(57)【要約】  本発明に係る複素振幅情報計測装置（１０）は、計測対象（１００）からの物体光の光学的距離を互いに異ならせる画素群と、前記画素群を通過あるいは反射した物体光を一度に撮影することによって前記計測対象の強度情報を取得する撮像素子を搭載するカメラ（１５）と、前記強度情報から計測対象（１００）の位相情報を求めるコンピュータ（１６）と、を備える。
2014171256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象からの物体光の光学的距離を互いに異ならせる複数の画素群と、
前記画素群を通過あるいは反射した物体光を一度に撮影することによって前記計測対象の強度情報を取得する撮像素子と、
前記強度情報から前記計測対象の位相情報を求める位相情報演算手段と、を備えることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記位相情報演算手段は、
前記強度情報から各画素群を通過あるいは反射した物体光を撮影することによって取得されたピクセルを抽出して、各画素群に対応する抽出データを生成する抽出手段と、
前記各抽出データに対して画素補間を行うことにより、補間データを生成する補間手段と、
前記各補間データから前記位相情報を求める算出手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記位相情報演算手段は、
前記強度情報に含まれるピクセルの任意の組み合わせから前記位相情報を求める算出手段を有することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記算出手段は、強度輸送方程式に基づき前記位相情報を求めることを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
【請求項５】
前記算出手段は、フーリエ変換に基づき前記位相情報を求めることを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
【請求項６】
前記各画素群は、前記計測対象からの空間的距離が互いに異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、
前記計測対象からの物体光を直線偏光に変換する偏光子と、
入射光の振動方向によって屈折率が異なり、前記偏光子を透過した光を互いに直交する直線偏光成分に分離する波長板と、
前記直線偏光成分の遅軸成分のみを透過させる第１の領域、および前記直線偏光成分の速軸成分のみを透過させる第２の領域を有する微小偏光子アレイと、を備え、
前記画素群は、第１の画素群と第２の画素群とからなり、
前記第１の領域は、前記第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、前記第２の領域は、前記第２の画素群を構成する画素と重なり合っていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、屈折率の互いに異なる複数の領域を有する複数の屈折率を持つアレイを備え、
前記各領域は、前記各画素群と重なり合っていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
前記領域のうち、最も屈折率の低い領域が空洞領域であることを特徴とする請求項８に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記物体光は直線偏光であり、
前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、
入射光の振動方向によって屈折率が異なり、前記直線偏光を互いに直交する直線偏光成分に分離する波長板と、
前記直線偏光成分の遅軸成分のみを透過させる第１の領域、および前記直線偏光成分の速軸成分のみを透過させる第２の領域を有する微小偏光子アレイと、を備え、
前記画素群は、第１の画素群と第２の画素群とからなり、
前記第１の領域は、前記第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、前記第２の領域は、前記第２の画素群を構成する画素と重なり合っていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１１】
前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、
前記計測対象からの物体光を直線偏光に変換する偏光子と、
入射光の振動方向によって屈折率が異なり第１の振動方向の直線偏光成分の屈折率が最大となる第１の領域、および入射光の振動方向によって屈折率が異なり第１の振動方向と異なる第２の振動方向の直線偏光成分の屈折率が最大となる第２の領域を有する波長板アレイと、を備え、
前記画素群は、第１の画素群と第２の画素群とからなり、
前記第１の領域は、前記第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、前記第２の領域は、前記第２の画素群を構成する画素と重なり合っていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１２】
前記物体光は直線偏光であり、
前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、
入射光の振動方向によって屈折率が異なり第１の振動方向の直線偏光成分の屈折率が最大となる第１の波長板、および入射光の振動方向によって屈折率が異なり第１の振動方向と異なる第２の振動方向の直線偏光成分の屈折率が最大となる第２の波長板を有する波長板アレイを備え、
前記画素群は、第１の画素群と第２の画素群とからなり、
前記第１の波長板は、前記第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、前記第２の波長板は、前記第２の画素群を構成する画素と重なり合っていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の複素振幅情報を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の工業や産業の発展に伴い、より高精度、高速な計測技術が求められている。これを実現するために、高感度性、並列処理性、などの各種特長を持つ光計測技術が不可欠となっている。【０００３】
物体の動きや微小な形状の変化などの高速現象を観察する最も簡単な方法として、高速度カメラで直接撮影する方法がある。しかし、それらの物体情報を計測するためには複素振幅情報、すなわち、明るさ情報（強度情報）だけでなく位相情報も必要である。高速度カメラによる方法では、物体の強度情報しか記録できず、また、透明な物体には適用できないという問題がある。【０００４】
この問題点を解決する方法として、特許文献１ならびに非特許文献１では、干渉計測法による光計測技術が開示されている。これまでに種々の干渉計測法が提案されているが、その一例として、ホログラフィ装置を用いた光学系を図２９に示す。【０００５】
図２９に示すホログラフィ装置５０では、レーザー光源５１から出射されたレーザー光を、ビームスプリッタ５２で物体を照射するための光（物体光）と参照光とに分離する。物体光は対物レンズ５３ａ、レンズ５４ａ、ミラー５５ａを介して計測対象１００に照射され、計測対象１００からの反射光はビームスプリッタ５６を介してカメラ５７に入射する。一方、参照光は、計測対象１００が存在しない経路、具体的には、ミラー５５ｂ、対物レンズ５３ｂ、レンズ５４ｂ、ミラー５５ｃおよびビームスプリッタ５６を介してカメラ５７に入射する。これにより、カメラ５７では、参照光と物体光との干渉縞が撮影され、当該干渉縞に基づいて計算機が既定の計算を行なうことで計測対象１００の複素振幅情報（強度情報と位相情報）が得られる。【０００６】
しかし、干渉計測法では、光の干渉を利用しているため、
・用いる光学素子が多く、高い設置精度が要求されるため光学系が複雑になる
・光学系のサイズが大きくなる
・レーザー光源などのコヒーレント光源を必要とする
・記録環境（振動や温度変化など）の影響を受けやすい
といった問題がある。【０００７】
これに対し、非特許文献２では、光の干渉を利用せずに、複数回の撮影によって得られた強度情報から複素振幅情報を計算する方法が開示されている。当該方法を用いた計測装置を図３０に示す。【０００８】
図３０に示す計測装置６０では、光源６１からの出射光を、対物レンズ６２、レンズ６３、ミラー６４を介して計測対象１００に照射し、計測対象１００からの反射光をカメラ６５に入射させる。カメラ６５は反射光の伝播方向に沿って移動する微動ステージ７０に設けられている。微動ステージ７０を移動させながらカメラ６５によって複数回、計測対象１００を撮影することにより、計測対象１００の光学的距離（光路長）の異なる複数の強度情報が得られる。さらに、強度輸送方程式（Transport of Intensity Equation：ＴＩＥ）を用いて、これらの強度情報の変化から、計測対象１００の位相情報を算出する。これにより、計測対象１００の複素振幅情報を計測することができる。【０００９】
計測装置６０は、図２９に示すホログラフィ装置５０に比べ、
・光学系が簡単である
・光の干渉を利用しないため、記録環境（振動など）の影響を受けにくい
・コヒーレント光源を必要としないため、自発光する物体（蛍光物体など）も計測可能である
といった利点を有する。このような計測方法は、例えば、電子顕微鏡の分野において用いられている。その場合、電子顕微鏡は、複数の観測面において電子波の強度を計測し、電子波の伝播の法則を満足するように位相を決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許４２９４５２６号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】J. W. Goodman 等、「DIGITAL IMAGE FORMATION FROM ELECTRONICALLY DETECTED HOLOGRAMS」、Appl. Phys. Lett. 、１１巻、p.77-79 、１９６７年
【非特許文献２】M. R. Teague、「Deterministic phase retrieval: a Green's function solution」、 J. Opt. Soc. Am.、７３巻、１１号、p.1434-1441 、１９８３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、図３０に示す計測装置６０では、計測対象１００の位相情報を得るために複数回の撮影を必要とするため、瞬時に動く、または瞬時に形状変化する物体の複素振幅情報を取得することが不可能である。現実は、ほとんど変化のない、静止する物体の観察に応用される。【００１３】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、動く物体、または形状変化する物体などの複素振幅情報（強度情報と位相情報）を計測可能な計測装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る複素振幅情報計測装置は、上記課題を解決するためになされたものであり、計測対象からの物体光の光学的距離を互いに異ならせる画素群と、前記画素群を通過あるいは反射した物体光を一度に撮影することによって前記計測対象の光学的距離の異なった強度情報を一度に取得する撮像素子と、前記強度情報から前記計測対象の位相情報を求める位相情報演算手段と、を備えることを特徴とする。【００１５】
このような構成によれば、複素振幅情報計測装置は、計測対象からの光学的距離を互いに異ならせる画素群を有するので、一度の撮影によって、光学的距離の異なる複数の強度情報に相当するデータを得ることができる。よって、これらのデータに対して、例えば強度輸送方程式を用いて位相情報を算出することにより、計測対象の複素振幅情報を計測することができる。従来の計測装置のように複数回の撮影を必要としないので、動く物体、形状の変化する物体等の複素振幅情報を計測することができる。【００１６】
また、上記計測装置において、前記位相情報演算手段は、前記強度情報から各画素群を通過あるいは反射した物体光を撮影することによって取得されたピクセルを抽出して、各画素群に対応する抽出データを生成する抽出手段と、前記各抽出データに対して画素補間を行うことにより、補間データを生成する補間手段と、前記各補間データから前記位相情報を求める算出手段と、を有する構成としてもよい。【００１７】
また、上記計測装置において、前記位相情報演算手段は、前記強度情報に含まれるピクセルの任意の組み合わせから前記位相情報を求める算出手段を有する構成としてもよい。【００１８】
また、上記計測装置において、前記算出手段は、強度輸送方程式に基づき前記位相情報を求める構成としてもよい。【００１９】
また、上記計測装置において、前記算出手段は、フーリエ変換に基づき前記位相情報を求める構成としてもよい。【００２０】
また、上記計測装置において、前記各画素群は、前記計測対象からの空間的距離が互いに異なる構成としてもよい。【００２１】
また、上記計測装置において、前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、前記計測対象からの物体光を直線偏光に変換する偏光子と、入射光の振動方向によって屈折率が異なり、前記偏光子を透過した光を互いに直交する直線偏光成分に分離する波長板と、前記直線偏光成分の遅軸成分のみを透過させる第１の領域、および前記直線偏光成分の速軸成分のみを透過させる第２の領域を有する微小偏光子アレイと、を備え、前記画素群は、第１の画素群と第２の画素群とからなり、前記第１の領域は、前記第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、前記第２の領域は、前記第２の画素群を構成する画素と重なり合っている構成としてもよい。【００２２】
また、上記計測装置において、前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、屈折率の互いに異なる複数の領域を有する複数の屈折率アレイを備え、前記各領域は、前記各画素群と重なり合っている構成としてもよい。【００２３】
また、上記計測装置において、前記領域のうち、最も屈折率の低い領域が空洞領域である構成としてもよい。【００２４】
また、上記計測装置において、前記物体光は直線偏光であり、前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、入射光の振動方向によって屈折率が異なり、前記直線偏光を互いに直交する直線偏光成分に分離する波長板と、前記直線偏光成分の遅軸成分のみを透過させる第１の領域、および前記直線偏光成分の速軸成分のみを透過させる第２の領域を有する微小偏光子アレイと、を備え、前記画素群は、第１の画素群と第２の画素群とからなり、前記第１の領域は、前記第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、前記第２の領域は、前記第２の画素群を構成する画素と重なり合っている構成としてもよい。【００２５】
また、上記計測装置において、前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、前記計測対象からの物体光を直線偏光に変換する偏光子と、入射光の振動方向によって屈折率が異なり第１の振動方向の直線偏光成分の屈折率が最大となる第１の領域、および入射光の振動方向によって屈折率が異なり第１の振動方向と異なる第２の振動方向の直線偏光成分の屈折率が最大となる第２の領域を有する波長板アレイと、を備え、前記画素群は、第１の画素群と第２の画素群とからなり、前記第１の領域は、前記第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、前記第２の領域は、前記第２の画素群を構成する画素と重なり合っている構成としてもよい。【００２６】
また、上記計測装置において、前記物体光は直線偏光であり、前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、入射光の振動方向によって屈折率が異なり第１の振動方向の直線偏光成分の屈折率が最大となる第１の波長板、および入射光の振動方向によって屈折率が異なり第１の振動方向と異なる第２の振動方向の直線偏光成分の屈折率が最大となる第２の波長板を有する波長板アレイを備え、前記画素群は、第１の画素群と第２の画素群とからなり、前記第１の波長板は、前記第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、前記第２の波長板は、前記第２の画素群を構成する画素と重なり合っている構成としてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、動く物体、または形状変化する物体などの複素振幅情報を計測可能な計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態１に係る複素振幅情報計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】カメラの正面図である。
【図３】撮像素子の拡大平面図である。
【図４】撮像素子の一部を示す断面図である。
【図５】撮像素子による一度の撮影によって取得された計測対象の強度情報を示す図である。
【図６】（ａ）は、第１の画素群に対応する抽出データを示す図であり、（ｂ）は、第２の画素群に対応する抽出データを示す図である。
【図７】（ａ）は、第１の画素群に対応する補間データを示す図であり、（ｂ）は、第２の画素群に対応する補間データを示す図である。
【図８】強度輸送方程式による演算を説明するための図である。
【図９】本発明の実施形態１の変形例１に係るカメラの構成を示す断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、偏光子、波長板、微小偏光子アレイ２５４および撮像素子の平面図である。
【図１１】本発明の実施形態１の変形例２に係るカメラの構成を示す断面図である。
【図１２】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、上記変形例２に係る複数の屈折率を持つアレイの平面図および断面図である。
【図１３】本発明の実施形態１の変形例３に係るカメラの構成を示す断面図である。
【図１４】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、上記変形例３に係る複数の屈折率を持つアレイの平面図および断面図である。
【図１５】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態２に係る撮像素子を示す平面図および断面図である。
【図１６】図１５に示す撮像素子による一度の撮影によって取得された計測対象の強度情報を示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、第１〜３の画素群に対応する抽出データを示す図である。
【図１８】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、第１〜３の画素群に対応する補間データを示す図である。
【図１９】強度輸送方程式による演算を説明するための図である。
【図２０】（ａ）および（ｂ）は、抽出データを生成することなく位相情報を求める算出方法を説明するための図である。
【図２１】本発明の実施例１に係る計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２２】本発明の実施例２に係る計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２３】本発明の比較例１に係る計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２４】実施例１、２および比較例１、２において撮影された物体画像および輝度情報である。
【図２５】本発明の実施例３に係る計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２６】本発明の実施例４に係る計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２７】本発明の比較例３に係る計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２８】実施例３、４および比較例３、４において撮影された物体画像および輝度情報である。
【図２９】従来のホログラフィ装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３０】従来の複素振幅情報計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３１】本発明の実施形態１の変形例４に係るカメラの構成を示す断面図である。
【図３２】本発明の実施形態１の変形例５に係るカメラの構成を示す断面図である。
【図３３】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、図３２に示すカメラが有する波長板アレイの平面図、断面図および拡大平面図である。
【図３４】本発明の実施形態１の変形例５に係るカメラの他の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１について添付図面を参照して説明する。
【００３０】
（計測装置の構成）
図１は、実施形態１に係る複素振幅情報計測装置１０の概略構成を示すブロック図である。計測装置１０は、光源１１、対物レンズ１２、レンズ１３、ミラー１４、カメラ１５およびコンピュータ（位相情報演算手段）１６を備えている。
【００３１】
光源１１は、非コヒーレント光を出射する光源である。光源１１からの出射光は、対物レンズ１２、レンズ１３、ミラー１４を介して計測対象１００に照射され、計測対象１００からの反射光（物体光）はカメラ１５に入射する。対物レンズ１２、レンズ１３およびミラー１４は、公知のものを使用することができる。
【００３２】
なお、計測対象１００が自発光する物体である場合は、光源１１、対物レンズ１２、レンズ１３およびミラー１４は不要である。また、光源１１は、コヒーレント光を出射する光源であってもよい。
【００３３】
カメラ１５は、図３０に示す従来の計測装置６０と異なり、固定ステージ２０に設置されている。また、カメラ１５はコンピュータ１６に接続されており、コンピュータ１６は、カメラ１５によって取得された計測対象１００の強度情報（輝度情報、明るさ情報）から、強度輸送方程式に基づく演算処理によって計測対象１００の位相情報を求めることができる。なお、コンピュータ１６をカメラ１５に内蔵させてもよい。
【００３４】
また、カメラ１５は、計測対象１００からの物体光の光学的距離（光路長）を互いに異ならせる複数の画素群と、前記画素群を通過あるいは反射した物体光を一度に撮影することによって計測対象１００の光学的距離（光路長）を互いに異ならせた強度情報を一度に取得する撮像素子（イメージセンサ）を備えた構成である。当該構成の一例を、図２〜図４を参照して説明する。
【００３５】
（撮像素子の構成）
図２は、カメラ１５の正面図である。同図に示すように、カメラ１５の受光面には撮像素子１５１が設けられており、撮像素子１５１上には、アレイ状に整列された複数の画素が配置されている。
【００３６】
図３は、撮像素子１５１の拡大平面図である。撮像素子１５１上の画素は、第１の画素群および第２の画素群の２つの画素群で構成されている。白抜きで示されるＰ１は、第１の画素群を構成する画素を示しており、斜線部で示されるＰ２は、第２の画素群を構成する画素を示している。つまり、図３では、第２の画素群を構成する画素Ｐ２のみが斜線パターンで示されており、撮像素子１５１の縦方向および横方向に、画素Ｐ１と画素Ｐ２とが交互に配置されている。
【００３７】
さらに、第１の画素群と第２の画素群とは、計測対象１００からの光学的距離が互いに異なっている。言い換えると、計測対象１００と各画素Ｐ１との光路長が、計測対象１００と各画素Ｐ２との光路長と異なっている。なお、各画素Ｐ１同士は、計測対象１００からの光学的距離が互いに等しく、各画素Ｐ２同士も、計測対象１００からの光学的距離が互いに等しい。
【００３８】
図４は、撮像素子１５１の一部を示す断面図である。図中左方向が計測対象１００側の方向である。各画素Ｐ１と各画素Ｐ２との間には、距離ｄの段差が設けられている。各画素Ｐ１の段差の部分は空気と光速が異なる材料で構成されている。従って、各画素Ｐ１を通ってくる光と各画素Ｐ２を通ってくる光とは透過時間が異なる。すなわち、各画素Ｐ１と各画素Ｐ２とは、計測対象１００からの等価的な空間的距離が互いに異なるため、計測対象１００からの光学的距離も互いに異なる。よって、第１の画素群と第２の画素群とで、計測対象１００からの光学的距離を異ならせることができる。ここでは、撮像素子に段差が設けられているが、平坦な撮像素子の画素に対応して段差を設けたアレイ素子を構成しても良い。
【００３９】
このように、カメラ１５は、計測対象１００からの光学的距離を互いに異ならせる２つの画素群を有している。これにより、１回のみの撮影によって光学的距離が互いに異なった２つの画像を同時取得することができ、コンピュータ１６は、計測対象１００の２種類の強度情報から、計測対象１００の位相情報を求めることができる。以下、コンピュータ１６の演算処理について説明する。
【００４０】
（コンピュータによる処理）
コンピュータ１６は、カメラ１５の撮像素子１５１によって撮影された画像データを処理するものであり、汎用の計算機で構成することができる。図１に示すように、コンピュータ１６は、抽出部（抽出手段）１６１、補間部（補間手段）１６２および算出部（算出手段）１６３を備えている。これらの各部は、プログラムをコンピュータ１６に実行させることによって実現される機能ブロックである。なお、上記各部をハードウェアによって実現してもよい。
【００４１】
図５は、撮像素子１５１による一度の撮影によって取得された計測対象１００の強度情報を示している。強度情報を構成する各ピクセルはそれぞれ、撮像素子１５１の各画素に対応しており、第１の画素群Ｐ１によって取得されたピクセルＢ１と第２の画素群Ｐ２によって取得されたピクセルＢ２とは、異なるパターンで示されている。
【００４２】
カメラ１５から上記の強度情報がコンピュータ１６に送信されると、コンピュータ１６の抽出部１６１は、強度情報からピクセルＢ１のみを抽出したデータ（抽出データＤ１ａ）と、ピクセルＢ２のみを抽出したデータ（抽出データＤ２ａ）とを生成する。図６（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、抽出データＤ１ａおよび抽出データＤ２ａを示している。
【００４３】
続いて、コンピュータ１６の補間部１６２は、抽出データＤ１ａ・Ｄ２ａのデータが欠落している画素（図６（ａ）および（ｂ）において白抜きで表示）に対して画素補間を行うことにより、補間データＤ１ｂ・Ｄ２ｂを生成する。図７（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、補間データＤ１ｂおよび補間データＤ２ｂを示している。ここで、補間は欠落した画素の近傍の画素から算出するなどの方法で行うことができる。
【００４４】
補間データＤ１ｂは、第１の画素群によって取得された強度情報から生成されたものである。そのため、補間データＤ１ｂは、平坦な撮像面を有する撮像素子が第１の画素群と計測対象１００との光学的距離を介して取得した計測対象１００の強度情報に近似する。同様に、補間データＤ２ｂは、第２の画素群によって取得された強度情報から生成されたものであるため、平坦な撮像面を有する撮像素子が第２の画素群と計測対象１００との光学的距離を介して取得した計測対象１００の強度情報に近似する。このように、計測対象１００からの光学的距離の異なる２つの強度情報に相当するデータを、一度の撮影（シングルショット）によって得ることができる。
【００４５】
続いて、コンピュータ１６の算出部１６３は、補間データＤ１ｂ・Ｄ２ｂから、強度輸送方程式（ＴＩＥ）に基づき計測対象１００の位相情報を算出する。これにより、本実施形態に係る計測装置１０は、計測対象１００の複素振幅情報を計測することができる。
【００４６】
ここで、〔背景技術〕において説明したように、図３０に示す従来の計測装置６０においても、計測対象１００の光学的距離の異なる複数の強度情報から強度輸送方程式に基づいて計測対象１００の位相情報を算出していた。しかし、計測装置６０では、光学的距離の異なる複数の強度情報を得るために、カメラ６５を移動させながら計測対象１００を複数回撮影する必要があった。そのため、計測装置６０では、動く物体や変形する物体等の複素振幅情報を取得することが不可能であった。
【００４７】
これに対し、本実施形態に係る計測装置１０では、計測対象１００の光学的距離の異なる複数の強度情報に相当するデータを一度の撮影によって得ることができるので、一度の撮影によって計測対象１００の複素振幅情報を計測することができる。したがって、計測装置１０は、動く物体や変形する物体等の複素振幅情報の計測にも適用することができる。
【００４８】
（強度輸送方程式に基づく演算）
以下、強度輸送方程式について説明する。強度輸送方程式とは、以下の式１に示すような強度の伝播に関する方程式である。
【００４９】
【数１】
2014171256.tif 000003
【００５０】
ここで、Ｉｚ(ｘ，ｙ)は物体光の強度分布（強度情報）、φｚ（ｘ，ｙ) は物体光の位相分布（位相情報）である。ｋ＝２π／λであり、λは波長である。▽はｘｙ平面内の２次元ベクトル微分演算子である。この微分方程式から、計測面における物体光の強度と、その波の伝播方向における微分値が既知であれば、計測面における位相を求めることが可能である。
【００５１】
強度輸送方程式を適用するには物体（計測面）における強度と、物体光の伝播方向における微分値が必要となる。この微分値は、計測対象からの光学的距離の異なる計測面における物体光の差分で近似することができる。
【００５２】
次に、強度輸送方程式の右辺の微分について説明する。
【００５３】
図８に示すように、座標（０，０，ｚ）にある計測対象の計測面１の強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０）と、座標（０，０，ｚ＋ｄ）にある同一の計測対象の計測面２の強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０＋ｄ）を測定する。なお、図７（ａ）に示す補間データＤ１ｂは、強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０）に近似し、図７（ｂ）に示す補間データＤ２ｂは、強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０＋ｄ）に近似する。
【００５４】
強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０＋ｄ）をテーラー展開すると、以下の式２のようになる。
【００５５】
【数２】
2014171256.tif 000004
【００５６】
以下の式３に示すように、計測面１での強度微分を計測面１及び計測面２の強度の差分で近似する。
【００５７】
【数３】
2014171256.tif 000005
【００５８】
以上より、Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０）及び微分∂Ｉ／∂ｚが既知であれば、式１の強度輸送方程式により、計測対象の位相情報を計算できる。これにより、計測対象の複素振幅を計測できる。
【００５９】
（撮像素子の変形例）
上述の撮像素子１５１では、図４に示すように、画素Ｐ１と画素Ｐ２との間に段差を設け、各画素Ｐ１および各画素Ｐ２の計測対象からの空間的距離を異ならせることにより、第１の画素群と第２の画素群とで、計測対象からの光学的距離を異ならせていた。以下では、計測対象からの空間的距離が互いに等しい画素を有する撮像素子、すなわち、平坦な撮像面を有する撮像素子を用いた変形例について説明する。
【００６０】
（変形例１）
図９は、本実施形態の変形例１に係るカメラ２５の構成を示す断面図である。カメラ２５は、撮像素子２５１、偏光子２５２、波長板２５３および微小偏光子アレイ２５４を備えている。
【００６１】
撮像素子２５１は、平坦な撮像面を有している。すなわち、偏光子２５２、波長板２５３および微小偏光子アレイ２５４がない場合は、撮像素子２５１の各画素は、計測対象からの空間的距離が互いに等しい。
【００６２】
偏光子２５２、波長板２５３および微小偏光子アレイ２５４は、撮像素子２５１上に積み重ねられており、計測対象からの光（物体光）の伝播方向に沿って、偏光子２５２、波長板２５３、微小偏光子アレイ２５４の順に配置されている。
【００６３】
図１０（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、偏光子２５２、波長板２５３、微小偏光子アレイ２５４および撮像素子２５１の平面図である。偏光子２５２は、物体光を直線偏光に変換する素子である。波長板２５３は、偏光子２５２を透過した光の振動方向によって屈折率の異なる素子であり、遅軸成分の屈折率はｎ１であり、速軸成分の屈折率はｎ２である（ｎ１＞ｎ２）。これにより、波長板２５３に入射した直線偏光は、互いに直交する直線偏光成分に分離される。
【００６４】
微小偏光子アレイ２５４は、遅軸成分のみを透過させる領域Ｒ１と、速軸成分のみを透過させる領域Ｒ２とを有する偏光フィルタである。領域Ｒ１と領域Ｒ２とは、微小偏光子アレイ２５４の縦方向および横方向に交互に配置されている。領域Ｒ１は、撮像素子２５１の第１の画素群を構成する画素Ｐ１と重なり合っており、領域Ｒ２は、撮像素子２５１の第２の画素群を構成する画素Ｐ２と重なり合っている。そのため、第１の画素群には、遅軸成分のみが入射し、第２の画素群には、速軸成分のみが入射する。
【００６５】
上記のように、波長板２５３の屈折率が、遅軸成分と速軸成分とで異なっているので、互いに光速が異なる。そのため、撮像素子２５１の撮像面は平坦であるが、第１の画素群と第２の画素群とは、計測対象からの光学的距離が互いに異なることになる。
【００６６】
このように、本変形例１では、平坦な撮像面を有する撮像素子２５１に、偏光子２５２、波長板２５３および微小偏光子アレイ２５４を重ね合わせることにより、第１の画素群と第２の画素群とで、計測対象からの光学的距離を異ならせることができる。よって、カメラ２５で撮影された画像データを、図１に示すコンピュータ１６によって図５〜図７に示す手順で処理することにより、計測対象の光学的距離の異なる２つの強度情報に相当するデータを、一度の撮影によって得ることができる。また、平坦な撮像面を有する一般的な撮像素子を利用できる。
【００６７】
なお、偏光子２５２、波長板２５３および微小偏光子アレイ２５４は、計測対象と撮像素子２５１との間に設けられていればよく、互いに重ね合わせる必要はない。
【００６８】
（変形例２）
図１１は、本実施形態の変形例２に係るカメラ３５の構成を示す断面図である。カメラ３５は、撮像素子３５１および複数の屈折率を持つアレイ３５２を備えている。
【００６９】
撮像素子３５１は、上記の変形例１に係る撮像素子２５１と同一構成である。すなわち、撮像素子３５１の各画素は、計測対象からの空間的距離が互いに等しい。
【００７０】
図１２（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、アレイ３５２の平面図および断面図である。図１２（ａ）に示すように、アレイ３５２は、面方向に屈折率の互いに異なる２つの領域Ｒ１１・Ｒ１２を有しており、領域Ｒ１１と領域Ｒ１２とは、アレイ３５２の縦方向および横方向に交互に配置されている。
【００７１】
図１２（ｂ）に示すように、領域Ｒ１１は屈折率ｎ１の光学媒質Ｍ１で構成されており、領域Ｒ１２は屈折率ｎ２の光学媒質Ｍ２で構成されている（ｎ１＞ｎ２）。よって、光学媒質Ｍ１と光学媒質Ｍ２とは、物体光の伝播方向の厚みが互いに等しいが、領域Ｒ１２の光速よりも領域Ｒ１１の光速の方が遅くなるので、領域Ｒ１１の透過光の光学的距離は、領域Ｒ１２の透過光の光学的距離よりも長くなる。
【００７２】
また、領域Ｒ１１は、撮像素子３５１の第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、領域Ｒ１２は、撮像素子３５１の第２の画素群を構成する画素と重なり合っている。そのため、撮像素子３５１の第１の画素群と第２の画素群とは、計測対象からの光学的距離が互いに異なる。
【００７３】
このように、本変形例２においても、平坦な撮像面を有する撮像素子３５１に、アレイ３５２を重ね合わせることにより、第１の画素群と第２の画素群とで、計測対象からの光学的距離を異ならせることができる。なお、アレイ３５２と撮像素子３５１とは離間してもよい。
【００７４】
（変形例３）
図１３は、本実施形態の変形例３に係るカメラ４５の構成を示す断面図である。カメラ４５は、撮像素子４５１および複数の屈折率を持つアレイ４５２を備えている。
【００７５】
撮像素子４５１は、上記の変形例１、２に係る撮像素子２５１・３５１と同一構成である。すなわち、撮像素子４５１の各画素は、計測対象からの空間的距離が互いに等しい。
【００７６】
図１４（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、アレイ４５２の平面図および断面図である。図１４（ａ）に示すように、アレイ４５２は、縦方向および横方向に交互に配置された領域Ｒ２１と領域Ｒ２２とを有している。図１４（ｂ）に示すように、領域Ｒ２１は、屈折率ｎ１の光学媒質Ｍ１で構成されている（ｎ１＞１）。一方、領域Ｒ２２には、空洞領域Ｈが形成されている。よって、領域Ｒ２１の光学的距離は、領域Ｒ２２の光学的距離よりも長くなる。
【００７７】
また、領域Ｒ２１は、撮像素子４５１の第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、領域Ｒ２２は、撮像素子４５１の第２の画素群を構成する画素と重なり合っている。そのため、撮像素子４５１の第１の画素群と第２の画素群とは、計測対象からの光学的距離が互いに異なる。
【００７８】
このように、本変形例３は、変形例２において、複数の屈折率を持つアレイの最も屈折率の低い領域を空洞領域Ｈとした構成である。本変形例３においても、平坦な撮像面を有する撮像素子４５１に、アレイ４５２を重ね合わせることにより、第１の画素群と第２の画素群とで、計測対象からの光学的距離を異ならせることができる。
【００７９】
なお、変形例１〜３では、撮像素子の撮像面が平坦であったが、画素間に段差を設けた撮像素子を用いてもよい。
【００８０】
（変形例４）
図３１は、本実施形態の変形例４に係るカメラ２５’の構成を示す断面図である。カメラ２５’は、撮像素子２５１、波長板２５３および微小偏光子アレイ２５４を備えている。すなわち、カメラ２５’は、図９に示すカメラ２５において、偏光子２５２を省略した構成であり、撮像素子２５１、波長板２５３および微小偏光子アレイ２５４は、それぞれ図１０（ｂ）〜（ｄ）に示すものと同一である。
【００８１】
カメラ２５’は、偏光子を備えていないため、計測対象からの物体光が直線偏光である場合（例えば、図１に示す光源１１がレーザー光源である場合）に用いることができる。当該直線偏光は、波長板２５３において互いに直交する直線偏光成分に分離され、微小偏光子アレイ２５４を透過することにより、第１の画素群には、遅軸成分のみが入射し、第２の画素群には、速軸成分のみが入射する。波長板２５３の屈折率は、遅軸成分と速軸成分とで異なっているため、第１の画素群と第２の画素群とは、計測対象からの光学的距離が互いに異なる。
【００８２】
（変形例５）
図３２は、本実施形態の変形例５に係るカメラ５５の構成を示す断面図である。カメラ５５は、撮像素子５５１、波長板アレイ５５２および偏光板５５３を備えている。撮像素子５５１は、上記の変形例１に係る撮像素子２５１と同一構成である。
【００８３】
図３３（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、波長板アレイ５５２の平面図および断面図である。また、図３３（ｃ）は、図３３（ａ）に示す破線枠部分の拡大平面図である。図３３（ａ）に示すように、波長板アレイ５５２は、２つの領域Ｒ５１・Ｒ５２を有しており、領域Ｒ５１と領域Ｒ５２とは、波長板アレイ５５２の縦方向および横方向に交互に配置されている。また、図３３（ｂ）に示すように、領域Ｒ５１と領域Ｒ５２の物体光の伝播方向の厚みは互いに等しい。
【００８４】
領域Ｒ５１・Ｒ５２はいずれも、入射光の振動方向によって屈折率が異なり、遅軸成分の屈折率が最大（ｎ１）となり、速軸成分の屈折率が最小（ｎ２）となる点で共通する。しかし、図３３（ｃ）に示すように、領域Ｒ５１の速軸および遅軸の向きは、領域Ｒ５２の速軸および遅軸の向きとそれぞれ垂直である。すなわち、領域Ｒ５１は、波長板アレイ５５２の横方向（第１の振動方向）の直線偏光成分の屈折率が最大となり、領域Ｒ５２は、波長板アレイ５５２の縦方向（第２の振動方向）の直線偏光成分の屈折率が最大となる。
【００８５】
よって、例えば、偏光板５５３を透過して垂直偏光となった物体光の振動方向が波長板アレイ５５２の縦方向である場合、領域Ｒ５１の透過光の光学的距離は、領域Ｒ５２の透過光の光学的距離よりも長くなる。
【００８６】
また、領域Ｒ５１は、撮像素子５５１の第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、領域Ｒ５２は、撮像素子５５１の第２の画素群を構成する画素と重なり合っている。そのため、撮像素子５５１の第１の画素群と第２の画素群とは、計測対象からの光学的距離が互いに異なる。
【００８７】
このように、本変形例５においても、平坦な撮像面を有する撮像素子５５１に、波長板アレイ５５２を重ね合わせることにより、第１の画素群と第２の画素群とで、計測対象からの光学的距離を異ならせることができる。なお、波長板アレイ５５２と撮像素子５５１とは離間してもよい。
【００８８】
なお、計測対象からの物体光が直線偏光である場合は、図３４に示すカメラ５５’のように、カメラ５５から偏光板５５３を省略した構成とすることができる。すなわち、カメラ５５’は、撮像素子５５１および波長板アレイ５５２を備え、撮像素子５５１は、上記の変形例１に係る撮像素子２５１と同一構成であり、波長板アレイ５５２は、図３３に示すものと同一構成である。
【００８９】
〔実施形態２〕
上記の実施形態１では、計測対象からの物体光の光学的距離を互いに異ならせる画素群を２つ設ける構成について説明したが、光学的距離を互いに異ならせる画素群の数は３以上であってもよい。本実施形態２では、３つの画素群を用いた形態について説明する。
【００９０】
（撮像素子の構成）
図１５（ａ）および（ｂ）は、撮像素子１５２を示す平面図および断面図である。図１５（ａ）に示すように、撮像素子１５２上の画素は、第１の画素群、第２の画素群および第３の画素群の３つの画素群で構成されており、第１の画素群を構成する画素を「画素Ｐ１」とし、第２の画素群を構成する画素を「画素Ｐ２」とし、第３の画素群を構成する画素を「画素Ｐ３」とする。画素Ｐ１・Ｐ２・Ｐ３は、撮像素子１５２の撮像面に略同数ずつ配置されており、撮像素子１５２の縦方向および横方向に、画素Ｐ１・画素Ｐ２・画素Ｐ３・画素Ｐ１・画素Ｐ２・・・の順に配置されている。
【００９１】
図１５（ｂ）に示すように、各画素Ｐ１と各画素Ｐ２との間、および、各画素Ｐ２と各画素Ｐ３との間には、距離ｄの段差が設けられており、各画素Ｐ１と各画素Ｐ３との間には、距離２ｄの段差が設けられている。このように、画素Ｐ１・Ｐ２・Ｐ３の計測対象からの空間的距離を異ならせることにより、第１〜第３の画素群において、計測対象からの光学的距離を互いに異ならせることができる。
【００９２】
（コンピュータによる演算処理）
図１６は、撮像素子１５２による一度の撮影によって取得された計測対象の強度情報を示している。強度情報を構成する各ピクセルはそれぞれ、撮像素子１５２の各画素に対応しており、第１の画素群によって取得されたピクセルＢ１１と、第２の画素群によって取得されたピクセルＢ１２と、第３の画素群によって取得されたピクセルＢ１３とは、異なるパターンで示されている。この強度情報は、コンピュータにおいて処理され、ピクセルＢ１１のみを抽出したデータ（抽出データＤ１１ａ）と、ピクセルＢ１２のみを抽出したデータ（抽出データＤ１２ａ）と、ピクセルＢ１３のみを抽出したデータ（抽出データＤ１３ａ）とが生成される。図１７（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、抽出データＤ１１ａ、抽出データＤ１２ａおよび抽出データＤ１３ａを示している。
【００９３】
続いて、抽出データＤ１１ａ・Ｄ１２ａ・Ｄ１３ａに対して画素補間を行うことにより、補間データＤ１１ｂ・Ｄ１２ｂ・Ｄ１３ｂが生成される。図１８（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、補間データＤ１１ｂ、補間データＤ１２ｂおよび補間データＤ１３ｂを示している。
【００９４】
補間データＤ１１ｂは、第１の画素群によって取得された強度情報から生成されたものであるため、平坦な撮像面を有する撮像素子が第１の画素群と計測対象との光学的距離を介して取得した計測対象の強度情報に近似する。同様に、補間データＤ１２ｂは、平坦な撮像面を有する撮像素子が第２の画素群と計測対象との光学的距離を介して取得した計測対象の強度情報に近似し、補間データＤ１３ｂは、平坦な撮像面を有する撮像素子が第３の画素群と計測対象との光学的距離を介して取得した計測対象の強度情報に近似する。このように、計測対象からの光学的距離の異なる３つの強度情報に相当するデータを、一度の撮影によって得ることができる。
【００９５】
なお、画素群の数を４以上としてもよいが、画素群の数が多くなるほど、抽出データの欠落が多くなり、補間データを作成する際の補間誤差が大きくなるため、計測精度が低下しやすい。
【００９６】
（強度輸送方程式に基づく演算）
続いて、コンピュータでは、強度輸送方程式（ＴＩＥ）に基づき、補間データＤ１１ｂ・Ｄ１２ｂ・Ｄ１３ｂから、計測対象の位相情報を算出する。以下、具体的な演算を説明する。
【００９７】
図１９に示すように、座標（０，０，ｚ）にある計測対象の計測面１の強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０）と、座標（０，０，ｚ−ｄ）にある同一の計測対象の計測面２の強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０−ｄ）と、座標（０，０，ｚ＋ｄ）にある同一の計測対象の計測面３の強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０＋ｄ）とを測定する。図１８（ａ）に示す補間データＤ１１ｂは、強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０−ｄ）に近似し、図１８（ｂ）に示す補間データＤ１２ｂは、強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０）に近似し、図１８（ｃ）に示す補間データＤ１３ｂは、強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０＋ｄ）に近似する。
【００９８】
強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０＋ｄ）と強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０−ｄ）をそれぞれテーラー展開すると、以下の式４と５のようになる。
【００９９】
【数４】
2014171256.tif 000006
【０１００】
以下の式６に示すように、注目する計測面２での強度微分を計測面１及び３の強度の差分で近似する。
【０１０１】
【数５】
2014171256.tif 000007
【０１０２】
以上より、Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ０）及び微分∂Ｉ／∂ｚが既知であれば、実施形態１において説明した式１の強度輸送方程式により、計測対象の位相情報を計算できる。これにより、計測対象からの光学的距離の異なる３つの画素群を有する撮像素子による一度の撮影によって得られた強度情報から、強度輸送方程式に基づいて、計測対象の複素振幅情報を計測できる。ここでは、各画素Ｐ１と各画素Ｐ２との間、および、各画素Ｐ２と各画素Ｐ３との間には、同じ距離ｄの段差が設けられているが、各画素Ｐ１と各画素Ｐ２との間、および、各画素Ｐ２と各画素Ｐ３との間の距離の段差を変えても同様に成り立つ。
【０１０３】
（他の構成）
本実施形態では、計測対象からの光学的距離が互いに異なる３つの画素群を形成するために、図１５（ｂ）に示すように、画素Ｐ１・Ｐ２・Ｐ３の計測対象からの空間的距離を互いに異ならせていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１４に示す構成において、屈折率の異なる３つの領域を有する複数の屈折率を持つアレイを用いることにより、計測対象からの光学的距離が互いに異なる３つの画素群を形成してもよい。
【０１０４】
〔付記事項〕
以上のように、本発明の実施形態に係る計測装置は、単一の撮像素子を用いて１回の撮影で、計測対象の複素振幅情報を計測することができる。上記計測装置により、物体の瞬間の複素振幅分布、３次元形状を得ることができる。さらに、上記計測装置は、連続して撮影することにより、動く物体の複素振幅分布の変化や、３次元形状の動画像を得ることができる。
【０１０５】
なお、本発明の実施形態に係る計測装置は、図３０に示す従来の計測装置６０が有する利点、すなわち、光学系が簡単である、記録環境（振動など）の影響を受けにくい、自発光する物体も計測可能である、といった利点を併せ持つ。
【０１０６】
上記では、強度輸送方程式を用いて計測対象の位相情報を求めたが、本発明はこれに限定されない。例えば、フーリエ変換に基づいて位相情報を求めてもよい。この場合、計測対象の位相情報φｚ（ｘ，ｙ）は、以下の式７によって求められる。
【０１０７】
【数６】
2014171256.tif 000008
【０１０８】
2014171256.tif 000009
【０１０９】
【数７】
2014171256.tif 000010
【０１１０】
また上記では、図５〜図７に示すように、計測対象の輝度情報から、各画素群に対応する抽出データを生成し、抽出データに対して画素補間を行うことにより補間データを生成し、各保管データから位相情報を求めていたが、輝度情報から抽出データを生成することなく位相情報を求めてもよい。
【０１１１】
図５に示す輝度情報から、抽出データを生成することなく位相情報を求める例について説明する。まず、図５に示す輝度情報の各ピクセルが、図２０（ａ）に示すように、ピクセルＢ１ａ、Ｂ２ａ、Ｂ１ｂ、Ｂ２ｂ、Ｂ１ｃ、・・・の順に配列しているとする。ここで、縦方向に隣接する２つのピクセルの組み合わせ（ピクセルＢ１ａ・Ｂ２ａ、ピクセルＢ２ａ・Ｂ１ｂ、ピクセルＢ１ｂ・Ｂ２ｂ、ピクセルＢ２ｂ・Ｂ１ｃ、・・・）のそれぞれについて、強度輸送方程式に基づき位相情報を求める。
【０１１２】
その結果得られた位相分布を図２０（ｂ）に示す。図２０（ｂ）において、Ｂ１ａ＋Ｂ２ａは、２つのピクセルＢ１ａ・Ｂ２ａから得られた位相分布を示しており、Ｂ２ａ＋Ｂ１ｂは、２つのピクセルＢ２ａ・Ｂ１ｂから得られた位相分布を示している。
【０１１３】
このように、計測対象の輝度情報において、着目ピクセルをずらしながら、着目ピクセルおよび当該着目ピクセルの１つ下に隣接するピクセルについて、強度輸送方程式に基づき位相情報を求めることにより、計測対象の複素振幅情報を得ることができる。
【０１１４】
なお、位相情報を求めるピクセルの組み合わせにおける各ピクセルは、必ずしも隣接するピクセルでなくてもよく、任意のピクセルを組み合わせることができる。また、上記組み合わせにおけるピクセル数は２に限定されず、３以上であってもよい。また、強度輸送方程式の代わりにフーリエ変換を用いて位相情報を求めてもよい。
【０１１５】
本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【０１１６】
本発明に係る計測装置の有効性を確認するために、計算機シミュレーションを行った。また、従来の計測装置によるシミュレーションも比較例として行った。  【０１１７】
（実施例１）
図２１は、実施例１に係る計測装置１１０の概略構成を示すブロック図である。計測装置１１０は、光源１１１、対物レンズ１１２、レンズ１１３・１１４およびカメラ１１５を備えている。計測対象１００は、「ＫＩＴ」の文字が印刷された平板状の物体であり、中心部分がカメラ１１５側に若干湾曲している。【０１１８】
光源１１１としては、波長６３３ｎｍのレーザー光源を使用した。カメラ１１５は、画素数５１２×５１２、画素サイズ２．２μｍの撮像素子を備えており、固定ステージ１１６に設置されている。カメラ１１５として、計測対象１００からの光学的距離の互いに異なる画素群を２つ有する撮像素子を備えるものを使用した。【０１１９】
カメラ１１５によって一度だけ撮影を行い、図示しないコンピュータにおいて、計測対象１００の強度情報から２つの補間データを作成し、強度輸送方程式に基づき計測対象１００の位相情報を求めた。【０１２０】
（実施例２）
図２２は、実施例２に係る計測装置１２０の概略構成を示すブロック図である。計測装置１２０は、実施例１に係る計測装置１１０においてカメラ１１５をカメラ１２５に置き換えた構成である。カメラ１２５は、計測対象１００からの光学的距離の互いに異なる画素群を３つ有する撮像素子を備えている。【０１２１】
カメラ１２５によって一度だけ撮影を行い、図示しないコンピュータにおいて、計測対象１００の強度情報から３つの補間データを作成し、強度輸送方程式に基づき計測対象１００の位相情報を求めた。【０１２２】
（比較例１）
図２３は、比較例１に係る計測装置１３０の概略構成を示すブロック図である。計測装置１３０は、光源１１１、対物レンズ１１２、レンズ１１３・１１４およびカメラ１３５を備えている。カメラ１３５の撮像素子は、各画素の計測対象１００からの光学的距離の互いに等しい従来の撮像素子である。カメラ１３５は、微動ステージ１３６に設置されている。微動ステージ１３６を物体光の伝播方向に沿って移動させながらカメラ１３５によって計測対象１００を２回撮影し、図示しないコンピュータにおいて、計測対象１００の強度情報の変化から、強度輸送方程式に基づき計測対象１００の位相情報を求めた。なお、各撮影における像面の光学的距離の差△Ｚは１ｍｍであった。【０１２３】
（比較例２）
比較例２では、図２３に示す計測装置１３０において、微動ステージ１３６を移動させながらカメラ１３５によって計測対象１００を３回撮影し、図示しないコンピュータにおいて、計測対象１００の強度情報の変化から、強度輸送方程式に基づき計測対象１００の位相情報を求めた。なお、各撮影における撮像面の光学的距離の差△Ｚは１ｍｍであった。【０１２４】
（評価結果１）
図２４は、それぞれ実施例１、２および比較例１、２において撮影された物体画像および輝度情報である。さらに、実施例１、２および比較例１、２に対して、相互相関計算を行った。その結果を表１に示す。【０１２５】
【表１】
2014171256.tif 000011
【０１２６】
表１において、振幅精度および位相精度とは、振幅情報および位相情報の精度を意味し、数値が１に近いほど精度が高い。この結果から、本発明に係る計測装置では、一度の撮影によって、複数回の撮影による計測とほぼ同等の精度の位相情報が得られることが分かる。【０１２７】
（実施例３）
図２５は、実施例３に係る計測装置１１０’の概略構成を示すブロック図である。すなわち、実施例３では、図２１に示す実施例１に係る計測装置１１０において、レンズ１１４を省略した装置を用いた。その他の構成は、実施例１と同様である。【０１２８】
（実施例４）
図２６は、実施例４に係る計測装置１２０’の概略構成を示すブロック図である。すなわち、実施例４では、図２２に示す実施例２に係る計測装置１２０において、レンズ１１４を省略した装置を用いた。その他の構成は、実施例２と同様である。【０１２９】
（比較例３）
図２７は、比較例３に係る計測装置１３０’の概略構成を示すブロック図である。すなわち、比較例３では、図２３に示す比較例１に係る計測装置１３０において、レンズ１１４を省略した装置を用いた。その他の構成は、比較例１と同様であり、微動ステージ１３６を物体光の伝播方向に沿って移動させながらカメラ１３５によって計測対象１００を２回撮影した。さらに、２つの強度情報を利用して、１回目の撮影における撮像面（注目面）の位相情報を計算し、注目面の強度情報と位相情報を利用して、光の逆伝搬の計算により、計測対象の強度情報と位相情報を計算した。なお、計測対象と注目面との距離は５ｍｍであった。【０１３０】
（比較例４）
比較例４では、図２７に示す計測装置１３０’において、微動ステージ１３６を物体光の伝播方向に沿って移動させながらカメラ１３５によって計測対象１００を３回撮影した。さらに、２回目および３回目の２つの強度情報を利用して、１回目の撮影における撮像面（注目面）の位相情報を計算し、注目面の強度情報と位相情報を利用して、光の逆伝搬の計算により、計測対象の強度情報と位相情報を計算した。なお、計測対象と注目面との距離は５ｍｍであった。【０１３１】
（評価結果２）
図２８は、それぞれ実施例３、４および比較例３、４において撮影された物体画像および輝度情報である。さらに、実施例３、４および比較例３、４に対して、相互相関計算を行った。その結果を表２に示す。【０１３２】
【表２】
2014171256.tif 000012
【０１３３】
この結果から、この結果から、本発明に係る計測装置では、一度の撮影によって、複数回の撮影による計測とほぼ同等の精度の位相情報が得られることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
以上のように、本発明によれば、一度の撮影によって物体の複素振幅情報（強度情報と位相情報）を得ることができるので、動く物体に対しても高精度の複素振幅情報（強度情報と位相情報）計測が可能となる。複素振幅情報計測においてより高いＳＮ比を達成することは、生体観察・計測のための生体顕微鏡、部品、製品の工業検査装置、分子変化を観察・計測する電子顕微鏡、粒子・流体などの分布・形状・大きさ・密度の計測装置において重要なファクターである。その結果、創薬、電子顕微鏡の動画計測、製品検査装置および製品製造装置の実現に効果をもたらすものと期待できる。これより、我が国の経済を牽引する製造業界、バイオテクノロジー業界に置いて、国際競争力の高い製品の開発に大きく寄与できると考えられる。
【符号の説明】
【０１３５】
１０  複素振幅情報計測装置（計測装置）
１１  光源
１２  対物レンズ
１３  レンズ
１４  ミラー
１５  カメラ
１６  コンピュータ
２０  固定ステージ
２５  カメラ
２５’  カメラ
３５  カメラ
４５  カメラ
５５  カメラ
５５’  カメラ
１００  計測対象
１５１  撮像素子
１５２  撮像素子
１６１  抽出部
１６２  補間部
１６３  算出部
２５１  撮像素子
２５１  撮像素子
２５２  偏光子
２５３  波長板
２５４  微小偏光子アレイ
３５１  撮像素子
３５２  複数の屈折率を持つアレイ
４５１  撮像素子
４５２  複数の屈折率を持つアレイ
５５１  撮像素子
５５２  波長板アレイ
５５３  偏光板
Ｂ１  ピクセル
Ｂ２  ピクセル
Ｂ１１  ピクセル
Ｂ１２  ピクセル
Ｂ１３  ピクセル
Ｄ１ａ  抽出データ
Ｄ２ａ  抽出データ
Ｄ１ｂ  補間データ
Ｄ２ｂ  補間データ
Ｄ１１ａ  抽出データ
Ｄ１２ａ  抽出データ
Ｄ１３ａ  抽出データ
Ｄ１１ｂ  補間データ
Ｄ１２ｂ  補間データ
Ｄ１３ｂ  補間データ
Ｈ  空洞領域
Ｐ１  画素（第１の画素群を構成する画素）
Ｐ２  画素（第２の画素群を構成する画素）
Ｐ３  画素（第３の画素群を構成する画素）
Ｒ１  領域
Ｒ２  領域
Ｒ１１  領域
Ｒ１２  領域
Ｒ２１  領域
Ｒ２２  領域
Ｒ５１  領域
Ｒ５２  領域
【図１】
2014171256.tif 000013
【図２】
2014171256.tif 000014
【図３】
2014171256.tif 000015
【図４】
2014171256.tif 000016
【図５】
2014171256.tif 000017
【図６】
2014171256.tif 000018
【図７】
2014171256.tif 000019
【図８】
2014171256.tif 000020
【図９】
2014171256.tif 000021
【図１０】
2014171256.tif 000022
【図１１】
2014171256.tif 000023
【図１２】
2014171256.tif 000024
【図１３】
2014171256.tif 000025
【図１４】
2014171256.tif 000026
【図１５】
2014171256.tif 000027
【図１６】
2014171256.tif 000028
【図１７】
2014171256.tif 000029
【図１８】
2014171256.tif 000030
【図１９】
2014171256.tif 000031
【図２０】
2014171256.tif 000032
【図２１】
2014171256.tif 000033
【図２２】
2014171256.tif 000034
【図２３】
2014171256.tif 000035
【図２４】
2014171256.tif 000036
【図２５】
2014171256.tif 000037
【図２６】
2014171256.tif 000038
【図２７】
2014171256.tif 000039
【図２８】
2014171256.tif 000040
【図２９】
2014171256.tif 000041
【図３０】
2014171256.tif 000042
【図３１】
2014171256.tif 000043
【図３２】
2014171256.tif 000044
【図３３】
2014171256.tif 000045
【図３４】
2014171256.tif 000046
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月4日(2014.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象からの物体光の光学的距離を互いに異ならせる複数の画素群と、
前記画素群を通過あるいは反射した物体光を一度に撮影することによって前記計測対象の強度情報を取得する撮像素子と、
前記強度情報から前記計測対象の位相情報を求める位相情報演算手段と、
を備えることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記位相情報演算手段は、
前記強度情報から各画素群を通過あるいは反射した物体光を撮影することによって取得されたピクセル値を抽出して、各画素群に対応する抽出データを生成する抽出手段と、
前記各抽出データに対して画素補間を行うことにより、補間データを生成する補間手段と、
前記各補間データから前記位相情報を求める算出手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記位相情報演算手段は、
前記強度情報に含まれるピクセル値の互いに異なる画素群に対応する組み合わせから前記位相情報を求める算出手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記算出手段は、強度輸送方程式に基づき前記位相情報を求めることを特徴とする請求項２又は３に記載の計測装置。
【請求項５】
前記算出手段は、フーリエ変換に基づき前記位相情報を求めることを特徴とする請求項２又は３に記載の計測装置。
【請求項６】
前記各画素群は、前記計測対象からの空間的距離が互いに異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、
前記計測対象からの物体光を直線偏光に変換する偏光子と、
入射光の振動方向によって屈折率が異なり、前記偏光子を透過した光を互いに直交する直線偏光成分に分離する波長板と、
前記直線偏光成分の遅軸成分のみを透過させる第１の領域、および前記直線偏光成分の速軸成分のみを透過させる第２の領域を有する微小偏光子アレイと、を備え、
前記画素群は、第１の画素群と第２の画素群とからなり、
前記第１の領域は、前記第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、前記第２の領域は、前記第２の画素群を構成する画素と重なり合っていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、屈折率の互いに異なる複数の領域を有する複数の屈折率を持つアレイを備え、
前記各領域は、前記各画素群と重なり合っていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
前記領域のうち、最も屈折率の低い領域が空洞領域であることを特徴とする請求項８に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記物体光は直線偏光であり、
前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、
入射光の振動方向によって屈折率が異なり、前記直線偏光を互いに直交する直線偏光成分に分離する波長板と、
前記直線偏光成分の遅軸成分のみを透過させる第１の領域、および前記直線偏光成分の速軸成分のみを透過させる第２の領域を有する微小偏光子アレイと、を備え、
前記画素群は、第１の画素群と第２の画素群とからなり、
前記第１の領域は、前記第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、前記第２の領域は、前記第２の画素群を構成する画素と重なり合っていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１１】
前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、
前記計測対象からの物体光を直線偏光に変換する偏光子と、
入射光の振動方向によって屈折率が異なり第１の振動方向の直線偏光成分の屈折率が最大となる第１の領域、および入射光の振動方向によって屈折率が異なり第１の振動方向と異なる第２の振動方向の直線偏光成分の屈折率が最大となる第２の領域を有する波長板アレイと、を備え、
前記画素群は、第１の画素群と第２の画素群とからなり、
前記第１の領域は、前記第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、前記第２の領域は、前記第２の画素群を構成する画素と重なり合っていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１２】
前記物体光は直線偏光であり、
前記計測対象と前記撮像素子の撮像面との間に、
入射光の振動方向によって屈折率が異なり第１の振動方向の直線偏光成分の屈折率が最大となる第１の波長板、および入射光の振動方向によって屈折率が異なり第１の振動方向と異なる第２の振動方向の直線偏光成分の屈折率が最大となる第２の波長板を有する波長板アレイを備え、
前記画素群は、第１の画素群と第２の画素群とからなり、
前記第１の波長板は、前記第１の画素群を構成する画素と重なり合っており、前記第２の波長板は、前記第２の画素群を構成する画素と重なり合っていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の計測装置。
【国際調査報告】
2014171256.tif 000047
2014171256.tif 000048
2014171256.tif 000049
2014171256.tif 000050