(57)【要約】  本発明は、データ・ページを位相画像にアルゴリズムに基づく符号化をすることによりデジタル位相画像を強度画像に平行光学系による解読をするための、又、位相データ・ページとお互いに対して１個又は数個のピクセルだけシフトされたそのコピーの干渉を捕捉することにより平行光学系による解読をするための方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相要素Φ（ｘｍ，ｙｎ）及び平行光学系から成る位相画像に強度画像Ｉ（ｘ’，ｙ’）を符号化するための方法であって、
解読方法が、位相画像を複製するステップ、及び位相画像Φ（ｘｍ，ｙｎ）と空間的にシフトされたレプリカΦ（ｘｍ＋ａ、ｙｎ＋ｂ）の干渉を捕捉するステップとを有する方法。
【請求項２】
符号化すべき画像Ｉ（ｘ’，ｙ’）がＩ（ｘ’，ｙ’）＝Ｉ０Ｄｍ’ｎ’に基づく二進法であり、Ｉ０は一定の強度で、Ｄｍ’ｎ’は０（複数）と１（複数）を含むデジタル・ページで、更に、符号化された位相画像Φ（ｘｍ、ｙｎ）も又二進法であり、又、符号化された再帰式はΦｍ＋ａ、ｎ＋ｂ＝π・（Φｍ，ｎ／π＋Ｄｍ’，ｎ’−１）であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
位相画像の強度は一様で、干渉パターンが、解読したＤｍ’ｎ’のデジタル・ページのデータ：０と１を与える２段階の強度レベルのドメインから成っていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
符号化すべき画像Ｉ（ｘ’，ｙ’）がマルチ・グレースケール・レベルで、１を超える符号化された画像が光学的解読により同じ解読された画像を与えられることを特徴とする請求項１に記載の方法
【請求項５】
２個の位相画像の対応するポイント間の位相のシフト差が０又は２πの偶数倍であり、それゆえ、干渉ポイントの最初の位相がそれぞれイコール及び反対である場合、符号化された画像ポイントは明及び暗であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
２個の位相画像の対応するポイント間の位相のシフト差がπ又はπの奇数倍であり、それゆえ、干渉ポイントの最初の位相がそれぞれイコール及び違いがある場合、符号化された画像ポイントは暗及び明であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
位相画像の複製及び空間的シフトが、画像面内で光ビームを分割し、シフトすることから成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
光ビームの分割及び画像のシフトが複屈折プレートで実現され、２枚の直交する偏光画像の干渉を捕捉するステップが、仲介的偏光方向に画像を偏らせることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
光ビームの分割及び画像のシフトが、お互いに平行で、部分的及び全面的に反射するミラーにより実現されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
位相画像の複製と空間的シフトが、光ビームの分割と画像のフーリエ面で２本のビームの間に傾斜したシフトを導入することにより実現されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１１】
光ビームの分割及び２本のビーム間への傾斜したシフトの導入がウォラストンプリズムにより実現されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
光ビームの分割及び２本のビーム間への傾斜したシフトの導入がビーム分割格子により実現されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
光ビームの分割及び２本のビーム間への傾斜したシフトの導入が偏光ビーム分割部、ミラー及び波の遅延部により実現されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
光ビームの分割及び２本のビーム間への傾斜したシフトの導入が部分的及び全面的に反射するミラーにより実現されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
符号化した位相画像が空間的光変調部により生じることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１つに記載の符号化及び平行光学系による解読方法を有することを特徴とする光学的データ記憶のための方法。
【請求項１７】
請求項１〜１５のいずれか１つに記載の位相の要素Φ（ｘｍ，ｙｎ）及び平行光学系による解読から成る位相画像内に強度画像Ｉ（ｘ’，ｙ’）を符号化するための装置であって、
複屈折プレート及び部分的及び全面的に反射し、お互いに平行なミラーから成るグループから選ばれた画像面内の光ビームを分割し且つシフトするための手段を有することを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１〜１５のいずれか１つに記載の位相の要素Φ（ｘｍ，ｙｎ）及び平行光学系による解読から成る位相画像内に強度画像Ｉ（ｘ’，ｙ’）を符号化するための装置であって、
光ビームを分割してウォラストンプリズム、ビーム分割格子から成るグループから選ばれた画像のフーリエ面で２本のビーム間に傾斜したシフトを導入する手段、偏光ビーム分割部、ミラー及び波の遅延部の配置、並びに部分的及び全面的に反射するミラーを用いた配置を有することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、データ・ページを位相画像にアルゴリズムに基づく符号化をすることによりデジタル位相画像を強度画像に平行光学系による解読をするための、又、位相データ・ページとお互いに対して１個又は数個のピクセルだけシフトされたそのコピーの干渉を捕捉することにより平行光学系による解読をするための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的データ記憶で、記録する光ビームは記憶すべきデータに基づいて変調される。データが記録可能なＣＤ、又は、ＤＶＤ上に記憶される時、記録する光ビームは二進化データの流れに基づいて、オン・オフの切替えが行われる。それで、光ビームの振幅が一時的に変調される。データが光学的に読み出されるとき、光ビームの振幅が一時的に変調される。
【０００３】
回折格子のデータ記憶では、オブジェクト・ビームと基準ビームが回折格子の記憶媒体内で重ねられる。２本のビームの重なりが干渉パターンになり、記憶媒体内に記録される。記憶されるデータに基づきオブジェクト・ビームが空間光変調部（ＳＬＭ）により変調される。記録可能なＣＤ又はＤＶＤの上にビットの直列的書込みで光ビームを記録する一時的変調とは対称的に、光ビームを記録する空間的変調が回折格子のデータ記録に用いられる。しかし、この場合も、光の振幅が記憶されるデータに基づいて変調される。回折格子がデータを読み出すために基準ビームにより照らされた時、オブジェクト・ビームが再構成されて、空間振幅の変調を示す。
【０００４】
光ビームの振幅変調とは別に、光ビームで例えば位相変調によりデータを符号化するという他の選択肢がある。
【０００５】
位相変調を用いた光学的データ記憶は一般的ではない。しかし、特に回折格子のデータ記録で多くの利点がある：
１：  フーリエ回折格子の記録の場合、即ち、記録する回折格子プレートが記録するオブ
ジェクトのフーリエ面である場合、振幅オブジェクトのフーリエ変換は、多くの場
合、非常に不均一の強度分布になる。これがある種の問題になる。なぜなら、回折
格子プレートのある領域が過剰露出になり、その一方で、他の領域が露出不足にな
る。位相オブジェクトの光学的フーリエ変換の強度分布が、強度オブジェクトより
も均一度を高くできる。それで、フーリエ回折格子の記録の場合、位相オブジェク
トをより効果的に記録できる（特許文献１）。
２：  確実な記録のために、記録中のデータの暗号化を必要とする（特許文献２）。さら
に、位相オブジェクトの使用により有効度を高めることもできる（非特許文献１）
。
３：  さらに、回折格子の記憶は、関連する読み出し（内容によりメモリーを調査）を早
めるのにも非常に適していて、位相画像のための特性が非常に良好なことが示され
る（非特許文献２）。
【０００６】
しかし、回折格子によるデータ記憶のために位相変調を用いる時に若干の問題がある。回折格子を再構成する時、回折された波面の空間位相分布が、ＣＣＤカメラのような検出部により、視覚化又は捕捉される強度変調に解読される必要がある。
【０００７】
強度変換のためのこの段階で、基準波（非特許文献３）を用いるマッハ−ツェンダー干
渉計のような、又は、共通路干渉計（特許文献３）を用いた位相対照画像化のような干渉技術を使用できる。
【０００８】
位相オブジェクト（例えば細胞）の観察のために、最も人気のある方法は、微分干渉コントラスト（ＤＩＣ）顕微鏡である（特許文献４）。
【０００９】
【特許文献１】英国特許第１３２０５３８号
【特許文献２】米国特許第５９４０５１４号
【特許文献３】米国特許第６０１１８７４号
【特許文献４】仏国特許第１０５９１２３号
【非特許文献１】Ｎｏｍｕｒａ，Ｊａｖｉｄｉ  ＡＯ  Ｖｏｌ．３９  ２０００
【非特許文献２】Ｒｅｎｕ  Ｊｏｈｎ，Ｊｏｂｙ  Ｊｏｓｅｐｈ，Ｋｅｈａｒ  Ｓｉｎｇｈ：Ｐｈａｓｅ−ｉｍａｇｅ−ｂａｓｅｄ  ｃｏｎｔｅｎｔ−ａｄｄｒｅｓｓｓａｂｌｅ  ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  ｄａｔａ  ｓｔｏｒａｇｅ，Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍ．２３２，２００４
【非特許文献３】Ｓｅｏ，Ｋｉｍ  ＯＬ  Ｖｏｌ  ２９  ２００３
【発明の開示】
【００１０】
本発明の目的は、デジタル位相画像を強度画像に平行光学系による解読をし、非常に容易で、実行しやすく、上記の微分干渉コントラスト（ＤＩＣ）顕微鏡のような複雑なハードウエア無しで機能するための新規の方法とシステムを提供することである。
【００１１】
この目的は驚くことに、以下で詳細に説明する本発明に基づく方法により実現される。
【００１２】
データ・ページ（１と０又はデジタル数値のアレー）をアルゴリズムにより位相画像に符号化するための、又、位相データ・ページとお互いに１個又は数個のピクセルだけシフトされたそのコピーの干渉を捕捉することにより平行光学系による解読をするための方法を示している。その２次元位相のデータ・ページが位相の離散的ピクセルのシフトから成っている：Φｉｊ；もし、振幅の絶対値が一定（Ｅ０）である場合、電場は
【数１】
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である。例えば、式（１）に基づく入力画像Ｅｉｎの電場により、１ピクセルが左に、１ピクセルが下へのように斜めのシフトが加えられる：
【数２】
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【００１３】
もし、入力画像のピクセルが０とπの位相で符号化されている場合、可能な電場の値は、それぞれ
【数３】
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である。出力の場は０か±２・Ｅ０である。出力強度は０又は４・Ｅ０２に比例している。それで、我々は単純な２進化強度の画像を得る：
【数４】
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【００１４】
以下の図１は単純な画像について提案された技術の原理を示している。アレーの寸法制限により、出力画像の境界が真の干渉では無い。唯一の位相画像が提示されていて、それゆえ、情報を保持していないからである。しかし、出力のＮ−１ごとのコアが（２）に基づく２進化データを提示している。
【００１５】
デジタル・データ・ページを、（１）の逆に基づき以下の単純な再帰式に基づいて、位相画像に符号化できる：
【数５】
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【００１６】
Ｄｉｊ二進化データ・ページ（０と１の要素から成る）を出力（強度はＩｉｊｏｕｔ＝Ｉｏ・Ｄｉｊである。ここで、Ｉ０は一定強度である）で発生する必要がある場合、（０とπ位相の要素から成る）２進化入力位相ページのための再帰式は：
【数６】
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【００１７】
画像の複製とシフトは、（図２に示すような）複屈折プレートのような種々の光学的解決策により実施できる。複屈折軸が入射ビームの伝搬方向と平行でない場合、通常及び異常の偏光成分の伝搬方向が異なる。それゆえ、その異常成分がプレートを横断後に横にシフトする。この方法で、直交した偏光を伴う２枚の位相画像がプレートの後で提示される。それらを干渉させるために、通常と異常の両方の偏光方向と傾斜した偏光軸で偏光部が置かれる。そして、干渉パターンを例えばＣＣＤカメラにより捕捉できる（図３及び４の光学系を参照）。
【００１８】
複屈折プレートがその画像に対する一定の位相シフトを導入し、それが通常及び異常の画像に対して、違えることがありうる。それらの間の差が垂直入射からプレートを若干回すことにより変調できる。位相差が０又は２πの整数倍であれば、上記方程式は有効である。もし、位相のシフトが反対、即ち、差がπ又はπの奇数倍であれば、同じ最初の位相を有するポイントの干渉は暗になる。そして、最初に違う位相を有するポイントのそれは明になる。この場合、入力画像の位相レベルが完全な０及びπでない場合でも、高コントラストの出力画像を出現できるので、この変調は利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、位相符号化画像を強度画像に解読する方法を示す。図１ａ）は位相符号化画像の複素振幅を示す（０とπの位相に相当する１と−１の値を含む）。空間的にシフトしたレプリカ及びそれらのコヒーレントな和を示す。図１ｂ）は対応する強度を示している図１ａ）の振幅の絶対値の平方を示す。第一の画像の表は位相符号化画像の強度を示し、これは一定である。第二はその空間的にシフトしたレプリカである。第三はその干渉の強度分布である。得られた画像の内部には解読した２進化画像を提供する０及び４の強度を含む。
【００２０】
図２は、複屈折プレート（１）が複屈折により画像の複製とシフトを行なう方法を示す。通常の入射の場合に、入射ビーム（３）の通常の偏光成分（４）がプレートを屈折無しに横断する。そして、異常成分（５）は入射面で屈折し、プレート内を傾斜して伝搬する。そして、プレートから通常成分と平行しているがシフトしている。さらに、示されているのは、複屈折プレートの光軸（２）である。
【００２１】
図３は透明な位相オブジェクトの場合に、画像を複製し、シフトするために複屈折プレートを用いる解読用光学系の実施例を示す。符号化された位相画像が、偏光面の波（７）で照らされた空間光変調部（７）を変調する位相を用いて発生できる。画像化光学系（８）が検出面（１２）に位相オブジェクトの画像を投影し、かつ、画像の複製とシフトがこの面のすぐ前で行われる。複屈折プレート（１０）は、図２に示されるように通常偏光から異常偏光を分割し、シフトする。２本のビームの強度の比が半波のプレート（９）により変調される。それらを干渉させるために、２本のビームを同方向に偏光部（１１）が偏光させて解読された強度パターンを与える。
【００２２】
図４は、反射位相オブジェクトの場合に、画像の複製とシフトのために複屈折プレートを用いる解読用光学系の実施例を示す。偏光ビーム分割部（２０）により偏光された平面波（１３）で照らされた空間光変調部（１４）を変調する反射相により、符号化された位相画像を生じることができる。偏光ビーム分割部（２０）は、適当な偏光に変調するための波の遅延部を含む空間光変調部（１４）を変調する位相から反射された直交偏光を伝送する。その画像化ではシフト及び捕捉する部分は図３と同じである。画像化光学系（１５）は位相オブジェクトの画像を検出面（１９）に投影する。そして、その画像の複製とシフトがこの面のすぐ前で行われる。図２に示すように、複屈折プレート（１７）が通常の偏光から異常な偏光を分割し、シフトする。２本のビームの強度の比を半波のプレート（１６）により変調する。そして、偏光部（１８）が２本のビームを同じ方向に偏光させて、それらを干渉させ、解読した強度パターンを与える。
【００２３】
図５は画像の複製とシフトのために部分的及び全面的に反射するミラーを用いて、面に平行なプレートを用いる解読用光学系の実施例を示す。レーザービーム（２１）により運ばれた符号化された位相画像は検出面（２４）の上に画像化される。そして、画像の複製とシフトはこの面のすぐ前で行われる。ビームの一部は部分的に反射している前側ミラー（２２）上で反射される。他の部分は、全面的に反射している後ろ側ミラー（２３）上で反射される。２本のビームがカメラ面で干渉して、解読した強度パターンを与える。
【００２４】
図６は部分的に及び全面的に反射する面を有する小角度のプリズムによる位相画像のフーリエ面で、光ビームを分割することにより、又、ビーム間に傾斜したシフトを導入することにより実現される解読用光学系の実施例を示す。位相画像（２５）は、フーリエ変換レンズ（２６）の前側焦点面に、又、レンズの後ろ側焦点面にあり、部分的反射ミラー（２７）が位相画像のフーリエ変換を運ぶビームの一部を反射し、又、他の部分は傾斜したシフト方向で、全面的反射ミラー（２８）上で反射される。第二のフーリエ変換レンズ（２８）が、後ろ側焦点面内に画像面（３０）を与える。フーリエ面内の傾斜したシフトが空間的シフトに転換される。２件のシフトされた画像の干渉が強度パターンを与える。
【００２５】
図７は回折又はウォラストンプリズムにより位相画像のフーリエ面で、光ビームを分割することにより、又、ビーム間に傾斜したシフトを導入することにより実現される解読用光学系の実施例を示す。位相画像（３１）は、フーリエ変換レンズ（３２）の前側焦点面と、レンズの後ろ側焦点面にある。回折格子又はウォラストンプリズム（３３）が、位相画像のフーリエ変換を運ぶビームを分割し、２本のビーム間の傾斜したシフトを導入する。第二のフーリエ変換レンズ（３４）が、その後ろ側焦点面内の画像面（３５）を与える。フーリエ面内の斜めのシフトが空間的シフトに変換される。その２本のシフトされた画像の干渉が強度パターンを与える。もし、ウォラストンプリズムを用いて、ビームを直交した偏光を有する２本に分割する場合、偏光部を干渉させるために中間方向の画像面に置く必要がある。
【００２６】
図８は偏光ビームを分割するプリズムと２枚のミラーにより位相画像のフーリエ面で、光ビームを分割することにより、又、ビーム間の斜めのシフトを導入することにより実現
される解読用光学系の実施例を示す。位相画像（３６）はフーリエ変換レンズ（３７）の前側焦点面に、又、レンズの後ろ側焦点面になる。それは位相画像のフーリエ変換である。そのビームは２本に分割され、傾斜したシフトが以下の設定で２本のビーム間に導入される．偏光ビーム分割用プリズム（３９）がビームを分割する。伝送され、反射したビームの強度比は半波のプレート（３８）により設定される。伝送と反射の両方のビームが、プリズムの両側にある４分の１波のプレート（４０）とミラー（４１）により反射が返される。そして、それらの間での小角度のシフトによりプリズムから生じる。２本のビームは直交した偏光であって、中間軸を有する偏光部（４２）が干渉できるようにする。第二のフーリエ変換レンズ（４３）が、後ろ側焦点面内の画像面（４４）を与える。フーリエ面内の傾斜したシフトが空間的シフトに変換される。そして、２本のシフトされた画像の干渉が強度パターンを与える。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】位相符号化画像を強度画像に解読する方法を示す。
【図２】複屈折プレートを複屈折により画像を複製し、シフトする方法を示す。
【図３】透明な位相オブジェクトの場合に、画像を複製し、シフトするために複屈折プレートを用いる解読用光学系の実施例を示す。
【図４】反射性の位相オブジェクトの場合に、画像を複製し、シフトするために複屈折プレートを用いる解読用光学系の実施例を示す。
【図５】画像の複製とシフトのために部分的及び全面的に反射するミラーを用いて、面に平行なプレートを用いる解読用光学系の実施例を示す。
【図６】部分的に及び全面的に反射する面を有する小角度のプリズムによる位相画像のフーリエ面で、光ビームを分割することにより、又、ビーム間の斜めのシフトを導入することにより実現される解読用光学系の実施例を示す。
【図７】回折又はウォラストンプリズムにより位相画像のフーリエ面で、光ビームを分割することにより、又、ビーム間の角度の移動を導入することにより実現される解読用光学系の実施例を示す。
【図８】偏光ビームを分割するプリズムと２枚のミラーにより位相画像のフーリエ面で、光ビームを分割することにより、又、ビーム間の斜めのシフトを導入することにより実現される解読用光学系の実施例を示す。
【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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【国際調査報告】
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