(57)【要約】【課題】位相シフト法を用いて少ない測定回数で被検体から出射する信号の位相分布を高精度に測定する。【解決手段】位相分布測定装置は、光源からの光の一部の位相を変調して互いに位相差を有する第１の光と第２の光を生成する位相変調手段１７０と、第１の光と被検体に照射された第２の光との干渉により生じる信号の測定を行う測定手段２３０と、位相シフト法により上記信号の位相分布を算出する処理手段２４０とを有する。処理手段は、複数回の測定により得られる複数の測定データにより構成されるデータセットを複数作成し、各データセットに対して、位相シフト法における位相差の誤差を校正した校正位相差を算出し、該校正位相差に基づいて位相分布の位相成分を算出し、複数のデータセットのそれぞれにおいて所定条件を満たすように算出された位相成分を組み合わせて位相分布を算出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光の一部の位相を変調することで互いに位相差を有する第１の光と第２の光を生成する位相変調手段と、
少なくとも前記第２の光を被検体に照射する光学系と、
前記第１の光と前記被検体に照射された前記第２の光との干渉により生じる信号の測定を行う測定手段と、
位相シフト法により前記信号の位相分布を算出する処理手段とを有し、
前記処理手段は、
複数回の前記測定により得られる複数の測定データにより構成されるデータセットを複数作成し、
前記複数のデータセットのそれぞれに対して、前記位相シフト法における前記位相差の誤差を校正した校正位相差を算出し、
該校正位相差に基づいて前記位相分布の位相成分を算出し、
前記複数のデータセットのそれぞれにおいて所定条件を満たすように算出された前記位相成分を組み合わせて前記位相分布を算出すること特徴とする位相分布測定装置。
【請求項２】
前記所定条件を満たす前記位相成分は、エラーなく算出された位相成分であることを特徴とする請求項１に記載の位相分布測定装置。
【請求項３】
前記処理手段は、前記複数のデータセット間において前記位相差に基づくオフセット量を調整してから前記位相成分を組み合わせることを特徴とする請求項１または２に記載の位相分布測定装置。
【請求項４】
前記処理手段は、前記複数のデータセットの全てにおいて前記位相成分が前記所定条件を満たさない場合は、前記位相分布として所定の位相分布を設定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の位相分布測定装置。
【請求項５】
前記処理手段は、前記所定条件を満たす前記位相成分の平均値として前記位相成分を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の位相分布測定装置。
【請求項６】
前記処理手段は、前記各データセットを構成する前記複数の測定データのうち、最初の測定データと、最後の測定データとの間の前記位相差が２π以上となるように前記各データセットを作成することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の位相分布測定装置。
【請求項７】
前記処理手段は、前記位相差を等間隔に与えて４回以上、前記信号を測定して得られた前記測定データを用いて前記各データセットを作成することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の位相分布測定装置。
【請求項８】
前記第１および第２の光は、前記被検体への入射から前記信号の測定に至るまで互いに共通の光路を通ることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の位相分布測定装置。
【請求項９】
前記信号は、前記被検体からの透過光、反射光および光音響信号のうちいずれかであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の位相分布測定装置。
【請求項１０】
前記信号は、前記透過光または前記反射光であり、
前記測定手段は、前記透過光または前記反射光を測定するためのアレイセンサと、該アレイセンサに前記透過光または前記反射光を導く光学系とを含むことを特徴とする請求項９に記載の位相分布測定装置。
【請求項１１】
前記信号は、前記光音響信号であり、
前記測定手段は、前記光音響信号を測定するための超音波トランスデューサを含むことを特徴とする請求項９に記載の位相分布測定装置。
【請求項１２】
前記処理手段は、前記第１および２の光を前記被検体に入射させるときの入射条件を変えながら、それぞれの前記入射条件に対して算出した前記位相分布を用いて行列を生成することで、前記入射条件に対する前記信号の応答特性行列を測定することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の位相分布測定装置。
【請求項１３】
光源からの光の一部の位相を変調することで互いに位相差を有する第１の光と第２の光を生成し、少なくとも前記第２の光を光学系を通して被検体に照射するステップと、
前記第１の光と前記被検体に照射された前記第２の光との干渉により生じる信号の測定を行うステップと、
位相シフト法により前記信号の位相分布を算出する処理ステップとを有し、
前記処理ステップにおいて、
複数回の前記測定により得られる複数の測定データにより構成されるデータセットを複数作成し、
前記複数のデータセットのそれぞれに対して、前記位相シフト法における前記位相差の誤差を校正した校正位相差を算出し、
該校正位相差に基づいて前記位相分布の位相成分を算出し、
前記複数のデータセットのそれぞれにおいて所定条件を満たすように算出された前記位相成分を組み合わせて前記位相分布を算出すること特徴とする位相分布測定方法。
【請求項１４】
光源からの光の一部の位相を変調することで互いに位相差を有する第１の光と第２の光を生成する位相変調手段と、少なくとも前記第２の光を被検体に照射する光学系と、前記第１の光と前記被検体に照射された前記第２の光との干渉により生じる信号の測定を行う測定手段とともに用いられ、コンピュータに位相シフト法により前記信号の位相分布を算出する処理を実行させるコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータに、
複数回の前記測定により得られる複数の測定データにより構成されるデータセットを複数作成させ、
前記複数のデータセットのそれぞれに対して、前記位相シフト法における前記位相差の誤差を校正した校正位相差を算出させ、
該校正位相差に基づいて前記位相分布の位相成分を算出させ、
前記複数のデータセットのそれぞれにおいて所定条件を満たすように算出された前記位相成分を組み合わせて前記位相分布を算出させること特徴とする位相分布測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体からの光の位相を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体等の被検体である散乱媒質に対して、空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）により様々な波面を成形した光を照射し、媒質を透過した散乱光を撮像素子を通して観察する方法が非特許文献１に開示されている。また、非特許文献１にて開示された方法では、ＳＬＭにより光の位相を変調する変調領域と変調しない非変調領域とを分離し、変調領域に非変調領域に対する位相差を与えて位相シフト法を実施することで、散乱光の位相分布を測定する。様々な入射波面に対して散乱光の位相分布を測定することで、媒質の光に対する入出力応答を表す応答特性行列（透過行列）を取得することができる。この透過行列を用いれば、媒質の背後の任意の位置に光をフォーカスすることが可能となる。
【０００３】
また、非特許文献２には、媒質を透過した散乱光の代わりに、媒質中で発生した光音響信号の応答特性行列を測定する方法が開示されている。応答特性行列を利用して媒質内部の吸収物体の位置に選択的に光を照射し、高ＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio）にて光音響信号を測定することができる。
【０００４】
さらに、特許文献１には、マルチモードファイバの応答特性行列を測定し、該行列を利用してファイバの出射端に生成したフォーカススポットのスキャンを行うことで、ファイバを介して被検体の像を取得する装置が開示されている。加えて、非特許文献３には、被検体を透過または反射した光の位相分布を測定または回復する様々な方法や装置が開示されている。
【０００５】
前述した被検体の応答特性行列を測定するためには、被検体から発せられる信号（透過光、反射光または光音響信号等）の位相を測定する必要がある。この位相測定には、光の干渉計測を行うのが一般的である。例えば、マッハツェンダー干渉計に代表されるように、光源からの光を物体光と参照光とに分離し、前者を被検体に入射させ、その透過光を観察面で参照光と重ね合わせて光強度を測定する。このような測定系において、非特許文献３にて開示されているように位相シフト法を行うことで、被検体を透過した光の位相を測定することができる。
【０００６】
位相シフト法では、物体光または参照光に対して既知の位相遅延量を等間隔に複数回与え、それぞれの位相遅延量で測定した光強度を用いて、非特許文献３に開示された様々なアルゴリズムを用いて位相を回復することができる。また、非特許文献１にて開示されている測定装置のように、物体光と参照光の光路が、被検体への入射から被検体から出射してＣＣＤにより観察されるまで共通である測定系においても位相シフト法を適用することができる。このようなコモンパスの測定系は、前述の測定系に比べて振動に強く、装置の構成も比較的簡易である。また、非特許文献２にて開示されているように、光音響信号の応答特性行列を測定することも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許公開第２０１３／０１８２２５３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】S. M. Popoff et al., “Measuring the Transmission Matrix in Optics: An Approach to the Study and Control of Light Propagation in Disordered Media”, Phys. Rev. Lett., 104(10), 100601 (2010)
【非特許文献２】T. Chaigne et al., “Controlling light in scattering media non-invasively using the photoacoustic transmission matrix”, Nat. Photonics, 8, 58 (2014)
【非特許文献３】D. Malacara, OPTICAL SHOP TESTING 3rd Edition, WILEY
【非特許文献４】P. J. de Groot et al., “New algorithm and error analysis for sinusoidal phase shifting interferometry”, Proc. SPIE Vol. 7063 7063K (2008)
【非特許文献５】Y. Choi et al., “Scanner-free and wide-field endoscopic imaging by using a single multimode optical fiber”, Phys. Rev. Lett., 109, 203901 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述した位相シフト法による位相回復において、与える既知の位相遅延量（位相シフト量）が観測面で観測する際に誤差が生じる場合、既知の位相量を前提として位相を回復（算出）するアルゴリズムを用いると、回復される位相に誤差が生じ精度が劣化する。これに対して、非特許文献３には、光強度の測定結果から、位相差（位相シフト量）をキャリブレーションした上で位相を回復する方法が開示されている。
【００１０】
しかしながら、位相シフト量が観測面で一様ではなく、観測する位置によって位相シフト量が大きく変化して既知である位相シフト量からの誤差が大きいと、前述したキャリブレーション手法ではエラーが生じて位相が回復できない場合がある。例えば、被検体が散乱媒質であってコモンパスの測定系を用いる場合には、被検体への入射前に与えた位相シフト量が、被検体透過後はランダムに乱される。この結果、観測面での位相シフト量は、既知の量に対して大きな誤差を含む。さらに、この位相シフト量の誤差に対して上述したキャリブレーション手法を用いても、キャリブレーションできずにエラーが発生することもある。このような場合、位相回復の精度が劣化し、さらにその位相を要素に持つ応答特性行列も精度が劣化する。この結果、媒質の背後にフォーカスされる光の最大強度が低下したり、或いは応答特性行列を用いて再構成される画像の精度が低下したりする等、応答特性行列を利用した様々な機能が劣化する。
【００１１】
本発明は、被検体が散乱媒質であっても、位相シフト法を用いて少ない測定回数で被検体から出射する信号の位相分布を高精度に測定することが可能な位相分布測定装置等を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一側面としての位相分布測定装置は、光源からの光の一部の位相を変調することで互いに位相差を有する第１の光と第２の光を生成する位相変調手段と、少なくとも第２の光を被検体に照射する光学系と、第１の光と被検体に照射された第２の光との干渉により生じる信号の測定を行う測定手段と、位相シフト法により上記信号の位相分布を算出する処理手段とを有する。そして、処理手段は、複数回の測定により得られる複数の測定データにより構成されるデータセットを複数作成し、複数のデータセットのそれぞれに対して、位相シフト法における位相差の誤差を校正した校正位相差を算出し、該校正位相差に基づいて位相分布の位相成分を算出し、複数のデータセットのそれぞれにおいて所定条件を満たすように算出された位相成分を組み合わせて位相分布を算出すること特徴とする。
【００１３】
また、本発明の他の一側面としての位相分布測定方法は、光源からの光の一部の位相を変調することで互いに位相差を有する第１の光と第２の光を生成し、少なくとも第２の光を光学系を通して被検体に照射するステップと、第１の光と被検体に照射された第２の光との干渉により生じる信号の測定を行うステップと、位相シフト法により上記信号の位相分布を算出する処理ステップとを有する。そして、処理ステップにおいて、複数回の前記測定により得られる複数の測定データにより構成されるデータセットを複数作成し、複数のデータセットのそれぞれに対して、位相シフト法における位相差の誤差を校正した校正位相差を算出し、該校正位相差に基づいて位相分布の位相成分を算出し、複数のデータセットのそれぞれにおいて所定条件を満たすように算出された位相成分を組み合わせて位相分布を算出すること特徴とする。
【００１４】
なお、上記位相分布測定方法に従う処理をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムとしての位相分布測定プログラムも、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、被検体が散乱媒質であっても、位相シフト法を用いて少ない測定回数で被検体から出射する信号の位相分布を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】マッハツェンダー干渉計を示す図。
【図２】本発明の実施例１である位相分布測定装置の構成を示す図。
【図３】実施例１の装置の一部を示す図。
【図４】実施例１における測定処理を示すフローチャート。
【図５】実施例１における位相回復処理を用いた応答特性行列算出処理を示すフローチャート。
【図６】実施例１における位相回復処理の結果を示す図。
【図７】実施例１における再生フォーカス像の設定を示す図。
【図８】実施例１における再生フォーカス像の評価結果を示す図。
【図９】実施例１における別の再生フォーカス像の評価結果を示す図。
【図１０】本発明の実施例２である位相分布測定装置の構成を示す図。
【図１１】本発明の実施例３である位相分布測定装置における応答特性行列の測定を示す図。
【図１２】実施例３の装置におけるイメージングを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。本発明の各実施例は、参照光（第１の光）と物体光（第２の光）の干渉を利用して物体光の位相を観測する技術に関し、特に位相シフト法による位相測定の精度を向上させることを目的の１つとしている。
【００１８】
参照光と物体光を干渉させる方法として、例えば図１に示すマッハツェンダー干渉計を用いることができる。光源Ｓから出射した光はコリメートされた後、ビームスプリッタＢＳ１によって、別々の光路を進む２つの光に分割される。一方の光は物体光と称され、被検物Ｔを通って（透過して）ミラーＭ１で反射され、ビームスプリッタＢＳ２に向かう。もう一方の光は参照光と称され、ミラーＭ２で反射されてビームスプリッタＢＳ２に向かう。物体光と参照光はビームスプリッタＢＳ２により再び同一光路を通るように合成され、アレイセンサＡ上に光強度分布を形成する。仮に被検物Ｔが配置されておらず、ミラーＭ１とＭ２が理想的な平面であれば、均一な強度分布がアレイセンサＡを通じて観測される。
【００１９】
次に、被検物Ｔが透過光に対して位相分布φを付加する場合について説明する。このとき、ミラーＭ１，Ｍ２が理想的な平面であっても、アレイセンサＡには光強度分布が形成される。アレイセンサＡにより観測される光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は、非特許文献３によれば、
Ｉ（ｘ，ｙ）＝Ｉ′（ｘ，ｙ）＋Ｉ″（ｘ，ｙ）ｃｏｓφ（ｘ，ｙ）
となる。ただし、Ｉ′（ｘ，ｙ）は強度一定のバイアス成分であり、Ｉ″（ｘ，ｙ）は物体光と参照光との干渉によって生じる信号（変調成分）である。（ｘ，ｙ）はアレイセンサＡのセンサ面上での離散的な座標である。
【００２０】
位相シフト法は、参照光に位相遅延量を与えることで観測される光強度分布から被検物の位相分布φを測定する方法である。より具体的には、位相シフト法は、物体光または参照光に対して既知の位相差（位相遅延量）を等間隔に複数回与え、それぞれの位相遅延量で測定した光強度を用いて、非特許文献３にて開示された様々なアルゴリズムを用いて位相を回復する方法である。
【００２１】
参照光に位相を与えるには、例えばミラーＭ２を微小距離だけ動かす等して、参照光が通る光路の距離を変えればよい。参照光に与える位相差を、以下の説明において位相シフト量という。また、参照光が通る光路の距離が１波長分だけずれることを２πの位相シフト量という。例えば、参照光が通る光路の距離が４分の１波長分だけずれれば、０．５πの位相シフト量を参照光に与えたことになる。参照光に与えた位相シフト量をαとすれば、アレイセンサＡで観測される光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は、
Ｉ（ｘ，ｙ）
＝Ｉ′（ｘ，ｙ）＋Ｉ″（ｘ，ｙ）ｃｏｓ[φ（ｘ，ｙ）＋α（ｘ，ｙ）]
と表すことができる。  各実施例では、被検物の位相分布φを求める。位相シフト量αが制御可能であって既知であるとき、光強度分布の式には、Ｉ′、Ｉ″およびφという３つの未知数がある。未知数が３つであるので、参照光に与える位相シフト量αを少なくとも３通り与えれば、３つの式を得ることができ、これら連立方程式を解いてφを求めることができる。もちろん、Ｉ′とＩ″を求めることもできる。
【００２２】
位相シフト量αは最低３つ必要であるが、高度な位相シフト法では位相シフト量は３つより多い（非特許文献３参照）。一般的な干渉計では、参照光に１３種類の位相シフト量を与えることがある。
【００２３】
ただし、ミラーＭが外部の振動の影響を受けて振動している場合、ミラーＭ２に凹凸がある場合、外部の温度変化により膨張／伸縮を繰り返している場合およびミラーＭ２の駆動機構に不具合がある場合は、所定の位相シフト量αを制御することができない。このような場合は、方程式を解く際に既知であると仮定したαが実際の値からずれているため、方程式を解いて算出した被検物の位相分布φが正しい値にならない。
【００２４】
また、実施例で説明するように、光学系の配置の都合上、参照光に与える位相シフト量αが原理的に正確に制御できないことがある。
【００２５】
各実施例の位相分布計測装置または位相分布計測方法によれば、位相シフト量αの制御が困難な場合においても、被検物から出射する信号の位相分布を高精度に算出することが可能である。
【実施例１】
【００２６】
本発明の実施例１である位相分布測定装置および位相分布測定方法について説明する。図２には、本実施例の位相分布測定装置の構成を示している。
【００２７】
光源１００からは所望のビームサイズでコリメートされた光１６０が出力される。光源１００は、例えば４００〜１５００ｎｍの可視域から近赤外域の波長を有し、強度が時間的に一定な連続光（ＣＷ光）を放射するレーザ光源である。光源１００からの光は、目的に応じて、上記範囲以外の波長を有してもよいし、任意の周波数で強度変調された光やパルス光であってもよい。また、光源１００からの光は、コヒーレンス長が十分に長い（例えば、数１０ｃｍ以上）光であることが望ましい。
【００２８】
光源１００からの光は、空間フィルタ１１０およびレンズ１２０によって平行光に変換され、可変絞り１３０によりビームサイズが適切に調整される。また、光源１００からの光の強度は、被検体２００に応じて又は目的に応じて適切に調整されている。ビームサイズと光強度が調整された光１６０は、ミラー１４０，１５０で反射されて位相変調手段としてのＳＬＭ１７０に入射する。
【００２９】
ＳＬＭ１７０としては、例えばliquid crystal on silicon（ＬＣＯＳ）を用いることができる。ＳＬＭ１７０は位相変調を行うデバイスであり、反射型のデバイスであってもよいし透過型のデバイスであってもよい。また、位変調手段としてＤＭＤ（Digital Mirror Device）を用いて、バイナリパターンによる回折像を利用して位相変調を行ってもよい。ＳＬＭ１７０による位相変調を受けた光はその波面が成形される。
【００３０】
ＳＬＭ１７０は、処理手段としてのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）２４０に接続されており、ＰＣ２４０からの制御信号に応じて制御される。ＳＬＭ１７０に入力する光１６０の偏光は、ＳＬＭ１７０による位相変調が行われる偏光方向と一致するように調整されている。
【００３１】
ＳＬＭ１７０で反射し、かつ波面が成形された光１９０は、レンズ１８０を介して被検体２００に入射する。このとき、レンズ１８０とＳＬＭ１７０との間隔およびレンズ１８０と被検体２００の入射面との間隔はいずれもレンズ１８０の焦点距離に等しい。したがって、ＳＬＭ１７０と被検体２００の入射面はフーリエ変換の関係にあり、ＳＬＭ１７０で成形された波面をフーリエ変換した分布の光が被検体２００に入射される。
【００３２】
被検体２００を透過して出射した散乱光２１０は、レンズ２２０を介してＣＣＤセンサ等の撮像デバイス（測定手段：以下、単にＣＣＤという）２３０により測定（検出）される。撮像デバイスとして、ＣＭＯＳセンサ、イメージインテンシファイアを有するアレイセンサ、ＥＭＣＣＤ、ｓＣＭＯＳ等を用いることもできる。また、ＣＣＤ２３０は、ＰＣ２４０に接続され、ＰＣ２４０からの制御信号に応じて制御される。ＣＣＤ２３０による測定により得られた測定データは、ＰＣ２４０に転送されて解析される。測定データおよびその解析結果は、表示部であるモニタ２５０に表示される。
【００３３】
被検体２００の応答特性行列（ここでは透過行列）ｔは、次式（１）に示すように、被検体２００に入力される電場をＥａとし、被検体２００から出力（透過）される電場をＥｂとするときに、媒質の線形的な応答特性として定義される。
【００３４】
【数１】
2018100915.tif 000003
【００３５】
様々な入力（基底）Ｅａに対して出力Ｅｂを測定することで、被検体２００の透過行列ｔを作成することができる。この透過行列ｔを利用して入力Ｅａを適切に調整すれば、被検体２００からの出力（散乱光）を自由に制御することができる。例えば、被検体２００の背後にフォーカススポットを生成することが可能である。
【００３６】
ＳＬＭ１７０の位相変調領域の画素を用いて基底を表現し、入力Ｅａとする。基底としてアダマール基底（Hadamard basis）を用いる。アダマール基底は、全ての要素が＋１または−１の要素から構成されることを特徴とする直交基底である。この特徴を利用して、基底の一方の要素（例えば＋１）に対して、他方の要素に位相差πを与えることで、位相変調を行うＳＬＭ７０を用いてアダマール基底を生成することができる。このアダマール基底をＳＬＭ１７０に順次設定する。
【００３７】
次に、被検体２００から出射する透過光（信号）の位相測定について説明する。図３は、ＳＬＭ１７０の有効領域（位相変調可能な全画素領域）１７１を模式的に示している。ＳＬＭ１７０の有効領域１７１の中心に光源からの光１６０が照射されるようにアライメントがなされている。ここで、アダマール基底を描画して位相変調する位相変調領域１７３を設定する。位相変調領域１７３の中心は、有効領域１７１および入射光ビーム１６０の中心に一致し、入射光ビーム１６０の照射領域よりも小さく設定されている。この位相変調領域１７３の外側で、かつ入射光ビーム１６０が照射されている領域１７２を、位相変調を行わない非位相変調領域１７２とする。
【００３８】
本実施例では、位相変調領域１７３に、非位相変調領域１７２に対する位相差を与えることで、位相シフト法を行う。この際、位相変調領域１７３で位相変調される光を物体光とし、非位相変調領域１７２で位相変調されずに反射される光を参照光とすることで、入射光ビーム１６０を物体光と参照光とに分割する。
【００３９】
物体光の位相を参照光の位相に対して位相シフト量αでシフトさせながら、各位相シフト量に応じてＣＣＤ２３０で透過光２１０の強度分布を測定する。そして、測定された結果から、後述する位相回復方法により透過光２１０のＣＣＤ２３０上での位相分布を回復する。この光強度の測定と位相回復までの処理を、Ｎ個のアダマール基底に対して、順次行い、回復した位相分布を列ベクトルとして行列にスタックすることで応答特性行列を作成する。
【００４０】
ＣＣＤ２３０において測定に用いられる画素の数をＭとするとき、Ｍ行Ｎ列の応答特性行列ｔが得られる。例えば、応答特性行列のｊ列目の成分は、ｊ番目のアダマール基底で測定した位相分布に対応する。
【００４１】
図４は、本実施例においてＰＣ２４０が行う処理全体の流れを示す。本実施例では、位相回復方法を利用して被検体２００の応答特性行列を作成し、被検体２００の背後に光をフォーカスさせる。ＰＣ２４０がコンピュータプログラムである位相分布測定プログラムに従って本処理を実行する。以下の説明および図２において、Ｓはステップを意味する。
【００４２】
まずＳ３１０において、ＰＣ２４０は、被検体２００の応答特性行列を作成するために必要なＮ個の基底のそれぞれについて、位相シフト法を用いて透過光の強度分布をＣＣＤ２３０に測定させる。位相シフト法については、非特許文献３に開示されている。非特許文献３によれば、ｍ回目（ｍ≧１）の位相シフトで測定される光強度Ｉｍ（ｘ，ｙ）は以下の式（２）ように表せる。
【００４３】
【数２】
2018100915.tif 000004
【００４４】
φ（ｘ，ｙ）が回復したい位相分布である。本実施例では、位相シフト量αをπ／４とし、測定回数ｍを１１として光強度の測定を行い、Ｉ１（ｘ，ｙ）〜Ｉ１１（ｘ，ｙ）の測定データ（透過像データ）を得る。これをＳＬＭ１７０に設定する基底を変えながら、つまりは物体光と参照光が被検体２００に入射するときの入射条件を変えながら、全Ｎ個の基底に対して測定を行う。つまり、Ｓ３１０では、Ｎ×１１個の測定データを取得する。測定が終了すると、ＰＣ２４０は光源１００の出力を停止させる。
【００４５】
次にＳ３２０において、ＰＣ２４０は応答特性行列を以下のようにして生成する。図５は、Ｓ３２０においてＰＣ２４０が行う処理の詳細を示す。
【００４６】
図４を用いて、位相回復方法を利用した応答特性行列の生成について説明する。まずＳ３２１において、ＰＣ２４０は、Ｎ個全ての基底について後述する位相回復が完了したか否かを確認する。位相回復が完了していない場合は、ＰＣ２４０は、ｊ番目（１≦ｊ≦Ｎ）の基底を選択してＳ３２２に進む。Ｓ３２２〜Ｓ３２６では、ＰＣ２４０は、ｊ番目の基底の測定結果について処理を行う。
【００４７】
Ｓ３２２では、ＰＣ２４０は、Ｉ１（ｘ，ｙ）〜Ｉ１１（ｘ，ｙ）の１１個の測定データのうち複数の測定データにより構成されるデータセットを複数作成する。ここでは、それぞれ５つの測定データを含む３つのデータセットを次のように作成する。
【００４８】
データセット１を測定データＩ１、Ｉ３、Ｉ５、Ｉ７およびＩ９により構成し、データセット２を測定データＩ２、Ｉ４、Ｉ６、Ｉ８およびＩ１０により構成する。また、データセット３を、Ｉ３、Ｉ５、Ｉ７、Ｉ９およびＩ１１により構成する。
【００４９】
各データセットは、位相π／２のステップ量で位相を０、π／２、π、３π／２、２πと複数回（ここでは５回）測定した結果、すなわち非特許文献３にて開示された５バケット法の測定結果に対応する。非特許文献３にて開示されたHariharanのアルゴリズムによれば、以下の式（３）で表される任意の位相シフト量αで測定した結果を用いて、式（４）のように位相分布φ（ｘ，ｙ）を回復することができる。
【００５０】
【数３】
2018100915.tif 000005
【００５１】
【数４】
2018100915.tif 000006
【００５２】
例えば、上述したデータセットでは、ＳＬＭ１７０により与える位相シフト量はα＝π／２に対応するので、式（４）４にα＝π／２を代入して位相分布φ（ｘ，ｙ）を求めるのが通常である。しかし、本実施例では物体光と参照光をともに散乱媒質である被検体２００に入射させるため、いずれの光の位相も被検体２００によって乱され、ＣＣＤ２３０で観測される位相シフト量αにランダムな誤差が含まれる。このような状況において、与えた位相シフト量α＝π／２を前提に、式（３）のように測定したデータセットについて、式（４）から位相分布φ（ｘ，ｙ）を回復すると精度が低下する。これに対して、非特許文献３にて開示されたSchwiderのアルゴリズムを用いれば、与えた位相シフト量α（ｘ，ｙ）を次式（５）のようにＣＣＤ２３０で測定した結果からキャリブレーションすることができる。
【００５３】
【数５】
2018100915.tif 000007
【００５４】
式（５）により算出された校正位相シフト量（校正位相差）を式（４）に代入して位相分布φ（ｘ，ｙ）を回復することで、被検体２００の散乱によって生じる位相シフト誤差をキャリブレーションできる。このため、位相分布φ（ｘ，ｙ）の回復精度を向上させることができる。
【００５５】
上述した３つのデータセットそれぞれについて、式（５）を用いて校正位相シフト量αｋ（ｘ，ｙ）を算出した結果（添え字ｋ（＝１，２，３）はデータセットの番号）を図６（ａ）に示す。また、校正位相シフト量αｋから式（４）を用いて位相成分φｋ（ｘ，ｙ）を算出した結果を図６（ｂ）に示す。ここでは、被検体２００としてガラスの拡散板を用い、光源１００として波長５３２ｎｍのレーザを用いて測定している。また、位相はラジアンで表記している。
【００５６】
図６（ｃ）は、それぞれのデータセットにおいて式（５）から算出されるコサイン値がとり得る値の範囲を超えている、つまりは所定条件を満たさないために校正位相シフト量αｋ（ｘ，ｙ）を正しく算出できずエラーが生じた箇所を黒色で示したエラーマップである。校正位相シフト量αｋ（ｘ，ｙ）を正しく算出できないとは、位相成分φｋ（ｘ，ｙ）を正しく算出できないことに相当する。
【００５７】
図６（ｃ）において、白色の部分はエラーなく、つまりは所定条件を満たすように校正位相シフト量αｋ（ｘ，ｙ）および位相成分φｋ（ｘ，ｙ）が正しく算出されている。各データセットのエラーマップにおける黒色の位置では、対応する位置の校正位相シフト量αｋ（ｘ，ｙ）および位相成分φｋ（ｘ，ｙ）は値を算出できていないため、図中では０で示している。図６（ｃ）のエラーマップに見られるように、被検体２００の散乱が大きいと、式（４）や（５）に示した公知アルゴリズムを適用して校正位相シフト量を算出することで位相分布を回復しようとしても、エラーが生じて位相分布を正しく回復することができない。このような条件においてもエラーを回避して、位相分布を精度良く回復する方法について、図５におけるＳ３２３以降のステップにより説明する。
【００５８】
Ｓ３２３では、ＰＣ２４０は、ｋ＝１〜３の全てのデータセットについて、Ｓ３２４〜Ｓ３２５で示す処理が完了したか否かを確認する。完了した場合はＳ３２６に進み、完了していない場合はＳ３２４に進む。
【００５９】
Ｓ３２４では、ＰＣ２４０は、ｋ番目のデータセット（以下、データセットｋと記す）について、校正位相シフト量αｋ（ｘ，ｙ）、位相成分φｋ（ｘ，ｙ）およびエラーマップを式（４）および（５）に基づいて算出する。
【００６０】
次にＳ３２５において、ＰＣ２４０は、データセット１について、最終的に回復したい位相分布φ（ｘ，ｙ）を、φ（ｘ，ｙ）＝φ１（ｘ，ｙ）と設定する。ただし、φ１（ｘ，ｙ）には、図６（ｃ）のＥｒｒｏｒ  Ｍａｐ１（ｘ，ｙ）に示すように、位相成分が算出できていないエラー箇所が存在する。データセット２およびデータセット３についてはこのエラー箇所に着目する。
【００６１】
Ｓ３２４で算出したφｋ（ｘ，ｙ）において、位相分布φ（ｘ，ｙ）における着目エラー箇所でエラーが発生していない場合には、その位相分布を参照して、回復位相分布に、
φ（ｘ，ｙ）＝φｋ（ｘ，ｙ）−ｏｆｆｓｅｔ
のように代入する。ｏｆｆｓｅｔは、データセット間における位相差に基づく位相のオフセット量である。例えば、データセット１とデータセット２とでは、５つの測定結果の位相がπ／４（すなわち、Ｓ３１０におけるｍ回の位相シフト測定における位相シフト量）ずつずれている。すなわち、π／４の位相差を有する。したがって、データセット１とデータセット２のそれぞれで回復された位相成分φｋ（ｘ，ｙ）は、このオフセット量を差し引いて調整した上で代入する。なお、データセット１とデータセット３の場合は、オフセット量は２π／４となる。また、着目エラー箇所で参照するφｋ（ｘ，ｙ）においても同様にエラーが生じている場合には、上記の代入処理を実行しない。
【００６２】
以上のＳ３２３〜Ｓ３２５の処理を繰り返すことで、それぞれのデータセットでエラーが発生せずに正しく回復できている位相成分をオフセット量を考慮しつつ適切に組み合わせることができ、これによりエラーを回避して位相分布を正しく回復することができる。
【００６３】
ただし、Ｓ３２３で全てのデータセットについて処理を実行してもエラーが残存する場合には、ＰＣ２４０は、Ｓ３２６においてエラー箇所の位相分布を任意の値（例えば０）に設定する。すなわち、所定の位相分布を設定する。エラーが残存しない場合には、ＰＣ２４０は、Ｓ３２６の処理をスキップする。また、Ｓ３２３において、ＰＣ２４０は、回復位相分布φ（ｘ，ｙ）にエラー箇所があるか否かを判定し、エラー箇所がない場合には反復処理を中断して、Ｓ３２３からＳ３２６をスキップして次の基底に対するＳ３２１の処理に移行してもよい。
【００６４】
以上の処理をＮ個の基底に対して順次実行することで、位相分布φ（ｘ，ｙ）を回復する。全ての基底で位相分布を回復したＰＣ２４０は、Ｓ３２７に進む。Ｓ３２７では、ＰＣ２４０はそれぞれの基底で回復した２次元の位相分布φ（ｘ，ｙ）を１次元の列ベクトルにして、順に行列としてスタックすることで、前述したＭ行Ｎ列の応答特性行列ｔを生成する。以上で、本実施例における位相分布測定方法を用いた応答特性行列の生成が完了する。
【００６５】
図４において、Ｓ３２０で応答特性行列ｔが得られた後は、ＰＣ２４０は、該応答特性行列ｔを使用する目的に応じた処理を実行する。本実施例では、被検体２００の背後のＣＣＤ２３０上にフォーカススポットを生成する。
【００６６】
具体的には、ＰＣ２４０は、図７に示すように、Ｓ３３０においてＣＣＤ２３０により再生したい電場の振幅分布４５０（以下、ターゲットＥｔａｒｇｅｔという）を設定する。図７の中心に示す白い領域が、フォーカススポットが形成される領域（以下、フォーカススポット領域という）であり、その周囲の黒い部分は振幅０の領域である。また、位相についての設定は任意である。再生するフォーカススポットの光強度を最大限とするために、フォーカススポット領域のサイズをＳ３１０においてＣＣＤ２３０で観測されるスペックル粒サイズ以下に設定することが望ましい。
【００６７】
次に、ＰＣ２４０は、フォーカススポットの分布を再生するためにＳＬＭ１７０で設定すべき入力波面（位相分布）Ｅａを以下のように算出する。
【００６８】
【数６】
2018100915.tif 000008
【００６９】
式（６）において、†は転置共役を示す。式（６）で表現される入力は、図６の電場分布がＣＣＤ２３０から出射して測定とは逆方向に伝搬し、被検体２００を通ってＳＬＭ１７０に到達した波面の位相共役波に相当する。このＥａの位相分布をＳＬＭ１７０に設定する。
【００７０】
次にＳ３４０では、ＰＣ２４０は、再度、光源１００から光を出射させ、ＳＬＭ１７０に設定されている前述の位相分布により再生した波面の光を被検体２００を照射する。被検体２００を透過した散乱光は、ＣＣＤ２３０上において設定されたフォーカススポット領域にフォーカスされ、フォーカススポット（フォーカス像）が再生される。
【００７１】
次にＳ３５０では、ＰＣ２４０は、再生されたフォーカス像をＣＣＤ２３０により測定する。
【００７２】
図８は、従来の位相回復方法を用いて応答特性行列を算出して再生した場合（図８（ａ），（ｂ））と本実施例の位相回復方法を用いて応答特性行列を算出して再生した場合（図８（ｃ））とで実測した再生フォーカス像の１次元断面を示す。図８（ａ）は、位相シフト量αをπ／２とし、５回の測定結果から式（４）を用い、位相シフト量αをπ／２に固定して位相分布を回復した結果を示す。図８（ｂ）は、非特許文献４にて開示された方法を用い、位相シフト量αをπ／４とし、１３回の測定結果から位相分布を回復した結果を示す。なお、実測では、被検体２００はガラスの拡散板を用い、Ｎ＝２５６のアダマール基底を用いている。図中のηは、フォーカスによる光強度の増加効果（エンハンスメント）を評価した値で、次式（７）から算出している。
【００７３】
【数７】
2018100915.tif 000009
【００７４】
式（７）において、Ｉｍａｘはフォーカススポットの最大強度であり、＜Ｉ０＞はＳＬＭ１７０の位相変調領域１７３にフラットな位相を設定した場合の透過像（バックグランド）の平均強度である。図８（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、応答特性行列から算出した位相共役波面（式（６））による再生の効果で、フォーカススポットが再生され、フラットな位相で照射した場合に比べてエンハンスメントηが向上していることが確認できる。
【００７５】
エンハンスメントηを、応答特性行列の測定精度を定量的に示す評価値として考えることができる。すなわち、応答特性行列の精度が高ければ、算出される位相共役波面の精度も高く、再生されるフォーカス像はより集光し、その最大強度が増加する。したがって、エンハンスメントηが高いことは、算出した応答特性行列の精度が高いことを表す。
【００７６】
応答特性行列は、上述した位相シフト法によって回復した位相を要素に持つ。つまり、応答特性行列の精度が高いということは、個々の位相回復の精度が高いということになる。位相回復の精度は、通常、位相シフト法の測定回数を増やせば向上する。図８（ｃ）に示す本実施例の手法によれば、１１回の測定（ｍ＝１１）によって、図８（ａ）に示す５回の測定よりエンハンスメントが大幅に向上し、かつ図８（ｂ）に示す１３回の測定より若干大きいエンハンスメントηが得られる。したがって、本実施例は、従来の１３回の測定よりも２回少ない測定回数で、ほぼ同等の精度で応答特性行列を取得することができる。
【００７７】
ここで述べた測定回数は、１つの基底で位相シフト法を実行するときの測定回数であり、基底Ｎ個の応答特性行列を測定する場合には、（２×Ｎ）回だけ測定回数を減らすことができる。このため、基底数Ｎの大きい応答特性行列を測定するほど、測定回数削減の効果は大きくなる。また、測定回数を減らすことで、応答特性行列を取得する時間を短縮できる。例えば、被検体２００の散乱特性が時間によって変化する場合には、応答特性行列測定時と再生時とで散乱特性が変化しているため、上述した再生フォーカス像における応答特性行列を利用した効果がなくなる。このような観点から、できるだけ少ない測定回数で高精度に応答特性行列を測定することが重要である。同じ位相シフト量を与えて（つまりは位相差を等間隔に与えて）４回以上の測定回数で得られた測定データを用いて各データセットを作成することが望ましい。
【００７８】
また、本実施例における別の例として、１０回（ｍ＝１０）の測定結果から位相回復する方法について説明する。Ｓ３１０において、ＰＣ２４０は、ＳＬＭ１７０により与える位相シフト量αをπ／４とし、Ｉ１（ｘ，ｙ）〜Ｉ１０（ｘ，ｙ）の測定結果を得る。これをＳＬＭ１７０に設定する基底を変えながら、全Ｎ個の基底のそれぞれに対して測定を行い、Ｎ×１０個の測定（透過像）データを取得する。
【００７９】
次にＳ３２０における応答特性行列の生成処理のうちＳ３２２で、ＰＣ２４０は、２つのデータセットとしてデータセット１（Ｉ１、Ｉ３、Ｉ５、Ｉ７、Ｉ９）およびデータセット２（Ｉ２、Ｉ４、Ｉ６、Ｉ８、Ｉ１０）を作成する。ＰＣ２４０は、これらの２つのデータセットについてＳ３２３〜Ｓ３２５の処理を実行する。このとき、それぞれのデータセットから算出したエラーマップを参照し、どちらのデータセットでもエラーが発生していない位置について位相を回復する際は両者の平均値を算出する。ただし、平均値を算出する際は、データセット２から求めた回復位相分布φ２（ｘ，ｙ）からオフセット量（ここではπ／４）を差し引いて調整した上で、データセット１から求めた回復位相分布φ１（ｘ，ｙ）との平均値を算出する。回復位相分布φ１（ｘ，ｙ）にエラーがあり、回復位相分布φ２（ｘ，ｙ）にエラーがない場合は、上述したように回復位相分布φ２（ｘ，ｙ）からオフセット量を差し引いた値を算出する。どちらにもエラーが発生している場合は、任意の位相を設定する。
【００８０】
このように、ｍ＝１０の場合において５個の測定データを１セットとしてデータセットを作成するときには、データセットを２個しか作成することができない。その場合は上記のように平均化の処理を行うことで、２つのデータセットのみからでも測定誤差に対してある程度高精度に位相を回復することができる。
【００８１】
図９は、ｍ＝１０の場合について、図８と同様に、公知の手法を用いた場合（図９（ａ），（ｂ））と本実施例の手法を用いた場合（図９（ｃ））とで実測した再生フォーカス像の１次元断面を示す。図９（ａ），（ｂ）はそれぞれ、１０回および１４回の測定を行い、非特許文献３にて開示された最小二乗法を用いて位相回復した結果を示す。図９（ｃ）に示す本実施例の手法によれば、同じ測定回数（１０回）で測定して位相回復した場合よりも応答特性行列の精度が高く（エンハンスメントηが大きく）、図９（ｂ）に示す１４回の測定により位相回復した場合よりやや精度が高い結果が得られる。
【００８２】
本実施例では、式（３）で表される測定データを複数取得し、それぞれの測定データから位相シフト量をキャリブレーションし、エラーなく位相回復された結果を組み合わせて最終的に位相を回復する。本実施例では、エラーを回避するために、従来の位相シフト法で測定するデータセット（式（３））を複数用いて位相シフト量をキャリブレーションする。このエラー回避のための処理が本実施例の特徴であり、位相回復のアルゴリズムは、式（４）に示したHariharanのアルゴリズムや、式（５）に示したSchwiderのアルゴリズムに限定されない。例えば、非特許文献３にて開示された以下の式（８）〜（１０）で示すCarreのアルゴリズムを用いてもよい。
【００８３】
【数８】
2018100915.tif 000010
【００８４】
【数９】
2018100915.tif 000011
【００８５】
【数１０】
2018100915.tif 000012
【００８６】
式（８）は、位相シフト量２αで測定する位相シフト法のデータセットを示し、該データセットを構成する４つの測定データを利用して式（１０）により位相シフト量αをキャリブレーションした校正位相を算出する。そして、校正位相を用いて式（９）により位相を回復する。例えば、１回の位相シフト量αをπ／３として８回測定を行い、式（８）のデータセットを２つ作成し、式（１０）の校正位相と式（９）の位相回復とを用いて上述したＳ３２０の処理を実行することも可能である。作成するデータセットの数（測定回数ｍ）は任意に設定でき、位相回復に用いるアルゴリズムも適宜変更してもよい。
【００８７】
また、本実施例においては、応答特性行列の基底をアダマール基底を用いて説明したが、用いる基底は他の基底であってもよい。ただし、使用する基底は直交基底であることが望ましい。
【００８８】
また、本実施例では物体光と参照光とが被検体への入射から信号の測定に至るまで共通の光路を伝搬するコモンパスの測定系を用いて位相回復を行う場合について説明した。しかし、マッハツェンダー干渉計のように、物体光と参照光の光路が分離している測定系に本実施例の位相回復方法位相および分布測定方法を適用してもよい。
【００８９】
また、本実施例では被検体の透過光についての位相分布を回復したり応答特性行列を作成したりする場合について説明したが、被検体からの反射光についても同様に位相分布を回復したり応答特性行列を作成したりすることもできる。
【００９０】
なお、図４において、Ｓ３２０で応答特性行列を作成した後、Ｓ３３０からＳ３５０の処理を繰り返すことでイメージングを行うことができる。例えば、上述した再生フォーカス像（フォーカススポット）のスキャンを行うことで画像を生成してもよい。
【実施例２】
【００９１】
本発明の実施例２である位相分布測定装置および位相分布測定方法について説明する。図１０に示す本実施例の位相分布測定装置は、光音響イメージング装置である。
【００９２】
被検体５２０は、生体組織であり、散乱粒子５２１を含む。この被検体５２０は、可視域から近赤外域の光に対して散乱媒質である。光源５００からは可視域から近赤外域の波長を有する数ｎｓのパルス光が放射される。また、光源５００は、被検体５２０の主要な構成成分である水、脂肪、タンパク質、酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビン等の吸収スペクトルに応じた複数の波長を選択することができる。
【００９３】
光源５００から発せられた光は、ビームスプリッタ５０１を透過してＳＬＭ５０２に入射する。ＳＬＭ５０２は、制御部（処理手段）５０５によって制御される。ＳＬＭ５０２に入射した光は、実施例１と同様に、その一部が位相変調を受けて残りが位相変調されずに反射される。ＳＬＭ５０２で反射した光５１０は、ビームスプリッタ５０１で反射し、光学系５０３を介して被検体５２０に入射する。ＳＬＭ５０２は、光学系５０３の瞳面に配置されている。
【００９４】
被検体５２０に入射した光５１１は、散乱されながら被検体５２０の内部を伝搬し、その一部のエネルギーは被検体５２０の内部のある位置としての局所領域５１２の吸収体で吸収される。これにより、局所領域５１２の温度が上昇し、その局所領域５１２の体積が膨張して音響波（光音響信号）５１３が発生する。超音波トランスデューサを含む超音波装置（測定手段）５０４は、この光音響信号５１３を測定する。このとき、制御部５０５は、超音波装置５０４を制御して、被検体５２０内の局所領域５１２からの光音響信号５１３を含む信号が検出されるように、超音波トランスデューサのフォーカスを制御する。
【００９５】
超音波トランスデューサは、例えばリニアアレイ探触子により構成され、アレイ探触子を用いた電子フォーカスによって被検体５２０の内部の任意の位置に超音波フォーカス領域を生成することが可能である。トランスデューサとしては、圧電現象を用いたトランスデューサ、光の共振を用いたトランスデューサ、容量変化を用いたトランスデューサ等を用いることができる。また、超音波トランスデューサは、被検体５２０と音響的に整合されている。
【００９６】
被検体５２０の内部における光５１１の入射位置からの深さがｚの位置（ｘ，ｙ，ｚ）における光音響信号Ｐ(ｘ，ｙ，ｚ)は、以下の式（１１）ように表わされる。式（１１）において、Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）は位置（ｘ，ｙ，ｚ）における光強度であり、μａは該位置Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）にある吸収体の吸収係数である。また、Γは熱から音響波への変換効率を表すグリュナイゼン係数である。
【００９７】
【数１１】
2018100915.tif 000013
【００９８】
式（１）から分かるように、位置ｚにてグリュナイゼン係数Γと吸収係数μａ（ｚ）が媒質固有で一定であるとすれば、光音響信号Ｐ(ｘ，ｙ，ｚ)は位置（ｘ，ｙ，ｚ）での光強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）に比例する。したがって、位置（ｘ，ｙ，ｚ）での光強度の変調に応じて光音響信号Ｐ(ｘ，ｙ，ｚ)も変調される。
【００９９】
このことを利用して、非特許文献２では、入力をアダマール基底で変調された光とし、出力を光音響信号として応答特性行列が測定できることが開示されている。非特許文献２では、ある基底の入射光で被検体を照射し、照射したタイミングから超音波装置５０４で測定する時間差（遅延時間）を測ることで、超音波装置５０４の伝搬軸に沿った複数（Ｍ個）の位置の光音響信号を同時に測定する。つまり、１回の光照射でＭ個の位置（画素）の光音響信号の応答を測定する。これをＮ個の基底を用いて、順次、光音響信号を測定すれば、Ｎ×Ｍの応答特性行列を算出することができる。この光音響信号に基づいた応答特性行列の算出についても、位相シフト法を利用する。
【０１００】
測定される光音響信号の変調は、光音響信号が発生する位置(ｘ，ｙ，ｚ)での光の強度分布に比例する。したがって、位相シフト法を用いて光音響信号の強度の変調を計測することで、位置(ｘ，ｙ，ｚ)での光の位相分布を回復する。光音響信号の強度は、非特許文献２にて開示されたように、例えば音圧信号の最大値と最小値の差（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ）を測定すればよい。
【０１０１】
ＳＬＭ５０２は、図３を用いて説明したのと同様に、入射した光を位相変調する変調領域（物体光）と位相変調しない非変調領域（参照光）とに分割し、物体光に参照光に対する位相差（位相シフト）を与えることで位相シフト法を行う。
【０１０２】
制御部５０５は、実施例１で図４を用いて説明した処理と同様の処理により応答特性行列を生成する。すなわち、制御部５０５は、Ｓ３１０において、位相シフト量αをπ／４とし、測定回数ｍを１１として超音波装置５０４に光音響信号の測定を行わせ、Ｐ１（ｘ，ｙ，ｚ）〜Ｐ１１（ｘ，ｙ，ｚ）の測定データをそれぞれ異なる遅延時間に相当する複数の位置で得る。そして、Ｓ３２０において、この１１個の測定データから実施例１と同様に３つのデータセットを作成し、位相シフト量αを各データセットでキャリブレーションした上でエラーを回避するように位相回復処理を行う。これをＮ個の基底に対して行うことで、実施例１と同様に、光音響信号を出力とした応答特性行列を生成することできる。
【０１０３】
本実施例においても、被検体５２０の内部の観測位置（光音響信号の発生位置）における位相分布を回復する際に、実際にＳＬＭ５０２で与えた位相ではなく、観測位置における位相シフト量をキャリブレーションして位相を回復する。これにより、位相回復の精度が向上する。
【０１０４】
応答特性行列を生成した制御部５０５は、Ｓ３３０にて任意の位置５１２を設定し、その位置で光音響信号の強度が増加（すなわち光がフォーカス）するように位相変調パターンを算出してこれをＳＬＭ５０２に設定する。
【０１０５】
次にＳ３４０において、制御部５０５は、ＳＬＭ５０２に、設定された位相変調パターンの光を被検体５２０に照射させる。照射された光５１１は、上述した局所領域５１２にフォーカスされる。
【０１０６】
次にＳ３５０において、制御部５０５は、超音波装置５０４に光音響信号を測定させる。制御部５０５は、これを反復して任意の位置にフォーカススポットを形成し、該スポットのスキャンを行いながら、測定した光音響信号の３次元分布を画像化してモニタ５０６に表示してもよい。また、制御部５０５は、Ｓ３３０において、非特許文献２にて開示されているように応答特性行列を特異値分解する。このうち上位の特異値は、被検体５２０の内部の局所位置の吸収から発生した光音響信号に対応する。これを利用して、入力の特異ベクトルを上位から順次ＳＬＭ５０２に設定して照射することで、各吸収体を選択的に照射して光音響信号を測定することができる。
【０１０７】
また、任意の複数の波長を用いて上述した処理を行い、被検体５２０の内部の吸収分光特性を測定し、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンおよび水等の成分比率や、酸素飽和度等の代謝情報を求め、これを３次元画像としてイメージングすることも可能である。
【０１０８】
さらに、光音響信号を用いた測定により生成した応答特性行列を、他のイメージングに利用することも可能である。例えば、得られた応答特性行列を利用して、被検体の内部の任意の位置に光をフォーカスさせ、該位置から発生する蛍光等の光信号を、別途用意した光検出器で測定して可視化することもできる。
【実施例３】
【０１０９】
次に、図１１を用いて、本発明の実施例３である位相分布測定装置および位相分布測定方法について説明する。図１１に示す本実施例の位相分布測定装置は、マルチモードファイバを利用したイメージング装置である。
【０１１０】
光源６００は可視域から近赤外域の波長を有するＣＷ光を発するレーザ光源である。光源６００からは平行光が発せられ、ＳＬＭ６０１の有効領域に応じてそのビーム径が調整される。ＳＬＭ６０１は透過型の位相変調デバイスであり、図３にて説明したように、光源６００からＳＬＭ６０１に入射するビームの一部を物体光とし、残りを参照光とする。また、実施例１で説明したように、物体光の位相を参照光に対してシフトさせることで位相シフト法を行う。逆に物体光の位相を固定して、参照光の位相をシフトさせてもよい。ＳＬＭ６０１は、制御部６０６によって制御される。
【０１１１】
ＳＬＭ６０１において物体光を生成する位相変調領域には、応答特性行列を作成（測定）するための基底が表示される。ＳＬＭ６０１を透過した物体光および参照光６１０は、ビームスプリッタ６０６および光学系６０２を透過してマルチモードファイバ６０３にカップリングされる。
【０１１２】
マルチモードファイバ６０３は、例えばコア径Ｄが５０〜１０００μｍで、長さが１〜２ｍ、ＮＡ（開口数）が０．１〜０．５のマルチモードファイバである。マルチモードファイバ６０３の内部では、λを入射光６１０の波長とするとき、ＮＡ×Ｄ／λに比例した数の伝搬モードで光が伝搬する。マルチモードファイバ６０３から出射した光６１１は、ＮＡ×Ｄ／λに比例した数の伝搬モードが重ね合わされた光である。制御部６０６は、マルチモードファイバ６０３の出射端の光強度分布を、光学系６０４を介してアレイセンサ６０５に測定させる。
【０１１３】
このように構成された装置において、マルチモードファイバ６０３に対して、実施例１および実施例２で説明した方法により、応答特性行列を作成する。応答特性行列は、図４および図５に示したＳ３１０およびＳ３２０の処理によって作成される。これにより、より高精度にマルチモードファイバ６０３の応答特性行列を作成することが可能である。
【０１１４】
応答特性行列を作成した制御部６０６は、次のステップ（図４に示すＳ３３０以降）でこの応答特性行列を利用する。これにより、本実施例のイメージング装置を、特許文献１にて開示されているように、マルチモードファイバ６０３を用いた内視鏡装置として使用することができる。医療用途では人体・動物等の生体を被検体として、工業用途では検査対象物を被検体として、マルチモードファイバ６０３の出射端を被検体の内部に挿入する。
【０１１５】
図１２は、本実施例の装置を用いて被検体の内部の観察対象６２０・BR>フ位置までマルチモードファイバ６０３を挿入した状態を示している。マルチモードファイバ６０３の出射端のある１点に光がフォーカスされるような入射光の位相分布を応答特性行列から算出し、ＳＬＭ６０１に設定する（Ｓ３３０）。次に、その位相分布において入射光６１０をマルチモードファイバ６０３に入射させ、再生されるフォーカス光で観察対象６２０を照射する（Ｓ３４０）。そして、観察対象６２０からの反射光をマルチモードファイバ６０３を介してビームスプリッタ６０６に導き、ビームスプリッタ６０６で反射した光を光学系６０７を介してアレイセンサ６０８に導く。制御部６０６は、アレイセンサ６０８に該光を測定させる（Ｓ３５０）。アレイセンサ６０８は、図１１のアレイセンサ６０５と同じものであってもよい。
【０１１６】
特許文献１にて開示されているように、マルチモードファイバ６０３の出射端のフォーカス位置のスキャンを行い、順次、観察対象６２０からの反射光を測定することで、被検体６２０をイメージングすることが可能である。さらに、被検体からの反射光以外にも、照射光によって励起される蛍光信号を用いてイメージングしてもよい。この場合、必要に応じて、光源６００からの光として、ＣＷ光ではなく、パルス光を用いてもよい。また、非特許文献５にて開示されているように、任意の入射光で被検体を照射し、アレイセンサ６０８を通じて測定した結果に対して、応答特性行列の逆行列（または疑似逆行列）を適用して被検体の像を回復することでイメージングを行ってもよい。
【０１１７】
このように、本実施例では、マルチモードファイバの応答特性行列の作成にも適用可能であり、作成した応答特性行列を用いて１本のマルチモードファイバを用いたイメージング装置としての内視鏡装置を実現することができる。
【０１１８】
以上、本発明の実施例について説明した。本発明の発明者は、１つのデータセット内で位相シフト量が２π以上となるように位相シフト量を設定すると測定精度が向上することを確認した。例えば、実施例１において、データセット１（Ｉ１、Ｉ３、Ｉ５、Ｉ７、Ｉ９）では、最初（Ｉ１）と最後（Ｉ９）の測定データ間で位相が２πシフトしているのはそのためである。
【０１１９】
上記各実施例によれば、被検体が散乱媒質であり、位相シフト法の測定において与える位相シフト量と観測面で観測される位相シフト量とに大きな誤差が生じる場合においても、観測面での位相シフト量をエラーを回避しつつキャリブレーションすることができる。そして、このキャリブレーションされた校正位相を用いることで、比較的少ない測定回数で高精度に測定対象の位相を回復することができる。
【０１２０】
本発明の位相回復方法は、上述した応答特性行列の作成や該応答特性行列を利用した測定装置に留まらず、様々な干渉計測において使用することができる。（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【０１２１】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【０１２２】
１００  光源
１７０  空間光変調器
１８０  レンズ
２３０  撮像デバイス（ＣＣＤ）
２４０  パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
２００  被検体
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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