(57)【要約】  本発明は、４Ｆ光学系を用いた位相画像システムに関するものであり、特に、当該４Ｆ光学系を用いた位相画像システムを使用する際に、物体の定量的位相情報を再構成する方法に関するものである。本発明は、物体により引き起こされる複素空間変調に加えて、二次元複素空間光変調器（SLM)を使用して複素空間合成変調をおこなう。上記ＳＬＭは、合成変調が物体変調と重ね合わせられ、それが当該位相画像システムの入力面に位置するように配置される。当該位相画像システムからの出力画像を評価することにより、出力画像におけるパラメータを最適化するように、上記合成変調を選択する。これにより、最終的な出力画像からの定性的および定量的な物体位相情報の再構成過程を改善することができる。
2015506496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４Ｆ光学系を用いた位相画像システムの動作中において、前記位相画像システム用いて被検体である物体の定量的位相画像の再構成方法であって、
上記位相画像システムからの出力画像であって、少なくとも物体が４Ｆ光学系を用いた位相画像システムへの入力に与えた複素空間の物体変調ａo(x,y)ｅiψo(x,y)を含む出力画像を評価する工程と、
前記出力画像に基づき、前記出力画像における選択パラメータを最適化するように適合した複素空間の合成変調ａs(x,y)ｅiψs(x,y)を選択する工程と、
前記位相画像システムへの前記入力に与える統合変調ａM(x,y)ｅiψM(x,y) =ａo(x,y)・ａs(x,y)ｅi(ψo(x,y)+ψs(x,y))を、前記合成変調に前記物体変調を重ね合わせることで生成するように構成された二次元複素空間光変調器を変調する工程と、
前記合成変調と、前記統合変調の出力画像ＩM(x,y)とに基づいて、前記物体の定量的な位相画像を再構成する工程とを含む、再構成する方法。
【請求項２】
前記出力画像における前記選択パラメータは、解像度、コントラスト、位相定量性、位相範囲、入力位相値と出力強度値との関係性又はマッピング、及び、合成変調による物体変調の打ち消しの度合いのうち、１つ以上を含む、請求項１記載の再構成方法。
【請求項３】
前記出力画像における前記選択パラメータはコントラストを含み、
前記合成変調は、少なくとも部分的に打ち消し合って弱い合成参照波を生成してしまう前記物体変調の部位の間のバランスを崩すように選択するものであり、前記部位において不均衡な合成変調を導入することにより前記バランスを崩す、請求項１又は２記載の再構成方法。
【請求項４】
前記出力画像における前記選択パラメータは位相定量化を含み、
前記合成変調は、前記物体変調について同じ大きさで逆方向の位相シフトを持つ部位間の位相情報の曖昧さの問題を解決するように選択するものであり、前記出力画像において近接する強度値を持つ部位に対して位相オフセットを与える合成変調を導入する、請求項１から３のいずれかに記載の再構成方法。
【請求項５】
前記出力画像における前記選択パラメータは、入力位相値と出力強度値の関係性を含み、
前記合成変調は、前記関係性を較正するように選択される、請求項１から４のいずれかに記載の再構成方法。
【請求項６】
前記出力画像における前記選択パラメータは、入力位相値と出力強度値の関係性を含み、
前記合成変調は、前記入力位相値と前記出力強度値の間に１対１の関係が成り立つように選択される、請求項１から５のいずれかに記載の再構成方法。
【請求項７】
前記出力画像における前記選択パラメータは、解像度を含み、
前記合成変調は、位相干渉像を投影して、前記位相画像システムの許容角度を超える大きな偏向角度で偏向されうる空間周波数を持つ微細な構造からの光の向きを調整して、当該合成変調により向きが調整された光が前記位相画像システムに入力できるように選択される、請求項１から６のいずれかに記載の再構成方法。
【請求項８】
前記出力画像における前記選択パラメータは、合成変調による物体変調の打消しの度合いを含み、
前記合成変調は、前記物体変調又は前記統合変調の前記出力画像、及び、入力位相変調と出力強度値の既知の関係又は予想される関係に基づき、前記物体変調を打ち消すように選択される、請求項１から７のいずれかに記載の再構成方法。
【請求項９】
前記合成変調は、さらに物体変調と合成変調が入力されない場合の前記位相画像システムの前記出力画像の情報にも基づき選択される、請求項８記載の再構成方法。
【請求項１０】
前記出力画像における前記選択パラメータは、位相範囲を含み、
前記合成変調は、前記物体変調の一部のみ打ち消して、前記物体変調よりも狭い位相範囲を持つ統合変調を形成するように選択される、請求項１から９のいずれかに記載の再構成方法。
【請求項１１】
前記合成変調を選択する工程は、前記物体変調の前記出力画像の閾値関数から導出される合成変調、又は、前記閾値関数に比例する合成変調の選択を含む、請求項１から１０のいずれかに記載の再構成方法。
【請求項１２】
前記合成変調を選択する工程は、前記物体の前記定量的な位相画像を再構成する前に、前記出力画像を評価する工程、前記合成変調を選択する工程、及び前記二次元複素空間光変調器に前記合成変調を付与させる工程を繰り返すことを含む、請求項１から１１のいずれかに記載の再構成方法。
【請求項１３】
前記合成変調を選択する工程は、前記物体の注目領域の外において追加の位相変調を行うことにより、前記注目領域を形成するような前記合成変調の振幅の設定を行うことを含む、請求項１から１２のいずれかに記載の再構成方法。
【請求項１４】
前記４Ｆ光学系を用いた位相画像システムは、顕微鏡であるか、顕微鏡の一部であるか、又は、顕微鏡の光路と光学的に通じている、請求項１から１３のいずれかに記載の再構成方法。
【請求項１５】
４Ｆ光学系を用いた位相画像システムにより画像化された物体の定量的位相画像を再構成するコンピュータ・プログラムであって、前記二次元複素空間光変調器及び前記位相画像システムの出力面に備えられた画像検出器に接続された電子プロセッサにより実行されることによって請求項１から１４のいずれかに記載の再構成方法を実行するコンピュータ・プログラム。
【請求項１６】
物体の定量的位相画像を再構成する４Ｆ光学系を用いた位相画像システムであって、
４Ｆ配置構造と、光源と、
保持された物体が前記光源によって光照射され、前記４Ｆ配置構造への光入力に物体変調が付与されるように構成された物体ホルダーと、
前記物体ホルダーに保持された物体により与えられた物体変調に、合成変調が重ね合わされるように構成された変調制御可能な二次元複素空間光変調器と、
前記４Ｆ配置構造の出力面に備えられた画像検出器と、
前記二次元複素空間光変調器及び前記画像検出器に接続された電子プロセッサと、
前記電子プロセッサによって、請求項１から１４のいずれかに記載の再構成方法を実行するコンピュータ・プログラムを保持するメモリとを備える、位相画像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、４Ｆ光学系を用いた位相画像システムに関するものであり、特に、このシステムを使用した際の物体の定量的位相情報の再構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
（位相情報の曖昧さ）
多くの生物サンプルがほとんど透明であり、普通の顕微鏡では観察が難しい。このことにより、位相差顕微鏡が生物学において広く使われている。光の強度より、むしろ位相差を観察することにより、このようなサンプルは、より高い画質で描画することができる。
【０００３】
位相差顕微鏡は、細胞内での微小な光学路の変化に対して鋭敏であるが、そこから引き出される情報は定性的である。すなわち、それにより、サンプル内の位相遅れの真の値を得ることはできない。干渉を使用した位相画像法の一つの問題として、違う位相でも、得られた干渉パターン内において、同じ強度を持ちうるということが挙げられる。例えば、位相+π/2と-π/2の光線を、位相０の参照光と干渉させた場合、この２つの光線は同じ強度の干渉を示す。この位相情報の曖昧さの問題は、従来の干渉法においては、参照光に種々の位相シフトをかけて干渉パターンを取得することにより解決することができる。一般化位相コントラスト（ＧＰＣ）において、ＧＰＣ出力を、コントラストフィルタの種々の位相シフトを行って取得するという同様な手法が採用されている。（P. J. Rodrigo, D. Palima, and J. Gluckstad, "Accurate quantitative phase imaging using generalized phase contrast," Opt. Express 16, 2740-2751 (2008)参照）。これにより、サンプルの各部位間の光路長において、波長の1/10以上の光路差を明瞭に視覚化することができる。
【０００４】
一般に、位相差顕微鏡及びＧＰＣは、位相差フィルタ（ＰＣＦ）を使用した共通光路干渉計の形態を有する４Ｆ光学系を適用して、位相シフトした参照光（合成参照波、ＳＲＷ）を合成する。出力面において、ＳＲＷと入力位相画像が干渉することにより、高コントラストの強度分布が得られる。
【０００５】
一般に、位相差顕微鏡は、種々の対物レンズを有し、各対物レンズには、物体位相変調の比較的狭い範囲において十分なフィルタリング効果が得られるようなフィルタリング関数が選択されたＰＣＰが取り付けられている。こうした構成は、いわゆる「弱い位相変調」に対応する物体に対してうまく機能する。しかし、強い位相変調を引き起こす物体を調べようとすると、問題が発生し、疑似画像が出現したりする。一般化位相コントラスト（ＧＰＣ）においては、種々のフィルタ関数を使用することにより、物体位相変調の広い範囲にわたって、最適な位相コントラストが得られている。（J. Gluckstad and P. C. Mogensen, "Optimal phase contrast in common-path interferometry," Appl. Opt. 40 , 268-282 (2001)参照）。これらの方法は、弱い位相変調を引き起こす物体を視覚化するのには十分であるが、大きな位相変調を視覚化したり、また、定量的な位相画像化については、満足できる結果が得られるものではない。
【０００６】
共通光路干渉計は、入力位相変調のうち、低周波成分を使用して、参照波を作成し、これにより、位相パターンを視覚化している。しかしながら、未知の物体による位相変調が予測できない場合、画像化された位相物体像は、十分な低周波成分をもたない可能性があり、合成された参照波は、弱すぎて、低画質の干渉パターンしか得られない可能性がある。例えば、π逆位相の領域からの光はお互いに光軸上で打ち消しあってしまうので、完全に対象な位相パターンは、ゼロ次の成分を含まない可能性がある。言い換えると、未知の物体を画像化する場合、ＰＣＦのフィルタ関数が、画像化する位相物体のフーリエ変換の周波数成分に適切であるかどうかは保証することができない、ということである。
【０００７】
４Ｆ光学系を用いた画像システムの出力画像を向上させる技術に関する文献が数多くでている。
【０００８】
US2009/0290156は、透明なサンプルについて、定量的な位相マップを描画する技術に関するものである。広帯域光源、対物レンズ、フーリエ光学素子、及びプログラマブル二次元位相変調器を組み合わせて、フィルタ面において使用し、画像面において、強度及び位相情報を得るものである。プログラマブル二次元位相変調器は、物体位相変調のフーリエ変換の周波数成分に適切な位相リングを形成するようにプログラム可能である。（例えば、[0091]〜[0096]及び図6a乃至6cを参照）。
【０００９】
このように、位相リングは、種々の位相シフトや振幅変調をおこすようにプログラム可能ではあるが、それは、リング内で周波数変数を調整できるに過ぎなく、これは、この方法の欠点となっている。未知の物体位相変調を可視化する場合、このリング内の周波数成分はひずんでいるか、または、弱すぎる可能性があり、その結果、出力には、弱いコントラストしか出ないという問題となる。この問題に対して、ＵＳ２００９/０２９０１５６の[0092]で説明しているように、ＳＬＭ（空間光変調器）は、種々のマスクを表示するようにプログラムされてもよく、例えば、参照光に適切な周波数成分を選択するようにプログラムされてもよい。
【００１０】
文献「Opt. Express 19821, vol. 16, No. 24, 24 November 2008」には、２つのＳＬＭ（空間光変調器）を使用する例が記述されている。このうち、一つのＳＬＭは、周波数フィルタを形成するもので、例えば、位相リングまたは、ランダムな位相ドット列等を形成する。他方のＳＬＭは、フィルタ面において、フィルタパターンに一致するリングまたはドット列を形成するように正確に調整されたホログラムで符号化される。ランダムドット列を使用した場合、リングフィルタを使用した場合に現れる不要な疑似画像のいくつかは、最小化することができる。しかし、未知の物体の位相変調波を可視化する場合、ドット内の周波数成分は歪んでいたり、あるいは、弱すぎて、出力に弱いコントラストしか付かないという問題がある。
【００１１】
文献「Opt. Exp. 14063, Vol. 18, No. 13, 21 June 2010」は、定量的な微分干渉コントラスト（ＤＩＣ）顕微鏡に関するものであり、ビデオ速度にて、複数の位相シフトしたＤＩＣ画像を、完全電子化で取得することができる。これを解析することにより、サンプルの光路長の変動を得ることができる。これは、ＳＬＭを、微分干渉コントラスト（ＤＩＣ）顕微鏡内で、自由度が高いフーリエフィルタとして使用するものである（アブストラクト、図１）。
【００１２】
特許文献「EP0840159A1」は、対象画像を表示する画像生成装置に関する物であり、４Ｆの配置構造からなる装置が記述されている。画像は、液晶ディスプレイを使用して、４Ｆ配置構造の入力面に形成され、平行配向液晶空間光変調器（ＰＡＬＳＬＭ）に結像される。この参照文献は、４Ｆ配置構造からの出力画像が目標画像に一致するように、ＬＣＤパネル、及びＰＡＬＳＬＭとＰＣＦのパラメータを最適化する方法を開示している。よって、この参照文献は、既知の画像の画像形成に関するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、４Ｆ光学系に基づいた位相画像化システムにおける画質の改善を目的とするものであり、このための方法、コンピュータ・プログラム、及び画像システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
従来技術において、４Ｆ光学系を用いた画像システムで物体を画像化する際には、画像化対象の物体により与えられた位相変調と空間振幅とが、物体を照射する光の開口関数と相まって、フーリエ変換の周波数成分を決定する。周波数成分とＰＣＦとの相互作用がＳＲＷを決定し、このＳＲＷが物体位相変調との干渉により出力面にて強度画像を形成するのである。このため、出力画像の定性的パラメータおよび定量的パラメータは主に、通常は未知である物体変調により決定される。例えば、物体位相変調のフーリエ変換の周波数成分とＰＣＦのフィルタリング関数との整合性が低いと、コントラストの低い画像が形成されてしまう可能性がある。そのため、出力画像の質が低い場合には、画像化対象の物体に対してより適切になるように４Ｆ配置構造を修正しなければならないのである。
【００１５】
特許文献「US2009/0290156」では、物体の定量的位相画像化を行うためにＰＣＦの位相シフトを種々異ならせることが記載されている。
【００１６】
本発明は、周知の４Ｆ光学系を用いた画像システムを複素ＳＬＭと組み合わせることにより調節可能な複素空間変調（以下では合成変調ともいう）を加え、この合成変調を物体変調に重ね合わせて、統合変調を形成し（以下では統合変調ともいう）、この統合変調を画像化する、という新しいアプローチを用いるものである。合成変調を制御するというのは、入力統合変調を制御するということであり、その結果フーリエ変換の周波数成分、ひいてはＳＲＷを制御する、ということである。つまり、物体によって決定される入力変調に整合するように４Ｆ配置構造を変更するのではなく、４Ｆ配置構造の性能に整合するように入力変調を変更するのである。
【００１７】
第一の側面において本発明は、請求項１記載の、４Ｆ光学系を用いた位相画像システムを用いて物体の定量的位相画像を再構成する方法を提供する。
【００１８】
第二の側面において本発明は、請求項１５記載の、４Ｆ光学系を用いた位相画像システムにより画像化された物体の定量的位相画像を再構成するためのコンピュータ・プログラムを提供する。
【００１９】
第三の側面において本発明は、請求項１６記載の、物体の定量的位相画像を再構成する４Ｆ光学系を用いた位相画像システムを提供する。
【００２０】
合成変調を調節することによって、統合変調のフーリエ変換の周波数成分を制御して、この周波数成分をＰＣＦに適したものとすることができる。これによって、ＰＣＦを最適及び／又は意図した通りに作用させることができる。その結果、ほとんどどのような物体を観察する場合でも、同じＰＣＦを用いて、高コントラストの出力画像を提供するＳＲＷを生成することができる。このように、本発明では、ＰＣＦのフィルタリング関数と物体位相変調のフーリエ変換の周波数成分が不適合であることに起因する参照光に関する上記の問題を解決するものである。
【００２１】
位相画像を再構成する方法は、通常は位相画像システムの動作中、すなわち物体の検査中において実行される。そのため、較正を必要とする場合は、そのような較正の工程は、本発明の方法の工程に先立って行ってもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による利点のひとつとして、合成変調の調整がコンピュータにより実行され、ＰＣＦの交換を必要としない。そのため、未知の物体を観察する場合、その位相変調の最適なＧＰＣ画像化を高速に行える。他の利点としては、上記合成変調の調整は、極めて広範囲にわたる物体位相変調について、ＰＣＦにあうように調整を合わせることができることが挙げられる。そのため、種々の異なるＰＣＦを幅広く揃えて選択する必要がない。更なる利点として、比較的廉価なＳＬＭが適用でき選択対象のＰＣＦを幅広く揃える必要がなくなるため、本発明によるコスト上昇をほとんど伴わないことが挙げられる。
【００２３】
別の側面において、本発明は４Ｆ光学系を用いた位相画像システムの物体の定量的位相画像を再構成する方法であって、
４Ｆ光学系を用いた位相画像システムを用いた物体の画像化を行う工程であって、前記位相画像システムへの入力に複素空間の物体変調を与える処理を含む工程と、
前記位相画像システムの出力画像を評価する工程と、
前記出力画像に基づき、前記出力画像における選択パラメータを最適化するように適合された複素空間の合成変調を選択する工程と、
前記合成変調を前記物体変調に付与して統合変調を生成し、前記位相画像システムへの前記入力に当該統合変調を与えるように配置された二次元複素空間の光変調器に前記合成変調を与えさせる工程と、
前記位相画像システムを用いて前記統合変調を画像化する工程と、
前記合成変調と、前記統合変調の出力画像とに基づいて、前記物体の定量的な位相画像を再構成する工程と、
を有する方法である。
【００２４】
複素空間変調は一般にａ(x,y)ｅiψ(x,y)と表すことができ、空間依存性を略して、単にaeiψと表す。ａ(x,y)が一定の場合は位相のみの変調、ψ(x,y)が一定の場合は振幅のみの変調であることが理解される。よって、この「複素」という表現は、必ずしも、振幅と位相の両方について変調を行うことに限定されないものである。つまり、振幅と位相の両方について変調を行うことができる、ということを意味している。この標記に基づき、以下のことがいえる。
・物体によって与えられた複素空間変調をａoｅiψoとし、一般に「物体変調」と呼ぶ。
・ＳＬＭによって付与される変調であり、物体変調に重ね合わされる複素空間変調をａsｅiψsとし、一般に「合成変調」と呼ぶ。
・合成変調と物体変調の重ね合わせにより形成された複素空間変調は、ａMｅiψM＝ａo・ｅi(ψo+ψs)で表され、一般に「統合変調」と呼ぶ。
・４Ｆ光学系を用いた位相画像システムに有効に入力される複素空間変調は、物体を照らす照明の残留変調（例えば、開口や環状体）、物体変調、及び選択したいずれかの合成変調の結果生じるものであり、ａIｅiψIで表し、一般に「画像変調」と呼ぶ。
・４Ｆ光学系を用いた位相画像システムを用いた画像プロセスから得られる出力強度分布をＩ(x,y)として一般に「出力画像」と呼ぶ。
【００２５】
４Ｆ光学系は、フーリエ光学の分野では４Ｆ配置構造として知られるものを用いる。典型的な４Ｆ配置構造１が図１に示されており、２枚のレンズ３、５と、透過マスク４とを含んでいる。レンズ３、５と透過マスク４とは、入力面（対物面）２と出力面（結像面）６の間の距離が４焦点距離分になるように配置されている。なお、レンズ５を省き、遠視野結像を行うことも可能である。これは理論的に、結像面６を無限遠に移動することに相当する。このような配置も図１の配置と同様に作用するため、同様に４Ｆ配置構造と呼ぶ。透過マスク４の面は、一般的にフィルタ面あるいはフーリエ面と呼ばれる。４Ｆ相関器とも知られる透過マスク４は、第一のレンズによりフーリエ変換された入力画像とマスクに与えられたマスク関数の畳み込みを行う。透過マスクは典型的には振幅と位相の変調器またはフィルタで、マスクやフィルタの機能は入射光の透過を遮蔽または減衰させる、及び／又は位相シフトをおこなう領域によって実現される。
【００２６】
本発明の方法の実施例の一つにおいて、４Ｆ光学系は顕微鏡であるか、顕微鏡の一部であるか、又は、顕微鏡の光路と光学的に通じている。このように、本方法は例えば位相差顕微鏡の位相情報の曖昧さの問題の対応に適用できる。この４Ｆ光学系は例えば顕微鏡に直接組み込むこともできるし、既存の顕微鏡の機能向上のために追加モジュールとして提供することもできる。追加モジュールとして提供する場合には、例えば顕微鏡のカメラポートのような出力ポートに取り付けることができる。
【００２７】
複素ＳＬＭは、作用光に対して振幅変調と位相変調の両方を与えることが可能であればどのようなＳＬＭでもよい。なお、例えば回折構造が書き込まれている場合には、従来の振幅のみの変調器を使用してもよく、これにより効果的に位相変調を付与することができる。同様に、例えば回折構造が形成されている場合、干渉パターンが作られている場合、あるいは光学系の有限開口の外に光が散乱する場合には、従来の位相のみの変調器を使用してもよく、これにより、効果的に振幅変調を付与することができる。
【００２８】
ＳＬＭに指示可能であるということは、すなわちＳＬＭが付与する合成変調が動的に制御できる、すなわち好ましくはコンピュータを用いて電子的にＳＬＭに指示することにより合成変調を導入、調節、及び除去することが可能である、ということである。付与される変調は、好ましくは電子的に、例えばコンピュータを用いて、ａＳとψＳの組み合わせとして決定される。
【００２９】
選択パラメータは、位相の定量化の目的と物体の種類とに応じた合成変調の選択を行う上で指針として用いられるパラメータである。選択パラメータは、定性的及び／又は定量的なパラメータ、性質、又は特徴であって、出力画像から検出可能又は導出可能である。選択パラメータは、出力画像及び／又は位相画像システムの品質を数値化したものであってもよいし、性能指数であってもよい。つまり、出力画像において選択パラメータを最適化するということは、統合変調の後段階の出力画像において、選択パラメータが所望の基準、達成目標、または目的に近づくように、合成変調を選択することである。例えば、選択パラメータがコントラストである場合には、所望の基準は以前よりも高いコントラスト、あるいはできる限り高いコントラストということになる。選択パラメータが物体変調の打ち消しである場合には、所望の基準は物体変調や合成変調を含まない出力画像に相当する出力画像ということになる。
【００３０】
以下に、いくつかの側面、好適及び／又は任意の特徴、構成要素、例示、実施を述べるが、ひとつの実施例や側面に関連して説明した特徴や構成要素は、適用可能な範囲で他の実施例や側面と組み合わせたり適用したりすることができる。例えば、画像システムに関連して適用した構造的特徴や機能的特徴は、適切な適用により位相画像化の方法に関連した特徴として使用することもできるし、その逆もまた同様である。さらに、本発明者による本発明の基本メカニズムの記載は説明を目的とするものであり、発明を推定するための事後分析に用いるべきではない。
【００３１】
好適な実施例において、４Ｆ光学系を用いた位相画像システムは、入力面における空間位相分布を出力面において強度分布として画像化するのに用いられる共通光路干渉計を備える、位相コントラスト画像システムまたは波面検出システムである。好適には、４Ｆ光学系を用いた位相画像システムはＧＰＣシステムである。このような配置構成において、透過マスクは典型的には位相差フィルタ（phase contrast filter（ＰＣＦ））であって、入力位相分布像を通過させ、かつ、位相シフトされた干渉光を生成して、その結果、入力の空間位相分布像が変換されて結像面において空間強度分布像として画像化される。本発明はこのようなシステムにおいてＳＲＷの制御を可能にするものであり、その結果、位相コントラスト画像の品質向上を実現するものである。
【００３２】
更に別の実施例においては、画像記録のシーケンスにおいて合成位相変調を動的に調整することによって、出力画像から定量的な情報を導出可能にする。このことで位相情報の曖昧さ及び／又は参照光が弱すぎるということに関連した上記の問題を解決できるという効果を奏する。
【００３３】
好適な実施例において、上記出力画像における上記選択パラメータは、解像度、コントラスト、位相定量性、位相範囲、入力位相値と出力強度値の関係（例えばマッピング形式で）、及び合成変調による物体変調の打ち消し、の内ひとつ以上を含む。下記の様々な構成において、これらの更に詳細な説明と実施例による例示とを示す。
【００３４】
上記出力画像における選択パラメータはコントラストとすることができる。コントラストは一般的に、ＳＲＷの強度に関連している。この構成においては、以下のことを行う。すなわち、物体位相変調の部位間で位相バランスがなりたつことにより、少なくとも部分的な打ち消しあいがおこって弱い合成参照波を生成してしまい、低コントラストの出力画像となってしまうことがある。この構成においては、この位相バランスを崩すように合成変調を選択することができる。このような位相バランスがとれた部分配置の例として、π逆位相の部分を均一に配置した場合と、部分的に打ち消し合う非π逆位相の部分を不均一に配置した場合とが挙げられる。この打ち消し合いは、ベクトル加法として視覚化できる。選択パラメータの目的は、ＳＲＷの強度を強め、出力画像のコントラストを向上させることである。これらの部分に対して位相バランスが崩れた合成変調を導入することにより、有効位相変調とＳＲＷとの顕著な相殺的干渉を回避することで、この目的が達成される。
【００３５】
人為的物体を除いては、完全な相殺的干渉は稀なため、通常の物体観察においては、合成変調の選択プロセスに用いることができる程度の品質の画像は、最初に準備することができる。また、特異的な動機に基づいて行われる実験を除いては、実際には全く未知の物体を取り扱うという事はないので、ユーザは何を観察しているのかはある程度見当がついているのが通常である。つまり、観察したい特徴の検出精度を高めるというのが趣旨になる。完全な打ち消し合いが起こっている場合には、第一段階として、縞模様、市松模様、同心円、格子、などの所定のまたは新規に考案した一連の位相追加により位相バランスをある一定の秩序に基づいて崩す。低品質の出力画像が既に利用できる場合は、第一段階として、ＰＣＦとより良く整合するＳＲＷを作成するような意図に基づいて位相バランスを崩す。好適な実施例において、第一段階として、出力画像において同様あるいは等しい強度を持つ部分は等しく変調され、かつ異なる強度を持つ部分とは異なって変調されるように、合成変調を出力画像より導出、選択する。
【００３６】
この基準に従って合成変調を選択することは、統合変調の出力画像のコントラストを向上させるという効果を奏する。
【００３７】
出力画像の選択パラメータは、位相定量性とすることができる。これは、物体中で、位相シフトの大きさが等しくかつ逆方向の位相シフトを持つ物体変調の各部間の位相情報の曖昧さを解決することを目的としている。これは、これら各部に不均等な位相シフトを与えるような位相オフセットを導入することにより実現できる。この目的においては、出力画像中において同様な強度値を持つ部分に位相オフセットを与える合成位相変調を選択してもよい。
【００３８】
この目的に従って合成変調を選択することは、物体変調の出力画像における位相情報の曖昧さがおこる可能性がある、という問題点を解決できるという利点を有する。従来技術においては、これを解決するために、種々のＰＣＦを使ったデータ記録が必要であるという問題があった。本発明は、ＰＣＦは固定でありながら、このような位相情報の曖昧さを解決できるという利点を有する。
【００３９】
出力画像における選択パラメータに、合成変調による物体変調の打ち消しの度合いを含めてもよい。このスキームは、物体位相変調の値の負の値となるように合成位相変調を調整し、物体位相変調、合成位相変調の双方を相殺させることを目的とする。これを反転物体アプローチと呼ぶ。このスキームにおいて好適には、物体あるいは統合変調の出力画像、及び入力位相変調と出力強度値の間の既知のあるいは予期される関係に基づき、物体位相変調を打ち消すように合成変調が選択される。すなわち、物体位相変調の反転に相当する合成変調を選択する。
【００４０】
その結果得られる出力画像は平面的な位相面を持つものであり、ＧＰＣにおいては、典型的には、図６に示すような中央の凸状の形状に対応する。また、開口している部分については、軸上を直進する光の二倍の強度を持つ異なった位相をもつＳＲＷが生じていることがわかる。このように、合成変調を選択する上では、物体変調や合成変調が無い状態での位相画像システムの出力画像を把握していることが望ましい。
【００４１】
物体位相変調の反転に相当する合成変調は、PID（比例・積分・微分）コントローラのような反復フィードバック機構に基づいて得られることが望ましい。位相相殺ができたということは、得られた合成位相変調が、平面的な位相波面の照射光をあてた場合の物体位相変調に対応するという裏付けとなり、有用である（図９参照）。反転物体アプローチにおいては、出力画像において最適化されるものは、物体位相変調やその特性ではない。この場合、選択パラメータの目的は、出力画像のコントラストを全般的に抑えたり、あるいは、平面的な位相面を持つ照射光を照射した場合に期待される出力画像を得る、といったことである。
【００４２】
出力画像における選択パラメータは、入力位相値と出力位相値の関係性とすることができる。この関係を使えば、出力強度値と入力位相値の相関から統合変調を近似し、そこから物体変調を計算することができるので有用である。望ましくは、合成変調は、この関係を調整するように選択する。この一例として、物体の出力画像において物体変調がない領域（物体がない画像と同じ強度値を示す領域）を特定し、この領域に対して既知の合成位相値を設定し、その結果この領域に起こる強度値の変化を観察する。好適には、このような調整を、物体の出力画像内で物体変調がない複数の異なる領域において、複数の異なる合成位相値を用いて行う。強度値と入力値間の関係を調整することで位相の定量化を可能にするという利点を提供できる。この点については、後に図８Ａ乃至８Ｇを参照して詳細に説明する。
【００４３】
これとは別に、あるいはこれに加えて、この関係の調整には出力画像の強度値の範囲を広げるように合成変調を選択することができる。例えば、最も低い強度値がゼロと等しくなり（黒表示）、かつ、最大（最大可能光子数）の強度値を引き上げるように調整する。この調整により、強度値と入力位相値との関係における解像度を最適化できるという効果を奏する。
【００４４】
出力画像における選択パラメータは、入力位相値と出力強度値の関係性とすることができ、合成変調は入力位相値と出力強度値の間に１対１の関係を形成するように選択するものである。上記１対１の関係性とは、各強度値が厳密にひとつの位相値に対応するということを意味しており、出力強度値と入力位相値とのマッピングが１対１で対応していることを意味する。これは、位相情報の曖昧さを解決し、また、入力位相値と出力強度値の関係を調整する上記の実施例を複数組み合わせることにより実現できる。
【００４５】
出力画像における選択パラメータは、位相画像の空間解像度とすることができる。この場合、合成変調は、位相干渉像を投影して、高い空間周波数を持つ微細な構造からの光（これは、通常は、大きな偏向角度で散乱されてしまい、位相画像システムにより捉えることができない）の向きを調整するように選択される。この場合、この合成変調により、通常失われる光、すなわち通常は物体について失われる微細な構造情報を、位相画像システムの入力に偏向して戻し、出力として検出することができる。
【００４６】
好適には、合成変調は、選択パラメータを、ある選択された位相範囲内で最適化するように選択してもよい。これについては後に図６Ａ乃至６Ｄを参照して詳細に述べる。このことは、既存の位相画像システムについて、その限定された動作範囲に対応するのに有用な場合がある。これは合成変調による物体変調の相殺と類似するものである。この構成においては、部分的にのみ、先述の構成と同様、物体位相変調を打ち消して、使用する位相画像システムの動作範囲が狭い場合でも、その動作範囲に収まる統合変調を得るものである。この構成により、従来の位相画像システムを用いて、広い位相範囲を持つ物体を視覚化できる。ある実施例において、まず、位相相殺工程を実施する。位相相殺に使用する位相変調を導出した後、その相殺レベルを縮小したバージョンの相殺位相変調を用い、物体の構造の特徴を維持しつつ、物体位相を部分的に打ち消す。その結果、限定的な動作範囲である位相画像システムを使用したとしても、このように範囲を縮小した統合位相像を視覚化することができる。
【００４７】
典型的には、合成変調は、物体変調の出力画像を評価した結果に基づいて選択される。出力画像が物体位相変調を正しく、かつ位相情報の曖昧さなく、かつ定量的に表しているのであれば、合成変調を調整する必要はない。そうでない場合は、出力画像における選択パラメータを、本発明に従って適合させることより、正しい情報を得ても良い。そのような場合、合成変調の選択は物体変調の出力画像から導いてもよい。あるいは、経験的に得られている、発生率の高い問題を解決することができ、かつ、簡単にデコンボリューション（による除去）ができる既定の変調パターンを使用してもよい。これについては、後に図７Ａ乃至７Ｄを参照してより詳細に述べる。
【００４８】
合成変調を、物体変調の出力画像の関数ａs(x,y)＝ｆ[Ｉo(x,y)]として導出してもよい。合成変調の例としては、出力画像を単にオフセットを加えて比例させるという関数、すなわち、ａs(x,y)∝ＴＨ［Ｉo(x,y)］＋constant、または、出力画像の級数展開関数、すなわち、ａs(x,y)＝ａ0＋ａ1Ｉo(x,y)]＋ａ2Ｉo(x,y)2＋…、または、出力画像の三角関数で表されるもの、例えばａs(x,y)＝ｍcos-1｛［Ｉo(x,y)-Ａ(x,y)−Ｂ(x,y)］／ｎ｝＋ｐ（ただし、定数ｍ、ｎ、ｐ、及び関数A(x,y)とB(x,y)は実際に使用される位相画像システム（例えばＧＰＣ）の理論モデルに基づいて決定され、反復的に調整してもよい）、等が挙げられる。また、これらの関数の組み合わせも合成変調を行うのに用いることができる。好適な実施例においては、合成振幅及び／又は位相変調が物体変調の閾値関数に比例する。すなわちａs(x,y)∝ＴＨ［Ｉo(x,y)］及び／又はψs(x,y)∝ＴＨ［Ｉo(x,y)］となる。
【００４９】
出力画像から合成変調を導くことが実際に不可能な場合（例えば、コントラストが過度に低いなどの問題により）、あるいはユーザの判断により、出力画像から導いたのではない既定の変調パターンを合成位相変調に用いることができる。この物体変調の出力画像から導いたものではなく、発生頻度が高い問題を解決することができる既定の変調パターンの例としては、線、位相縞、市松模様、同心円、格子模様、ランダムなドット、等が挙げられる。出力パターンが改善された後、このような単純なパターンは、簡単にデコンボリューション（による除去）できる。それに続いて、この改善した画像に基づいて、その後の合成変調を導くことができる。
【００５０】
好適には、合成変調の選択は、反復的な合成変調の調整をおこなう、ということでもよい。好適には、この合成変調の調整は、生成された出力画像の経時的観察に基づいて、統合位相変調を動的に調整すること、及び／又は、最適化することにより、（この調整は、合成変調を調整することによりなされる）行われる。このような反復的な調整や動的調整は、定量的位相画像化に関連する選択パラメータの適合にも使用できる。この実施例において、合成変調の選択は、出力画像の評価、合成変調の選択、及び、物体の位相画像を定量的に再構成する前工程において合成変調をおこなう空間光変調器に変調させる工程を繰り返すことを含む。好適には、初回の出力画像の評価は物体変調の出力画像に関して行い、それ以降の出力画像の評価は、出力された最新の統合変調画像の出力画像に関するものである。
【００５１】
合成変調の動的調整及び／又は最適化は、フィードバックループを含んでも良い。この場合、新しい合成変調を、過去の統合変調出力画像の閾値関数に基づいて作成、導出し、またはその比例画像を新しい合成変調とする。例えば、ａs(x,y)∝ＴＨ［ＩM(x,y)］及び／又はψs(x,y)∝ＴＨ［ＩM(x,y)］としてもよい。
【００５２】
本発明の更なる利点として、この合成変調により、物体において、小さな注目領域を形成することができる。注目領域の外において追加的な位相変調をおこない、この注目領域以外の領域の光が位相画像システムの許容角度を超えて偏向されるようにすることで、画像に寄与できなくすることにより、この注目領域を形成することができる。別の方法としては、注目領域の外の領域に相殺する位相を施すことにより、（それに加えてオフセットを加えることもあり得る）、出力において、統合位相像の強度レベルは、「黒」となる。この二番目の方法では、外の暗い領域の光を注目領域に流用し、注目領域の輝度を上げることができる。
【００５３】
ある実施例において、本発明は合成変調を適切に選択することにより、合成参照波の制御が可能となっている。これは、観察の対象ではないがＳＲＷの歪みにつながるような、ゆっくりと傾きが変化する位相諧調が物体の背景に存在する場合などにおいて有用である。すなわち、そのままではＳＲＷに悪影響を与える可能性がある無関心領域や既知の領域を、変調を追加して打ち消すことにより、ＳＲＷを改善することができる。
【００５４】
位相画像システムの出力画像は、ノイズ、光学系における近似や不完全性、照明光の固有位相変調、有限であるＳＬＭの分解能など、様々なエラー源により質が低下する。ある実施例においては、物体の定量的な位相画像を再構成する工程は、統合変調の出力画像に基づいて、有効な入力変調を判定し、合成変調を含んでいる有効な入力変調に対してデコンボリューションを行い物体変調を回復するというものである。ここで、有効な入力変調は、既知のエラー源を考慮しそれを補償して統合変調の出力画像から判定できる、統合変調の最良の推測である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
以下に本発明を添付された図面を参照して詳細に説明する。図面は本発明を実施するひとつの方法を示すものであり、添付された請求の範囲に含まれる他の実施形態を制限するものと解釈するべきでない。
【図１】図１は４Ｆ配置構造を示す図である。
【図２】図２Ａ及び２Ｂは、本発明の種々の実施例に適用される４Ｆ光学系を用いた画像システムの一般的な配置を示す図である。
【図３】図３Ａ及び３Ｂは、本発明の実施例における、回折入力変調を適用した４Ｆ光学系を用いた画像システムの概略図である。
【図４】図４Ａ乃至４Ｄは、本発明の実施例を例示する図であり、図４Ａは物体変調の出力画像を示す図、図４Ｂは統合変調の出力画像を示す図、図４Ｃは合成変調を示す図、図４Ｄは図４Ａ（点線）と図４Ｂ（実線）の中央における線上のスキャン像を示す図である。
【図５】図５Ａ乃至５Ｄは、本発明の実施例を例示する図であり、図５Ａは物体位相変調を示す図、図５Ｂは物体変調の出力画像を示す図、図５Ｃは合成変調を示す図、図５Ｄは統合変調の出力画像を示す図である。
【図６】図６Ａ乃至６Ｄ’は、出力画像を最適化するべく合成変調を選択する構成の他の実施例または例示を示す図である。
【図７】図７Ａ乃至７Ｄ’は、出力画像を最適化するべく合成変調を選択する構成の他の実施例または例示を示す図である。
【図８】図８Ａ乃至８Ｇは、出力画像を最適化するべく合成変調を選択する構成の他の実施例または例示を示す図である。
【図９】図９は、空値画像入力をした場合のＧＰＣによる標準的な出力画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
図２Ａと図２Ｂは、本発明の種々の実施例に適用される４Ｆ光学系を用いた画像システム１０の一般的な配置を示す。
【００５７】
図２Ａにおいて、図１に関連して先述したように、４Ｆ光システムは、４Ｆ配置構造を含む。これに加えて、４Ｆ光システムは、合成変調をおこなうためのＳＬＭ７と、画像面６に出力される画像を検出するための画像検出器８を含む。好ましい実施例において、本システムは、光源９と物体１２を物体面２’に保持するためのサンプルホルダー１１をさらに含んでも良い。画像検出器８、光源９、及び物体ホルダー１１は、レンズＬのような別の光学部品を備えても良い。特に、レンズＬ’は、物体面１１の光を、拡大有りまたは無しで、入力面２に複製する画像中継光学素子を示す。  このレンズＬ’は複数のレンズで構成されても良い。例えば、図３Ａでは、二枚のレンズで構成される例を示す。
【００５８】
図２Ｂに示す４Ｆ画像システムは、図２Ａと同様な構成を有するが、物体１２とＳＬＭ７の順番が逆となっている。なお、物体変調と合成変調は重ね合わせられた後、４Ｆ光システムに入力される。
【００５９】
図２Ａ、２Ｂは、線型構造をもつ４Ｆ光学系を用いた画像システムを示す。なお、例えば折りたたみ構造等、多くの等価な構造を構成することが可能であり、これは、当業者に容易に理解できるものである。
【００６０】
（回折格子ＳＬＭ）
本発明に使用される変調制御可能な二次元複素空間光変調器は、原理的に、振幅変調、及び／又は、位相変調が可能なＳＬＭを使用することができる。
【００６１】
好ましい実施例において、ＳＬＭは回折変調を採用しており、その概略を図３Ａ及び３Ｂに示す．これらの構成において、物体変調は、ブレーズド回折格子のような位相単独回折光学素子に重ね合わされ、もしくは、搬送波として振る舞う周波数変調搬送波に重ね合わされる。この方法は、共通の部材を使用して効率よく振幅及び／又は位相の合成変調が可能であるという特長を有する。回折変調を採用した場合、回折次数に対応する軸に沿って、二値グレーチングにおける種々の横方向シフトが種々の位相レベルを表現する。すなわち、この場合、多くの位相レベルを変調可能な二値位相デバイスを使用することが可能となる。
【００６２】
図３Ａ及び図３Ｂは、ＧＰＣシステムの概略と回折入力変調を示す。図３Ａにおいて、位相物体１５は、レンズＬを使用して、ＧＰＣ入力面２の回折素子１６に中継される。回折素子は搬送波変調を行い、本発明における合成変調１７を作成する。合成された変調はＧＰＣ入力として使用される。図３Ｂにおいて、ＧＰＣ入力面２は位相物体像１５及び回折素子１６を有する。いずれのシステムにおいても、ある回折次数軸に沿って得られた位相変調は、出力面６に画像化され、位相差フィルタ４により合成された、共通光路上の参照波と干渉させることにより、高コントラストの強度パターン１８が形成される。
【００６３】
ここで説明する対応する例において、ＳＬＭは、位相単独ＳＬＭ（Ｈｏｌｏｅｙｅ，ＨＯＥ１０８０）であり、例示的には、物体位相変調及び回折素子（回折搬送波及び合成変調）を変調するのに使用される。合成変調を変調するのに動的回折光素子を使用した場合、希望する出力特性に応じて、入力開口パラメータ（画像変調パラメータ）を測定サイクル単位で最適化することが可能となり、さらに、振幅合成及び／又は位相変調を、高い自由度で簡単に行うことが可能となる。
【００６４】
以下に、合成変調、または物体像と合成変調（統合変調）を形成するための動的回折光素子を使用する形態について説明する。
【００６５】
従来のＧＰＣの入力場は、（１）式で表される。
【００６６】
【数１】
2015506496.tif 000003
【００６７】
ここで、振幅変調a(x,y)（例えば、開口関数あるいはガウス分布した照明）は、位相変調関数φ（x,y）と結合される。この入力画像は、合成参照波と出力面において干渉し、次の（２）式で表される強度パターンを形成する。
【００６８】
【数２】
2015506496.tif 000004
【００６９】
ここで、参照波は、ゆるやかに変動する関数であり、次の（３）式で表される。
【００７０】
【数３】
2015506496.tif 000005
【００７１】
この式は、入力位相の効果を以下の複素振幅係数に含ませている。
【００７２】
【数４】
2015506496.tif 000006
【００７３】
この式は、入力フーリエ変換のゼロ次項を正規化したものである。本ＧＰＣの手法は回折入力変調を採用するものであり、図３Ａと図３Ｂに、その概略を示す。従来の構成との相違点は、物体位相変調が、例えば、ブレーズド回折格子のような位相単独回折光素子や搬送波周波数変調と組み合わされることである。標準的な条件において、ＧＰＣ出力は、回折位相変調を新たに加えて入力位相を可視化する。位相入力のみを描写するには、後から少し述べるように、この光学構造が回折位相変調と適合するように再構成すればよい。
【００７４】
本手法において、回折位相変調が物体位相変調に加えられる。この処理は、独立した構成（図３Ａ）により行うことができ、また、回折面に中継した物体位相変調を乗算処理することにより行うことができる（図３Ｂ）。この処理された入力像は、次の（５）式で表される。
【００７５】
【数５】
2015506496.tif 000007
【００７６】
ここで、φD(x,y)は、位相単独回折変調を表す。標準的なＧＰＣにおいては、元画像であるφ(x,y）ではなく、この処理された入力像φ(x,y)＋φD(x,y)が可視化される。適切な回折素子を選択し、かつ、この光システムを適切に調整することにより、元画像であるφ(x,y)のみに基づいた出力強度パターンを描画することが可能である。
【００７７】
簡単な例から始めるとして、ブレーズド回折格子を位相単独回折素子として追加することを考える。この場合、入力は次の（６）式で表される。
【００７８】
【数６】
2015506496.tif 000008
【００７９】
ここで、ｗは回折格子の各格子の幅を表しており、Ｘは、回折格子の周期を表し、ｆ0は、ブレーズ角に関係した定数を示す。また、rect(x)は、xの絶対値が1/2以下の場合１であり、それ以外は０である関数である。また、comb(x)＝Σ-∞〜∞δ(x-n)である。このフィルタにおける場は、以下の（７）式に示すようにフーリエ変換に比例している。
【００８０】
【数７】
2015506496.tif 000009
【００８１】
フィルファクターが100%であり（すなわち、X=2w）、かつ、ブレーズ角ｆ0がm/Xである理想的な場合、回折格子のくし状部は、sinc関数が、ｍ次の項以外が０の状態になるように位置合わせされ、その場合、ｍ次回折に全てのエネルギーが向かうことになる。
【００８２】
【数８】
2015506496.tif 000010
【００８３】
ＧＰＣシステムをこの回折次に位置合わせすることにより、周波数オフセットをキャンセルし、ＧＰＣ出力における通常の強度パターンを再生することができる。理想的でない場合、（７）式のsinc関数の項は、１より小さくなり、光は目的外の次数の項で失われる。しかしながら、このように空間的にブレーズ角を変調することにより、入力振幅を制御することが可能になり、これを利用して、出力を希望する形態に最適化することができる。
【００８４】
（合成変調の選択）
続いて、図４〜１０を参照して、本発明の態様及び実施例において、出力画像を最適化する合成変調の選択方法について説明する。本発明の全ての態様に関して、物体変調は、一般的な位相画像化において起こりうる状態を表現できるように選んでいる。また、説明を簡単にするために、物体変調は、自然の物体では起こらないような簡単な特性、または、誇張された特性を示すようなものが選ばれている。
【００８５】
（合成参照波の改善）
先述の通り、共通光路干渉計は、入力位相変調の低周波成分を使用し、位相パターンを可視化するための参照波を作成する。ある構成例において、０及びπの二値の市松模様の物体位相変調波を画像化する例を説明する。π逆位相の領域群からの光は、光軸上でほぼお互い打ち消し合ってしまうので、この場合、ゼロ次光は極めて弱い強度となってしまい、その結果、合成される参照波も極めて弱い強度となってしまう。従って、図４Ａに示す出力画像は、極めて低いコントラストしか持つことができない。なお、完全に対称な位相パターンの場合、ゼロ次成分は全く含まないのであるが、この場合は、円形開口による領域の切り捨てがあるので、０位相領域とπ位相領域の間で位相のバランスが崩れ、よって、参照波の成分がゼロではないため、出力には低いながらもコントラストを出すことができる。
【００８６】
本発明の実施例において、入力面に配置したＳＬＭ（ここでは回折格子）を使用して、合成振幅変調を物体位相変調にかけて、ＧＰＣ出力（すなわち、選択するパラメータはコントラスト）のコントラストを向上させる。ＧＰＣシステムにおいて、適切な回折次数に光軸合わせすることにより、振幅変調と位相変調の両方を含んだ統合変調がＧＰＣに入力できる。
【００８７】
合成振幅変調の選択は、図４Ａに示すような低コントラストのＧＰＣ出力画像についてのしきい値関数に基づいて決定する。図４Ａの画像の場合、しきい値計算により、市松模様の二値パターンが形成される。ここで形成された市松模様の二値パターンに基づいて、ＧＰＣ入力面における回折振幅変調パターン（合成変調）を選択する。０または１の二値の市松模様パターンを使用する代わりに、図４Ｃに示す、0.5または１の入力振幅変調パターンを使用して、物体像の全ての領域を明るくすることにした。
【００８８】
この合成振幅変調を加えると、０位相領域とπ位相領域のバランスが崩れるので、ＳＲＷ（参照波）の強度が大きくなり、よって、出力画像のコントラストが向上する。これについては、図４Ｂに向上したコントラストをもつ出力パターンを示す。また、図４Ｄに、実線で、向上したコントラストをもつ出力パターンを、ある直線上でスキャンしたグラフを示す。また、図４Ｄには、比較のために、点線で図４Ａの本処理が加えられてない低コントラスト画像を直線上でスキャンしたグラフも示されている。
【００８９】
（位相定量化）
前述したように、干渉位相画像法においては、形成された干渉パターン内で、異なる位相でも同じ強度を持ちうることが問題となっている。例えば、０位相光と干渉させた場合、＋π/2位相光と-π/2位相光は、同じ強度の干渉を起こす。図５Ａは、一例として、ある物体位相変調をグレースケールで表したものを示す（白領域は＋π/2位相領域を示し、黒は-π/2位相領域を示す）。この物体位相変調をＧＰＣ入力として使用すると、図５Ｂに示す出力画像が形成される。この出力画像においては、正の位相領域と負の位相領域が同じ強度を持っているという位相情報の曖昧さがあるという問題がある（例えば、図５Ａと図５Ｂの矢印を参照）
【００９０】
本発明のある態様において、ＳＬＭ（ここでは回折格子）が入力面に配置され、合成位相変調を物体位相変調にかけるのに使用され、これによりＧＰＣ出力において、位相情報の曖昧さを解決する。
【００９１】
合成振幅変調の選択は、図５Ｂに示すような位相情報の曖昧さが残るＧＰＣ出力画像にしきい値計算して、その結果に基づき決定される。この画像を使用したしきい値計算により、図５Ｃに示す画像が形成される。ＧＰＣに入力される回折位相入力像(統合変調)は、このしきい値パターン（合成変調）に高周波数の格子パターン（物体変調）をかけた積に対応するであろう。位相物体像をこの回折入力に投影し、ＧＰＣシステムを適切な回折次数に軸合わせすると、図５Ｄに示す出力強度パターンが形成される。ここでは、正の位相領域と負の位相領域とが違った強度で現されている。このように、位相にオフセット成分を追加することにより、初期状態では強度において縮退している領域において、その位相の違いを見分けるようにすることが可能となる。すなわち、本発明は、位相物体像にさらに空間位相変調をかけることにより、ＧＰＣ出力画像における位相情報の曖昧さを解決するものである。
【００９２】
（位相範囲調整）
図６Ａ及び図６Ｂは、物体位相変調の上面図及び斜視図である。図６Ｃは、初期状態としてゼロあるいは一定値をとる合成位相変調を示す。ここで、符号「＋」は、物体変調と合成変調を重ね合わせて統合変調を作成する処理を示す。図６Ｄは、統合変調が４Ｆ位相画像システムに画像化された場合の出力結果画像を示す。
【００９３】
物体変調として、極めて大きな位相範囲をもつものを例として選び、図６Ａ及び図６Ｂに示した。図６Ｄは、追加の合成変調を加えない場合の結果画像を示す。この物体位相変調の中央のピークは、使用された４Ｆ位相画像システムの動作位相範囲を超えているので、この中央ピークは、明るい像とはならず、暗い画像となってしまう。
【００９４】
前述したように、部分的に物体位相変調を打ち消すような合成変調を新たに加えることにより、位相範囲を調整（圧縮）して、統合変調の位相範囲を狭くすることができる。このようなことを行うように形成された合成変調を図６Ｃ’に示す。図６Ｄ’には、出力結果画像を示しており、これは、物体位相像をより良く再現している。この場合、合成変調は、物体変調の情報が既知である場合、それを基に導出可能である。あるいは、他の箇所で述べるように、最初に全面的に物体変調の打ち消しを行い、その後、打消しが部分的になるように調整してもよい。
【００９５】
（規定の位相変調による出力画質の向上）
図７Ａ及び７Ｂは、物体位相変調の上面図及び斜視図である。図７Ｃは、初期状態としてゼロあるいは一定値をとる合成位相変調を示す。ここで、符号「＋」は、物体変調と合成変調を重ね合わせて統合変調を作成する処理を示す。図７Ｄは、統合変調が４Ｆ位相画像システムに画像化された場合の出力結果画像を示す。
【００９６】
一例として図７Ａ及び７Ｂに選定した物体変調においては、大きさは同じで反対の位相部位をもつため、位相がちょうど釣り合ってお互い打ち消し合ってしまい、その結果、参照波が弱い強度となってしまう。このため、出力画像において、コントラストが低いものになってしまう。
【００９７】
図７Ｄに、追加の合成変調を加えない場合の出力結果画像を示す。図を参照して分かるように、出力画像のコントラストは低く、物体変調における大きな位相の段差を表現できていない。
【００９８】
前述のように、出力画像から合成変調を導出することが現実的に不可能な場合（例えば、コントラストが低すぎるなど）、合成位相変調として、出力画像から導出されたものではない既定の変調を採用してもよい。図７Ｃ’に、このような既定の変調を示す。この例においては、この既定の変調は、グリッド（格子パターン）を含む。その出力結果画像を図７Ｄ’に示す。この出力結果画像は、明らかに、物体位相変調をより良く再現している。このような簡単な既定パターンは、画像出力の後のソフトウェア上の後処理において、デコンボリューション（による除去）ができるようなものを選択するのが望ましい。この画質が向上した出力画像に基づいて、さらに新たな合成変調を導出しても良い。
【００９９】
（定量的位相画像法における、値の一元化及び較正）
図８Ａは、物体位相変調の斜視図を示す。図８Ｂ、初期状態としてゼロあるいは一定値をとる合成位相変調を示す。ここで、符号「＋」は、物体変調と合成変調を重ね合わせて統合変調を作成する処理を示す。図８Ｃは、統合変調が４Ｆ位相画像システムに画像化された場合の出力結果画像を示す。
【０１００】
物体変調として、３つの円柱像a,b,cを含むものを例として選び、図８Ａに示した。ここで、円柱像a及びbは、同じ位相を持ち（例えば、π/2）、円柱像ｃは、それより大きな位相を持つ（例えばπ）。図８Ｃは、新たな合成変調を加えない場合の結果画像を示す。この結果画像において、円柱像aは、弱く描出されており、円柱像ｂとｃは同じような強度で描出されている。この２つの円柱像aとbは同じ位相を持つにもかかわらず、出力画像においては、描出に差が現れている。これは、位相マッピングでの歪みが原因である。この位相マッピングでの歪みは、画像システムの疑似画像や使用している光学系固有の性質に起因している可能性がある。
【０１０１】
ここで、図８Ｂ’に示すような調整可能な位相高さと位置を有する位相ラインを持つ合成変調を選択し、入力位相値と出力強度値の関係（マッピング）を較正する。この処理は、入力統合位相値と出力強度値とが１対１対応するように行われるものである。
【０１０２】
図８Ｂ’において、-π/2位相ラインを内部に有する合成変調を使用した場合、図８Ｃ’に示す結果出力画像において、円柱像aとbに黒い帯状の像を形成するが、円柱像ｃにはこの帯状の像は現れない。これにより、位相円柱像a及びbは共にπ/2の位相を持ち、円柱像ｃは違う位相を持つことが確認できる。
【０１０３】
図８Ｂ’において、-π位相ラインを内部に有する合成変調を使用した場合、図８Ｃ’’に示す結果出力画像において、円柱像Cに黒い帯状の像を形成するが、円柱像a及びbにはこの帯状の像は現れない。これにより位相円柱像ｃはπの位相を持ち、この位相は、円柱像a及びbとは違うことが確認できる。
【０１０４】
この出力画像からの円柱位置を使用し、さらに、位相ラインを有する合成変調を介して得られた較正/定量化位相を適用することにより、図８Ｄに示すように、物体位相像を打ち消すことができる合成変調の反転を新しく作成することができる。これにより、図８Ｅに示すように、空値を入力した場合の標準的な出力画像が形成される。これにより、全打ち消しされたことが確認でき、かつ、この合成変調は、物体位相像の反転画像であることが確認できる。
【０１０５】
あるいは、図８Ｆに示すように、合成変調において、位相円柱像a,b,及びｃを調整して、これらが図８Gに示す出力画像において、相対的に正しい明度で現わすことが可能である。これは、前述した位相範囲調整に類似しているが、今回のものは、システム固有の位相像歪みを補正するというものである。
【０１０６】
（応用）
本発明者らは、大部分が透明である生物サンプルの画像生成への応用、実験室での測定や産業での応用における定量的な位相の画像化への応用を提案する。
【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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【国際調査報告】
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