(57)【要約】軸外対象物被照直接デジタルホログラフィーのためのシステムおよび方法を説明する。フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムを記録するための方法であって、当該方法は、参照ビーム（１３５）を非標準角で参照ミラー（１４０）から反射させることと、対象物ビーム（２１５）を集束レンズ（１４５）によって規定された光軸に対する軸外角度で対象物（１３０）から反射させることと、参照ビームおよび対象ビームを、デジタルレコーダの焦点面において集束させて、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムを形成することと、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録することなどを含む。
2005537516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムを記録する方法であって、
参照ビームを非標準角で参照ミラーからから反射させることと、
対象物ビームを集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物から反射させることと、
参照ビームおよび対象物ビームを、集束レンズによってデジタルレコーダの焦点面に集束して、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムを形成することと、
フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムデジタルに記録することと、
空間ヘテロダインフリンジを含む記録された軸外被照空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換して、参照ビームおよび対象物ビーム間の角度として規定されたヘテロダイン搬送周波数の上端に位置するようにすることによって、空間ヘテロダインフリンジを含む記録された軸外被照空間ヘテロダインホログラムをフーリエ分析することと、
元の原点の周囲の信号をカットオフするようにデジタルフィルタを適用することと、その後、
逆フーリエ変換を行うこととを含む、方法。
【請求項２】
対象物ビームを集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物から反射させることの前に、対象物ビームを対象物用対物レンズによって回折させることと、対象物ビームを集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物から反射させることの後に、対象物ビームを対象物用対物レンズによって回折させることとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
当該軸外被照空間ヘテロダインホログラムを、軸上被照空間ヘテロダインホログラムおよび他の軸外被照空間ヘテロダインホログラムからなる群から選ばれた少なくとも１つのホログラムに融合して、単一の再構成された画像を演算することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
軸外被照空間ヘテロダインホログラムは、軸外被照空間低周波数ヘテロダインホログラムである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
軸外被照空間ヘテロダインホログラムによって観察される対象物の真のスペクトルの領域は、
Ｇｋ（ｑ）＝μｋｅｘｐ（ｊγｋ）・Ｆ（ｑ）Ｗｋ（ｑ）
によって表され、式中、ｑは離散フーリエ領域内のサンプルまたは連続フーリエ平面における座標ベクトルを表すことができ、μｋおよびγｋはそれぞれ、軸外被照空間ヘテロダインホログラムｋのフリンジコントラストおよび位相オフセットであり、Ｗｋ（ｑ）は軸外被照空間ヘテロダインホログラムｋによって観察されるスペクトルの領域を表す窓関数であり、Ｆ（ｑ）は対象物の真のスペクトルであり、ｊはその負の平方根である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
Ｗｋ（ｑ）は、円対称バターワース関数でモデル化されている、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
当該軸外被照空間ヘテロダインホログラムを、軸上被照空間ヘテロダインホログラムおよび他の軸外被照空間ヘテロダインホログラムからなる群から選ばれた少なくとも１つのホログラムに融合して、単一の再構成された画像を演算することをさらに含み、
軸外被照空間ヘテロダインホログラムおよび軸上被照空間ヘテロダインホログラムからなる群から選ばれたホログラムｋによって観察される対象物の真のスペクトルの領域は、
Ｇｋ（ｑ）＝μｋｅｘｐ（ｊγｋ）・Ｆ（ｑ）Ｗｋ（ｑ）、
によって表され、式中、ｑは離散フーリエ領域内のサンプルを表し、μｋおよびγｋはそれぞれ、ホログラムｋのフリンジコントラストおよび位相オフセットであり、Ｗｋ（ｑ）はホログラムｋによって観察されるスペクトルの領域を表す窓関数であり、Ｆ（ｑ）は対象物の真のスペクトルであり、ｊはその負の平方根であり、
演算された単一の再構築された画像の推定値は、
【化１】
2005537516.tif 000017
によって表され、式中、
【化２】
2005537516.tif 000018
であり、式中、ｃ（ｑ）は正則化パラメータを表す、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
軸外被照空間ヘテロダインホログラムによって観察される対象物の真のスペクトルの領域は
Ｇｋ（ｑ）＝Ｆ（ｑ）Ｗｋ（ｑ）、
によって表され、式中、ｑは離散フーリエ領域内のサンプルを表し、Ｗｋ（ｑ）は軸外被照空間ヘテロダインホログラムｋによって観察されるスペクトルの領域を表す窓関数であり、Ｆ（ｑ）は対象物の真のスペクトルである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
Ｗｋ（ｑ）は、少なくとも部分的にはバターワースフィルタの関数である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
当該軸外被照空間ヘテロダインホログラムを、軸上被照空間ヘテロダインホログラムおよび他の軸外被照空間ヘテロダインホログラムからなる群から選ばれた少なくとも１つのホログラムに融合して、単一の再構成された画像を演算することをさらに含み、
軸外被照空間ヘテロダインホログラムおよび軸上被照空間ヘテロダインホログラムからなる群から選ばれたホログラムｋによって観察される対象物の真のスペクトルの領域は、
Ｇｋ（ｑ）＝Ｆ（ｑ）Ｗｋ（ｑ）、
によって表され、式中、ｑは離散フーリエ領域内のサンプルを表し、Ｗｋ（ｑ）はホログラムｋによって観察されるスペクトルの領域を表す窓関数であり、Ｆ（ｑ）は対象物の真のスペクトルであり、
演算された単一の再構築された画像の推定値は、
【化３】
2005537516.tif 000019
によって表され、式中、
【化４】
2005537516.tif 000020
であり、式中、ｃ（ｑ）は正則化パラメータを表す、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
デジタルに録音するステップは、ピクセルを規定するＣＣＤカメラでビームを検出することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムをデジタルデータとして記憶することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
フーリエ分析された軸外被照空間ヘテロダインホログラムを再生することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
フーリエ分析された軸外被照空間ヘテロダインホログラムを送信することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法を実施するために変換可能な、コンピュータまたは機械読み取り可能なプログラム要素を備える、コンピュータプログラム。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法によって生成されたデータを備える、機械読み取り可能な媒体。
【請求項１７】
フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録するように動作可能な装置であって、
レーザと、
レーザに光学的に結合されたビームスプリッタと、
ビームスプリッタに光学的に結合された参照ビームミラーと、
参照ビームミラーに光学的に結合された集束レンズと、
集束レンズに光学的に結合されたデジタルレコーダと、
フーリエ変換を行い、デジタルフィルタを適用し、逆フーリエ変換を行うコンピュータとを備え、
参照ビームが非標準角で参照ビームミラーに入射し、対象物ビームが集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物に入射し、参照ビームおよび対象物ビームは、集束レンズによってデジタルレコーダの焦点面に集束されて、デジタルレコーダによって記録されるフーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムを形成し、コンピュータは、空間ヘテロダインフリンジを含む記録された軸外被照空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換して、参照ビームおよび対象物ビーム間の角度によって規定されたヘテロダイン搬送周波数の上端に位置するようにし、逆フーリエ変換を行う前に元の原点の周囲の信号をカットオフする、装置。
【請求項１８】
ビームスプリッタおよび対象物間に光学的に結合される対象物用対物レンズをさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
レーザは、ビームスプリッタに対して移動可能である、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
ビームスプリッタ、参照ビームミラー、およびデジタルレコーダは、マイケルソン形状を規定する、請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
ビームスプリッタ、参照ビームミラー、およびデジタルレコーダは、マッハ‐ツェンダー形状を規定する、請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
フーリエ変換を行い、デジタルフィルタを適用し、逆フーリエ変換を行うコンピュータに結合されたデジタル記憶媒体をさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
デジタルレコーダは、ピクセルを規定するＣＣＤカメラを含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項２４】
参照ビームおよび対象物ビーム間の角度および集束レンズによって与えられた拡大率は、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムの特徴をデジタルレコーダが分解するように選ばれ、１フリンジにつき２ピクセルを有する２つのフリンジが提供される、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
請求項１７に記載の装置を用いて生成されたデータを備える、機械読み取り可能な媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一般的に、直接デジタルホログラフィー（インターフェロメトリー）の分野に関する。より特定的には、本発明は、直接デジタルホログラフィーにおける改良された解像度のための軸外照明に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の説明
先行技術である直接デジタルホログラフィー（ＤＤＨ）は、直接デジタルインターフェロメトリーと呼ばれることもあるが、当業者に周知である。例えば、図１は、ＤＤＨシステムの一概略実施形態を示す。レーザ源１０５からの光は、ビーム拡大器／空間フィルタ１１０によって拡大されて、レンズ１１５を通って進む。その後、拡大かつフィルタリングされた光は、ビームスプリッタ１２０に向かって進む。ビームスプリッタ１２０は、部分的に反射してもよい。ビームスプリッタ１２０から反射された光の部分は、対象物１３０に向かって進む対象物ビーム１２５を構成する。対象物ビーム１２５の部分は、対象物１３０によって反射され、ビームスプリッタ１２０を通って、集束レンズ１４５に向かって進む。その後、この光は、集束レンズ１４５を通って、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ（図示せず）に向かって進む。
【０００３】
ビームスプリッタ１２０を通るレンズ１１５からの光の部分は、参照ビーム１３５を構成する。参照ビーム１３５は、小さな角度でミラー１４０から反射される。その後、ミラーから反射された参照ビーム１３５は、ビームスプリッタ１２０に向かって進む。その後、ビームスプリッタ１２０から反射される参照ビーム１３５の部分は、集束レンズ１４５を通って進み、ＣＣＤカメラ（図示せず）に向かって進む。集束レンズ１４５からの対象物ビーム１２５および集束レンズ１４５からの参照ビーム１３５は、複数の対物および参照波１５０を構成して、ＣＣＤにおいて干渉して、米国特許第６０７８３９２号に記載のホログラムの干渉パターン特性を生じさせる。
【０００４】
図１において、対象物ビーム１２５は、光軸１２７と平行かつ一致する。この種のＤＤＨ設定は、軸上照明と称することができる。
【０００５】
この技術の制約は、ＤＤＨシステムの撮像解像度がシステムの光学部品によって制限されることにあった。光学部品の最も顕著な制約は、開口絞りであって、収差による画質の劣化を防ぐために必要なものである。２次元フーリエ平面に関して、半径ｑ０の円内の対象物の空間周波数のみが送信可能である。軸上照明の場合、半径ｑ０の開口は、ゼロ空間周波数（ｑ＝０）を中心としているように見える。したがって、半径ｑ０の円外の空間周波数を送信することを可能にする取り組みが必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の概要
本発明の以下の局面が必要とされている。当然ながら、本発明は、これらの局面に制限されない。
【０００７】
本発明の一局面によれば、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムを記録する処理であって、当該処理は、参照ビームを非標準角で参照ミラーからから反射させることと、対象物ビームを集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物から反射させることと、参照ビームおよび対象物ビームを、集束レンズによってデジタルレコーダの焦点面に集束して、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムを形成することと、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムデジタルに記録することと、空間ヘテロダインフリンジを含む記録された軸外被照空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換して、参照ビームおよび対象物ビーム間の角度として規定されたヘテロダイン搬送周波数の上端に位置するようにすることによって、空間ヘテロダインフリンジを含む記録された軸外対象物被照空間ヘテロダインホログラムをフーリエ分析することと、元の原点の周囲の信号をカットオフするようにデジタルフィルタを適用することと、その後、逆フーリエ変換を行うこととを含む。
【０００８】
本発明の他の局面によれば、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録するように動作可能な機械であって、当該機械は、レーザと、レーザに光学的に結合されたビームスプリッタと、ビームスプリッタに光学的に結合された参照ビームミラーと、参照ビームミラーに光学的に結合された集束レンズと、集束レンズに光学的に結合されたデジタルレコーダと、フーリエ変換を行い、デジタルフィルタを適用し、逆フーリエ変換を行うコンピュータとを備え、参照ビームが非標準角で参照ビームミラーに入射し、対象物ビームが集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物に入射し、参照ビームおよび対象物ビームは、集束レンズによってデジタルレコーダの焦点面に集束されて、デジタルレコーダによって記録されるフーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む軸外被照空間ヘテロダインホログラムを形成し、コンピュータは、空間ヘテロダインフリンジを含む記録された軸外被照空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換して、参照ビームおよび対象物ビーム間の角度によって規定されたヘテロダイン搬送周波数の上端に位置するようにし、逆フーリエ変換を行う前に元の原点の周囲の信号をカットオフする。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の局面は、以下の説明および添付の図面に関連して考慮すればよりよく認識および理解されるであろう。しかしながら、以下の説明は、本発明の様々な実施形態および多くの具体的な詳細が示されているものの、限定的なものではない。多くの代替、修正、追加、および／または再構成が、本発明の範囲内においてその精神を逸脱することなく行われてもよい。本発明は、そのようなすべての代替、修正、追加、および／または再構成を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
好ましい実施形態の説明
発明およびその様々な特徴および利点は、添付の図面に図示され以下の説明で詳述される非限定的な実施形態を参照することによって、より完全に説明される。周知の初期材料、処理技術、構成要素、および装置は、本発明を不必要に詳細に不明確にしないようにするために、省略されている。しかしながら、詳細な説明および具体例は、本発明の好ましい実施形態を示してはいるものの、例示であり、制限的なものではないことが理解されるべきである。基礎をなす発明的な概念の精神および／または範囲内にある様々な代替、修正、追加、および／または再構成は、本開示によって、当業者にとって明らかになるであろう。
【００１１】
本願内には、いくつかの刊行物が括弧付きアラビア数字によって参照されている。これらおよび他の刊行物の完全な引用は、本明細書の末尾であってクレームの直前にある参照という見出しの段落の後に見受けられるものもある。これらのすべての刊行物全体の開示は、発明の背景を示しかつ技術の現状を例示する目的で、本明細書に明示的に引用されるものとする。
【００１２】
一般的に、本発明の関連背景は、デジタルデータを取得、記憶、および／または再生することを含みうる。本発明の関連背景は、画像を表すデジタルデータを処理することを含みうる。また、本発明の関連背景は、データを複数の画像から合成画像へ変換することを含みうる。
【００１３】
本発明は、改良された解像度のホログラフィック画像を、軸外照明を用いる直接デジタルホログラフィーシステムから取得する方法を含みうる。また、本発明は、改良された解像度のホログラフィック画像を、軸外照明を用いる直接デジタルホログラフィー（ＤＤＨ）システムで取得するための装置を含みうる。
【００１４】
一般的に、観察（画像化）される対象物は、照明源に１つ以上の光学構成要素を介して光学的に結合される。図１に関して説明したように、照明ビームは、典型的には、対象となる対物レンズ（すなわち、レンズシステム）の中心を通って、光軸に沿って、よって光軸に平行に通過する。この種類のＤＤＨの構成は、「軸上照明」と称することができ、この構成により、対象物の空間周波数（ｑ）を、対物レンズの開口によって決定されるある限度（ｑ０）まで取得することができる。
【００１５】
本発明は、「軸上照明」のシナリオを含みうる。そこでは、中心から外れているが光軸に平行に対象物用対物レンズをビームが通るように、照明源を水平方向に配置する。対物レンズの集束効果により、照明は、光軸に対してある角度を有して対象物に入射する。この偏心照明により、軸上照明におけるよりも高い対象物の空間周波数（ｑ＞ｑ０）が、対物レンズの開口を通過することができ、よってそれが観察できる。このことは、本発明の重要な利点である。
【００１６】
本発明は、同一の対象物の軸上および１以上の軸外被照ホログラムをデジタル的に取り込むようにした、拡張されたＤＤＨシステム（装置）を含みうる。また、本発明は、デジタル的に取り込まれたデータを分析および／または処理（融合）することを含みうる。結果得られた融合画像は、いずれの元のホログラムにおけるよりも広範囲の空間周波数を包含し、よって、軸外被照データが利用不可能な場合に比べて、システムの公称画像化解像度を著しく高める。
【００１７】
上記のように、基本ＤＤＨシステムの画像化解像度は、光学部品、とりわけ、収差による画質の劣化を防ぐために必要な開口絞りによって制限される。開口絞りは、より高い周波数のエイリアシングおよびその後の画像化品質の劣化を防止するために必要とされる。このことは、ＤＤＨシステムの光学部品は、半径ｑ０の円内の対象物の空間周波数のみが送信可能であることを意味する。軸上照明の場合、半径ｑ０の開口は、０空間周波数（ｑ＝０）に中心をおいて現れる。軸外照明の場合、半径ｑ０の開口は、周波数領域においてずれて（例えば、左に）現れる。このことは、開口がずれている方向に、ｑ＞ｑ０の空間周波数が送信されることを示唆する。欠点として、ｑがｑ０に近い空間周波数が反対方向に「失われる」ことがある。照明が反対方向にずれた第２の画像を取得することにより、開口はずれて（例えば、右に）現れ、よって、第１の画像から「失われた」空間周波数は、ｑ０以上の付加周波数を有して回復される。２つの画像からの情報を融合した結果、よりよい解像度の１つの画像となる。ＤＤＨは、位相情報を合成画像波上に記録するので、双方（またはそれより多くの）画像からの情報は融合されて、驚くほど有利な結果をもたらす。本発明は、一般的な対象物構造の解像度を、向きに関係なく改善する。
【００１８】
本発明は、軸上および軸外被照ホログラムの両方を自動的に取り込むための基本的なＤＤＨシステムの拡張を含みうる。また、本発明は、これらのホログラムの結果を分析および融合して、観察された対象物を、従来のＤＤＨ技術において利用可能なものよりも高い空間解像度で表示させるための方法を含みうる。
【００１９】
図１において明らかなように、対象物ビーム１２５は、光軸１２７に平行である。上述したように、この設定は、軸上照明と称することができる。一方、軸外照明は、対象物ビーム１２５が、光軸１２７に対してある角度で対象物１３０に入射する場合をいう（その例は、図３に示す対象物ビーム２１５および３０５によって図示されている）。軸外照明を実現するための方法は数多くある。以下に提示された取り組みは、代表的なものに過ぎず、したがって、限定的な例ではないことが意図されている。
【００２０】
図２および３を参照して、軸外照明ＤＤＨ装置の一実施形態を例示する。図２および３においては、図１から主要な修正点が２つある。第１の修正点は、レーザ源１０５、ビーム拡大器／空間フィルタ１１０、およびレンズ１１５が、コンピュータによって制御された可動筐体２０５にグループ化されている点である。筐体２０５は、光軸１２７に実施的に平行な軸に沿って移動可能である。より詳細には、筐体２０５は、ビームスプリッタ１２０の法線と実質的に同一平面状にある軸に沿って移動可能である。
【００２１】
図２および３をさらに参照して、第２の修正点は、対象物用対物レンズ２１０が追加されている点である。図２において、レーザ源筐体２０５は、対象物ビーム１２５がビームスプリッタ１２０から反射して対象物用対物レンズ２１０の中心を通るように、配置されている。その後、対象物ビーム１２５は、対象物用対物レンズ２１０を離れて、光軸１２７を中心として対象物１３０に入射する。この構成において、軸上照明が実現され、図２のシステムは図１と効果的に同一である。
【００２２】
しかしながら、図３においては、レーザ源筐体２０５は、対象物ビーム１２５が対象物用対物レンズ２１０をその中心から外れて通るように、（この特定の構成では上に）ずれている。当然ながら、代わりに、レーザ源筐体２０５は、下にずれることも可能である。対象物用対物レンズ２１０の集束特性により、対象物用対物レンズ２１０を離れる対象物ビーム２１５は、光軸１２７に対してある角度で対象物１３０に入射するので、軸外照明が実現される。よって、対象物ビーム２１５は、光軸１２７に実質的に平行でない対象物に入射することができる。対象物から反射された対象物ビーム３０５は、対象物用対物レンズ２１０をその中心から外れて再度通るにもかかわらず、対象物用対物レンズ２１０および集束レンズ１５０の光学特性により、ＣＣＤ（図示せず）上に焦点を結ぶ。軸外照明の場合は、回折特性（１）は、対象物ビーム３０５および参照ビーム１３５の干渉によってＣＣＤに形成されたホログラムが、軸上照明では観察されない対象物の空間周波数をいくらか含むことを示唆する。
【００２３】
よって、本発明は、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムをデジタルに記録するように動作可能な装置を含みうる。本装置は、レーザと、レーザに光学的に結合されたビームスプリッタと、ビームスプリッタに光学的に結合された参照ビームミラーと、ビームスプリッタに光学的に結合された対象物と、参照ビームミラーおよび対象物の両方に光学的に結合された集束レンズと、集束レンズに光学的に結合されたデジタルレコーダと、フーリエ変換を行い、デジタルフィルタを適用し、逆フーリエ変換を行うコンピュータとを備え、参照ビームが非標準角で参照ビームミラーに入射し、対象物ビームが集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物に入射し、参照ビームおよび対象物ビームは、複数の同時参照および対象物波を構成し、集束レンズによってデジタルレコーダの焦点面に集束されて、デジタルレコーダによって記録されるフーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムを形成し、コンピュータは、空間ヘテロダインフリンジを含む記録された空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換して、参照ビームおよび対象物ビーム間の角度によって規定されたヘテロダイン搬送周波数の上端に位置するようにし、逆フーリエ変換を行う前に元の原点の周囲の信号をカットオフする。本装置は、ビームスプリッタおよび対象物間に光学的に結合された対象物用対物レンズを含みうる。本装置は、対象物および集束レンズ間に結合された開口絞りを含みうる。ビームスプリッタ、参照ビームミラー、およびデジタルレコーダは、マイケルソン形状を規定しうる。ビームスプリッタ、参照ビームミラー、およびデジタルレコーダは、マッハ‐ツェンダー形状を規定しうる。本装置は、フーリエ変換を行い、デジタルフィルタを適用し、逆フーリエ変換を行うコンピュータに結合されるデジタル記憶媒体を含みうる。デジタルレコーダは、ピクセルを規定するＣＣＤカメラ３５０を含みうる。本装置は、レーザおよびビームスプリッタ間に光学的に結合された拡大器／空間フィルタ２３０を含みうる。参照ビームおよび対象物ビーム間の角度および集束レンズによって与えられた拡大率は、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムの特徴をデジタルレコーダが分解するように選ばれうる。デジタルレコーダがある特徴を分解するために、１フリンジにつき２ピクセルを有する２つのフリンジを提供することができる。本発明は、上述の装置によって作成され、コンピュータが読み取り可能な媒体上に実現された空間ヘテロダインホログラムを含みうる。
【００２４】
したがって、本発明は、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムを記録する方法を含みうる。本方法は、レーザビームを参照ビームおよび対象物ビームに分離することと、参照ビームを非標準角で参照ミラーから反射させることと、対象物ビームを集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物から反射させることと、複数の同時参照および対象物波を構成する、参照ビームおよび対象ビームを、デジタルレコーダの焦点面において集束させて、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムを形成することと、記録された空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換して、参照ビームおよび対象物ビーム間の角度によって規定されたヘテロダイン搬送周波数の上端に位置するようにすることによって、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムを分析することと、元の原点の周囲の信号をカットオフするようにデジタルフィルタを適用することと、その後、逆フーリエ変換を行うこととを含む。本方法は、対象物ビームを集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物から反射させることの前と、対象物ビームを集束レンズによって規定された光軸に対する角度で対象物から反射させることの後とに、対象物ビームを対象物用対物レンズによって回折させることを含みうる。記録された空間ヘテロダインホログラムの軸をフーリエ空間に変換するステップは、拡張されたフーリエ変換で変換することを含みうる。デジタル的に記録するステップは、ピクセルを規定するＣＣＤカメラでビームを検出することを含みうる。軸外被照空間ヘテロダインホログラムは、軸外被照空間低周波数ヘテロダインホログラムであってもよい。低周波数という句は、基本フリンジ空間周波数がナイキストサンプリング限度よりも低いことを示唆する。また、本方法は、フーリエ分析のための空間ヘテロダインフリンジを含む空間ヘテロダインホログラムを記憶することを含みうる。また、本方法は、フーリエ分析された空間ヘテロダインホログラムを再生することを含みうる。また、本方法は、フーリエ分析された空間ヘテロダインホログラムを送信することを含みうる。また、本方法は、上記方法によって作成され、コンピュータが読み取り可能な媒体上で実施された空間ヘテロダインホログラムを含みうる。
【００２５】
融合手法
図４を参照して、仮想対象物について、ゼロ周波数４０５が中心である場合の２次元フーリエ平面を説明する。対象物のゼロ周波数４０５は、ホログラムにおけるヘテロダインまたは搬送周波数に対応する。対象物の空間周波数のすべては、色が塗られた円４１０によって表される。軸上照明は、実線で描かれた円４１５によって示す周波数のみを取り込む。しかしながら、軸外照明の一例では、点線で描かれた円４２０によって示す周波数を取り込む。軸外照明の他の例では、対象物スペクトル４１０の他の領域を取り込むことができる。
【００２６】
図２および３に示すようなＤＤＨ装置は、同一の対象物領域の複数のホログラムは、軸上および軸外照明された両方共、取り込みかつ記憶するために用いることができる。そのような各ホログラムが、対象物の異なる空間周波数に着いての情報を含むことを実現するために、これらのホログラムを分析して、単一の再構成された画像を演算する方法を以下に詳述する。再構成された画像は、観察されたすべての空間周波数を含むことができ、よって、いかなる記録された単一の画像よりもはるかに高い解像度の画像を提供できる。以下に提示する方法は、代表例となることが意図されており、拡張、修正、および他の取り組みを排除するものではない。
【００２７】
本発明は、ｋ＝（０，．．．，Ｎ）ホログラムの取り込み（デジタル取得）を含みうる。図５は、Ｎ＝４である場合のホログラムの組の各ホログラムに含まれる空間周波数を示す。図４と同様に、図５は、ゼロ周波数５０５が中心点である場合の対象物のフーリエ平面を表す。実線円５１０は、軸上照明で観察される空間周波数を表し、点線円５１５，５２０，５２５，５３０は、４つの異なる軸外被照ホログラムによって観察される空間周波数を表す。全５つのホログラムからの情報を適切に融合することによって、ＤＤＨシステムの解像度（すなわち、帯域幅）は効果的に上昇し、図６の斜線領域６１０によって示されるすべての空間周波数によって、最終画像が与えられる。
【００２８】
フーリエ領域において、対象物の真のスペクトルは、Ｆ（ｑ）によって与えられるとする。各ホログラムによって観察されるＦ（ｑ）の部分（Ｆ（ｑ）の領域）であるＧｋ（ｑ）は、
Ｇｋ（ｑ）＝μｋｅｘｐ（ｊγｋ）・Ｆ（ｑ）Ｗｋ（ｑ）、
によって与えられ、式中、μｋおよびγｋはそれぞれ、ホログラムｋのフリンジコントラストおよび位相オフセットであり、ｊはその負の平方根である。
【００２９】
本発明は、変動するフリンジコントラストを正規化および／または補償することを含みうる。そのようなフリンジコントラスト正規化のための一方法は、以下のように説明できる。まず、上記Ｇｋ（ｑ）は、取得された１つの対象物波（または画像）ｇｋ（ｘ）のフーリエ変換を表すことに言及しておく。
【００３０】
【化５】
2005537516.tif 000003
式中、
【００３１】
【化６】
2005537516.tif 000004
は、フーリエ変換演算を示す。ここで、２つの追加の画像を、
【００３２】
【化７】
2005537516.tif 000005
および
【００３３】
【化８】
2005537516.tif 000006
であるとｋ＝１，．．．，Ｎについて規定し、式中、ｋ＝０は参照画像であるとし、
【００３４】
【化９】
2005537516.tif 000007
は逆フーリエ変換演算を示す。画像ｇｋ，０（ｘ）は、ｇｋ（ｘ）および参照画像ｇ０（ｘ）の両方で共通のｇｋ（ｘ）の周波数のみを保つすることによって構成される。同様に、画像ｇｋ，０（ｘ）は、ｇｋ（ｘ）および参照画像ｇ０（ｘ）の両方で共通のｇｋ（ｘ）の周波数のみを備える。このような共通周波数は、図１０に示すように、２つの開口Ｗ０（ｑ）およびＷｋ（ｑ）の交わりとして視覚化できる。いったんｇｋ，０（ｘ）およびｇ０，ｋ（ｘ）が構成されると、比率画像ｘｋ（ｘ）は以下のように演算される。
【００３５】
【化１０】
2005537516.tif 000008
比率画像を演算後、相対フリンジコントラストであるμｋ／μ０が、比率画像ｘｋ（ｘ）の大きさのサンプル中間値（平均値）として推定できる。
【００３６】
【化１１】
2005537516.tif 000009
式中、Ｐは、（デジタル化された）比率画像内のピクセル総数であり、｜ｘｋ（ｉ）｜は、単一のピクセル位置における比例画像の絶対値を表す。
【００３７】
本発明は、位相オフセットを正規化または補償することを含みうる。位相オフセット正規化のための一方法では、フリンジコントラスト正規化のための比率画像と同じものを演算する。その後、相対位相オフセットであるｅｘｐ（γｋ−γ０））を、比率画像ｘｋ（ｘ）の位相の（重み付けされた）サンプル中間値として演算できる。
【００３８】
【化１２】
2005537516.tif 000010
式中、∠ｘｋ（ｘｉ）は、単一のピクセル位置における（デジタル化された）比率画像の位相（角度）であり、αｋ（ｘｉ）は、重み付け係数である。最も簡単な実施形態では、重み付け係数は、１に等しく固定される。他の実施形態では、重み付け係数は、比率画像を演算するために用いられる個別の画像の大きさに関連付けられていてもよい。これが用いられてもよいのは、大きさが非常に小さい場合には、位相データが正確でないことが多いからである。重み付け係数を演算するそのような一実施形態は、
【００３９】
【化１３】
2005537516.tif 000011
また、同様に与えられた重み付け係数を用いてもよい。位相オフセット推定のための他の方法を以下に説明する。位相オフセットは、搬送周波数の位置を突き止めるのを誤ったために生じすることが多い。そのような状況下では、比率画像の位相オフセットは、以下のような形式を取る。
【００４０】
∠ｘｋ（ｘ）＝ｅｘｐ（ｊ（ｅ１ｘ１＋ｅ２ｘ２＋γｋ））
式中、ｅ１およびｅ２は、搬送周波数を見つける際の誤りに関連付けられている。この場合に、ｅ１およびｅ２は両方共、γｋにと共に求められなければならない。上記の式は、以下のようにも書くことができる。
【００４１】
∠ｘｋ（ｘ）＝ｃｏｓ（ｅ１ｘ１＋ｅ２ｘ２＋γｋ）＋ｊｓｉｎ（ｅ１ｘ１＋ｅ２ｘ２＋γｋ）
実部および虚部は、２次元ベクトルの別個の要素とみなすことができる。
【００４２】
【化１４】
2005537516.tif 000012
上記右側にある、問題としている３つのパラメータ、すなわち、ｅ１、ｅ２およびγｋは、その後、標準的な非線形最適化技法のいずれかによって、測定値（上記式の左側）から推定される。
【００４３】
よって、フリンジコントラストおよび位相オフセット正規化の後、ホログラムｋにおいて観察されたスペクトルのための式は、以下のように簡素化される。
【００４４】
Ｇｋ（ｑ）＝Ｆ（ｑ）Ｗｋ（ｑ）、
上記式において、Ｗｋ（ｑ）は、事実上、ホログラムｋによって観察されたスペクトルの領域を表す窓関数である。単純な例として、図５からの窓関数は、各円５１０，５１５，５２０，５２５，および５３０の内側の１または外側のゼロに等しい。より高度な実施形態では、窓関数は、円対称バターワース関数を用いてモデル化されてもよい。
【００４５】
【化１５】
2005537516.tif 000013
式中、ｑ１およびｑ２はベクトルｑの水平および空間周波数変数を表し、ｃ１およびｃ２はフーリエ平面における関数の中心点を表し、ｒは関数の半径を表し、ｍはフィルタの次元を表す。
【００４６】
融合方法の目的は、測定値Ｇｋ（ｑ）からＦ（ｑ）の推定を形成することにある。Ｆ（ｑ）を推定する取り組みとしては、最小の平均平方誤差基準に基づいて、線形推定器を用いることである。これは、周知の線形最小平均平方誤差（ＬＭＭＳＥ）推定器である。線形推定器を用いて、Ｆ（ｑ）についての推定値は、ｑが離散フーリエ領域のサンプルである場合、以下によって与えられる。
【００４７】
【化１６】
2005537516.tif 000014
式中、ＬＭＭＳＥ基準によって決定されるような係数は、以下によって与えられる。
【００４８】
【化１７】
2005537516.tif 000015
式中、ｃ（ｑ）は、システムの詳細に基づいて選択可能な、正則化パラメータを表す正の数である。この正則化パラメータは、システム雑音を補償するために用いられる。完全に雑音がゼロの場合には、ｃ（ｑ）をゼロに設定することができ、その場合には、Ｆ（ｑ）についての推定値は、単純平均に減少する。実際は、そのような技法は、融合画像に望ましくない人為的結果を生じさせる。最も単純な取り組みは、ｃ（ｑ）を、実験観察に基づいて、すべてのｑについてある一定の数に設定することである。より高度な実施形態では、観察されたホログラムおよび画像に対する何らかの計算分析に基づいて、ｃ（ｑ）を設定（定数に、またはｑとともに変化するように）してもよい。正則化パラメータの演算についてのこのような多くの取り組みは、当業者によって考案されてもよい。
【００４９】
単純平均またはＬＭＭＳＥ推定は、恐らく、融合画像を演算するための最も単純な取り組みである。画像処理技術の当業者に周知の、融合画像を演算するためのいくつかの代替最適化基準としては、最尤（ＭＬ）推定、最大事後確率（ＭＡＰ）推定、および／または総合最小二乗（ＴＬＳ）推定が含まれるであろう。なお、これらの例は網羅的でない。
【００５０】
実験結果
図７は、５つの異なるホログラムから得られた離散フーリエスペクトルを示す。第１の画像７０５は、軸上照明に対応し、一方、画像７１０，７１５，７２０，および７２５は、様々な軸外照明条件に対応している。上述の融合方法を用いて、画像７３０に示す融合されたスペクトルが生じた。図８は、軸上被照ホログラムのみから再構成された対象物の振幅を示す。図９は、融合結果から再構成された対象物の振幅を示す。融合の結果、解像度が高まることによって、（図８にはなく）図９においてグリッド構成が顕著となることに注目することが重要である。
【００５１】
対象物ビームが対象物用対物レンズの中心を通るようにまたはその中心から外れて通るように、源、ビーム拡大器／空間フィルタ、およびレンズを並べる機能を行う構造として、開示された実施形態は、コンピュータ制御された可動筐体を示すが、源、ビーム拡大器／空間フィルタ、およびレンズを並べる機能を行う構造は、対象物ビームが対象物用対物レンズの中心を通るようにまたはその中心から外れて通るように、対象物ビームを揃える機能を行うことができる他の構造であってもよく、そのような構造には、例えば、ビームスプリッタ、ミラー、対象物用対物レンズ、対象物、集束レンズ、およびＣＣＤカメラを、源、ビーム拡大器／空間フィルタ、およびレンズを基準として配置する可動プラットフォーム、または他の例として一連の可動光学部品（例えば、ミラー）、または他の例として可撓性光ファイバおよび／またはケーブルが含まれる。
【００５２】
本明細書で用いられる「ａおよびａｎ」という用語は、１つまたは１つ以上として規定される。本明細書で用いられる「複数（ｐｌｕｒａｌｉｔｙ）」という用語は、２つまたは２つ以上として規定される。本明細書で用いられる「他の（ａｎｏｔｈｅｒ）」という用語は、２つ目またはそれ以上として規定される。本明細書で用いられる「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および／または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」（すなわち、オープンな言語）として規定される。本明細書で用いられる「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」としてきていされるが、それは必ずしも直接的ではなく、機械的でもない。本明細書で用いられる「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、少なくとも所定の値に近い（例えば、好ましくは１０％以内、より好ましくは１％以内、最も好ましくは０．１％以内）として規定される。本明細書で用いられる「実施的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、「ほとんど（ｌａｒｇｅｌｙ）」として規定されるが、必ずしも特定された全体的であるとは限らない。本明細書で用いられる「一般的に（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ）」という用語は、少なくとも所定の状態に近いとして規定される。本明細書で用いられる「配備する（ｄｅｐｌｏｙｉｎｇ）」という用語は、「設計する（ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ）」、「構築する（ｂｕｉｌｉｄｉｎｇ）」、「輸送する（ｓｈｉｐｐｉｎｇ）」、「設置する（ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ）」、および／または「動作する（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ）」として規定される。本明細書で用いられる「手段（ｍｅａｎｓ）」という用語は、結果を実現するためのハードウェア、ファームウェア、および／またはソフトウェアとして規定される。本明細書で用いられる「プログラム（ｐｒｏｇｒａｍ）」という用語または「コンピュータプログラム（ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｐｒｏｇｒａｍ）」という句は、コンピュータシステム上で実行するように設計された命令のシーケンスとして規定される。プログラムまたはコンピュータプログラムは、サブルーチン、関数、プロシージャ、オブジェクトメソッド、オブジェクト実装、事項可能なアプリケーション、アプレット、サーブレット、ソースコード、オブジェクトコード、共有ライブラリ／ダイナミックロードライブラリ、および／またはコンピュータシステム上で実行するように設計された命令の他のシーケンスを含んでもよい。本明細書で用いられる「低周波数（ｌｏｗ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）」という用語は、基本的なフリンジ空間周波数がナイキストサンプリング限度よりも低いことを示唆しているとして規定されうる。
【００５３】
本発明の実際の応用
科学技術において価値のある本発明の実際の応用には、測定学がある。本発明は、半導体検査ためなどのマイクロエレクトロニクス（機械的な）製造に関連して有用である。また、本発明は、ナノ可視化またはナノ測定などのナノテクノロジー研究、開発、および製造に関連して有用である。本発明は、例えば、電子ホログラフィーに基づく直接デジタルホログラフィーツールなどのデジタル処理および／またはデジタルデータ取得を用いる干渉計に関連して有用である。本発明の利用法は事実上無数にあり、そのすべてをここで詳述する必要はない。
【００５４】
本発明の利点
本発明の一実施形態を表す方法、装置、および／またはコンピュータプログラムは、少なくとも以下の理由で、費用効果があり有利でありうる。本発明は、対象物照明のコンピュータ制御を提供しうる。本発明は、複数のホログラムからの結果を融合することを提供しうる。本発明は、はるかに高められた画像化解像度を提供しうる。本発明は、以前の取り組みに比べて、品質を改良し、コストを下げるものである。
【００５５】
本明細書に開示された発明の開示された実施形態はすべて、開示に照らして不当な実験を行うことなく、実行および用いることができる。本発明は、本明細書に記載された理論上の記述によって限定されない。発明者によって検討された本発明を実行する最良の形態を開示しているが、本発明の実施は、それに限定されない。したがって、本発明は本明細書において具体的に記載されているのとは違ったように実施されてもよいことは、当業者に認識されるであろう。
【００５６】
さらに、各構成要素は、開示された構成に組み合わせる必要はないが、事実上すべての構成に組み合わせることが可能であろう。さらに、本明細書に記載されたた、ステップまたは方法を含むステップのシーケンスにおいて、変更を行ってもよい。さらに、本明細書に記載された装置は別個のモジュールであってもよいが、本装置は関連するシステムに一体化されてもよいことは明らかであろう。さらに、開示された各実施形態の開示された構成要素および特徴のすべては、互いに相容れない場合を除いて、他の開示されたそれぞれの実施形態の開示された構成要素および特徴に組み合わせるか、または取って代わることができる。
【００５７】
本発明の特徴の様々な代替、修正、追加、および／または再構成が、基礎をなす発明概念の精神および／または範囲から逸脱することなく行われてもよいことは明らかであろう。添付の請求項およびそれに対応するものによって規定されるような基礎をなす発明概念の精神および／または範囲は、そのようなすべての代替、修正、追加、および／または再構成を対象として含んでいるとみなされる。
【００５８】
添付の請求項は、ミーンズプラスファンクションの限定が「ための手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」および／または「ためのステップ（ｓｔｅｐ  ｆｏｒ）」という句を用いて所定の請求項に明示的に記載されていない限り、そのような限定を含むとして解釈されるものではない。本発明の従属的な実施形態は、添付の独立請求項およびそれに対応するものによって詳述されている。本発明の特定の実施形態は、添付の独立請求項およびそれに対応するものによって互いに区別されている。
【００５９】
参考文献
【００６０】
【化１８】
2005537516.tif 000016
【図面の簡単な説明】
【００６１】
本明細書の部分を構成する添付の図面は、本発明のある局面を図示するために含まれている。本発明のより明確な概念、および本発明に備えられたシステムの構成要素および動作は、図面に示された例でありしたがって非限定的な実施形態を参照することによって、より容易に明らかになるであろう。本発明は、１つ以上のこれらの図面を明細書に提示された説明と組み合わせて参照することによって、よりよく理解されるであろう。なお、図面に示された特徴は、必ずしも一律の縮尺に従っていない。
【図１】図１は、従来の直接デジタルホログラフィー装置であって、「従来技術」であると適切に表記されている。
【図２】図２は、本発明の一実施形態を表す、軸上位置にある軸外照明直接デジタルホログラフィー装置（干渉計）の模式図を示す。
【図３】図３は、軸外位置にある、図２の軸外照明直接デジタルホログラフィー装置（干渉計）の模式図を示す。
【図４】図４は、本発明の一実施形態を表す、軸上照明の１つの例と軸外照明の１つの例を示す対象物についての２次元フーリエ平面を示す。
【図５】図５は、本発明の一実施形態を表す、軸上照明の１つの例と軸外照明の４つの例を示す対象物についての２次元フーリエ平面を示す。
【図６】図６は、本発明の一実施形態を表す、融合スペクトル（合成画像）を与えるすべての空間周波数を示す対象物についての２次元フーリエ平面を示す。
【図７】図７Ａ〜７Ｆは、本発明の一実施形態を表す、５つの異なるホログラムから得られる離散フーリエスペクトル（７Ａ〜７Ｅ）と、融合スペクトル（７Ｆ）とを示す。
【図８】図８は、本発明の一実施形態を表す、軸上被照ホログラムから再構成された対象物の振幅を示す。
【図９】図９は、本発明の一実施形態を表す、融合結果から再構成された対象物の振幅を示す。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態を表す、２つの開口Ｗ０（ｑ）およびＷｋ（ｑ）の交わりを示す。
【図１】
2005537516.tif 000021
【図２】
2005537516.tif 000022
【図３】
2005537516.tif 000023
【図４】
2005537516.tif 000024
【図５】
2005537516.tif 000025
【図６】
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2005537516.tif 000027
【図８】
2005537516.tif 000028
【図９】
2005537516.tif 000029
【図１０】
2005537516.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月22日(2005.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005537516.tif 000031
【図２】
2005537516.tif 000032
【図３】
2005537516.tif 000033
【図４】
2005537516.tif 000034
【図５】
2005537516.tif 000035
【図６】
2005537516.tif 000036
【図１０】
2005537516.tif 000037
【図７】
2005537516.tif 000038
【図８】
2005537516.tif 000039
【図９】
2005537516.tif 000040
【国際調査報告】
2005537516.tif 000041
2005537516.tif 000042
2005537516.tif 000043