）
図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）、図１３（ａ）（ｂ）、図１４は、断層画像生成方法において計算量を削減できる高速化処理について示す。上述のように、複素振幅インラインホログラムＪｊＯＬ，ＪｊＱＬから高分解能な再生光を再生することができるので、平面波展開を用いて高分解能画像を再生するために、空間サンプリング間隔を光波長程度まで狭くする。このとき、例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて、妥当な計算時間のもとで数値計算が可能となる範囲に、サンプリングデータ数を抑える必要がある。逆に、計算時間の短縮が図られるならば、サンプリングデータ数をさらに増加させることができ、より高分解能で無歪画像を再生することができる。ところで、互いに周波数帯域の異なるデータは、波の重ね合わせの原理によると、互いに足し合わせた状態で計算処理をすることができる。すなわち、異なる周波数帯域に記録されたそれぞれの情報は空間的に重ねても失われずに保存され、このことを利用することにより、周波数帯域の広いホログラムを重ねて広帯域でコンパクトな「微小ホログラム」を作成することができる。また、複素振幅インラインホログラムＪｊＯＬ，ＪｊＱＬや複素振幅インラインホログラムｇｊ（ｘ，ｙ），ｂｊ（ｘ，ｙ）は、これらを分割しても、その分割した各領域に画像を再生するための情報を保持している。
【００８１】
そこで、図１２（ａ）に示すように、例えば、物体光複素振幅インラインホログラムｇｊ（ｘ，ｙ）を幅Δ，Δ’の数枚の微小ホログラムｇｊｉに分割し、図１２（ｂ）（ｃ）に示すように、各微小ホログラムｇｊｉを互いに重ね合わせて合成微小ホログラムΣｊを生成する。この合成微小ホログラムΣｊに対して、上述の式（１５）（１７）（１９）に基づく計算を行えば、計算時間の短縮が図られる。図１３（ａ）は、幅Ｄの物体光複素振幅インラインホログラムｇｊ（ｘ，ｙ）を幅Δの微小ホログラムｇ１，ｇ２，ｇ３に分割する様子を示す。この物体光複素振幅インラインホログラムｇｊ（ｘ，ｙ）は、１枚で再生像６０を再生する。このような物体光複素振幅インラインホログラムｇｊ（ｘ，ｙ）を、図１３（ｂ）に示すように、幅Δだけずらしながら重ねたホログラムは、幅Δの周期を有する周期的なホログラムになり、多数の同じ再生像６０を幅Δの間隔ごとに再生することができる。計算点数は、重ね合わせた微小ホログラムｇｊｉの枚数の逆数分に圧縮される。つまり、ｎ枚重ねると、計算量は、１／ｎになる。照明光複素振幅インラインホログラムｂｊ（ｘ，ｙ）についても同様である。
【００８２】
図１４に示す分割工程（Ｓ２１）、合成工程（Ｓ２２）、変換関数生成工程（Ｓ２３）の全体は、図１０に示した変換関数生成工程（Ｓ１３）に対する計算速度についての改良版である。分割工程（Ｓ２１）では、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、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を生成する。合成工程（Ｓ２２）では、微小ホログラムｇｊｉ，ｉ＝１，・・，ｎを互いに重ねて合成した合成微小ホログラムΣｊを求め、微小ホログラムｂｊｉ，ｉ＝１，・・，ｎを互いに重ねて合成した合成微小ホログラムΠｊを求める。変換関数生成工程（Ｓ２３）では、合成微小ホログラムΣｊ，Πｊをそれぞれフーリエ変換して変換関数Ｇｊ（ｕ，ｖ），Ｂｊ（ｕ，ｖ）を求める。フーリエ変換による変換関数Ｇｊ（ｕ，ｖ），Ｂｊ（ｕ，ｖ）を一度求めておけば、任意の距離ｚ＝ｚＰにおける光波ｈｊ（ｘ，ｙ，ｚＰ），ｃｊ（ｘ，ｙ，ｚＰ）は式（１７）（１８）より求められる。
【００８３】
このような画像再生方法によると、ＦＦＴを用いた数値計算により、自由焦点画像を容易かつ精度良く、高速に再生することができる。微小ホログラムｇｊｉ，ｂｊｉの幅Δは、複素振幅インラインホログラムｇｊ（ｘ，ｙ），ｂｊ（ｘ，ｙ），の大きさ（幅Ｄ）や形状とは無関係に再生画像の大きさに合わせて設定することができる。分割の幅Δが、再生画像の大きさより小さくなると、再生像が隣同士で重なって再生される。従って、例えば、被写体の寸法が０．５ｍｍならば、幅Δは０．５ｍｍよりは大きな寸法にする。
【００８４】
（高分解能化と計算高速化の他の方法）
上記では、図１０の画素数増大工程（Ｓ１１）、空間変調工程（Ｓ１２）の後に、図１４の分割工程（Ｓ２１）、合成工程（Ｓ２２）、変換関数生成工程（Ｓ２３）を実施する方法を示した。これらの実施順番はこれに限定されるものではなく、例えば、画素数増大工程を合成工程の後に実施するように変更することができる。すなわち、空間変調工程、分割工程、合成工程、画素数増大工程、変換関数生成工程の順番に実施して、（ＪｊＯＬ，ＪｊＱＬ）から順番に（ｇｊ，ｂｊ），（ｇｊｉ，ｂｊｉ），（Σｊ，Πｊ），（ＫｊΣ，ＫｊΠ），（Ｇｊ，Ｂｊ）を生成するようにすることができる。ここで、（ＫｊΣ，ＫｊΠ）は、（Σｊ，Πｊ）の画素数を実質的に増大したホログラムである。
【００８５】
（ホログラフィック断層画像用のデータ取得方法）
図１５乃至図１８は、一実施形態に係るホログラフィック断層画像用のデータ取得方法を示す。図１５に示すように、このデータ取得方法は、照明光Ｑ、参照光Ｒ、およびインライン参照光Ｌの波長を変えた光Ｑｊ，Ｒｊ，Ｌｊ，ｊ＝１，・・，Ｎを用いて、波長掃引ループＬＰｓ−ＬＰｅを実行する。波長掃引ループＬＰｓ−ＬＰｅの中で、各波長毎に、物体光のホログラムＩｊＯＲを記録する工程（＃１）、照明光のホログラムＩｊＱＲを記録する工程（＃２）、参照光をオフアクシスホログラムＩｊＬＲに記録する工程（＃３）を、実行する。工程（＃１）では、照明光Ｑｊにより物体を照明し、その物体から放たれる物体光Ｏｊを参照光Ｒｊを用いてホログラムＩｊＯＲに記録する。工程（＃２）では、参照光Ｒｊを用いて照明光ＱｊをホログラムＩｊＱＲに記録する。工程（＃３）では、インライン参照光Ｌｊを用いて参照光ＲｊをオフアクシスホログラムＩｊＬＲに記録する。各波長毎のホログラムＩｊＯＲ，ＩｊＱＲ，ＩｊＬＲ，ｊ＝１，・・，Ｎのデータがホログラフィック断層画像用として取得される。
【００８６】
図１６は、上述の図１５に示したデータ取得方法の変形例を示す。この変形例によるデータ取得方法は、上述の工程（＃１）と工程（＃２）に替えて、これらの工程を同時に実行する工程（＃１２）を備えている。すなわち、工程（＃１２）では、物体の手前に透過鏡を配置し、透過鏡を通して照明光Ｑｊにより物体を照射し、透過鏡を透過した物体光Ｏｊと、透過鏡によって反射された照明光Ｑｊとが、１枚の共通ホログラムＩｊＯＱＲに同時に記録される。物体光ＯｊのホログラムＩｊＯＲのデータと照明光ＱｊのホログラムＩｊＱＲのデータは、後処理によって共通ホログラムＩｊＯＱＲから互いに分離される。
【００８７】
図１７は、共通ホログラムＩｊＯＱＲを記録する際に、受光素子４が受光する物体光Ｏと照明光Ｑの両者の光強度を光の偏光を用いて調節することについて示す。半透明物体６から放たれる物体光Ｏは一般に広い指向性を持ち、また、発生効率が低いので、受光素子４に到達する物体光Ｏの強度は照明光Ｑに比べて小さくなる。透明度の高い試料を記録する場合には、物体の内部から反射して来る物体光Ｏはさらに弱くなる。このような弱い物体光Ｏを照明光Ｑと同時に記録するためには、受光素子４に到達する照明光Ｑを大幅に減衰させて物体光Ｏと同じ程度になるまで光強度を小さくする必要がある。
【００８８】
そこで、照明光Ｑを方向Ｐｑに偏光させ、参照光Ｒを方向Ｐｒに偏光させ、受光素子４に入射する照明光Ｑと参照光Ｒとを互いに直交する偏光状態とする。受光素子４の前方には、偏光板ＰＰを配置する。共通ホログラムＩＯＱＲの記録は、物体光Ｏと照明光Ｑの反射光とを偏光板ＰＰを透過させることによって照明光Ｑの反射光を減衰させた状態で行う。偏光板ＰＰは方向Ｐｐに偏光した光を透過させるものとすると、偏光板ＰＰの配置した位置において、方向Ｐｐと照明光Ｑの偏光の方向Ｐｑとの角度を直角に近づけることにより、参照光Ｒは減衰させずに、照明光Ｑだけを大きく減衰させることができる。また、物体光Ｏは、その発生時にランダムな偏光状態になると考えられるので、偏光板ＰＰの影響を受けないと考えられる。参照光Ｒは、本来、独立にその強度を調整できる。従って、参照光Ｒと物体光Ｏに対して照明光Ｑの強度を適切に調整した状態の光を、受光素子４に入射させることができる。このような偏光と偏光板ＰＰとを用いるデータ取得方法により、物体光Ｏの光強度を保ちながら、受光素子４のダイナミックレンジを確保することができ、鮮明なホログラムを記録することができる。
【００８９】
図１８は、共通ホログラムＩｊＯＱＲを取得し、その共通ホログラムＩｊＯＱＲから物体光ＯｊのホログラムＩｊＯＲのデータと照明光ＱｊのホログラムＩｊＱＲのデータとを分離して取得するデータ取得方法を示す。共通ホログラムＩｊＯＱＲは、例えば、カバーガラス６１を半透明物体６の表面に配置し、カバーガラス６１の奥方で集光する光を照明光Ｑとして用いて取得される。カバーガラス６１は、透過鏡として用いられる。照明光Ｑは、ｚ軸方向に伝搬し、一部はカバーガラス６１の表面で反射して照明光Ｑ’となり、残りの照明光Ｑは半透明物体６の内部に侵入し、カバーガラス６１の表面位置ｚ＝ｚｍから距離Ｆの位置ｚ＝ｚｍ＋Ｆで集光し、その後、発散しながら物体６の内部を伝搬する。内部の照明光Ｑは、物体６の各位置で反射されて物体光Ｏとなる。図中の物体６中の２つの三角領域では、互いに逆向きに伝搬する照明光Ｑと物体光Ｏとが存在する。位置ｚ＝０に配置した受光素子に伝搬してきた照明光Ｑ’と物体光Ｏとは、参照光との干渉によって、共通ホログラムＩｊＯＱＲとして記録される。
【００９０】
共通ホログラムＩｊＯＱＲには、位置ｚ＝ｚｍ−Ｆで集光する反射による照明光Ｑ’と、位置ｚ＝ｚｍ−Ｆで広く分散している物体光Ｏとが重なって記録されている。そこで、共通ホログラムＩＯＱＲから、位置ｚ＝ｚｍ−Ｆにおいて再生光を生成することにより、その再生光を点状に集まった照明光Ｑ’とそれ以外の広がった物体光Ｏとに分離することができる。分離した照明光Ｑ’と物体光Ｏとを用いて、照明光Ｑ’のホログラムＩＱＲのデータと物体光ＯのホログラムＩＯＲのデータとを取得できる。点状となった照明光Ｑ’を位置ｚ＝ｚｍまで伝搬させ、さらにカバーガラス６１を通過させ、物体６中に伝搬させると、カバーガラス６１の表面における反射による照明光Ｑ’、および、物体６の内部に伝搬する照明光Ｑを計算できる。その表面の反射率をγとすると、照明光Ｑが、Ｑ＝Ｑ’／γにより求まる。このようにして、照明光Ｑ’のデータから、照明光Ｑの情報、すなわち、物体光Ｏが生成された位置における内部の照明光Ｑの情報が得られる。物体内部の照明光Ｑのデータは、物体光Ｏの位相調整に用いられる。
【００９１】
（一般化したホログラフィック断層画像生成方法）
図１９、図２０、図２１は、一般化したホログラフィック断層画像生成方法を示す。図１９に示すように、入力工程（＃１００）において、所定のホログラムデータが与えられ、次の生成工程（＃２００）において、与えられたデータを用いて断層ホログラムＨＰを求め、その断層ホログラムＨＰを用いて特定の再生面ｚ＝ｚＰにおける断層画像ＳＰ＝｜ＨＰ｜２を生成する。工程（＃１００）では、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、照明光Ｑｊにより物体を照明し、参照光Ｒｊを用いて記録した、物体から放たれる物体光ＯｊのホログラムＩｊＯＲと照明光ＱｊのホログラムＩｊＱＲと、が各波長λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ毎に与えられる。
【００９２】
工程（＃２００）では、物体光Ｏｊが発生する位置における物体光Ｏｊの位相と照明光Ｑｊの位相とが同じであることに基づいて、ホログラムＩｊＯＲ，ＩｊＱＲ，λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎを用いて、特定の再生面ｚ＝ｚＰにおける物体光Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎの加算によるホログラムである断層ホログラムＨＰが求められる。この断層ホログラムＨＰは、次の基本原理に基づく。物体光Ｏｊは、物体内部の各点で生じる反射光が重なり合った光であり、物体光Ｏｊを形成する各反射光の位相は、その反射光が発生する位置において、その反射光を生成する照明光Ｑｊと同位相になる。求められた断層ホログラムＨＰを用いて、特定の再生面ｚ＝ｚＰにおける断層画像ＳＰ＝｜ＨＰ｜２が生成される。
【００９３】
図２０は、上述の図１９に示した断層画像生成方法の変形例を示す。この断層画像生成方法は、断層ホログラムＨＰを生成した工程（＃２００）の後に、断層ホログラムＨＰを用いて、再生面ｚ＝ｚＰから離れた近傍位置における近傍ホログラムＨＰｄを求めて近傍断層画像ＳＰｄ＝｜ＨＰｄ｜２を生成する工程（＃３００）を実行する。近傍ホログラムＨＰｄは、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におけるホログラムである。パルス幅δｚについては、式（２７）参照。
【００９４】
断層ホログラムＨＰは、上述の光波の重ね合わせの式（２３）に関連して述べたように、照明光と参照光が掃引周波数の中央値ｆｃの周波数を持つパルス光であり、かつ、そのパルス光のパルス幅（コヒーレント長）が２δｚである、という光を用いて記録したホログラムと同等である。断層ホログラムＨＰがこのような性質を有するホログラムであるので、断層ホログラムＨＰを用いて、再生面ｚ＝ｚＰの前後におけるホログラムである近傍ホログラムＨＰｄを導出できる。近傍ホログラムＨＰｄは、上述の図１に示した波長掃引ループＬＰｓ−ＬＰｅ（Ｓ２〜Ｓ５）や光波総和工程Ｓ６を行うことなく、従って、位相調整工程Ｓ５を行うことなく、導出することができる。近傍ホログラムＨＰｄの導出は、断層ホログラムＨＰに、上述の式（１５）（１７）に示された平面波展開を適用することによって実現される。このようなホログラフィック断層画像生成方法によると、３次元体積データＶｈ＝｛ＨＰ，Ｐ＝１，・・，ｍ｝や３次元体積画像Ｖ＝｛ＳＰ（ｘ，ｙ，ｚＰ），Ｐ＝１，・・，ｍ｝のデータを補間した高密度のデータを、効率的に得ることができる。
【００９５】
図２１は、上述の図１９に示した断層画像生成方法の他の変形例を示す。この断層画像生成方法は、断層ホログラムＨＰを生成した工程（＃２００）の後に、断層ホログラムＨＰを用いて、再生面ｚ＝ｚＰからパルス列の周期Δｚの倍数だけ離れた超周期位置における超周期ホログラムＨＰｋを求めて超周期断層画像ＳＰｋ＝｜ＨＰｋ｜２を生成する工程（＃４００）を実行する。超周期ホログラムＨＰｋは、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の整数倍だけ離れた超周期再生面ｚ＝ｚＰ＋ｋΔｚ（ｋは整数）におけるホログラムである。周期（パルス間隔）Δｚについては、式（２６）参照。
【００９６】
超周期ホログラムＨＰｋは、上述の近傍ホログラムＨＰｄの場合と同様に、位相調整工程Ｓ５や光波総和工程Ｓ６を行うことなく、断層ホログラムＨＰに、上述の式（１５）（１７）に示された平面波展開を適用することによって、効率的に導出される。この断層画像生成方法は、半透明物体６の厚さが周期Δｚより厚い場合の記録ホログラムに有効的に適用される。このようなホログラフィック断層画像生成方法によれば、断層ホログラムＨＰから超周期ホログラムＨＰｋを求めて、３次元体積データＶｈ＝｛ＨＰ，Ｐ＝１，・・，ｍ｝や３次元体積画像Ｖ＝｛ＳＰ（ｘ，ｙ，ｚＰ），Ｐ＝１，・・，ｍ｝のデータを周期外に補外した大域データを、効率的に得ることができる。なお、この超周期ホログラムＨＰｋの導出は、上述の近傍ホログラムＨＰｄの導出と組み合わせて実行することができる。このホログラフィック断層画像生成方法は、半透明物体だけでなく非透明物体についても適用できる。非透明物体の場合、照明光Ｑで照射された表面、すなわち外形の断層画像が得られる。
【００９７】
（ホログラフィック断層顕微鏡）
図２２は本発明の一実施形態に係るホログラフィック断層顕微鏡（以下、断層顕微鏡１という）を示す。断層顕微鏡１は、波長掃引光を用いて半透明物体６のホログラムを取得するデータ取得部１０と、データ取得部１０によって取得されたホログラムから断層画像を生成する断層画像生成部１１と、を備えている。データ取得部１０は、光源２と、光学系３と、受光素子４と、記録部５とを備えている。光源２は、コヒーレント光を放射する波長掃引型のレーザであり、波長を、例えば、一定周波数間隔で変えて、各波長λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎの光を放射する。データ取得部１０は、図２乃至図７に例示されている。
【００９８】
光学系３は、光源２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、これらの光と照明光Ｑによって照明される半透明物体６から放たれる物体光Ｏとを伝搬させる。受光素子４は、光強度を電気信号に変換して記録部５に出力する。記録部５は、物体光Ｏとオフアクシス球面波参照光Ｒとの干渉縞ＩＯＲ、照明光Ｑとオフアクシス球面波参照光Ｒとの干渉縞ＩＱＲ、および、オフアクシス球面波参照光Ｒとインライン球面波参照光Ｌとの干渉縞ＩＬＲを、光源２が放射する各波長λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎの光毎に、受光素子４を用いてホログラムＩｊＯＲ，ＩｊＱＲ，ＩｊＬＲ，ｊ＝１，・・，Ｎとして記録する。記録用のホログラムのデータは、データベースＤＴ１に保存される。
【００９９】
断層画像生成部１１は、フィルタリング部１１ａと、インライン化変調部１１ｂと、断層画像計算部１１ｃ（１２）と、表示部１１ｄと、を備えている。フィルタリング部１１ａは、記録部５によって記録されたホログラム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、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、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。
【０１００】
インライン化変調部１１ｂは、フィルタリング部１１ａによって生成された各複素振幅オフアクシスホログラムＪｊＯＲ，ＪｊＱＲのデータを、フィルタリング部１１ａによって生成された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。断層画像計算部１１ｃ（１２）は断層ホログラムＨＰと断層画像ＳＰを求める(下記に詳述)。表示部１１ｄは、液晶表示装置などのＦＰＤであり、画像を表示する。
【０１０１】
断層画像計算部１１ｃ（１２）は、光波計算部１２ａ（１３）と、位相調整部１２ｂと、光波総和部１２ｃと、光強度計算部１２ｄと、を備えている。光波計算部１２ａ（１３）は、特定の再生面ｚ＝ｚＰにおいて、変調部１１ｂによって生成された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、照明光の再生光波ｃｊに含まれる位相成分ξｊ＝ｃｊ／｜ｃｊ｜とを求める。
【０１０２】
位相調整部１２ｂは、各波長の光毎に物体光の再生光波から位相成分を除去した位相調整再生光波ｈｊ／ξｊを求める。光波総和部１２ｃは、位相調整再生光波ｈｊ／ξｊを各波長λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎの光の全てについて加算して特定の再生面ｚ＝ｚＰにおけるホログラムである断層ホログラムＨＰ＝Σｈｊ／ξｊを求める。光強度計算部１２ｄは、断層ホログラムＨＰから、再生面ｚ＝ｚＰにおける断層画像ＳＰ＝｜ＨＰ｜２を生成する。生成された断層画像ＳＰは、それらの集合により３次元体積画像（Ｖ＝｛ＳＰ，Ｐ＝１，・・，ｍ｝）を構成し、３次元体積画像データとしてデータベースＤＴ２に保存される。
【０１０３】
上述の光波計算部１２ａ（１３）は、画素数増大部１３ａと、空間変調部１３ｂと、分割部１３ｃと、合成部１３ｄと、平面波展開部１３ｅと、を備えている。画素数増大部１３ａは、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。空間変調部１３ｂは、画素数増大部１３ａ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、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物体光を表す物体光複素振幅インラインホログラムｇｊ，ｂｊを生成する。
【０１０４】
分割部１３ｃは、物体光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。合成部１３ｄは、分割部１３ｃ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。
【０１０５】
平面波展開部１３ｅは、空間変調部１３ｂが生成したホログラムｇｊ，ｂｊをフーリエ変換し、その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）および変換関数Ｇｊ，Ｂｊを用いて物体光Ｏｊと照明光Ｑｊとを平面波展開して、再生光波ｈｊ，ｃｊを生成する。また、平面波展開部１３ｅは、合成部１３ｄ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変換関数Ｇｊ，Ｂｊを求め、これを用いて上記同様に再生光波ｈｊ，ｃｊを生成する。
【０１０６】
断層顕微鏡１は、さらに、データ取得部１０および断層画像生成部１１を制御する制御部１４と、ＦＦＴ等の計算用プログラム、制御用データ等を記憶するメモリ１５とを備えている。断層画像生成部１１とその各部は、表示部１１ｄとデータベースＤＴ２を除いて、コンピュータ上で動作するプログラムとそのサブルーティン群を含むソフトウエアを用いて構成されている。
【０１０７】
（実施例）
図２３乃至図２７は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の実施例を示す。参照光Ｒ，Ｌの記録は、図２、図３、図５、図６に示した構成の装置を用いて行い、物体光Ｏの記録には、図４、図７に示した構成の装置を用いた。被写体となる半透明物体６として、空気中に配置したＵＳＡＦテストターゲットを用いた。ＵＳＡＦテストターゲットと受光素子４とは、それらの表面が光路上で互いに平行になるように配置されている。光源２にはＬｉｔｔｍａｎ型波長可変レーザを用い、受光素子４にはＣＣＤカメラ（有効画素数４８７２×３２４８ｐｉｘｅｌ、画素ピッチ７．４μｍ）を用いた。開口数０．１のレンズ（レンズ３９）を通過させた光ビーム（照明光Ｑ）をＵＳＡＦテストターゲットに照射した。レーザ光源２の波長を７５５ｎｍから７８５ｎｍまで約１．５ｎｍ間隔で掃引して波長の異なる、多種光波長大開口数ホログラムである２０枚のホログラムを記録した。本実施例の条件では、この波長掃引は、一定周波数間隔で行うものと見倣すことができる。これらのホログラムから、異なる光波長の再生物体光２０枚を生成し、断層画像を求めた。図２３は、断層顕微鏡１を用いて照明光Ｑの波長を変えて取得したＵＳＡＦテストターゲットの複数枚のホログラムのうちの１枚のホログラムの画像を示す。ホログラム上のスポット状の光はターゲット面で反射された光ビームを表す。
【０１０８】
図２４（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ、受光面からの距離４０．４１０ｍｍ、距離４０．４１５ｍｍ、距離４０．４２０ｍｍの位置における断層画像を示す。画像は受光素子４の前方のハーフミラーＨＦによって左右反転されている。距離４０．４２０ｍｍの位置はＵＳＡＦテストターゲットの表面（ターゲット面という）の位置であり、明るい断層画像が得られている。この光はターゲット面における反射によって生じた物体光を表している。ターゲット面から手前に離れると、ターゲットの画像は急速に暗くなる。これらの断層画像には薄い断層内で生じた物体光のみが表示されている。距離４０．４１０ｍｍでは反射光の発生はない。距離４０．４１５ｍｍでは縦方向の分解能の範囲内で観測される物体光が僅かに見える。
【０１０９】
図２５は、ターゲット面の位置を原点として、ターゲット面から手前方向に順次離れる方向において得られた断層画像の平均光強度の距離依存性を示す。すなわち、上述の図２４（ｃ）の画像の位置が原点であり、図２４（ｃ）から図２４（ａ）に向かう方向に距離が設定されている。点線で示した測定値は、各位置における断層画像の平均光強度を、図２４（ｃ）の画像の平均光強度で規格化した値である。実線で示した理論値は、Ｎ＝２０として、上述の式（２４）の関数を２乗して求めた値である。式（２７）で定義したパルス幅δｚは、波長λｍｉｎ＝７５５ｎｍ，λｍａｘ＝７８５ｎｍ、Ｎ＝２０、からδｚ＝９．４μｍと求められる。この値は、図２４（ａ）（ｂ）（ｃ）の画像の変化から予想される断層の厚さと符合する。測定値の曲線は、理論値の曲線とよく一致しており、距離が１０μｍの近くでゼロ近くまで減少している。平均光強度は原点で最大となっており、物体光が生じる反射面であるターゲット面を含む断層において明るい断層画像が得られることを示している。
【０１１０】
図２６は受光面からの距離４０．４２０ｍｍの位置における断層画像のターゲット中心部の拡大断層画像を示す。一般に、波長の異なる多数の物体光の重ね合せによって、ランダムノイズは減少する。このことに加え、本方法の断層顕微鏡は、結像レンズを用いていないので、無歪の正確な拡大画像を得ることができる。図２６の断層画像から、断層画像の横分解能は約１．３μｍと見積もられ、この値は記録ホログラムの開口数０．２９と光波長７７０ｎｍから求めた理論値１．３３μｍとよく一致する。
【０１１１】
図２７（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す比較例は、それぞれ図２４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した断層画像の再生位置において、図２３に示した１枚のホログラムから再生した画像である。これらの再生画像は非断層画像であり、反射によって生じたすべての物体光が再生されて表示されている。従って、画像再生位置までの距離によらず、いずれの画像も明るい画像となっている。また、リング状のノイズが重畳されている。このようなノイズは、上述の断層画像には見られない。
【０１１２】
（他の実施例）
図２８、図２９、図３０は、上述の実施例におけるＵＳＡＦテストターゲットに、さらに２枚のガラスを重ねた場合の実施例を示す。図２８（ａ）（ｂ）に示すように、ＵＳＡＦテストターゲットの上に厚さ０．１５ｍｍのカバーガラスを重ね、その上にガラス厚１ｍｍのミクロメータを裏返して重ねて、断層撮像用の半透明物体６とした。レーザ光源の波長を７５５ｎｍから約０．９ｎｍ間隔で掃引して波長の異なる３２枚のホログラムを記録し、ガラス中を伝搬している各波長の再生物体光３２枚を使ってガラス中の断層画像を求めた。
【０１１３】
図２９（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ受光面からの距離３９．８００ｍｍの位置（ミクロメータの目盛り面の位置）、距離３９．８７５ｍｍの位置、距離３９．９５０ｍｍの位置（ＵＳＡＦパターン面の位置）において再生した断層画像である。図２９（ａ）に示す断層画像には、ミクロメータの画像とカバーガラス表面からの反射光の画像が表示されている。図２９（ｂ）に示す断層画像は、カバーガラス中の断層画像であり、その断層面では反射光が生じないので、真黒の断層画像となっている。図２９（ｃ）に示す断層画像には、ターゲット面の画像とカバーガラスの下面からの反射光の画像が表示されている。
【０１１４】
図３０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す比較例は、それぞれ図２９（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した断層画像の再生位置において、１枚のホログラムから再生した画像である。これらの再生画像は、ターゲット面の画像、ミクロメータの画像、およびカバーガラスの両面で反射された光の画像が重なって表示されており、ターゲットとミクロメータとを識別することは難しい。
【０１１５】
（さらに他の実施例）
図３１、図３２、図３３は、水分を含んだ半透明のタマネギ鱗葉の断層撮像を取得した実施例を示す。タマネギの鱗葉から、その表面に平行に厚さ約５０μｍにスライスした試料を切り出して水中に浸し、その表面に平行な断層画像を得るため、表面にカバーガラスを配置した。光波長を７５５ｎｍから７８５ｎｍまで約０．５ｎｍ間隔で変化させながら、６４枚のホログラムを記録し、これらのホログラムを使って断層画像を再生した。この光波長の条件から、パルスの周期Δｚ、および断層画像の縦分解能の指標となるパルス幅δｚは、それぞれΔｚ＝６４０μｍ、δｚ＝１０μｍとなる。
【０１１６】
照明光は、カバーガラスを通して照射し、カバーガラスによる照明光の反射光とカバーガラスを透過した物体光とを同時に１枚のホログラムに記録し、後処理によって照明光と物体光を分離してそれぞれの複素振幅ホログラムを得た。媒質中の照明光と物体光の伝搬計算は、ガラス、水、および試料の各々の屈折率を考慮して行った。
【０１１７】
図３１（ａ）（ｂ）、図３２（ａ）（ｂ）、図３３（ａ）（ｂ）の画像は、それぞれ順番に、受光素子（ＣＣＤ）からの距離４０．３９ｍｍを起点として、０．０１ｍｍ間隔で、距離４０．４４ｍｍまでの各深さ位置における断層画像を示す。画像中で斜めの白い筋は、照明光を反射して物体光を放射するタマネギ鱗葉の細胞壁の位置を示す。このような断層画像によって断層中にある細胞壁を画像として観察できる。断層画像の再生位置によって、幅２０μｍ程度の小さい細胞や幅５０μｍ程度の大きな細胞を確認できる。これらの断層画像から、半透明な生体組織の内部構造を知ることができ、断層画像データを集積することにより、生体組織内部の３次元体積画像データが得られる。
【０１１８】
以上の結果は、媒質中で再生した多種光波長物体光の重ね合せにより再生面上の横方向における高分解能な断層画像が作成できることを示している。この断層画像の横分解能は、光波長と開口数から決まる値になる。従って、再生面の位置を変えながら断層画像データを蓄積していくと、被写体内部を３次元表示するために必要な３次元体積画像データを得ることができる。
【０１１９】
上記のように、本発明は、光波長を変化させながら半透明物体の表面および内部または非透明物体の表面で発生する物体光を多数枚のホログラムに記録し、被写体表面や被写体内部の３次元体積画像情報を取得するものである。本発明によると、光波長の異なる条件でホログラムを記録し、記録した各ホログラムから再生した物体光を重ね合せることにより、浮遊物体や点在物体が存在する媒質の断層画像や、半透明物体内部の断層画像を、縦横両方向について高分解能で生成することができる。また、個々の断層画像を重ねて３次元体積画像データを求めることができ、その体積画像データを用いて、任意位置と任意角度の再生面における断面画像を生成することができる。
【０１２０】
本発明は、生体組織のような体積のある半透明物体を断層撮像する際の対応として、以下のようなことが挙げられる。
（レーザの光波長可変幅による縦分解能の制限への対応）
断層画像の縦分解能はレーザの光波長可変幅によって制限され、高い縦分解能を達成するためには可変幅の広いレーザ光源が必要になる。ところが、所望の広い波長幅に亘って連続的変化できるレーザ光源が存在するとは限らない。しかしながら、本発明によれば、光波長を変えながらホログラムを記録するので、互いに光波長帯の異なる複数のレーザ光源を組み合すことによって可変幅を広げることができる。これにより、高い縦分解能を達成することが可能になる。
【０１２１】
（被写体の光分散による分解能の低下への対応）
結像レンズを用いた撮像装置では、光分散で生じる色収差のために画質が劣化し分解能が低下する。本発明の一実施形態に係る、結像レンズを使用せずに記録した多種光波長ホログラムから各光波長毎に画像再生する方法および断層顕微鏡によれば、前もって測定した媒質の光分散を用いて、光分散に起因する色収差の問題を回避することができる。また、結像レンズを用いないことにより、無歪の断層画像を得ることができる。
【０１２２】
（被写体中の光吸収や反射によって生じる影や陰への対応）
被写体中で部分的な光吸収や反射が大きくなると、影や陰が生じ、断層画像の理解が難しくなる。この影や陰の影響は、照明光の方向を変えながら複数枚の断層画像を作成してこれらの画像を合成することによって取り除くことができる。
【０１２３】
（屈折率の空間変化による光収差への対応）
断層顕微鏡の効果的な利用として、眼球内各部の検査が挙げられる。眼球では角膜や水晶体、ガラス体、および網膜の境界面は球面状形状であり、各部の屈折率は空間的に変化している。このために、平面波展開を適用して物体光再生を行うと屈折率の空間変化によって光収差が生じてしまう。この収差を補正する方法として、補正用レンズを通した照明光を使用する方法、複数枚の理想板レンズ（位相シフト関数）を用いた物体光再生の方法を用いることができる。
【０１２４】
また、本発明は、結像レンズを用いて、結像レンズを通した照明光Ｑと物体光Ｏとに基づいて断層画像を生成することができる。しかしながら、結像レンズを用いて得られる断層画像はなにがしかの歪みを有する。結像レンズを用いる構成にするか否かは、そのような断層画像における歪みの許容程度と断層画像を使用する目的等に応じて、適宜選択すればよい。光学系における結像レンズの存在を、計算機ホログラフィにより正しく反映させることができれば、より歪の少ない断層画像を生成することができる。また、本発明において、参照光Ｒ，Ｌに球面波光を用いるか否かは、断層画像に許容される誤差の程度と断層画像を使用する目的等に応じて、適宜選択することができる。
【０１２５】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、ホログラムＩｊＬＲは、ホログラムＩｊＱＲ，ＩｊＯＲとは独立に取得される。この場合、ホログラムＩｊＬＲは、各波長λｊ，ｊ＝１，・・，Ｎの光の全てについて取得することに替えて、代表点となるように選択した複数の波長の光に対して取得し、それらの波長の間のホログラムは、計算機による補間によって生成するようにしてもよい。また、受光素子の受光面に平行ではない傾いた断層画像は、斜めの光波再生面における傾いた断層ホログラムＨＰ’を線形変換によって生成することにより、生成することができる。この場合、平面波展開における空間周波数ベクトル｜ｋ＞＝（ｕ，ｖ，ｗ）を回転したベクトル｜ｋ’＞＝（ｕ’，ｖ’，ｗ’）を求める。次に、上述した式（１５）（１６）におけるＧ，Ｂを、このベクトル｜ｋ’＞に対応したＧ’，Ｂ’に変換して平面波展開を行えばよい。この方法により、３次元体積画像Ｖ＝｛ＳＰ，Ｐ＝１，・・，ｍ｝を求めることなく、傾いた再生面における断層画像を、直接、生成することができる。しかしながら、光軸に平行な断層面に近づくと誤差が大きい断層画像となる。これに対して、３次元体積画像Ｖからは、傾けることによる誤差を発生することなく、斜めの断層画像を生成することができる。本発明は、任意の物体に対して適用でき、半透明物体に対してだけでなく、内部が見えない非透明の物体に対しても表面観察用として適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明は、再生医療、医療診断、医療機器、内視鏡、バイオテクノロジ、光工業計測、などの分野で使われる３次元体積画像データの記録と高分解能断層画像の表示に適用することができる。特に、生体組織のような３次元構造を持つ半光透過性被写体の体積画像を細胞レベルの分解能で作成する用途に適用できる。本発明の高分解能なホログラフィック断層顕微鏡は、Ｘ線、ＣＴ、ＭＲＩ、超音波診断、従来のＯＣＴに続く、非侵襲・非破壊かつ高速に高分解能３次元断層画像が得られる計測機器であり、医療診断機器に求められる要素を多く備えた新しい生体光計測技術として発展する可能性を有する。生体計測に用いられる近赤外光は生体を透過しやすく、生体に無害である。また、光学限界に達する高分解能化も可能になり、これまでの医療診断機器では不可能であった細胞レベルでの生体組織の微細構造や病変を検出できる。【０１２７】
医療用ＣＴの空間分解能が３００〜６００μｍ程度、ＭＲＩが８００μｍ程度、超音波が２００μｍ程度、従来のＯＣＴが１５μｍ程度であることを考えると、本断層顕微鏡の空間分解能は突出しており解像度が高い鮮明な光断層イメージングが可能になる。さらに、従来のＯＣＴにおける光の機械的走査が不要であり、波長掃引レーザ光源と高速イメージセンサを用いて低エネルギー照射の下で高速連続撮影が可能である。加えて、必要光学部品の少ない構造の簡単な計測機器にできるので、装置の低価格化と小型化が容易である。したがって、ＣＴやＭＲＩのような高価で大きな設備が必要でなく、チェアサイドですぐに撮像が可能であり、その場で計測結果が画像として描出されるので、患者への説明やインフォームド・コンセントにも活用でき、安価に医療現場に提供できる。
【符号の説明】
【０１２８】
１    ホログラフィック断層顕微鏡
１０    データ取得装置、データ取得部
１１    断層画像生成部
１１ａ    フィルタリング部
１１ｂ    インライン化変調部
１１ｃ，１２    断層画像計算部
１３ａ    画素数増大部
１３ｂ    空間変調部
１３ｃ    分割部
１３ｄ    合成部
１３ｅ    平面波展開部
２    光源
３    光学系
４    受光素子
５    記録部
６    物体（被写体）
６１    透過鏡（カバーガラス）
６２    半透明物質
Ｂｊ    照明光の変換関数
ＤＴ１    ホログラムデータ
ＤＴ２    ３次元体積画像データ
Ｇｊ    物体光の変換関数
ＨＰ    断層ホログラム
ＨＰｄ    近傍ホログラム
ＨＰｋ    超周期ホログラム
ＩｊＬＲ    参照光のオフアクシスホログラム
ＩｊＱＲ    照明光のホログラム
ＩｊＯＲ    物体光のホログラム
ＩＯＱＲ    共通ホログラム
ＪｊＬＲ    参照光Ｒの複素振幅オフアクシスホログラム
ＪｊＱＲ    照明光Ｑの複素振幅ホログラム
ＪｊＯＲ    物体光Ｏの複素振幅ホログラム
ＪｊＱＬ    照明光Ｑの複素振幅インラインホログラム
ＪｊＯＬ    物体光Ｏの複素振幅インラインホログラム
Ｌ，Ｌｊ    インライン参照光
Ｎ    異波長光の数
Ｏ，Ｏｊ    物体光
Ｐ    断層面を識別する整数変数
ＰＰ    偏光板
Ｑ，Ｑｊ    照明光
Ｒ，Ｒｊ    参照光
ＳＰ    断層画像（光強度）
ＳＰｄ    近傍断層画像（光強度）
ＳＰｋ    超周期断層画像（光強度）
Ｖ    ３次元体積画像
ｂｊ    照明光複素振幅インラインホログラム
ｃｊ    照明光の再生光波
ｇｊ    物体光複素振幅インラインホログラム
ｈｊ    物体光の再生光波
ｊ    掃引波長を識別する整数変数
ｚＰ    再生面
（ｕ，ｖ，ｗ）    空間周波数（波数ベクトル）
Δｚ    パルス周期（パルス間隔）
Πｊ    照明光の合成微小ホログラム
Σｊ    物体光の合成微小ホログラム
δｚ    パルス幅
λｊ    波長
ξｊ    照明光の再生光波に含まれる位相成分
φｊＬ    インライン球面波参照光の位相
【図１】
2014054776.tif 000011
【図２】
2014054776.tif 000012
【図３】
2014054776.tif 000013
【図４】
2014054776.tif 000014
【図５】
2014054776.tif 000015
【図６】
2014054776.tif 000016
【図７】
2014054776.tif 000017
【図８】
2014054776.tif 000018
【図９】
2014054776.tif 000019
【図１０】
2014054776.tif 000020
【図１１】
2014054776.tif 000021
【図１２】
2014054776.tif 000022
【図１３】
2014054776.tif 000023
【図１４】
2014054776.tif 000024
【図１５】
2014054776.tif 000025
【図１６】
2014054776.tif 000026
【図１７】
2014054776.tif 000027
【図１８】
2014054776.tif 000028
【図１９】
2014054776.tif 000029
【図２０】
2014054776.tif 000030
【図２１】
2014054776.tif 000031
【図２２】
2014054776.tif 000032
【図２３】
2014054776.tif 000033
【図２５】
2014054776.tif 000034
【図２６】
2014054776.tif 000035
【図２８】
2014054776.tif 000036
【図３１】
2014054776.tif 000037
【図３２】
2014054776.tif 000038
【図３３】
2014054776.tif 000039
【図２４】
2014054776.tif 000040
【図２７】
2014054776.tif 000041
【図２９】
2014054776.tif 000042
【図３０】
2014054776.tif 000043
【国際調査報告】
2014054776.tif 000044
2014054776.tif 000045