(57)【要約】【課題】高速に繰り返して位相画像を取得することができる装置および方法を提供する。【解決手段】位相画像取得装置１Ａは、干渉画像取得部２および演算部３を備える。第１位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部２は、二光束干渉計の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし各状態において干渉画像を取得し、演算部３は、干渉画像取得部２により取得された複数の干渉画像に基づいて第１位相画像を求める。第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部２は、関心領域において撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応となるように二光束干渉計の光路長差を一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を取得し、演算部３は、干渉画像取得部２により取得された干渉画像および第１位相画像に基づいて第２位相画像を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から出力された光を二光束に分岐した後に該二光束を合波して干渉光を出力する二光束干渉計と、前記二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像器とを含み、前記二光束干渉計において前記二光束の間の光路長差が可変であり、前記光路長差を安定化した状態で対象物の干渉画像を前記撮像器により撮像して取得する干渉画像取得部と、
前記干渉画像取得部により取得された干渉画像に基づいて前記対象物の位相画像を求める演算部と、
を備え、
第１位相画像取得ステップにおいて、前記干渉画像取得部は、前記二光束干渉計の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし各状態において干渉画像を取得し、前記演算部は、前記干渉画像取得部により取得された複数の干渉画像に基づいて第１位相画像を求め、
第２位相画像取得ステップにおいて、前記干渉画像取得部は、関心領域において前記撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応となるように前記二光束干渉計の光路長差を一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を取得し、前記演算部は、前記干渉画像取得部により取得された干渉画像および前記第１位相画像に基づいて第２位相画像を求める、
位相画像取得装置。
【請求項２】
前記第２位相画像取得ステップにおいて、前記干渉画像取得部は、前記関心領域において前記撮像器の各画素が受光する干渉光の光量が該画素の飽和光量以下である範囲で、前記光源の出力光強度または前記撮像器の露光時間を前記第１位相画像取得ステップの際と比べて大きくする、
請求項１に記載の位相画像取得装置。
【請求項３】
時間的に強度変調した注入電流を前記対象物へ与える電源部を更に備え、
前記第２位相画像取得ステップにおいて、前記干渉画像取得部は、前記注入電流の強度変調に同期して干渉画像を取得する、
請求項１または２に記載の位相画像取得装置。
【請求項４】
時間的に強度変調した赤外光を前記対象物へ照射する赤外光源を更に備え、
前記第２位相画像取得ステップにおいて、前記干渉画像取得部は、前記赤外光の強度変調に同期して干渉画像を取得する、
請求項１または２に記載の位相画像取得装置。
【請求項５】
前記干渉画像取得部は、前記二光束干渉計における二光束のうちの何れかの光束の光路上に設けられた空間光位相変調器を更に含み、
前記第２位相画像取得ステップにおいて、前記空間光位相変調器による空間的な位相変調により、前記撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大する、
請求項１〜４の何れか１項に記載の位相画像取得装置。
【請求項６】
前記干渉画像取得部は、前記光源の出力光と合波されて前記二光束干渉計に入力される時間的に波長変調されたレーザ光を出力するレーザ光源と、前記二光束干渉計から出力された前記レーザ光の干渉光を受光して検出信号を出力する光検出器とを更に含み、前記検出信号に基づいて前記二光束干渉計の光路長差を検出し、その検出結果に基づいて前記光路長差を安定化する、
請求項１〜５の何れか１項に記載の位相画像取得装置。
【請求項７】
前記光源はインコヒーレント光を出力する、
請求項１〜６の何れか１項に記載の位相画像取得装置。
【請求項８】
光源と、前記光源から出力された光を二光束に分岐した後に該二光束を合波して干渉光を出力する二光束干渉計と、前記二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像器とを含み、前記二光束干渉計において前記二光束の間の光路長差が可変であり、前記光路長差を安定化した状態で対象物の干渉画像を前記撮像器により撮像して取得する干渉画像取得部と、
前記干渉画像取得部により取得された干渉画像に基づいて前記対象物の位相画像を求める演算部と、
を用い、
前記干渉画像取得部により、前記二光束干渉計の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし各状態において干渉画像を取得し、前記演算部により、前記干渉画像取得部により取得された複数の干渉画像に基づいて第１位相画像を求める第１位相画像取得ステップと、
前記干渉画像取得部により、関心領域において前記撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応となるように前記二光束干渉計の光路長差を一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を取得し、前記演算部により、前記干渉画像取得部により取得された干渉画像および前記第１位相画像に基づいて第２位相画像を求める第２位相画像取得ステップと、
を備える位相画像取得方法。
【請求項９】
前記第２位相画像取得ステップにおいて、前記干渉画像取得部により、前記関心領域において前記撮像器の各画素が受光する干渉光の光量が該画素の飽和光量以下である範囲で、前記光源の出力光強度または前記撮像器の露光時間を前記第１位相画像取得ステップの際と比べて大きくする、
請求項８に記載の位相画像取得方法。
【請求項１０】
前記対象物が電気回路であり、
前記第２位相画像取得ステップにおいて、電源部により時間的に強度変調した注入電流を前記電気回路へ与え、前記干渉画像取得部により前記注入電流の強度変調に同期して干渉画像を取得する、
請求項８または９に記載の位相画像取得方法。
【請求項１１】
前記対象物が細胞であり、
前記第２位相画像取得ステップにおいて、赤外光源により時間的に強度変調した赤外光を前記細胞へ照射し、前記干渉画像取得部により前記赤外光の強度変調に同期して干渉画像を取得する、
請求項８または９に記載の位相画像取得方法。
【請求項１２】
前記第２位相画像取得ステップにおいて、前記二光束干渉計における二光束のうちの何れかの光束の光路上に設けられた空間光位相変調器による空間的な位相変調により、前記撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大する、
請求項８〜１１の何れか１項に記載の位相画像取得方法。
【請求項１３】
前記干渉画像取得部において、時間的に波長変調されたレーザ光をレーザ光源から出力させ、そのレーザ光を前記光源の出力光と合波して前記二光束干渉計に入力させ、前記二光束干渉計から出力された前記レーザ光の干渉光を光検出器により受光して検出信号を出力させて、前記検出信号に基づいて前記二光束干渉計の光路長差を検出し、その検出結果に基づいて前記光路長差を安定化する、
請求項８〜１２の何れか１項に記載の位相画像取得方法。
【請求項１４】
前記光源はインコヒーレント光を出力する、
請求項８〜１３の何れか１項に記載の位相画像取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の位相画像を取得する装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１，２に、位相シフト法を用いて対象物の位相画像を取得することができる装置および方法の発明が開示されている。これらの文献に記載された位相画像取得装置は、光源と、この光源から出力された光を二光束に分岐した後に該二光束を合波して干渉光を出力する二光束干渉計と、この二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像器とを備える。この位相画像取得装置は、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし、各状態において対象物の干渉画像を撮像器により取得し、これら取得した複数の干渉画像に基づいて位相画像を求める。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１２１２５０号
【特許文献２】特開２００８−２８１４８４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】D. Pogany, et al,"Single-Shot Thermal Energy Mapping of Semiconductor Devices With theNanosecond Resolution Using Holographic Interferometry," IEEE ELECTRONDEVICE LETTERS, VOL.23, NO.10, OCTOBER 2002.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２に記載されたものを含め従来の位相画像取得装置は、位相シフト法により複数の干渉画像に基づいて１つの位相画像を求めるものであり、また、各々の干渉画像を取得する際には二光束干渉計の光路長差を所定の設定値で安定化した状態としなければならない。光路長差を複数の設定値それぞれで順次に安定化するために、光路長差を或る設定値から次の設定値に変更した後、ピエゾ素子を用いたフィードバック制御により光路長差が該設定値で安定化するまで時間を要する。したがって、従来の位相画像取得装置では１つの位相画像を取得するのに時間を要し、繰り返し取得できる位相画像のフレームレートは５０ｆｐｓ程度が限界である。
【０００６】
非特許文献１には、対象物の位相画像を高速に求めることを意図した技術が記載されている。この文献に記載された技術は、off-axisの干渉光学系により空間周波数が高い二次元的な干渉縞からなる干渉画像を取得し、この干渉画像に対して空間的なフーリエ変換を施すことで位相画像を求める。しかし、非特許文献１に記載された技術は、得られる位相画像の空間分解能が低く、位相画像の空間分解能を高めるためには画素数が多い撮像器を用いなければならない。したがって、撮像器から干渉画像のデータを出力するのに時間を要することになるので、高速に繰り返して位相画像を取得することは困難である。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高速に繰り返して位相画像を取得することができる装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の位相画像取得装置は、(1) 光源と、光源から出力された光を二光束に分岐した後に該二光束を合波して干渉光を出力する二光束干渉計と、二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像器とを含み、二光束干渉計において二光束の間の光路長差が可変であり、光路長差を安定化した状態で対象物の干渉画像を撮像器により撮像して取得する干渉画像取得部と、(2) 干渉画像取得部により取得された干渉画像に基づいて対象物の位相画像を求める演算部と、を備える。そして、本発明の位相画像取得装置は、(a) 第１位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部は、二光束干渉計の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし各状態において干渉画像を取得し、演算部は、干渉画像取得部により取得された複数の干渉画像に基づいて第１位相画像を求め、(b) 第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部は、関心領域において撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応となるように二光束干渉計の光路長差を一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を取得し、演算部は、干渉画像取得部により取得された干渉画像および第１位相画像に基づいて第２位相画像を求める。
【０００９】
本発明の一側面による位相画像取得装置では、第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部は、関心領域において撮像器の各画素が受光する干渉光の光量が該画素の飽和光量以下である範囲で、光源の出力光強度または撮像器の露光時間を第１位相画像取得ステップの際と比べて大きくする。
【００１０】
本発明の他の一側面による位相画像取得装置は、時間的に強度変調した注入電流を対象物へ与える電源部を更に備え、第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部は、注入電流の強度変調に同期して干渉画像を取得する。
【００１１】
本発明の更に他の一側面による位相画像取得装置は、時間的に強度変調した赤外光を対象物へ照射する赤外光源を更に備え、第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部は、赤外光の強度変調に同期して干渉画像を取得する。
【００１２】
本発明の更に他の一側面による位相画像取得装置では、干渉画像取得部は、二光束干渉計における二光束のうちの何れかの光束の光路上に設けられた空間光位相変調器を更に含み、第２位相画像取得ステップにおいて、空間光位相変調器による空間的な位相変調により、撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大する。
【００１３】
本発明の更に他の一側面による位相画像取得装置では、干渉画像取得部は、光源の出力光と合波されて二光束干渉計に入力される時間的に波長変調されたレーザ光を出力するレーザ光源と、二光束干渉計から出力されたレーザ光の干渉光を受光して検出信号を出力する光検出器とを更に含み、検出信号に基づいて二光束干渉計の光路長差を検出し、その検出結果に基づいて光路長差を安定化する。
【００１４】
本発明の更に他の一側面による位相画像取得装置では、光源はインコヒーレント光を出力する。
【００１５】
本発明の位相画像取得方法は、(1) 光源と、光源から出力された光を二光束に分岐した後に該二光束を合波して干渉光を出力する二光束干渉計と、二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像器とを含み、二光束干渉計において二光束の間の光路長差が可変であり、光路長差を安定化した状態で対象物の干渉画像を撮像器により撮像して取得する干渉画像取得部と、(2) 干渉画像取得部により取得された干渉画像に基づいて対象物の位相画像を求める演算部と、を用いる。そして、本発明の位相画像取得方法は、(a) 干渉画像取得部により、二光束干渉計の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし各状態において干渉画像を取得し、演算部により、干渉画像取得部により取得された複数の干渉画像に基づいて第１位相画像を求める第１位相画像取得ステップと、(b) 干渉画像取得部により、関心領域において撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応となるように二光束干渉計の光路長差を一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を取得し、演算部により、干渉画像取得部により取得された干渉画像および第１位相画像に基づいて第２位相画像を求める第２位相画像取得ステップと、を備える。
【００１６】
本発明の一側面の位相画像取得方法では、第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部により、関心領域において撮像器の各画素が受光する干渉光の光量が該画素の飽和光量以下である範囲で、光源の出力光強度または撮像器の露光時間を第１位相画像取得ステップの際と比べて大きくする。
【００１７】
本発明の他の一側面の位相画像取得方法では、対象物が電気回路であり、第２位相画像取得ステップにおいて、電源部により時間的に強度変調した注入電流を電気回路へ与え、干渉画像取得部により注入電流の強度変調に同期して干渉画像を取得する。
【００１８】
本発明の更に他の一側面の位相画像取得方法では、対象物が細胞であり、第２位相画像取得ステップにおいて、赤外光源により時間的に強度変調した赤外光を細胞へ照射し、干渉画像取得部により赤外光の強度変調に同期して干渉画像を取得する。
【００１９】
本発明の更に他の一側面の位相画像取得方法は、第２位相画像取得ステップにおいて、二光束干渉計における二光束のうちの何れかの光束の光路上に設けられた空間光位相変調器による空間的な位相変調により、撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大する。
【００２０】
本発明の更に他の一側面の位相画像取得方法は、干渉画像取得部において、時間的に波長変調されたレーザ光をレーザ光源から出力させ、そのレーザ光を光源の出力光と合波して二光束干渉計に入力させ、二光束干渉計から出力されたレーザ光の干渉光を光検出器により受光して検出信号を出力させて、検出信号に基づいて二光束干渉計の光路長差を検出し、その検出結果に基づいて光路長差を安定化する。
【００２１】
本発明の更に他の一側面の位相画像取得方法では、光源はインコヒーレント光を出力する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、高速に繰り返して位相画像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、第１実施形態の位相画像取得装置１Ａの構成を示す図である。
【図２】図２は、サンプルの構成を示す図である。
【図３】図３は、第１実施形態の位相画像取得装置１Ａの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。
【図４】図４は、第１実施形態の位相画像取得装置１Ａの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。
【図５】図５は、第１位相画像取得ステップにおいて干渉画像取得部２により取得された４つの干渉画像Ｉ１〜Ｉ４を示す図である。
【図６】図６は、第１位相画像取得ステップにおいて演算部３により得られた第１位相画像Φを示す図である。
【図７】図７は、撮像器１８の１画素当たりに入射する光の積算光量を増大させて取得された干渉画像を示す図である。
【図８】図８は、第２位相画像取得ステップにおいて干渉画像取得部２により取得された３つの干渉画像を示す図である。
【図９】図９は、図６の位相画像の位相値と図７の干渉画像の輝度値との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、図６の位相画像の位相値と図７の干渉画像の輝度値との関係を、関心領域Ａに限定して示す図である。
【図１１】図１１は、第２位相画像取得ステップにおいて演算部３により得られた３つの位相画像を示す図である。
【図１２】図１２は、図１１（ｔ＝０.０００秒）の位相画像の一部を拡大して示す図である。
【図１３】図１３は、第２位相画像取得ステップにおける好ましくない条件を説明する図である。
【図１４】図１４は、第２位相画像取得ステップにおける好ましくない条件を説明する図である。
【図１５】図１５は、第２位相画像取得ステップにおける干渉画像取得好適条件を説明する図である。
【図１６】図１６は、関心領域を設定または指定する方法について説明する図である。
【図１７】図１７は、関心領域を設定または指定する方法について説明する図である。
【図１８】図１８は、関心領域を設定または指定する方法について説明する図である。
【図１９】図１９は、第１実施形態の位相画像取得装置１Ａの動作および第１実施形態の位相画像取得方法を説明するフローチャートである。
【図２０】図２０は、第２実施形態の位相画像取得装置１Ｂの構成を示す図である。
【図２１】図２１は、第２実施形態の位相画像取得装置１Ｂの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。
【図２２】図２２は、第３実施形態の位相画像取得装置１Ｃの構成を示す図である。
【図２３】図２３は、サンプルの構成例を示す図である。
【図２４】図２４は、第３実施形態の位相画像取得装置１Ｃの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。
【図２５】図２５は、第４実施形態の位相画像取得装置１Ｄの構成を示す図である。
【図２６】図２６は、第５実施形態の位相画像取得装置１Ｅの構成を示す図である。
【図２７】図２７は、参照ミラー１５Ｅの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００２５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の位相画像取得装置１Ａの構成を示す図である。位相画像取得装置１Ａは、干渉画像取得部２および演算部３を備える。干渉画像取得部２は、光源１１、ビームスプリッタ１２、対物レンズ１３、対物レンズ１４、参照ミラー１５、チューブレンズ１６、ビームスプリッタ１７、撮像器１８、ピエゾ素子２１、光検出器２２および位相制御回路２３を含む。
【００２６】
干渉画像取得部２は、二光束干渉計としてマイケルソン干渉計を有し、対象物の干渉画像を取得する。演算部３は、干渉画像取得部２により取得された干渉画像に基づいて対象物の位相画像を求める。
【００２７】
対象物は、特定の細胞や生体サンプルに限定されるものではない。例えば、対象物として、培養細胞、不死化細胞、初代培養細胞、がん細胞、脂肪細胞、肝臓細胞、心筋細胞、神経細胞、グリア細胞、体性幹細胞、胚性幹細胞、多能性幹細胞、ｉＰＳ細胞、および前記細胞をもとに作られた細胞塊（コロニーまたはスフェロイド）などが挙げられる。また、対象物として、生体に限らず、工業サンプル、たとえば金属表面、半導体表面、ガラス表面、半導体素子の内部、樹脂素材表面、液晶、高分子化合物なども挙げられる。
【００２８】
本実施形態の以下の説明では、図２にサンプルの構成例が示されるように、対象物は、容器７０に入れられた培養液７２中の細胞７３であるとする。容器７０の底部の内側には反射増強コーティング７１が設けられている。
【００２９】
光源１１は光を出力する。好適には光源１１はインコヒーレント光を出力する。光源１１は、例えばハロゲンランプなどのランプ系光源、ＬＥＤ（Light emitting diode）光源、ＳＬＤ（Superluminescent diode）光源、ＡＳＥ（Amplified spontaneous emission）光源等である。
【００３０】
ビームスプリッタ１２は、光源１１と光学的に結合され、二光束干渉計であるマイケルソン干渉計を構成する。ビームスプリッタ１２は、例えば、透過率と反射率との比が１：１であるハーフミラーであってもよい。ビームスプリッタ１２は、光源１１から出力された光を二光束に分岐して第１分岐光および第２分岐光とする。ビームスプリッタ１２は、第１分岐光を対物レンズ１３へ出力し、第２分岐光を対物レンズ１４へ出力する。
【００３１】
また、ビームスプリッタ１２は、反射増強コーティング７１で反射されて対物レンズ１３を経た第１分岐光を入力するとともに、参照ミラー１５で反射されて対物レンズ１４を経た第２分岐光を入力する。そして、ビームスプリッタ１２は、これら入力した第１分岐光と第２分岐光とを合波して、干渉光をチューブレンズ１６へ出力する。
【００３２】
対物レンズ１３は、ビームスプリッタ１２と光学的に結合され、ビームスプリッタ１２から出力された第１分岐光を容器７０内の細胞７３に集光する。また、対物レンズ１３は、反射増強コーティング７１で反射された第１分岐光を入力してビームスプリッタ１２へ出力する。
【００３３】
対物レンズ１４は、ビームスプリッタ１２と光学的に結合され、ビームスプリッタ１２から出力された第２分岐光を参照ミラー１５の反射面に集光する。また、対物レンズ１４は、参照ミラー１５の反射面で反射された第２分岐光を入力してビームスプリッタ１２へ出力する。
【００３４】
チューブレンズ１６は、干渉光学系を構成するビームスプリッタ１２と光学的に結合され、ビームスプリッタ１２から出力された干渉光を、ビームスプリッタ１７を経て撮像器１８の撮像面に結像する。ビームスプリッタ１７は、チューブレンズ１６から到達した光を２分岐して、一方の分岐光を撮像器１８へ出力し、他方の分岐光を光検出器２２へ出力する。ビームスプリッタ１７は、例えばハーフミラーであってもよい。
【００３５】
撮像器１８は、ビームスプリッタ１７と光学的に結合され、ビームスプリッタ１７から到達した干渉光を受光して干渉画像を取得する。撮像器１８は、例えば、ＣＣＤエリアイメージセンサおよびＣＭＯＳエリアイメージセンサなどのイメージセンサである。
【００３６】
ピエゾ素子２１は、参照ミラー１５の反射面に垂直な方向に該反射面を移動させる。ピエゾ素子２１は、この反射面の移動により、二光束干渉計における二光束の間の光路長差（すなわち位相差）を調整することができる。ピエゾ素子２１は、波長未満の分解能で、参照ミラー１５の反射面の位置を決めることができる。二光束干渉計において二光束の間の光路長差は可変である。
【００３７】
なお、ビームスプリッタ１２から反射増強コーティング７１までの光学的距離をＬ１とし、ビームスプリッタ１２から参照ミラー１５の反射面までの光学的距離をＬ２とすると、二光束干渉計における二光束の間の光路長差は２（Ｌ１−Ｌ２）である。この光路長差が光源１１の出力光のコヒーレント長以下であれば、撮像器１８は明瞭な干渉画像を取得することができる。光源１１の出力光の中心波長をλ０としたとき、二光束干渉計における二光束の間の位相差Δφは次式で表されるものとする。
【００３８】
【数１】
2019109181.tif 000003
【００３９】
光検出器２２は、ビームスプリッタ１７と光学的に結合され、ビームスプリッタ１７から到達した干渉光を受光して検出信号を出力する。光検出器２２は、例えば、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管であり、また、ラインセンサ（リニアセンサ）、ＣＣＤエリアイメージセンサ、ＣＭＯＳエリアイメージセンサなどであってもよい。
【００４０】
位相制御回路２３は、光検出器２２と電気的に接続され、光検出器２２から出力される検出信号を入力する。また、位相制御回路２３は、ピエゾ素子２１と電気的に接続され、ピエゾ素子２１による光路長差の調整動作を制御する。位相制御回路２３は、入力した検出信号に基づいて、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を検出する。そして、位相制御回路２３は、この検出結果に基づくフィードバック制御により、ピエゾ素子２１による光路長差の調整動作を制御する。これにより、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を設定値で安定化した状態（ロック状態）とすることができる。
【００４１】
干渉画像取得部２は、ロック状態において対象物（細胞７３）の干渉画像を撮像器１８により撮像して取得することができる。演算部３は、干渉画像取得部２の撮像器１８により取得された干渉画像に基づいて対象物の位相画像を求める。演算部３は、パーソナルコンピュータおよびタブレット端末などのコンピュータであってもよい。また、演算部３は、操作者からの入力を受け付ける入力部（キーボード、マウス、タブレット端末など）、ならびに、干渉画像および位相画像等を表示する表示部（ディスプレイ、タブレット端末など）を備えていてもよい。また、演算部３は、画面に画像等を表示するとともに、その画面において操作者による領域の指定を受け付ける機能を有するのが好適である。
【００４２】
光源１１から出力された光はビームスプリッタ１２により二光束に分岐されて第１分岐光および第２分岐光とされ、ビームスプリッタ１２から第１分岐光および第２分岐光が出力される。ビームスプリッタ１２から出力された第１分岐光は、対物レンズ１３により容器７０内の細胞７３に集光され、容器７０の底部の内側に設けられた反射増強コーティング７１で反射される。反射増強コーティング７１で反射された第１分岐光は、対物レンズ１３を経てビームスプリッタ１２に入力される。ビームスプリッタ１２から出力された第２分岐光は、対物レンズ１４により参照ミラー１５の反射面に集光され、その反射面で反射される。参照ミラー１５の反射面で反射された第２分岐光は、対物レンズ１４を経てビームスプリッタ１２に入力される。
【００４３】
対物レンズ１３からビームスプリッタ１２に入力された第１分岐光、および、対物レンズ１４からビームスプリッタ１２に入力された第２分岐光は、ビームスプリッタ１２により合波されて、ビームスプリッタ１２から干渉光が出力される。この干渉光は、チューブレンズ１６を経た後にビームスプリッタ１７により２分岐されて、撮像器１８および光検出器２２それぞれにより受光される。干渉光を受光した光検出器２２から検出信号が出力され、この検出信号に基づいて位相制御回路２３により二光束干渉計における二光束の間の光路長差が検出される。そして、位相制御回路２３によるピエゾ素子２１に対するフィードバック制御により、二光束干渉計における二光束の間の光路長差が設定値で安定化した状態（ロック状態）とされる。ロック状態において干渉光を受光した撮像器１８により干渉画像が取得され、その干渉画像は演算部３へ出力される。そして、演算部３により、干渉画像に基づいて対象物（細胞７３）の位相画像が求められる。
【００４４】
図３および図４は、第１実施形態の位相画像取得装置１Ａの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。これらの図は、光源１１の出力光強度の時間変化、撮像器１８の露光期間、および、干渉光の位相差（二光束干渉計における二光束の間の位相差）の時間変化の例を示している。位相画像取得装置１Ａの動作および位相画像取得方法は、第１位相画像取得ステップ、条件探索ステップおよび第２位相画像取得ステップに区分される。
【００４５】
第１位相画像取得ステップにおいて、位相画像取得装置１Ａは、位相シフト法により複数の干渉画像から１つの位相画像を求める。すなわち、干渉画像取得部２は、二光束干渉計の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし各状態において干渉画像を取得する。演算部３は、干渉画像取得部２により取得された複数の干渉画像に基づいて第１位相画像を求める。
【００４６】
例えば、干渉画像取得部２は、ピエゾ素子２１、光検出器２２および位相制御回路２３を用いたフィードバック制御により干渉光の位相差を或る初期位相で安定化させて、位相差を安定化させた状態で干渉画像Ｉ１を撮像器１８により取得する。次に、干渉画像取得部２は、ピエゾ素子２１、光検出器２２および位相制御回路２３を用いて干渉光の位相差を“初期位相＋π／２”で安定化させ、位相差を安定化させた状態で干渉画像Ｉ２を撮像器１８により取得する。同様にして、干渉画像取得部２は、干渉光の位相差を“初期位相＋π”で安定化させた状態で干渉画像Ｉ３を撮像器１８により取得し、干渉光の位相差を“初期位相＋３π／２”で安定化させた状態で干渉画像Ｉ４を撮像器１８により取得する。
【００４７】
演算部３は、これら４つの干渉画像Ｉ１〜Ｉ４を用いて、次式の演算を行って第１位相画像Φを求める。なお、Ｉ１〜Ｉ４およびΦは画素位置（ｘ，ｙ）の関数であり、次式の演算は画素毎に行われる。argは複素数の変換を取得する演算子である。ｉは虚数単位である。
【００４８】
【数２】
2019109181.tif 000004
【００４９】
第２位相画像取得ステップにおいて、位相画像取得装置１Ａは、位相シフト法を用いることなく、１つの干渉画像から１つの位相画像を求める。干渉画像をＮ回繰り返して取得すれば、位相画像をＮ回繰り返し取得することができる。干渉画像取得部２は、関心領域において撮像器１８の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応となるように二光束干渉計の光路長差を一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を繰り返し取得する。演算部３は、干渉画像取得部２により取得された各干渉画像および第１位相画像Φに基づいて第２位相画像を求める。
【００５０】
第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部２は、関心領域において撮像器１８の各画素が受光する干渉光の光量と位相値との間に一対一の対応関係を確保した上で、関心領域において撮像器１８の各画素が受光する干渉光の光量が該画素の飽和光量以下である範囲で、光源１１の出力光強度または撮像器１８の露光時間を第１位相画像取得ステップの際と比べて大きくするのが好ましい。以下では、このような第２位相画像取得ステップにおける干渉画像取得部２による干渉画像取得の際の好適な条件を「干渉画像取得好適条件」という。
【００５１】
図３は、第１位相画像取得ステップと比べて第２位相画像取得ステップにおいて光源１１の出力光強度を大きくする場合を示している。図４は、第１位相画像取得ステップと比べて第２位相画像取得ステップにおいて撮像器１８の露光時間を長くする場合を示している。条件探索ステップにおいては、光源１１の出力光強度または撮像器１８の露光時間を変化させて、干渉画像取得好適条件を探索する。そして、第２位相画像取得ステップにおいては、干渉画像取得部２は、この干渉画像取得好適条件の下で干渉画像を取得する。
【００５２】
以下では、具体的な実施例の構成および画像例を示しつつ、より詳細に実施形態について説明する。光源１１として中心波長６３３ｎｍのＬＥＤを用いた。対物レンズ１３および対物レンズ１４それぞれの焦点距離は４.５ｍｍであった。チューブレンズ１６の焦点距離は１２５ｍｍであった。撮像器１８のピクセルサイズは４.８μｍ×４.８μｍであった。撮像視野の画素数は４００ピクセル×３００ピクセルであった。撮像視野に対応する撮像面の大きさは１.９２ｍｍ×１.４４ｍｍであった。サンプル面での視野サイズは６９.１２μｍ×５１.８４μｍであった。サンプルの細胞７３としてハムスター卵巣由来培養細胞ＣＨＯを用いた。第１位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部２により各干渉画像を取得するのに要した時間は６７ｍ秒であり、撮像器１８の露光時間は３００μ秒であった。
【００５３】
図５は、第１位相画像取得ステップにおいて干渉画像取得部２により取得された４つの干渉画像Ｉ１〜Ｉ４を示す図である。これらの干渉画像において撮像器１８の各画素が受光した干渉光の光量は該画素の飽和光量以下である。図６は、第１位相画像取得ステップにおいて演算部３により得られた第１位相画像Φを示す図である。この第１位相画像Φは位相アンラッピング後のものである。
【００５４】
干渉画像において、各画素におけるオフセット位相量をφoffsetとし、位相差をΔφとすると、各画素の輝度値Ｉは次式で表される。この式中の各パラメータも画素位置（ｘ，ｙ）の関数であり、この式の関係は画素毎に成立する。実際の干渉画像においては干渉に寄与していない光成分が存在するので、次式右辺の直流成分ＤＣは一般には値０とならない。位相差Δφが０〜２πの範囲で変化すると、画素の輝度値Ｉは正弦波的に変化する。すなわち、関心領域において、位相差Δφを適切に設定することにより、干渉光の強度Ｉを小さくすることができる。
【００５５】
【数３】
2019109181.tif 000005
【００５６】
第１位相画像取得ステップと比べて第２位相画像取得ステップでは、撮像器１８の１画素当たりに入射する光の積算光量を増大させて干渉画像を取得する。光の積算光量を増大させるにあたっては、光源１１の光量を増大させてもよいし（図３）、撮像器１８の一回の露光当たり露光時間を増大させてもよい（図４）。本実施例では、第１位相画像取得ステップにおいて干渉画像を取得する際の撮像器１８の露光時間を３００μ秒としたのに対して、第２位相画像取得ステップにおいて干渉画像を取得する際の撮像器１８の露光時間を９００μ秒とした。
【００５７】
図７は、撮像器１８の１画素当たりに入射する光の積算光量を増大させて取得された干渉画像を示す図である。図７の干渉画像の取得時では、図５の干渉画像の取得時と比較して撮像器１８の露光時間を３倍に増大させたことから、撮像器１８の一部の画素では飽和電荷量を超える量の光電子が発生し、干渉画像の該画素は飽和している。しかし、図７中の枠線内の関心領域Ａでは、位相差Δφが比較的小さいことから、比較的暗い画像が得られている。条件探索ステップでは、このような条件を関心領域内において探索することで、第２位相画像取得ステップの干渉画像取得好適条件を設定する。
【００５８】
第２位相画像取得ステップにおいては、条件探索ステップにおいて探索された干渉画像取得好適条件の下で、位相シフト法を用いることなく、Ｎ個の干渉画像を繰り返し取得することでＮ個の位相画像を繰り返し取得する。本実施例では、干渉画像取得部２は、各干渉画像を取得するための撮像器１８の露光時間を９００μ秒とし、３秒間に亘って３０００個の干渉画像を取得した。フレームレートは１０００ｆｐｓであった。
【００５９】
図８は、第２位相画像取得ステップにおいて干渉画像取得部２により取得された３つの干渉画像を示す図である。この図は、取得開始時（ｔ＝０.０００秒）、取得開始から１秒経過時（ｔ＝１.０００秒）および取得開始から２秒経過時（ｔ＝２.０００秒）それぞれの干渉画像を示している。フレームレート１０００ｆｐｓで取得された３０００個の干渉画像では、図７中の関心領域Ａにおいて、直径１μｍ程度の小さな顆粒状の物体が多く見られ、それらは時間とともに視野内をランダムに高速に移動しているのが見て取れた。
【００６０】
このような顆粒状の物体（位相物体）の高速な運動を観察するには、干渉画像のＳ／Ｎが高いことが望ましい。しかし、off-axis法では撮像器の飽和光量との関係から光量を高く取れない。これに対して、本実施形態の位相画像取得装置および位相画像取得方法では、関心領域の干渉条件をできるだけ画像を暗くする条件とすることにより、同じ光量の照射であっても、撮像器１８の電荷量の飽和を避けつつ、干渉画像のＳ／Ｎを高く取ることができる。
【００６１】
図９は、図６の位相画像の位相値と図７の干渉画像の輝度値との関係を示す図である。図９は、横軸を干渉画像の輝度値とし、縦軸を位相画像の位相値として、画素毎にプロットしたものである。図６の位相画像と図７の干渉画像とは互いに同じ視野のものである。図９中の曲線は、次式で表されるフィッティングカーブである。最小二乗法によりａ１〜ａ３を求めたところ、ａ１＝２４０.５、 ａ２＝８９.６、ａ３＝１.５９４であった。
【００６２】
【数４】
2019109181.tif 000006
【００６３】
この図９を見ると、フィッティングカーブを用いても、輝度値から位相値を一意に求めることができない。例えば、輝度値が２００である画素の位相値は、フィッティングカーブにより推定すると、０.４４ラジアンおよび２.６５ラジアンの何れであるが、確定することができない。この不確定性は、関心領域を限定することで解決される。図７に示されるように干渉画像において関心領域Ａを定めると、その関心領域Ａ内の画素については輝度値と位相値との間の関係は図１０に示されるように一対一の対応関係になる。図１０は、図６の位相画像の位相値と図７の干渉画像の輝度値との関係を、関心領域Ａに限定して示す図である。
【００６４】
したがって、関心領域Ａに限定することで、次式により、各画素の輝度値から位相値を求めることができ、位相画像を求めることができる。ここで、arccos関数は、cos関数の逆関数である。ただし、この式により求められる位相値は、arccosの計算により得られる２つの値のうち、図１０中の限定された位相値の範囲の値を採用する。
【００６５】
【数５】
2019109181.tif 000007
【００６６】
図１１は、第２位相画像取得ステップにおいて演算部３により得られた３つの位相画像を示す図である。この図は、取得開始時（ｔ＝０.０００秒）、取得開始から１秒経過時（ｔ＝１.０００秒）および取得開始から２秒経過時（ｔ＝２.０００秒）それぞれの関心領域Ａ内の位相画像を示している。図１１に示される第２位相画像は、図８の干渉画像および図６の第１位相画像に基づいて得られたものである。
【００６７】
本実施例では、このようにして、第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部２により二光束干渉計における二光束の間の位相差Δφを一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を高速に繰り返して取得するとともに、演算部３により位相画像を高速に繰り返して求めることができる。しかも、第２位相画像取得ステップにおける干渉画像取得部２による干渉画像取得の際の干渉画像取得好適条件を適切に設定することで、Ｓ／Ｎが高い位相画像を求めることができる。例えば、図１１（ｔ＝０.０００秒）の位相画像の一部を拡大して示す図１２中で、矢印により指し示す箇所に、径１.２μｍで光学厚さ８.４ｎｍの微細な顆粒状の位相物体が観察された。この顆粒が細胞膜周辺を動き回る様子を動画として観察することができた。
【００６８】
次に、図１３〜図１５を用いて、第２位相画像取得ステップにおける干渉画像取得好適条件について説明する。図１３および図１４は、第２位相画像取得ステップにおける好ましくない条件を説明する図である。図１５は、第２位相画像取得ステップにおける干渉画像取得好適条件を説明する図である。これらの図は、横軸を干渉画像の輝度値とし、縦軸を位相画像の位相値として、画素毎にプロットしたものである。
【００６９】
図１３に示される条件は、関心領域において撮像器１８の飽和電荷量を超えてしまうような画素が存在するので好ましくない。このような条件では、対象物の局所的な位相変化を捉えようにも撮像器１８の画素が飽和しているので、位相変化がそもそも捉えられない。したがって、関心領域の干渉画像の光量がなるべく低くなり、画像が暗くなる条件で撮影するのが良いことがわかる。
【００７０】
図１４に示される条件は、関心領域の干渉画像の光量が最も低いので好ましくない。何故なら、この条件では干渉画像の輝度値に対して２通りの推定位相値が現れてしまうので、干渉画像から位相値の推定ができなくなってしまうからである。また、干渉画像における輝度の増減に関しても、その増減が位相変化と正に相関しているのか負に相関しているのかもわからない。
【００７１】
図１５に示される干渉画像取得好適条件は、上述した図１３および図１４の条件の問題を有しない、すなわち、干渉画像取得好適条件は、関心領域の干渉画像の輝度と位相値との間の一対一の対応が可能な範囲で、できるだけ関心領域の干渉画像が低い光量となるように設定する。この条件では、干渉画像の輝度と事前に計測した位相値との間でフィッティングカーブをもとにした一対一の対応が可能であり、しかも、どの画素も飽和電荷量に達していないという理想的な条件が実現される。
【００７２】
次に、図１６〜図１８を用いて、関心領域を設定または指定する方法について説明する。図１６に示される関心領域指定方法では、操作者は、位相画像を表示した画面上において、例えばマウスを用いて関心領域Ａを指定する（図１６（ａ））。そして、演算部３は、その関心領域Ａにおいて干渉画像取得好適条件を満たすことができるオフセット位相量φoffsetを求める（図１６（ｂ））。第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部２は、このオフセット位相量φoffsetで二光束干渉計の光路長差をロックする。
【００７３】
図１７に示される関心領域指定方法では、操作者は、位相画像を表示した画面上において、例えばマウスを用いて関心領域Ａを指定する（図１７（ａ））。そして、演算部３は、その関心領域Ａのうち干渉画像取得好適条件を満たすことができる関心領域Ｂを求めて、その関心領域Ｂを表示するとともに、その関心領域Ｂにおいて干渉画像取得好適条件を満たすことができるオフセット位相量φoffsetを求める（図１７（ｂ））。演算部３は、操作者が指定した関心領域Ａの全体で干渉画像取得好適条件を満たすことができる場合には、その関心領域Ａの全体において干渉画像取得好適条件を満たすことができるオフセット位相量φoffsetを求めればよい。第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部２は、このオフセット位相量φoffsetで二光束干渉計の光路長差をロックする。
【００７４】
図１８に示される関心領域指定方法では、演算部３は、オフセット位相量φoffsetの複数の値それぞれについて干渉画像取得好適条件を満たすことができる範囲を求めて表示する（図１８（ａ）〜（ｃ））。操作者は、そのうちの一つを選択して指定する、第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部２は、操作者が指定したオフセット位相量φoffsetで二光束干渉計の光路長差をロックする。
【００７５】
次に、図１９を用いて、本実施形態の位相画像取得装置１Ａの動作および本実施形態の位相画像取得方法の手順について説明する。図１９は、第１実施形態の位相画像取得装置１Ａの動作および第１実施形態の位相画像取得方法を説明するフローチャートである。
【００７６】
ステップＳ１において、干渉画像取得部２により干渉画像を取得することができるように二光束干渉計に対して光学調整を行う。ステップＳ２（第１位相画像取得ステップ）において、撮像器１８の各画素が飽和しない条件で位相シフト法により干渉画像取得部２により複数の干渉画像を取得し、これら複数の干渉画像に基づいて演算部３により第１位相画像を計算する。
【００７７】
ステップＳ３（条件探索ステップ）において、光源１１の出力光量の増加および撮像器１８の露光時間の増加の双方または何れか一方を行い、その後に、オフセット位相量φoffsetをシフトさせて複数の干渉画像を取得して干渉画像取得好適条件を探索する。なお、干渉画像取得好適条件は、ステップＳ２で取得した複数の干渉画像および第１位相画像に基づいて計算により求めることもできるので、ここでオフセット位相量φoffsetをシフトさせて複数の干渉画像を取得することにより干渉画像取得好適条件を探索しなくてもよい。
【００７８】
ステップＳ４（第２位相画像取得ステップ）において、干渉画像取得部２によりオフセット位相量φoffsetをステップＳ３で求めた所定の値にロックして時系列に複数の干渉画像を撮像し、演算部３により干渉画像の輝度値と位相値との対応に基づいて時系列に複数の第２位相画像を計算する。
【００７９】
図１６に示された関心領域指定方法で関心領域を指定する場合には、演算部３によるオフセット位相量φoffsetの算出は、ステップＳ４より前に行われる。操作者による関心領域Ａの指定は、これ以前であればいつでもよい。
【００８０】
図１７に示された関心領域指定方法で関心領域を指定する場合には、演算部３による関心領域Ｂの設定、および、これに続くオフセット位相量φoffsetの算出は、ステップＳ２とステップＳ４との間に行われる。操作者による関心領域Ａの指定は、これ以前であればいつでもよい。
【００８１】
図１８に示された関心領域指定方法で関心領域を指定する場合には、演算部３によるオフセット位相量φoffsetの各複数について干渉画像取得好適条件を満たす範囲の表示、および、これに続く操作者による選択は、ステップＳ２とステップＳ４との間に行われる。
【００８２】
なお、図１６〜図１８に示された関心領域指定方法で関心領域を指定する場合には、操作者による指示が必要である。ここで、操作者による指示を待機している期間では位相画像取得装置１Ａがアイドル状態となる。この指示待機期間がステップＳ２とステップＳ４との間で長時間を要するのは好ましくない。何故なら、第１位相画像を取得して輝度と位相値との間の対応を求めた後に、指示待機期間にサンプル全体の位相分布が大きく変わってしまうと、対応関係を再び測定し直さないといけなくなるからである。
【００８３】
次に、位相画像取得装置１Ａの光学系が満たすことが望ましい条件について説明する。インコヒーレント光の場合には二光束干渉計における光路長差をできるだけ小さくし、また、二光束干渉計における二光路間で色分散をできるだけ無くすことにより、干渉画像取得に寄与しない光の成分ができるだけ少ないことが望ましい。インコヒーレント光を用いることにより、干渉画像においてスペックルノイズができるだけ無いことが望ましい。また、対物レンズ１３と対物レンズ１４とが同一または概ね同等の光学条件のものを用いることにより、位相画像において位相分布の湾曲（特に球面状の湾曲）ができるだけ無いことが望ましい。
【００８４】
（第２実施形態）
図２０は、第２実施形態の位相画像取得装置１Ｂの構成を示す図である。第２実施形態の位相画像取得装置１Ｂは、図１に示される第１実施形態の位相画像取得装置１Ａが備える干渉画像取得部２および演算部３に加えて、電源部３１およびタイミング制御回路３２を更に備える。
【００８５】
位相画像取得装置１Ｂは、対象物としての電気回路８１における熱の発生および拡散を高速に観察するものである。集積回路に電圧を印加すると、その回路内の電力消費によって熱が発生し、その発熱部位の周りで屈折率変化が起こる。この発熱に因る屈折率変化により、集積回路を透過する光の位相が変化する。この発熱による影響は短時間のうちに拡散によって空間的に広がってしまうので、撮像を高速に行うのが望ましい。
【００８６】
そこで、本実施形態の位相画像取得装置１Ｂは、時間的に強度変調した注入電流を電気回路８１へ与える電源部３１と、電源部３１から電気回路８１への電圧印加のタイミングと干渉画像取得部２による干渉画像取得のタイミングとを制御するタイミング制御回路３２とを備える。第２位相画像取得ステップにおいて、電源部３１は、時間的に強度変調した注入電流を電気回路８１へ与え、干渉画像取得部２は、タイミング制御回路３２による制御の下で注入電流の強度変調に同期して干渉画像を取得する。
【００８７】
図２１は、第２実施形態の位相画像取得装置１Ｂの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。この図は、光源１１の出力光強度の時間変化、電源部３１から電気回路８１への電圧印加の期間、撮像器１８の露光期間、および、干渉光の位相差（二光束干渉計における二光束の間の位相差）の時間変化の例を示している。位相画像取得装置１Ｂの動作および位相画像取得方法は、第１実施形態と同様に、第１位相画像取得ステップ、条件探索ステップおよび第２位相画像取得ステップに区分される。
【００８８】
電源部３１から電気回路８１へ印加される電圧は、例えば矩形波形状で周期的に強度変調したものとする。電気回路８１における電圧印加に伴う発熱による位相変化は局所的な微小量であるので、第１位相画像取得ステップおよび条件探索ステップにおいては電圧印加を行わなくてよい。第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部２は、タイミング制御回路３２による制御の下で、電源部３１における注入電流の強度変調に同期して干渉画像を取得する。
【００８９】
このタイミング制御の動作例として、干渉画像取得部２は、電源部３１から電気回路８１へ電圧が印加されている期間に１または複数の干渉画像を取得し、電源部３１から電気回路８１へ電圧が印加されていない期間に１または複数の干渉画像を取得する。そして、演算部３は、各々の干渉画像に基づいて位相画像を求める。電圧印加期間および非印加期間それぞれで複数の位相画像を取得する場合、電圧印加開始後に位相変化を起こした部位が熱拡散に伴って空間的に広がっていく様子を観察することが可能である。また、電圧印加期間および非印加期間それぞれの位相画像の間の差分を表す差分画像を求めることで、電圧印加により温度上昇した部位を明確に認識することが可能である。
【００９０】
（第３実施形態）
図２２は、第３実施形態の位相画像取得装置１Ｃの構成を示す図である。第３実施形態の位相画像取得装置１Ｃは、図１に示される第１実施形態の位相画像取得装置１Ａが備える干渉画像取得部２および演算部３に加えて、赤外光源４１およびタイミング制御回路４２を更に備える。
【００９１】
位相画像取得装置１Ｃは、赤外光を照射された対象物としての細胞７３が熱吸収したときに生じる屈折率変化の現象を高速に観察するものである。細胞に含まれる物質（例えば脂肪など）の吸収波長域に含まれる波長の赤外光を該細胞に照射すると、その細胞において局所的な光吸収によって該当部位が発熱し、局所的な屈折率変化が発生する。この発熱に因る屈折率変化により、細胞を透過する光の位相が変化する。この発熱による影響は短時間のうちに拡散によって空間的に広がってしまうので、撮像を高速に行うのが望ましい。
【００９２】
そこで、本実施形態の位相画像取得装置１Ｃは、時間的に強度変調した赤外光を細胞７３へ照射する赤外光源４１と、赤外光源４１から細胞７３への赤外光照射のタイミングと干渉画像取得部２による干渉画像取得のタイミングとを制御するタイミング制御回路４２とを備える。第２位相画像取得ステップにおいて、赤外光源４１は、時間的に強度変調した赤外光を細胞７３へ照射し、干渉画像取得部２は、タイミング制御回路４２による制御の下で赤外光の強度変調に同期して干渉画像を取得する。
【００９３】
図２３は、サンプルの構成例を示す図である。対象物としての細胞７３は、容器７０に入れられた培養液７２中にある。容器７０の底部は、下方に配置された赤外光源４１から出力される赤外光を透過させる赤外光透過窓７４となっている。
【００９４】
図２４は、第３実施形態の位相画像取得装置１Ｃの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。この図は、光源１１の出力光強度の時間変化、赤外光源４１から細胞７３への赤外光照射の期間、撮像器１８の露光期間、および、干渉光の位相差（二光束干渉計における二光束の間の位相差）の時間変化の例を示している。位相画像取得装置１Ｃの動作および位相画像取得方法は、第１実施形態と同様に、第１位相画像取得ステップ、条件探索ステップおよび第２位相画像取得ステップに区分される。
【００９５】
赤外光源４１から細胞７３への照射される赤外光は、例えば矩形波形状で周期的に強度変調したものとする。細胞７３における赤外光照射に伴う発熱による位相変化は局所的な微小量であるので、第１位相画像取得ステップおよび条件探索ステップにおいては赤外照射を行わなくてもよい。第２位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部２は、タイミング制御回路４２による制御の下で、赤外光源４１における赤外光照射の強度変調に同期して干渉画像を取得する。
【００９６】
このタイミング制御回路の動作例として、干渉画像取得部２は、赤外光源４１から細胞７３へ赤外光が照射されている期間に１または複数の干渉画像を取得し、赤外光源４１から細胞７３へ赤外光が照射されていない期間に１または複数の干渉画像を取得する。そして、演算部３は、各々の干渉画像に基づいて位相画像を求める。赤外光照射期間および非照射期間それぞれで複数の位相画像を取得する場合、赤外光照射開始後に位相変化を起こした部位が熱拡散に伴って空間的に広がっていく様子を観察することが可能である。また、赤外光照射期間および非照射期間それぞれの位相画像の間の差分を表す差分画像を求めることで、赤外光照射により温度上昇した部位を明確に認識することが可能である。
【００９７】
本実施形態の手法は、赤外光照射によって特定の細胞に対して選択的に刺激を加えたい場合に、赤外光の波長を適切に選ぶための指標として用いることが可能である。例えば、観察視野内に、刺激を加えたい細胞と加えたくない細胞とを共培養しておく。そして、本実施形態の手法によって赤外光照射に伴う位相変化を撮像する。この位相画像において、一方の細胞では比較的大きな位相変化が起こり、他方の細胞では比較的小さな位相変化しか起こっていなければ、その赤外光の波長が細胞に対して選択的に熱的な刺激を加え得ることを示唆している。このようにして、細胞刺激においてクリティカルな波長帯域を探索することができる。
【００９８】
（第４実施形態）
図２５は、第４実施形態の位相画像取得装置１Ｄの構成を示す図である。位相画像取得装置１Ｄは、干渉画像取得部２Ｄおよび演算部３を備える。図１に示された第１実施形態の位相画像取得装置１Ａの構成と比べると、図２５に示される第４実施形態の位相画像取得装置１Ｄは、干渉画像取得部２に替えて干渉画像取得部２Ｄを備える点で相違する。第４実施形態における干渉画像取得部２Ｄは、第１実施形態における干渉画像取得部２の構成に加えて、空間光位相変調器２４および位相変調制御回路２５を更に含む。
【００９９】
空間光位相変調器２４は、二光束干渉計における二光束のうちの何れかの光束の光路上に設けられている。図２５では、空間光位相変調器２４は、ビームスプリッタ１２と対物レンズ１４との間の光路上に設けられており、反射型のものとして示されている。空間光位相変調器２４は、第２位相画像取得ステップにおいて、光を反射させる際に光を空間的に位相変調することにより、撮像器１８の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大することができる。位相変調制御回路２５は、演算部３からの指示を受けて、空間光位相変調器２４による空間的な位相変調を制御する。
【０１００】
前述したとおり、第２位相画像取得ステップにおいて干渉画像に基づいて位相画像を求めるためには、関心領域において撮像器１８の各画素が受光する干渉光の光量と位相値との間に一対一の対応関係が存在することが必要である。なお、関心領域において撮像器１８の各画素が受光する干渉光の光量が該画素の飽和光量以下であることも条件として必要であるが、この条件は、関心領域において各画素の干渉光の光量と位相値との間に一対一の対応関係が存在すれば満たされている（図１５参照）。
【０１０１】
第２位相画像取得ステップにおいて、広い領域の位相画像を取得する為には、撮像器１８の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大する必要がある。しかし、例えば対象物が細胞である場合、通常、細胞の中心部と周縁部とでは光の半波長分の位相差またはそれ以上の位相差が存在する。したがって、二光束干渉計における二光束の間の全体的な位相差を如何に最適化したとしても、細胞の或る部分では干渉画像取得好適条件が満たされるが、他の部分では、干渉光の光量と位相値との間に一対一の対応関係が無かったり、干渉光の光量が画素の飽和光量を越えたりする。すなわち、細胞の全体を関心領域として干渉光の光量と位相値との間に一対一の対応関係を確保することは困難である。
【０１０２】
そこで、本実施形態の位相画像取得装置１Ｄは、第２位相画像取得ステップにおいて、空間光位相変調器２４で反射する光を空間的に位相変調することにより、撮像器１８の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大し、干渉画像取得好適条件が満たされる範囲を拡大する。なお、空間光位相変調器２４による空間的な位相変調は、上記（３）式におけるオフセット位相量φoffsetを画素毎に調整すること意味する。
【０１０３】
演算部３は、第１位相画像取得ステップにおいて求められた対象物の位相分布を打ち消すように、位相変調制御回路２５を介して空間光位相変調器２４に位相変調パターンを書き込んで、干渉光の位相が広い領域内でフラットになるようにする。このような事前の操作をすることで、視野内の広い関心領域において干渉画像取得好適条件を満たすことが可能となる。
【０１０４】
なお、空間光位相変調器２４は、図２５ではビームスプリッタ１２と対物レンズ１４との間の光路上に設けられているが、ビームスプリッタ１２と対物レンズ１３との間の光路上に設けられていてもよい。空間光位相変調器２４は、図２５では反射型のものとして示されているが、透過型のものであってもよい。参照ミラー１５に替えて反射型の空間光位相変調器が設けられていてもよい。
【０１０５】
（第５実施形態）
これまでに説明した第１〜第４の実施形態では、１つの光源１１を用いて干渉画像を取得するとともに二光束干渉計の位相差の検知および制御を行う構成となっていた。この構成では、特許文献１に記載されているとおり、参照ミラー１５の位置に対して高速の変調（例えば２０ｋＨｚ）を加えることで位相の変位を検出し、この高速変調より遅い周波数をカットオフ周波数とするフィードバック制御系によって、より遅い周波数帯域において二光束干渉計における二光束の間の位相差の安定化を行うことになる。
【０１０６】
この場合、参照ミラー１５に対して加えることができる高速の機械的な変調の周波数は高くても２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度までしかないので、フィードバック制御の帯域としては２ｋＨｚ〜３ｋＨｚが限界である。したがって、第１〜第４の実施形態では、第２位相画像取得ステップにおいて繰り返し取得できる位相画像のフレームレートは、このフィードバック制御の帯域が限界となる。第５実施形態の構成は、位相検知用にレーザ光源を用いることで、この限界を超えることができるものである。
【０１０７】
図２６は、第５実施形態の位相画像取得装置１Ｅの構成を示す図である。位相画像取得装置１Ｅは、干渉画像取得部２Ｅおよび演算部３を備える。図１に示された第１実施形態の位相画像取得装置１Ａの構成と比べると、図２６に示される第５実施形態の位相画像取得装置１Ｅは、干渉画像取得部２に替えて干渉画像取得部２Ｅを備える点で相違する。第５実施形態における干渉画像取得部２Ｅは、第１実施形態における干渉画像取得部２と比べると、レーザ光源２６、ダイクロイックミラー２７および電流変調部２８を更に含む点、参照ミラー１５に替えて参照ミラー１５Ｅを含む点、ならびに、ビームスプリッタ１７に替えてダイクロイックミラー１７Ｅを含む点で相違する。図２７は、参照ミラー１５Ｅの構成を示す図である。参照ミラー１５Ｅは、互いに平行である２つの反射面１５１および反射面１５２を有する。
【０１０８】
レーザ光源２６は、時間的に波長変調されたレーザ光をダイクロイックミラー２７へ出力する。このレーザ光波長は、光源１１から出力される光の波長と異なる。電流変調部２８は、レーザ光源２６へ与える駆動電流を時間的に強度変調することで、レーザ光源２６から出力されるレーザ光の波長を時間的に変調する。
【０１０９】
ダイクロイックミラー２７は、光源１１およびレーザ光源２６の双方と光学的に結合され、レーザ光源２６から出力されるレーザ光と光源１１の出力光とを合波し同軸にしてビームスプリッタ１２へ出力する。レーザ光源２６から出力されるレーザ光は、光源１１の出力光と同軸に合波されて二光束干渉計に入力され、光源１１の出力光と同様にして、二光束に分岐された後、その二光束がビームスプリッタ１２により合波されてダイクロイックミラー１７Ｅへ出力される。ただし、参照ミラー１５Ｅにおいて、光源１１の出力光は反射面１５１で反射され、レーザ光源２６から出力されたレーザ光は反射面１５１を透過して反射面１５２で反射される。
【０１１０】
ダイクロイックミラー１７Ｅは、ビームスプリッタ１２から到達した干渉光のうち、光源１１の出力光の干渉光を透過させて撮像器１８へ出力し、レーザ光の干渉光を反射させて光検出器２２へ出力する。光検出器２２は、ダイクロイックミラー１７Ｅから到達したレーザ光の干渉光を受光して検出信号を出力する。位相制御回路２３は、この検出信号に基づいて、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を検知し、この検出結果に基づくフィードバック制御によりピエゾ素子２１の動作を制御して光路長差を安定化する。
【０１１１】
参照ミラー１５Ｅにおいて光源１１の出力光を反射させる反射面１５１とレーザ光を反射させる反射面１５２とが別個に設けられていることにより、干渉画像取得のために光源１１の出力光については二光束干渉計における二光束の間の光路長差をコヒーレント長以下としたとき、レーザ光については二光束干渉計における二光束それぞれの光路長はアンバランスとなる。このような状態においてレーザ光の波長を周波数ｆで正弦波的に変調すると、これに応じて光検出器２２が受光するレーザ光の干渉光の位相も時間的に変調されたものとなる。このレーザ光の干渉光を受光した光検出器２２から出力される検出信号は、周波数ｆの成分と周波数２ｆの成分とを含む。位相制御回路２３は、このような検出信号に基づいて、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を検知して安定化することができる。
【０１１２】
特許文献２に記載された発明では、周波数３０ｋＨｚでレーザ光の発振波長を変調し、このレーザ光の干渉光を受光した光検出器から出力される検出信号に基づいて位相差を検出し、これより遅い周波数をカットオフ周波数とするフィードバック制御によって参照ミラーの位置を制御して位相差を安定化している。
【０１１３】
本実施形態では、例えば、レーザ光の波長変調の周波数を数百ｋＨｚとし、フィードバック制御に際してはピエゾ素子の機械的な限界である３０ｋＨｚ程度をカットオフ周波数とすることができるので、第２位相画像取得ステップにおいて繰り返し取得できる位相画像のフレームレートを１００００ｆｐｓ以上の高速とすることができる。
【符号の説明】
【０１１４】
１Ａ〜１Ｅ…位相画像取得装置、２，２Ｄ，２Ｅ…干渉画像取得部、３…演算部、１１…光源、１２…ビームスプリッタ、１３，１４…対物レンズ、１５，１５Ｅ…参照ミラー、１６…チューブレンズ、１７…ビームスプリッタ、１７Ｅ…ダイクロイックミラー、１８…撮像器、２１…ピエゾ素子、２２…光検出器、２３…位相制御回路、２４…空間光位相変調器、２５…位相変調制御回路、２６…レーザ光源、２７…ダイクロイックミラー、２８…電流変調部、３１…電源部、３２…タイミング制御回路、４１…赤外光源、４２…タイミング制御回路、７０…容器、７１…反射増強コーティング、７２…培養液、７３…細胞、７４…赤外光透過窓、８１…電気回路。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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