(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光を出射するコヒーレント光源と、
前記コヒーレント光を二次元的にランダム位相変調し、二次元的にランダム位相変調された平面光を生成するランダム位相変調光学系と、
前記二次元的にランダム位相変調された平面光が透過するように被測定物が設置される設置台と、
前記被測定物を透過した光を光学フーリエ変換することにより光強度分布画像を生成させるフーリエ変換光学系と、
前記光強度分布画像を撮像する撮像素子と、
前記撮像された光強度分布画像から前記被測定物の位相情報を演算し、前記位相情報から前記被測定物の三次元形状を算出する演算部と、
を備え、
前記演算部は、
前記被測定物が設置されていない状態で撮像された光強度分布画像と、前記被測定物が設置された状態で撮像された光強度分布画像とを記憶する記憶部と、
前記被測定物が設置されていない状態で撮像された光強度分布画像から位相が回復された基準位相像を算出すると共に、前記被測定物が設置された状態で撮像された光強度分布画像から位相が回復された測定位相像を算出する位相像算出部と、
前記基準位相像と前記測定位相像との相互相関関数を計算することにより相互相関画像を算出する相互相関画像算出部と、
前記相互相関画像の各要素の値と前記相互相関画像のピーク位置との差に従って疑似位相遅延画像を算出する疑似位相遅延画像算出部と、
前記疑似位相遅延画像の各要素の隣接画素データから特異点を解消し、位相遅延画像を求める特異点解消部と、
前記位相遅延画像から前記被測定物の三次元形状を算出する三次元形状算出部と、
を有し、
前記コヒーレント光源が、第１の波長のコヒーレント光を出射する光源と、第２の波長のコヒーレント光を出射する光源と、第３の波長のコヒーレント光を出射する光源とを含み、
前記記憶部は、前記被測定物が設置されていない状態で撮像された前記第１〜第３の波長のそれぞれの前記光強度分布画像及び前記被測定物が設置された状態で撮像された前記第１〜第３の波長のそれぞれの前記光強度分布画像を記憶し、
前記位相像算出部は、前記第１〜第３の波長のそれぞれの前記回復された基準位相像と前記位相が回復された測定位相像を算出し、
前記相互相関画像算出部は、前記第１〜第３の波長のそれぞれの前記相互相関画像を算出し、
前記疑似位相遅延画像算出部は、前記第１〜第３の波長のそれぞれの前記疑似位相遅延画像を算出し、
前記特異点解消部は、前記第１の波長の疑似位相遅延画像φ１、前記第２の波長の疑似位相遅延画像φ２及び前記第３の波長の疑似位相遅延画像φ３から、下記の式（１）〜（４）に基づいて、第１の合成波長Λ１２の疑似位相遅延画像Φ１２と第２の合成波長Λ２３の疑似位相遅延画像Φ２３とを算出し、前記疑似位相遅延画像Φ１２及び前記疑似位相遅延画像Φ２３の各要素の隣接画素データから特異点を解消し、位相遅延画像を求める、三次元形状測定装置。
Φ１２＝（φ２／２π＋ｍ１）・（λ２／２）  ………  （１）
ｍ１＝Ｒｏｕｎｄ［（λ２・φ２−λ１・φ１）／２π（λ１−λ２）］  ………  （２）
Φ２３＝（φ３／２π＋ｍ２）・（λ３／２）  ………  （３）
ｍ２＝Ｒｏｕｎｄ［（λ３・φ３−λ２φ２）／２π（λ２−λ３）］  ………  （４）
【請求項２】
前記ランダム位相変調光学系は、離散値が２値、３値または４値であるランダム位相変調を行うように構成されている、請求項１に記載の三次元形状測定装置。
【請求項３】
前記ランダム位相変調光学系は、空間位相変調フィルターを有する、請求項１または２に記載の三次元形状測定装置。
【請求項４】
前記ランダム位相変調光学系は、前記コヒーレント光源側からこの順番で配された、グレイスケール画像が印刷された透光板と、コンデンサーレンズと、空間フィルターとを有する、請求項１または２に記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記位相像算出部は、前記被測定物が設置されていない状態で撮像された光強度分布画像を、複素空間データに拡張した後に、前記複素空間データの実数部の一部を０に強制し、その後、デジタル逆フーリエ変換することにより位相を回復させることにより前記基準位相像を算出すると共に、前記被測定物が設置された状態で撮像された光強度分布画像を、複素空間データに拡張した後に、前記複素空間データの実数部の一部を０に強制し、その後、デジタル逆フーリエ変換することにより位相を回復させることにより前記測定位相像を算出する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、細胞などの微小な３次元物体の三次元形状をナノメーター精度で測定できる装置として、原子間力顕微鏡や走査型電子顕微鏡が知られている。しかしながら、原子間力顕微鏡や走査型電子顕微鏡を用いた場合は、測定に先立って細胞に面倒な前処理を行う必要がある場合があり、また、測定時に細胞に回復不能なダメージを与える。このため、細胞などの微小な３次元物体の三次元形状を、被測定物にダメージを与えることなく測定できる方法が種々検討されている。
【０００３】
このような方法の例としては、位相シフト干渉法や光学トモグラフィー法が挙げられる。しかしながら、これらの方法では、マルチショットの画像が必要であり、それらマルチショットの画像を演算する必要がある。
【０００４】
一方、例えば特許文献１に記載されているようなデジタルホログラフィック顕微鏡やイメージホログラフィー顕微鏡を用いた場合は、１枚の画像から被測定物の位相遅延分布画像を求めることができる。具体的には、デジタルホログラフィック顕微鏡を用いた場合は、物体光と参照光とを干渉させることにより生成するホログラムに参照光をあてたときの回折波面の畳み込み（Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）を計算することにより、被測定物の三次元形状を得ることができる。
【０００５】
イメージホログラフィー顕微鏡を用いた場合は、物体光を合焦させることにより生成する実像や微分位相差像に対し、主軸がずれた参照光を干渉させてできる規則性をもったキャリア縞に被測定物の位相遅延による擾乱成分が載っている干渉縞を画像として記録し、二次元のヘテロダイン検波によりキャリア縞成分と外乱を除去することにより、被測定物の位相遅延分布画像を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２９２９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
デジタルホログラフィック顕微鏡やイメージホログラフィー顕微鏡は、いずれも干渉計を利用した顕微鏡である。従って、これらの顕微鏡の光学系は、複雑な構造を有する。よって、振動や空気の揺らぎが測定結果に及ぼす影響が大きいため、これらの顕微鏡を用いた場合は、被測定物の三次元形状を正確に測定できない場合がある。
【０００８】
本発明は、１枚の画像から被測定物の位相遅延分布画像を求めることができる三次元形状測定装置であって、単純な光学系を有する三次元形状測定装置を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る三次元形状測定装置は、コヒーレント光源と、ランダム位相変調光学系と、設置台と、フーリエ変換光学系と、撮像素子と、演算部とを備える。コヒーレント光源は、コヒーレント光を出射する。ランダム位相変調光学系は、コヒーレント光を二次元的にランダム位相変調し、二次元的にランダム位相変調された平面光を生成する。設置台には、二次元的にランダム位相変調された平面光が透過するように被測定物が設置される。フーリエ変換光学系は、被測定物を透過した光を光学フーリエ変換することにより光強度分布画像を生成させる。撮像素子は、光強度分布画像を撮像する。演算部は、撮像された光強度分布画像から被測定物の位相情報を演算する。演算部は、位相情報から被測定物の三次元形状を算出する。
【００１０】
ランダム位相変調光学系が、離散値が２値、３値または４値であるランダム位相変調を行うように構成されていることが好ましい。
【００１１】
ランダム位相変調光学系は、空間位相変調フィルターを有していてもよい。
【００１２】
ランダム位相変調光学系は、コヒーレント光源側からこの順番で配された、グレイスケール画像が印刷された透光板と、コンデンサーレンズと、空間フィルターとを有していてもよい。
【００１３】
演算部は、記憶部と、位相像算出部と、相互相関画像算出部と、疑似位相遅延画像算出部と、特異点解消部と、三次元形状算出部とを有する。記憶部は、被測定物が設置されていない状態で撮像された光強度分布画像と、被測定物が設置された状態で撮像された光強度分布画像とを記憶する。位相像算出部は、被測定物が設置されていない状態で撮像された光強度分布画像から位相が回復された基準位相像を算出する。位相像算出部は、被測定物が設置された状態で撮像された光強度分布画像から位相が回復された測定位相像を算出する。相互相関画像算出部は、基準位相像と測定位相像との相互相関関数を計算することにより相互相関画像を算出する。疑似位相遅延画像算出部は、相互相関画像の各要素の値と相互相関画像のピーク値との差に従って疑似位相遅延画像を算出する。特異点解消部は、疑似位相遅延画像の各要素の隣接画素データから特異点を解消し、位相遅延画像を求める。三次元形状算出部は、位相遅延画像から被測定物の三次元形状を算出する。
【００１４】
位相像算出部は、被測定物が設置されていない状態で撮像された光強度分布画像を、複素空間データに拡張した後に、複素空間データの実数部の少なくとも一部を０に強制し、その後、デジタル逆フーリエ変換することにより位相を回復させることにより基準位相像を算出すると共に、被測定物が設置された状態で撮像された光強度分布画像を、複素空間データに拡張した後に、複素空間データの実数部の一部を０に強制し、その後、デジタル逆フーリエ変換することにより位相を回復させることにより測定位相像を算出するものであってもよい。
【００１５】
コヒーレント光源は、第１の波長のコヒーレント光を出射する光源と、第２の波長のコヒーレント光を出射する光源と、第３の波長のコヒーレント光を出射する光源とを含むことが好ましい。
【００１６】
その場合、記憶部が、第１〜第３の波長のそれぞれの光強度分布画像及び光強度分布画像を記憶し、位相像算出部が、第１〜第３の波長のそれぞれの回復された基準位相像と位相が回復された測定位相像を算出し、相互相関画像算出部が、第１〜第３の波長のそれぞれの相互相関画像を算出し、疑似位相遅延画像算出部が、第１〜第３の波長のそれぞれの疑似位相遅延画像を算出し、特異点解消部が、第１の波長の疑似位相遅延画像φ１、第２の波長の疑似位相遅延画像φ２及び第３の波長の疑似位相遅延画像φ３から、下記の式（１）〜（４）に基づいて、第１の合成波長Λ１２の疑似位相遅延画像Φ１２と第２の合成波長Λ２３の疑似位相遅延画像Φ２３とを算出し、疑似位相遅延画像Φ１２及び疑似位相遅延画像Φ２３の各要素の隣接画素データから特異点を解消し、位相遅延画像を求めることが好ましい。
【００１７】
Φ１２＝（φ２／２π＋ｍ１）・（λ２／２）  ………  （１）
ｍ１＝Ｒｏｕｎｄ［（λ２・φ２−λ１・φ１）／２π（λ１−λ２）］  ………  （２）
Φ２３＝（φ３／２π＋ｍ２）・（λ３／  ２）  ………  （３）
ｍ２＝Ｒｏｕｎｄ［（λ３・φ３−λ２φ２）／２π（λ２−λ３）］  ………  （４）
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、１枚の画像から被測定物の位相遅延分布画像を求めることができる三次元形状測定装置であって、単純な光学系を有する三次元形状測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、第１の実施形態における三次元形状測定装置の略図的構成図である。
【図２】図２は、第１の実施形態におけるランダム位相変調光学系の略図的平面図である。
【図３】図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける模式的断面図である。
【図４】図４は、第１の実施形態における演算部の略図的構成図である。
【図５】図５は、撮像された光強度分布画像の一例である。
【図６】図６は、第２の実施形態におけるランダム位相変調光学系の略図的構成図である。
【図７】図７は、第３の実施形態における三次元形状測定装置の略図的構成図である。
【図８】図８は、第４の実施形態における三次元形状測定装置の略図的構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００２１】
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における三次元形状測定装置１の略図的構成図である。三次元形状測定装置１は、例えば、細胞などの光を透過させる微小な被測定物の厚みなどの三次元形状を非接触で光学的に測定することができる装置である。三次元形状測定装置１によれば、例えば、生物細胞試料を生きた環境のまま前処理なしにリアルタイムで分析することができる。従って、三次元形状測定装置１は、例えば、創薬、健康管理、国家安全保障、食品産業あるいは花粉アレルギー、パンデミック感染症の予防、バイオテロ監視、あるいはバクテリア汚染検知の各分野において有効に利用される。
【００２３】
三次元形状測定装置１は、コヒーレント光源１０と、ランダム位相変調光学系１１と、設置台１２と、フーリエ変換光学系１３と、撮像素子１４と、演算部１５とを備えている。ランダム位相変調光学系１１と、設置台１２と、フーリエ変換光学系１３とは、コヒーレント光源１０と撮像素子１４との間にこの順番で配されている。
【００２４】
コヒーレント光源１０は、コヒーレント光を出射する。コヒーレント光源１０は、例えば、レーザー発振による放射光を発する固体レーザーやガスレーザー、半導体レーザー等により構成することができる。コヒーレント光源の波長は、特に限定されない。コヒーレント光源の波長は、例えば、紫外光から可視光、赤外光、近赤外光までの広い範囲から適宜選択することができる。
【００２５】
ランダム位相変調光学系１１は、コヒーレント光源１０と設置台１２との間に配されている。ランダム位相変調光学系１１は、コヒーレント光を二次元的にランダム位相変調し、二次元的にランダム位相変調された平面光を生成する。
【００２６】
ランダム位相変調光学系１１は、位相遅延量がランダムな窓の集合体である。ここで、「ランダム」とは、系列のとり得る値の出現確率が均等もしくはほぼ均等である状態を意味する。ランダム系列をフーリエ変換した空間周波数領域のパワースペクトルは、特徴周波数を持たない。これは、自己相関関数がデルタ関数となることを意味する。系列のとり得る値は離散値であってもよい。系列は、非決定論的乱数のほか決定論的擬似乱数系列により決められるものであってもよい。ランダム位相変調光学系１１の各窓の位相遅延量は、ランダム系列に従って決められる。
【００２７】
ランダム位相変調光学系１１は、例えば、空間位相変調フィルターにより構成することができる。空間位相変調フィルターには、静的空間位相変調素子と動的空間位相変調素子とが含まれる。静的空間位相変調素子の具体例としては、透明基板と、透明基板の上にマトリクス状に配された複数の誘電体層とを備えるものや、貫通孔がマトリクス状に複数形成された透明板を複数積層したもの等が挙げられる。
【００２８】
具体的には、本実施形態では、図２及び図３に示されるように、ランダム位相変調光学系１１は、積層された透明基板１１ａ〜１１ｃを有する。透明基板１１ｂ、１１ｃには、複数の窓１１ｄがマトリクス状に設けられている。複数の窓１１ｄ内には、誘電体層１１ｅがランダムに配されている。隣接する複数の窓１１ｄの間にはギャップがあってもよい。
【００２９】
ランダム位相変調光学系１１は、離散値が２値、３値または４値であるランダム位相変調を行うように構成されていることが好ましい。
【００３０】
窓１１ｄの形状は、本実施形態では矩形であるが、円形、多角形状等であってもよい。窓１１ｄの一辺の長さは、撮像素子１４の画素ピッチの３倍〜１０倍程度であることが好ましい。このようにすることによって撮像素子１４によって自己干渉ホログラムをナイキスト条件を越える解像度でオーバーサンプリングすることができる。例えば、フーリエ変換光学系１３の前または後ろに拡大光学系がさらに設けられている場合は、窓１１ｄの一辺の長さは、撮像素子１４の画素ピッチを拡大光学系の倍率で割った値の３倍〜１０倍程度であることが好ましい。なお、ランダム位相変調光学系１１を所望の小ささに加工することが困難な場合には、縮小光学系を併用することが望ましい。
【００３１】
なお、フーリエ変換光学系１３と撮像素子１４との間に共焦点光学系がさらに配置されていてもよい。その場合は、三次元形状測定装置１が明るい環境に配されている場合であっても三次元形状の測定を好適に行うことができる。
【００３２】
コヒーレント光源１０とランダム位相変調光学系１１とによって構成されているランダム位相光源の二次元的なランダム位相変調がとり得る値を２値に限定する場合、ランダム位相変調光学系１１は、例えば、空間位相変調素子であって、各窓１１ｄの位相遅延が、２値の決定論的擬似乱数系列の０と１に対応させて−π／２と＋π／２となるように配置された空間位相変調素子により構成することができる。
【００３３】
２値の決定論的擬似乱数系列としては、循環周期が使用する撮像素子の一辺の画素数よりも長い２値循環擬似乱数系列を好適に用いることができる。２値循環擬似乱数系列は、その系列のメンバをｍ［ｎ］と書くとき、ｍ［ｎ］をｄ１だけ循環シフトさせたｍ［ｎ−ｄ１］の要素ごとの積が、元の数列ｍ［ｎ］をｄ２だけ循環シフトさせた数列ｍ［ｎ−ｄ２］になる。すなわち、ｍ［ｎ−ｄ２］＝ｍ［ｎ］ｍ［ｎ−ｄ１］という性質をもつものとして定義される。この代表例がＭ系列である。Ｍ系列は、次の線形漸化式（１）で発生される１ビットの数列である。
ｘｎ＝ｘｎ−ｐ＋ｘｎ−ｑ    （ｐ＞ｑ）  ………  （１）
【００３４】
この線形漸化式において、各項の値は０か１である。「＋」記号は、排他的論理和（ＸＯＲ：Ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ  ＯＲ）である。つまり、ｎ番目の項は、ｎ−ｐ番目とｎ−ｑ番目の項とをＸＯＲ演算することによって得られる。例えば、２０４７ビット周期のＭ系列が好適に用いられる。
【００３５】
２値循環擬似乱数系列としては、Ｍ系列のほかＧｏｌｄ系列やその他の系列もある。
【００３６】
ランダム位相光源の二次元的なランダム位相変調がとり得る値を３値に限定する場合は、ランダム位相変調光学系１１を、例えば、それぞれ３分の１πの位相遅延に相当する厚みの誘電体層１１ｅを、ある２値循環擬似乱数系列Ｍ〔０〕にしたがって配置した第１層と、Ｍ〔０〕を数ビット循環シフトした系列として、例えば２ビットシフトしたＭ〔２〕に従って配置した第２層とを積層したものとすることができる。
【００３７】
ランダム位相光源の二次元的なランダム位相変調がとり得る値を４値に限定する場合は、ランダム位相変調光学系１１を、例えば、それぞれ４分の１πの位相遅延に相当する厚みの誘電体層１１ｅを、ある２値循環擬似乱数系列Ｍ〔０〕にしたがって配置した第１層と、Ｍ〔１０〕に従って配置した第２層と、Ｍ〔２０〕に従って配置した第３層とを積層したものとすることができる。
【００３８】
また別の実施形態では、静的空間位相変調素子は、イメージセッタで透明フィルム上に作製した振幅マスクを通してフォトポリマーを露光現像することにより形成することもできる。ランダム位相光源の二次元的なランダム位相変調がとり得る値を４値に制限する場合には、４値の擬似乱数系列に従う振幅マスクを用いて４値のランダム位相変調フィルターを一度に形成することができる。
【００３９】
なお、上述のように、ランダム位相変調光学系１１は、動的空間位相変調素子により構成されていてもよい。動的空間位相変調素子としては、例えばネマティック液晶や強誘電液晶を用いた液晶空間位相変調素子が挙げられる。液晶空間位相変調素子には、透過型と反射型がある。反射型の液晶空間位相変調素子は、例えば、ミラーと組み合わせて用いることもできる。
【００４０】
設置台１２の上には、細胞などの透光性を有する被測定物１６が設置される。設置台１２は、二次元的にランダム位相変調された平面光が被測定物１６を透過するように設置されている。二次元的にランダム位相変調された平面光が、被測定物１６を透過して散乱され、被測定物１６の位相情報を含む物体光が生成される。
【００４１】
物体光は、フーリエ変換光学系１３に入射する。フーリエ変換光学系１３は、物体光を光学的にフーリエ変換する。これにより、物体光は、空間周波数分布に従う光束へと変換される。空間周波数分布に従う光束は、撮像素子１４に投影されて、その強度成分からなる光強度分布画像が生成する。ここで得られた「光強度分布画像」は、被測定物の空間周波数分布成分とランダム位相変調に起因するホワイトノイズ成分と被測定物の回折に起因する自己干渉成分が含まれている自己干渉ホログラム画像である。
【００４２】
光強度分布画像は、撮像素子１４によって撮像される。例えば図５に示されるような撮像された光強度分布画像は、撮像素子１４から演算部１５に対して出力される。
【００４３】
演算部１５は、撮像された光強度分布画像から被測定物１６の位相情報を演算し、その位相情報から被測定物１６の三次元形状を算出する。
【００４４】
具体的には、図４に示されるように、演算部１５は、記憶部１５ａと、位相像算出部１５ｂと、相互相関画像算出部１５ｃと、疑似位相遅延画像算出部１５ｄと、特異点解消部１５ｅと、三次元形状算出部１５ｆとを有する。
【００４５】
記憶部１５ａは、被測定物１６が設置されていない状態で撮像された光強度分布画像と、被測定物１６が設置された状態で撮像された光強度分布画像とを記憶する。記憶部１５ａは、例えば、被測定物１６が設置されていない状態で撮像された光強度分布画像を記憶する基準画像記憶部１５ａ１と、被測定物１６が設置された状態で撮像された光強度分布画像を記憶する測定画像記憶部１５ａ２とを有していてもよい。なお、基準画像として、特定の変化の前の被測定物１６が設置された状態で撮像された光強度分布画像を用いることもできる。
【００４６】
位相像算出部１５ｂは、被測定物１６が設置されていない状態で撮像された光強度分布画像である基準画像から位相回復した基準位相像を算出する。また被測定物１６が設置された状態で撮像された光強度分布画像である測定画像から位相回復した測定位相像を算出する。位相回復の方法としては、例えば、光強度分布画像から複素空間データに拡張した後に、複素空間データの実数部の一部を０に強制し、その後、デジタル逆フーリエ変換することにより位相を回復させることができる。ここに示した位相回復法は一例示であり、本発明は、これに限定されるものではない。本発明においては、収束演算を利用した反復的位相回復法を用いることもできる。
【００４７】
相互相関画像算出部１５ｃは、基準位相像と測定位相像との相互相関関数を計算することにより相互相関画像を算出する。具体的には、相互相関画像算出部１５ｃは、位相回復された基準位相像を虚部にもち実部を定数に正規化した複素画像をデジタルフーリエ変換することにより第１のフーリエ複素画像を得る。位相回復された測定位相像を虚部にもち実部を定数に正規化した複素画像をデジタルフーリエ変換して第２のフーリエ複素画像を得る。第１のフーリエ複素画像と第２のフーリエ複素画像との各要素の積をとって、デジタル逆フーリエ変換することにより相互相関画像を算出する。なお、相互相関関数を計算する前にオプショナルな低周波画像フィルター処理を加えてもよい。
【００４８】
疑似位相遅延画像算出部１５ｄは、相互相関画像の各要素の値と相互相関画像のピーク値との差に従って疑似位相遅延画像を算出する。具体的には、疑似位相遅延画像算出部１５ｄは、相互相関画像の各画素の値と相互相関画像のピーク値との差をとった画像の各画素の逆余弦が被測定物１６の擬似位相遅延画像を与える。擬似位相遅延画像は、−πから＋πの間に折り込まれている。このため、擬似位相遅延画像には不連続な特異点がある。
【００４９】
特異点解消部１５ｅは、位相アンラッピング処理を行うことにより、疑似位相遅延画像の各要素の隣接画素データから特異点を解消し、位相遅延画像を求める。ここで行う位相アンラッピング処理は、イメージホログラフィーや干渉型合成開口レーダーで行われている位相アンラッピング処理と同様である。位相アンラッピング処理の具体例としては、例えば、ブランチカット法（Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ  ｅｔ  ａｌ．，１９８８）やＣＮ−ＭＬ法（Ｈｉｒａｍａｔｓｕ，１９９２）等が知られている。
【００５０】
三次元形状算出部１５ｆは、位相遅延画像から被測定物１６の三次元形状を算出する。具体的には、被測定物１６が浸漬している液体の屈折率の情報等を考慮した位相遅延情報から厚さ情報への換算処理を行う。
【００５１】
以上説明したように、三次元形状測定装置１では、コヒーレント光を二次元的にランダム位相変調するランダム位相変調光学系が設けられており、被測定物１６に対して、ランダム位相変調された低コヒーレントな平面光が入射する。このため、二次元位相変調信号に被測定物１６の二次元位相遅延情報が付加された位相分布をもつ物体光が、フーリエ変換光学系１３により自己干渉ホログラムとして撮像素子１４に投影され、光強度分布画像として記録される。従って、デジタルホログラフィック顕微鏡やイメージホログラフィーでは必須となっていた参照光は不要である。よって、干渉計を設ける必要がない。従って、三次元形状測定装置１では、光学系の構成を単純にすることができる。三次元形状測定装置１では、光学系の構成が単純であるため、測定に対する振動や空気の揺らぎの影響が小さく、高精度な三次元形状の測定が可能となる。また、相互相関関数を求める処理を基本としているため、基準画像を記録したときと測定画像を記録したときとで微小な位置ずれがあっても問題にならない。このため、沢山のウェルを巡回するようなアプリケーションも可能である。
【００５２】
このように、三次元形状測定装置１は、非常に単純な光学系を有するものでありながら、１枚の画像から被測定物の位相遅延分布画像を求めることができ、被測定物の微小変位や３次元形状を非接触でリアルタイムに測定することができる。
【００５３】
以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
【００５４】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態におけるランダム位相変調光学系の略図的構成図である。
【００５５】
図６に示されるように、ランダム位相変調光学系１１は、コヒーレント光源１０側からこの順番で配された、グレイスケール画像が印刷された透光板１１ｆと、コンデンサーレンズ１１ｇと、空間フィルター１１ｈとを有していてもよい。透光板１１ｅに印刷されたグレイスケール画像は、欲するランダム位相光源の特徴を示す複素画像データからデジタル逆フーリエ変換等の技術を利用して逆算推定することにより得られたものであることが好ましい。
【００５６】
（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態における三次元形状測定装置の略図的構成図である。
【００５７】
図７に示されるように、三次元形状測定装置は、ビームスプリッタ１７等を有する屈折光学系を有していてもよい。
【００５８】
（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態における三次元形状測定装置の略図的構成図である。図８に示されるように、コヒーレント光源１０は、第１の波長のコヒーレント光を出射する光源１０ａと、第２の波長のコヒーレント光を出射する光源１０ｂと、第３の波長のコヒーレント光を出射する光源１０ｃとを含んでいてもよい。その場合、演算部１５は、以下のように構成されていることが好ましい。記憶部１５ａは、第１〜第３の波長のそれぞれの光強度分布画像及び光強度分布画像を記憶する。位相像算出部１５ｂは、第１〜第３の波長のそれぞれの回復された基準位相像と位相が回復された測定位相像を算出する。相互相関画像算出部１５ｃは、第１〜第３の波長のそれぞれの相互相関画像を算出する。疑似位相遅延画像算出部１５ｄは、第１〜第３の波長のそれぞれの疑似位相遅延画像を算出する。特異点解消部１５ｅは、第１の波長の疑似位相遅延画像φ１、第２の波長の疑似位相遅延画像φ２及び第３の波長の疑似位相遅延画像φ３から、下記の式（１）〜（４）に基づいて、第１の合成波長Λ１２の疑似位相遅延画像Φ１２と第２の合成波長Λ２３の疑似位相遅延画像Φ２３とを算出し、疑似位相遅延画像Φ１２及び疑似位相遅延画像Φ２３の各要素の隣接画素データから特異点を解消し、位相遅延画像を求める。
【００５９】
Φ１２＝（φ２／２π＋ｍ１）・（λ２／２）  ………  （１）
ｍ１＝Ｒｏｕｎｄ［（λ２・φ２−λ１・φ１）／２π（λ１−λ２）］  ………  （２）
Φ２３＝（φ３／２π＋ｍ２）・（λ３／２）  ………  （３）
ｍ２＝Ｒｏｕｎｄ［（λ３・φ３−λ２φ２）／２π（λ２−λ３）］  ………  （４）
【００６０】
なお、第１の合成波長Λ１２および第２の合成波長Λ２３は、それぞれ、Λ１２＝λ１・λ２／｜λ１−λ２｜ ，  Λ２３＝λ２・λ３／｜λ２−λ３｜  として表される合成された波長である。
【００６１】
ところで、単一の波長の光のみを用いて被測定物の三次元形状を測定することも考えられる。しかしながら、定量位相差は２π毎の周期性をもつため、擬似位相画像には不連続な特異点が多数存在する。このため、被測定物の厚みが数ミクロン程度と比較的小さい場合には周囲の状況から特異点周期ずれを正しく補正して精密な定量位相画像の測定が行えるものの、被測定物の厚みが数十ミクロン程度と比較的大きい場合には、疑似位相遅延画像に特異点が多すぎるため、疑似位相遅延画像から正しい定量位相画像を得ることは難しい。
【００６２】
ここで、本実施形態の三次元形状測定装置では、被測定物Ｓの三次元形状の測定に、波長の異なる３つの光を用いる。波長の異なる複数の光では、不連続な特異点の存在態様が異なる。よって、被測定物Ｓの厚みが数十ミクロン程度と比較的大きい場合などにおいても、複数の波長における位相情報を用いて被測定物Ｓの三次元形状を高精度に測定することができる。
【００６３】
具体的には、λ１＝６１０ｎｍの単色での測定において、特異点を含まずに測れる遅延光路長の範囲は、四分の一波長である１５０ｎｍ程度である。しかしながら、λ１＝６１０ｎｍの光とλ２＝５４０ｎｍの光とを用いた場合は、隣接画素間で４．７μｍの光路差の変位が特異点なしに許容される。
【００６４】
また、λ２＝５４０ｎｍの光と、λ３＝４５０ｎｍの光とを使うと、二色のうねり波長である２．７μｍの変位が隣接画素間で特異点なしに許容される光路差変位量となる。このふたつの擬似遅延光路長画像の特異点が同時に同じ場所に現れるのは、隣接画素間での光路差変位量が６．３５μｍを越える場合である。二十周期程度の特異点ならば、従来既知の手法により周辺の厚み状況からの類推により特異点に正しい厚みから合成波長の何周期分のズレがあるかを類推できる。したがって、λ１＝６１０ｎｍの光と、λ２＝５４０ｎｍの光と、λ３＝４５０ｎｍの光とを用いることで、隣接画素間で１２０μｍ程度の光路差変位まで測定できるようになる。
【符号の説明】
【００６５】
１…三次元形状測定装置
１０…コヒーレント光源
１１…ランダム位相変調光学系
１１ａ〜１１ｃ…透明基板
１１ｄ…窓
１１ｅ…誘電体層
１１ｆ…グレイスケール画像が印刷された透光板
１１ｇ…コンデンサーレンズ
１１ｈ…空間フィルター
１２…設置台
１３…フーリエ変換光学系
１４…撮像素子
１５…演算部
１５ａ…記憶部
１５ａ１…基準画像記憶部
１５ａ２…測定画像記憶部
１５ｂ…位相像算出部
１５ｃ…相互相関画像算出部
１５ｄ…疑似位相遅延画像算出部
１５ｅ…特異点解消部
１５ｆ…三次元形状算出部
１６…被測定物
１７…ビームスプリッタ
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図５】
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