(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力し、そのレーザ光の波長が可変である光源と、
前記光源から出力されたレーザ光を分岐して第１分岐光および第２分岐光を出力する分岐用ビームスプリッタと、前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波用ビームスプリッタとを含み、マッハツェンダ干渉計を構成する干渉光学系と、
前記光源から出力されるレーザ光の波長を制御して、前記合波用ビームスプリッタによる合波の際の前記第１分岐光と前記第２分岐光との間の位相差を調整する制御部と、
前記合波光を受光して検出信号を出力する受光部と、
前記第１分岐光または前記第２分岐光の光路上に置かれた観察対象物の干渉画像を前記検出信号に基づいて取得する画像取得部と、
を備え、
前記制御部による前記レーザ光の波長の制御により前記位相差が互いに異なる複数の値それぞれに調整された状態で取得された前記干渉画像に基づいて前記観察対象物の位相画像を取得する、
干渉観察装置。
【請求項２】
前記光源が縦マルチモード発振するレーザダイオードを含む、
請求項１に記載の干渉観察装置。
【請求項３】
前記干渉光学系が、前記第１分岐光の光路上に第１ビームスプリッタおよび第１ミラーを含み、前記分岐用ビームスプリッタから前記第１ビームスプリッタに到達した前記第１分岐光を前記第１ビームスプリッタで透過または反射させた後に前記第１ミラーにより反射させ、前記第１ミラーにより反射されて前記第１ビームスプリッタに到達した前記第１分岐光を前記第１ビームスプリッタで反射または透過させて、前記分岐用ビームスプリッタから前記第１ビームスプリッタへの前記第１分岐光の入力方向と異なる方向へ前記第１ビームスプリッタから前記第１分岐光を出力する、
請求項１または２に記載の干渉観察装置。
【請求項４】
前記干渉光学系が、前記第２分岐光の光路上に第２ビームスプリッタおよび第２ミラーを含み、前記分岐用ビームスプリッタから前記第２ビームスプリッタに到達した前記第２分岐光を前記第２ビームスプリッタで透過または反射させた後に前記第２ミラーにより反射させ、前記第２ミラーにより反射されて前記第２ビームスプリッタに到達した前記第２分岐光を前記第２ビームスプリッタで反射または透過させて、前記分岐用ビームスプリッタから前記第２ビームスプリッタへの前記第２分岐光の入力方向と異なる方向へ前記第２ビームスプリッタから前記第２分岐光を出力する、
請求項１〜３の何れか１項に記載の干渉観察装置。
【請求項５】
前記干渉画像を取得する際のレーザ光強度を用いて前記干渉画像を補正する、
請求項１〜４の何れか１項に記載の干渉観察装置。
【請求項６】
前記光源がモニタ用光検出器を内蔵しており、該モニタ用光検出器による検出結果を前記レーザ光強度として用いる、
請求項５に記載の干渉観察装置。
【請求項７】
前記第１分岐光および前記第２分岐光の何れか一方を遮断した状態における前記検出信号の平均値を前記レーザ光強度として用いる、
請求項５に記載の干渉観察装置。
【請求項８】
前記第１分岐光および前記第２分岐光の何れか一方の光路上に観察対象物が配置され、他方の光路上に光路長・分散補償板が設けられ、
前記光路長・分散補償板が、前記観察対象物の配置による光路長の変化および分散の影響を補償する、
請求項１〜７の何れか１項に記載の干渉観察装置。
【請求項９】
前記光源および前記干渉光学系を保持する筐体と、
前記筐体に設けられ、前記干渉光学系から出力された前記合波光を外部へ出力する開口を有する第１取付部と、
前記第１取付部の開口と光学的に結合される開口を有する第２取付部と、前記干渉光学系から出力され前記第１取付部の開口および前記第２取付部の開口を経た前記合波光を受光して検出信号を出力する受光部と、を含む顕微鏡装置と、
を備える請求項１〜８の何れか１項に記載の干渉観察装置。
【請求項１０】
波長可変の光源からレーザ光を出力し、
マッハツェンダ干渉計を構成する干渉光学系において、前記光源から出力されたレーザ光を分岐用ビームスプリッタにより分岐して第１分岐光および第２分岐光を出力し、前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波用ビームスプリッタにより合波して合波光を出力し、
受光部により前記合波光を受光して検出信号を出力し、
前記光源から出力されるレーザ光の波長を制御して、前記合波用ビームスプリッタによる合波の際の前記第１分岐光と前記第２分岐光との間の位相差を調整し、前記第１分岐光または前記第２分岐光の光路上に置かれた観察対象物の干渉画像を前記検出信号に基づいて取得し、
前記レーザ光の波長の制御により前記位相差が互いに異なる複数の値それぞれに調整された状態で取得された前記干渉画像に基づいて前記観察対象物の位相画像を取得する、
干渉観察方法。
【請求項１１】
前記光源が縦マルチモード発振するレーザダイオードを含む、
請求項１０に記載の干渉観察方法。
【請求項１２】
前記干渉光学系が、前記第１分岐光の光路上に第１ビームスプリッタおよび第１ミラーを含み、前記分岐用ビームスプリッタから前記第１ビームスプリッタに到達した前記第１分岐光を前記第１ビームスプリッタで透過または反射させた後に前記第１ミラーにより反射させ、前記第１ミラーにより反射されて前記第１ビームスプリッタに到達した前記第１分岐光を前記第１ビームスプリッタで反射または透過させて、前記分岐用ビームスプリッタから前記第１ビームスプリッタへの前記第１分岐光の入力方向と異なる方向へ前記第１ビームスプリッタから前記第１分岐光を出力する、
請求項１０または１１に記載の干渉観察方法。
【請求項１３】
前記干渉光学系が、前記第２分岐光の光路上に第２ビームスプリッタおよび第２ミラーを含み、前記分岐用ビームスプリッタから前記第２ビームスプリッタに到達した前記第２分岐光を前記第２ビームスプリッタで透過または反射させた後に前記第２ミラーにより反射させ、前記第２ミラーにより反射されて前記第２ビームスプリッタに到達した前記第２分岐光を前記第２ビームスプリッタで反射または透過させて、前記分岐用ビームスプリッタから前記第２ビームスプリッタへの前記第２分岐光の入力方向と異なる方向へ前記第２ビームスプリッタから前記第２分岐光を出力する、
請求項１０〜１２の何れか１項に記載の干渉観察方法。
【請求項１４】
前記干渉画像を取得する際のレーザ光強度を用いて前記干渉画像を補正する、
請求項１０〜１３の何れか１項に記載の干渉観察方法。
【請求項１５】
前記光源がモニタ用光検出器を内蔵しており、該モニタ用光検出器による検出結果を前記レーザ光強度として用いる、
請求項１４に記載の干渉観察方法。
【請求項１６】
前記第１分岐光および前記第２分岐光の何れか一方を遮断した状態における前記検出信号の平均値を前記レーザ光強度として用いる、
請求項１４に記載の干渉観察方法。
【請求項１７】
前記第１分岐光および前記第２分岐光の何れか一方の光路上に観察対象物が配置され、他方の光路上に光路長・分散補償板が設けられ、
前記光路長・分散補償板が、前記観察対象物の配置による光路長の変化および分散の影響を補償する、
請求項１０〜１６の何れか１項に記載の干渉観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉観察装置および干渉観察方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
観察対象物の干渉画像を取得する干渉観察装置は、マイケルソン（Michelson）干渉計またはマッハツェンダ（Mach-Zehnder）干渉計の光学系を用いて、観察対象物で反射または透過した光と参照光とを干渉させることで、観察対象物の干渉画像を取得することができる。非特許文献１に記載された干渉観察装置は、マッハツェンダ干渉計の光学系を用いるものであって、光源から出力された光を分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、第１分岐光を観察対象物で透過させ、第１分岐光と第２分岐光とを合波して、その合波により生じる干渉光の画像を取得する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Christopher J. Mann, et al,"High-resolution quantitative phase-contrast microscopy by digitalholography," OPTICS EXPRESS, Vol.13, No.22, pp.8693-8698 (2005).
【非特許文献２】A. A. Freschi, et al, "Adjustablephase control in stabilized interferometry," OPTICS LETTERS, Vol.20, No.6,pp.635-637 (1995).
【非特許文献３】Toyohiko Yamauchi, et al, "Low-coherentquantitative phase microscope for nanometer-scale measurement of living cells morphology,"OPTICS EXPRESS, Vol.16, No.16, pp.12227-12238 (2008).
【非特許文献４】Hidenao Iwai, et al, "Quantitativephase imaging using actively stabilized phase-shifting low-coherenceinterferometry," OPTICS LETTERS, Vol.29, No.20, pp.3299-2401 (2004).
【非特許文献５】Ichirou Yamaguchi, et al, "Activephase-shifting interferometers for shape and deformation measurements," Opt.Eng., Vol.35, No.10, pp.2930-2937 (1996).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マイケルソン干渉計の光学系を用いる場合と比較して、マッハツェンダ干渉計の光学系を用いる場合は、分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差を調整したり変化させたりすることが困難であるので、白色光干渉計や波長掃引タイプの位相シフト干渉計を実現することが困難である。非特許文献１に記載された干渉観察装置は、光路長差を調整する機能を有していない。
【０００５】
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、マッハツェンダ干渉計の光学系を用いて容易に光学調整をすることができ容易に観察対象物の干渉画像を取得することができる干渉観察装置および干渉観察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】
【０００６】
本発明の一実施形態による干渉観察装置は、(1) レーザ光を出力し、そのレーザ光の波長が可変である光源と、(2) 光源から出力されたレーザ光を分岐して第１分岐光および第２分岐光を出力する分岐用ビームスプリッタと、第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波用ビームスプリッタとを含み、マッハツェンダ干渉計を構成する干渉光学系と、(3) 光源から出力されるレーザ光の波長を制御して、合波用ビームスプリッタによる合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差を調整する制御部と、(4) 合波光を受光して検出信号を出力する受光部と、(5) 第１分岐光または第２分岐光の光路上に置かれた観察対象物の干渉画像を検出信号に基づいて取得する画像取得部と、を備え、制御部によるレーザ光の波長の制御により位相差が互いに異なる複数の値それぞれに調整された状態で取得された干渉画像に基づいて観察対象物の位相画像を取得する。
【０００９】
上記の干渉観察装置は、(1) 光源および干渉光学系を保持する筐体と、(2) 筐体に設けられ、干渉光学系から出力された合波光を外部へ出力する開口を有する第１取付部と、(3) 第１取付部の開口と光学的に結合される開口を有する第２取付部と、干渉光学系から出力され第１取付部の開口および第２取付部の開口を経た合波光を受光して検出信号を出力する受光部と、を含む顕微鏡装置と、を備えるのが好適である。
【００１０】
本発明の一実施形態による干渉観察方法は、(1) 波長可変の光源からレーザ光を出力し、(2) マッハツェンダ干渉計を構成する干渉光学系において、光源から出力されたレーザ光を分岐用ビームスプリッタにより分岐して第１分岐光および第２分岐光を出力し、第１分岐光と第２分岐光とを合波用ビームスプリッタにより合波して合波光を出力し、(3) 受光部により合波光を受光して検出信号を出力し、(4) 光源から出力されるレーザ光の波長を制御して、合波用ビームスプリッタによる合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差を調整し、第１分岐光または第２分岐光の光路上に置かれた観察対象物の干渉画像を検出信号に基づいて取得し、(5) レーザ光の波長の制御により位相差が互いに異なる複数の値それぞれに調整された状態で取得された干渉画像に基づいて観察対象物の位相画像を取得する。
【００１１】
上記の干渉観察装置または干渉観察方法において、光源は縦マルチモード発振するレーザダイオードを含むのが好適である。
【００１２】
上記の干渉観察装置または干渉観察方法において、干渉光学系は、第１分岐光の光路上に第１ビームスプリッタおよび第１ミラーを含み、分岐用ビームスプリッタから第１ビームスプリッタに到達した第１分岐光を第１ビームスプリッタで透過または反射させた後に第１ミラーにより反射させ、第１ミラーにより反射されて第１ビームスプリッタに到達した第１分岐光を第１ビームスプリッタで反射または透過させて、分岐用ビームスプリッタから第１ビームスプリッタへの第１分岐光の入力方向と異なる方向へ第１ビームスプリッタから第１分岐光を出力するのが好適である。
【００１３】
上記の干渉観察装置または干渉観察方法において、干渉光学系は、第２分岐光の光路上に第２ビームスプリッタおよび第２ミラーを含み、分岐用ビームスプリッタから第２ビームスプリッタに到達した第２分岐光を第２ビームスプリッタで透過または反射させた後に第２ミラーにより反射させ、第２ミラーにより反射されて第２ビームスプリッタに到達した第２分岐光を第２ビームスプリッタで反射または透過させて、分岐用ビームスプリッタから第２ビームスプリッタへの第２分岐光の入力方向と異なる方向へ第２ビームスプリッタから第２分岐光を出力するのも好適である。
【００１４】
上記の干渉観察装置または干渉観察方法において、第１分岐光および第２分岐光の何れか一方の光路上に観察対象物が配置され、他方の光路上に光路長・分散補償板が設けられ、光路長・分散補償板が、観察対象物の配置による光路長の変化および分散の影響を補償するのが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、マッハツェンダ干渉計の光学系を用いて容易に光学調整をすることができ容易に観察対象物の干渉画像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１実施形態の干渉観察装置１Ａの構成を示す図である。
【図２】図２は、レーザ光波長と位相差シフト量φshiftとの間の関係の例を示すグラフである。
【図３】図３は、光源１０が縦マルチモード発振するレーザダイオードを含むものである場合における合波光強度と光路長差ΔＬとの間の関係の例を示すグラフである。
【図４】図４は、図３の一部について横軸を拡大して示すグラフである。
【図５】図５は、図３の一部について横軸を拡大して示すグラフである。
【図６】図６は、第２実施形態の干渉観察装置１Ｂの構成を示す図である。
【図７】図７は、第３実施形態の干渉観察装置１Ｃの構成を示す図である。
【図８】図８は、第４実施形態の干渉観察装置１Ｄの構成を示す図である。
【図９】図９は、第５実施形態の干渉観察装置１Ｅの構成を示す図である。
【図１０】図１０は、第６実施形態の干渉観察装置１Ｆの構成を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例において光源１０のレーザダイオードに供給される電流の時間的変化および撮像部６１の撮像期間を示すグラフである。
【図１２】図１２は、実施例で得られた強度補正前の干渉画像を示す図である。
【図１３】図１３は、実施例で得られた強度補正前の干渉画像を示す図である。
【図１４】図１４は、実施例で得られた強度補正後の干渉画像を示す図である。
【図１５】図１５は、実施例で得られた強度補正後の干渉画像を示す図である。
【図１６】図１６は、実施例で得られた位相アンラッピング処理前の位相画像を示す図である。
【図１７】図１７は、実施例で得られた位相アンラッピング処理後の位相画像を示す図である。
【図１８】図１８は、第２実施形態の変形例の干渉観察装置１Ｂ’の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の干渉観察装置１Ａの構成を示す図である。干渉観察装置１Ａは、光源１０、レンズ１１、レンズ１２、分岐用ビームスプリッタ２１、合波用ビームスプリッタ２２、ミラー３５、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ピエゾ素子４３、ステージ４４、レンズ５１、レンズ５２、チューブレンズ５３、撮像部（受光部）６１、画像取得部７１および電流制御部（制御部）７２を備える。分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到る迄の干渉光学系２０Ａは、マッハツェンダ干渉計を構成している。
【００１９】
この干渉観察装置１Ａは、観察対象物９０の透過光に基づいて干渉画像を取得する。観察対象物９０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、観察対象物として、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、これらの細胞の少なくとも１つの細胞をもとに作られた細胞塊（スフェロイド）などが挙げられる。また、観察対象物として、生体に限らず、透過型の構成で計測可能な工業サンプル、たとえばガラス内部、半導体素子の内部、樹脂素材、液晶、高分子化合物、光学素子なども挙げられる。
【００２０】
光源１０はレーザ光を出力する。そのレーザ光の波長は可変であり、光源１０は波長掃引が可能である。光源１０はレーザダイオードを含む構成であってもよい。そのレーザダイオードは、空間シングルモードレーザダイオードであってもよく、空間マルチモードレーザダイオードであってもよい。レンズ１１，１２は、光源１０から出力されたレーザ光を観察対象物９０に集光する。
【００２１】
分岐用ビームスプリッタ２１は、光源１０と光学的に結合され、光源１０から出力されてレンズ１１，１２を経たレーザ光を入力し、そのレーザ光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とする。分岐用ビームスプリッタ２１は例えばハーフミラーであってもよい。分岐用ビームスプリッタ２１は、第１分岐光を測定側光学系のミラー３５へ出力し、第２分岐光を参照側光学系のビームスプリッタ４１へ出力する。
【００２２】
測定側光学系に設けられたミラー３５は、分岐用ビームスプリッタ２１から出力された第１分岐光を入力して、その第１分岐光を合波用ビームスプリッタ２２へ反射させる。
【００２３】
参照側光学系には、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ピエゾ素子４３およびステージ４４が設けられている。ビームスプリッタ４１は、分岐用ビームスプリッタ２１から出力された第２分岐光を入力してミラー４２へ反射させ、また、ミラー４２で反射された第２分岐光を入力して合波用ビームスプリッタ２２へ透過させる。ビームスプリッタ４１は例えばハーフミラーであってもよい。
【００２４】
ピエゾ素子４３は、ミラー４２の反射面に垂直な方向に該ミラー４２を移動させることができる。ステージ４４は、ミラー４２の反射面に垂直な方向に該ミラー４２およびピエゾ素子４３を移動させることができる。ピエゾ素子４３およびステージ４４は、参照側光学系の光路長を調整することができ、第１分岐光と第２分岐光との光路長差を調整することができる。
【００２５】
合波用ビームスプリッタ２２は、ミラー３５で反射され観察対象物９０およびレンズ５１を経た第１分岐光を入力するとともに、ビームスプリッタ４１から出力されレンズ５２を経た第２分岐光を入力して、これら第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する。合波用ビームスプリッタ２２は例えばハーフミラーであってもよい。
【００２６】
チューブレンズ５３は、合波用ビームスプリッタ２２から出力された合波光を撮像部６１へ導き、その合波光を撮像部６１の撮像面上に結像させる。撮像部６１は、その合波光を受光して検出信号を出力するものであり、特に撮像面上の合波光の強度分布を表す検出信号を出力する。撮像部６１は、例えばＣＣＤエリアイメージセンサやＣＭＯＳエリアイメージセンサなどのイメージセンサである。
【００２７】
画像取得部７１は、撮像部６１から出力された検出信号を入力し、その検出信号に基づいて観察対象物９０の干渉画像を取得する。画像取得部７１は、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）やＧＰＵ（GraphicsProcessing Unit）などの画像処理プロセッサを含んで構成され、或いは、パーソナルコンピュータや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、画像取得部７１は、干渉画像等を表示する表示部を備えていてもよい。
【００２８】
電流制御部（コントローラ）７２は、光源１０へ供給する電流を調整することで、光源１０から出力されるレーザ光の波長を制御する。これにより、電流制御部７２は、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差を調整することができる。
【００２９】
本実施形態の干渉観察方法では、干渉観察装置１Ａを用いて以下のようにして観察対象物９０の干渉画像を取得することができる。マッハツェンダ干渉計を構成する干渉光学系２０Ａにおいて、光源１０から出力されたレーザ光は分岐用ビームスプリッタ２１により２分岐されて第１分岐光および第２分岐光とされる。そして、干渉光学系２０Ａにおいて、ミラー３５で反射され観察対象物９０を透過した第１分岐光と、ビームスプリッタ４１およびミラー４２を経た第２分岐光とは、合波用ビームスプリッタ２２により合波されて、合波光が合波用ビームスプリッタ２２から出力される。その合波光は撮像部６１により受光されて、撮像部６１から検出信号が出力される。その検出信号に基づいて画像取得部７１により観察対象物９０の干渉画像が取得される。特に本実施形態では、光源１０から出力されるレーザ光の波長が電流制御部７２により制御されて、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差が調整されて、検出信号に基づいて観察対象物９０の干渉画像が取得される。
【００３０】
次に、レーザ光の波長と位相差との間の関係について説明する。分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到るまでの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差をΔＬとする。レーザ光の波長がλ０であるとき、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差φ０は下記（１）式で表される。レーザ光の波長がλ１であるとき、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差φ１は下記（２）式で表される。ここで、mod(a,b)は、ａをｂで割ったときの余り（剰余）である。
【００３１】
【数１】
0006646426.tif 000002
【００３２】
【数２】
0006646426.tif 000003
【００３３】
したがって、レーザ光の波長をλ０からλ１に変化させたときの第１分岐光と第２分岐光との間の位相差シフト量φshiftは下記（３）式で表される。この式から分るように、光路長差ΔＬ＝０である場合、レーザ光の波長を変化させても第１分岐光と第２分岐光との間の位相差は変化しない。光路長差ΔＬ≠０である場合、レーザ光の波長を変化させると第１分岐光と第２分岐光との間の位相差は変化し、その位相差シフト量φshiftは光路長差ΔＬと波長変化量との積に比例する。すなわち、波長変化量に比例した位相差シフト量φshiftを実現することができる。
【００３４】
【数３】
0006646426.tif 000004
【００３５】
光源１０がレーザダイオードを含む場合、光源１０から出力されるレーザ光の波長は、レーザダイオードに供給される電流に対して線形関係にある。図２は、レーザ光波長と位相差シフト量φshiftとの間の関係の例を示すグラフである。ここでは、レーザ光波長が６３０ｎｍから６３０.３ｎｍまで連続的に変化するとし、光路長差ΔＬ＝１ｍｍ, ２ｍｍ, ５ｍｍ それぞれについて上記（３）式により位相差シフト量φshiftを求めた。
【００３６】
ところで、位相シフト干渉計において、合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差は０〜２πの範囲でシフトできることが望ましい。例えば、光源１０の出力光波長の可変範囲が６３０ｎｍ〜６３０.３ｎｍであるとすると、光路長差ΔＬが１ｍｍでは、位相差の変化幅は２πに届かない。計算によれば、位相差の変化幅が２π以上である為には、光路長差ΔＬは凡そ１.３ｍｍ以上であることが必要である。
【００３７】
一方、光路長差ΔＬが長すぎる場合には次のような不都合が生じる。例えば、光路長差ΔＬが１３ｍｍである場合を考えると、この場合、位相差の変化幅を２πとする為には、光源１０の出力光波長の可変範囲を６３０ｎｍ〜６３０.０３ｎｍとすればよい。光源１０への供給電流の変調可能な範囲が５０ｍＡから７０ｍＡであり、この供給電流の調整によって６３０ｎｍ〜６３０.３ｎｍの波長変化が生じるとする。波長を６３０ｎｍから６３０.０３ｎｍまで僅かに変化させる場合、供給電流を５０ｍＡから５２ｍＡまで微小に変化させることとなる。
【００３８】
このような微小な電流変化を精度よく行うことは困難である。何故なら、位相シフト干渉計測において、位相変化０から２πまでの間を正確に４等分し、０，π／２，π，３π／２というように位相をシフトさせる必要があることから、位相変化幅２πの１／１００程度の精度が少なくとも必要となるからである。供給電流を５０ｍＡから５２ｍＡまで変化させる場合、供給電流変化幅２ｍＡの１／１００である２０μＡの精度が必要になり、このような高精度の電流源を実装するのは容易ではない。加えて、レーザダイオードの発振波長は該レーザダイオードの温度に依存することから、このような大きすぎる光路長差ΔＬは温度変化に対して脆弱な条件になってしまう。以上のことから、レーザ光の波長掃引を用いた干渉観察装置においては、計測に先立って、使用する光源１０の特性に合わせて適切に光路長差ΔＬを設定する必要がある。
【００３９】
また、光源１０が縦マルチモード発振するレーザダイオードを含む場合、光路長差ΔＬを適切に設定することはより重要である。縦マルチモード発振したレーザ光の干渉においては、干渉度が極大となる光路長差が離散的に現れることが知られている。例えば、図１に示される構成において、光源１０が縦マルチモード発振するレーザダイオードを含むものとし、撮像部６１に替えて光検出器を配置して、ピエゾ素子４３またはステージ４４により光路長差ΔＬを変化させる。図３は、このとき光検出器により検出される合波光強度と光路長差ΔＬとの間の関係の例を示すグラフである。図４は、図３における光路長差ΔＬ＝１.７ｍｍ付近の部分について横軸を拡大して示すグラフである。図５は、図３における光路長差ΔＬ＝２.３ｍｍ付近の部分について横軸を拡大して示すグラフである。これらの図に示されるように、光路長差ΔＬ＝１.７ｍｍ付近では明滅の顕著な干渉信号が得られるのに対し、光路長差ΔＬ＝２.３ｍｍ付近では干渉信号の明滅が顕著でない。干渉信号の明滅が顕著でない光路長差の条件で干渉観察を行うのは好ましくない。
【００４０】
干渉度が極大となる光路長差は凡そ等間隔に現れるが、その間隔は個々のレーザダイオードによって異なる。このことから、光源１０の波長掃引を用いた位相シフトマッハツェンダ干渉計において、光源１０が縦マルチモード発振するレーザダイオードを含む場合、光路長差ΔＬは、事前に適切な位置に調整されているか、または、干渉観察の度に使用者が調整する必要がある。また、前述したとおり、光源１０の波長変調範囲との兼ね合いにより光路長差ΔＬは短すぎても長すぎても不都合であるので、計測に利用しうる光路長差ΔＬの条件は限られている。
【００４１】
図１に示される干渉観察装置１Ａでは、ピエゾ素子４３またはステージ４４によりミラー４２を移動させることで光路長差ΔＬを適切な値に設定することができる。ステージ４４は光路長差ΔＬを粗調整することができ、ピエゾ素子４３は光路長差ΔＬを微調整することができる。そして、光路長差ΔＬを適切な値に設定した状態で、光源１０から出力されるレーザ光の波長を変化させることで、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差を調整することができる。
【００４２】
本実施形態では、マッハツェンダ干渉計の光学系において、レーザ光の波長を変化させることで合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差を調整するので、容易に光学調整をすることができ、容易に観察対象物９０の干渉画像や位相画像を取得することができる。
【００４３】
位相画像は、位相差がπ／２ずつ異なる４枚の干渉画像Ｉ１(x,y)〜Ｉ４(x,y)を用いて求めることができる。干渉画像Ｉ１(x,y)を取得する際の位相差を基準として、干渉画像Ｉ２(x,y)はπ／２だけ位相差が異なり、干渉画像Ｉ３(x,y)はπだけ位相差が異なり、干渉画像Ｉ４(x,y)は３π／２だけ位相差が異なる。一般に、これらの干渉画像Ｉ１〜Ｉ４から下記（４）式で定量位相画像Ψ(x,y)を求めることができる。なお、ｘ、ｙは、各画像における位置を示す変数である。
【００４４】
【数４】
0006646426.tif 000005
【００４５】
しかし、レーザダイオードに供給される電流が変化すると、レーザ光波長だけでなくレーザ光強度も変化する。それ故、上記（４）式で求められる定量位相画像Ψ(x,y)は、干渉画像Ｉ１〜Ｉ４の間でレーザ光強度が一定でないことに因る誤差を含むことになる。そこで、干渉画像Ｉ１〜Ｉ４それぞれを取得する際のレーザ光強度Ｐ１〜Ｐ４を用いて、干渉画像Ｉ１〜Ｉ４について下記（５）式で補正を行う。そして、補正後の干渉画像Ｉ１Ｃ〜Ｉ４Ｃから下記（６）式で定量位相画像ΨＣ(x,y)を求める。このようにすることで、レーザ光強度が一定でないことに因る誤差を取り除くことができる。
【００４６】
【数５】
0006646426.tif 000006
【００４７】
【数６】
0006646426.tif 000007
【００４８】
干渉画像Ｉ１〜Ｉ４それぞれを取得する際のレーザ光強度Ｐ１〜Ｐ４を求めるには、光源１０に内蔵されているモニタ用光検出器によるレーザダイオードの後方出射光の検出結果を用いてもよいし、第１分岐光および第２分岐光の何れか一方を遮断した状態における撮像部６１の受光画素値の平均値を用いてもよい。レーザ光強度Ｐ１〜Ｐ４の各値は、観察の度に測定して求めてもよいし、装置の電源投入時に測定して求めてもよい。また、光源１０のレーザ光出力強度の安定性が信頼できる場合は、レーザ光強度Ｐ１〜Ｐ４の各値は、装置の工場出荷時に予め測定して装置の記憶部に記憶しておき、その記憶部から読み出して用いるようにしてもよい。
【００４９】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の干渉観察装置１Ｂの構成を示す図である。干渉観察装置１Ｂは、光源１０、レンズ１１、レンズ１２、分岐用ビームスプリッタ２１、合波用ビームスプリッタ２２、ビームスプリッタ３１、ミラー３２、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ピエゾ素子４３、ステージ４４、レンズ５１、レンズ５２、チューブレンズ５３、撮像部（受光部）６１、画像取得部７１および電流制御部（制御部）７２を備える。分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到る迄の干渉光学系２０Ｂは、マッハツェンダ干渉計を構成している。
【００５０】
図１に示された第１実施形態の干渉観察装置１Ａの干渉光学系２０Ａはミラー３５を含むのに対して、図６に示される第２実施形態の干渉観察装置１Ｂの干渉光学系２０Ｂはビームスプリッタ３１およびミラー３２を含む点で相違する。ビームスプリッタ３１およびミラー３２は測定側光学系に設けられている。ビームスプリッタ３１は、分岐用ビームスプリッタ２１から出力された第１分岐光を入力してミラー３２へ反射させ、また、ミラー３２で反射された第１分岐光を入力して合波用ビームスプリッタ２２へ透過させる。ビームスプリッタ３１は例えばハーフミラーであってもよい。
【００５１】
なお、ミラー３２の反射面に垂直な方向に該ミラー３２を移動させることができるピエゾ素子が設けられてもよい。また、ミラー３２の反射面に垂直な方向に該ミラー３２およびピエゾ素子を移動させることができるステージが設けられてもよい。
【００５２】
本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果が得られる他、以下のような効果も得られる。
【００５３】
本実施形態では、第１分岐光は、ビームスプリッタ３１およびミラー３２それぞれにより反射されて、２回の像反転を受ける。第２分岐光は、ビームスプリッタ４１およびミラー４２それぞれにより反射されて、同様に２回の像反転を受ける。その結果、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光および第２分岐光それぞれの像の方向は互いに一致する。一般に、第１分岐光および第２分岐光それぞれの反射による像反転の回数の和が偶数であれば、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光および第２分岐光それぞれの像の方向は互いに一致する。
【００５４】
合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光および第２分岐光それぞれの像の方向が互いに一致していれば、空間的にマルチモード（横マルチモード）であっても、第１分岐光と第２分岐光とは撮像部６１の撮像面の広い範囲において効率よく干渉することができる。なお、第１分岐光および第２分岐光が横マルチモードとなるのは、光源１０が横マルチモード発振する場合の他、光源１０から分岐用ビームスプリッタ２１に到るまでの光学系によって横マルチモードに変化する場合もある。例えば、光源１０から出力されたレーザ光をマルチモード光ファイバにより導光して分岐用ビームスプリッタ２１に入射させる場合、光源１０が横シングルモード発振する場合であっても、レーザ光はマルチモード光ファイバによる導光の間に横マルチモードに変化する。
【００５５】
また、本実施形態では、測定側光学系（第１分岐光の光学系）と参照側光学系（第２分岐光の光学系）とが互いに同様の構成を有しているので、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差ΔＬを値０付近においても調整することができる。このことから、光路長差ΔＬの設定の自由度が高く、光源１０から出力されるレーザ光の波長の可変範囲の設定の自由度が高い。
【００５６】
さらに、本実施形態では、測定側光学系（第１分岐光の光学系）と参照側光学系（第２分岐光の光学系）とが互いに同様の構成を有しているので、合波光に現れる色分散の影響を抑制することができる。したがって、光源１０の出力光スペクトルから計算される理想的なコヒーレンス関数より干渉縞の鮮明度（visibility）が劣化することが抑制される。
【００５７】
この干渉観察装置１Ｂの構成においては、サンプル９０を別のサンプルに変更した際に、サンプルの厚み又は屈折率が変化して、ステージ４４を長い距離にわたって移動させる必要が生じ得る。たとえば厚さ１７０μｍのカバーガラスをサンプルとした場合、ガラスの屈折率を１.５として計算すると、サンプルが無い場合と比べて、サンプルがある場合に生じる光路長の増分は８５μｍ（＝１７０×（１.５−１））である。一方、底面厚さ１ｍｍのプラスチックディッシュ上に深さ３ｍｍの水が満たされているようなサンプルの場合、プラスチックの屈折率を１.７とし、水の屈折率を１.３３とすると、サンプルが無い場合と比べて、サンプルがある場合に生じる光路長の増分は１６９０μｍ（＝１０００×（１.７−１）＋３０００×（１.３３−１））となる。したがって、前述のカバーガラスがサンプルであった状態から、前述のプラスチックディッシュ上に水が満たされている物体がサンプルである状態に変更した場合、１６０５μｍ分の光路長差が余分に生じることとなる。この光路長差を補償し、サンプルの変更前と同じ次数で干渉度が極大となる光路長差を得るためには、ステージ４４を光路長が長くなる方向に８０２.５μｍ動かさなくてはならない。このような１ｍｍ近いステージの移動は、例えば手動ステージを利用した場合には操作性の低下を招き、あるいは自動ステージを利用する場合は重量の大きなステッピングモータステージを必須としてしまう。
【００５８】
そこで、ステージ４４の移動量を小さくするための手法として、第２実施形態の変形例として、図１８に示される干渉観察装置１Ｂ’の構成を考えることができる。図１８は、第２実施形態の変形例の干渉観察装置１Ｂ’の構成を示す図である。この干渉観察装置１Ｂ’は、干渉観察装置１Ｂの構成に加えて、参照側光学系上に光路長・分散補償板９１を備える。
【００５９】
光路長・分散補償板９１は、使用者が用いるサンプルのバリエーションに合わせて、用いるサンプルと概して同じ材質を用いて、ほぼ同じ光路長になるように作成されたものであり、光を透過する板である。たとえば、使用者が、厚さ１７０μｍのカバーガラス、厚さ１ｍｍのスライドガラス、底面厚さ１ｍｍのプラスチックディッシュ上に深さ３ｍｍの水が満たされているような容器、の三種類の保持体の上に被検体が塗布あるいは培養されたサンプルを用いる場合、光路長がそれぞれの保持体と等しい光を透過する板として、光路長・分散補償板Ａ（カバーガラス用）、光路長・分散補償板Ｂ（スライドガラス用）および光路長・分散補償板Ｃ（プラスチックディッシュ上に水が満たされた容器用）を予め用意することができる。
【００６０】
このような光路長・分散補償板Ａ〜Ｃを予め用意しておき、例えば厚さ１７０μｍのカバーガラスが保持体である場合は光路長・分散補償板Ａを、厚さ１ｍｍのスライドガラスが保持体である場合は光路長・分散補償板Ｂを、底面厚さ１ｍｍのプラスチックディッシュ上に深さ３ｍｍの水が満たされているような保持体の場合は光路長・分散補償板Ｃを、それぞれ参照光路内の任意の位置に挿入することで、サンプルを変更した後も変更前と同様に干渉度が極大となる光路長差を変更前と同じ次数で得ることができる。
【００６１】
ただし、ほぼ同質のサンプル、例えば市販の公称厚さ１７０μｍのカバーガラスを用いた場合でも、製造誤差や温度等の条件による材料の屈折率差により、光路長・分散補償板９１の挿入だけで干渉度が極大となる光路長差を実現できるとは限らない。たとえば公称厚さ１７０μｍのカバーガラスには±１０μｍの製造誤差があり得る。また、プラスチックディッシュ上に水あるいは培養液を満たした保持体の場合、実際にはディッシュ底面上に細胞等の被測定物体を培養した状態で観察することになるため、細胞の厚みや培養液の組成によって光路長の値は変化する。そのため、光路長・分散補償板９１を用いた場合でも、ステージ４４あるいはそれに類する機械的な光路長差調整機構が不要となるわけではない。
【００６２】
光路長・分散補償板９１を用い、ステージ４４として手動のステージを用いた場合、好適には差動マイクロメーターを用いたステージを用いることができる。差動マイクロメーターとは、粗動（長距離を移動できるが分解能が低い）と微動（短距離しか移動できないが分解能が高い）の２つの調整機構が一体となったマイクロメーターである。工場出荷時においては、サンプルなしの状態にて粗動ステージにより干渉度が極大となる光路長差とし、粗動ステージを固定する。使用者が観察する際には、被観察サンプルの光路長に対応する光路長・分散補償板９１を挿入することで、おおよそ干渉度が極大となる光路長差とした後、微動ステージのみを用いて干渉度が厳密に極大となる光路長差に調整することで、適切な干渉度でのレーザ光の干渉を得ることができる。本実施形態においては、使用者は微動ステージのみを操作すればよいので、粗動ステージを用いた場合と比べて調整範囲が狭く、干渉度が極大となる地点を見落とすおそれが少ない。
【００６３】
光路長・分散補償板９１を用い、ステージ４４として自動のステージを用いた場合、好適にはピエゾ素子を用いたステージを用いることができる。ピエゾ素子は、長いものでは１００μｍ程度の伸長距離を持つ。工場出荷時においては、サンプルなしの状態にて所定のレーザ光源を用いた際に干渉度が極大となる光路長差となるよう設計し製造する。使用者が観察する際には、被観察サンプルの光路長に対応する光路長・分散補償板９１を挿入して干渉度がおおよそ極大となる光路長差とした後、ピエゾ素子を用いたステージ４４を用いて干渉度が厳密に極大となる光路長差とすることで、適切な干渉度でのレーザ光の干渉を得ることができる。また、本実施形態の場合は、ピエゾ素子４３を不要とし、ピエゾ素子を用いたステージ４４のみによって本発明の機能を実現することも可能である。
【００６４】
なお、本実施形態の説明において光路長差補正用の板のことを「光路長・分散補償板」と呼称しているのは、本光学板を挿入することにより、光路長のみならず種々のサンプルにおいて生じる分散の影響も補償できるからである。二光束干渉計においては、分散（＝光路長の波長依存性）を等しくすることで、干渉縞の鮮明度（visibility）を最も高くすることができる。サンプルの種類にあわせて光路長・分散補償板９１を用いることの副次的な効果として、干渉縞の鮮明度（visibility）が高い状態でイメージングが行えるということが挙げられる。
【００６５】
なお、光路長・分散補償板９１は参照光路内の任意の位置に挿入することによってその効果を発揮しえるが、好ましくは参照側光学系のレンズ５２の光源側焦点付近に光路長・分散補償板９１を挿入することで、参照光と物体光との間の波面収差を低減することができる。また、更に好ましくは、光路長・分散補償板９１の挿入位置は、参照側光学系のレンズ５２の光源側焦点付近でありながらも、厳密な焦点位置よりも数ｍｍ（レンズ５２の焦点深度の数倍程度）、光源側もしくは撮像部側にずらして挿入することで、光路長・分散補償板９１の表面のゴミなどが撮像部６１の撮像面に映りこむことを避けることができる。また、光路長・分散補償板９１を光路長調整用の折り返し部分（ビームスプリッタ４１とミラー４２との間）に挿入する場合は、参照光が光路長・分散補償板９１を二回透過するので、被観察サンプルの光学的厚さの半分の光学的厚さとなるよう製造した光路長・分散補償板９１を用いるのが望ましい。
【００６６】
光路長・分散補償板９１を用いる構成は、第２実施形態の変形としてのみならず、前述の第１の実施形態および後述する第３〜第６の実施形態の変形としても同様に実施し得る。
【００６７】
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態の干渉観察装置１Ｃの構成を示す図である。干渉観察装置１Ｃは、光源１０、レンズ１１、レンズ１２、分岐用ビームスプリッタ２１、合波用ビームスプリッタ２２、像反転プリズム３６、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ピエゾ素子４３、ステージ４４、レンズ５１、レンズ５２、チューブレンズ５３、撮像部（受光部）６１、画像取得部７１および電流制御部（制御部）７２を備える。分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到る迄の干渉光学系２０Ｃは、マッハツェンダ干渉計を構成している。
【００６８】
図１に示された第１実施形態の干渉観察装置１Ａの干渉光学系２０Ａはミラー３５を含むのに対して、図７に示される第３実施形態の干渉観察装置１Ｃの干渉光学系２０Ｃは像反転プリズム３６を含む点で相違する。像反転プリズム３６は測定側光学系に設けられている。像反転プリズム３６は例えばペンタプリズムである。
【００６９】
像反転プリズム３６は、第１側面３６ａ、第２側面３６ｂ、第３側面３６ｃおよび第４側面３６ｄを有する多角柱形状のプリズムである。像反転プリズム３６は、分岐用ビームスプリッタ２１から到達した第１分岐光を第１側面３６ａから内部へ透過させ、その第１分岐光を第２側面３６ｂおよび第３側面３６ｃで順次に反射させた後、その第１分岐光を第４側面３６ｄから外部へ透過させて合波用ビームスプリッタ２２へ出力する。
【００７０】
本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果が得られる他、以下のような効果も得られる。
【００７１】
本実施形態では、第１分岐光は、像反転プリズム３６において２回反射されるので、２回の像反転を受ける。第２分岐光は、ビームスプリッタ４１およびミラー４２それぞれにより反射されて、同様に２回の像反転を受ける。第２実施形態の場合と同様に、第１分岐光および第２分岐光それぞれの反射による像反転の回数の和が偶数であるので、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光および第２分岐光それぞれの像の方向が互いに一致し、空間的にマルチモード（横マルチモード）であっても、第１分岐光と第２分岐光とは撮像部６１の撮像面の広い範囲において効率よく干渉することができる。
【００７２】
また、本実施形態では、第２実施形態の場合と同様に、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差ΔＬを値０付近においても調整することができる。このことから、光路長差ΔＬの設定の自由度が高く、光源１０から出力されるレーザ光の波長の可変範囲の設定の自由度が高い。
【００７３】
（第４実施形態）
図８は、第４実施形態の干渉観察装置１Ｄの構成を示す図である。干渉観察装置１Ｄは、光源１０、レンズ１１、レンズ１２、分岐用ビームスプリッタ２１Ｄ、合波用ビームスプリッタ２２、ミラー３５、旋光子３７、ビームスプリッタ４１Ｄ、ミラー４２、ピエゾ素子４３、ステージ４４、旋光子４７、レンズ５１、レンズ５２、チューブレンズ５３、撮像部（受光部）６１、画像取得部７１および電流制御部（制御部）７２を備える。分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到る迄の干渉光学系２０Ｄは、マッハツェンダ干渉計を構成している。
【００７４】
図１に示された第１実施形態の干渉観察装置１Ａの構成と比較すると、図８に示される第４実施形態の干渉観察装置１Ｄは、分岐用ビームスプリッタ２１に替えて分岐用ビームスプリッタ２１Ｄを備える点で相違し、ビームスプリッタ４１に替えてビームスプリッタ４１Ｄを備える点で相違し、また、旋光子３７および旋光子４７を更に備える点で相違する。
【００７５】
分岐用ビームスプリッタ２１Ｄは偏光ビームスプリッタである。分岐用ビームスプリッタ２１Ｄは、光源１０から出力されてレンズ１１，１２を経たレーザ光を入力して、そのレーザ光をｐ方向成分とｓ方向成分とに分岐する。分岐用ビームスプリッタ２１Ｄは、第１分岐光（ｐ偏光成分）を透過させてミラー３５へ出力し、第２分岐光（ｓ偏光成分）を反射させてビームスプリッタ４１Ｄへ出力する。
【００７６】
ビームスプリッタ４１Ｄも偏光ビームスプリッタである。ビームスプリッタ４１Ｄは、分岐用ビームスプリッタ２１Ｄから出力された第２分岐光（ｓ偏光成分）を入力してミラー４２へ反射させる。旋光子４７は、ビームスプリッタ４１Ｄとミラー４２との間の第２分岐光の光路上に設けられている。旋光子４７は例えばファラデーローテータであってもよい。旋光子４７およびミラー４２は、一体化されたものであってもよく例えばファラデーミラーであってもよい。
【００７７】
旋光子４７は、ビームスプリッタ４１Ｄからミラー４２へ透過する第２分岐光の偏光面を４５°回転させ、また、ミラー４２からビームスプリッタ４１Ｄへ透過する第２分岐光の偏光面を４５°回転させる。したがって、旋光子４７からビームスプリッタ４１Ｄに入力する第２分岐光はｐ偏光成分となる。ビームスプリッタ４１Ｄは、この第２分岐光（ｐ偏光成分）を透過させて合波用ビームスプリッタ２２へ出力する。
【００７８】
旋光子３７は、観察対象物９０と合波用ビームスプリッタ２２との間の第２分岐光の光路上に設けられている。旋光子３７は例えばファラデーローテータであってもよい。旋光子３７は、第１分岐光の偏光面を回転させる。第１分岐光は、観察対象物９０を透過する前はｐ偏光であるが、観察対象物９０を透過した後はｐ偏光と異なる場合がある。合波用ビームスプリッタ２２による合波により第１分岐光と第２分岐光とを効率よく干渉させるためには、第１分岐光と第２分岐光とは偏光方位が互いに同じであることが望ましい。そこで、旋光子３７は、第１分岐光の偏光面を必要な角度だけ回転させることで、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光および第２分岐光それぞれの偏光方位を互いに一致させる。第１分岐光および第２分岐光それぞれの偏光方位を互いに一致させる為には、旋光子３７による第１分岐光の偏光面の回転の角度を変化させながら合波光の強度をモニタして、合波光の強度が最大となるように第１分岐光の偏光面の回転の角度を調整すればよい。
【００７９】
本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果が得られる他、以下のような効果も得られる。本実施形態では、分岐用ビームスプリッタ２１Ｄおよびビームスプリッタ４１Ｄとして偏光ビームスプリッタを用いるとともに、ビームスプリッタ４１Ｄとミラー４２との間の第２分岐光の光路上に旋光子４７を設けることにより、第２分岐光の光量のロスを抑制することができる。
【００８０】
（第５実施形態）
図９は、第５実施形態の干渉観察装置１Ｅの構成を示す図である。干渉観察装置１Ｅは、光源１０、レンズ１１、レンズ１２、モニタ用光検出器１３、分岐用ビームスプリッタ２１、合波用ビームスプリッタ２２、ミラー３５、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ピエゾ素子４３、ステージ４４、レンズ５１、レンズ５２、チューブレンズ５３、撮像部（受光部）６１、光検出器（受光部）６２、画像取得部７１、電流制御部（制御部）７２およびフィードバック制御部（制御部）７３を備える。分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到る迄の干渉光学系２０Ａは、マッハツェンダ干渉計を構成している。
【００８１】
図１に示された第１実施形態の干渉観察装置１Ａの構成と比較すると、図９に示される第５実施形態の干渉観察装置１Ｅは、モニタ用光検出器１３、光検出器６２およびフィードバック制御部７３を更に備える点で相違する。
【００８２】
モニタ用光検出器１３は、光源１０から出力されるレーザ光の強度を検出して、その検出信号を出力する。光源１０がレーザダイオードを含む場合、モニタ用光検出器１３は、このレーザダイオードの後方出射光の強度を検出すればよい。
【００８３】
合波用ビームスプリッタ２２は、第１分岐光と第２分岐光とを合波して、その合波光の一部を撮像部６１へ出力し、残部を光検出器６２へ出力する。光検出器６２は、その合波光を受光して、合波光の強度を表す検出信号を出力する。
【００８４】
フィードバック制御部７３は、光検出器６２から出力された検出信号が示す合波光強度に基づいて、ピエゾ素子４３およびステージ４４の双方または何れか一方を駆動してミラー４２の位置を制御して光路長差を調整し、または、電流制御部７２から光源１０への供給電流によりレーザ光波長を制御して位相差を調整する。フィードバック制御部７３は、この制御に際して、モニタ用光検出器１３から出力された検出信号が示すレーザ光強度に基づいて、光検出器６２から出力された検出信号が示す合波光強度を補正するのが好適である。
【００８５】
本実施形態では、光学系において外乱により生じる位相差のブレを検知し、フィードバック制御部７３によるミラー４２の位置の制御またはレーザ光波長の制御により位相ロックおよび位相シフトを行って、観察対象物９０の干渉画像や位相画像を取得する。なお、合波時の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差を維持する技術を「位相ロック」といい、また、該フィードバック制御により位相ロックにより維持される該光路長差の値を変更する技術を「位相シフト」という。また、ここで言う外乱には、光学系の機械的振動によるものだけでなく、観察対象物９０が液体中の細胞であった場合に液面と空気との境界が振動することによる光路長のブレも含まれる。フィードバック制御部７３による制御について以下に詳細に説明する。
【００８６】
位相ロックとしては、非特許文献２，３，４に記載された技術（以下「第１位相ロック技術」という。）を用いることができる。これらの非特許文献に記載された位相ロック技術は、光源１０の出力光の波長に比べて十分小さい振幅でミラー４２を正弦波的に高速に振動させ、そのときに光検出器６２から出力される検出信号をミラー４２の振動周波数の１倍波および２倍波で同期検波することで、干渉光の位相を得るというものである。フィードバック制御部７３は、この得られた位相値を目標値に近づけるべくフィードバック制御することで、位相差をロックすることが可能となる。
【００８７】
フィードバック制御部７３は、光検出器６２からのアナログ信号である検出信号を入力し、ピエゾ素子４３またはステージ４４を駆動制御するためのアナログ信号を出力する。フィードバック制御部７３は、内部でアナログ処理をしてもよいしデジタル処理をしてもよい。後者の場合、例えば、フィードバック制御部７３は、入力した検出信号をＡＤ変換してデジタル信号とし、そのデジタル信号を処理し、その処理により得られたデジタル信号をＤＡ変換してアナログ信号とし、そのアナログ信号を出力してもよい。デジタル信号の処理には、マイクロプロセッサやＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が用いられてもよい。
【００８８】
合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差がΔφであるとき、光検出器６２が受光する光の強度Ｖは下記（７）式で表される。受光強度Ｖは、何れも未知数であるオフセット成分ＤＣおよび振幅ＡＣを含む。それ故、何等かの処理により、ＤＣおよびＡＣを含まない形で位相差Δφを抽出する必要がある。
【００８９】
【数７】
0006646426.tif 000008
【００９０】
光源１０の出力光の波長に比べて十分小さい振幅でピエゾ素子４３によりミラー４２を正弦波的に高速に振動させると、光検出器６２が受光する光の強度Ｖは下記（８）式で表される。αは、ミラー４２の振動の振幅に応じて決まる変調度である。ωは、振動の角周波数である。ｔは時間変数である。
【００９１】
【数８】
0006646426.tif 000009
【００９２】
この（８）式の右辺をフーリエ級数展開すると、近似式として下記（９）式が得られる。Ｊ１およびＪ２は第一種ベッセル関数である。（９ａ）式の右辺の第２項は振幅Ａωｔおよび角周波数ωで振動する。また、（９ａ）式の右辺の第３項は振幅Ａ２ωｔおよび角周波数２ωで振動する。したがって、光検出器６２から出力される検出信号を角周波数ωで同期検波することで振幅Ａωｔを得ることができ、検出信号を角周波数２ωで同期検波することで振幅Ａ２ωｔを得ることができる。
【００９３】
【数９】
0006646426.tif 000010
【００９４】
振幅Ａωｔと振幅Ａ２ωｔとの比は下記（１０）式で表される。また、ＡＣは合波光の干渉強度を表しており、その干渉強度ＡＣは下記（１１）式で表される。ミラー４２の振動の振幅が一定であるので、その振幅に基づいてＪ１(α)およびＪ２(α)を求めることができる。（１０）式に基づいて光路長差に応じた位相差Δφを求めることができ、（１１）式に基づいて干渉強度ＡＣをも求めることができる。フィードバック制御部７３は、以上のような処理を行なう為に、同期検波回路，加算回路および乗除算回路を含む。
【００９５】
【数１０】
0006646426.tif 000011
【００９６】
【数１１】
0006646426.tif 000012
【００９７】
非特許文献５に記載された "spatial filteringdetector" を用いた位相ロック技術（以下「第２位相ロック技術」という。）も採用可能である。この技術では、光検出器６２に替えて、１次元方向に複数の画素が配列されたラインセンサまたは１次元方向に配列された複数の光検出器を用いる。以下では、等間隔に配列された４個の光検出器を用いる場合について説明する。測定側光学系および参照側光学系の双方または何れか一方に傾きを与えることで干渉縞が現れるようにし、この状態において４個の光検出器の受光強度Ｖ1〜Ｖ4が下記（１２）式となるように干渉縞の傾きを調整する。
【００９８】
【数１２】
0006646426.tif 000013
【００９９】
測定側光学系および参照側光学系の双方または何れか一方に傾きを与えるために、例えば、ミラー３５またはミラー４２を傾斜させてもよいし、何れかのレンズを傾けてもよいし、また、所定方向に沿って厚みが異なる楔形状のプリズムを光路上に挿入してもよい。
【０１００】
この受光強度Ｖ1〜Ｖ4から下記（１３）式によりＡ1，Ａ2が求められ、下記（１４）式によりＡ1とＡ2との比が求められる。また、干渉強度ＡＣは下記（１５）式で表される。これらの式から、光路長差に応じた位相差Δφを求めることができ、干渉強度ＡＣをも求めることができる。フィードバック制御部７３は、以上のような処理を単純な電気回路系で実現できることができる。
【０１０１】
【数１３】
0006646426.tif 000014
【０１０２】
【数１４】
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【０１０３】
【数１５】
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【０１０４】
なお、フィードバック制御部７３は、第１位相ロック技術により位相ロックを行うに際して、光検出器６２から出力される検出信号に基づいて上記（７）式〜（１１）式に従って位相差Δφを求める為に、ピエゾ素子４３またはステージ４４の駆動によりミラー４２を正弦波的に高速に振動させて光路長差を正弦波変調してもよいし、また、電流制御部７２から光源１０へ供給される電流を正弦波的に高速に変調してレーザ光波長を正弦波変調してもよい。
【０１０５】
また、フィードバック制御部７３は、第１位相ロック技術または第２位相ロック技術により位相ロックを行うに際して、求めた位相差Δφが一定に維持されるようにする為に、ピエゾ素子４３またはステージ４４の駆動によりミラー４２の位置を制御して光路長差を調整してもよいし、また、電流制御部７２から光源１０へ供給される電流を制御してレーザ光波長を調整してもよい。
【０１０６】
例えば、フィードバック制御部７３は、第１位相ロック技術により位相ロックを行うに際して、電流制御部７２から光源１０へ供給される電流を正弦波的に高速に変調して光検出器６２から出力される検出信号に基づいて位相差Δφを求め、電流制御部７２から光源１０へ供給される電流を制御して該位相差Δφを一定に維持するようにしてもよい。この場合、電流制御部７２から光源１０へ供給される電流は、位相シフトの為のオフセット電流が位相差Δφに応じて修正された上で、これに小振幅・高速の正弦波的な変調電流が重畳されたものとなる。
【０１０７】
前述したとおり、光源１０がレーザダイオードを含む場合、レーザダイオードに供給される電流が変化すると、レーザ光波長だけでなくレーザ光強度も変化する。そこで、フィードバック制御部７３は、電流制御部７２から光源１０へ供給される電流を正弦波的に高速に変調する場合、または、その電流を制御して該位相差Δφを一定に維持する場合、光検出器６２から出力された検出信号が示す合波光強度を、モニタ用光検出器１３から出力された検出信号が示すレーザ光強度で除算し、その除算後の合波光強度に基づいて位相ロックを行うのが好適である。
【０１０８】
（第６実施形態）
図１０は、第６実施形態の干渉観察装置１Ｆの構成を示す図である。干渉観察装置１Ｆは、光源１０、レンズ１１、レンズ１２、分岐用ビームスプリッタ２１、合波用ビームスプリッタ２２、ビームスプリッタ３１、ミラー３２、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ピエゾ素子４３、ステージ４４、レンズ５１、レンズ５２、チューブレンズ５３、撮像部（受光部）６１、画像取得部７１および電流制御部（制御部）７２を備える。本実施形態における分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到る迄の干渉光学系２０Ｆは、マッハツェンダ干渉計を構成しており、第２実施形態における干渉光学系２０Ｂと同様の構成を有する。
【０１０９】
本実施形態では、光源１０および干渉光学系２０Ｆは筐体８０により保持されている。また、筐体８０には第１取付部８１が設けられている。この第１取付部８１は、干渉光学系２０Ｆの合波用ビームスプリッタ２２から出力された合波光を外部へ出力する開口を有する。これら光源１０、干渉光学系２０Ｆ、筐体８０および第１取付部８１を含んで干渉光学装置２が構成される。
【０１１０】
また、本実施形態では、チューブレンズ５３、撮像部６１、ミラー５４および第２取付部８２を含んで顕微鏡装置３が構成される。第２取付部８２は、第１取付部８１の開口と光学的に結合される開口を有し、第１取付部８１に対して光学的結合が自在である。撮像部６１は、干渉光学系２０Ｆから出力された合波光を受光して検出信号を出力する。干渉光学系２０Ｆから出力された合波光は、第１取付部８１の開口、第２取付部８２の開口、ミラー５４およびチューブレンズ５３を経て、撮像部６１により受光される。この顕微鏡装置３は、市販のものが用いられ得る。すなわち、通常の市販の顕微鏡装置において対物レンズが取り付けられる取付部を上記の第２取付部８２とすればよい。
【０１１１】
本実施形態の干渉観察装置１Ｆは、光源１０および干渉光学系２０Ｆを筐体８０により保持して小型化・一体化した干渉光学装置２と通常の顕微鏡装置３とを組み合わせることで構成することができる。本実施形態では、既存の顕微鏡装置３を用いることができるので、干渉観察装置１Ｆを安価に構成することができる。
【０１１２】
本実施形態では、ビームスプリッタ３１、観察対象物９０、合波用ビームスプリッタ２２、第１取付部８１の開口および第２取付部８２の開口が縦一列に配列されている。したがって、ビームスプリッタ３１の上方に設けられた照明装置で観察対象物９０を照明することで、観察対象物９０の明視野画像を撮像部６１により取得することができる。また、顕微鏡装置３が蛍光顕微鏡である場合、合波用ビームスプリッタ２２の下方に設けられた励起照明装置で観察対象物９０を照明し励起することで、観察対象物９０の蛍光画像を撮像部６１により取得することができる。
【０１１３】
なお、本実施形態の構成と同様に、第１〜第５の実施形態の干渉観察装置１Ａ〜１Ｅにおいても、分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到るまでの干渉光学系２０Ａ〜２０Ｅおよび光源１０を筐体により保持して干渉光学装置とし、この干渉光学装置と顕微鏡装置３とを互いに光学的に結合することで構成してもよい。
【実施例】
【０１１４】
図６に示された構成の干渉観察装置１Ｂを用いた実施例について説明する。本実施例では、観察対象物９０として、ガラス板に油性インクで線を書いたものを用いた。光源１０として、発振波長６３８ｎｍのマルチモードレーザダイオードを用いた。図１１は、実施例において光源１０のレーザダイオードに供給される電流の時間的変化および撮像部６１の撮像期間を示すグラフである。この図に示されるように、光源１０に供給される電流の時間的変化を４段のステップ型変調波形とした。供給電流の最低値を８３ｍＡとし、供給電流の最高値を９２ｍＡとし、ステップ幅を３ｍＡとした。変調波形の１周期を１６０ｍｓｅｃとし、各ステップの期間を４０ｍｓｅｃとし、撮像部６１の露光時間を２０ｍｓｅｃとした。第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差を約１２ｍｍとした。
【０１１５】
図１２および図１３は、強度補正前の干渉画像を示す図である。図１２（ａ）に示される干渉画像Ｉ1(x,y)に対し、図１２（ｂ）に示される干渉画像Ｉ2(x,y)はπ／２だけ位相が異なり、図１３（ａ）に示される干渉画像Ｉ3(x,y)はπだけ位相が異なり、図１３（ｂ）に示される干渉画像Ｉ4(x,y)は３π／２だけ位相が異なる。これらの画像から、供給電流変調により干渉縞の位相が変調されている様子が見て取れる。
【０１１６】
また、撮像に先立って、第１分岐光の光路を遮った状態で第２分岐光のみを撮像部６１により受光し、レーザ光の強度変調量を調べた。その結果、レーザ光の強度は、供給電流の低い場合から順に、任意単位で８８.１，９２.５，９４.６，９４.９となった。上記（５）式に従い、この強度変調量で図１２および図１３の干渉縞画像を除算して、強度補正後の干渉画像を求めた。
【０１１７】
図１４および図１５は、強度補正後の干渉画像を示す図である。図１４（ａ）に示される干渉画像Ｉ1(x,y)に対し、図１４（ｂ）に示される干渉画像Ｉ2(x,y)はπ／２だけ位相が異なり、図１５（ａ）に示される干渉画像Ｉ3(x,y)はπだけ位相が異なり、図１５（ｂ）に示される干渉画像Ｉ4(x,y)は３π／２だけ位相が異なる。
【０１１８】
図１４および図１５の干渉画像Ｉ1〜Ｉ4から上記（６）式で定量位相画像Ψ(x,y)を求めた。このΨ(x,y)を位相アンラッピング処理し、ゼルニケ多項式を用いたシェーディング補正の計算によって背景の歪み成分を平坦化して、定量位相画像を得た。図１６は、位相アンラッピング処理前の位相画像を示す図である。図１７は、位相アンラッピング処理後の位相画像を示す図である。
【０１１９】
図１７において、左下から右上にかけての光路長の長い領域（濃度が薄い領域）は、観察対象物９０のガラス板に描かれた油性ペンのインクの跡である。このようにして、マルチモードレーザダイオードの供給電流変調により、位相シフトした干渉画像および定量位相画像が得られることが示された。
【符号の説明】
【０１２０】
１Ａ〜１Ｆ…干渉観察装置、２…干渉光学装置、３…顕微鏡装置、１０…光源、１１，１２…レンズ、１３…モニタ用光検出器、２０Ａ〜２０Ｆ…干渉光学系、２１…分岐用ビームスプリッタ、２２…合波用ビームスプリッタ、３１…第１ビームスプリッタ、３２…第１ミラー、３５…ミラー、３６…像反転プリズム、３７…旋光子、４１…第２ビームスプリッタ、４２…第２ミラー、４３…ピエゾ素子、４４…ステージ、４７…旋光子、５１，５２…レンズ、５３…チューブレンズ、５４…ミラー、６１…撮像部（受光部）、６２…光検出器（受光部）、７１…画像取得部、７２…電流制御部（制御部）、７３…フィードバック制御部（制御部）、８０…筐体、８１…第１取付部、８２…第２取付部、９０…観察対象物（サンプル）、９１…光路長・分散補償板。
【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】
0006646426.tif 000026
【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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