(57)【要約】  本発明は、透過型と反射型のいずれも実現でき、従来の光学顕微鏡の分解能を超えることができるホログラフィック顕微鏡、高分解能画像用のホログラムデータ取得方法、および高分解能ホログラム画像再生方法を提供する。球面波参照光（Ｒ）を用いてインライン球面波参照光（Ｌ）をホログラム（ＩＬＲ）に記録し、入射方向を変えた照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）で物体を照明し、物体光（Ｏｊ）と照明光（Ｑｊ）を球面波参照光（Ｒ）を用いてホログラム（ＩｊＯＱＲ）に記録する。これらのホログラムから参照光（Ｒ）成分を除去したホログラム（ＪｊＯＱＬ）を生成し、そのホログラムから光波（ｈｊ）を生成する。光波（ｈｊ）から照明光（Ｑｊ）の光波（ｃｊ）を分離し、その位相成分（ξｊ＝ｃｊ／｜ｃｊ｜）によって位相調整再生光波を求めて加算し（ＨＰ＝Σｈｊ／ξｊ）、物体の画像（ＳＰ＝｜ＨＰ｜２）を再生する。【選択図】図１
2015064088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラフィック顕微鏡であって、
物体のホログラムを取得するデータ取得部と、
前記データ取得部によって取得されたホログラムから物体の画像を再生する画像再生部と、を備え、
前記データ取得部は、
光源が放射するコヒーレント光からインライン球面波参照光（Ｌ）、照明光（Ｑ）、およびオフアクシス球面波参照光（Ｒ）を生成し、かつ、これらの光と、前記照明光（Ｑ）によって照明される物体から放たれる物体光（Ｏ）とを伝播させる光学系と、
物体に対する前記照明光（Ｑ）の入射方向を変える角度変更部と、
光強度を電気信号に変換して出力する受光素子と、
前記インライン球面波参照光（Ｌ）と前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである参照光オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）、前記光学系および前記角度変更部によって前記コヒーレント光から構成される入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の異なる照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を照射された物体から放たれる物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）と前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである物体光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）、および前記照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）と前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を前記受光素子を用いてメモリに記録する記録部と、を備え、
前記画像再生部は、
前記各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、前記参照光オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）、前記物体光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＲ，）、および前記照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＱＲ）から、前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）の成分を除去した物体光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ）および照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＱＬ）を生成するインライン化変調部と、
前記各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）において、前記物体光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ）および前記照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＱＬ）の各々から、前記物体光（Ｏｊ）の再生光である物体光再生光波（ｈｊ）と、前記照明光（Ｑｊ）の再生光である照明光再生光波（ｃｊ）と、前記照明光再生光波（ｃｊ）に含まれる位相成分（ξｊ＝ｃｊ／｜ｃｊ｜）と、前記物体光再生光波（ｈｊ）から前記位相成分（ξｊ）を除去した位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）と、を求める光波計算部と、
前記位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を前記各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）について加算して前記任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）における光波である合成光波（ＨＰ＝Σｈｊ／ξｊ）を求めて、前記合成光波（ＨＰ）を用いて、物体の画像（ＳＰ＝｜ＨＰ｜２）を再生する画像計算部と、を備えることを特徴とするホログラフィック顕微鏡。
【請求項２】
前記画像再生部は、前記物体光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ）および前記照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＱＬ）の空間サンプリング間隔を細分化し、細分化によって生じた新たなサンプリング点に対してデータ補間を行って実質的に画素数を増やした物体光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＬ）および照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＱＬ）を生成する画素数増大部を備え、
前記光波計算部は、前記画素数を増やした物体光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＬ）および前記画素数を増やした照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＱＬ）を用いて前記位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を求めることを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック顕微鏡。
【請求項３】
前記画像再生部は、前記物体光（Ｏｊ）と前記照明光（Ｑｊ）とが互いに分離されずに記録されたホログラムから前記照明光（Ｑｊ）の再生光波を分離して生成する照明光分離部を備え、
前記記録部は、前記物体光（Ｏｊ）と前記照明光（Ｑｊ）とが互いに分離されない場合に、前記物体光（Ｏｊ）と前記照明光（Ｑｊ）と前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムを物体光照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＱＲ）としてメモリに記録し、
前記インライン化変調部は、前記参照光オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）および前記物体光照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＱＲ）から、前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）の成分を除去した物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＱＬ）を生成し、
前記照明光分離部は、特定の再生面（ｚ＝ｚＳ）において、前記物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＱＬ）から前記照明光（Ｑｊ）を含んでいる前記物体光（Ｏｊ）の再生光波である物体光再生光波（ｈｊ）を生成し、前記物体光再生光波（ｈｊ）から前記照明光（Ｑｊ）の再生光波である照明光再生光波（ｃｊ）を分離して生成し、
前記光波計算部は、前記照明光分離部が生成した前記物体光再生光波（ｈｊ）および前記照明光再生光波（ｃｊ）の各々を前記特定の再生面（ｚ＝ｚＳ）とは異なる任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）に伝搬させた新たな物体光再生光波（ｈｊ）および照明光再生光波（ｃｊ）を生成し、これらの新たな再生光波を用いて前記位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を求めることを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック顕微鏡。
【請求項４】
前記画像再生部は、前記物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＱＬ）の空間サンプリング間隔を細分化し、細分化によって生じた新たなサンプリング点に対してデータ補間を行って実質的に画素数を増やした物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＱＬ）を生成する画素数増大部を備え、
前記照明光分離部は、前記画素数を増やした物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＱＬ）を用いて前記物体光再生光波（ｈｊ）を求めることを特徴とする請求項３に記載のホログラフィック顕微鏡。
【請求項５】
前記角度変更部は、集光レンズと、前記集光レンズに、その入り口側の開口径よりも大きな径を有する平行光を、該集光レンズの光軸に対して傾いた任意の方向から入射させる反射鏡と、を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のホログラフィック顕微鏡。
【請求項６】
高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法であって、
インライン球面波参照光（Ｌ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである参照光オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）を記録し、
物体に対する入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を変えた照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）によって前記物体を照明し、前記各入射方向毎に、前記物体から放たれる物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）と前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである物体光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）、および前記照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）と前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を記録し、
前記各物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）が局在領域から放射され、前記局在領域と前記インライン球面波参照光（Ｌ）および前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）の各仮想点光源とが互いに近接した条件で、前記各オフアクシスホログラム（ＩＬＲ，ＩｊＯＲ，ＩｊＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）が記録されることを特徴とする高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。
【請求項７】
前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）は、微小球面からの反射光であることを特徴とする請求項６に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。
【請求項８】
前記物体光が放射される局在領域を望むように複数の受光素子を配置し、前記複数の受光素子によって前記各ホログラムを記録することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。
【請求項９】
前記ホログラムに記録された物体光（Ｏｊ）は前記物体における前記局在領域の各点で前記照明光（Ｑｊ）が反射して生じる反射光が重なり合った光であり、該物体光（Ｏｊ）を構成する前記反射光が発生する位置における該反射光の位相とその位置における該反射光を生成する前記照明光（Ｑｊ）の位相とが同じであることに基づいて、任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）において物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の位相を調整した光波を加算して構成した合成光波（ＨＰ）を求め、その合成光波（ＨＰ）を用いて、物体の画像（ＳＰ＝｜ＨＰ｜２）を再生することを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。
【請求項１０】
前記各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、前記参照光オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）、物体光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＲ，）および照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＱＲ）から、前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）の成分を除去した物体光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ）および照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＱＬ）を生成し、
前記各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）において、前記物体光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ）および前記照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＱＬ）の各々から、前記物体光（Ｏｊ）の物体光再生光波（ｈｊ）と、前記照明光（Ｑｊ）の照明光再生光波（ｃｊ）と、前記照明光再生光波（ｃｊ）に含まれる位相成分（ξｊ＝ｃｊ／｜ｃｊ｜）と、前記物体光再生光波（ｈｊ）から前記位相成分（ξｊ）を除去した位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）と、を求め、
前記位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を前記各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）について加算して前記任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）における光波である合成光波（ＨＰ＝Σｈｊ／ξｊ）を求め、前記合成光波（ＨＰ）を用いて、物体の画像（ＳＰ＝｜ＨＰ｜２）を再生することを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。
【請求項１１】
前記物体光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ）および前記照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＱＬ）の空間サンプリング間隔を細分化し、細分化によって生じた新たなサンプリング点に対してデータ補間を行って実質的に画素数を増やした物体光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＬ）および照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＱＬ）を生成し、前記画素数を増やした物体光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＬ）および前記画素数を増やした照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＱＬ）を用いて前記位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を求めることを特徴とする請求項１０に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。
【請求項１２】
前記各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）における前記物体光（Ｏｊ）と前記照明光（Ｑｊ）とが互いに分離して記録されない場合に、前記物体光（Ｏｊ）と前記照明光（Ｑｊ）と前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである物体光照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＱＲ）を各入射方向毎に記録し、
前記各オフアクシスホログラム（ＩＬＲ，ＩｊＯＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）は、前記局在領域と前記インライン球面波参照光（Ｌ）および前記オフアクシス球面波参照光（Ｒ）の各仮想点光源とが互いに近接した条件で記録されることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。
【請求項１３】
前記照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）は、集光点を有し、その集光点を経過して広がった状態で前記各物体光照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）に記録されることを特徴とする請求項１２に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。
【請求項１４】
前記各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、前記参照光オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）および前記物体光照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＱＲ）から前記参照光（Ｒ）の成分を除去した物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＱＬ）を生成し、
前記各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、特定の再生面（ｚ＝ｚＳ）において、前記物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＱＬ）から前記照明光（Ｑｊ）を含んでいる前記物体光（Ｏｊ）の再生光波である物体光再生光波（ｈｊ）を生成し、前記物体光再生光波（ｈｊ）から前記照明光（Ｑｊ）の再生光波である照明光再生光波（ｃｊ）を分離し、
前記各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、前記物体光再生光波（ｈｊ）および前記照明光再生光波（ｃｊ）の各々を前記特定の再生面（ｚ＝ｚＳ）とは異なる任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）に伝搬させた新たな物体光再生光波（ｈｊ）および照明光再生光波（ｃｊ）を生成し、前記任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）において、前記照明光再生光波（ｃｊ）に含まれる位相成分（ξｊ＝ｃｊ／｜ｃｊ｜）と、前記物体光照明光再生光波（ｈｊ）から前記位相成分（ξｊ）を除去した位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）と、を求め、
前記位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を前記各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）について加算して前記任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）における光波である合成光波（ＨＰ＝Σｈｊ／ξｊ）を求め、前記合成光波（ＨＰ）を用いて、物体の画像（ＳＰ＝｜ＨＰ｜２）を再生することを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。
【請求項１５】
前記物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＱＬ）の空間サンプリング間隔を細分化し、細分化によって生じた新たなサンプリング点に対してデータ補間を行って実質的に画素数を増やした物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＱＬ）を生成し、前記画素数を増やした物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＱＬ）を用いて前記位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を求めることを特徴とする請求項１４に記載の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球面波参照光を用いたオフアクシスホログラフィに基づくホログラフィック顕微鏡および高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、開口数の大きい複素振幅インラインホログラムをワンショットでかつ結像レンズを用いることなく記録して微小物体の画像を再生する透過型および反射型のホログラフィック顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。この顕微鏡は、結像レンズを用いないので、従来の光学顕微鏡における媒質や結像レンズの影響を受けるという問題を解決できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１２／００５３１５号
【発明の開示】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１に示されるようなホログラフィック顕微鏡においては、従来の光学顕微鏡と同様に、分解能が光の半波長を超えることはできない、という原理的な限界がある。このような分解能限界を超える顕微鏡として、モアレ効果を利用するＳＩＭ（Structured Illumination Microscopy）が開発されている。ＳＩＭは、分解能が上記の限界を超えるようにすることができる。しかしながら、ＳＩＭは結像レンズを使用するものであり、他の光学顕微鏡と同様に結像レンズの使用に伴う多くの問題を有している。また、ＳＩＭは、構造が複雑で非常に高価であり、取扱いが容易ではない。さらに、モアレ効果を透過型の顕微鏡に適用することは困難であることから、ＳＩＭは、反射型のもののみ実用化されており、透過型のものは実用化されていない。
【０００５】
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、透過型と反射型のいずれも実現でき、従来の光学顕微鏡の分解能を超えることができるホログラフィック顕微鏡および高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法を提供することを目的とする。
【０００６】
上記課題を達成するために、本発明のホログラフィック顕微鏡は、物体のホログラムを取得するデータ取得部と、データ取得部によって取得されたホログラムから物体の画像を再生する画像再生部と、を備え、データ取得部は、光源が放射するコヒーレント光からインライン球面波参照光（Ｌ）、照明光（Ｑ）、およびオフアクシス球面波参照光（Ｒ）を生成し、かつ、これらの光と、照明光（Ｑ）によって照明される物体から放たれる物体光（Ｏ）とを伝播させる光学系と、物体に対する照明光（Ｑ）の入射方向を変える角度変更部と、光強度を電気信号に変換して出力する受光素子と、インライン球面波参照光（Ｌ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである参照光オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）、光学系および角度変更部によってコヒーレント光から構成される入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の異なる照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を照射された物体から放たれる物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである物体光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）、および照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を受光素子を用いてメモリに記録する記録部と、を備え、画像再生部は、各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、参照光オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）、物体光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＲ，）、および照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＱＲ）から、オフアクシス球面波参照光（Ｒ）の成分を除去した物体光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ）および照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＱＬ）を生成するインライン化変調部と、各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）において、物体光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ）および照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＱＬ）の各々から、物体光（Ｏｊ）の再生光である物体光再生光波（ｈｊ）と、照明光（Ｑｊ）の再生光である照明光再生光波（ｃｊ）と、照明光再生光波（ｃｊ）に含まれる位相成分（ξｊ＝ｃｊ／｜ｃｊ｜）と、物体光再生光波（ｈｊ）から位相成分（ξｊ）を除去した位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）と、を求める光波計算部と、位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）について加算して任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）における光波である合成光波（ＨＰ＝Σｈｊ／ξｊ）を求めて、合成光波（ＨＰ）を用いて、物体の画像（ＳＰ＝｜ＨＰ｜２）を再生する画像計算部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
このホログラフィック顕微鏡において、画像再生部は、物体光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ）および照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＱＬ）の空間サンプリング間隔を細分化し、細分化によって生じた新たなサンプリング点に対してデータ補間を行って実質的に画素数を増やした物体光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＬ）および照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＱＬ）を生成する画素数増大部を備え、光波計算部は、画素数を増やした物体光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＬ）および画素数を増やした照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＱＬ）を用いて位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を求めてもよい。
【０００８】
このホログラフィック顕微鏡において、画像再生部は、物体光（Ｏｊ）と照明光（Ｑｊ）とが互いに分離されずに記録されたホログラムから照明光（Ｑｊ）の再生光波を分離して生成する照明光分離部を備え、記録部は、物体光（Ｏｊ）と照明光（Ｑｊ）とが互いに分離されない場合に、物体光（Ｏｊ）と照明光（Ｑｊ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムを物体光照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＱＲ）としてメモリに記録し、インライン化変調部は、参照光オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）および物体光照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＱＲ）から、オフアクシス球面波参照光（Ｒ）の成分を除去した物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＱＬ）を生成し、照明光分離部は、特定の再生面（ｚ＝ｚＳ）において、物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＱＬ）から照明光（Ｑｊ）を含んでいる物体光（Ｏｊ）の再生光波である物体光再生光波（ｈｊ）を生成し、物体光再生光波（ｈｊ）から照明光（Ｑｊ）の再生光波である照明光再生光波（ｃｊ）を分離して生成し、光波計算部は、照明光分離部が生成した物体光再生光波（ｈｊ）および照明光再生光波（ｃｊ）の各々を特定の再生面（ｚ＝ｚＳ）とは異なる任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）に伝搬させた新たな物体光再生光波（ｈｊ）および照明光再生光波（ｃｊ）を生成し、これらの新たな再生光波を用いて位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を求めてもよい。
【０００９】
このホログラフィック顕微鏡において、画像再生部は、物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＱＬ）の空間サンプリング間隔を細分化し、細分化によって生じた新たなサンプリング点に対してデータ補間を行って実質的に画素数を増やした物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＱＬ）を生成する画素数増大部を備え、照明光分離部は、画素数を増やした物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＱＬ）を用いて物体光再生光波（ｈｊ）を求めてもよい。
【００１０】
このホログラフィック顕微鏡において、角度変更部は、集光レンズと、集光レンズにその入り口側の開口径よりも大きな径を有する平行光を該集光レンズの光軸に対して傾いた任意の方向から入射させる反射鏡と、を備えて構成されてもよい。
【００１１】
本発明の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法は、インライン球面波参照光（Ｌ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである参照光オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）を記録し、物体に対する入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を変えた照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）によって物体を照明し、各入射方向毎に、物体から放たれる物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである物体光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）、および照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）を記録し、各物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）が局在領域から放射され、局在領域とインライン球面波参照光（Ｌ）およびオフアクシス球面波参照光（Ｒ）の各仮想点光源とが互いに近接した条件で、各オフアクシスホログラム（ＩＬＲ，ＩｊＯＲ，ＩｊＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）が記録されることを特徴とする。
【００１２】
この高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法において、オフアクシス球面波参照光（Ｒ）は、微小球面からの反射光であってもよい。
【００１３】
この高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法において、物体光が放射される局在領域を望むように複数の受光素子を配置し、複数の受光素子によって各ホログラムを記録してもよい。
【００１４】
この高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法において、ホログラムに記録された物体光（Ｏｊ）は物体における局在領域の各点で照明光（Ｑｊ）が反射して生じる反射光が重なり合った光であり、該物体光（Ｏｊ）を構成する反射光が発生する位置における該反射光の位相とその位置における該反射光を生成する照明光（Ｑｊ）の位相とが同じであることに基づいて、任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）において物体光（Ｏｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）の位相を調整した光波を加算して構成した合成光波（ＨＰ）を求め、その合成光波（ＨＰ）を用いて、物体の画像（ＳＰ＝｜ＨＰ｜２）を再生してもよい。
【００１５】
この高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法において、各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、参照光オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）、物体光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＲ，）および照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＱＲ）から、オフアクシス球面波参照光（Ｒ）の成分を除去した物体光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ）および照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＱＬ）を生成し、各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）において、物体光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ）および照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＱＬ）の各々から、物体光（Ｏｊ）の物体光再生光波（ｈｊ）と、照明光（Ｑｊ）の照明光再生光波（ｃｊ）と、照明光再生光波（ｃｊ）に含まれる位相成分（ξｊ＝ｃｊ／｜ｃｊ｜）と、物体光再生光波（ｈｊ）から位相成分（ξｊ）を除去した位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）と、を求め、位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）について加算して任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）における光波である合成光波（ＨＰ＝Σｈｊ／ξｊ）を求め、合成光波（ＨＰ）を用いて、物体の画像（ＳＰ＝｜ＨＰ｜２）を再生してもよい。
【００１６】
この高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法において、物体光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＬ）および照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＱＬ）の空間サンプリング間隔を細分化し、細分化によって生じた新たなサンプリング点に対してデータ補間を行って実質的に画素数を増やした物体光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＬ）および照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＱＬ）を生成し、画素数を増やした物体光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＬ）および画素数を増やした照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＱＬ）を用いて位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を求めてもよい。
【００１７】
この高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法において、各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）における物体光（Ｏｊ）と照明光（Ｑｊ）とが互いに分離して記録されない場合に、物体光（Ｏｊ）と照明光（Ｑｊ）とオフアクシス球面波参照光（Ｒ）との干渉縞のホログラムである物体光照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＱＲ）を各入射方向毎に記録し、各オフアクシスホログラム（ＩＬＲ，ＩｊＯＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）は、局在領域とインライン球面波参照光（Ｌ）およびオフアクシス球面波参照光（Ｒ）の各仮想点光源とが互いに近接した条件で記録されてもよい。
【００１８】
この高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法において、照明光（Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）は、集光点を有し、その集光点を経過して広がった状態で各物体光照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎ）に記録されてもよい。
【００１９】
この高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法において、各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、参照光オフアクシスホログラム（ＩＬＲ）および物体光照明光オフアクシスホログラム（ＩｊＯＱＲ）から参照光（Ｒ）の成分を除去した物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＱＬ）を生成し、各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、特定の再生面（ｚ＝ｚＳ）において、物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＱＬ）から照明光（Ｑｊ）を含んでいる物体光（Ｏｊ）の再生光波である物体光再生光波（ｈｊ）を生成し、物体光再生光波（ｈｊ）から照明光（Ｑｊ）の再生光波である照明光再生光波（ｃｊ）を分離し、各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）毎に、物体光再生光波（ｈｊ）および照明光再生光波（ｃｊ）の各々を特定の再生面（ｚ＝ｚＳ）とは異なる任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）に伝搬させた新たな物体光再生光波（ｈｊ）および照明光再生光波（ｃｊ）を生成し、任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）において、照明光再生光波（ｃｊ）に含まれる位相成分（ξｊ＝ｃｊ／｜ｃｊ｜）と、物体光照明光再生光波（ｈｊ）から位相成分（ξｊ）を除去した位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）と、を求め、位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を各入射方向（θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ）について加算して任意の再生面（ｚ＝ｚＰ）における光波である合成光波（ＨＰ＝Σｈｊ／ξｊ）を求め、合成光波（ＨＰ）を用いて、物体の画像（ＳＰ＝｜ＨＰ｜２）を再生してもよい。
【００２０】
この高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法において、物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＪｊＯＱＬ）の空間サンプリング間隔を細分化し、細分化によって生じた新たなサンプリング点に対してデータ補間を行って実質的に画素数を増やした物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＱＬ）を生成し、画素数を増やした物体光照明光複素振幅インラインホログラム（ＫｊＯＱＬ）を用いて位相調整再生光波（ｈｊ／ξｊ）を求めてもよい。
【００２１】
本発明のホログラフィック顕微鏡および高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法によれば、球面波参照光と多方向照明光とで記録した複数の物体光を各照明光の位相情報によって調整して加算するので、物体光の開口数に照明光の開口数を加算した大開口数条件で画像を再生できる。大開口数条件での画像再生により、従来の光学顕微鏡の分解能を超えることができる。また、物体光と照明光とは、透過型と反射型のいずれでもホログラムに記録できるので、透過型と反射型のいずれの顕微鏡も実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る高分解能ホログラム画像再生方法を示すフローチャート。
【図２】同画像生成方法に用いるインライン球面波参照光のデータを取得する透過型の装置の側面図。
【図３】同画像生成方法に用いる物体光のデータを取得する同装置の側面図。
【図４】（ａ）（ｂ）は図３の要部断面図。
【図５】同画像再生方法に用いる多方向照明の他の例を示す斜視図。
【図６】（ａ）は同画像生成方法に用いるインライン球面波参照光のデータを取得する透過型の装置の他の例の側面図、（ｂ）は同装置の平面図。
【図７】（ａ）は同画像生成方法に用いる物体光のデータを取得する同装置の側面図、（ｂ）は同装置の平面図。
【図８】（ａ）は同画像生成方法に用いるインライン球面波参照光のデータを取得する反射型の装置の側面図、（ｂ）は物体光のデータを取得する同装置の側面図。
【図９】（ａ）は同画像生成方法に用いる物体光のデータを取得する反射型の装置の他の例を示す側面図、（ｂ）は同装置の平面図。
【図１０】（ａ）は４方向からの照明光の空間周波数分布を示す図、（ｂ）は同照明光によって取得した物体光の空間周波数分布を示す図。
【図１１】（ａ）は図１０（ａ）の照明光に周波数変調を施した後の空間周波数分布を示す図、（ｂ）は図１０（ｂ）の物体光に周波数変調を施した後の空間周波数分布を示す図。
【図１２】同画像生成方法の処理の流れを示すブロック図。
【図１３】同画像生成方法に用いるインライン球面波参照光のデータを取得する透過型の装置の他の例の側面図。
【図１４】同画像生成方法に用いる物体光のデータを取得する同装置の側面図。
【図１５】同画像生成方法における複数の受光素子間のデータの較正処理のフローチャート。
【図１６】同画像生成方法における高分解能化処理のフローチャート。
【図１７】（ａ）はホログラムの部分図、（ｂ）は同ホログラムにおける空間サンプリング間隔を増やす様子を示すホログラムの部分図。
【図１８】同画像再生方法における高速化処理のフローチャート。
【図１９】（ａ）は単一の再生用ホログラムと再生像の概念図、（ｂ）は複数の再生用ホログラムと再生された複数の像とを示す概念図。
【図２０】（ａ）はホログラムの概念図、（ｂ）は同ホログラムを分割して重ね合わせた概念図、（ｃ）は（ｂ）のホログラムを合成したホログラムの概念図。
【図２１】同画像生成方法に用いる物体光Ｏのデータを取得する反射型の装置の他の例を示す側面図。
【図２２】他の実施形態に係る高分解能ホログラム画像再生方法を示すフローチャート。
【図２３】同画像生成方法の処理の流れを示すブロック図。
【図２４】本発明の一実施形態に係るホログラフィック顕微鏡のブロック構成図。
【図２５】（ａ）は同顕微鏡を用いて入射方向を傾けた照明光で取得したＵＳＡＦテストターゲットのホログラムにおける物体光と照明光の再生光波の空間周波数分布の図、（ｂ）は（ａ）の説明図。
【図２６】（ａ）は図２５（ａ）の物体光と照明光を周波数変調した後の再生光波の空間周波数分布の図、（ｂ）は（ａ）の説明図。
【図２７】４方向からの照明光でホログラムを取得し、図２６（ａ）の場合と同様に周波数変調して得た４つの再生光波を、互いに加算する様子を概念的に示す図。
【図２８】図２７の処理で合成された再生光波の空間周波数分布の図。
【図２９】同顕微鏡を用いて照明光の入射方向を変えて取得したＵＳＡＦテストターゲットの複数のホログラムのうちの１つの像を示す図。
【図３０】（ａ）は入射方向の異なる同ホログラムの複数枚を用いて再生したＵＳＡＦテストターゲットの再生画像を示す図、（ｂ）は同ホログラムのうちの１枚を用いて再生したＵＳＡＦテストターゲットの再生画像を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（微小物体の画像再生方法）
以下、本発明の一実施形態に係る高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法（高分解能ホログラム画像再生方法、高分解能画像用のホログラムデータ取得方法）、およびホログラフィック顕微鏡について、図面を参照して説明する。図１乃至図１２は、高分解能ホログラム画像再生方法と高分解能画像用のホログラムデータ取得方法を示す。本画像再生方法は、図１に示すように、データ取得工程（Ｓ０）と、その後のデータ処理によって画像を再生する画像再生の工程（Ｓ１乃至Ｓ７）とを備える。本画像再生方法では、多方向の照明光によって発生する物体光を記録した複数の大開口数のディジタルホログラムから光波を再生し、その再生光波を各照明光の位相情報を加味して計算機合成することにより、開口数が１を超える条件で画像を再生する。本画像再生方法は、ホログラフィック顕微鏡における画像再生に用いることができる。
【００２４】
光学における開口数ＮＡは、光の媒質の屈折率を１と仮定した場合、ある点Ｐから平面に立てた垂線と、その点Ｐからその平面上に設定された境界領域の境界に至る線分との成す角度θＮＡの正弦値ｓｉｎθＮＡである。言い換えれば、開口数ＮＡは、ある点Ｐから平面に立てた垂線の足と境界領域の境界とを結ぶ平面上の線分を、その点Ｐから望む角度θＮＡの正弦値である。開口数ＮＡは、点Ｐと境界領域とを設定することによって、レンズ、受光素子、照明光等に、それぞれ定義することができ、その値は１以下（ＮＡ＝ｓｉｎθＮＡ≦１）である。開口数ＮＡを定義する点Ｐは、レンズでは焦点、受光素子では受光素子の中心線上のある任意の点（任意に設定した点光源の位置）、照明光では光源中の１点である。開口数ＮＡを定義する境界領域は、レンズではレンズの開口、受光素子では受光素子の受光面（実効的に受光可能面）、照明光では点光源から広がる光で照明される面である。
【００２５】
（概要説明）
データ取得工程（Ｓ０）では、インライン球面波参照光Ｌ、オフアクシス球面波参照光Ｒ、および物体に対する照明光Ｑの入射方向θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎを変えた照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎを用いて、これらの光の成す干渉縞を複数のオフアクシスホログラムＩＬＲ，ＩｊＯＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎとして取得する。以下において、入射方向に依存する光や数式は、入射方向を区別する添え字ｊ等が適宜省略される。ホログラムＩＬＲは、インライン球面波参照光Ｌをオフアクシス球面波参照光Ｒを用いて記録したオフアクシスホログラムである。ホログラムＩＬＲは、参照光Ｒのホログラムであり、参照光ホログラムＩＬＲ、参照光オフアクシスホログラムＩＬＲ、またはオフアクシスホログラムＩＬＲなどと適宜別名で表記される。これらのインライン球面波参照光ＬとホログラムＩＬＲの情報は、ホログラムデータを処理する際に基準となる情報である。
【００２６】
ホログラムＩｊＯＱＲは、照明光Ｑｊにより物体を照明し、その物体から放たれる物体光Ｏｊと照明光Ｑｊとをオフアクシス球面波参照光Ｒを用いて記録したオフアクシスホログラムである。ホログラムＩｊＯＱＲは、物体光Ｏｊと照明光Ｑｊのホログラムであり、物体光照明光ホログラムＩｊＯＱＲ、物体光照明光オフアクシスホログラムＩｊＯＱＲ、またはオフアクシスホログラムＩｊＯＱＲなどと適宜別名で表記される。これらのホログラムＩＬＲ，ＩｊＯＱＲは、インライン球面波参照光Ｌおよびオフアクシス球面波参照光Ｒという球面波光を用いて取得したものである。従って、これらのホログラムは大開口数（大きなＮＡ数、ただし、ＮＡ＜１である）のホログラムとなり得る。
【００２７】
画像再生の工程（Ｓ１乃至Ｓ７）は、単独で行われるフィルタリング工程（Ｓ１）と、入射方向ループＬＰｓ−ＬＰｅにおいて各入射方向θｊについて一連の処理を行う工程（Ｓ２乃至Ｓ６）と、得られた結果を統合して画像を再生する工程（Ｓ７）とを備える。フィルタリング工程（Ｓ１）では、ホログラムＩＬＲに空間周波数フィルタリングを適用して、インライン球面波参照光Ｌの情報を保持した複素振幅オフアクシスホログラムＪＬＲを生成する。入射方向ループＬＰｓ−ＬＰｅは、フィルタリング工程（Ｓ２）、インライン化変調工程（Ｓ３）、照明光分離工程（Ｓ４）、光波計算工程（Ｓ５）、位相調整工程（Ｓ６）を実行する。
【００２８】
フィルタリング工程（Ｓ２）では、ホログラムＩｊＯＱＲに空間周波数フィルタリングを適用して、物体光Ｏｊと照明光Ｑｊの情報を保持した複素振幅オフアクシスホログラムＪｊＯＱＲ、を生成する。インライン化変調工程（Ｓ３）では、フィルタリング工程（Ｓ２）によって生成された各複素振幅オフアクシスホログラムＪｊＯＱＲのデータを、同じくフィルタリング工程（Ｓ１）によって生成された複素振幅オフアクシスホログラムＪＬＲのデータで除算することにより、参照光Ｒ成分を除去してインラインの構成とした複素振幅インラインホログラムＪｊＯＱＬを生成する。
【００２９】
照明光分離工程（Ｓ４）では、特定の再生面ｚ＝ｚＳにおいて、複素振幅インラインホログラムＪｊＯＱＬから、物体光Ｏｊと照明光Ｑｊの再生光波である物体光再生光波ｈｊを生成し、その物体光再生光波ｈｊから照明光Ｑｊの再生光波である照明光再生光波ｃｊを分離抽出する。この物体光再生光波ｈｊは、物体光Ｏｊと照明光Ｑｊを含んでいる再生光波である。物体光再生光波ｈｊと照明光再生光波ｃｊは、適宜簡略して再生光波ｈｊ，ｃｊさらには光波ｈｊ，ｃｊなどと表記される。これらの再生光波の生成に際し、インライン球面波参照光Ｌの位相φＬを用いた変調処理、および平面波展開処理が行われる。再生面ｚ＝ｚＳは、再生光波ｃｊを分離抽出することが容易となる特定の面に設定される。再生面は、例えば、ホログラムを取得する際に用いられたＣＣＤなどの受光素子の受光面に平行な面である。この場合、ｚ軸は、その受光面に直交する軸として設定される受光面の光軸（中心軸）であり、ｚ軸上の位置を特定することによって、ｚ軸に直交する１つの平面を指定できる。画像は、このｚ軸に垂直な面に再生される。
【００３０】
光波計算工程（Ｓ５）では、再生光波ｈｊ，ｃｊを特定の再生面ｚ＝ｚＳから画像再生用の任意の再生面ｚ＝ｚＰまで伝搬させることにより、再生面ｚ＝ｚＰにおける再生光波ｈｊ，ｃｊを生成し、照明光Ｑｊの再生光波ｃｊに含まれる位相成分ξｊ＝ｃｊ／｜ｃｊ｜を求める。
【００３１】
位相調整工程（Ｓ６）では、各入射方向毎に、除算によって物体光の再生光波から位相成分を除去した位相調整再生光波ｈｊ／ξｊを求める。位相調整再生光波ｈｊ／ξｊを求める操作は、各入射方向θｊに対する再生光波ｈｊの位相を、再生面ｚ＝ｚＰにおいて互いに規格化する。物体光Ｏｊは物体の表面（反射型の場合）または内部（透過型の場合）の各点で生じる反射光が重なり合った光であり、各反射光の位相は、その反射光が発生する位置において、その反射光を発生させる照明光Ｑｊの位相と同じになる。言い換えると、物体の各点で生じる各物体光は、その物体光が発生する各位置において、各物体光を発生させる各照明光と同位相である。そこで、この除算による位相調整の操作によって、再生面ｚ＝ｚＰにおいて、各入射方向毎の物体光Ｏｊを表す光の位相が調整（規格化）される。
【００３２】
工程（Ｓ７）の光波総和工程では、位相調整再生光波ｈｊ／ξｊを各入射方向θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎについて加算して再生面ｚ＝ｚＰにおける光波である合成光波ＨＰ＝Σｈｊ／ξｊを求める。この加算は、各照明光Ｑｊのｚ軸方向の波数ｋｚが所定の許容範囲に収まるように設定された入射方向θｊについて行われる。言い換えれば、ホログラムＩｊＯＱＲは、画像を再生する位置を通るｚ軸に対して許容範囲内で同じと見なされる偏角（天頂角）を有する照明光Ｑｊの群によって取得される。加算は重み付けして行われる。例えば、加算データ数の逆数を重みとして用いる（この場合の結果は、加算データの平均値である）。合成光波ＨＰは、照明光の方向を変えて記録した物体光（照明光も含まれている）を合成したものに相当するから、合成光波ＨＰは、照明光の開口数ＮＡＱと物体光の開口数ＮＡＯとの和に等しい開口数ＮＡ＝ＮＡＱ＋ＮＡＯを有するものとなる。従って、この開口数ＮＡの値は、１以上となり得る（後述）。物体光の開口数ＮＡＯは、物体光を記録した記録面すなわち受光素子の受光面の開口数である。
【００３３】
工程（Ｓ７）の光強度計算工程では、合成光波ＨＰから、再生面ｚ＝ｚＰにおける画像ＳＰ＝｜ＨＰ｜２が再生される。画像ＳＰは、モニタ画面に画像として表示することができる。すなわち、合成光波ＨＰは、入射方向を変えて大開口数のホログラムとして記録した物体光と照明光のホログラムから物体光と照明光とを再生し、照明光の位相情報を使って物体光を計算機合成したものであり、開口数が１を超える光学系で物体光を記録したホログラムに相当する。開口数が大きいほど高分解能が得られることから、開口数が１を超える物体光を表す合成光波ＨＰを用いることにより、従来の光学顕微鏡の分解能の限界を超える超高分解能の画像を再生できる。
【００３４】
（詳細説明、データ取得工程Ｓ０：透過型）
以下では、上記の各工程を詳述する。データ取得工程（Ｓ０）は、例えば、図２、図３に示す透過型のデータ取得装置１０を用いて実行される。オフアクシスホログラムＩＬＲは、図２に示す光学系３で取得される。このデータ取得装置１０は、インライン球面波参照光Ｌを生成する集光レンズ３０と、オフアクシス球面波参照光Ｒを生成する微小球Ｍ（例えば、金などの金属球）と、参照光Ｌ，Ｒの干渉縞の光強度を電気信号に変換して出力する受光素子４と、受光素子４からの出力をホログラムとして記録する記録部５とを備えている。集光レンズ３０と微小球Ｍには、それぞれ互いにコヒーレントな光Ｌ，Ｒが入射される。
【００３５】
集光レンズ３０は、受光素子４に対してインライン配置とされている。集光レンズ３０に入射される光Ｌは、物体６が配置される位置（記録する物体光の発生位置）と想定される点Ｐ１で集光した後、広がって受光素子４に至るインライン球面波光Ｌとなる。微小球Ｍは、受光素子４に対してオフアクシス配置とされている。微小球Ｍに照射される光Ｒは、その微小球Ｍの位置する点Ｐ２から広がって受光素子４に至るオフアクシス球面波光Ｒとなる。参照光Ｌ，Ｒは、それぞれの球面波光源である点Ｐ１，Ｐ２（仮想点光源）が互いに近接する状態で生成される。従って、参照光Ｌ，Ｒは、受光素子４の受光面の周辺部においても、空間周波数の低い干渉縞を生成する。このような光学系３により、大開口数のオフアクシスホログラムＩＬＲの記録が実現される。
【００３６】
オフアクシスホログラムＩｊＯＱＬのデータは、図３に示す光学系３で取得される。この光学系３は、上述の球面波参照光Ｌを生成する集光レンズ３０に替えて、球面波照明光Ｑを生成する集光レンズ３１が備えられている。微小球Ｍと受光素子４の配置およびこれらによって生成される参照光Ｒは、上述の図２の場合と厳密に同じ条件に保たれている。集光レンズ３１による集光位置には、透過画像を取得する半透明の物体６が配置されている。集光レンズ３１には、その光軸に対して傾いた角度ψを有する光Ｑが入射される。角度ψの光Ｑを発生させるために、集光レンズ３１の入り口側に、レンズの光軸に対して直交し、かつ互いに直交する２軸の回りに傾動する反射鏡を配置する。この反射鏡と集光レンズ３１とは、物体に対する照明光Ｑの入射方向を変える角度変更部を構成する。集光レンズ３１の光軸に直交する方向から、集光レンズ３１の入り口側の開口よりも大きな径を有する平行光を反射鏡に入射させる。傾動した位置の反射鏡によって反射した光の一部が、傾いた角度ψを有する光Ｑとなって集光レンズ３１の開口に入射される。
【００３７】
光Ｑと参照光Ｒは、互いにコヒーレントな光である。光Ｑは、集光レンズ３１を通過後、角度ψの大きさに応じて、光軸位置から外れた点Ｐ３（集光点）に集光し、その後広がって受光素子４に至る照明光Ｑとなる。照明光Ｑは、集光点Ｐ３を有するので、種々の方向に伝搬する光の集まりである。また、集光レンズ３１に入射する光Ｑのレンズ光軸からの偏角（角度ψ）を変化させることにより集光点Ｐの位置が光軸に直交する方向に略平行移動し、照明光Ｑによって照明される物体６の局在領域（点Ｐ４で代表する）に入射する照明光Ｑの入射方向が変化する（後述図４参照）。このような大きな径の平行光と反射鏡と集光レンズ３１とを用いる角度変更部は、細い光ビームと回折格子等を用いる角度変更部に較べて、簡単な装置で容易に照明光Ｑの方向を制御することができる。
【００３８】
物体６の点Ｐ４は、照明光Ｑによって照明され、そこから球面波状に物体光Ｏが発生する。物体光Ｏと、物体６を透過した照明光Ｑと、参照光Ｒとは、互いに干渉して受光素子４の受光面で干渉縞を発生し、その干渉縞が大開口数のオフアクシスホログラムＩＯＱＲとして記録される。オフアクシスホログラムＩＯＱＲは、物体光Ｏと照明光Ｑの両方の情報を含むホログラムである。本画像再生方法は、画像再生に照明光Ｑの位相情報を用いるので、オフアクシスホログラムＩＯＱＲから照明光Ｑの情報を取り出す必要がある。そこで、照明光Ｑが上述の集光点Ｐ３を有する特性を生かして、その集光点において、広く分布した物体光Ｏや参照光Ｒから区別して照明光Ｑが抽出される。
【００３９】
集光レンズ３１に対する光Ｑの入射条件（上記の角度ψなど）を変えることにより、物体６に対する照明光Ｑの入射方向θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎを変えた照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎが得られる。これらの照明光Ｑｊを用いて、各入射方向に対する複数のオフアクシスホログラムＩｊＯＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎが取得される。この入射方向θｊは、３次元極座標における２個の偏角（方位角と天頂角）をベクトル的に表現するものである。方位角をα、天頂角をβで表すと、入射方向θｊは、θｊ＝（αｊ，βｊ）と表される。入射方向θｊを変化させることによって多方向からの照明が行われる。多方向からの照明光が集中する位置における物体の画像が、ホログラフィック顕微鏡による画像として再生される。
【００４０】
上述の集光レンズ３０，３１は、互いに同じものを用いてもよく、異なるものを用いてもよい。集光レンズ３０による集光位置（点Ｐ１）と微小球Ｍの位置（点Ｐ２）とは、いずれも仮想点光源と考えられ、これらは互いに近接配置される。また、集光レンズ３１による照明光Ｑの集光位置（点Ｐ３）も仮想点光源と考えられ、その点Ｐ３の周辺が物体光Ｏの発生位置である（局在領域、点Ｐ４）。これらの点Ｐ１〜Ｐ４は、互いに近接した条件とされている。これにより、大開口数のホログラムを取得して、画像再生に用いることができる。逆に、所望の大開口数のホログラムを取得して画像再生ができるように、このような光学系３を構成すればよい。
【００４１】
点Ｐ２〜Ｐ４間の位置関係に対する条件を示す。ホログラムを記録する受光素子の受光面上の任意の１点から点Ｐ２、点Ｐ４を望む角を角度χ、受光素子の画素間隔をｄ、光の波長をλとする。物体光Ｏと参照光Ｒがつくる受光素子上の干渉縞を観測可能とする条件は、干渉縞の間隔が画素間隔ｄの２倍以上となることが必要であることから、χ＜λ／（２ｄ）となる。また、物体光Ｏと参照光Ｒとを記録したホログラムをフーリエ変換して、物体光Ｏと参照光Ｒとを分離可能とするための条件から、参照光Ｒをどれだけオフアクシスとするかというオフアクシスの条件が決まる。これらにより、点Ｐ２の配置可能条件が決まる。
【００４２】
（大開口球面波参照光Ｒ，Ｌについて）
大開口数の物体光をホログラムとして記録するためには、開口数の大きい参照光Ｒが必要不可欠である。上述の微小球Ｍを用いずに、例えば集光レンズを使って参照光Ｒを生成すると、物体光Ｏと参照光Ｒとを重ね合せるためにハーフミラーが必要になり、ハーフミラーを使用すると開口数が１に近いような大開口数物体光を記録することが困難になる。本実施形態では、２枚のオフアクシスホログラムＩＬＲとＩＯＱＲを使って除算処理によって複素振幅インラインホログラムＪＯＱＬを求める。この処理により、参照光Ｒは打ち消し合ってＪＯＱＬの中には現れない。従って、オフアクシスホログラムＩＬＲとＩＯＱＲを記録できるのであれば参照光Ｒの正確な空間分布は分からなくてもよい。これに対し、インライン参照光Ｌは物体光記録において基準になる光波であり、参照光Ｌとして空間分布が正確に求められる球面波を用いる。
【００４３】
本実施形態では、半径が数十μｍ程度の微小球Ｍに細い光ビームを照射して開口数の大きい光として反射させ、この光をオフアクシス参照光Ｒとして利用する。微小球Ｍの使用によってハーフミラーが不要になり、記録物体光の開口数を１近くまで拡大することができる。一方、開口数の大きい集光レンズに平行光を入射して高精度の大開口数球面波を生成し、これをインライン球面波参照光Ｌとして用いる。球面波参照光Ｌは、微小球Ｍからの反射光を参照光Ｒとして、オフアクシスホログラムＩＬＲとして一枚だけ記録される。
【００４４】
微小球Ｍは、集光レンズとは異なり、大きな空間を占有することなく、オフアクシス球面波参照光Ｒを生成する。微小球Ｍは、その凸状の微小球面による光反射によって、ビーム状の光から球面波を生成する。微小球Ｍに替えて、凹状の微小球面による光反射によってビーム状の光から球面波を生成するようにしてもよい。また、ビーム状の光と微小球面に替えて、集光する光と小さな平面反射鏡とを用いて、その集光位置の近くで反射させて、オフアクシス球面波参照光Ｒを生成してもよい。なお、各オフアクシスホログラムＩｊＯＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎを取得する間、インライン球面波参照光ＬのオフアクシスホログラムＩＬＲを取得したオフアクシス球面波参照光Ｒの光学的条件を維持する必要がある。
【００４５】
（照明光Ｑについて）
物体中の注目点以外のある位置で集光する光を照明光Ｑとして用いると、ホログラムから再生される照明光Ｑはその位置でスポット状に集光する。これに対してホログラムから再生される物体光Ｏは照明光Ｑが集光しているその位置を広がった状態で伝搬する。この照明光Ｑの集光性を利用すると、物体光Ｏと照明光Ｑとを効果的に分離して取り出すことができる。照明光Ｑは、開口数の大きい集光レンズを使って平行光をスポット状に集光し、集光した光、または集光する光として構成され、これを使って物体６を照明する。照明光Ｑの方向は、種々の方法で変えることができる。集光性を有する光で照明すると横方向の変位に対して光の伝搬方向を替えることができるので、照明光Ｑを横方向に少し移動させるだけで、ある位置における照明光の方向を容易に変えることができる。上述したように、集光レンズ３１に入射する平行光の方向を反射鏡を使って調整し、照明光の位置を移動させることができ、これにより照明光Ｑの物体への入射方向を容易に変化させることができる。
【００４６】
図４（ａ）（ｂ）は、上述の図３における光学系３による多方向照明と物体光の発生の様子を示す。図４（ａ）に示すように、逆円錐形状に集光する照明光を、互いに平行移動させると、各照明光が形成する円錐における互いに近い側の母線に沿った照明光Ｑ１，Ｑ２は、物体６における下面側の領域６ａに、互いに逆の入射方向で入射する。ここで、平行光から円錐形状に集光する照明光は、頂点を共有し互いに同軸かつ頂角の異なる無数の円錐状の光の集合である。照明光Ｑ１，Ｑ２は、互いに平行移動した頂角が同じ円錐の母線に沿った光である。このような照明光Ｑ１，Ｑ２等によるホログラムデータを用いた再生画像は、領域６ａで最も鮮明で高解像度の画像が得られる。また、領域６ａの上方の物体６の厚みの中も入射方向が互いに同様に変化した照明光Ｑ１，Ｑ２等によって照明されて、物体光が発生しているので、画像の再生条件を変えることにより、その厚み部分の画像を再生して観察できる。
【００４７】
また、図４（ｂ）の場合、照明光Ｑ１，Ｑ２が物体６における上面側の領域６ｂに集中しており、この照明光Ｑ１，Ｑ２に基づいて画像を再生すると、この領域６ｂで最も鮮明で高解像度の画像が得られる。しかしながら、領域６ｂの下方の物体６は、照明光Ｑ１，Ｑ２によっては、何ら照明されてなく、物体光も発生していないので、これらの部分の画像を再生して観察することはできない。再生条件を変更することにより、照明光による照明位置と物体６との相対的な位置関係を変更した画像を再生でき、観察する位置を選択できる。また、ホログラムを取得する条件を変更することにより、図中の領域６ｃを観察領域とするように物体の相対的な位置を設定することもできる。さらに、領域６ａや領域６ｂの位置を平行移動させて、各平行移動した位置でホログラムを取得することにより、物体６上を走査した広い再生画像を生成することができる。
【００４８】
図５は、多方向からの細いビーム状の照明光を生成する例を示す。この光学系（角度変更部）は、平面内で互いに直交方向に形成された回折格子を有する回折素子Ｇｒと、回折素子Ｇｒの法線方向軸を囲むように、矩形４辺に配置して互いに対面させた４つの反射鏡Ｍｒとを備えている。回折素子Ｇｒに垂直に光源光Ｑｓが入射されると、４つの１次回折光Ｑ１〜Ｑ４と、１つの０次回折光とが発生する。回折素子Ｇｒを通過して直進する０次回折光は遮蔽板で遮断する。回折光Ｑ１〜Ｑ４は、反射鏡Ｍｒによって反射される。この光学系により、回折光Ｑ１〜Ｑ４の全てが、１つの点６ｐを通過するように、また、対称的に設定できる。点６ｐの位置に物体を配置することにより、回折光Ｑ１〜Ｑ４を照明光Ｑ１〜Ｑ４として用いて、物体を４方向から照明することができる。照明光Ｑ１〜Ｑ４は、点６ｐを通る法線方向軸の回りの偏角（方位角α）が互いに９０°間隔であって互いに同一の天頂角βを有して成る入射方向θｊ，ｊ＝１〜４からの照明光である。また、この構成は、光源光Ｑｓを太い平行光として点６ｐの位置を集光レンズの入射側開口の位置とすることにより、上述の図３における光学系３の実現に適用できる。回折素子Ｇｒは、平面内に１方向のみに形成された回折格子とすることもできる。この場合、回折素子Ｇｒを、その法線方向軸回りに順次回転して、任意の方位角αｊを有する入射方向θｊからの照明光を生成できる。
【００４９】
図６、図７は上述の図５の光学系を応用したデータ取得装置１０を示す。図６と図７の関係は、上述の図２と図３の関係に対応する。図６（ａ）（ｂ）に示すデータ取得装置１０の光学系３によって、インライン球面波参照光ＬのオフアクシスホログラムＩＬＲのデータが取得される。データ取得装置１０は、互いに対角方向にある４方向からの照明光Ｑ１〜Ｑ４のホログラムを取得できるように、受光素子４の他に、４つの受光素子４１〜４４を受光素子４の４隅に備えている。
【００５０】
インライン球面波参照光Ｌは、集光点Ｐ１を有する集光レンズ３０によって生成される。各受光素子４，４１〜４４は、それらの光軸上、すなわち各受光素子の中心を通る法線方向の軸上に、点Ｐ１が位置するように配置されて、参照光Ｌに対してインライン配置となっている。参照光Ｒは、点Ｐ２位置の微小球Ｍによって生成される。点Ｐ１，Ｐ２は互いに近接して配置されている。参照光Ｌ，Ｒは、受光素子４，４１〜４４の各受光面を照射する大きな開口数を有する。各受光素子４，４１〜４４に入射する参照光ＬのホログラムＩＬＲが、各受光素子４，４１〜４４ごとに取得される。集光レンズ３０として開口数の大きなレンズが入手できない場合に、参照光Ｌの開口数を１に近づけることができるようにするには、直径が光の波長以下のピンホールを点Ｐ１に配置すればよい。ピンホールは、例えば、ガラス上の金属薄膜のリソグラフィによって形成できる。参照光Ｌの開口数は、ピンホールの回折効果によって１に近づけることができる。
【００５１】
図７（ａ）（ｂ）に示すデータ取得装置１０の光学系３によって、物体光Ｏと照明光Ｑをそれぞれ記録したオフアクシスホログラムＩｊＯＱＲ，ＩｊＱＲ，ｊ＝１〜４のデータが取得される。この場合、例えば、照明光Ｑ１で物体６を照明すると、入射方向θｊ（ｊ＝１）についての物体光Ｏ１と照明光Ｑ１のホログラムＩ１ＯＱＲが受光素子４で取得され、同時に、照明光Ｑ１のホログラムＩ１ＱＲが受光素子４１で取得される。照明光Ｑ１のホログラムＩ１ＱＲは、照明光Ｑ１の情報を取得するためのものであるが、通常、ホログラムＩ１ＱＲ中に物体光Ｏ１が混入している。そこで、各照明光Ｑは、例えば、物体６を透過後に集光して広がるような集光点を有する細いビームを上述の図５における光源光Ｑｓとして用いて生成される。このような集光点を有する照明光Ｑを用いることにより、その集光点において、広く分布した物体光Ｏや参照光Ｒから区別でき、後処理によってホログラムデータから照明光Ｑを抽出することができる。また、物体光Ｏｉと照明光ＱｉのホログラムＩｉＯＱＲは、細いビームを光源光Ｑｓとして用いることにより、実質的に照明光Ｑｉを含まないホログラムとすることができる。
【００５２】
（データ取得工程Ｓ０：反射型）
図８（ａ）（ｂ）は、反射型のホログラフィック顕微鏡におけるデータ取得装置１０を示す。オフアクシスホログラムＩＬＲのデータは、図８（ａ）に示す光学系３で取得される。光学系３は、受光素子４の正面に配置したハーフミラーＨＭと、インライン球面波参照光ＬをハーフミラーＨＭで反射させて受光素子４に照射する集光レンズ３０と、ハーフミラーＨＭを通してオフアクシス球面波参照光Ｒを受光素子４に照射する集光レンズ３２と、を備えている。参照光Ｌの集光点Ｐ１の近くに物体６を配置することが想定され、集光レンズ３０の対向位置に照明光用の集光レンズ３１を配置することが想定されている。参照光Ｌと参照光Ｒの各集光点Ｐ１，Ｐ２の位置、および物体６からの物体光の発生点の位置は、互いに近接する配置とされている。これにより、大開口数のホログラム取得が可能となる。なお、インライン球面波参照光Ｌは、ホログラフィック画像処理の基準となる光である。従って、光学系３は、参照光Ｌに擾乱を与えないように、参照光ＬがハーフミラーＨＭを通過しない構成となっている。
【００５３】
オフアクシスホログラムＩｊＯＱＲのデータは、図８（ｂ）に示す光学系３で取得される。この光学系３では、上述の集光レンズ３０の位置に物体６が配置され、ハーフミラーＨＭを挟んで物体６に対向する位置に、照明光Ｑ用の集光レンズ３１が配置される。物体６の上には、照明光Ｑの一部を反射させるカバーガラス６１が配置されている。集光レンズ３１に入射される光Ｑを角度ψで示すように左右に、より一般的には歳差運動的に、振ることにより、物体６を照射する照明光Ｑの入射方向が変化する。各入射方向の照明光Ｑによって照明される共通の局在領域が、画像を取得して再生される注目領域（観察領域）である。物体光Ｏは、ハーフミラーＨＭで反射して受光素子４に入射する。照明光Ｑの一部は、カバーガラス６１で反射されて受光素子４に入射する。受光素子４に至った物体光Ｏと照明光Ｑは、参照光Ｒによって、共通の大開口数のオフアクシスホログラムＩｊＯＱＲとして記録される。オフアクシス球面波参照光Ｒは、これらのホログラムを記録する間、参照光ＬのオフアクシスホログラムＩＬＲを取得した光学的条件に維持される。
【００５４】
カバーガラス６１は、照明光Ｑを正確に再生するために用いられる。カバーガラス６１の平面の平坦度は、その表面の凹凸変化が照明光Ｑの波長λ程度以下とされる。反射によって得られた照明光Ｑのデータは、物体光Ｏが発生している位置における照明光となるようにデータ処理される。すなわち、照明光Ｑは、カバーガラス６１で反射された位置まで逆向きに伝搬され、その後、もとの照明光の進行方向に沿って媒質の屈折率を考慮しつつ、カバーガラス６１の内部に伝搬される。
【００５５】
カバーガラス６１に替えて、例えば、エレクトロクロミズムの原理に基づく調光ミラーデバイスを用いることにより、照明光Ｑの情報を単独で、オフアクシスホログラムＩｊＱＲとして取得することができる。これにより、カバーガラス６１や物体６の配置を操作することなく、調光ミラーデバイスによる反射と透光とを電気的に切り替えて、照明光Ｑの反射光だけを、物体光Ｏと分離して効率的に記録することができる。この場合、オフアクシスホログラムＩｊＯＱＲから照明光Ｑの情報を抽出する処理が不要となる。また、後述の偏光および偏光板を用いる方法と組み合わせて、物体光Ｏを照明光Ｑから分離して効率的に記録することができる。また、カバーガラス６１の上面には、例えば、光を通さない金属蒸着膜層などによって形成した、開口を有するマスクを設けることが好ましい。マスクの開口は、例えば、物体６の観察領域を限定し、かつ照明光Ｑを通過させる大きさに制限する。このようなマスクにより、物体６の内部や非観察領域で発生する多重反射光などの擾乱光（バックグラウンド光）が受光素子４に入射するのを防止でき、高品質のホログラムを取得できる。
【００５６】
図９（ａ）（ｂ）は、多方向からの細いビーム状の照明光Ｑを用いる場合の、反射型のデータ取得装置１０を示す。受光素子４に対向して物体６が配置され、物体６の表面には、照明光Ｑの一部を反射するカバーガラス６１が配置されている。この反射型のデータ取得装置１０の光学系３は、上述の図６（ａ）（ｂ）、図７（ａ）（ｂ）に示した透過型の光学系３における照明光Ｑ１〜Ｑ４を、受光素子４の側方側から物体６の表面に入射させるように構成したものである。受光素子４によって、照明光Ｑ１〜Ｑ４による物体光Ｏと照明光ＱのホログラムＩｊＯＱＲ，ｊ＝１〜４のデータが取得される。ホログラムＩｉＯＱＲは、実質的に照明光Ｑｉを含まないホログラムとすることができる。
【００５７】
受光素子４の周辺に配置した受光素子４１〜４４によって、照明光Ｑ１〜Ｑ４のホログラムＩｊＱＲ，ｊ＝１〜４のデータが取得される。各受光素子４１〜４４には、参照光Ｒと照明光Ｑ１〜Ｑ４の他に、物体光Ｏｊが入射する。そこで、カバーガラス６１で反射した後に集光する集光点を有する照明光を用いることにより、ホログラムＩＪＯＱＲから照明光Ｑｊの情報を抽出容易とする。また、照明光Ｑを単独で記録するために、カバーガラス６１に替えて、エレクトロクロミズムの原理に基づく調光ミラーデバイスを用いて、照明光Ｑ１〜Ｑ４のホログラムＩｊＱＲ，ｊ＝１〜４を取得するようにしてもよい。
【００５８】
（画像再生の工程（Ｓ１乃至Ｓ７）の詳細）
以下では、ホログラムのデータ処理等について、数式表現を用いて説明する。各式中の係数、引数、添え字などは、一般的な表現と意味に解釈される。また、以下の各式において、位置座標（ｘ，ｙ）の明示、各入射方向θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎを区別する添え字ｊなどは、適宜省略される。ホログラムの取得と画像再生には、参照光Ｒ，Ｌ、物体光Ｏ、照明光Ｑ、物体光Ｏと照明光Ｑの混合光などが関与する。なお、数式の表記上、物体光Ｏと照明光Ｑの混合光を混合光Ｔと表記する。同様に、このような混合光に関する各ホログラムについての表記を適宜改めてＩＯＱＲをＩＴＲ，ＪＯＱＲをＪＴＲ，ＪＯＱＬをＪＴＬで表記する（ＩＯＱＲ＝ＩＴＲ，ＪＯＱＲ＝ＪＴＲ，ＪＯＱＬ＝ＪＴＬである）。
【００５９】
そこで、受光素子４の受光面（平面であると想定されている）における位置座標（ｘ，ｙ）を用いて、参照光Ｒ（ｘ，ｙ，ｔ），Ｌ（ｘ，ｙ，ｔ）、および混合光Ｔ（ｘ，ｙ，ｔ）を、それぞれ一般的な形で、下式（１）〜（３）のように表す。これらの光は、互いにコヒーレントな角周波数ωの光である。受光素子４の表面における干渉縞の光強度ＩＬＲ（ｘ，ｙ），ＩＴＲ（ｘ，ｙ）は下式（４）（５）となり、これらがオフアクシスホログラムとして記録される。
【００６０】
【数１】
2015064088.tif 000003
【００６１】
（フィルタリング工程Ｓ１，Ｓ２）
上式（４）（５）に空間周波数フィルタリングを適用して各式の右辺第３項のみを取り出す。空間周波数フィルタリングは、上式（４）（５）を空間周波数の空間における表現にするフーリエ変換と、バンドパスフィルタによるフィルタリングと、その後の、逆フーリエ変換とによって行われる。この工程により、参照光Ｌを記録した複素振幅ホログラムＪＬＲ、および混合光Ｔを記録した複素振幅ホログラムＪＴＲ（＝ＪＯＱＲ）が、下式（６）（７）に得られる。これらはいずれもオフアクシスホログラムである。参照光Ｒ，Ｌが球面波とされていることにより、空間周波数空間において、光強度成分および共役像成分から、直接像成分を分離することができる。なお、受光素子４における画素が画素ピッチｄで２次元配列されているとすると、受光素子４を用いて記録可能なホログラムの最大空間周波数は、ｆｓ＝１／ｄとなる。
【００６２】
【数２】
2015064088.tif 000004
【００６３】
（インライン化変調工程Ｓ３）
得られたＪＬＲによってＪＴＲを割ると、式（６）（７）から参照光Ｒの振幅Ｒ０と位相φＲとを取り除くことができる。この除算処理により、像再生に用いる混合光Ｔの複素振幅ホログラムＪＴＬが、下式（８）に得られる。この割り算の処理は、空間ヘテロダイン変調の処理であり、かつ、強度に対する処理でもあり、オフアクシスの複素振幅ホログラムＪＴＲから、参照光Ｒの成分（強度と位相の両方）を除去する処理である。数式上には現れていないが、参照光Ｒがオフアクシス球面波参照光Ｒであり、参照光Ｌがインライン球面波参照光Ｌであることにより、ＪＴＬは複素振幅インラインホログラムＪＴＬ（＝ＪＯＱＬ）となり、これは大開口数を有するホログラムとなる。
【００６４】
【数３】
2015064088.tif 000005
【００６５】
（照明光分離工程Ｓ４）
照明光分離工程（Ｓ４）では、物体光Ｏを含む複素振幅インラインホログラムＪＴＬに対し、インライン球面波参照光Ｌの位相φＬを用いて空間ヘテロダイン変調を行い、再生面ｚ＝０における光波ｇを生成する。その後、平面波展開を用いて前記光波ｇを特定の再生面ｚ＝ｚＳに伝搬させる。これにより、複素振幅インラインホログラムＪＴＬから、特定の再生面ｚ＝ｚＳににおける物体光Ｏと照明光Ｑの再生光波である物体光再生光波ｈを生成する。再生光波ｈは物体光Ｏと照明光Ｑを含んでいる。その再生光波ｈから、照明光Ｑの再生光波ｃを分離抽出する。特定の再生面ｚ＝ｚＳは、混合光Ｔの中の照明光Ｑの光波が局在し、物体光Ｏが広がる位置の再生面であり、照明光Ｑの集光点の位置が選ばれる。
【００６６】
空間ヘテロダイン変調のために、インライン球面波参照光Ｌの受光素子４の受光面における位相φＬ（ｘ，ｙ）が、参照光Ｌが球面波であることを用いて、関数式の形で求められる。位相φＬを用いる空間ヘテロダイン変調は、上式（８）に、ｅｘｐ（ｉφＬ（ｘ，ｙ））を乗じることで実施される。この空間ヘテロダイン変調の結果、下式（９）に示す混合光Ｔの複素振幅インラインホログラムｇ（ｘ，ｙ）が得られる。この複素振幅インラインホログラムｇ（ｘ，ｙ）は、上述の再生面ｚ＝０における光波ｇに対応するものであり、以下では、このホログラムを光波ｇ（ｘ，ｙ）または光波ｇなどと称する。インライン球面波参照光Ｌは、このように、オフアクシスホログラムから参照光Ｒの成分（強度と位相の両方）を除去し、自らの位相も除去してオフアクシスホログラムからインラインホログラムを導出する基準光として重要な役割を担っている。また、球面波の位相φＬ（ｘ，ｙ）は数学的に正確に求められるので、得られる光波ｇ（ｘ，ｙ）も数学的に正確なものとなる。
【００６７】
【数４】
2015064088.tif 000006
【００６８】
この光波ｇ（ｘ，ｙ）は、受光素子４の受光面における混合光Ｔの波面、すなわち、受光面の法線方向にとられたｚ軸における受光面の位置をｚ＝０としたときのｚ＝０における混合光の光波分布を表す。光波ｇ（ｘ，ｙ）は、ホログラフィック顕微鏡による観測対象となる局在領域（物体光の光源）からの光を記録したものであり、その空間周波数は、凸レンズによるニュートンリングのごとく、平面状の受光面の中心から離れるにつれて大きくなり端で最大になる。開口数が大きくなればなるほど、混合光を表す光波ｇ（ｘ，ｙ）の空間周波数帯は広くなる。物体光の光源近くに局在した仮想点光源を有する球面波参照光Ｒ，Ｌを用いてホログラムを記録することにより、平面波参照光を用いる場合よりも、ホログラムにおける空間周波数を低く押さえることができる。受光素子を望む開口半角をθＮＡとするとＮＡ＝ｓｉｎθＮＡであり、開口端部における干渉縞の間隔はλ／ｓｉｎθＮＡすなわちλ／ＮＡとなる。従って、ホログラムの開口数ＮＡおよび光波長λを用いると、光波ｇ（ｘ，ｙ）の最大空間周波数はＮＡ／λである。
【００６９】
（平面波展開）
ｚ軸上の任意位置での光波（波面）は、以下に示す平面波展開法によって、受光面上の光波ｇ（ｘ，ｙ）から再生できる。平面波展開法では、光波ｇをフーリエ変換した結果である変換関数Ｇを求め、平面波の分散関係を満たす空間周波数（ｕ，ｖ，ｗ）および変換関数Ｇを用いて混合光Ｔを、平面波の重ね合わせによって再生する。電磁波に関するヘルムホルツ方程式の厳密解として球面波と平面波がある。この厳密解である平面波を用いて混合光Ｔ、および物体光Ｏや照明光Ｑを記録したホログラムを展開すると、それらの光の正確な光波を再生できる。そこで、まず、上式（９）のｇ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換して、ｚ＝０における変換関数Ｇを、下式（１０）のように求める。この変換関数Ｇは、混合光Ｔの空間周波数スペクトルである。
【００７０】
【数５】
2015064088.tif 000007
【００７１】
次に、平面波の分散関係を満たす空間周波数（ｕ，ｖ，ｗ）および上記の変換関数Ｇを用いて、下式（１１）に示すように、ｚ＝ｚＳにおけるｘｙ平面上の混合光Ｔの光波ｈ（ｘ，ｙ）を再生する。再生光波ｈ（ｘ，ｙ）は、混合光Ｔの空間周波数スペクトルである変換関数Ｇの重み付けによって平面波を重ね合わせることにより求められる。再生位置は任意の値とすることができるので、ｚＳは光波ｈ（ｘ，ｙ）から照明光の光波ｃを分離しやすい位置の（値）とする。ここで、（ｕ，ｖ，ｗ）におけるｕ，ｖはそれぞれｘ，ｙ方向の空間周波数であり、ｚ方向の空間周波数ｗは、下式（１２）に示すように、平面波の分散式から求められる。式（１２）におけるλは光波長であり、ｎは、光路上の媒質の屈折率である。式（１１）の光波ｈ（ｘ，ｙ）は、受光素子４の受光面における境界条件としての光波ｇ（ｘ，ｙ）を満たすヘルムホルツ方程式の厳密解である。
【００７２】
【数６】
2015064088.tif 000008
【００７３】
式（１１）の光波ｈ（ｘ，ｙ）は、その絶対値の２乗｜ｈ（ｘ，ｙ）｜２によって求めた画素毎の光の強度を電子ディスプレイに表示することにより、無歪の画像として見ることができる。そのような画像中の強度の大きな領域が照明光Ｑの存在する領域として特定できる。そのような特定領域のデータを、光波ｈ（ｘ，ｙ）のデータから抽出することにより、照明光Ｑの光波ｃ（ｘ，ｙ）を分離して取得できる。
【００７４】
（光波計算工程Ｓ５）
上述のｚ＝ｚＳにおける光波ｈ（ｘ，ｙ），ｃ（ｘ，ｙ）を、画像再生用の任意の再生面ｚ＝ｚＰまで伝搬させた光波ｈ（ｘ，ｙ），ｃ（ｘ，ｙ）を求める。その再生面ｚ＝ｚＰの位置で、光波ｃ（ｘ，ｙ）の位相成分ξを、ξ＝ｃ／｜ｃ｜によって求める。光波ｈ（ｘ，ｙ）は、上式（１１）を用いて、ｚ＝ｚＳからｚ＝ｚＰまで伝搬させることができる。光波ｃ（ｘ，ｙ）を伝搬させるために、光波ｃ（ｘ，ｙ）から、上式（１０）のＧ（ｕ，ｖ）と同様の変換関数Ｂ（ｕ，ｖ）を下式（１３）によって求める。また、ｚ＝ｚＰまで伝搬させた光波ｈ（ｘ，ｙ），ｃ（ｘ，ｙ）は、それぞれ下式（１４）（１５）となる。下式（１４）の光波ｃ（ｘ，ｙ）を用いて、位相成分ξ＝ｃ／｜ｃ｜が求められる。
【００７５】
【数７】
2015064088.tif 000009
【００７６】
（位相調整工程Ｓ６）
この工程は、大開口の画像を再生するための重要な工程である。位相調整工程（Ｓ６）は、混合光Ｔ（物体光Ｏと照明光Ｑとの混合光）の光波ｈ（ｘ，ｙ）から、照明光Ｑの光波ｃ（ｘ，ｙ）の位相成分を除去する工程である。位相成分の除去は、光波ｈ（ｘ，ｙ）を位相成分ξによって除算して、位相調整再生光波ｈ／ξ、すなわち、ｈ／（ｃ／｜ｃ｜）を求めることで実施される。上述の各工程（Ｓ２乃至Ｓ６）の処理は、各入射方向θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎの光について行われる。このことを明示して位相調整再生光波ｈ／ξを表示すると、ｈｊ／ξｊ，ｊ＝１，・・，Ｎとなる。
【００７７】
（光波総和工程と光強度計算工程Ｓ７）
これらの工程において、画像再生用の再生面ｚ＝ｚＰにおける光波である合成光波ＨＰおよび画像ＳＰが、下式（１６）（１７）によって生成される。
【００７８】
【数８】
2015064088.tif 000010
【００７９】
画像ＳＰは、画素毎の光の強度を電子ディスプレイに表示することにより、無歪の画像として見ることができる。無歪の画像は、物体光Ｏ（混合光Ｔ）の発生位置と受光素子４との間に結像レンズを設けないことによって実現される。式（１４）（１５）におけるｚ＝ｚＰの値を変えることにより、その位置での画像を再生して表示することができる。
【００８０】
図１０、図１１は、上述の画像再生方法における、開口数の拡大を周波数空間において概念的に示す。これらの図は、上述の図６（ａ）（ｂ）、図７（ａ）（ｂ）に示した、広がりの少ないビーム状の照明光Ｑ１〜Ｑ４を用いて透過型の装置による画像再生を想定している。照明光Ｑは、真四角の受光素子４の対角線方向（入射方向θｊ，ｊ＝１〜４）から照射されている。ここで、受光素子４の開口数をＮＡＯ、照明光Ｑの斜め入射に基づく開口数をＮＡＱとして、波長をλを用いて、ａ＝（ＮＡＯ）／λ、ｂ＝（ＮＡＯ＋ＮＡＱ）／λを定義する。周波数空間ｕｖにおいて、±ａの領域は、受光素子４によって記録できる空間周波数領域である。
【００８１】
図１０（ａ）（ｂ）は、上述の位相調整工程（Ｓ６）の処理を行う前の、照明光Ｑ１〜Ｑ４と物体光Ｏ１〜Ｏ４（これらの物体光は、一般に照明光も含む混合光である）の周波数分布を示す。照明光Ｑ１〜Ｑ４は、受光素子４の外周の受光素子４１〜４４によって記録されており、位相調整前の図１０（ａ）において、±ａの領域の外部に現れている。また、物体光Ｏ１〜Ｏ４は、受光素子４１〜４４の配置中心にある受光素子４によって記録されており、位相調整前の図１０（ｂ）において、±ａの領域に現れている。これらの物体光Ｏ１〜Ｏ４は、物体に対して斜め入射した照明光Ｑ１〜Ｑ４によって発生した光であり、物体を正面から照明したときには得られない光である。これらの物体光Ｏ１〜Ｏ４は、斜め入射の照明光Ｑ１〜Ｑ４によって空間周波数が変調された光となっている。
【００８２】
図１１（ａ）（ｂ）に示すように、位相調整工程（Ｓ６）の処理を行った後では、斜め入射照明光による周波数変調によって画像の空間周波数がシフト、すなわち復調されている。位相調整後の図１１（ａ）に示すように、位相調整を行うと、斜め入射の照明光Ｑ１〜Ｑ４は中央の低周波数側に移動する。また、物体光Ｏ１〜Ｏ４については、位相調整後の図１１（ｂ）に示すように、ｈ／ξによる位相調整によって、画像の空間周波数は復調され、各物体光Ｏｊの空間周波数は、それぞれ対応する照明光Ｑｊの位相に基づいて、対角方向に、高周波数領域に向けて移動する。
【００８３】
画像の空間周波数領域が拡大されることにより、高分解能の画像が得られる。これを開口数の観点から見ると、位相調整後の光波ｈｊ／ξｊの加算によって、物体光の開口数は（ＮＡＱ＋ＮＡＯ）に拡大されることになる。少なくとも２方向からの照明光によって、部分的に解像度を向上できる。より多くの入射方向からの照明光を用いることにより、空間周波数空間をより満遍なく物体光のデータで覆うことができ、実空間における各方向の解像度を満遍なく向上させることができる。また、光波ｈｊ／ξｊを多重に加算することにより、スペックルの影響を減らしたり、感度を上げたりすることができる。
【００８４】
上述の光波ｈｊ／ξｊの加算は、観察する物体光Ｏの発生位置において各照明光Ｑのｚ軸方向の波数ｋｚが所定の許容範囲内で同じとなる条件を満たす照明光Ｑｊについて行われる。各照明光Ｑｊの波数ｋｚを同じとするには、各照明光Ｑｊの入射方向θｊ＝（αｊ，βｊ）における方位角αｊは任意であるが、天頂角βｊを同じにする必要がある。このような条件により、加算結果であるΣｈｊ／ξｊの位相におけるｋｚ（ｚ−ｚＰ）に起因するｚ依存性をなくことができる。このｚ依存性は、焦点深度に関連する。従って、焦点深度の許容範囲に基づいて、天頂角βの振れ幅の許容範囲が設定される。なお、物体光波ｈｊには、再生面ｚ＝ｚＰ以外の空間で発生した物体光の情報も含まれている。
【００８５】
（多方向入射照明光を用いた高分解能画像の記録と再生）
ここで、開口数と分解能について説明する。波長λの正面入射の照明光、つまり入射角θｉ＝０の照明光を間隔ｄの回折縞（回折格子として作用する）に入射すると、回折角θｒと波長λおよび間隔ｄとの間に関係式、ｄ・ｓｉｎθｒ＝λが成り立つ。回折縞の空間周波数ｕは、ｕ＝１／ｄ＝ｓｉｎθｒ／λである。開口数がＮＡＯである正方形の受光素子で回折光を記録する場合、記録可能な回折縞の空間周波数帯域は、−（ＮＡＯ）／λ＜ｕ＜（ＮＡＯ）／λと表せる。この空間周波数帯域に対する理論分解能δは、δ＝λ／（２ＮＡＯ）である。受光素子の開口数はＮＡＯ＜１であるので光学的な分解能限界はλ／２となる。これは、伝搬する物体光を開口数ＮＡＯのホログラムとして記録したときの分解能限界を表す。
【００８６】
照明光の入射角θｉをゼロ以外とする場合には、ｄ・ｓｉｎθｉ＋ｄ・ｓｉｎθｒ＝λの関係式から、回折縞の空間周波数ｕは、ｕ＝１／ｄ＝（ｓｉｎθｉ＋ｓｉｎθｒ）／λである。従って、開口数ＮＡＯの正方形受光素子で記録する場合、記録可能な回折縞の空間周波数帯域は、（ｓｉｎθｉ−ＮＡＯ）／λ＜ｕ＜（ｓｉｎθｉ＋ＮＡＯ）／λと表せる。つまり、斜め入射の照明光によって周波数シフトが発生する。照明光Ｑの開口数をＮＡＱで表し、照明光の入射角θｉを−ＮＡＱ＜ｓｉｎθｉ＜ＮＡＱの範囲で変化させると、記録可能な回折縞の空間周波数帯域を、（−ＮＡＱ−ＮＡＯ）／λ＜ｕ＜（ＮＡＱ＋ＮＡＯ）／λの範囲まで拡大することができる。
【００８７】
空間周波数ｕが、−（１／λ）以下および（１／λ）以上の波は、入射角θｉ＝０の照明光の場合には伝搬できないエバネッセント波となるが、斜め入射照明光の場合には照明光によって周波数変調されて伝搬可能な波に変換される。上式中の（ＮＡＱ＋ＮＡＯ）は照射光の方向変化によって拡大された結果の開口数を表し、各開口数ＮＡＱ，ＮＡＯは、通常、いずれも１より小さく、ＮＡＱ＜１，ＮＡＯ＜１であるが、照明光の方向を最大限に変えて物体光を記録すると開口数を最大２近くまで拡大できる。また、記録可能な最大の空間周波数帯域は、−２／λ＜ｕ＜２／λとなる。この空間周波数帯域の幅から決まる分解能限界はλ／４となる。このことは、照明方向を変えながら物体光を記録することにより、分解能限界を２倍近くまで高くできることを示す。
【００８８】
記録された物体光Ｏは、物体内部の各点で照明光Ｑによって生じた光が重なり合った光であり、各光の位相は、その光が発生する位置において、照明光Ｑの位相と同じになる。このことを利用して各照明光Ｑ毎に、物体光Ｏの再生光波から位相成分を除去した位相調整再生光波ｈ／（ｃ／｜ｃ｜）を求める。この位相調整操作は、各照明光Ｑに対する物体光Ｏの位相を互いに規格化する。この除算による位相調整の操作によって、各照明光Ｑに対して再生面上で生じた物体光の位相が調整される。また、発生時に斜め入射の照明光Ｑによって周波数変調されて物体光が生じ、記録され、記録された物体光はこの位相調整の操作によって周波数復調される。復調に伴う周波数シフトによって高周波成分が生じる。
【００８９】
位相調整再生光波ｈ／（ｃ／｜ｃ｜）を各照明光Ｑについて加算して再生面における合成された物体光を求めると、物体光Ｏを構成する各光の位相は、その光が発生する位置において照明光Ｑの位相と一致しているので、再生面近傍で発生する物体光は位相調整後の加算によって強くなる。また、位相調整再生光波ｈ／（ｃ／｜ｃ｜）を各照明光Ｑについて加算することによって、合成された物体光の空間周波数帯域は広くなり、その結果として、合成された物体光から再生される画像の分解能は高くなる。図１２は、これらの画像再生方法の処理の流れをまとめたものである。
【００９０】
本実施形態の高分解能ホログラム画像用のデータ処理方法、すなわち、高分解能ホログラム画像再生方法および高分解能画像用のホログラムデータ取得方法によれば、球面波参照光と多方向照明光とで記録した複数の物体光を各照明光の位相情報によって調整して加算するので、物体光の開口数に照明光の開口数を加算した大開口数条件で画像を再生できる。大開口数条件での画像再生により、従来の光学顕微鏡の分解能を超えることができる。また、物体光と照明光とは、原理的に、透過型と反射型のいずれでもホログラムに記録できるので、透過型と反射型のいずれの顕微鏡も実現できる。
【００９１】
結像レンズの開口数は１より小さく、通常の光学顕微鏡の分解能は光の半波長を超えることはできない。照明光の方向を変えて物体光を記録すると、より高い次数の回折光まで記録できる。また、通常方法で記録される各物体光を複数枚用いることによっては、分解能限界を超えることはできない。これらの事実はよく知られている。本実施形態は、この限界を超えて超高分解能を達成する方法として、照明光の方向を変えて、複数枚のホログラムに物体光を照明光と共に正確に記録し、記録した複数枚のホログラムの物体光を使い、かつ、照明光の位相情報を用いて、開口数を拡大した物体光を合成する。本実施形態においては、レンズレスホログラフィを用いて、物体光と照明光とを大開口数のホログラムとして記録し、得られたホログラムから照明光を分離し、複数の照明光再生光波と物体光再生光波を使って開口数が１を超える物体光を計算機合成している。このように合成した物体光を使うことにより、高分解能ホログラム画像を再生することができる。
【００９２】
（複数受光素子を用いた高開口数での記録）
図１３、図１４は、複数の受光素子４を用いて物体光を記録する例を示す。通常市販のＣＣＤ等の受光素子は、レンズを通して正面からの光を平面の受光面で受光することが想定されているため、受光面への斜め入射光に対して感度が落ちるという問題がある。そこで、複数の受光素子を用いることにより、斜め入射光に対する感度の問題を回避することができる。各受光素子４による記録画像は、座標変換等を含むデータ処理によって、例えば、正面の受光素子４の受光面を画像再生用の再生面ｚ＝ｚＰとして再生して合成することができる。
【００９３】
（複数受光素子間の較正方法）
図１５は、上述の図６、図７、図９、および図１３、図１４に示したような、複数の受光素子を用いて物体光Ｏや照明光Ｑを記録した場合の各データ間の較正処理について示す。このようなデータ取得装置の構成の場合、各受光素子の光軸（受光素子の中心法線）上にインライン球面波参照光Ｌの基準点（集光点Ｐ１）が位置するように、各受光素子が配置される（＃１）。次に、物体配置位置に、位置と平面を決定できるパターンを有する較正用物体、例えば、ガラス面上の中央に三角形に配置した微小な点パターンを配置する（＃２）。中央正面の受光素子の受光面に平行に配置する。その後、較正用物体について、上述の図１におけるデータ取得工程（Ｓ０）と同様に、各受光素子によって、ホログラムＩＬＲ，ＩｊＯＱＲ，ｊ＝１，・・，Ｎのデータを取得する。
【００９４】
その後、入射方向ループｊ＝１，・・，Ｎ、受光素子ループｊ２＝１，・・，Ｎ２（工程＃４〜＃１０）において、受光素子の位置すなわち基準点Ｐ１からの距離ρ、および、受光素子の２軸方向の傾き角度γ１，γ２が決定される。工程（＃４〜＃７）では、各受光素子の中心と基準点Ｐ１との距離ρを決定する。まず仮の距離ρを設定し（＃４）、較正用物体上の点パターンの１つに合焦させ（＃５，＃６）、距離ρを決定する（＃７）。
【００９５】
工程（＃８，＃９）では、距離ρが決定された点パターンを不動点として、再生画像を回転角度γ１，γ２で２軸方向に回転させ、画像全体で合焦した角度を、受光素子の傾き角度γ１，γ２として決定する。距離ρと角度γ１，γ２とが、受光素子配置情報として記録される（＃１０）。受光素子配置情報（ρ，γ１，γ２）は、各受光素子の画像データを、互いに同一平面内で重ね合わせて合成する際の位置調整情報として用いられる。
【００９６】
（画像の高分解能化）
図１６、図１７（ａ）（ｂ）は画像の高分解能化、すなわち、画像の面内分解能の向上について示す。この画像の高分解能化によって、画像の拡大が可能になる。高分解能化は、複素振幅インラインホログラムＪｊＯＱＬのサンプリング間隔を細分化して実質的にサンプル数を増やすことで実現される。上述した複素振幅インラインホログラムＪｊＯＱＬは、球面波参照光Ｒ，Ｌを用いて、また、結像レンズを用いることなく求められている。従って、空間サンプリング間隔を細分化して光波長程度まで小さくしたホログラムを作成し、そのホログラムから画像を再生して拡大しても歪みは発生しない。そこで、図１６に示すように、この高分解能化の処理工程は、実質的に画素数を増やす画素数増大工程（Ｓ４ａ）と、その後の照明光分離工程（Ｓ４ｂ）と、を備えている。これらの工程は、図１に示した照明光分離工程（Ｓ４）における、分解能についての改良版になっている。
【００９７】
画素数増大工程（Ｓ４ａ）では、図１７（ａ）（ｂ）に示すように、受光素子４の画素ピッチｄに対応する空間サンプリング間隔ｄを有する複素振幅インラインホログラムＪｊＯＱＬに対して、空間サンプリング間隔ｄを細分化して空間サンプリング間隔δとする。その後、細分化によって生じた新たなサンプリング点に対してデータ補間を行って実質的に画素数を増やす。データ補間の方法として、画像処理における周知の３次式によるデータ補間やｓｉｎｃ関数によるデータ補間を用いることができる。データ補間としてｓｉｎｃ補間を用いれば、３次式を用いた補間に比べて数値計算に時間がかかるが、より正確な結果を得ることができる。複素振幅インラインホログラムＪｊＯＱＬ（別の表記でＪｊＴＬ）に対してデータ補間によって画素数を増やした結果を複素振幅インラインホログラムＫｊＯＱＬ（別の表記でＫｊＴＬ）と表すことにする。なお、受光素子４の画素ピッチｄは、画素の配列方向（ｘｙ方向）で互いに異なってもよく、空間サンプリング間隔δも画素の配列方向で互いに異なるものとすることができる。
【００９８】
照明光分離工程（Ｓ４ｂ）では、ホログラムＪｊＯＱＬ（ＪｊＴＬ）の代わりにホログラムＫｊＯＱＬ（ＫｊＴＬ）を用いて、図１に示した照明光分離工程（Ｓ４）と同様の処理が行われ、再生光波ｈｊの生成、照明光の再生光波ｃｊの抽出分離が行われる。これらの再生光波ｈｊ，ｃｊを用いて再生される画像は、分解能がｄ／δ倍に高められた画像であり、歪みなしで倍率ｄ／δ倍に拡大された画像を得ることができる。画像の大きさ（絶対寸法）は、画素ピッチｄを物差しとして計測される。
【００９９】
（画像再生の高速化）
図１８、図１９（ａ）（ｂ）、図２０（ａ）（ｂ）（ｃ）は、画像再生時の計算量を削減できる高速化処理について示す。高速化処理は、図１８に示すように、分割工程（Ｓ２１）、合成工程（Ｓ２２）、変換関数生成工程（Ｓ２３）によって行われる。これらの処理の全体は、上述の式（１０）の変換関数Ｇ（ｕ，ｖ）の生成についての、計算速度の改良版である。この計算速度の高速化は、上述の式（１３）の再生光波ｃからの変換関数Ｂ（ｕ，ｖ）の生成についても同様に適用できる。この高速化は、上述の画素数増大に起因する要請に答えるものである。上述のように、複素振幅インラインホログラムＪｊＯＱＬ（すなわちＪｊＴＬ）から高分解能な再生光を再生することができるので、平面波展開を用いて高分解能画像を再生するために、空間サンプリング間隔を光波長程度まで狭くする。このとき、例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて、妥当な計算時間のもとで数値計算が可能となる範囲に、サンプリングデータ数を抑える必要がある。逆に、計算時間の短縮が図られるならば、サンプリングデータ数をさらに増加させることができ、より高分解能で無歪画像を再生することができる。
【０１００】
この高速化は、互いに周波数帯域の異なるデータは波の重ね合わせによって互いに足し合わせた状態で計算処理をすることができる、という原理に基づく。異なる周波数帯域に記録されたそれぞれの情報は空間的に重ねても失われずに保存される。このことを利用することにより、周波数帯域の広いホログラムを分割して重ねて、広帯域でコンパクトな「微小ホログラム」を作成することができる。また、複素振幅インラインホログラムＪｊＯＱＬ（ＪｊＴＬ）や上式（９）の複素振幅インラインホログラムとしての光波ｇｊ（ｘ，ｙ）は、これらを分割しても、その分割した各領域に画像を再生するための情報を保持している。ここで改めて、光波ｇｊ（ｘ，ｙ）をホログラムｇｊ（ｘ，ｙ）と呼ぶ。
【０１０１】
図１９（ａ）は、幅Ｄのホログラムｇｊ（ｘ，ｙ）を幅Δの微小ホログラムｇ１，ｇ２，ｇ３に分割する様子を示す。このホログラムｇｊ（ｘ，ｙ）は、１枚で再生像６０を再生できる。このようなホログラムｇｊ（ｘ，ｙ）を、図１９（ｂ）に示すように、幅Δだけずらしながら重ねたホログラムは、幅Δの周期を有する周期的なホログラムになり、多数の同じ再生像６０を幅Δの間隔ごとに再生することができる。計算点数は、重ね合わせた微小ホログラムｇｊｉの枚数の逆数分に圧縮される。つまり、ｎ枚重ねると、計算量は、１／ｎになる。照明光複素振幅インラインホログラムｂｊ（ｘ，ｙ）についても同様である。
【０１０２】
そこで、分割工程（Ｓ２１）において、図２０（ａ）に示すように、例えば、ホログラムｇｊ（ｘ，ｙ）を幅Δ，Δ’の数枚の微小ホログラムｇｊｉに分割し、図２０（ｂ）（ｃ）に示すように、各微小ホログラムｇｊｉを互いに重ね合わせて合成微小ホログラムΣｊを再生する。この合成微小ホログラムΣｊに対して、上述の式（１０）（１１）（１２）に基づく計算を行えば、計算時間の短縮が図られる。
【０１０３】
分割工程（Ｓ２１）では、ホログラムｇｊを分割して複数の微小ホログラムｇｊｉ，ｉ＝１，・・，ｎを生成する。合成工程（Ｓ２２）では、微小ホログラムｇｊｉ，ｉ＝１，・・，ｎを互いに重ねて合成した合成微小ホログラムΣｊを求める。変換関数生成工程（Ｓ２３）では、合成微小ホログラムΣｊをフーリエ変換して変換関数Ｇｊ（ｕ，ｖ）を求める。フーリエ変換による変換関数Ｇｊ（ｕ，ｖ）を一度求めておけば、任意の距離ｚ＝ｚＰにおける光波ｈｊ（ｘ，ｙ，ｚＰ）は式（１１）より求められる。光波ｃｊ（ｘ，ｙ）についても、同様に分割して、合成微小ホログラムΠｊを求め、、合成微小ホログラムΠｊをフーリエ変換して上式（１３）の変換関数Ｂｊ（ｕ，ｖ）を求めることができる。
【０１０４】
このような画像再生方法によると、ＦＦＴを用いた数値計算により、自由焦点画像を容易かつ精度良く、高速に再生することができる。微小ホログラムｇｊｉの幅Δは、ホログラムｇｊ（ｘ，ｙ）の大きさ（幅Ｄ）や形状とは無関係に再生画像の大きさに合わせて設定することができる。分割の幅Δが、再生画像の大きさより小さくなると、再生像が隣同士で重なって再生される。従って、例えば、被写体の寸法が０．５ｍｍならば、幅Δは０．５ｍｍよりは大きな寸法にする。
【０１０５】
（受光素子のダイナミックレンジの確保）
図２１は、反射型の場合のデータ取得方法においてホログラムＩｊＯＱＲを記録する際に、受光素子４が受光する物体光Ｏと照明光Ｑの両者の光強度を光の偏光を用いて調節することについて示す。物体６から放たれる物体光Ｏは一般に広い指向性を持ち、また、発生効率が低いので、受光素子４に到達する物体光Ｏの強度は照明光Ｑに比べて小さくなる。弱い物体光Ｏを照明光Ｑと同時に記録するためには、受光素子４に到達する照明光Ｑを大幅に減衰させて物体光Ｏと同じ程度になるまで光強度を小さくする必要がある。
【０１０６】
そこで、照明光Ｑを方向Ｐｑに偏光させ、参照光Ｒを方向Ｐｒに偏光させ、受光素子４に入射する照明光Ｑと参照光Ｒとを互いに直交する偏光状態とする。受光素子４の前方には、偏光板ＰＰを配置する。共通ホログラムＩＯＱＲの記録は、物体光Ｏと照明光Ｑの反射光とを偏光板ＰＰを透過させることによって照明光Ｑの反射光を減衰させた状態で行う。偏光板ＰＰは方向Ｐｐに偏光した光を透過させるものとすると、偏光板ＰＰの配置した位置において、方向Ｐｐと照明光Ｑの偏光の方向Ｐｑとの角度を直角に近づけることにより、参照光Ｒは減衰させずに、照明光Ｑだけを大きく減衰させることができる。また、物体光Ｏは、その発生時にランダムな偏光状態になると考えられるので、偏光板ＰＰの影響を受けないと考えられる。参照光Ｒは、本来、独立にその強度を調整できる。従って、参照光Ｒと物体光Ｏに対して照明光Ｑの強度を適切に調整した状態の光を、受光素子４に入射させることができる。このような偏光と偏光板ＰＰとを用いるデータ取得方法により、物体光Ｏの光強度を保ちながら、受光素子４のダイナミックレンジを確保することができ、鮮明なホログラムを記録することができる。
【０１０７】
（ホログラム画像再生方法の他の実施形態）
図２２、図２３は、ホログラム画像再生方法の他の実施形態を示す。この実施形態は、データ取得工程（Ｓ３０）において、照明光ＱｊのホログラムＩｊＱＲのデータが、物体光Ｏｊから分離して取得される場合を想定している。物体光Ｏｊのデータは、照明光Ｑｊを含まないホログラムＩｊＯＲと、含むホログラムＩｊＯＱＲのいずれでもよい。ここでは代表してＩｊＯＲによって説明している。物体光Ｏｊから分離した、照明光Ｑｊ単独のホログラムＩｊＱＲは、例えば、反射型の場合に、物体６の全面においたカバーガラス６１や、エレクトロクロミズムの原理に基づく調光ミラーデバイスを用いることにより取得できる。照明光Ｑｊ単独のホログラムＩｊＱＲが得られることにより、上述の図１に示した照明光分離工程（Ｓ４）の処理による、オフアクシスホログラムＩｊＯＱＲから照明光Ｑの情報を抽出する処理が不要となる。言い換えれば、照明光ＱｊのホログラムＩｊＱＲのデータが得られない場合に、オフアクシスホログラムＩｊＯＱＲから照明光Ｑの情報を抽出する照明光分離工程（Ｓ４）の処理を行えばよい。
【０１０８】
フィルタリング工程（Ｓ３１）は、図１におけるフィルタリング工程（Ｓ１）と同様である。フィルタリング工程（Ｓ３２）では、ホログラムＩｊＯＲ，ＩｊＱＲの両方について処理が行われて、それぞれ複素振幅オフアクシスホログラムＪｊＯＲ，ＪｊＱＲが生成される。インライン化変調工程（Ｓ３３）では、ホログラムＪｊＯＲ，ＪｊＱＲから、それぞれ参照光Ｒ成分を除去した複素振幅インラインホログラムＪｊＯＬ，ＪｊＱＬが生成される。
【０１０９】
光波計算工程（Ｓ３２）では、照明光分離工程を経ることなく、画像再生用の任意の再生面ｚ＝ｚＰにおいて各ホログラムＪｊＯＬ，ＪｊＱＬから再生光波ｈｊ，ｃｊの生成、位相成分ξｊ＝ｃｊ／｜ｃｊ｜の算出が行われる。位相調整工程（Ｓ３５）および光波総和と光強度計算の工程（Ｓ３６）は、図１の位相調整工程（Ｓ６）および光波総和と光強度計算の工程（Ｓ７）と同様である。図２３は、これらの画像再生方法の処理の流れをまとめたものである。照明光Ｑｊの再生光波ｃｊについては、ホログラムＪｊＱＬからｚ＝０での再生光波ｂｊの生成、変換関数Ｂｊの生成が、上式（９）（１０）のｇ，Ｇと同様に行われる。その後、最終的に、画像再生用の再生面ｚ＝ｚＰにおける再生光波ｃｊが生成される。
【０１１０】
（ホログラフィック顕微鏡）
図２４は本発明の一実施形態に係るホログラフィック顕微鏡（以下、顕微鏡１という）を示す。顕微鏡１は、入射方向を替えた照明光Ｑを用いて微小物体６のホログラムを取得するデータ取得部１０と、データ取得部１０によって取得されたホログラムから画像を再生する画像再生部２０と、を備えている。顕微鏡１は、さらに、データ取得部１０および画像再生部２０を制御する制御部１１と、ＦＦＴ等の計算用プログラム、制御用データ等を記憶するメモリ１１ａとを備えている。データ取得部１０は、光源１０ａと、角度変更部２と、光学系３と、受光素子４と、記録部５とを備えている。光源１０ａは、コヒーレント光を放射するレーザである。角度変更部２は、光学系３と組み合わせて用いられ、物体に対する照明光Ｑの入射方向θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎを順次、同時、または任意の方法で変更する。
【０１１１】
光学系３は、角度変更部２と組み合わされて、光源１０ａが放射する光から照明光Ｑｊ，ｊ＝１，・・，Ｎ、オフアクシス球面波参照光Ｒ、およびインライン球面波参照光Ｌを構成し、これらの光と照明光Ｑによって照明される微小物体６から放たれる物体光Ｏとを伝搬させる。受光素子４は、１または複数用いられ、それぞれ光強度を電気信号に変換して記録部５に出力する。記録部５は、物体光Ｏと照明光Ｑの混合光Ｔとオフアクシス球面波参照光Ｒとの干渉縞ＩＯＱＲ、オフアクシス球面波参照光Ｒとインライン球面波参照光Ｌとの干渉縞ＩＬＲ等を、光源１０ａが放射する各入射方向θｊ，ｊ＝１，・・，Ｎの照明光毎に、受光素子４を用いてホログラムＩｊＯＱＲ，ＩｊＬＲ，ｊ＝１，・・，Ｎとして記録する。ホログラムのデータは、メモリ１１ａやデータベースＤＴ１に保存される。他のホログラムＩｊＯＲ，ＩｊＱＲや、複数の受光素子の配置を較正するためのホログラムデータ等も同様に取得保存される。
【０１１２】
画像再生部２０は、フィルタリング部２１と、インライン化変調部２２と、光波計算部２３と、照明光分離部２４と、画像計算部２５と、表示部２６と、を備えている。フィルタリング部２１は、記録部５によって記録されたホログラムＩｊＯＱＲ，ＩｊＬＲ等に空間周波数フィルタリングを適用して、それぞれ、物体光Ｏｊと照明光Ｑｊを記録した複素振幅オフアクシスホログラムＪｊＯＱＲ、およびオフアクシス球面波参照光Ｒを記録した複素振幅オフアクシスホログラムＪｊＬＲ等を生成する。
【０１１３】
インライン化変調部２２は、フィルタリング部２１によって生成された各複素振幅オフアクシスホログラムＪｊＯＱＲ等のデータを、フィルタリング部２１によって生成された複素振幅オフアクシスホログラムＪｊＬＲのデータでそれぞれ除算することにより、参照光Ｒ成分を除去した複素振幅インラインホログラムＪｊＯＱＬ等を生成する。
【０１１４】
光波計算部２３と照明光分離部２４とは、光波の再生と伝搬の計算、および照明光の位相を用いた位相調整の処理を行い、照明光分離部２４は、さらに、物体光Ｏと照明光Ｑの混合光Ｔから照明光の光波ｃの分離を行う。すなわち、光波計算部２３は、図１に示した光波計算工程（Ｓ５）の処理、図２２に示した光波計算工程（Ｓ３４）の処理を行い、照明光分離部２４は、図１に示した照明光分離工程（Ｓ４）の処理を行う。
【０１１５】
光波計算部２３と照明光分離部２４とは、これらの処理を高速、高分解能で行うために、画素数増大部２３ａと、空間変調部２３ｂと、分割部２３ｃと、合成部２３ｄと、を備え、任意位置で光波を生成するために平面波展開部２３ｅを備えている。画素数増大部２３ａは、複素振幅インラインホログラムＪｊＯＱＬ等の空間サンプリング間隔を細分化し、細分化によって生じた新たなサンプリング点に対してデータ補間を行って実質的に画素数を増やす。空間変調部２３ｂは、画素数増大部２３ａによって画素数を増やした複素振幅インラインホログラムＫｊＯＱＬから物体光を表すホログラムｇｊを生成する。分割部２３ｃは、ホログラムｇｊを複数枚の微小ホログラムｇｊｉ，ｉ＝１，・・，ｎに分割する。合成部２３ｄは、分割部２３ｃによって得られた各微小ホログラムｇｊｉを互いに重ね合わせて合成微小ホログラムΣｊを再生する。これらの処理は、図１６に示した画像の高分解能化、図１８に示した画像再生の高速化の処理である。
【０１１６】
平面波展開部２３ｅは、例えば、空間変調部２３ｂが再生したホログラムｇｊをフーリエ変換し、その結果である変換関数Ｇｊを求め、平面波の分散関係を満たす空間周波数（ｕ，ｖ，ｗ）および変換関数Ｇｊを用いて、再生光波ｈｊを生成する。また、平面波展開部２３ｅは、合成部２３ｄによって生成された合成微小ホログラムΣｊをフーリエ変換することにより変換関数Ｇｊを求め、これを用いて上記同様に再生光波ｈｊを生成する。平面波展開部２３ｅは、照明光についても同様の処理を行う。
【０１１７】
画像計算部２５は、図１に示した光波総和と光強度計算の工程（Ｓ７）の処理行い、合成光波ＨＰと画像ＳＰを求める。表示部２６は、液晶表示装置などのＦＰＤであり、画像等を表示する。画像再生部２０の各部は、表示部２６を除いて、コンピュータ上で動作するプログラムとそのサブルーティン群を含むソフトウエアを用いて構成される。
【０１１８】
（実施例）
図２５乃至図３０は、原理的な実証実験の実施例を示す。この実施例では、上述の図２，図３に示した照明光用に集光レンズ３１を用いる透過型のデータ取得装置を備えたホログラフィック顕微鏡を用いて、ＵＳＡＦテストターゲットの画像を再生した。各ホログラムの取得に、半導体励起固体レーザ（波長５３２ｎｍ、出力５０ｍＷ）をコヒーレント光の光源として使用し、ホログラムの記録にはカメラリンクＣＣＤカメラを受光素子として使用した。レーザ光を直径約１００μｍの金球（微小球Ｍ）で反射させて開口数の大きい参照光Ｒを作り、参照光Ｒと球面波参照光Ｌが作る干渉縞ＩＬＲを記録した。また、ＵＳＡＦターゲットをＮＡ＝０．２８のレンズで集光した照明光Ｑで照明し、その照射角（ターゲットへの入射方向）を４方向に変化させて、物体光Ｏと参照光Ｒが作る干渉縞ＩＯＱＲのホログラムを４枚記録した。
【０１１９】
図２５（ａ）（ｂ）は入射方向を一方向に傾けた照明光で取得したＵＳＡＦテストターゲットの１つのホログラムにおける物体光と照明光の再生光波の空間周波数分布を示す。この図は、照明光Ｑと物体光Ｏとを含む物体光再生光波ｈに対応する。図２６（ａ）（ｂ）は上記の再生光波ｈから照明光Ｑを分離して生成された照明光再生光波ｃの位相ξを用いて位相調整（周波数変調）した後の物体光再生光波ｈ／ξの空間周波数分布を示す。位相調整によって、空間周波数分布がシフトしている。図２７は、図２６（ａ）の光波と同様に、４方向の入射方向の照明光を用いてそれぞれ取得したホログラムについて、位相調整した４枚のホログラム（再生光波）を互いに加算する様子を概念的に示す。図２８は、この処理で合成された再生光波の空間周波数分布を示す。
【０１２０】
図２９は、ＵＳＡＦテストターゲットに対する照明光の入射方向が異なる４枚のホログラムのうちの１枚から再生した画像を示す。図３０（ａ）は、実施例を示し、図２９の画像中の四角で示した部分について、入射方向の異なる４枚のホログラムを用いて再生したＵＳＡＦテストターゲットの再生画像、すなわち合成光波ＨＰから求めた再生画像を示す。図３０（ｂ）は、参考例として、同ホログラムのうちの１枚から再生したＵＳＡＦテストターゲットの再生画像を示す。
【０１２１】
図３０（ａ）の画像において、金球（微小球Ｍ）の表面の凹凸により、参照光Ｒの光強度分布に起因するムラが生じている。参照光Ｒの情報は、本来、画像再生の処理の中で消去されるべきものであるが、干渉縞ＩＬＲの記録と干渉縞ＩＯＱＲの記録の間に、参照光Ｒを生成する微小球Ｍの位置変動などが生じると、参照光Ｒの情報がノイズとして残ってしまう。図３０（ａ）により、このようなノイズによる画質の低下が確認できる。これらのノイズは、より滑らかな金球を用いて、より安定に金球の保持条件を確保することにより、低減することができる。また、本実施例において、照明光Ｑの再生光波ｃは、被写体であるＵＳＡＦテストターゲットを透過した照明光Ｑが一点に集光し、被写体によって散乱された光が集光点の周りに広く分布することを利用して物体光Ｏから分離した。
【０１２２】
図３０（ａ）の再生画像では、線間隔０．７８μｍの最小部分を見分けることができる。１枚のホログラムのＮＡ＝０．２８から求まる分解能が０．９５μｍとなることと比較して、本実施例における物体光の合成による高分解能化が確認できる。また、実施例では、図３０（ｂ）に示す再生画像と比較して画質が大きく改善されている。
【０１２３】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明に係る多方向照明光を用いたオフアクシスホログラフィに基づくホログラフィック顕微鏡、データ処理方法（高分解能画像用のホログラムデータ取得方法、および高分解能ホログラム画像再生方法）は、結像レンズを用いない無歪物体光波の高速記録、開口数が１を超える透過物体光または反射物体光の記録、厳密解を用いた超高分解能な無歪自由焦点画像の再生、ＦＦＴを用いた高速画像再生、波の位相分布を用いた光透過物体の定量的解析など、多くの利点を有する。従って、本発明は、細胞分化・組織形成分野、再生医療分野、バイオテクノロジ分野、医療診断分野、精密光計測分野などにおいてこれらの利点を活かした広い用途に適用できる。従来の技術に対する本発明の新規性と優位性として、（１）培養液中の生体組織や生体細胞の大深度超高分解能３次元計測を可能にする、（２）低エネルギー照射により生きた生体組織の超高分解能計測を可能にする、（３）光位相分布を使った透明生体組織の超高分解能計測を可能にする、（４）反射物体光を使った超高分解能な３次元光計測を可能にする、などが挙げられる。本発明は、開口数の大きいホログラム複数枚を使って空気中開口数（ＮＡ）が１を超える大開口数ホログラムを合成することができ、通常の光学顕微鏡の解像限界を超える３次元像の再生を可能にする。これにより、超高分解能３次元生物顕微鏡を実現でき、ミトコンドリアやバクテリアなどの極微な被写体を３次元観察可能となる。【０１２５】
本願は日本国特許出願２０１３−２２３７６１に基づいており、その内容は、上記特許出願の明細書及び図面を参照することによって結果的に本願発明に合体されるべきものである。
【符号の説明】
【０１２６】
１    ホログラフィック顕微鏡
１０    データ取得装置、データ取得部
１０ａ    光源
２    角度変更部
２０    画像再生部
２２    インライン化変調部
２３    光波計算部
２４    照明光分離部
２３ａ    画素数増大部
３    光学系
４，４１〜４４    受光素子
５    記録部
６    物体
ＨＰ    合成光波
ＩｊＬＲ    参照光オフアクシスホログラム
ＩｊＱＲ    照明光オフアクシスホログラム
ＩｊＯＲ    物体光オフアクシスホログラム
ＩｊＯＱＲ    物体光照明光オフアクシスホログラム
ＪｊＬＲ    参照光複素振幅オフアクシスホログラム
ＪｊＯＲ    物体光複素振幅オフアクシスホログラム
ＪｊＱＲ    照明光複素振幅オフアクシスホログラム
ＪｊＯＱＲ    物体光照明光複素振幅オフアクシスホログラム
ＪｊＯＬ    物体光複素振幅インラインホログラム
ＪｊＱＬ    照明光複素振幅インラインホログラム
ＪｊＯＱＬ    物体光照明光複素振幅インラインホログラム
Ｌ    インライン球面波参照光
Ｍ    微小球（微小球面）
Ｏ，Ｏｊ，Ｏ１〜Ｏ４    物体光
Ｑ，Ｑｊ，Ｑ１〜Ｑ４    照明光
Ｒ    オフアクシス球面波参照光
ＳＰ    再生画像（光強度）
ｃｊ    照明光の再生光波（照明光再生光波）
ｇｊ    光波、ホログラム
ｈｊ    物体光の再生光波（物体光再生光波）
ｊ    入射方向を識別する整数変数
ｚＰ，ｚＳ    再生面
ξｊ    照明光Ｑの再生光波ｃに含まれる位相成分
φｊＬ    インライン球面波参照光の位相
【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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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【国際調査報告】
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